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(duì)環(huán)洞庭湖區(qū)雙季稻吸氮特征和產(chǎn)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(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/ 土壤肥料資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 湖南長(zhǎng)沙 410128;2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站, 北京 100125;3湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所, 湖南長(zhǎng)沙 410125;4湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410128;5湖南省長(zhǎng)沙縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局, 湖南長(zhǎng)沙 410100

緩控釋肥料應(yīng)用于我國(guó)水稻生產(chǎn)中, 對(duì)化肥使用量零增長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。本研究以連續(xù)在湖南進(jìn)行6年(2013—2018年)的雙季稻控釋尿素施用試驗(yàn)為研究平臺(tái), 分析控釋尿素施用下環(huán)洞庭湖區(qū)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(guān)系, 探究控釋尿素減施對(duì)水稻持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的原因。結(jié)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(duì)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)效果優(yōu)于早稻, 且顯著提高早晚稻氮肥吸收利用率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力。CRU處理早晚稻產(chǎn)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(shù)均呈極顯著正相關(guān), 且晚稻產(chǎn)量與穗長(zhǎng)呈顯著正相關(guān); 早晚稻幼穗分化始期氮素累積量與氮肥農(nóng)學(xué)利用率、生理利用率呈顯著負(fù)相關(guān), 氮肥偏生產(chǎn)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(fù)相關(guān), 與晚稻抽穗期氮素累積量呈顯著負(fù)相關(guān)。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(zhǎng)及籽粒結(jié)實(shí), 顯著提高雙季稻產(chǎn)量及氮肥利用效率。結(jié)合雙季稻吸氮特征和籽粒產(chǎn)量, 建議環(huán)洞庭湖區(qū)早稻采用釋放期較短的控釋尿素或配合速效氮肥施用, 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。

控釋尿素; 雙季稻; 吸氮特征; 產(chǎn)量

氮素是水稻生長(zhǎng)必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素之一, 對(duì)作物高產(chǎn)起著重要作用, 持續(xù)、大量增加氮肥投入是提高水稻產(chǎn)量的一項(xiàng)重要措施[1], 但我國(guó)水稻氮肥吸收利用率較低, 僅30%~35%, 較發(fā)達(dá)國(guó)家低10~15個(gè)百分點(diǎn)[2], 損失率高達(dá)30%~70%[3], 引起一系列環(huán)境生態(tài)問(wèn)題。因此, 穩(wěn)定水稻產(chǎn)量的同時(shí)提高肥料利用效率、減少化肥投入備受關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水稻化肥減施增效方面做了大量研究, 主要通過(guò)優(yōu)化施肥方法、改變氮肥類(lèi)型、確定最適施肥時(shí)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(xué)等手段對(duì)肥料進(jìn)行包膜, 肥心養(yǎng)分通過(guò)擴(kuò)散機(jī)制等緩慢釋放, 并與作物吸收同步。影響包膜肥料養(yǎng)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(dòng)等。張海軍等[5]認(rèn)為, 溫度對(duì)包膜肥料的養(yǎng)分釋放速率影響顯著, 一定范圍內(nèi)隨溫度升高養(yǎng)分釋放速率加快。李敏等[6]認(rèn)為樹(shù)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(zhǎng)。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(zhuǎn)化關(guān)鍵酶活性, 增強(qiáng)稻株后期氮素吸收, 提高氮素累積, 協(xié)調(diào)氮素分配; 又能減少氮素?fù)p失, 提高氮肥利用率和水稻產(chǎn)量[7-11]。具體表現(xiàn)為: 控釋肥料能有效降低氮素NH3揮發(fā)損失和N2O排放[12], 較常規(guī)施肥減少稻田NH3揮發(fā)損失量50.3%~ 70.1%[8], 水稻生長(zhǎng)期N2O排放量15.7%~28.6%[9]。且控釋尿素養(yǎng)分釋放、稻田土壤養(yǎng)分供應(yīng)與水稻氮素吸收呈顯著正相關(guān)[13], 有利于提高土壤礦質(zhì)氮含量[14], 穩(wěn)定后期稻株根系活力, 確保莖葉儲(chǔ)藏物質(zhì)的再轉(zhuǎn)移和抽穗后光合產(chǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)暢通, 從而提高氮肥偏生產(chǎn)力(6%~23%)、氮素農(nóng)學(xué)利用率(26%~71%)和籽粒產(chǎn)量(8%~19%)[16]。但有關(guān)控釋尿素對(duì)環(huán)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(dòng)態(tài)變化研究還不夠深入。本文在前期研究基礎(chǔ)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(chǎn)量和氮素利用的關(guān)系, 探究控釋尿素的早晚稻持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)原因。以期為優(yōu)化環(huán)洞庭湖區(qū)雙季稻田控釋尿素施用方法提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試地點(diǎn)

