控释尿素对环洞庭湖区双季稻吸氮特征和产量的影响

田 昌 靳 拓,2 周 旋 黄思怡 王英姿 徐 泽 彭建伟 荣湘民 谢桂先

控释尿素对环洞庭湖区双季稻吸氮特征和产量的影响

田 昌1靳 拓1,2周 旋3黄思怡1王英姿4,*徐 泽5彭建伟1荣湘民1谢桂先1

1湖南农业大学资源环境学院/ 土壤肥料资源高效利用国家工程实验室, 湖南长沙 410128;2农业农村部农业生态与资源保护总站, 北京 100125;3湖南省农业科学院土壤肥料研究所, 湖南长沙 410125;4湖南农业大学园艺学院, 湖南长沙 410128;5湖南省长沙县农业农村局, 湖南长沙 410100

缓控释肥料应用于我国水稻生产中, 对化肥使用量零增长和农业可持续发展具有重要推动作用。本研究以连续在湖南进行6年(2013—2018年)的双季稻控释尿素施用试验为研究平台, 分析控释尿素施用下环洞庭湖区早晚稻主要生育期地上部氮素累积、氮素阶段吸收速率与氮素利用的关系, 探究控释尿素减施对水稻持续稳产增产的原因。结果表明: 早稻各施氮处理均有1次明显的氮素阶段吸收速率峰值, 控释尿素(controlled-release urea, CRU)处理氮素吸收相对延后, 氮素累积主要在幼穗分化始期至抽穗期阶段, 占生育期总量的35.31%~42.33%, 其次为始分蘖期至幼穗分化始期和抽穗期至乳熟期。晚稻于始分蘖期至幼穗分化始期和抽穗期至乳熟期出现2次明显的氮素阶段吸收速率峰值, 均以1.0 CRU (等氮量控释尿素)处理峰值最高; 始分蘖期至幼穗分化始期、抽穗期至乳熟期水稻大量吸收氮素, 累积增量分别占35.92%~40.52%和23.05%~24.58%。控释尿素还能显著提高双季稻产量, 早晚稻分别以0.9 CRU (控释尿素减氮10%)和0.8 CRU (控释尿素减氮20%)处理最佳, 控释尿素减施的晚稻增产效果优于早稻, 且显著提高早晚稻氮肥吸收利用率、农学利用率和偏生产力。CRU处理早晚稻产量与幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期、腊熟期氮素累积量和有效穗数均呈极显著正相关, 且晚稻产量与穗长呈显著正相关; 早晚稻幼穗分化始期氮素累积量与氮肥农学利用率、生理利用率呈显著负相关, 氮肥偏生产力与早稻幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期和腊熟期氮素累积量呈极显著或显著负相关, 与晚稻抽穗期氮素累积量呈显著负相关。因此, 控释尿素施用使水稻氮素阶段吸收速率、地上部氮素累积后延, 有利于后期生殖生长及籽粒结实, 显著提高双季稻产量及氮肥利用效率。结合双季稻吸氮特征和籽粒产量, 建议环洞庭湖区早稻采用释放期较短的控释尿素或配合速效氮肥施用, 进一步实现增产。

控释尿素; 双季稻; 吸氮特征; 产量

氮素是水稻生长必不可少的营养元素之一, 对作物高产起着重要作用, 持续、大量增加氮肥投入是提高水稻产量的一项重要措施[1], 但我国水稻氮肥吸收利用率较低, 仅30%~35%, 较发达国家低10~15个百分点[2], 损失率高达30%~70%[3], 引起一系列环境生态问题。因此, 稳定水稻产量的同时提高肥料利用效率、减少化肥投入备受关注。国内外学者在水稻化肥减施增效方面做了大量研究, 主要通过优化施肥方法、改变氮肥类型、确定最适施肥时期和最佳施氮量, 从而提高肥料利用效率[4]。

