有機無機肥配施對精量穴直播水稻產量及氮素利用的影響

向開宏，呂旭，舒川海，伍雜日曲，張金悅，朱岳梅，楊志遠，孫永健，馬均

（四川農業大學水稻研究所，作物生理生態及栽培四川省重點實驗室，成都 611130）

肥料是作物生長所必需的營養元素。21世紀以來，糧食連續增長的主要原因是化肥施用量的增加[1]。我國化肥用量明顯高于其他國家，化肥的大量投入不僅使農業成本增加，而且還帶來一系列環境問題[2-3]。我國種植業化肥施用量雖然在2016年首次實現了零增長，化肥減量工作取得重要進展，但施用基數仍然較大[4]。水稻作為我國三大糧食作物之一，減肥穩產將勢在必行。有機肥作為農業生產的肥源在我國已經有幾千年的歷史，不過從20世紀70年代末期開始，隨著化學肥料的大量使用，有機肥占總肥料投入的比例大幅下降[5]。我國有機肥料資源豐富，目前，我國有機肥料年產實物量約57億t，能夠提供氮磷鉀（N+P2O5+K2O）總養分約7 300萬t，養分資源量巨大[6-7]。研究表明，有機肥和化肥配合施用能使兩種肥料的肥效相互促進，更好地協調植物和土壤之間的供需平衡，降低生產成本，增加糧食作物產量，同時對改善植物的營養結構組成也有一定的促進作用[8]；在等量氮肥施用條件下，20%有機肥替代化肥對水稻增產效果顯著，且能有效提高氮肥利用率[9-10]。前人研究主要針對提高氮肥農學利用率和氮肥偏生產力，對氮肥表觀利用率的影響結論不一。而直播稻與手插稻和機插稻在生長發育和氮肥利用方面均有較大差別[11-13]，前人對有機肥和化肥配施的研究主要針對手插稻或機插稻，對直播稻的研究較少。因此，本研究以3個優質雜交稻品種為材料，采用大田試驗方法，設置5種比例的有機肥與無機N肥配施處理，探究不同比例有機肥替代化肥對直播稻產量及氮肥利用率的影響，提出本研究區域直播稻栽培模式下最適宜的有機肥替代化肥比例，為直播稻高產及高效施肥提供實踐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與地點

供試品種分別為三系雜交中秈遲熟品種宜香優1108（由宜賓市農業科學院選育，國家優質稻谷三級）、F優498（由四川農業大學水稻研究所等選育，國家優質稻谷三級）和德優4727（由四川省農業科學院水稻高粱研究所選育，國家優質稻谷標準二級）。試驗于2018—2020年在四川省崇州市四川農業大學現代農業研發基地（E 103°28′，N 30°42′）進行。耕層土壤（0—20 cm）質地為砂壤土，主要理化性質詳見表1。試驗用化肥選用尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%）；有機肥選用成都容盛農業科技有限公司生產的雞糞型有機肥，有效肥料含量：N 2.1%，P2O52.8%，K2O 2.8%。水稻生育期內當地的氣象數據詳見圖1。

表1 試驗田耕層土壤理化性質Table 1 Physicochemical characteristics of soil in the experiments

圖1 2018—2020年試驗區水稻生育期平均氣溫和降雨量Fig.1 Mean temperature and precipitation during rice growth period in the study area from 2018 to 2020

1.2 試驗設計

采用裂區設計，主區為3個品種：分別是宜香優1108、F優498、德優4727；副區為在施用氮肥150 kg·hm-2、磷 肥（P2O5）75 kg·hm-2、鉀 肥（K2O）150 kg·hm-2基礎上，設置5種比例的有機肥與無機N肥配施處理，分別為：100%化學N肥（M1）、75%化學N肥+25%有機肥（M2）、50%化學N肥+50%有機肥（M3）、25%化學N肥+75%有機肥（M4）、100%有機肥（M5），以不施N肥為對照（CK）。各處理以相同N肥施用量為基準，有機養分不足部分以化肥補充。磷肥和有機肥全作基肥于一葉一心期施用；化學N肥40%作基肥，30%作分蘗肥于三葉一心期施用，30%作穗肥于曬田復水1 d后施用；鉀肥按基肥與穗肥等比施用。

