控釋尿素對環洞庭湖區雙季稻吸氮特征和產量的影響

田 昌 靳 拓,2 周 旋 黃思怡 王英姿 徐 澤 彭建偉 榮湘民 謝桂先

控釋尿素對環洞庭湖區雙季稻吸氮特征和產量的影響

田 昌1靳 拓1,2周 旋3黃思怡1王英姿4,*徐 澤5彭建偉1榮湘民1謝桂先1

1湖南農業大學資源環境學院/ 土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室, 湖南長沙 410128;2農業農村部農業生態與資源保護總站, 北京 100125;3湖南省農業科學院土壤肥料研究所, 湖南長沙 410125;4湖南農業大學園藝學院, 湖南長沙 410128;5湖南省長沙縣農業農村局, 湖南長沙 410100

緩控釋肥料應用于我國水稻生產中, 對化肥使用量零增長和農業可持續發展具有重要推動作用。本研究以連續在湖南進行6年(2013—2018年)的雙季稻控釋尿素施用試驗為研究平臺, 分析控釋尿素施用下環洞庭湖區早晚稻主要生育期地上部氮素累積、氮素階段吸收速率與氮素利用的關系, 探究控釋尿素減施對水稻持續穩產增產的原因。結果表明: 早稻各施氮處理均有1次明顯的氮素階段吸收速率峰值, 控釋尿素(controlled-release urea, CRU)處理氮素吸收相對延后, 氮素累積主要在幼穗分化始期至抽穗期階段, 占生育期總量的35.31%~42.33%, 其次為始分蘗期至幼穗分化始期和抽穗期至乳熟期。晚稻于始分蘗期至幼穗分化始期和抽穗期至乳熟期出現2次明顯的氮素階段吸收速率峰值, 均以1.0 CRU (等氮量控釋尿素)處理峰值最高; 始分蘗期至幼穗分化始期、抽穗期至乳熟期水稻大量吸收氮素, 累積增量分別占35.92%~40.52%和23.05%~24.58%。控釋尿素還能顯著提高雙季稻產量, 早晚稻分別以0.9 CRU (控釋尿素減氮10%)和0.8 CRU (控釋尿素減氮20%)處理最佳, 控釋尿素減施的晚稻增產效果優于早稻, 且顯著提高早晚稻氮肥吸收利用率、農學利用率和偏生產力。CRU處理早晚稻產量與幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期、臘熟期氮素累積量和有效穗數均呈極顯著正相關, 且晚稻產量與穗長呈顯著正相關; 早晚稻幼穗分化始期氮素累積量與氮肥農學利用率、生理利用率呈顯著負相關, 氮肥偏生產力與早稻幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期和臘熟期氮素累積量呈極顯著或顯著負相關, 與晚稻抽穗期氮素累積量呈顯著負相關。因此, 控釋尿素施用使水稻氮素階段吸收速率、地上部氮素累積后延, 有利于后期生殖生長及籽粒結實, 顯著提高雙季稻產量及氮肥利用效率。結合雙季稻吸氮特征和籽粒產量, 建議環洞庭湖區早稻采用釋放期較短的控釋尿素或配合速效氮肥施用, 進一步實現增產。

控釋尿素; 雙季稻; 吸氮特征; 產量

氮素是水稻生長必不可少的營養元素之一, 對作物高產起著重要作用, 持續、大量增加氮肥投入是提高水稻產量的一項重要措施[1], 但我國水稻氮肥吸收利用率較低, 僅30%~35%, 較發達國家低10~15個百分點[2], 損失率高達30%~70%[3], 引起一系列環境生態問題。因此, 穩定水稻產量的同時提高肥料利用效率、減少化肥投入備受關注。國內外學者在水稻化肥減施增效方面做了大量研究, 主要通過優化施肥方法、改變氮肥類型、確定最適施肥時期和最佳施氮量, 從而提高肥料利用效率[4]。

