松嫩平原水稻高產(chǎn)高效氮肥運(yùn)籌模式研究

孔麗麗，尹彩俠，侯云鵬*，張 磊，趙胤凱，劉志全，徐新朋

（1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，吉林長(zhǎng)春 130033；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 / 北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

松嫩平原是東北地區(qū)重要的水稻產(chǎn)區(qū)，該區(qū)域地勢(shì)平坦、光照充足、土壤有機(jī)質(zhì)豐富、水熱資源優(yōu)越，常年水稻種植面積約202.08 萬hm2，總產(chǎn)量1483.6 萬t，分別占東北水稻種植總面積的38.6%和總產(chǎn)的37.0%[1]，作為我國60%以上人口的主食，其產(chǎn)量對(duì)保證我國糧食安全具有重要意義[2]。合理施用氮肥是提高水稻產(chǎn)量、降低環(huán)境污染的有效途徑[3-4]。然而該區(qū)域氮肥用量普遍過高，同時(shí)多以普通尿素為氮源，采用基肥加多次追肥方式[5]。這種方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，且氮肥利用率低，當(dāng)季回收率僅為30.6%，同時(shí)氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重[6-7]。在人口老齡化加劇，勞動(dòng)力短缺的背景下，難以滿足新形勢(shì)下水稻規(guī)模化種植的需要。因此，亟須進(jìn)一步發(fā)展氮肥輕簡(jiǎn)化施用技術(shù)。

控釋氮肥通過低透水率的膜層調(diào)控，控制養(yǎng)分釋放速度和時(shí)間，延遲釋放施用后植物可吸收利用的氮，從而減少了水稻對(duì)氮肥多次施用的需求，是目前輕簡(jiǎn)化施肥技術(shù)的重要載體[8-9]。與普通尿素相比，控釋氮肥可持續(xù)為水稻生長(zhǎng)發(fā)育提供氮素供應(yīng)[10]，有效改善根系結(jié)構(gòu)[11]，提高葉片硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶的活性[12]，并在水稻后期生長(zhǎng)階段延遲葉片衰老[13]，進(jìn)而提高其產(chǎn)量和氮素利用效率[14]，同時(shí)施用控釋氮肥可降低地表水和土壤溶液的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度，降低氮素?fù)p失[15]，因此對(duì)環(huán)境影響較低。但也有研究表明，由于目前控釋氮肥養(yǎng)分釋放大多呈“S”型曲線[16]，在一次性施用控釋氮肥下，無法滿足水稻分蘗期和幼穗分化期對(duì)氮素吸收高峰的需求[17]，使水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率無法達(dá)到普通尿素分次施用水平[18-19]。而將控釋氮肥與普通尿素配施，可利用控釋氮肥和普通尿素的氮素釋放特性，實(shí)現(xiàn)多級(jí)供氮，是當(dāng)前優(yōu)化控釋氮肥施用的主要方式。相關(guān)研究表明，與單施控釋氮肥相比，控釋氮肥配合分蘗期施用速效氮肥，可顯著提高水稻群體光合物質(zhì)生產(chǎn)，增加有效穗數(shù)，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率。如邢曉鳴等[20]研究表明，90%控釋氮肥和10%普通尿素采用一基一蘗的施肥方式，可提高水稻群體干物質(zhì)、葉面積指數(shù)與光合勢(shì)，進(jìn)而獲得較高的水稻產(chǎn)量。魏海燕等[10]研究認(rèn)為，在優(yōu)選緩控釋肥類型基施的基礎(chǔ)上，在分蘗期配合施用總氮量的40%普通尿素，水稻增產(chǎn)效果最佳。而彭瑞雪等[21]指出，控釋摻混肥(基肥) 與尿素(分蘗肥)按基蘗肥比7∶3 施用，可達(dá)到水稻高產(chǎn)高效和降低環(huán)境污染目的?？梢娺@些研究結(jié)果不盡相同。而在松嫩平原稻區(qū)，控釋氮肥大多采用一次性施用方式，在水稻整個(gè)生育期內(nèi)不再追肥，并且控釋氮肥與普通尿素的適宜配施比例研究較少，具有一定的經(jīng)驗(yàn)性[22-23]。因此有必要系統(tǒng)性地開展研究，以確定松嫩平原稻區(qū)優(yōu)化控釋氮肥施用方式。鑒于此，本研究在松嫩平原水稻主產(chǎn)區(qū)，通過連續(xù)兩年田間試驗(yàn)，探索不同控釋氮肥基施與普通尿素分蘗期追施比例對(duì)水稻產(chǎn)量、氮素吸收利用的調(diào)控效應(yīng)，并分析水稻生育期內(nèi)土壤無機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)變化和農(nóng)田氮素表觀平衡特征，以期為該區(qū)域水稻高產(chǎn)及環(huán)境友好的水稻輕簡(jiǎn)化施肥提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)于2021 年5 月至2022 年10 月在吉林省松原市套浩太鄉(xiāng) (43°39′21.3″N，125°06′10.2″E) 進(jìn)行，該區(qū)域地處松嫩平原南端，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫4.5℃，年均降水量483 mm，年均日照時(shí)數(shù)2900 h 左右。試驗(yàn)田塊土壤類型為水稻土。試驗(yàn)起始時(shí)耕作層土壤基本性質(zhì)為：土壤全氮1.82 g/kg、全磷0.23 g/kg、全鉀11.29 g/kg、水解性氮105.81 mg/kg、有效磷17.22 mg/kg、速效鉀106.7 mg/kg、有機(jī)質(zhì)23.54 g/kg、pH 7.06。水稻生育期氣溫和降雨分布見圖1。

