超級早稻氮磷鉀養分需求特征研究

謝 宜，周 旋，羅尊長，王玲玲，胡柯鑫，周孟瑜，董春華

(1.湖南大學 研究生院 隆平分院，長沙 410125；2.湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125; 3 .湖南省瀏陽市達滸鎮農業綜合服務站，湖南瀏陽 410305)

中國自1996年啟動超級稻計劃以來，被農業部推廣認定并保留的超級稻品種(組合)已超過130個，其推廣應用對中國水稻增產增效有巨大貢獻。目前，由于多數農戶對超級稻營養特性和需肥特征認識不足，普遍重施氮肥，輕施磷、鉀肥[1-2]。巨曉棠等[3]通過大量農戶調查發現，過量施氮的田塊約占總調查田塊的30%。過量和不平衡施肥不僅未發揮超級稻的高產潛力，還易造成土壤板結、肥料利用率低及環境污染等問題[4-6]。因此，在提高超級稻產量和肥料利用率的同時，減少化肥投入，對超級稻高產高效栽培及經濟效益和生態效益的提高具有極其重要的意義[7]。相關研究表明，氮肥的施用在作物產量和品質提升上起關鍵作用，而鉀肥的投入也與氮肥的施用效果緊密相聯，鉀肥施用水平的高低不僅對作物株高、穗數、成穗率和每穗粒數有顯著影響，而且還影響植株吸氮量和氮素轉運率[8-10]。合理的運籌鉀肥能有效提高抽穗后的干物質累積量，有利于改善水稻的群體質量[11]。

緩/控釋肥是通過減緩或控制化肥養分的釋放速率來使肥料養分供應更吻合作物對養分吸收的新型肥料[12-13]。目前，關于緩/控釋肥料養分釋放特性及相應施用技術的改進，均是根據作物的吸肥規律及相應土壤的供肥特征來匹配實現的。前人對新型緩/控釋肥的研究方向主要集中在氮肥的氮素釋放控制方面[14-18]，包括控釋材料篩選[19-20]、施用方式選取[21-23]及作物養分利用率提高[24-25]等，而通過氮鉀運籌來探究養分釋放的研究較少。為此，本研究于2017年開展氮鉀養分不同優化運籌技術對超級早稻產量和氮、磷、鉀利用效率影響的研究，揭示超級早稻的吸肥和土壤肥力供應規律，為超級早稻相應緩/控釋肥等新型肥料的研發制備提供科學理論依據，為實現超級早稻化肥減施增效及農業環境可持續發展提供技術途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年在湖南省瀏陽市達滸鎮金石村稻田(E 113°52′54.8″，N 28°22′42.8″)進行。該地區年均氣溫17.5 ℃，年均降水量1 358.6～1 552.5 mm，蒸發量500 mm，無霜期275 d。土壤類型為水稻土，基礎理化性質為pH 5.48，有機質24.3 g·kg-1，全氮1.62 g·kg-1，全磷0.39 g·kg-1，全鉀19.1 g·kg-1，堿解氮121.2 mg·kg-1，有效磷11.3 mg·kg-1，速效鉀65.3 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

供試水稻品種為超級稻‘五豐優286’。供試肥料氮肥為尿素(含N質量分數 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O5質量分數 12%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O質量分數 60%)。

1.3 試驗設計

試驗設置4個處理：不施肥(T1)、常規施肥(氮鉀肥基追比為基∶蘗=3∶2，T2)、優化施肥模式1(氮鉀肥基追比為基∶蘗∶穗=6∶2∶2，T3)和優化施肥模式2(氮肥基追比為基∶蘗∶穗=6∶2∶2，鉀肥基追比為基∶蘗∶穗=5∶3∶2，T4)，以不施肥為對照。N用量為150 kg·hm-2，P2O5用量為90 kg·hm-2，K2O用量為120 kg·hm-2。磷肥做基肥，一次性施入。各處理重復3次，隨機區組設計。小區面積為5 m×8 m=40 m2，共12個小區，小區用田埂分開，田埂寬20 cm，埂上覆膜。育秧方式選擇標準化軟盤旱育秧，3月20日播種，4月16日移栽。栽植規格為：株距×行距=26.7 cm × 13.3 cm，每穴4～5株。具體施肥時期和用量見表1。其他管理措施與當地水稻常規栽培管理一致。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 樣品采集及指標測定 在水稻種植前采用蛇形法取0～20 cm耕層土壤，風干后，測定土壤pH及有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數。主要生育期采用梅花形五點法取0～20 cm耕層土壤，風干后，測定堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數。同時選取水稻植株5穴，殺青，烘干，稱量干質量，測定植株氮、磷、鉀質量分數(成熟期樣品秸稈與籽粒分開)。收獲時，各小區單打單收單曬測產。

