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Effect of N fertilization method on rice yield and N, P and K uptake and use efficiency

花匠小妙招
2024-09-19 06:00

摘要：[目的]针对水稻氮肥施用量大、利用率低的现状，探索氮肥高效的一次根区施氮模式，比较改变施氮方式后水稻对氮、磷、钾养分吸收利用的差异，为水稻高效施肥提供理论指导。[方法]在环太湖单季中稻区（安徽省宣城市广德县邱村镇和江苏省泰州市姜堰区梁徐镇）开展大田试验，比较常规习惯施氮（FFP，40%作基肥，30%作分蘖肥，30%作穗肥）与根区一次施氮的3种施氮方式（BF，侧5 cm深5 cm条施；HF5，侧5 cm深5 cm穴施；HF10，侧5 cm深10 cm穴施）4个处理对水稻产量及氮、磷、钾肥吸收利用的差异。[结果]根区一次施氮相对FFP不减产，且HF10的产量比FFP分别显著增产24.5%（广德）和44.8%（姜堰）。HF10显著提高水稻茎、鞘、叶以及籽粒的氮含量和氮积累量，两地HF10的水稻总氮积累分别达164.1 kg·hm-2（广德）和196.4 kg·hm-2（姜堰），相对FFP分别增加了53.6%和114.3%。根区施氮对于水稻各器官磷含量和磷积累量也有显著提高，两地最高磷积累的HF10相对FFP平均增加45.1%。根区施氮对水稻钾含量的影响相对较小，钾的积累量的变化趋势与干物质相同。HF10的氮肥表观利用率平均由FFP的17.9%提高到54.0%，农学利用率也有显著的提高。[结论]根区一次施氮是一种节肥高效的施肥方式，两地综合结果均以水稻侧5 cm、深10 cm一次穴施氮肥效果最好，根区施氮显著提高了水稻磷、钾的吸收量，磷、钾肥施用量有待进一步调整，此施肥模式值得进一步研发施肥机械和推广应用。

LIU Xiaowei1,2 ,WANG Huoyan1 ,ZHU Dejin3,ZHOU Jianmin1,2,CHEN Zhaoming1,2,LIU Yongzhe4,HU Fengqin1,MIAO Chen3

Abstract:[Objectives]The phenomenon of large amount of N fertilizer input and low N use efficiency in rice had become a common scene, and studying and researching an optimal one-time N root-zone fertilization method and comparing the effect of one-time N root-zone fertilization on N, P and K uptake and utilization of rice are important for increasing rice yield and fertilization use efficiency, and providing a theoretical guidance for rice fertilization.[Methods]This study was carried out at the middle-season rice area of around Taihu Lake (Qiucun Town, Guangde County, Xuancheng City, Anhui Province and Liangxu Town, Jiangyan Country, Taizhou City, Jiangsu Province. GD and JY for short), and compared the effects of four different N fertilization methods, which include farmer fertilization practice (FFP, 40% as basal fertilizer, 30% as tillering fertilizer and 30% as earing fertilizer), band fertilization at 5 cm lateral and 5 cm depth (BF), hole fertilization at 5 cm lateral and 5 cm depth (HF5) and hole fertilization at 5 cm lateral and 10 cm depth (HF10), on rice yield and N, P, K uptake and utilization.[Results]Result showed that there was no yield reduction for one-time N root-zone fertilization, also significant yield increase was observed at HF10 compared with FFP, and the yield increments were 44.8% and 24.5% at GD and JY, respectively. HF10 significantly increased N content and N accumulation of stem, sheath and blade of rice as well. The highest total N accumulations for HF10 were 164.1 kg·hm-2(GD) and 196.4 kg·hm-2(JY), and there were 53.6% and 114.3% increment compared with corresponding FFP, respectively. Significantly enhanced N, P, K content and accumulation was observed for N root-zone fertilization. The highest P accumulation was HF10 for both sites and it showed 45.1% averaged increment compared with FFP. Rice K content showed a little variation between different N fertilization patterns and the trend of K accumulation was similar as the change of rice dry matter. N apparent recovery efficiency showed a significant increment which was enhanced from mean value 17.9% of FFP to 54.0%(HF10). Agronomic efficiency of HF10 was markedly higher than FFP.[Conclusions]We can conclude that one-time root-zone fertilization is a fertilizer-saved and high-efficient fertilization pattern, and the pattern of hole fertilization at 5 cm lateral and 10 cm depth was an optimal one-time N root-zone fertilization for both sites. P and K fertilizer strategies should be adjusted in consideration of dry matter changed due to changing N fertilization method. Moreover, it is worth paying attention to developing root-zone fertilizer machinery and popularizing it.