控釋肥料是采用物理、化學等手段對肥料進行包膜, 肥心養分通過擴散機制等緩慢釋放, 并與作物吸收同步。影響包膜肥料養分釋放的因素主要有肥料包膜層, 土壤含水率、溫度、土壤pH和微生物活動等。張海軍等[5]認為, 溫度對包膜肥料的養分釋放速率影響顯著, 一定范圍內隨溫度升高養分釋放速率加快。李敏等[6]認為樹脂膜控釋尿素較硫膜控釋尿素后期氮素釋放率更高, 利于作物后期生殖生長。因此, 控釋氮肥減量施用是水稻化肥減施增效的重要手段之一。稻田施用控釋氮肥, 既能滿足水稻前期氮素需要, 提高花后根系活力和齊穗期、乳熟期葉片氮轉化關鍵酶活性, 增強稻株后期氮素吸收, 提高氮素累積, 協調氮素分配; 又能減少氮素損失, 提高氮肥利用率和水稻產量[7-11]。具體表現為: 控釋肥料能有效降低氮素NH3揮發損失和N2O排放[12], 較常規施肥減少稻田NH3揮發損失量50.3%~ 70.1%[8], 水稻生長期N2O排放量15.7%~28.6%[9]。且控釋尿素養分釋放、稻田土壤養分供應與水稻氮素吸收呈顯著正相關[13], 有利于提高土壤礦質氮含量[14], 穩定后期稻株根系活力, 確保莖葉儲藏物質的再轉移和抽穗后光合產物的形成[15], 提高成穗率以及氮素在稻株中的分配、再分配和運轉暢通, 從而提高氮肥偏生產力(6%~23%)、氮素農學利用率(26%~71%)和籽粒產量(8%~19%)[16]。但有關控釋尿素對環洞庭湖雙季稻不同生育階段氮素累積、氮素階段吸收速率的動態變化研究還不夠深入。本文在前期研究基礎上, 主要分析控釋尿素施用下早晚稻主要生育階段氮素吸收速率和生育期氮素累積與產量和氮素利用的關系, 探究控釋尿素的早晚稻持續穩產增產原因。以期為優化環洞庭湖區雙季稻田控釋尿素施用方法提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試地點

雙季稻田施用控釋尿素長期定位試驗于2013年開始, 在湖南省長沙市瀏陽原種場沿溪鎮花園村(28°19'N, 113°49'E)進行, 2018年為該試驗持續的第6年。該地區屬亞熱帶季風性濕潤氣候, 年均氣溫17.3℃, 日照時數1594.8 h, 降水量1551.3 mm, 全年最高溫度集中在7月至8月。

1.2 供試材料

供試水稻品種早稻為中早39, 晚稻為金優華占。供試肥料為普通尿素(46% N, 湖南省宜化化工有限責任公司生產); 樹脂包膜控釋尿素(42% N, 56、70和84 d的25℃水浸泡累積溶出率分別為77.4%、86.3%和90.5%, 山東金正大生態工程股份有限公司生產); 鈣鎂磷肥(12% P2O5, 湖北祥云化工股份有限公司生產); 氯化鉀(60% K2O, 俄羅斯生產)。供試土壤為河流沖積物發育的潮沙泥, 其原始土壤(2013年)基本理化性狀pH值為5.61, 有機質為16.62 g kg–1, 全氮、全磷、全鉀分別為1.21、0.54和11.51 g kg–1, 堿解氮、有效磷、速效鉀分別為48.93、21.25和155.68 mg kg–1。

1.3 試驗設計

大田小區試驗的小區面積為20 m2(4 m × 5 m), 小區間水泥田埂隔開。設5個處理: 農民習慣施肥(普通尿素, U)、等氮量控釋尿素(1.0 CRU)、控釋尿素減氮10% (0.9 CRU)、控釋尿素減氮20% (0.8 CRU)、不施氮肥(CK), 重復3次, 隨機區組排列, 連續6年早晚稻輪作均在其對應小區進行。早、晚稻各小區種植密度株行距分別為16.7 cm × 20.0 cm、20.0 cm × 20.0 cm, 每穴2~3苗; 上述處理氮用量(按純N計)依次為150、150、135、120、0 kg hm–2(早稻)和180、180、162、144、0 kg hm–2(晚稻), P2O5、K2O用量分別為72 kg hm–2、90 kg hm–2(早稻)和60 kg hm–2、105 kg hm–2(晚稻)。所有磷肥做基肥一次性施入, 氮肥和鉀肥60%做基肥(移栽前與土混施), 40%做分蘗肥(移栽后10 d左右表層撒施)。其中U處理N、P2O5、K2O用量及施肥方式同當地農民習慣。早稻于2018年4月24日施基肥移栽, 5月6日追肥, 7月11日收獲; 晚稻于7月13日施基肥移栽, 7月23日追肥, 10月26日收獲。整個生育期按常規田間管理方式進行。

1.4 測定項目與分析方法

取樣時間: 早稻為移栽后6 d (始分蘗期)、28 d (幼穗分化始期)、54 d (抽穗期)、63 d (乳熟期)、78 d (臘熟期); 晚稻為移栽后8 d (始分蘗期)、32 d (幼穗分化始期)、68 d (抽穗期)、82 d (乳熟期)、105 d (臘熟期)。取樣時齊地割取植株于105℃下殺青30 min, 60℃恒溫烘干稱量, 磨細過0.5 mm篩后, 用凱氏定氮法測定全氮含量。收獲時各小區單打單曬并稱重。每小區采水稻地上部5穴進行室內考種, 分別測定株高、穗長、有效穗數、每穗粒數、結實率和千粒重。