圖1 水稻生育期溫度和降雨量(2021—2022)Fig.1 Temperature and precipitation during rice growth periods in 2021-2022

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，根據(jù)2015—2016 年度在該區(qū)域研究確定水稻高產(chǎn)氮肥用量200 kg/hm2[4]的基礎(chǔ)上，設(shè)置4 個(gè)基施控釋尿素與分蘗肥尿素配施處理，分別為4∶6 (CRU40%)、6∶4 (CRU60%)、8∶2 (CRU80%)、10∶0 (CRU100%)，并以普通尿素優(yōu)化分次施肥處理 (OPT)、普通尿素傳統(tǒng)施氮處理(FP) 和不施氮肥處理 (N0) 為對(duì)照，共計(jì)7 個(gè)處理。其中OPT 處理氮肥用量為200 kg/hm2，施用方法為30%氮肥基施，50%氮肥分別在水稻分蘗初期和盛期等比例施入，剩余20% 氮肥作為穗肥分別在倒4 葉、倒2 葉各施其70%和30%；FP 處理氮肥用量為220 kg/hm2，施用方法為40%氮肥基施，15%氮肥于返青期施入，20%和15%氮肥分別在水稻分蘗初期和盛期施入，10%氮肥于孕穗期施入。所有試驗(yàn)處理磷、鉀肥用量相同，分別為P2O580 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2。均一次性基施。每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)21 個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積為40 m2。供試肥料品種分別為普通尿素 (46% N)、控釋尿素 (45%N，釋放曲線為S 型，釋放期約為100 天，圖2)、重過磷酸鈣(46% P2O5)和氯化鉀 (60% K2O)。供試水稻品種為東稻3 (生育期146 天)，采用平盤育苗，分別于2021 年5 月12 日和2022 年5 月16 日人工移栽，移栽行株距為33.0 cm×12.4 cm，每穴3～4 株苗。收獲日期分別為2021 年9 月30 日和2022 年9 月28日。田間其他栽培管理同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培，及時(shí)控制和防治病蟲害。

圖2 供試控釋尿素在25°C 水中累積釋放特征Fig.2 The cumulative nitrogen release characteristics of the tested controlled release urea in water at 25°C