控释肥料是采用物理、化学等手段对肥料进行包膜, 肥心养分通过扩散机制等缓慢释放, 并与作物吸收同步。影响包膜肥料养分释放的因素主要有肥料包膜层, 土壤含水率、温度、土壤pH和微生物活动等。张海军等[5]认为, 温度对包膜肥料的养分释放速率影响显著, 一定范围内随温度升高养分释放速率加快。李敏等[6]认为树脂膜控释尿素较硫膜控释尿素后期氮素释放率更高, 利于作物后期生殖生长。因此, 控释氮肥减量施用是水稻化肥减施增效的重要手段之一。稻田施用控释氮肥, 既能满足水稻前期氮素需要, 提高花后根系活力和齐穗期、乳熟期叶片氮转化关键酶活性, 增强稻株后期氮素吸收, 提高氮素累积, 协调氮素分配; 又能减少氮素损失, 提高氮肥利用率和水稻产量[7-11]。具体表现为: 控释肥料能有效降低氮素NH3挥发损失和N2O排放[12], 较常规施肥减少稻田NH3挥发损失量50.3%~ 70.1%[8], 水稻生长期N2O排放量15.7%~28.6%[9]。且控释尿素养分释放、稻田土壤养分供应与水稻氮素吸收呈显著正相关[13], 有利于提高土壤矿质氮含量[14], 稳定后期稻株根系活力, 确保茎叶储藏物质的再转移和抽穗后光合产物的形成[15], 提高成穗率以及氮素在稻株中的分配、再分配和运转畅通, 从而提高氮肥偏生产力(6%~23%)、氮素农学利用率(26%~71%)和籽粒产量(8%~19%)[16]。但有关控释尿素对环洞庭湖双季稻不同生育阶段氮素累积、氮素阶段吸收速率的动态变化研究还不够深入。本文在前期研究基础上, 主要分析控释尿素施用下早晚稻主要生育阶段氮素吸收速率和生育期氮素累积与产量和氮素利用的关系, 探究控释尿素的早晚稻持续稳产增产原因。以期为优化环洞庭湖区双季稻田控释尿素施用方法提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试地点

双季稻田施用控释尿素长期定位试验于2013年开始, 在湖南省长沙市浏阳原种场沿溪镇花园村(28°19'N, 113°49'E)进行, 2018年为该试验持续的第6年。该地区属亚热带季风性湿润气候, 年均气温17.3℃, 日照时数1594.8 h, 降水量1551.3 mm, 全年最高温度集中在7月至8月。

1.2 供试材料

供试水稻品种早稻为中早39, 晚稻为金优华占。供试肥料为普通尿素(46% N, 湖南省宜化化工有限责任公司生产); 树脂包膜控释尿素(42% N, 56、70和84 d的25℃水浸泡累积溶出率分别为77.4%、86.3%和90.5%, 山东金正大生态工程股份有限公司生产); 钙镁磷肥(12% P2O5, 湖北祥云化工股份有限公司生产); 氯化钾(60% K2O, 俄罗斯生产)。供试土壤为河流冲积物发育的潮沙泥, 其原始土壤(2013年)基本理化性状pH值为5.61, 有机质为16.62 g kg–1, 全氮、全磷、全钾分别为1.21、0.54和11.51 g kg–1, 碱解氮、有效磷、速效钾分别为48.93、21.25和155.68 mg kg–1。

1.3 试验设计

大田小区试验的小区面积为20 m2(4 m × 5 m), 小区间水泥田埂隔开。设5个处理: 农民习惯施肥(普通尿素, U)、等氮量控释尿素(1.0 CRU)、控释尿素减氮10% (0.9 CRU)、控释尿素减氮20% (0.8 CRU)、不施氮肥(CK), 重复3次, 随机区组排列, 连续6年早晚稻轮作均在其对应小区进行。早、晚稻各小区种植密度株行距分别为16.7 cm × 20.0 cm、20.0 cm × 20.0 cm, 每穴2~3苗; 上述处理氮用量(按纯N计)依次为150、150、135、120、0 kg hm–2(早稻)和180、180、162、144、0 kg hm–2(晚稻), P2O5、K2O用量分别为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, 氮肥和钾肥60%做基肥(移栽前与土混施), 40%做分蘖肥(移栽后10 d左右表层撒施)。其中U处理N、P2O5、K2O用量及施肥方式同当地农民习惯。早稻于2018年4月24日施基肥移栽, 5月6日追肥, 7月11日收获; 晚稻于7月13日施基肥移栽, 7月23日追肥, 10月26日收获。整个生育期按常规田间管理方式进行。