雙季稻田施用控釋尿素長(zhǎng)期定位試驗(yàn)于2013年開(kāi)始, 在湖南省長(zhǎng)沙市瀏陽(yáng)原種場(chǎng)沿溪鎮(zhèn)花園村(28°19'N, 113°49'E)進(jìn)行, 2018年為該試驗(yàn)持續(xù)的第6年。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候, 年均氣溫17.3℃, 日照時(shí)數(shù)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(yōu)華占。供試肥料為普通尿素(46% N, 湖南省宜化化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)); 樹(shù)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(tài)工程股份有限公司生產(chǎn)); 鈣鎂磷肥(12% P2O5, 湖北祥云化工股份有限公司生產(chǎn)); 氯化鉀(60% K2O, 俄羅斯生產(chǎn))。供試土壤為河流沖積物發(fā)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(jī)質(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì)

大田小區(qū)試驗(yàn)的小區(qū)面積為20 m2(4 m × 5 m), 小區(qū)間水泥田埂隔開(kāi)。設(shè)5個(gè)處理: 農(nóng)民習(xí)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(fù)3次, 隨機(jī)區(qū)組排列, 連續(xù)6年早晚稻輪作均在其對(duì)應(yīng)小區(qū)進(jìn)行。早、晚稻各小區(qū)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(jì))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(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)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(gè)生育期按常規(guī)田間管理方式進(jìn)行。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與分析方法

取樣時(shí)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(shí)齊地割取植株于105℃下殺青30 min, 60℃恒溫烘干稱量, 磨細(xì)過(guò)0.5 mm篩后, 用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量。收獲時(shí)各小區(qū)單打單曬并稱重。每小區(qū)采水稻地上部5穴進(jìn)行室內(nèi)考種, 分別測(cè)定株高、穗長(zhǎng)、有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重。

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

氮肥農(nóng)學(xué)利用率 = (施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量)/施氮量;

氮肥生理利用率 = (施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)地上部植株吸氮量-空白區(qū)地上部植株吸氮量);

氮肥偏生產(chǎn)力 = 施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量;

氮收獲指數(shù) = 籽粒氮吸收量/(籽粒氮吸收量+秸稈氮吸收量);

本問(wèn)卷選取合肥三所理工類(lèi)院校共283名大一和大二學(xué)生為調(diào)查對(duì)象。為了使調(diào)查結(jié)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(gè)層次；調(diào)查的學(xué)生分布于理學(xué)、工學(xué)和農(nóng)學(xué)等10個(gè)專業(yè)，為典型的理工專業(yè)學(xué)生；選取的學(xué)生為確定具體專業(yè)后隨機(jī)抽取的大一新生和大二學(xué)生，因?yàn)樗麄兪窃撜n程改革的主要涉及對(duì)象。共發(fā)放問(wèn)卷300份，回收有效答卷283份，按學(xué)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(gè)不同層次的學(xué)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(shí)間。