試驗分別于2018年4月29日、2019年5月17日和2020年5月11日催芽（種子露白）播種，10月上旬根據3個品種成熟度分別收獲。試驗為2年重復試驗（2018—2019年）加2年定位試驗（2019—2020年），2020年在原小區內整田，各處理種植小區與2019年保持一致。人工模擬2BDXS-10CP(25)機械精量濕潤穴直播，自制間距為20 cm的排種器進行排種，播種密度為25 cm×20 cm，每穴播種5~6粒。3次重復，54個小區，每小區面積15 m2，各小區間筑梗，用薄膜包裹，單獨肥水管理。其他田間管理按大面積生產田進行。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤基礎肥力的測定及氣象資料收集 土樣于整地前隨機采用5點采樣法采集耕作層（0—20 cm）土壤，將土樣進行自然風干，用常規分析方法測定土壤有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量。全氮采用凱氏消解蒸餾滴定法，堿解氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用火焰光度計測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法（外加熱法）測定[9]。

水稻生育期間試驗區氣象數據由四川省氣象局提供。

1.3.2 水稻氮素積累及氮肥利用效率的計算分別于齊穗期（heading stage,HS）和成熟期（mature stage,MS）在每小區取樣3穴，分莖鞘、葉片和穗，在105℃下殺青45 min，烘干至恒重稱干物質量，保存。將樣品粉碎過60目篩后進行各營養器官氮素含量的測定，采用濃H2SO4消煮法，用FOSS-8400凱氏定氮儀測定氮含量[13]。計算公式如下。

1.3.3 考種與計產 收獲前，每小區各取5穴稻株，調查空癟粒數、籽粒總重、千粒重；計算每穗粒數、結實率等指標。各小區去除邊行后單收，按實際穴數計算產量。

1.4 數據分析

運用Excel 2010和Origin 9.2進行數據統計和圖表繪制，用DPS7.05進行方差分析，并用LSD法檢驗各處理之間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 有機無機肥配施對精量穴直播水稻產量的影響

2.1.1 有機無機肥配施對精量穴直播水稻產量及構成因素的影響 對比3年產量數據可知（表2~表4），2018與2019年產量差異不顯著，2020年3個品種產量均有所下降。不同比例有機肥處理對產量有極顯著影響，3個品種的產量均隨著有機肥比例的提高先增加后降低，但不同品種的反應存在差異，且3年趨勢基本一致。對于宜香優1108，M2處理產量最高，顯著高于其他處理，3年分別較M1處理提高2.92%、5.53%和8.07%；M1與M3處理的水稻產量接近，且兩者均顯著高于除M2外的其他處理。對于F優498，M3處理的水稻產量最高，3年分別較M1提高9.13%、7.33%和7.21%；M1與M3處理水稻產量接近，且兩者均顯著高于其他處理。對于德優4727，M3處理的水稻產量最高，3年分別較M1處理提高2.70%、6.03%和8.69%；M2處理與M3處理水稻產量接近，且兩者均顯著高于其他處理。施肥處理中均以M5處理產量最低，其中，宜香優1108在2018、2019和2020年分別較M1處理降低20.52%、22.45%和12.90%；F優498分別降低15.56%、23.63%和11.86%；德優4727分別降低9.52%、15.03%和6.93%；且隨著定位年限的增加，降低趨勢有所平緩。

表2 2018年不同施肥處理下精量穴直播水稻的產量及其構成Table 2 Yield and its components of precision hill-direct-seeding rice under different fertilizer treatments in 2018

表4 2020年不同施肥處理下精量穴直播水稻的產量及其構成Table 4 Yield and its components of precision hill-direct-seeding rice under different fertilizer treatments in 2020

分析各產量構成因素，結果表明，隨著有機肥替代比例的增加，宜香優1108和F優498的有效穗數逐漸減少，且處理間差異顯著；德優4727的有效穗數先增加后降低，且M2處理最大，處理間差異顯著。宜香優1108在M1和M2處理下每穗粒數較多，顯著大于其他處理。F優498和德優4727在M3處理下每穗粒數最多，且顯著大于其他處理。3個品種的千粒重均在M5處理下最高，其中，宜香優1108和F優498均顯著大于其他處理，德優4727各處理間差異不顯著。