水稻是我国主要的粮食作物, 其种植面积较大, 生产意义重大, 施用氮肥是保障水稻增产稳产的前提[1]。近年因稻田氮肥过量施用而导致的水体以及大气污染等环境问题引起人们的重视, 针对提高水稻产量和氮肥利用率的研究成为热点。我国水稻氮肥利用率低, 平均为20%~30%, 调整稻田的氮肥管理措施, 如尿素前氮后移分次施用、尿素与缓控释肥配施[2]、有机无机配合施用[3]、施用脲酶以及硝化抑制剂[4]等, 可有效降低氮肥的损失, 不同程度提高水稻氮肥利用效率。氮肥释放的养分因受到土壤胶体阴离子吸附的影响, 其迁移速率和迁移距离远远小于在水中的扩散。张朝等[5]的盆栽试验的结果表明, 即使是3倍于常规施氮水平, 氮肥表面撒施后的迁移转化也仅发生在0~5 cm的土层内。故常规表面施用氮肥, 一方面肥料养分难于向下迁移, 不利于水稻吸收利用; 另一方面大量的养分溶于稻田水中容易损失。所以改变氮肥施用方式, 将氮肥集中施入水稻根系下方合适的位置 (根区施肥), 是解决氮损失大、提高水稻氮肥利用率的一个有效途径[6]。根区施肥措施因将肥料施在作物近根区, 肥料养分的释放与作物的吸收和利用相匹配, 达到养分协同高效的目的。然而氮肥集中施入根系周围, 势必提高局部土壤的养分浓度, 针对生长前期弱小的水稻植株, 存在养分高浓度毒害的风险[7-8]。水稻根系对氮肥用量的敏感响应, 会影响水稻的产量[9]。因此研究和筛选水稻适宜的根区施氮方式 (施肥距离和位点) 显得尤为重要。因作物根系具有趋肥性, 所以施氮方式的改变显著影响作物的根构型[10]。水稻生长所需的氮、磷、钾营养元素主要依靠根系的吸收, 而且不同器官的养分吸收规律不同[11], 根区施氮后对于水稻磷、钾营养元素吸收的影响还鲜有报道。因此, 探索改变施氮方式后水稻的养分吸收利用情况有助于施肥策略的调整。故本文以水稻氮肥的根区施肥模式为出发点, 以环太湖流域典型耕作区的单季中稻为研究对象, 研究水稻不同氮肥施用方式对氮、磷、钾营养元素的吸收利用影响, 揭示水稻根区施氮后大量元素的吸收分配特征, 为水稻一次根区施肥提供理论支持。

1 材料与方法1.1 试验设计

试验于2015年在安徽省宣城市广德县邱村镇和江苏省泰州市姜堰区梁徐镇两地同时开展, 试验地土壤理化性质见表 1。共设5种氮肥施用方式, 分别为:CK, 不施氮肥对照; FFP, 农民习惯施氮; BF, 水稻侧方5 cm、深5 cm条施氮肥; HF5, 水稻侧方5 cm、深5 cm穴施氮肥, HF10, 水稻侧方5 cm、深10 cm穴施氮肥。

表 1 试验地土壤基础理化性质Table 1Physical and chemical properties of the experimental sites

地点
Site pH 总氮/
(g·kg-1) Total N 总磷/
(g·kg-1) Total P 总钾/
(g·kg-1) Total K 有机质/
(g·kg-1) Organic matter 速效钾/
(mg·kg-1) Available-K 土壤颗粒组成/% Soil particle composition土壤质地
Soiltexture 2~0.05 mm 0.05~0.002 mm < 0.002 mm 广德
Guangde 6.5 0.22 0.05 16.3 6.5 33.5 22.72 64.16 13.12 壤土堰姜
Jiangyan 7.6 1.15 0.90 20.2 11.8 192.9 44.72 46.44 8.84 黏土