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 水稻產(chǎn)量與構(gòu)成 水稻成熟時(shí)，采用樣框法測(cè)產(chǎn)，測(cè)產(chǎn)面積10 m2，收割脫粒、曬干稱重后用日本生產(chǎn)的谷物水分測(cè)量?jī)x (PM-8188 New) 測(cè)定各處理稻谷含水量，折算成14.5%標(biāo)準(zhǔn)含水量。同時(shí)各處理隨機(jī)選取20 穴，計(jì)算有效穗數(shù)，按每小區(qū)的平均穗數(shù)取有代表性的5 穴植株，測(cè)定每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重等。

1.3.2 植株采樣與測(cè)定 分別于水稻拔節(jié)期、齊穗期和成熟期，按每小區(qū)莖蘗數(shù)的平均值取有代表性的植株5 穴。同時(shí)將所取植株樣品于105℃殺青30 min，80℃烘至恒重后，測(cè)定各器官及全株的干物重。植株樣品粉碎后，經(jīng)H2SO4-H2O2消化，采用凱氏定氮法測(cè)定氮含量。

1.3.3 土壤無機(jī)氮含量測(cè)定 分別于水稻拔節(jié)期、抽穗期和成熟期從各小區(qū)采集0—20 cm 土壤樣品。在2021 年水稻施肥前和2022 年水稻收獲后，采集0—40 cm 深度土壤樣品，每20 cm 為1 層，每小區(qū)隨機(jī)取8 點(diǎn)，同層次土壤混合均勻過5 mm 篩后，用1 mol/L KCl 溶液浸提土壤樣品，使用AA3-A001 流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤無機(jī)氮含量(NO3--N 和NH4+-N 含量)。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

植株氮素積累量(N accumulation, kg/hm2)=各時(shí)期干物質(zhì)量×氮素含量(%)；

齊穗后氮素積累量(kg/hm2)=成熟期植株氮素積累量-齊穗期植株氮素積累量；

齊穗后氮素積累量對(duì)籽粒氮貢獻(xiàn)率(%)=(齊穗后氮素積累量/成熟期籽粒氮素積累量)×100；

氮素回收率(REN，%)=(施氮區(qū)植株地上部氮積累量-不施氮區(qū)植株地上部氮積累量)/施氮量×100；

氮素農(nóng)學(xué)利用率(AEN，kg/kg)=(施氮區(qū)作物產(chǎn)量-不施氮區(qū)作物產(chǎn)量)/施氮量；

氮素偏生產(chǎn)力(PFPN，kg/kg)=施氮區(qū)作物產(chǎn)量/施氮量。

土壤氮素礦化量(kg/hm2)=不施氮區(qū)作物吸氮量+不施氮區(qū)土壤無機(jī)氮?dú)埩袅?不施氮區(qū)試驗(yàn)初始土壤無機(jī)氮累積量；

生育期土壤氮素表觀損失量(kg/hm2)=(施氮量+土壤初始無機(jī)氮累積量+土壤氮素凈礦化量)-(作物攜出量+收獲后土壤無機(jī)氮?dú)埩袅?；

凈收入=總收入-氮肥支出-施氮工費(fèi)-其他成本。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 365 整理匯總，年份與施氮處理兩因素間交互作用應(yīng)用SPSS 19.0 軟件一般線性模型(GLM) 多因素方差分析，處理間差異采用Duncan 多重比較檢驗(yàn)，P＜0.05 為顯著。采用Sigma Plot 14.0 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥運(yùn)籌模式對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