2.1.2 有機肥替代化肥與精量穴直播水稻產量的關系 以有機肥替代化肥的比例為自變量x，以水稻產量為應變量y，分析有機肥替代比例與水稻產量的內在關系，結果（圖2）表明，隨著有機肥比例的增加，水稻產量表現為先升高后降低的拋物線趨勢，且不同品種的響應存在差異。宜香優1108產量與有機肥替代比例的關系為y=-4 058.0x2+2 135.4x+9 705.4（R2=0.969 3，P＜0.01）；F優498產量與有機肥替代比例的關系為y=-4 824.2x2+3 037.9x+9 582.1（R2=0.882 6，P＜0.05）；德優4727產量與有機肥替代比例的關系為y=-3 130.5x2+2 063.0x+9 164.3（R2=0.883 6，P＜0.05）。根據3個品種的擬合方程可知，宜香優1108、F優498和德優4727產量最佳的有機肥替代化肥比例分別為26.3%、31.5%和33.0%。另外，有機肥替代化肥的比例超過50%，產量下降趨勢將迅速增大。因此，從產量角度看，四川盆地地區選用宜香優1108或F優498更能實現精量穴直播水稻的高產和穩產。

圖2 有機肥替代化肥比例與精量穴直播水稻產量之間的關系Fig.2 Relationship between the ratio of different organic fertilizer replacing chemical fertilizer and the yield of precision hill-direct-seeding rice

表3 2019年不同施肥處理下精量穴直播水稻的產量及其構成Table 3 Yield and its components of precision hill-direct-seeding rice under different fertilizer treatments in 2019

2.2 有機無機肥配施對精量穴直播水稻氮素利用的影響

2.2.1 有機無機肥配施對精量穴直播水稻氮素積累及轉運的影響 由表5~7可知，施肥對3個品種在齊穗期的莖葉、穗氮積累量和成熟期的莖葉、穗氮積累量以及轉運特征均有極顯著影響，且3年整體趨勢大致相同。隨著有機肥替代比例的增加，齊穗期莖葉和穗的氮積累量及成熟期莖葉的氮積累量均表現降低趨勢；成熟期穗的氮積累量以及轉運量、轉運率、轉運貢獻率則表現為先增加后降低。宜香優1108在M2處理下成熟期穗的氮積累量以及2019和2020年轉運特征均表現為最好；F優498和德優4727則在M3處理下各指標均表現最好。對于轉運率，M2和M3處理（較低比例有機肥）具有明顯優勢，宜香優1108的3年平均較M1處理提高9.40%和11.41%；F優498的3年平均較M1處理提高9.63%和19.18%；德優4727的3年平均較M1處理提高9.40%和18.03%。精量穴直播條件下，M1和M2處理有利于提高葉和莖鞘的氮素運轉量，促進了穗部氮素的增加，說明合理施用有機肥能促進“源”向“庫”的運輸，這可能與齊穗期到成熟期氮素的吸收有關。而齊穗期葉和莖鞘較高的氮素積累量則限制了氮運轉率的提高。齊穗后至成熟期氮素的積累及穗部氮素的增加可能主要來源于植株體內氮素的運轉和分配，而莖葉在運轉量上的差異及成熟期的氮素分配造成了各處理在穗部氮素累積總量上存在較大的差異。

表5 2018年不同施肥處理下精量穴直播水稻結實期氮素積累及其轉運特征Table 5 Nitrogen accumulation and transport characteristics of precision hill-direct-seeding rice under different fertilization treatments in 2018

2.2.2 有機無機肥配施對精量穴直播水稻氮素利用特征的影響 由表8、9和10可知，有機肥替代比例對3個品種直播稻的稻氮素利用率有極顯著影響，且3年趨勢基本一致。隨著有機肥比例的提高，各品種氮素稻谷生產效率和氮素干物質生產效率逐漸增加，氮素收貨指數、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力先增加后降低，其中，宜香優1108品種在M2處理下最高；F優498和德優4727在M3處理下最高，不同處理間均存在顯著差異。在M2和M3處理下，宜香優1108氮素收貨指數的3年平均較M1處理提高5.05%和5.54%；F優498較M1處理提高4.53%和8.80%，德優4727較M1處理提高4.88%和8.98%。宜香優1108在M1、M3、M4和M5處理下的氮肥農學利用率較M2處理分別降低18.14%、14.73%、37.28%和67.64%（3年平均）；F優498在M1、M2、M4和M5處理下的氮肥農學利用率較M3處理分別降低26.47%、16.01%、49.15%和73.10%（3年平均）；德優4727在M1、M2、M4和M5處理下的氮肥農學利用率較M3處理分別降低26.57%、14.44%、42.98%和65.31%（3年平均）。M1處理的氮肥表觀利用率最大，隨著有機肥比例增加，氮肥表觀利用率降低，且較低比例有機肥處理（M2和M3）對氮肥表觀利用影響較小，較大比例有機肥處理（M4和M5）對氮肥表觀利用影響較大。在M2、M3、M4和M5處理下，宜香優1108的氮肥表觀利用率較M1處理分別降低5.36%、10.99%、42.42%和68.95%（3年平均）；F優498的氮肥表觀利用率較M1處理分別降低10.40%、17.83%、57.41%和79.86%（3年平均）；德優4727的氮肥表觀利用率較M1處理分別降低9.97、16.94%、51.99%和70.02%（3年平均）。