习惯施肥是将氮肥按照基肥、分蘖肥、穗肥分别为40%、30%、30%的比例施用, 基肥在插秧前一天撒于土壤表面, 用旋耕机打匀。后期追肥则只均匀撒于田面。条施氮肥处理则先插秧, 同时保证田面无流动水的前提下先插秧, 在水稻行的一侧5 cm处用铁铲开一条深5 cm的沟, 快速撒入事先称好的氮肥, 并用泥浆掩盖肥料, 将沟抚平。侧方穴施处理的操作过程亦同条施肥处理, 即在无流动水的小区插好秧苗后, 以水稻为交叉点, 用内经2 cm的空心钢管在水稻行右侧垂直方向的5 cm处压入5 cm (HF5) 或10 cm (HF10) 孔洞, 将氮肥沿钢管内壁倒入底部, 迅速取出钢管并用泥浆将洞填实 (钢管内有类似注射器的推头, 以防止泥浆灌入管子影响肥料施用), 保证施肥位置在水稻行的同一侧, 并且2个施肥点间的距离等同于水稻间距 (18 cm)。除CK不施氮肥外, 所有处理的N、P2O5、K2O用量均为225、90和120 kg·hm-2。肥源分别为尿素 (含N 46%)、过磷酸钙 (含P2O5 12%)、氯化钾 (含K2O 60%)。FFP处理氮肥分次施用, BF、HF5、HF10处理的氮肥均一次施用。所有处理磷、钾肥均作为基肥插秧前一次施用。水稻密度22.2万株·hm-2(间距18 cm, 行距25 cm) 小区面积8 m2(2 m×4 m), 每处理4次重复, 微区框随机排列。

两地水稻品种均选用‘武运粳12号’。施肥后一直保持5 cm的水层, 直至收获前15 d排水晒田。除草、除虫等田间管理措施与农民习惯相同。2015年5月20日育苗, 6月20日移栽, 7月20日追施分蘖肥, 8月2日追穗肥, 10月10日收获。

1.2 指标测定

小区全部单打单收, 当场测定籽粒和秸秆鲜质量。随即取部分样品带回实验室经105 ℃杀青30 min, 再经70 ℃烘干至恒质量。计算含水量, 折算小区籽粒和秸秆干物质量。烘干的秸秆分为茎秆、叶鞘和叶片3部位, 磨碎后过100目筛, 用硫酸-双氧水法消煮。氮含量采用靛酚蓝比色法经法国SmartChem 200全自动化学分析仪测定。采用等离子发射光谱法测定磷、钾含量。

1.3 数据处理

干物质量与养分含量的乘积为养分积累量。数据在Excel 2007中计算和制图, 采用SAS 9.1数据分析软件进行单因素方差分析, 采用Duncan′s新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析2.1 施氮方式对水稻生物量的影响

两地试验数据表明:氮肥施用方式对水稻产量和秸秆生物量有显著的影响 (图 1)。不施氮的CK产量最低, 广德和姜堰两地的FFP相对CK分别增产38.4%和48.2%, 氮肥增产效果显著。等量氮肥改条施后 (BF), 其产量相对FFP略有增加, 并无统计差异。当改习惯施肥为穴施时, HF5相对FFP显著增产, 尤其以姜堰地区增产显著, 增幅高达23.7%。广德和姜堰两地HF10的水稻产量最高, 分别为8 746和12 246 kg·hm-2, 比FFP分别增产24.5%和44.8%, 差异显著。两地水稻产量从大到小的处理为HF10、HF5、BF、FFP、CK。两地水稻秸秆的干物质积累与产量变化趋势一致 (图 1), 均为HF10最高, 相对FFP平均增加34.5%。其次是HF5, BF与FFP相差不明显。两地氮肥深施处理水稻茎秆和叶片的干物质积累增量最显著。

图 1 氮肥施用方式对水稻生物量的影响Figure 1 Effect of N fertilization method on the rice biomassCK为不施氮肥对照, FFP为农民习惯施肥 (基肥、分蘖肥、穗肥分别为40%、30%、30%), BF为侧5 cm深5 cm条施肥, HF5为侧方5 cm深5 cm穴施肥, HF10为侧方5 cm深10 cm穴施肥。小写字母表示在0.05水平差异显著。CK means control, FFP means farmer fertilizer practice (the proportion of basal fertilizer, tillering fertilizer and jointing fertilizer were 40%, 30% and 30% respectively), BF means band fertilization at 5 cm lateral and 5 cm depth, HF5 means hole fertilization at 5 cm lateral and 5 cm depth, and HF10 means hole fertilization at 5 cm lateral and 10 cm depth. Lowercase means significant difference at 0.05 level. The same below.