氮肥吸收利用率 = (施氮區地上部植株吸氮量-空白區地上部植株吸氮量)/施氮量;

氮肥農學利用率 = (施氮區產量-空白區產量)/施氮量;

氮肥生理利用率 = (施氮區產量-空白區產量)/(施氮區地上部植株吸氮量-空白區地上部植株吸氮量);

氮肥偏生產力 = 施氮區產量/施氮量;

氮收獲指數 = 籽粒氮吸收量/(籽粒氮吸收量+秸稈氮吸收量);

本問卷選取合肥三所理工類院校共283名大一和大二學生為調查對象。為了使調查結果具有代表性，選取的三所院校分別為一所985高校、一所211高校和一所省屬普通高校，基本涵蓋了普通高校的各個層次；調查的學生分布于理學、工學和農學等10個專業，為典型的理工專業學生；選取的學生為確定具體專業后隨機抽取的大一新生和大二學生，因為他們是該課程改革的主要涉及對象。共發放問卷300份，回收有效答卷283份，按學校不同分為A(985高校，95份)、B(211高校，92份)、C(省屬普通高校，96份)三組，代表三個不同層次的學生。

植株氮素累積量 = 植株干重′含氮量;

氮素階段吸收速率 = 含氮量′某生育期水稻生物量/生育期時間。

1.5 數據方法

數據處理及作圖使用Microsoft Excel 2007。數據分析使用DPS7.05統計軟件進行單因素方差分析(ANOVA), 多重比較采用Duncan’s新復極差法。

2 結果與分析

2.1 雙季稻地上部分氮素累積動態

從圖1可以看出, 早稻地上部氮素累積規律表現為始分蘗期至幼穗分化始期U處理累積量迅速增加; 幼穗分化始期至臘熟期CRU (1.0 CRU、0.9 CRU和0.8 CRU)處理累積較快, 且隨控釋尿素用量的增加呈上升趨勢, 施氮處理氮素累積量均顯著高于CK。始分蘗期各處理氮素累積量差異較小, U處理顯著高于0.8 CRU處理。幼穗分化始期U處理氮素累積量最高, 顯著高于0.8 CRU和0.9 CRU處理。抽穗期各處理氮素累積量明顯升高, 1.0 CRU處理顯著高于其他處理, U、0.9 CRU和0.8 CRU處理間差異不顯著。乳熟期和臘熟期1.0 CRU、0.9 CRU和0.8 CRU處理間氮素累積量差異不顯著, 較U處理顯著提高33.48%、24.98%、17.02% (乳熟期)和36.58%、29.65%、22.16% (臘熟期)。

晚稻地上部氮素累積規律表現為CK處理顯著低于施氮處理, 1.0 CRU處理整個生育期均較高, CRU處理隨控釋尿素用量減少氮素累積量降低; 始分蘗盛期至抽穗期CRU處理變化不規律, 乳熟期和臘熟期CRU處理明顯高于U處理。始分蘗期至乳熟期均以1.0 CRU處理氮素累積量最高, 各施氮處理間差異不顯著。臘熟期1.0 CRU、0.9 CRU和0.8 CRU處理間氮素累積量差異不顯著, 但較U處理顯著提高18.71%、13.94%和11.99%。

2.2 雙季稻氮素階段累積增量占比

由圖2可知, 始分蘗期至幼穗分化始期和幼穗分化始期至抽穗期是早稻氮素累積的重要階段, 其中U處理主要集中在始分蘗期至幼穗分化始期, CRU處理稍延后, 在幼穗分化始期至抽穗期。前期(始分蘗期至抽穗期) CRU處理氮素累積增量占比隨控釋尿素用量減少而降低, 后期(乳熟期至臘熟期)相反。早稻移栽至始分蘗期各處理氮素累積增量較少, 占比為1.50%~3.21%; 始分蘗期至幼穗分化始期U處理氮素累積增量占比為52.88%, CRU處理相對較少, 占27.52%~33.56%; 幼穗分化始期至抽穗期CRU處理氮素累積增加明顯, 占35.31%~42.33%, 而U處理僅25.36%; 乳熟期和臘熟期增量相對較少, U處理分別為11.91%和6.64%, CRU處理稍高于U處理, 分別占13.22%~25.20%和8.91%~10.46%。