1.4 测定项目与分析方法

取样时间: 早稻为移栽后6 d (始分蘖期)、28 d (幼穗分化始期)、54 d (抽穗期)、63 d (乳熟期)、78 d (腊熟期); 晚稻为移栽后8 d (始分蘖期)、32 d (幼穗分化始期)、68 d (抽穗期)、82 d (乳熟期)、105 d (腊熟期)。取样时齐地割取植株于105℃下杀青30 min, 60℃恒温烘干称量, 磨细过0.5 mm筛后, 用凯氏定氮法测定全氮含量。收获时各小区单打单晒并称重。每小区采水稻地上部5穴进行室内考种, 分别测定株高、穗长、有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒重。

氮肥吸收利用率 = (施氮区地上部植株吸氮量-空白区地上部植株吸氮量)/施氮量;

氮肥农学利用率 = (施氮区产量-空白区产量)/施氮量;

氮肥生理利用率 = (施氮区产量-空白区产量)/(施氮区地上部植株吸氮量-空白区地上部植株吸氮量);

氮肥偏生产力 = 施氮区产量/施氮量;

氮收获指数 = 籽粒氮吸收量/(籽粒氮吸收量+秸秆氮吸收量);

本问卷选取合肥三所理工类院校共283名大一和大二学生为调查对象。为了使调查结果具有代表性，选取的三所院校分别为一所985高校、一所211高校和一所省属普通高校，基本涵盖了普通高校的各个层次；调查的学生分布于理学、工学和农学等10个专业，为典型的理工专业学生；选取的学生为确定具体专业后随机抽取的大一新生和大二学生，因为他们是该课程改革的主要涉及对象。共发放问卷300份，回收有效答卷283份，按学校不同分为A(985高校，95份)、B(211高校，92份)、C(省属普通高校，96份)三组，代表三个不同层次的学生。

植株氮素累积量 = 植株干重´含氮量;

氮素阶段吸收速率 = 含氮量´某生育期水稻生物量/生育期时间。

1.5 数据方法

数据处理及作图使用Microsoft Excel 2007。数据分析使用DPS7.05统计软件进行单因素方差分析(ANOVA), 多重比较采用Duncan’s新复极差法。

2 结果与分析

2.1 双季稻地上部分氮素累积动态

从图1可以看出, 早稻地上部氮素累积规律表现为始分蘖期至幼穗分化始期U处理累积量迅速增加; 幼穗分化始期至腊熟期CRU (1.0 CRU、0.9 CRU和0.8 CRU)处理累积较快, 且随控释尿素用量的增加呈上升趋势, 施氮处理氮素累积量均显著高于CK。始分蘖期各处理氮素累积量差异较小, U处理显著高于0.8 CRU处理。幼穗分化始期U处理氮素累积量最高, 显著高于0.8 CRU和0.9 CRU处理。抽穗期各处理氮素累积量明显升高, 1.0 CRU处理显著高于其他处理, U、0.9 CRU和0.8 CRU处理间差异不显著。乳熟期和腊熟期1.0 CRU、0.9 CRU和0.8 CRU处理间氮素累积量差异不显著, 较U处理显著提高33.48%、24.98%、17.02% (乳熟期)和36.58%、29.65%、22.16% (腊熟期)。