1.4.2 基礎理化指標測定 土壤pH采用V(水)∶V(土)=2.5∶1電位計法測定；有機質采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法測定；全氮、全磷、全鉀分別采用蒸餾法、紫外分光光度法、火焰光度計法；植株氮、磷、鉀質量分數經濃H2SO4-H2O2消煮后，分別采用蒸餾法、釩鉬黃比色法和火焰光度計法測定；土壤堿解氮、有效磷和速效鉀分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法和乙酸銨提取-火焰光度計法測定[26]。

1.4.3 氮、磷、鉀養分參數 3 種養分參數計算公式相同，以氮為例介紹如下：

氮總吸收量(TNA)=稻谷產量×稻谷含氮量+稻草產量×稻草含氮量

每 100 kg 籽粒需氮量(NAPG)=氮總吸收量/稻谷產量×100

氮肥偏生產力(NPFP)=施氮區產量/施氮量

氮肥利用率(NRE)= (施氮區氮吸收總量-無氮區氮吸收總量) / 施肥量×100%

氮肥農學利用率(NAE)=(施氮區產量-無氮區產量)/施氮量×100%

1.5 數據處理

采用Excel 2016進行數據處理、分析及繪圖，用SPSS 19進行單因素方差分析，多重比較采用鄧肯新復極差法檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻產量的影響

從表2可知，施肥處理早稻稻谷產量和總生物量均顯著高于不施肥處理(P<0.05)。與T2相比，T3、T4稻谷產量分別增加1.1%和4.4%，總生物量分別增加0.01%和3.4%。其中，T4稻谷產量較T3顯著提高3.2%，總生物量提高2.5%。

2.2 不同施肥處理水稻氮磷鉀養分吸收利用

2.2.1 氮素吸收利用 由表3可知，施肥處理氮總吸收量和每100 kg籽粒需氮量均高于不施肥處理，大小依次呈現為T4 >T3 >T2，其中T4氮總吸收量和每100 kg籽粒需氮量分別較T2增加12.1%和9.8%。T3和T4氮肥偏生產力、氮肥利用率和氮肥農學利用率較T2平均高出2.7%、18.4%和8.0%，且T4氮肥利用率較T3顯著高出16.6%。說明T4增加蘗肥比例的氮鉀養分優化運籌技術，能更有效吻合超級稻早稻的吸肥規律，促進氮素吸收利用。

表2 不同施肥處理下水稻成熟期生物量Table 2 Biomass of rice at mature stage under different fertilization treatments kg·hm-2

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: Different lowercase letters in different treatments mean significant difference(P<0.05).The same below.

表3 不同施肥處理下水稻氮素吸收利用Table 3 Absorption and utilization of N in rice under different fertilization treatments

2.2.2 磷素吸收利用 由表4可知，施肥處理磷總吸收量顯著高于不施肥處理，大小依次呈現為T4>T3>T2，其中T3和T4磷總吸收量較T2平均增加11.1%。T4水稻每100 kg 籽粒需磷量較T2和T3分別增加18.2%和14.7%。T3和T4磷肥偏生產力、磷肥利用率和磷肥利用率較T2平均高出2.7%、36.8%和7.9%，且T4磷肥農學利用率較T3顯著高出63.5%。說明增加蘗肥比例的氮鉀養分優化運籌技術，能更有效吻合超級早稻的吸肥規律，間接促進磷素吸收利用。

2.2.3 鉀素吸收利用 由表5可知，施肥處理鉀總吸收量和每100 kg籽粒需鉀量均高于不施肥處理，大小依次呈現為T4 > T3 > T2，其中T3和T4鉀總吸收量和每100 kg籽粒需鉀量平均較T2增加4.7%和3.0%。T3和T4鉀肥偏生產力、鉀肥利用率和鉀肥農學利用率較T2平均高出 2.7%、13.8%和8.0%，且T4鉀肥利用率較T3顯著高出15.7%。說明T4增加蘗肥比例的氮鉀養分優化運籌技術，更能有效吻合超級稻早稻的吸肥規律，促進鉀素吸收利用。

表4 不同施肥處理下水稻磷素吸收利用Table 4 Absorption and utilization of P in rice under different fertilization treatments

表5 不同施肥處理下水稻鉀素吸收利用Table 5 Absorption and utilization of K in rice under different fertilization treatments