晚稻變化規律與早稻類似, 始分蘗期至幼穗分化始期和幼穗分化始期至抽穗期是U處理氮素累積的重要階段, 后期逐漸減少; CRU處理在始分蘗期至幼穗分化期和抽穗期至乳熟期大量吸收氮素, 且前期隨控釋尿素用量減少其占比下降, 后期相反。移栽至始分蘗期各處理氮素累積增量占比僅4.48%~6.30%; 始分蘗期至幼穗分化始期水稻大量吸收氮素, U處理氮素累積增量占42.69%, CRU處理相對較低, 占35.92%~40.52%; 幼穗分化始期至抽穗期是U處理氮素累積的第2個高峰, 占27.10%, CRU處理僅14.20%~20.80%; CRU處理第2個氮素累積高峰期后移, 在抽穗期至乳熟期, 占23.05%~ 24.58%, U處理僅18.98%; 臘熟期累積較少, CRU處理占10.66%~19.09%, 稍高于U處理(6.02%)。

CK: 不施氮肥; U: 常規施肥(普通尿素); 1.0 CRU: 等氮量控釋尿素; 0.9 CRU: 控釋尿素減氮10%; 0.8 CRU: 控釋尿素減氮20%。

CK: no nitrogen control; U: conventional fertilization (commercial urea); 1.0 CRU: controlled-release urea; 0.9 CRU: nitrogen reduction 10% of controlled-release urea; 0.8 CRU: nitrogen reduction 20% of controlled-release urea.

處理同圖1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

2.3 雙季稻地上部氮素階段吸收速率

晚稻各處理于始分蘗期至幼穗分化始期和抽穗期至乳熟期出現明顯的氮素階段吸收速率峰值。移栽至始分蘗期吸收速率較低, 為0.54~0.75 kg hm–2d–1。始分蘗期至幼穗分化始期出現第一個氮素階段吸收速率峰值, 施氮處理為1.87~2.04 kg hm–2d–1, 1.0 CRU處理最高(2.04 kg hm–2d–1)。幼穗分化始期至抽穗期吸收速率明顯下降, 為0.49~0.81 kg hm–2d–1, U處理高于CRU處理。抽穗期至乳熟期出現第2個氮素階段吸收速率峰值, CRU處理較高, 為2.00~2.20 kg hm–2d–1, U處理僅1.45 kg hm–2d–1。乳熟期至臘熟期CRU處理吸收速率(0.80~0.92 kg hm–2d–1)明顯高于U處理(0.29 kg hm–2d–1)。

2.4 雙季稻產量和氮素利用效率

由表1可知, 2016—2018年施氮處理早晚稻產量顯著高于CK, CRU處理均顯著高于U處理, 1.0 CRU、0.9 CRU和0.8 CRU處理間差異不顯著, 早晚稻分別以0.9 CRU和0.8 CRU處理籽粒產量最高, 達5804.8 kg hm–2和6762.0 kg hm–2; 相對于U處理, 1.0 CRU、0.9 CRU和0.8 CRU處理3年平均增產率分別為8.11%、14.34%、10.46% (早稻)和6.19%、12.16%、12.71% (晚稻), 說明0.8 CRU處理晚稻的增產效果優于早稻。收獲期產量構成因素中, 施氮處理有效穗數顯著高于CK, 株高、穗長、每穗粒數、千粒重和結實率處理間差異不顯著; 早晚稻產量與每穗粒數極顯著正相關(相關系數分別為0.8882**和0.8336**), 且晚稻產量與穗長呈顯著正相關(相關系數為0.5768*)。早晚稻穗長與每穗粒數呈顯著和極顯著正相關(相關系數分別為0.5764*和0.7138**), 早稻穗長與千粒重呈極顯著負相關(相關系數為-0.8990**)。

由表2可知, 早晚稻施氮處理氮收獲指數普遍低于CK, CRU處理早晚稻氮收獲指數隨著控釋尿素用量減少而明顯升高; 早稻U處理氮收獲指數較CRU處理高, 且顯著高于1.0 CRU, CRU處理間差異不顯著; 晚稻0.8 CRU處理顯著高于其他施氮處理。早晚稻U處理氮肥吸收利用效率分別為20.73%和21.57%, 其中早稻CRU處理(37.52%~42.28%)均顯著高于U處理; 晚稻CRU處理(34.02%~37.75%)也均顯著高于U處理, 且0.8 CRU處理顯著高于1.0 CRU處理。早晚稻氮肥農學利用率均以CRU處理明顯高于U處理, 且早稻0.9 CRU和0.8 CRU處理、晚稻0.8 CRU處理均顯著高于U處理。氮肥生理利用效率變化不規律, 處理間差異不顯著。早晚稻氮肥偏生產力以CRU處理均顯著高于U處理, 且0.8 CRU顯著高于1.0 CRU和0.9 CRU, 0.9 CRU顯著高于1.0 CRU。

處理同圖1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

表1 雙季稻產量及其構成因素(2016–2018年平均值)

處理和縮寫同圖1。不同字母表示在0.05水平上差異顯著, 分早晚稻比較。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Fig. 1. Values followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level within a same season rice.