年份與氮肥運(yùn)籌顯著影響水稻產(chǎn)量、有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，二者的交互作用對(duì)有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和水稻產(chǎn)量有顯著影響(表1)。與FP處理相比，控釋尿素各處理和OPT 處理均顯著提高了水稻產(chǎn)量(P＜0.05)，兩年平均增幅為3.3%～12.4%。增產(chǎn)的原因是控釋尿素處理和OPT 處理提高了水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，兩年平均增幅分別為0.8%～7.6%、2.1%～11.3%和1.8%～4.1%。不同比例控釋尿素處理中，水稻產(chǎn)量、有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率均隨基施控釋尿素比例的提高呈先增后減趨勢(shì)，均以CRU80%處理最高，其中兩年平均產(chǎn)量較CRU40%、CRU60%和CRU100%處理分別提高8.0%、2.9%和4.8%。而不同施氮處理水稻千粒重差異未達(dá)顯著水平(P＞0.05)。與OPT 處理相比，CRU40%、CRU60%和CRU100%處理水稻產(chǎn)量均顯著降低(P＜0.05)，降幅分別為8.1%、3.5% 和5.3%，而CRU80%處理差異未達(dá)顯著水平(P＞0.05)。

表1 不同處理水稻產(chǎn)量與構(gòu)成因素Table 1 Rice yield and yield components under different treatments

2.2 不同氮肥運(yùn)籌模式對(duì)水稻經(jīng)濟(jì)效益的影響

年份與氮肥運(yùn)籌顯著影響種植水稻總收入和凈收入，且二者表現(xiàn)出顯著的交互作用(表2)。與FP 處理相比，控釋尿素各處理和OPT 處理均顯著提高了總收入和凈收益(P＜0.05)，兩年平均增幅分別為3.3%～12.4%和8.8%～24.0%。不同比例控釋尿素處理中，總收入和凈收入均隨基施控釋尿素比例的提高呈先增后減趨勢(shì)，以CRU80%處理最高，分別為28360.1 和16894.4 元/hm2，其中兩年平均總收入較CRU40%、CRU60% 和CRU100% 處理分別提高8.0%、2.9%和4.8%，凈收入平均提高13.7%、4.8% 和7.9%。與OPT 處理相比，CRU40%、CRU60% 和CRU100% 處理凈收入均顯著降低(P＜0.05)，降幅分別為12.2%、4.7% 和7.5%，而CRU80%處理總收入和凈收入與OPT 處理差異未達(dá)顯著水平(P＞0.05)。

表2 不同處理經(jīng)濟(jì)效益 (yuan/hm2)Table 2 Economic benefits under different treatments

2.3 不同氮肥運(yùn)籌模式對(duì)水稻植株各生育期氮素積累、分配比例及其對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率的影響

2.3.1 不同氮肥運(yùn)籌模式下水稻氮素積累量 水稻拔節(jié)期FP 處理氮積累量高于控釋尿素各處理和OPT處理，而在齊穗期和成熟期氮積累量則表現(xiàn)出相反趨勢(shì)(圖3)。說明農(nóng)戶習(xí)慣施氮方式雖然促進(jìn)了水稻生育前期氮素積累，但無法滿足拔節(jié)期至齊穗期和齊穗至成熟期氮素的需求，導(dǎo)致氮素積累量顯著低于控釋氮肥各處理和OPT 處理。不同比例控釋尿素處理中，隨基施控釋尿素比例的提高，水稻拔節(jié)期氮積累量呈下降趨勢(shì)，而齊穗期和成熟期氮積累量則表現(xiàn)為先增后減趨勢(shì)，均以CRU80%處理最高，其后依次為CRU60%、CRU100%和CRU40%處理。與OPT 處理相比，CRU40%、CRU60%和CRU100%處理水稻成熟期氮積累量均顯著降低(P＜0.05)，而CRU80%處理差異未達(dá)顯著水平(P＞0.05)。

圖3 不同處理植株氮素積累動(dòng)態(tài)Fig.3 The dynamics of N accumulation in plant under different treatments