晚稻地上部氮素累积规律表现为CK处理显著低于施氮处理, 1.0 CRU处理整个生育期均较高, CRU处理随控释尿素用量减少氮素累积量降低; 始分蘖盛期至抽穗期CRU处理变化不规律, 乳熟期和腊熟期CRU处理明显高于U处理。始分蘖期至乳熟期均以1.0 CRU处理氮素累积量最高, 各施氮处理间差异不显著。腊熟期1.0 CRU、0.9 CRU和0.8 CRU处理间氮素累积量差异不显著, 但较U处理显著提高18.71%、13.94%和11.99%。

2.2 双季稻氮素阶段累积增量占比

由图2可知, 始分蘖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积的重要阶段, 其中U处理主要集中在始分蘖期至幼穗分化始期, CRU处理稍延后, 在幼穗分化始期至抽穗期。前期(始分蘖期至抽穗期) CRU处理氮素累积增量占比随控释尿素用量减少而降低, 后期(乳熟期至腊熟期)相反。早稻移栽至始分蘖期各处理氮素累积增量较少, 占比为1.50%~3.21%; 始分蘖期至幼穗分化始期U处理氮素累积增量占比为52.88%, CRU处理相对较少, 占27.52%~33.56%; 幼穗分化始期至抽穗期CRU处理氮素累积增加明显, 占35.31%~42.33%, 而U处理仅25.36%; 乳熟期和腊熟期增量相对较少, U处理分别为11.91%和6.64%, CRU处理稍高于U处理, 分别占13.22%~25.20%和8.91%~10.46%。

晚稻变化规律与早稻类似, 始分蘖期至幼穗分化始期和幼穗分化始期至抽穗期是U处理氮素累积的重要阶段, 后期逐渐减少; CRU处理在始分蘖期至幼穗分化期和抽穗期至乳熟期大量吸收氮素, 且前期随控释尿素用量减少其占比下降, 后期相反。移栽至始分蘖期各处理氮素累积增量占比仅4.48%~6.30%; 始分蘖期至幼穗分化始期水稻大量吸收氮素, U处理氮素累积增量占42.69%, CRU处理相对较低, 占35.92%~40.52%; 幼穗分化始期至抽穗期是U处理氮素累积的第2个高峰, 占27.10%, CRU处理仅14.20%~20.80%; CRU处理第2个氮素累积高峰期后移, 在抽穗期至乳熟期, 占23.05%~ 24.58%, U处理仅18.98%; 腊熟期累积较少, CRU处理占10.66%~19.09%, 稍高于U处理(6.02%)。

CK: 不施氮肥; U: 常规施肥(普通尿素); 1.0 CRU: 等氮量控释尿素; 0.9 CRU: 控释尿素减氮10%; 0.8 CRU: 控释尿素减氮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.

处理同图1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

2.3 双季稻地上部氮素阶段吸收速率

晚稻各处理于始分蘖期至幼穗分化始期和抽穗期至乳熟期出现明显的氮素阶段吸收速率峰值。移栽至始分蘖期吸收速率较低, 为0.54~0.75 kg hm–2d–1。始分蘖期至幼穗分化始期出现第一个氮素阶段吸收速率峰值, 施氮处理为1.87~2.04 kg hm–2d–1, 1.0 CRU处理最高(2.04 kg hm–2d–1)。幼穗分化始期至抽穗期吸收速率明显下降, 为0.49~0.81 kg hm–2d–1, U处理高于CRU处理。抽穗期至乳熟期出现第2个氮素阶段吸收速率峰值, CRU处理较高, 为2.00~2.20 kg hm–2d–1, U处理仅1.45 kg hm–2d–1。乳熟期至腊熟期CRU处理吸收速率(0.80~0.92 kg hm–2d–1)明显高于U处理(0.29 kg hm–2d–1)。