2.5 雙季稻氮素吸收、累積與產量及其構成因素、氮肥利用效率的相互關系

水稻的氮素利用效率與氮素吸收和累積等密切相關。其中, 早稻控釋尿素處理產量與始分蘗期至幼穗分化始期、抽穗期至乳熟期和幼穗分化始期至抽穗期氮素階段吸收速率呈極顯著或顯著正相關(相關系數分別為0.7820**、0.7707**和0.5956*), 與幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期和臘熟期氮素累積量呈極顯著正相關(相關系數分別為0.7759**、0.7208**、0.9235**和0.9269**); 始分蘗期至幼穗分化始期氮素階段吸收速率與氮收獲指數、氮肥偏生產力呈極顯著或顯著負相關(相關系數分別為-0.7694**和-0.5981*), 抽穗期至乳熟期氮素階段吸收速率與氮肥農學利用率、乳熟期至臘熟期氮素階段吸收速率與氮肥吸收利用效率呈顯著正相關(相關系數分別為0.5961*和0.6413*); 幼穗分化始期氮素累積量與氮收獲指數、農學利用率、生理利用率和偏生產力呈極顯著負相關(相關系數分別為-0.7136**、–0.7295**、–0.7289**和–0.9130**), 抽穗期氮素累積量與氮收獲指數呈顯著負相關(相關系數為-0.6648*), 氮肥偏生產力與抽穗期、乳熟期和臘熟期氮素累積量呈極顯著或顯著負相關(相關系數分別為–0.7780**、–0.7084**和–0.6212*)。有效穗數與始分蘗期至幼穗分化始期、抽穗期至乳熟期氮素階段吸收速率呈極顯著和顯著正相關(相關系數分別為0.7931**和0.6099*), 每穗粒數與始分蘗期至幼穗分化始期氮素階段吸收速率呈顯著負相關(相關系數為–0.5981*); 有效穗數與幼穗分化始期、乳熟期、臘熟期氮素累積量呈極顯著正相關(相關系數分別為0.7942**、0.8364**、0.8212**), 與抽穗期氮素累積量呈顯著正相關(相關系數為0.6965*), 每穗粒數與幼穗分化始期氮素累積量呈顯著負相關(相關系數為–0.5973*)。

處理同圖1。不同字母表示在0.05水平上差異顯著, 分早晚稻比較。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. NHI: nitrogen harvest index; NUE: nitrogen absorption and utilization efficiency; ANUE: agronomic nitrogen use efficiency; PNUE: nitrogen physiological utilization efficiency; PEPN: nitrogen partial factor productivity. Values followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level within same season rice.

晚稻控釋尿素處理水稻產量與移栽至始分蘗期和始分蘗期至幼穗分化始期、抽穗期至乳熟期、乳熟期至臘熟期氮素階段吸收速率呈顯著或極顯著正相關(相關系數分別為0.6898*、0.8097**、0.7155**和0.8115**), 與始分蘗期和幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期、臘熟期氮素累積量呈顯著或極顯著正相關(相關系數分別為0.6898*、0.8240**、0.7147**、0.8288**和0.9045**); 始分蘗期至幼穗分化始期氮素階段吸收速率與氮肥農學利用率、生理利用率呈極顯著負相關(相關系數分別為–0.7181**和-0.7517**), 幼穗分化始期氮素累積量與氮肥農學利用率、生理利用率呈顯著負相關(相關系數分別為–0.6636*和–0.6818*)。穗長與始分蘗期至幼穗分化始期、乳熟期至臘熟期氮素階段吸收速率呈極顯著正相關(相關系數分別為0.7806**和0.7562**), 有效穗數與抽穗期至乳熟期、移栽至始分蘗期、始分蘗期至幼穗分化始期、乳熟期至臘熟期氮素階段吸收速率呈極顯著或顯著正相關(相關系數分別為0.7596**、0.6350*、0.6887*和0.6386*); 穗長與幼穗分化始期和臘熟期氮素累積量呈極顯著或顯著正相關(相關系數分別為0.7762**和0.6435*), 有效穗數與始分蘗期、幼穗分化始期、抽穗期和乳熟期、臘熟期氮素累積量呈顯著或極顯著正相關(相關系數分別為0.6350*、0.7052*、0.6311*、0.8012**和0.8201**)。