2.3.2 不同氮肥運(yùn)籌模式下水稻齊穗期前后地上部氮素積累量占整個(gè)植株氮素積累量的比例 與FP處理相比，控釋尿素各處理和OPT 處理提高了水稻齊穗期至成熟期氮素積累量占整個(gè)植株氮素積累比例(圖4)，兩年平均增幅5.6%～21.0%。不同比例控釋尿素處理中，隨基施控釋尿素比例的提高，水稻齊穗期至成熟期氮積累量占整個(gè)植株氮素總積累量的比例呈先增后減趨勢(shì)，以CRU80%處理最高。齊穗期至成熟期兩年平均氮積累量占整個(gè)植株氮素總積累量比例較CRU40%、CRU60%和CRU100%分別增加12.9%、6.8%和9.0%。與OPT 處理相比，CRU40%、CRU60%和CRU100%處理齊穗期至成熟期氮積累量占整個(gè)植株氮素總積累量比例均顯著降低(P＜0.05)，降幅分別為12.8%、7.7%和9.5%，而CRU80%處理差異未達(dá)顯著水平(P＞0.05)。

圖4 不同處理水稻齊穗前后地上部氮素積累占整株氮素積累比例Fig.4 Proportions of above-ground N accumulation in the whole plant before and after full heading stage of rice under different treatments

2.3.3 不同氮肥運(yùn)籌模式下水稻齊穗后氮素積累對(duì)籽粒氮素的貢獻(xiàn)率 與FP 處理相比，控釋尿素各處理和OPT 處理提高了水稻齊穗后氮素積累對(duì)籽粒氮素積累的貢獻(xiàn)率(圖5)，2 年平均增幅為7.8%～27.9%。不同比例控釋尿素處理中，隨基施控釋尿素比例的提高，水稻齊穗后氮素積累對(duì)籽粒氮素貢獻(xiàn)率呈先增后減趨勢(shì)，以CRU80%處理最高，齊穗后兩年平均氮積累對(duì)籽粒氮素貢獻(xiàn)率較CRU40%、CRU60%和CRU100%處理分別提高15.9%、8.8%和11.6%。與OPT 處理相比，CRU40%、CRU60%和CRU100%處理齊穗后氮素積累對(duì)籽粒氮素貢獻(xiàn)率均顯著降低(P＜0.05)，降幅分別為15.7%、10.3%和12.5%，而CRU80%處理差異未達(dá)顯著水平(P＞0.05)。

圖5 不同處理水稻齊穗前后氮素積累對(duì)籽粒氮素的貢獻(xiàn)率Fig.5 Contribution rate of N accumulation to grain before and after full heading stage of rice under different treatments

2.4 路徑分析

通過路徑分析方法分析水稻齊穗前后植株氮積累量對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素效應(yīng)路徑，結(jié)果(圖6)表明，齊穗前后氮積累量均對(duì)水稻產(chǎn)量影響顯著，主要是通過影響水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率而影響產(chǎn)量。而齊穗后氮素積累對(duì)水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率的影響均高于齊穗前氮素積累。

圖6 不同處理水稻齊穗前后氮素積累對(duì)產(chǎn)量與構(gòu)成因素的影響路徑分析Fig.6 Path analysis of the influence of N accumulation on yield and its components before and after full heading stage of rice under different treatments

2.5 不同氮肥運(yùn)籌模式下氮素利用效率

年份與氮肥運(yùn)籌顯著影響氮素回收率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力，且二者表現(xiàn)出顯著的交互作用(圖7)。與FP 處理相比，控釋尿素各處理和OPT 處理顯著提高了氮素回收率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力，2 年累計(jì)利用率增幅分別為23.6%～53.7%、22.9%～58.0%和13.7%～23.7%。不同比例控釋尿素處理中，隨基施控釋尿素比例的提高，水稻氮素回收率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力均呈先增后減趨勢(shì)，均以CRU80%處理最高，2 年累計(jì)分別達(dá)到了43.0%、18.2 kg/kg 和50.6 kg/kg。與CRU40%、CRU60%和CRU100%處理相比，CRU80%處理的氮素回收率分別提高了24.3%、10.3%、14.8%；農(nóng)學(xué)利用率分別提高了26.0%、8.5%和14.7%；偏生產(chǎn)力分別提高了8.0%、2.9%、4.8%。與OPT 處理相比，CRU40%、CRU60%和CRU100%處理2 年累計(jì)氮素回收率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力降幅均達(dá)顯著水平(P＜0.05)，而CRU80%處理差異未達(dá)顯著水平(P＞0.05)。