1.5 數(shù)據(jù)方法

數(shù)據(jù)處理及作圖使用Microsoft Excel 2007。數(shù)據(jù)分析使用DPS7.05統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA), 多重比較采用Duncan’s新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙季稻地上部分氮素累積動(dòng)態(tài)

從圖1可以看出, 早稻地上部氮素累積規(guī)律表現(xiàn)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(shì), 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(guī)律表現(xiàn)為CK處理顯著低于施氮處理, 1.0 CRU處理整個(gè)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(guī)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(duì)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(duì)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(guī)律與早稻類(lèi)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(duì)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(gè)高峰, 占27.10%, CRU處理僅14.20%~20.80%; CRU處理第2個(gè)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(guī)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(xiàn)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(xiàn)第一個(gè)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(xiàn)第2個(gè)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(chǎn)量和氮素利用效率

由表1可知, 2016—2018年施氮處理早晚稻產(chǎn)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(chǎn)量最高, 達(dá)5804.8 kg hm–2和6762.0 kg hm–2; 相對(duì)于U處理, 1.0 CRU、0.9 CRU和0.8 CRU處理3年平均增產(chǎn)率分別為8.11%、14.34%、10.46% (早稻)和6.19%、12.16%、12.71% (晚稻), 說(shuō)明0.8 CRU處理晚稻的增產(chǎn)效果優(yōu)于早稻。收獲期產(chǎn)量構(gòu)成因素中, 施氮處理有效穗數(shù)顯著高于CK, 株高、穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率處理間差異不顯著; 早晚稻產(chǎn)量與每穗粒數(shù)極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.8882**和0.8336**), 且晚稻產(chǎn)量與穗長(zhǎng)呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.5768*)。早晚稻穗長(zhǎng)與每穗粒數(shù)呈顯著和極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.5764*和0.7138**), 早稻穗長(zhǎng)與千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.8990**)。

由表2可知, 早晚稻施氮處理氮收獲指數(shù)普遍低于CK, CRU處理早晚稻氮收獲指數(shù)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(shù)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(nóng)學(xué)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(guī)律, 處理間差異不顯著。早晚稻氮肥偏生產(chǎn)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(chǎn)量及其構(gòu)成因素(2016–2018年平均值)

處理和縮寫(xiě)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(chǎn)量及其構(gòu)成因素、氮肥利用效率的相互關(guān)系

水稻的氮素利用效率與氮素吸收和累積等密切相關(guān)。其中, 早稻控釋尿素處理產(chǎn)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(guān)(相關(guān)系數(shù)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(guān)(相關(guān)系數(shù)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(shù)、氮肥偏生產(chǎn)力呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)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(nóng)學(xué)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(guān)(相關(guān)系數(shù)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(shù)、農(nóng)學(xué)利用率、生理利用率和偏生產(chǎn)力呈極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)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(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.6648*), 氮肥偏生產(chǎn)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(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為–0.7780**、–0.7084**和–0.6212*)。有效穗數(shù)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(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.7931**和0.6099*), 每穗粒數(shù)與始分蘗期至幼穗分化始期氮素階段吸收速率呈顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為–0.5981*); 有效穗數(shù)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(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.7942**、0.8364**、0.8212**), 與抽穗期氮素累積量呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.6965*), 每穗粒數(shù)與幼穗分化始期氮素累積量呈顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)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(chǎn)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(guān)(相關(guān)系數(shù)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(guān)(相關(guān)系數(shù)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(nóng)學(xué)利用率、生理利用率呈極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為–0.7181**和-0.7517**), 幼穗分化始期氮素累積量與氮肥農(nóng)學(xué)利用率、生理利用率呈顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為–0.6636*和–0.6818*)。穗長(zhǎng)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(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.7806**和0.7562**), 有效穗數(shù)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(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.7596**、0.6350*、0.6887*和0.6386*); 穗長(zhǎng)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(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.7762**和0.6435*), 有效穗數(shù)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(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.6350*、0.7052*、0.6311*、0.8012**和0.8201**)。