3 討論

3.1 控釋尿素對雙季稻吸氮特征的影響

要提高水稻的氮素利用效率和籽粒產量必須提高抽穗前的氮素累積量、抽穗后的干物質累積和氮素運轉量[17]。本研究認為, 早稻U處理氮素階段吸收速率峰值出現在始分蘗期至幼穗分化始期, 且氮素主要累積于幼穗分化始期, 氮素階段累積增量占整個生育期的52.88%, 后期逐漸降低; CRU處理氮素階段吸收速率峰值明顯后移, 發生在幼穗分化始期至抽穗期(1.0 CRU)和抽穗期至乳熟期(0.9 CRU和0.8 CRU), 抽穗期和乳熟期也累積較多氮素, 且CRU處理臘熟期氮素累積量顯著高于U處理。因為緩控釋氮肥能提高花后根系活力及成穗率, 使植株中氮素轉運暢通[16]; 還能促進水稻生育中、后期葉片硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性, 促進孕穗體內氮素吸收與同化, 提高吸氮量, 增強生育后期葉片蛋白水解酶活性, 促進葉片中蛋白質降解, 利于葉片氮素向籽粒轉移[7], 提高水稻產量。本研究還認為, 晚稻0.8 CRU處理乳熟期至臘熟期氮素階段累積占比為19.09%, 明顯高于早稻的10.46%, 可能由于晚稻0.8 CRU處理前期氮素釋放較多, 后期控釋尿素中存留的氮素相對較少, 減量施用對稻田氮素的激發效應更強[18], 補充后期土壤氮素供應、利于氮素累積; 同時, 晚稻0.8 CRU處理氮收獲指數達65.00%, 高于早稻的60.08%, 說明晚稻0.8 CRU處理后期地上部累積氮素更有利于轉移至籽粒。

水稻氮素吸收與控釋尿素氮素釋放及土壤養分供應具有顯著正相關性[13], 但控釋肥料的養分釋放受土壤溫度影響較大[19]。本研究認為, 早稻CRU處理氮素階段吸收速率峰值較U處理明顯延后, 大量氮素累積時期推遲; 而晚稻CRU處理氮素階段吸收速率峰值未延后, 且1.0 CRU處理高于U處理。主要因為早稻生育前期(4月下旬月至5月), 我國南方氣溫相對較低(平均為20.2℃)[20], 控釋尿素氮素釋放較慢, 后期溫度逐漸升高, 氮素釋放增強, 水稻氮素吸收速率加快。而晚稻生長前期(7月下旬至8月)是南方地區全年的高溫期(平均溫度達29.0℃)[20], 較高溫度促進控釋尿素的氮素釋放, 水稻吸收累積氮素更多[19]。同時, 控釋尿素能通過降低田面水銨態氮濃度和pH, 顯著減少施肥后10 d內稻田氮素氨揮發損失, 保持土壤氮含量, 確保充足氮素供水稻吸收[8]。0.9 CRU和0.8 CRU處理氮素施入量減少, 供水稻吸收的氮素有限, 水稻氮素吸收速率弱于U處理。因此, 南方區域雙季稻田施用控釋氮肥時, 應考慮早稻配合施用速效氮肥或選用釋放期更短的控釋氮肥, 以保證水稻生長前期氮素供應和水稻氮素吸收速率。

3.2 控釋尿素對雙季稻氮肥利用率的影響

張福鎖等[21]總結了全國糧食主產區1333個田間試驗結果, 分析了2001—2005年我國主要糧食作物水稻、小麥和玉米的氮肥利用率分別為28.3%、28.2%和26.1%, 遠低于國際水平(30%~50%)。魯艷紅等[22]發現, 湖南雙季稻常規施肥處理早、晚稻氮肥吸收利用率分別為35.5%和31.9%。本研究認為, U處理早、晚稻氮肥吸收利用率3年平均為20.73%和21.57%, 低于上述研究結果。可能有兩方面原因: 一是土壤質地, 本試驗供試土壤為河流沖積物發育的潮沙泥田水稻土, 質地較砂, 通透性好, 較粘壤土更易發生淋溶損失[23], 減少土壤氮素供給, 降低氮肥利用率。二是施肥量和施肥方式, 本研究U處理采用農民習慣施氮肥量(早稻150 kg hm–2、晚稻180 kg hm–2)及施肥方式(一基一追), 而前人研究普遍為優化施肥方式, 如“一基二追”或“一基三追”等, 增加施肥次數可減少氮素損失, 增強作物吸收, 提高氮肥利用率[14]。