圖7 不同施氮處理氮素效率Fig.7 N use efficiency under different N treatments

2.6 不同氮肥運(yùn)籌模式下土壤無機(jī)氮含量

水稻拔節(jié)期FP 處理土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量高于控釋尿素各處理和OPT 處理，而在齊穗期和成熟期無機(jī)氮含量則表現(xiàn)出相反趨勢(shì)(圖8)。說明與農(nóng)戶習(xí)慣處理相比，控釋尿素各處理和OPT 處理可增加水稻后期土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而促進(jìn)水稻生育后期氮素吸收和氮素利用率。不同比例控釋尿素處理中，水稻拔節(jié)期土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量隨基施控釋尿素比例的提高呈下降趨勢(shì)，而齊穗期和成熟期土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量則表現(xiàn)為隨基施控釋尿素比例的提高呈上升趨勢(shì)。其中CRU80%處理水稻各生育時(shí)期土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量多與OPT 處理相近。

圖8 不同處理水稻生長(zhǎng)季0—20 cm 土壤無機(jī)氮含量Fig.8 Soil inorganic N content in the 0-20 cm layer in rice growing season under different treatments

2.7 不同氮肥運(yùn)籌模式下土壤無機(jī)氮素表觀平衡

土壤-植物系統(tǒng)氮素表觀平衡結(jié)果(表3)表明，在氮素輸入項(xiàng)中，施氮量所占比例最高，占總氮素輸入的63.7%～65.9%；在氮素輸出項(xiàng)中，以作物氮素吸收為主，占總氮素輸出的50.1%～61.6%。與FP 處理相比，控釋尿素各處理和OPT 處理顯著降低了氮素表觀損失量，降幅為18.7%～33.5%。不同比例控釋尿素處理中，隨基施控釋尿素比例的提高，無機(jī)氮?dú)埩袅砍试黾于厔?shì)，作物氮素吸收呈先增后減趨勢(shì)，以CRU80%處理最高。而氮素表觀損失量表現(xiàn)為先降后升，以CRU80% 處理最低，較CRU40%、CRU60%和CRU100%處理分別降低了16.6%、8.8%和8.0%。說明適宜的基施控釋尿素比例可顯著提高水稻氮素吸收，減少氮素?fù)p失。與OPT處理相比，CRU40%、CRU60%和CRU100%處理氮素表觀損失量增幅分別為22.3%、11.8%和10.9%，差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)。而CRU80%處理差異未達(dá)顯著水平(P＞0.05)。

表3 不同施氮處理土壤無機(jī)氮素表觀平衡(2021—2022)Table 3 Soil inorganic N apparent balance under different N treatments (2021—2022)