表8 2018年不同施肥處理下精量穴直播水稻的氮素利用率Table 8 Nitrogen use efficiency of precision hill-direct-seeding rice under different fertilization treatments in 2018

表6 2019年不同施肥處理下精量穴直播水稻的氮素積累及其轉運特征Table 6 Nitrogen accumulation and transport characteristics of precision hill-direct-seeding rice under different fertilization treatments in 2019

表7 2020年不同施肥處理下精量穴直播水稻氮素積累及其轉運特征Table 7 Nitrogen accumulation and transport characteristics of precision hill-direct-seeding rice under different fertilization treatments in 2020

3 討論

3.1 有機無機肥配施對精量穴直播水稻產量的影響

合理的有機肥與化肥配施有利于提高水稻產量。謝桂先等[14]研究表明，有機肥和化肥配合施用能明顯提高水稻產量，增產原因主要是提高了水稻有效穗數和每穗實粒數；周江明等[15]研究認為在等量施氮下，施入適當比例有機肥主要通過提高水稻穗粒數和結實率促進水稻高產；唐海明等[16]認為，施用有機肥對早稻產量影響較小，但能通過增加有效穗數來提高晚稻產量。在有機肥與化肥的施用比例上，周江明[15]通過田間試驗探究水稻最高產量與商品有機肥施用比例間的關系發現，有機肥的施用比例在20%~40%可以獲得較高產量。本研究表明，有機肥替代化肥的比例為25%~50%時，直播稻能夠獲得與100%化學N肥處理相當甚至更高的籽粒產量；當有機肥替代比例超過50%時則導致顯著減產，宜香優1108、F優498和德優4727在全施有機肥處理下的產量較全施化學N肥處理減產18.62%、17.02%和10.49%（3年平均）。在精量穴直播下，有機肥對不同水稻品種的增產原因主要是提高水稻穗粒數，和前人研究結果基本一致，但在有機肥施用比例及有效穗數的變化上不同品種間存在差異。本研究表明，對于宜香優1108，25%有機肥替代比例時水稻的穗粒數最多、產量最高，3年平均增產5.51%，隨著有機肥替代比例的增加，水稻有效穗數逐漸減少；對于F優498，50%有機肥替代比例時水稻的穗粒數最多、產量最高，3年平均增產7.89%，隨著有機肥替代比例的增加，水稻有效穗數逐漸減少；對于德優4727，50%有機肥替代比例時水稻的穗粒數最多、產量最高，3年平均增產5.81%，隨著有機肥替代比例的增加，水稻有效穗數先增加后降低。3個品種的穗粒數均隨著有機肥替代比例的增加先增多后減少，結實率和千粒重都有所增加，但沒有表現出明顯的規律性。這可能是由于前期有充足的無機氮素投入，保證了水稻的有效穗數；而有機肥料的養分釋放緩慢、持久，更有利于作物幼穗的分化和后期籽粒灌漿，從而增加了穗粒數和千粒重，為作物高產提供了有利條件[17]。不同品種在不同生育時期的需肥特性和生長特性存在差異，因此，其最優的有機肥替代比例也有所不同。研究表明，對于手插稻和機插稻，不同地區不同品種的最優有機肥替代比例一般為10%~40%[18-19]。本研究表明，在精量穴直播下，水稻產量最優的有機肥替代比例為25%~50%（宜香優1108、F優498和德優4727產量最佳的有機肥替代比例分別為26.3%、31.5%和33.0%）。因此，根據區域差異、品種差異以及栽培方式差異，在推薦化肥施用量條件下，配施一定比例的有機肥有利于作物增產，同時更好地消耗了有機肥，減少了化學氮肥的施用量。

表9 2019年不同施肥處理下精量穴直播水稻的氮素利用率Table 9 Nitrogen use efficiency of precision hill-direct-seeding rice under different fertilization treatments in 2019

表10 2020年不同施肥處理下精量穴直播水稻的氮素利用率Table 10 Nitrogen use efficiency of precision hill-direct-seeding rice under different fertilization treatments in 2020