控釋氮肥的氮素緩慢釋放有利于土壤對氮素的保持, 滿足作物后期對養分的需求, 提高氮肥利用效率, 保證作物產量。研究表明, Ji等[24]利用15N同位素法研究發現, 一次施90 kg hm–2控釋氮肥的氮肥利用率比分2次施尿素高38.9%。本研究中, 1.0 CRU處理早晚稻N肥吸收利用率為37.52%和34.02%, 較U處理(早稻20.73%, 晚稻21.57%)顯著提高80.99%和57.72%, 與上述研究結果相符。控釋氮肥能夠協調養分釋放速率, 在水稻生育中后期穩定釋放氮素, 促進作物地上部及根系的生長, 且肥效持續時間長, 氮素釋放的高峰期與作物吸肥高峰期基本吻合, 能明顯提高作物產量和氮肥利用率[23]。本研究還認為, 水稻氮素吸收利用率隨控釋氮肥用量減少而提高, CRU處理早晚稻氮肥吸收利用效率分別為37.52%~42.28%和34.02%~37.75%, 均顯著高于U處理。因為適量降低氮肥用量能增強水稻對氮素的吸收, 保持水稻高產且提高氮肥利用效率。俞巧鋼等[25]也認為隨著施氮量增加, 水稻氮肥利用效率呈下降趨勢。

3.3 控釋尿素提高早、晚稻產量效應及其差異

施用控釋氮肥, 且適當減少用量, 能提高雙季稻產量、增加氮素利用效率、維持或提高土壤氮素肥力和可持續生產力[26]。本研究認為, CRU處理能顯著增產, 且適量減施能獲得更高產量, 如早稻0.9 CRU處理(5804.8 kg hm–2)和晚稻0.8 CRU處理(6762.0 kg hm–2) 3年平均產量達到最高值。Geng等[27]7年稻–油輪作試驗中, 控釋尿素減施30%較常規施肥水稻季連續7年增產, 油菜季第4年開始增產, 其原因主要是連續施用控釋尿素能提升耕層土壤全氮、有機質含量, 提高土壤供肥能力。且樹脂包膜尿素能有效控制氮肥釋放, 水稻生育中后期氮肥釋放率高, 為水稻灌漿孕穗提供充足的氮素營養, 明顯提高每穗粒數等, 利于籽粒產量建成, 為水稻高產提供重要保障[6,28]。同時, 控釋尿素處理早稻產量與幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期、臘熟期呈極顯著正相關, 與始分蘗期至幼穗分化始期、抽穗期至乳熟期、幼穗分化始期至抽穗期氮素階段吸收速率呈極顯著或顯著正相關; 晚稻產量與始分蘗盛期、幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期、臘熟期氮素累積量, 及其與移栽至始分蘗期、始分蘗期至幼穗分化期、抽穗期至乳熟期、乳熟期至臘熟期氮素階段吸收速率呈顯著或極顯著正相關。鄧飛等[15]研究結果也認為, 水稻產量與播種至幼穗分化始期、拔節期至孕穗期、成熟期干物質累積總量都呈顯著正相關。因此, 控釋尿素能提高早晚稻主要生育階段氮素吸收和累積, 提高產量。

本研究還認為, 0.8 CRU處理晚稻的增產效果優于早稻。可能有兩方面的原因: 一是晚稻產量與穗長呈顯著正相關, 穗長與始分蘗期至幼穗分化始期、乳熟期至臘熟期水稻氮素階段吸收速率呈極顯著正相關, 與幼穗分化始期和臘熟期氮累積量極顯著或顯著正相關; 由于晚稻生育前期氣溫明顯高于早稻, 控釋尿素的氮素釋放加強, 土壤氮素供應能力增強, 利于晚稻始分蘗期至幼穗分化始期氮素吸收及幼穗分化始期的氮素累積, 為稻穗的生長提供充足的養分。二是早稻抽穗期、乳熟期和臘熟期氮素累積量、始分蘗期至幼穗分化始期氮素階段吸收速率與氮肥偏生產力呈極顯著或顯著負相關, 但抽穗期至乳熟期氮素階段吸收速率與氮肥偏生產力呈顯著正相關; 控釋尿素提高水稻生長中期氮素吸收速率和中后期氮素累積, 影響氮肥偏生產力, 植株氮素向穗部運轉氮素減少, 不利于產量的提高[16], 且幼穗分化始期至抽穗期氮素吸收速率提高不利于后期地上部氮素向籽粒轉移, 導致幼穗分化始期至抽穗期氮素吸收速率與氮收獲指數呈顯著負相關。因此, 控釋尿素對晚稻的增產效果更優。