2.2 施氮方式对水稻氮吸收与分配的影响

两地试验结果表明:施氮方式对水稻各器官氮含量有显著的影响 (表 2)。BF、HF5和HF10均显著提高了茎秆、叶鞘、叶片以及籽粒的氮含量。广德县水稻茎秆和叶鞘氮含量最高的为HF5, 相对FFP分别增加了1.6和1.2 g·kg-1。叶片和籽粒氮含量以HF10最高, 其相对FFP分别增加了2.8和1.8 g·kg-1。姜堰地区水稻各部位的氮含量均以HF10最高, 茎秆、叶鞘、叶片和籽粒相对FFP分别显著增加1.7、2.9、5.0和2.0 g·kg-1, 增幅27%~107%。两地氮积累量表现同样的变化趋势, 不同器官氮积累量从大到小的处理依次为HF10、HF5、BF、FFP、CK。广德和姜堰的HF10水稻总氮积累分别为164.1和196.4 kg·hm-2, 相对FFP分别增加53.6%和114.3%。从氮分配数据看, 氮养分主要分配在水稻的籽粒中, 改变施肥方式对氮素分配有一定的影响, 两地结果均表明氮肥深施后籽粒中氮的分配比例下降。两地籽粒氮分配比例最高的均为CK, 均在70%以上; 广德籽粒氮分配比例最小的为HF5, 仅为60.3%;姜堰最小的为HF10, 为57.9%。

表 2 氮肥施用方式对水稻氮含量、积累量和分配的影响Table 2Effect of N fertilization method on the N content, accumulation and allocation of rice

地点
Site 处理
Treatment 氮含量/(g·kg-1) N content氮积累量/(kg·hm-2) N accumulation氮分配/% N ratio 茎秆
Stem 叶鞘
Sheath 叶片
Blade 籽粒
Grain 茎秆
Stem 叶鞘
Sheath 叶片
Blade 籽粒
Grain 总量
Total 茎秆
Stem 叶鞘
Sheath 叶片
Blade 籽粒
Grain 广德 CK 2.8e 2.6d 4.7e 7.6d 5.3d 4.4d 6.3d 39.0d 55.1e 9.7cd 8.1c 11.5b 70.7a Guangde FFP 3.6d 4.4c 9.7c 9.6c 9.9c 11.8c 17.7b 67.3c 106.8d 9.3d 11.1b 16.6a 63.1a BF 4.1c 6.0b 8.9d 10.5b 12.5b 16.1b 13.0c 76.3b 117.8c 10.6bc 13.6a 11.0b 64.7a HF5 5.2a 6.7a 11.7b 10.6b 16.4a 17.6ab 19.6b 81.6b 135.3b 12.1a 13.0a 14.5a 60.3c HF10 4.8b 6.0b 12.5a 11.4a 17.9a 18.9a 27.2a 100.1a 164.1a 10.9b 11.5b 16.6a 61.0b 姜堰 CK 2.3d 2.4e 3.5e 7.9b 4.8e 5.6e 5.8e 46.5d 62.7e 7.7c 8.9b 9.3c 74.1a Jiangyan FFP 2.9c 2.8d 4.6d 7.3c 7.8d 8.2d 13.8d 61.8c 91.6d 8.5bc 8.9b 15.1b 67.4b BF 4.0b 4.7b 8.6b 8.9a 11.1c 15.0b 25.1b 77.8b 129.0c 8.6bc 11.7a 19.5a 60.2d HF5 3.9b 3.6c 5.6c 7.8b 13.1b 12.5c 19.3c 81.3b 126.2b 10.4a 9.9b 15.3b 64.4c HF10 4.6a 5.7a 9.6a 9.3a 18.4a 23.6a 40.6a 113.8a 196.4a 9.4ab 12.0a 20.7a 57.9d