2.3 不同施肥處理水稻干物質積累量

由圖1可以看出，早稻移栽后，隨著生長發育的進行，早稻干物質積累量持續上升，不施肥處理下早稻干物質積累量上升趨勢相對平緩。施肥處理中，T2早稻干物質積累量約在第38天之前，高于T3、T4；第38天～第68天，T3早稻干物質積累量開始超過T2、T4；第68天，T4與T3早稻干物質積累量相當，之后與T2、T3差異趨大。到完熟期，差異最大。完熟期早稻干物質積累量大小依次為T4>T3>T2，T4較T2、T3增加11.8%和8.8%。說明T4增加蘗肥比例的氮鉀運籌施肥方式，對超級早稻的生長發育總體表現一定的優勢，能有效促進水稻干物質的累積。

2.4 不同施肥處理對水稻養分累積量和土壤養分質量分數的影響

2.4.1 對水稻氮素累積量和土壤堿解氮質量分數的影響 由圖2可知，早稻需氮高峰在分蘗盛期(1～31 d)和成熟期(60～90 d)，土壤氮素供應出現2個高峰：早稻移栽后的第1天到第31天和第46天到第75天，且前者供應峰值更高。第1個土壤氮素供應高峰期內，第15天到第31天T2早稻氮素累積量高于T3、T4。第31天到第46天T4早稻氮素累積量開始高于T2、T3，其中T4顯著高于T2。第2個土壤氮素供應高峰期內，第60天至第70天，第75天至第90天早稻氮素累積量大小依次為T4>T2>T3。表明不同氮鉀運籌方式會影響土壤氮素的供應特性，從而影響早稻對氮素的吸收和累積，最終影響籽粒產量的形成。

圖1 不同施肥處理下水稻干物質積累量的動態變化Fig.1 Dynamic changes of dry matter accumulation under different fertilization treatments

柱形圖為累積量 Column shows accumulation;折線圖為質量分數 Line shows mass fractiom;下同 The same below

圖2不同施肥處理下早稻氮素累積量和土壤堿解氮質量分數的變化
Fig.2Changesofnitrogenaccumulationandsoilalkali-hydrolyzalenitrogenmassfractionunderdifferentfertilizationtreatments

2.4.2 對水稻磷素累積量和土壤有效磷質量分數的影響 由圖3可知，早稻整個生育期內需磷高峰在移栽后的第1天到第60天和第75天到第90天，而土壤磷素供應高峰主要在第1天到第60天，其他時期較為平緩。第1天到第31天和第46天到第60天T2早稻磷素累積量高于T3、T4。第31天到第46天，T4早稻磷素累積量顯著高于T2。且T4早稻磷素累積量一直高于T3(60～75 d 除外)。到完熟期，T4早稻磷素累積量顯著高于其他處理，大小依次為T4 > T2 > T3。表明不同氮鉀運籌方式會影響土壤磷素供應特性和早稻的吸收特性，從而影響早稻對磷素的吸收和累積，最終影響籽粒產量形成。

圖3 不同施肥處理下早稻磷累積量和土壤有效磷質量分數的變化Fig.3 Changes of phosphorus accumulation and available phosphorus mass fraction in soil under different fertilization treatments

2.4.3 對水稻鉀素累積量和土壤速效鉀質量分數的影響 由圖4可知，早稻對鉀素的需求具有持續性，需求高峰期主要在第15天到第46天(分蘗盛期)和第60天到第75天(抽穗期和乳熟期)，而土壤鉀素供應主要集中在第15天到第31天(分蘗期)，后期供應相對不足，尤其在第60天到第75天(灌漿期和乳熟期)需要補充。第1天到第31天，T2早稻鉀素累積量高于T3、T4。第31到第46天，T3、T4早稻鉀素累積量開始高于T2，其中T4顯著高于T2。第46天到第60天和第60天到第75天，T3早稻鉀素累積量高于T4。到完熟期，早稻鉀素累積量大小依次為T2>T4>T3。表明不同氮鉀運籌方式會影響土壤鉀素供應特征和水稻的吸收累積特性，從而影響早稻對鉀素的吸收和累積，最終影響籽粒產量形成。