3 討論

3.1 控釋尿素對(duì)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(chǎn)量必須提高抽穗前的氮素累積量、抽穗后的干物質(zhì)累積和氮素運(yùn)轉(zhuǎn)量[17]。本研究認(rèn)為, 早稻U處理氮素階段吸收速率峰值出現(xiàn)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(gè)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(fā)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?yàn)榫徔蒯尩誓芴岣呋ê蟾祷盍俺伤肼? 使植株中氮素轉(zhuǎn)運(yùn)暢通[16]; 還能促進(jìn)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(jìn)孕穗體內(nèi)氮素吸收與同化, 提高吸氮量, 增強(qiáng)生育后期葉片蛋白水解酶活性, 促進(jìn)葉片中蛋白質(zhì)降解, 利于葉片氮素向籽粒轉(zhuǎn)移[7], 提高水稻產(chǎn)量。本研究還認(rèn)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(duì)較少, 減量施用對(duì)稻田氮素的激發(fā)效應(yīng)更強(qiáng)[18], 補(bǔ)充后期土壤氮素供應(yīng)、利于氮素累積; 同時(shí), 晚稻0.8 CRU處理氮收獲指數(shù)達(dá)65.00%, 高于早稻的60.08%, 說(shuō)明晚稻0.8 CRU處理后期地上部累積氮素更有利于轉(zhuǎn)移至籽粒。

水稻氮素吸收與控釋尿素氮素釋放及土壤養(yǎng)分供應(yīng)具有顯著正相關(guān)性[13], 但控釋肥料的養(yǎng)分釋放受土壤溫度影響較大[19]。本研究認(rèn)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(shí)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?yàn)樵绲旧捌?4月下旬月至5月), 我國(guó)南方氣溫相對(duì)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(qiáng), 水稻氮素吸收速率加快。而晚稻生長(zhǎng)前期(7月下旬至8月)是南方地區(qū)全年的高溫期(平均溫度達(dá)29.0℃)[20], 較高溫度促進(jìn)控釋尿素的氮素釋放, 水稻吸收累積氮素更多[19]。同時(shí), 控釋尿素能通過(guò)降低田面水銨態(tài)氮濃度和pH, 顯著減少施肥后10 d內(nèi)稻田氮素氨揮發(fā)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(qū)域雙季稻田施用控釋氮肥時(shí), 應(yīng)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(zhǎng)前期氮素供應(yīng)和水稻氮素吸收速率。

3.2 控釋尿素對(duì)雙季稻氮肥利用率的影響

張福鎖等[21]總結(jié)了全國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)1333個(gè)田間試驗(yàn)結(jié)果, 分析了2001—2005年我國(guó)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(yuǎn)低于國(guó)際水平(30%~50%)。魯艷紅等[22]發(fā)現(xiàn), 湖南雙季稻常規(guī)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(rèn)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(jié)果?？赡苡袃煞矫嬖? 一是土壤質(zhì)地, 本試驗(yàn)供試土壤為河流沖積物發(fā)育的潮沙泥田水稻土, 質(zhì)地較砂, 通透性好, 較粘壤土更易發(fā)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(nóng)民習(xí)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(yōu)化施肥方式, 如“一基二追”或“一基三追”等, 增加施肥次數(shù)可減少氮素?fù)p失, 增強(qiáng)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(duì)氮素的保持, 滿足作物后期對(duì)養(yǎng)分的需求, 提高氮肥利用效率, 保證作物產(chǎn)量。研究表明, Ji等[24]利用15N同位素法研究發(fā)現(xiàn), 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(jié)果相符?？蒯尩誓軌騾f(xié)調(diào)養(yǎng)分釋放速率, 在水稻生育中后期穩(wěn)定釋放氮素, 促進(jìn)作物地上部及根系的生長(zhǎng), 且肥效持續(xù)時(shí)間長(zhǎng), 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(chǎn)量和氮肥利用率[23]。本研究還認(rèn)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?yàn)檫m量降低氮肥用量能增強(qiáng)水稻對(duì)氮素的吸收, 保持水稻高產(chǎn)且提高氮肥利用效率。俞巧鋼等[25]也認(rèn)為隨著施氮量增加, 水稻氮肥利用效率呈下降趨勢(shì)。