2.3 施氮方式对水稻磷吸收与分配的影响

施氮方式对水稻磷吸收亦产生明显的影响 (表 3)。从各器官的磷含量上看, 除籽粒磷含量变异不大外, HF5和HF10相对FFP显著提高了水稻磷含量。广德县HF10的水稻茎秆、叶鞘以及叶片磷含量相对FFP分别提高20.7%、22.6%和24.5%。姜堰地区HF10的水稻茎秆、叶鞘以及叶片磷含量相对FFP分别提高19.9%、10.5%和26.1%, 均达到显著的差异水平。与水稻氮素吸收规律一致, 各部位不同处理间磷积累量从大到小依次为HF10、HF5、BF、FFP、CK。广德和姜堰两地HF10总磷积累量分别达到81.8和91.7 kg·hm-2, 相对FFP分别增加41.0%和49.2%。从两地水稻磷分配比例看, 氮肥深施有增加磷素在茎秆中的分配比例、降低在籽粒中的分配比例的趋势。

表 3 氮肥施用方式对水稻磷含量、积累量和分配的影响Table 3Effect of N fertilization method on the P content, accumulation and allocation of rice

地点
Site 处理
Treatment 磷含量/(g·kg-1) P content磷积累量/(kg·hm-2) P accumulation磷分配/% P ratio 茎秆
Stem 叶鞘
Sheath 叶片
Blade 籽粒
Grain 茎秆
Stem 叶鞘
Sheath 叶片
Blade 籽粒
Grain 总量
Total 茎秆
Stem 叶鞘
Sheath 叶片
Blade 籽粒
Grain 广德 CK 3.6c 3.5b 3.8b 4.6a 6.7d 6.0d 5.1d 23.6c 41.3c 16.2c 14.4a 12.4a 57.0a Guangde FFP 3.6c 3.4b 3.8b 4.5a 9.9c 9.0c 6.9bc 32.2b 58.1b 17.1c 15.5a 12.0ab 55.4ab BF 3.8c 3.6b 4.1b 4.8a 11.2c 9.7bc 6.0cd 34.9b 61.8b 18.2b 15.7a 9.7b 56.4a HF5 4.1b 4.2a 4.6a 4.6a 13.0b 11.0b 7.7b 35.6b 67.3b 19.2ab 16.3a 11.5ab 53.0bc HF10 4.4a 4.1a 4.7a 4.8a 16.1a 13.0a 10.3a 42.6a 81.8a 19.6a 15.8a 12.6a 51.9c 姜堰 CK 2.2c 3.1c 2.7c 4.1b 4.5e 7.1d 4.5d 24.2d 40.4e 11.1c 17.7a 11.3c 59.9a Jiangyan FFP 2.9b 3.4b 2.9bc 4.2b 7.8d 9.8c 8.7c 35.1c 61.5d 12.6b 16.1a 14.2b 57.1a BF 3.2b 3.5ab 2.9bc 4.8a 8.8c 11.1bc 8.5c 41.9b 70.5c 12.6b 15.9a 12.1c 59.4a HF5 3.5a 3.6ab 3.1b 4.0bc 11.5b 12.4b 10.8b 41.5b 76.3b 15.1a 16.3a 14.2b 54.5b HF10 3.5a 3.8a 3.7a 3.8c 14.0a 15.7a 15.6a 46.3a 91.7a 15.3a 17.1a 17.1a 50.5b

2.4 施氮方式对水稻钾吸收与分配的影响

表 4结果显示:与氮、磷的变化趋势不同, 施氮方式对于两地水稻钾含量的影响不一致。氮肥改深施后, 两地水稻茎秆的钾含量相对FFP均有一定的降低, 以姜堰地区的下降幅度最显著。广德地区水稻叶鞘钾含量因为深施氮肥而增加, HF10相对FFP叶鞘钾含量增加了3.4 g·kg-1。然而姜堰则恰恰相反, HF10叶鞘的钾含量相对FFP显著下降了3.9 g·kg-1。不同氮肥处理间的籽粒钾含量无显著差异。由于受到水稻干物质积累的影响, 不同器官钾积累量与氮、磷养分积累趋势类似, 除姜堰地区的水稻叶鞘外, 其他器官的钾积累量从大到小的处理依次为HF10、HF5、BF、FFP、CK。广德和姜堰两地总钾积累量最高的仍为HF10, 分别高达245.8和256.3 kg·hm-2, 其相对FFP分别增加了34.5%和17.5%, 差异显著。水稻茎秆中钾的分配比例最大, 广德地区氮肥深施明显降低了钾素在茎秆和籽粒中的分配比例, 提高叶鞘和叶片的比例。然而在姜堰地区, 氮肥深施降低钾在茎秆和叶鞘的分配比例, 提高籽粒的钾分配比例。