2.4 双季稻产量和氮素利用效率

由表1可知, 2016—2018年施氮处理早晚稻产量显著高于CK, CRU处理均显著高于U处理, 1.0 CRU、0.9 CRU和0.8 CRU处理间差异不显著, 早晚稻分别以0.9 CRU和0.8 CRU处理籽粒产量最高, 达5804.8 kg hm–2和6762.0 kg hm–2; 相对于U处理, 1.0 CRU、0.9 CRU和0.8 CRU处理3年平均增产率分别为8.11%、14.34%、10.46% (早稻)和6.19%、12.16%、12.71% (晚稻), 说明0.8 CRU处理晚稻的增产效果优于早稻。收获期产量构成因素中, 施氮处理有效穗数显著高于CK, 株高、穗长、每穗粒数、千粒重和结实率处理间差异不显著; 早晚稻产量与每穗粒数极显著正相关(相关系数分别为0.8882**和0.8336**), 且晚稻产量与穗长呈显著正相关(相关系数为0.5768*)。早晚稻穗长与每穗粒数呈显著和极显著正相关(相关系数分别为0.5764*和0.7138**), 早稻穗长与千粒重呈极显著负相关(相关系数为-0.8990**)。

由表2可知, 早晚稻施氮处理氮收获指数普遍低于CK, CRU处理早晚稻氮收获指数随着控释尿素用量减少而明显升高; 早稻U处理氮收获指数较CRU处理高, 且显著高于1.0 CRU, CRU处理间差异不显著; 晚稻0.8 CRU处理显著高于其他施氮处理。早晚稻U处理氮肥吸收利用效率分别为20.73%和21.57%, 其中早稻CRU处理(37.52%~42.28%)均显著高于U处理; 晚稻CRU处理(34.02%~37.75%)也均显著高于U处理, 且0.8 CRU处理显著高于1.0 CRU处理。早晚稻氮肥农学利用率均以CRU处理明显高于U处理, 且早稻0.9 CRU和0.8 CRU处理、晚稻0.8 CRU处理均显著高于U处理。氮肥生理利用效率变化不规律, 处理间差异不显著。早晚稻氮肥偏生产力以CRU处理均显著高于U处理, 且0.8 CRU显著高于1.0 CRU和0.9 CRU, 0.9 CRU显著高于1.0 CRU。

处理同图1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

表1 双季稻产量及其构成因素(2016–2018年平均值)

处理和缩写同图1。不同字母表示在0.05水平上差异显著, 分早晚稻比较。

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 双季稻氮素吸收、累积与产量及其构成因素、氮肥利用效率的相互关系

水稻的氮素利用效率与氮素吸收和累积等密切相关。其中, 早稻控释尿素处理产量与始分蘖期至幼穗分化始期、抽穗期至乳熟期和幼穗分化始期至抽穗期氮素阶段吸收速率呈极显著或显著正相关(相关系数分别为0.7820**、0.7707**和0.5956*), 与幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期和腊熟期氮素累积量呈极显著正相关(相关系数分别为0.7759**、0.7208**、0.9235**和0.9269**); 始分蘖期至幼穗分化始期氮素阶段吸收速率与氮收获指数、氮肥偏生产力呈极显著或显著负相关(相关系数分别为-0.7694**和-0.5981*), 抽穗期至乳熟期氮素阶段吸收速率与氮肥农学利用率、乳熟期至腊熟期氮素阶段吸收速率与氮肥吸收利用效率呈显著正相关(相关系数分别为0.5961*和0.6413*); 幼穗分化始期氮素累积量与氮收获指数、农学利用率、生理利用率和偏生产力呈极显著负相关(相关系数分别为-0.7136**、–0.7295**、–0.7289**和–0.9130**), 抽穗期氮素累积量与氮收获指数呈显著负相关(相关系数为-0.6648*), 氮肥偏生产力与抽穗期、乳熟期和腊熟期氮素累积量呈极显著或显著负相关(相关系数分别为–0.7780**、–0.7084**和–0.6212*)。有效穗数与始分蘖期至幼穗分化始期、抽穗期至乳熟期氮素阶段吸收速率呈极显著和显著正相关(相关系数分别为0.7931**和0.6099*), 每穗粒数与始分蘖期至幼穗分化始期氮素阶段吸收速率呈显著负相关(相关系数为–0.5981*); 有效穗数与幼穗分化始期、乳熟期、腊熟期氮素累积量呈极显著正相关(相关系数分别为0.7942**、0.8364**、0.8212**), 与抽穗期氮素累积量呈显著正相关(相关系数为0.6965*), 每穗粒数与幼穗分化始期氮素累积量呈显著负相关(相关系数为–0.5973*)。

处理同图1。不同字母表示在0.05水平上差异显著, 分早晚稻比较。

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.