3 討論

3.1 不同比例控釋尿素運(yùn)籌模式對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

施用控釋氮肥可提高水稻群體有效生物量，構(gòu)建高光效群體[24]，顯著增加群體穎花量，獲得較高的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)[10]，同時(shí)還能提高水稻后期物質(zhì)生產(chǎn)力，保證水稻籽粒灌漿、增加結(jié)實(shí)率和千粒重[13]，從而獲得高產(chǎn)[25]。然而控釋氮肥與普通尿素不同配施比例和施用方法對(duì)水稻產(chǎn)量效應(yīng)存在差異。如付正豪等[26]研究指出，50%控釋肥和50%普通氮肥一次性基施，可較好地滿足優(yōu)質(zhì)粳稻各個(gè)生育階段養(yǎng)分需求，進(jìn)而獲得高產(chǎn)。而胡群等[27]認(rèn)為粳雜交稻適宜氮肥運(yùn)籌為60%基蘗肥加40%穗肥施用比例，這可能是受水稻品種、控釋氮肥種類、土壤類型與地力水平及氣候特點(diǎn)等多種因素綜合影響。而土壤pH 是影響土壤氮素有效性的因素之一，土壤呈酸性(pH＜6) 會(huì)使固氮菌活動(dòng)降低，而土壤偏堿(pH＞8)則會(huì)抑制氮素硝化作用。本試驗(yàn)土壤為中性(pH 7.06)，氮素有效性不受土壤pH 脅迫。本研究中，水稻產(chǎn)量隨控釋尿素基施比例的增加呈先增后減趨勢(shì)，以CRU80%處理最高。可能是由于控釋氮肥受東北地區(qū)春季低溫影響，在水稻生育前期釋放速率過慢[28]，使CRU100%處理抑制水稻生育前期生長(zhǎng)發(fā)育，在一定程度上影響穗分化，而在水稻生育中后期氮素釋放過多，則會(huì)引起水稻貪青晚熟，導(dǎo)致水稻結(jié)實(shí)率和粒重下降[29]。但如果控釋氮肥占比過低，如本研究中的CRU40%和CRU60%處理，盡管促進(jìn)了水稻前期氮素積累，但由于水稻基蘗肥冗余，使水稻生育前期無效分蘗發(fā)生過多，導(dǎo)致成穗率和結(jié)實(shí)率降低[18]，水稻產(chǎn)量下降。而適宜的控釋氮肥基施比例可在控釋氮肥與普通尿素共同作用下，使水稻群體形成較為適宜的有效穗數(shù)，同時(shí)中后期充足的氮素供應(yīng)有助于齊穗至成熟期維持較高的光合勢(shì)[30-31]，促進(jìn)光合物質(zhì)生產(chǎn)和庫容的充實(shí)，提高了每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，進(jìn)而獲得了與OPT 處理相近的水稻產(chǎn)量。此外雖然CRU80%處理肥料成本高于OPT 處理，但由于減少了施肥次數(shù)，降低了人工成本，使凈收入與OPT 處理達(dá)到相同水平。

3.2 不同比例控釋尿素運(yùn)籌模式對(duì)水稻氮素吸收利用的影響

水稻產(chǎn)量的90% 來源于齊穗后光合產(chǎn)物積累，這意味著水稻齊穗后的光合同化物是籽粒產(chǎn)量形成的主要來源，在很大程度上決定了籽粒產(chǎn)量[32]。本研究路徑分析也發(fā)現(xiàn)，水稻齊穗后氮素積累對(duì)水稻產(chǎn)量形成的影響高于齊穗前。因此提高水稻中后期氮素積累是實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)的有效途徑[4,33]。相關(guān)研究表明，與普通尿素相比，施用控釋氮肥可增加水稻齊穗期至成熟期氮積累量[34]，這是由于控釋氮肥與普通尿素配施可使水稻整個(gè)生育期土壤供氮能力維持在較高水平，有效延緩水稻生育后期根系衰老[11]，提高水稻生育后期植株的吸氮能力，增加水稻生育后期氮素積累比例[35]。然而本研究結(jié)果表明，隨控釋氮肥基施比例的增加，水稻齊穗后氮素積累、分配比例和齊穗后氮素積累對(duì)籽粒氮貢獻(xiàn)率均呈先增后減趨勢(shì)，以CRU80%處理最高。這是由于控釋氮肥比例過低雖可增加水稻穗分化期氮素積累，但不足以彌補(bǔ)水稻中后期氮素虧缺[36]。控釋氮肥所占比重過高則會(huì)導(dǎo)致水稻生長(zhǎng)前期氮素供應(yīng)不足，抑制植株前期營養(yǎng)生長(zhǎng)的氮素吸收，同樣不利于水稻生育后期氮素的積累。而CRU80%處理在發(fā)揮普通尿素保證水稻營養(yǎng)生長(zhǎng)期充足氮素供應(yīng)的同時(shí)，利用控釋氮肥養(yǎng)分釋放特性，彌補(bǔ)水稻生育中后期氮的虧缺，提高水稻生育中后期葉片中硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶的活性，減緩群體功能綠葉面積的消亡[12,37]，使水稻生育后期維持較高的氮素吸收速率，為庫器官籽粒的同化物奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而提高了產(chǎn)量和氮素利用效率[38]。