3.2 有機無機肥配施對精量穴直播水稻氮素利用的影響

作物地上部的養分含量及積累量反映了其生長狀況和養分吸收情況。氮素是水稻生長發育需求量最大的礦質元素，亦是水稻生長的限制因子[20]。林晶晶等[21]通過15N標記研究認為，移栽稻一生所吸收積累的氮素中，基、蘗、穗肥的貢獻分別平均占6.92%、7.58%和26.02%，土壤的貢獻占59.91%。水稻對氮素的吸收利用與環境條件及栽培措施等密切相關，栽植方式不同勢必會影響水稻群體的需肥特性。霍中洋[22]、嚴田蓉[23]認為，直播稻在抽穗和成熟期的吸氮量低于機插稻和手插稻。劉紅江等[24]研究發現，施用50%有機肥替代化肥顯著提高水稻的氮素累積量。

本研究表明，隨著有機肥替代比例的增加，直播稻在齊穗期及成熟期植株的氮素總積累量均表現為持續降低，其中，成熟期穗的含氮量則隨著有機肥比例的增加先增加后降低，宜香優1108在25%有機肥替代比例時表現最好，F優498和德優4727在50%有機肥替代比例時表現最好，與產量變化規律完全一致。這可能是由于化肥與有機肥配施，一方面通過有機肥直接補充了稻田系統中的土壤養分，同時又通過調節土壤與化肥養分的釋放強度和速率，使水稻各生育階段能夠得到更為均衡的礦質營養，而全施化學N肥雖然氮素積累量較高，但氮素轉運量、轉運率以及轉運貢獻率均有所降低。另外，不同品種對氮素營養的吸收與利用也可能有所差異。目前，農業生產正大力推廣施用緩釋肥料，研究發現，緩釋肥在氮素積累與轉運方面與有機肥有很大的相似性[25-27]。本研究認為，有機肥也可以看作是另外一種形式的緩釋肥，且有機肥的價格較緩釋肥更加低廉，因此，生產上應加大有機肥的投入，根據不同地區、不同水稻品種以及不同栽培方式，推出最適宜的有機肥種類，使水稻各生育階段得到更為均衡且適宜的礦質營養。

李偉等[28]研究表明，有機肥和化肥配施使氮肥利用率達41.8%~53.4%，較單施化肥提高6.9%~18.7%；張磷等[29]研究表明，有機肥和化肥配施處理的氮肥利用率要顯著低于單施化肥處理，這可能是因為有機肥和化肥配施短時間內增加了氮素的固定而導致利用率較低。與化肥不同，有機肥中超過50%的氮素都是有機態氮，需要經過礦化釋放為無機氮才能被植物吸收利用[30]。本研究表明，與全施化學氮肥處理相比，有機肥替代化肥處理降低了氮肥表觀利用率，但提高了氮素稻谷生產效率、氮素干物質生產效率、氮素收獲指數、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力，這可能與有機肥養分釋放緩慢，與化肥配施促進了植株后期干物質積累以及氮素向籽粒的轉運與積累有關。宜香優1108在25%有機肥替代比例時的氮素稻谷生產效率和氮肥農學利用率表現最好，表觀利用率較全施化學氮肥處理降低了5.36%（3年平均），氮肥農學利用率卻提高了22.53%；F優498和德優4727也有相似的規律，只是氮素稻谷生產效率和農學利用率在50%有機肥替代比例時最優，這可能與不同品種對干物質的積累與轉運以及氮素的吸收與轉運不同有關。Dobermann[31]認為，糧食作物的氮肥吸收利用率為30%~50%、氮肥偏生產力為40~70 kg·kg-1、氮肥農學效率為10~30 kg·kg-1比較適宜。本研究表明，25%和50%有機肥替代比例時的相應指標與之完全符合，說明施用有機肥能夠促進水稻對氮素的吸收與利用；全施化學N肥處理的氮素表觀利用率均大于50%，且氮素收獲指數和氮肥農學利用率均出現不同程度降低，說明在精量穴直播下應該適當控制化學N肥的施用，隨著有機肥替代比例的增加，氮肥表觀利用率的降幅逐漸增大，當有機肥比例超過50%時則會嚴重降低氮肥表觀利用率，這可能和有機肥的氮素當季釋放率一般低于20%有關[32]。有機肥配施量過大會造成前期稻田有效養分不能滿足水稻的正常生長，從而嚴重影響水稻前期生長發育。