晚稻控释尿素处理水稻产量与移栽至始分蘖期和始分蘖期至幼穗分化始期、抽穗期至乳熟期、乳熟期至腊熟期氮素阶段吸收速率呈显著或极显著正相关(相关系数分别为0.6898*、0.8097**、0.7155**和0.8115**), 与始分蘖期和幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期、腊熟期氮素累积量呈显著或极显著正相关(相关系数分别为0.6898*、0.8240**、0.7147**、0.8288**和0.9045**); 始分蘖期至幼穗分化始期氮素阶段吸收速率与氮肥农学利用率、生理利用率呈极显著负相关(相关系数分别为–0.7181**和-0.7517**), 幼穗分化始期氮素累积量与氮肥农学利用率、生理利用率呈显著负相关(相关系数分别为–0.6636*和–0.6818*)。穗长与始分蘖期至幼穗分化始期、乳熟期至腊熟期氮素阶段吸收速率呈极显著正相关(相关系数分别为0.7806**和0.7562**), 有效穗数与抽穗期至乳熟期、移栽至始分蘖期、始分蘖期至幼穗分化始期、乳熟期至腊熟期氮素阶段吸收速率呈极显著或显著正相关(相关系数分别为0.7596**、0.6350*、0.6887*和0.6386*); 穗长与幼穗分化始期和腊熟期氮素累积量呈极显著或显著正相关(相关系数分别为0.7762**和0.6435*), 有效穗数与始分蘖期、幼穗分化始期、抽穗期和乳熟期、腊熟期氮素累积量呈显著或极显著正相关(相关系数分别为0.6350*、0.7052*、0.6311*、0.8012**和0.8201**)。

3 讨论

3.1 控释尿素对双季稻吸氮特征的影响

要提高水稻的氮素利用效率和籽粒产量必须提高抽穗前的氮素累积量、抽穗后的干物质累积和氮素运转量[17]。本研究认为, 早稻U处理氮素阶段吸收速率峰值出现在始分蘖期至幼穗分化始期, 且氮素主要累积于幼穗分化始期, 氮素阶段累积增量占整个生育期的52.88%, 后期逐渐降低; CRU处理氮素阶段吸收速率峰值明显后移, 发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积较多氮素, 且CRU处理腊熟期氮素累积量显著高于U处理。因为缓控释氮肥能提高花后根系活力及成穗率, 使植株中氮素转运畅通[16]; 还能促进水稻生育中、后期叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性, 促进孕穗体内氮素吸收与同化, 提高吸氮量, 增强生育后期叶片蛋白水解酶活性, 促进叶片中蛋白质降解, 利于叶片氮素向籽粒转移[7], 提高水稻产量。本研究还认为, 晚稻0.8 CRU处理乳熟期至腊熟期氮素阶段累积占比为19.09%, 明显高于早稻的10.46%, 可能由于晚稻0.8 CRU处理前期氮素释放较多, 后期控释尿素中存留的氮素相对较少, 减量施用对稻田氮素的激发效应更强[18], 补充后期土壤氮素供应、利于氮素累积; 同时, 晚稻0.8 CRU处理氮收获指数达65.00%, 高于早稻的60.08%, 说明晚稻0.8 CRU处理后期地上部累积氮素更有利于转移至籽粒。