3.3 控釋尿素提高早、晚稻產(chǎn)量效應(yīng)及其差異

施用控釋氮肥, 且適當(dāng)減少用量, 能提高雙季稻產(chǎn)量、增加氮素利用效率、維持或提高土壤氮素肥力和可持續(xù)生產(chǎn)力[26]。本研究認(rèn)為, CRU處理能顯著增產(chǎn), 且適量減施能獲得更高產(chǎn)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(chǎn)量達(dá)到最高值。Geng等[27]7年稻–油輪作試驗(yàn)中, 控釋尿素減施30%較常規(guī)施肥水稻季連續(xù)7年增產(chǎn), 油菜季第4年開(kāi)始增產(chǎn), 其原因主要是連續(xù)施用控釋尿素能提升耕層土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量, 提高土壤供肥能力。且樹(shù)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(yíng)養(yǎng), 明顯提高每穗粒數(shù)等, 利于籽粒產(chǎn)量建成, 為水稻高產(chǎn)提供重要保障[6,28]。同時(shí), 控釋尿素處理早稻產(chǎn)量與幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期、臘熟期呈極顯著正相關(guān), 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(guān); 晚稻產(chǎn)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(guān)。鄧飛等[15]研究結(jié)果也認(rèn)為, 水稻產(chǎn)量與播種至幼穗分化始期、拔節(jié)期至孕穗期、成熟期干物質(zhì)累積總量都呈顯著正相關(guān)。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(chǎn)量。

本研究還認(rèn)為, 0.8 CRU處理晚稻的增產(chǎn)效果優(yōu)于早稻?？赡苡袃煞矫娴脑? 一是晚稻產(chǎn)量與穗長(zhǎng)呈顯著正相關(guān), 穗長(zhǎng)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(guān), 與幼穗分化始期和臘熟期氮累積量極顯著或顯著正相關(guān); 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(qiáng), 土壤氮素供應(yīng)能力增強(qiáng), 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(zhǎng)提供充足的養(yǎng)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(chǎn)力呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān), 但抽穗期至乳熟期氮素階段吸收速率與氮肥偏生產(chǎn)力呈顯著正相關(guān); 控釋尿素提高水稻生長(zhǎng)中期氮素吸收速率和中后期氮素累積, 影響氮肥偏生產(chǎn)力, 植株氮素向穗部運(yùn)轉(zhuǎn)氮素減少, 不利于產(chǎn)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(zhuǎn)移, 導(dǎo)致幼穗分化始期至抽穗期氮素吸收速率與氮收獲指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。因此, 控釋尿素對(duì)晚稻的增產(chǎn)效果更優(yōu)。

4 結(jié)論

施用控釋尿素使環(huán)洞庭湖區(qū)雙季稻氮素階段吸收速率峰值和氮素累積時(shí)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(qiáng)后期地上部累積氮素向籽粒轉(zhuǎn)移, 提高氮收獲指數(shù)。施用控釋尿素能顯著提高雙季稻產(chǎn)量, 顯著提高早晚稻氮肥吸收利用率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力。早、晚稻分別以0.9 CRU和0.8 CRU產(chǎn)量最佳, 且控釋尿素減施的增產(chǎn)效果晚稻優(yōu)于早稻。綜合水稻吸氮特征和雙季稻產(chǎn)量, 建議環(huán)洞庭湖雙季稻區(qū)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(zhǎng)前期氮素供應(yīng)和吸收, 充分挖掘控釋尿素增產(chǎn)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0200703), 國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目(U19A2050), 湖南省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(2019JJ50233, 2019JJ50337)和湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)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