3 討 論

氮肥大量一次性施用會加速氨揮發，造成氮損失，因此在施肥量一致的情況下，適量氮肥后移有利于提高水稻生長后期氮素的吸收和積累[27-28]。隨著氮肥用量的增加，作物產量也隨之提升，稻田土壤中原存的鉀素被大量帶走，土壤中鉀素缺失已成為南方稻田產量提升的限制因素之一[29]。 相關研究表明，土壤中施入的鉀肥35%～45%被當季的水稻所吸收，另外55%～65%被滲漏損失或者土壤固定[30]，因此適量、分次追施鉀肥是可取的。Hong等[31]研究認為，鉀素吸收不僅促進水稻碳氮代謝、加速植物體內氮化合物的運輸和穩定蛋白質的合成，也有利于水稻體內有機物質的轉化和累積及促進氮、磷吸收。可能是氮、磷、鉀養分在植株體內有機物的形成和轉化過程中存在交互作用[32]。嚴蓮英等[33]和王強盛[34]研究發現，鉀肥后移處理養分含量較鉀肥一次性施用處理養分含量增高，且氮肥基追施比例4∶2∶3∶1，磷肥全部做基肥，鉀肥基追施比例4∶4.5∶1.5時，超高產水稻產量最佳。也有研究表明，氮鉀肥基追比為基∶蘗∶穗=5∶3∶2更符合超級稻晚稻吸肥規律[35]。T3、T4是在相同氮素運籌且磷素一次性施用情況下，調整鉀肥的追施比例，表明在對氮素運籌的同時，適當增加鉀素運籌能促進植株更有效地吸收肥料和土壤供給的養分，從而增加超級稻的產量和肥料利用率。

圖4 不同施肥處理下早稻鉀累積量和土壤速效鉀質量分數的變化Fig.4 Changes of potassium accumulation and available potassium mass fraction in soil under different fertilization treatments

3.1 氮鉀運籌對超級早稻產量和養分吸收利用效率的影響

本研究結果表明，T3和T4稻谷產量、總生物量比T2平均增加2.7%和2.1%。表明氮鉀的適度后移更有利于早稻對養分的吸收累積，這與張雪凌等[36]研究結果一致。T4早稻產量依次高于T3、T2，這可能是由于T4氮鉀運籌模式更符合早稻生長發育的關鍵時期需求。T4氮磷鉀養分吸收總量、每100 kg籽粒需氮磷鉀量、偏生產力、氮磷鉀肥吸收利用率和氮磷鉀肥農學利用率均依次高于T3、T2。表明適當調整氮鉀素的后移量不僅能提高氮鉀素吸收利用，同時影響早稻對磷的吸收，提高磷素吸收利用，減少稻田氮磷流失，降低農業面源污染[37]。

3.2 氮鉀運籌對超級早稻養分需求特征和土壤養分供應的影響

本研究中，T2早稻干物質總量在生長發育后期低于T3和T4。表明合理的氮鉀運籌能在后期持續供應養分，促進早稻后期的生長發育，其中T4高于T3。而磷肥是一次性施入的，這不僅說明氮、磷、鉀肥之間在一定程度上相互促進吸收，而且這種促進效果的大小是建立在作物攝取養分平衡的基礎上[38-41]。早稻移栽孕穗期至灌漿期需氮量相對較少，而土壤堿解氮累積較多，且灌漿期后氮素足量的供應是水稻產量的保證。其中T4在成熟期氮素累積量高于T2和T3。表明T4氮素運籌比例后期能更好促進植株吸收土壤中的有效態氮，更切合早稻對氮素的需求。灌漿期后，T4磷素累積量高于T2和T3，而土壤有效磷質量分數低于T2和T3，說明T4氮鉀運籌方式在促進水稻植株生長發育的同時，也增加植株對土壤有效磷的吸收，較T3更為科學。而T3在鉀素需求高峰期略有盈余，灌漿期之后卻供應不足，相對鉀素運籌不一致的T4，前者的產量、氮磷鉀利用效率、氮磷鉀累積量等低于后者，有的甚至達到顯著水平。說明氮、磷、鉀養分運籌要同步，而且不同時期的施用量一定要均衡。T2收獲期土壤速效鉀較T3和T4出現盈余，水稻植株鉀素積累量較少，這可能與T2鉀肥分次施用有關。本研究中，氮肥基追比為基∶蘗∶穗=6∶2∶2，鉀肥基追比為基∶蘗∶穗=5∶3∶2的T4能較好滿足超級早稻對養分需求的運籌模式，將其運用到實際生產中，指導施肥或者通過緩控釋材料的選擇，促使肥料養分的釋放更接近植株養分的吸收，提高肥料的利用效率。

4 結 論

T4處理(氮肥基追比為基∶蘗∶穗=6∶2∶2，鉀肥基追比為基∶蘗∶穗=5∶3∶2)和T3處理(氮鉀肥基追比為基∶蘗∶穗=6∶2∶2)的施肥模式下超級早稻產量及氮、磷、鉀養分利用效率均高于T2處理(氮鉀肥基追比為基∶蘗=3∶2)，且T4處理更優于T3處理。表明T4處理的氮鉀運籌對超級早稻的產量、養分質量分數相對具有良好的提升作用，其氮鉀養分運籌特征與相應土壤的供肥特征更吻合早稻的養分需求特性。