3.3 不同比例控釋尿素運(yùn)籌模式對(duì)土壤氮素變化與氮素平衡的影響

氮流失風(fēng)險(xiǎn)增加通常與氮素供應(yīng)和作物需求不同步有關(guān)，因此提高土壤氮素供應(yīng)與作物需求的匹配程度是降低氮素?fù)p失和氮肥高效利用的有效途徑[28]。本研究計(jì)算氮肥施入土壤-植物系統(tǒng)氮素?fù)p失發(fā)現(xiàn)，控釋尿素各處理氮素表觀損失量均顯著低于FP 處理。這是因?yàn)镕P 處理氮素前期投入比例過高，但該階段由于植株個(gè)體小，氮素營養(yǎng)需求量相對(duì)較少[26]，導(dǎo)致水稻生育前期土壤無機(jī)氮含量過高，使土壤氮素在重力水的作用下滲入土壤深層，造成氮素大量損失[39]。相較于普通尿素，控釋氮肥通過延長(zhǎng)氮素供應(yīng)時(shí)間，可顯著降低土壤氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)[40]。但當(dāng)控釋氮肥基施比例不當(dāng)，同樣會(huì)增加氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)。如本研究中CRU40%和CRU60%處理由于分蘗期配施速效氮肥比例過大，同樣導(dǎo)致水稻生育前期土壤氮素供應(yīng)高于水稻氮素需求，增加氮素?fù)p失。CRU100%處理則由于水稻生育后期釋放比例過高，遠(yuǎn)超水稻該階段對(duì)氮素的需求，使土壤氮素殘留量顯著提高，同樣增加氮素向深層土壤淋失的風(fēng)險(xiǎn)。而CRU80%處理的土壤氮素供應(yīng)在時(shí)間和空間上與水稻氮素需求更加接近，滿足水稻不同生育時(shí)期對(duì)氮素的吸收，進(jìn)一步降低了水稻生育期內(nèi)氮素?fù)p失，使之達(dá)到與普通尿素優(yōu)化施用處理(OPT)相同水平?？梢?，科學(xué)的控釋氮肥基施與普通尿素配施比例可促進(jìn)水稻對(duì)氮素的吸收與利用，降低施用氮肥對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面效應(yīng)。

4 結(jié)論

在松嫩平原水稻產(chǎn)區(qū)，控釋尿素基施與普通尿素分蘗期配施可減少施肥次數(shù)，提高水稻齊穗期至成熟期無機(jī)氮含量、氮吸收量、分配比例及氮素對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率，顯著增加水稻有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)，穩(wěn)定結(jié)實(shí)率和千粒重，提高水稻產(chǎn)量、收益和氮素利用效率，顯著降低氮素表觀損失量。其中80%控釋尿素基施和20%普通尿素分蘗期配施綜合表現(xiàn)最佳，達(dá)到了普通尿素優(yōu)化施用相同效果。因此，采用80%控釋尿素基施+20%普通尿素分蘗肥運(yùn)籌模式，或者采用優(yōu)化的普通尿素施肥方案，可以顯著提升水稻產(chǎn)量、收益和氮素利用效率，降低氮素?fù)p失量。由于氮肥優(yōu)化模式施肥勞力投入多，應(yīng)優(yōu)先考慮80%控釋尿素基施配合20%普通尿素一次追施的管理模式。