水稻氮素吸收与控释尿素氮素释放及土壤养分供应具有显著正相关性[13], 但控释肥料的养分释放受土壤温度影响较大[19]。本研究认为, 早稻CRU处理氮素阶段吸收速率峰值较U处理明显延后, 大量氮素累积时期推迟; 而晚稻CRU处理氮素阶段吸收速率峰值未延后, 且1.0 CRU处理高于U处理。主要因为早稻生育前期(4月下旬月至5月), 我国南方气温相对较低(平均为20.2℃)[20], 控释尿素氮素释放较慢, 后期温度逐渐升高, 氮素释放增强, 水稻氮素吸收速率加快。而晚稻生长前期(7月下旬至8月)是南方地区全年的高温期(平均温度达29.0℃)[20], 较高温度促进控释尿素的氮素释放, 水稻吸收累积氮素更多[19]。同时, 控释尿素能通过降低田面水铵态氮浓度和pH, 显著减少施肥后10 d内稻田氮素氨挥发损失, 保持土壤氮含量, 确保充足氮素供水稻吸收[8]。0.9 CRU和0.8 CRU处理氮素施入量减少, 供水稻吸收的氮素有限, 水稻氮素吸收速率弱于U处理。因此, 南方区域双季稻田施用控释氮肥时, 应考虑早稻配合施用速效氮肥或选用释放期更短的控释氮肥, 以保证水稻生长前期氮素供应和水稻氮素吸收速率。

3.2 控释尿素对双季稻氮肥利用率的影响

张福锁等[21]总结了全国粮食主产区1333个田间试验结果, 分析了2001—2005年我国主要粮食作物水稻、小麦和玉米的氮肥利用率分别为28.3%、28.2%和26.1%, 远低于国际水平(30%~50%)。鲁艳红等[22]发现, 湖南双季稻常规施肥处理早、晚稻氮肥吸收利用率分别为35.5%和31.9%。本研究认为, U处理早、晚稻氮肥吸收利用率3年平均为20.73%和21.57%, 低于上述研究结果。可能有两方面原因: 一是土壤质地, 本试验供试土壤为河流冲积物发育的潮沙泥田水稻土, 质地较砂, 通透性好, 较粘壤土更易发生淋溶损失[23], 减少土壤氮素供给, 降低氮肥利用率。二是施肥量和施肥方式, 本研究U处理采用农民习惯施氮肥量(早稻150 kg hm–2、晚稻180 kg hm–2)及施肥方式(一基一追), 而前人研究普遍为优化施肥方式, 如“一基二追”或“一基三追”等, 增加施肥次数可减少氮素损失, 增强作物吸收, 提高氮肥利用率[14]。

控释氮肥的氮素缓慢释放有利于土壤对氮素的保持, 满足作物后期对养分的需求, 提高氮肥利用效率, 保证作物产量。研究表明, Ji等[24]利用15N同位素法研究发现, 一次施90 kg hm–2控释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处理早晚稻N肥吸收利用率为37.52%和34.02%, 较U处理(早稻20.73%, 晚稻21.57%)显著提高80.99%和57.72%, 与上述研究结果相符。控释氮肥能够协调养分释放速率, 在水稻生育中后期稳定释放氮素, 促进作物地上部及根系的生长, 且肥效持续时间长, 氮素释放的高峰期与作物吸肥高峰期基本吻合, 能明显提高作物产量和氮肥利用率[23]。本研究还认为, 水稻氮素吸收利用率随控释氮肥用量减少而提高, CRU处理早晚稻氮肥吸收利用效率分别为37.52%~42.28%和34.02%~37.75%, 均显著高于U处理。因为适量降低氮肥用量能增强水稻对氮素的吸收, 保持水稻高产且提高氮肥利用效率。俞巧钢等[25]也认为随着施氮量增加, 水稻氮肥利用效率呈下降趋势。