4 結論

施用控釋尿素使環洞庭湖區雙季稻氮素階段吸收速率峰值和氮素累積時期明顯后延, 提高后期氮素累積量, 臘熟期CRU處理氮素累積量顯著高于U處理; 控釋尿素減量施用有利于增強后期地上部累積氮素向籽粒轉移, 提高氮收獲指數。施用控釋尿素能顯著提高雙季稻產量, 顯著提高早晚稻氮肥吸收利用率、農學利用率和偏生產力。早、晚稻分別以0.9 CRU和0.8 CRU產量最佳, 且控釋尿素減施的增產效果晚稻優于早稻。綜合水稻吸氮特征和雙季稻產量, 建議環洞庭湖雙季稻區早稻配合速效氮肥施用或選用控釋期更短的氮肥, 以確保水稻生長前期氮素供應和吸收, 充分挖掘控釋尿素增產潛力。

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Effects of controlled-release urea on nitrogen uptake characteristics and yield of double-cropping rice around Dongting Lake area

TIAN Chang1, JIN Tuo1,2, ZHOU Xuan3, HUANG Si-Yi1, WANG Ying-Zi4,*, XU Ze5, PENG Jian-Wei1, RONG Xiang-Min1, and XIE Gui-Xian1

1National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, Hunan, China;2Rural Energy and Environment Agency, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125, China;3Institute of Soil and Fertilizer, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, Hunan, China;4College of Horticulture, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, Hunan, China;5Agricultural and Rural Bureau of Changsha County, Changsha 410100, Hunan, China

The application of slow- and controlled-release fertilizer in rice production plays an important role in promoting the zero growth of fertilizer use and the sustainable development of agriculture in China. In this study, six consecutive years from 2013 to 2018 of controlled-release urea application in double-cropping rice in Hunan province were used to analyze the relationship between N uptake rate and N utilization in the above part of early- and late- rice in the main growth period by controlled-release urea application around the Dongting Lake district, and to explore the reasons for the sustained and stable yield increase of controlled-release urea on rice. The results showed that there was an obvious peak of N uptake rate in each stage of early rice by different N treatments, while N uptake in controlled-release urea (CRU) treatment was relatively delayed. And N accumulation was mainly from panicle initiation stage to heading stage, accounting for 35.31%–42.33%, followed by tillering stage to young panicle differentiation stage and heading stage to milk stage. Two obvious peaks of N uptake rates occurred in late rice from tillering stage to panicle initiation stage and from heading stage to milk stage, and the peak value was the highest at 1.0 CRU treatment. Large amount of N uptake from tillering stage to young panicle differentiation stage and heading stage to milk stage accounted for 35.92%–40.52% and 23.05%–24.58% of total amount of the whole growing period, respectively. Controlled-release urea could also significantly increase the yield of double-cropping rice, especially in early- and late- rice were treated with 0.9 CRU and 0.8 CRU respectively, and the yield increase of late rice was better than that of early rice with reduced application of controlled-release urea, and the N absorption efficiency, N agronomic efficiency and N partial productivity of early- and late- rice were significantly improved. The yield of early- and late-rice treated by CRU was significantly positively correlated with N accumulation and effective panicle number at panicle initiation stage, heading stage, milk stage and waxen stage, and the yield of late rice was significantly positively correlated with panicle length. The N accumulation of early and late rice at the panicle initiation stage was significantly negatively correlated with the agronomic and physiological rates of N fertilizer. The N partial productivity was significantly or significantly negatively correlated with the N accumulation of early rice at the panicle initiation stage, heading stage, milk stage and waxen stage, and significantly negatively correlated with the N accumulation at the heading stage of late rice. Therefore, application of controlled-release urea delayed the N uptake rate and N accumulation in the aboveground part of rice, which was beneficial to the later reproductive growth and seed setting, and could significantly improve the yield and nitrogen utilization efficiency of double-cropping rice. Combined with N absorption characteristics and grain yield of double-cropping rice, it was suggested that controlled release urea with a short release period should be used for early rice around the Dongting Lake area or applied with quick-availability N fertilizer to achieve further increase in yield level.

controlled-release urea; cropping; nitrogen uptake characteristics; production

10.3724/SP.J.1006.2021.02038

本研究由國家重點研發計劃項目(2017YFD0200703), 國家自然科學基金區域創新發展聯合基金項目(U19A2050), 湖南省自然科學基金青年項目(2019JJ50233, 2019JJ50337)和湖南省教育廳重點項目(20A250)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2017YFD0200703), the Joint Funds of the National Natural Science Foundation of China (U19A2050), the Hunan Natural Science Foundation Project (2019JJ50233, 2019JJ50337), and the Key Project of Hunan Provincial Education Department (20A250).

王英姿, E-mail: 83075688@qq.com

E-mail: chtian12@126.com

2020-05-24;

2020-09-13;

2020-10-05.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200930.1634.008.html