3.3 控释尿素提高早、晚稻产量效应及其差异

施用控释氮肥, 且适当减少用量, 能提高双季稻产量、增加氮素利用效率、维持或提高土壤氮素肥力和可持续生产力[26]。本研究认为, CRU处理能显著增产, 且适量减施能获得更高产量, 如早稻0.9 CRU处理(5804.8 kg hm–2)和晚稻0.8 CRU处理(6762.0 kg hm–2) 3年平均产量达到最高值。Geng等[27]7年稻–油轮作试验中, 控释尿素减施30%较常规施肥水稻季连续7年增产, 油菜季第4年开始增产, 其原因主要是连续施用控释尿素能提升耕层土壤全氮、有机质含量, 提高土壤供肥能力。且树脂包膜尿素能有效控制氮肥释放, 水稻生育中后期氮肥释放率高, 为水稻灌浆孕穗提供充足的氮素营养, 明显提高每穗粒数等, 利于籽粒产量建成, 为水稻高产提供重要保障[6,28]。同时, 控释尿素处理早稻产量与幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期、腊熟期呈极显著正相关, 与始分蘖期至幼穗分化始期、抽穗期至乳熟期、幼穗分化始期至抽穗期氮素阶段吸收速率呈极显著或显著正相关; 晚稻产量与始分蘖盛期、幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期、腊熟期氮素累积量, 及其与移栽至始分蘖期、始分蘖期至幼穗分化期、抽穗期至乳熟期、乳熟期至腊熟期氮素阶段吸收速率呈显著或极显著正相关。邓飞等[15]研究结果也认为, 水稻产量与播种至幼穗分化始期、拔节期至孕穗期、成熟期干物质累积总量都呈显著正相关。因此, 控释尿素能提高早晚稻主要生育阶段氮素吸收和累积, 提高产量。

本研究还认为, 0.8 CRU处理晚稻的增产效果优于早稻。可能有两方面的原因: 一是晚稻产量与穗长呈显著正相关, 穗长与始分蘖期至幼穗分化始期、乳熟期至腊熟期水稻氮素阶段吸收速率呈极显著正相关, 与幼穗分化始期和腊熟期氮累积量极显著或显著正相关; 由于晚稻生育前期气温明显高于早稻, 控释尿素的氮素释放加强, 土壤氮素供应能力增强, 利于晚稻始分蘖期至幼穗分化始期氮素吸收及幼穗分化始期的氮素累积, 为稻穗的生长提供充足的养分。二是早稻抽穗期、乳熟期和腊熟期氮素累积量、始分蘖期至幼穗分化始期氮素阶段吸收速率与氮肥偏生产力呈极显著或显著负相关, 但抽穗期至乳熟期氮素阶段吸收速率与氮肥偏生产力呈显著正相关; 控释尿素提高水稻生长中期氮素吸收速率和中后期氮素累积, 影响氮肥偏生产力, 植株氮素向穗部运转氮素减少, 不利于产量的提高[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转移, 导致幼穗分化始期至抽穗期氮素吸收速率与氮收获指数呈显著负相关。因此, 控释尿素对晚稻的增产效果更优。

4 结论

施用控释尿素使环洞庭湖区双季稻氮素阶段吸收速率峰值和氮素累积时期明显后延, 提高后期氮素累积量, 腊熟期CRU处理氮素累积量显著高于U处理; 控释尿素减量施用有利于增强后期地上部累积氮素向籽粒转移, 提高氮收获指数。施用控释尿素能显著提高双季稻产量, 显著提高早晚稻氮肥吸收利用率、农学利用率和偏生产力。早、晚稻分别以0.9 CRU和0.8 CRU产量最佳, 且控释尿素减施的增产效果晚稻优于早稻。综合水稻吸氮特征和双季稻产量, 建议环洞庭湖双季稻区早稻配合速效氮肥施用或选用控释期更短的氮肥, 以确保水稻生长前期氮素供应和吸收, 充分挖掘控释尿素增产潜力。

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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

本研究由国家重点研发计划项目(2017YFD0200703), 国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目(U19A2050), 湖南省自然科学基金青年项目(2019JJ50233, 2019JJ50337)和湖南省教育厅重点项目(20A250)资助。

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