表 4 氮肥施用方式对水稻钾含量、积累量和分配的影响Table 4Effect of N fertilization method on the K content, accumulation and allocation of rice

地点
Site 处理
Treatment 钾含量/(g·kg-1) K content钾积累量/(kg·hm-2) K accumulation钾分配/% K ratio 茎秆
Stem 叶鞘
Sheath 叶片
Blade 籽粒
Grain 茎秆
Stem 叶鞘
Sheath 叶片
Blade 籽粒
Grain 总量
Total 茎秆
Stem 叶鞘
Sheath 叶片
Blade 籽粒
Grain 广德 CK 28.7a 17.9c 13.1c 3.4a 53.9c 30.9c 17.4c 17.3d 119.8d 45.0a 25.8b 14.7a 14.5a Guangde FFP 28.0ab 21.0b 14.2c 3.4a 76.4b 56.1b 26.2b 23.9c 182.7c 41.8b 30.7a 14.3a 13.2a BF 27.7ab 23.2a 16.5b 3.5a 83.3b 62.1b 24.4b 25.5bc 195.4b 42.6b 31.7a 12.6a 13.1ab HF5 26.8b 24.0a 18.1a 3.4a 85.2b 63.3b 30.5b 27.0ab 206.1b 41.3b 30.7a 14.9a 13.1a HF10 27.6ab 24.4a 17.4ab 3.3a 101.5a 76.6a 37.9a 29.7a 245.8a 41.3b 31.2a 15.5a 12.1b 姜堰 CK 40.2b 15.4a 10.5b 4.0a 84.2c 35.5b 17.5d 24.0d 161.4e 52.2a 22.0a 10.9d 14.9b Jiangyan FFP 43.2a 13.8b 10.6ab 3.7b 115.2a 39.8b 31.7c 31.3c 218.1c 52.8a 18.3b 14.5c 14.4ab BF 38.7c 15.0a 11.7ab 3.7b 108.8b 47.9a 34.2c 32.7c 223.7d 48.7b 21.4a 15.3c 14.6a HF5 32.9d 11.3c 11.4ab 3.7b 109.6b 39.5b 39.5b 39.0b 227.7b 48.1bc 17.3bc 17.3b 17.2ab HF10 29.4e 9.9d 12.2a 3.6b 118.2a 41.1b 51.6a 45.2a 256.3a 46.2c 16.0c 20.2a 17.6ab

2.5 施氮方式对水稻氮、磷、钾养分利用率的影响

从表 5可见:氮肥深施可以显著提高氮肥表观利用率, 其中以HF10最为明显。广德和姜堰两地HF10的氮肥表观利用率分别为48.5%和59.4%, 相对FFP分别提高了20.6%和30.0%。两地氮肥农学利用效率也受氮肥施用方式的显著影响, HF10最高, 与FFP相比分别提高了87.4%(广德) 和149.6%(姜堰)。两地HF10氮素生理利用率相对FFP有降低趋势, 但是广德降低不显著, 姜堰由FFP的88.3 kg·kg-1显著下降到了47.5 kg·kg-1。广德不同处理的氮素籽粒生产效率无显著差异, 姜堰深施氮肥的HF5和HF10均显著降低。氮肥施用方式对水稻磷、钾肥的利用效率的影响因地区而异, 广德HF5和HF10的磷籽粒生产效率与FFP相比分别下降了5.3%和11.7%, 而姜堰地区水稻则无明显的差异。广德钾籽粒生产效率与磷素的变化趋势一致, HF10相对FFP下降了7.8%。而姜堰地区HF10的钾素籽粒生产效率则相对FFP显著提高了23.5%。

表 5 氮肥施用方式对水稻氮、磷、钾养分利用效率的影响Table 5Effect of N fertilization method on N, P and K use efficiency of rice

地点
Site 处理
Treatment NPK 表观利用率/%
Apparent recovery efficiency 农学利用率/
(kg·kg-1)

Agronomic efficiency

生理利用率/
(kg·kg-1)
Physiological efficiency 籽粒生产效率/
(kg·kg-1)
Grain production efficiency 籽粒生产效率/

(kg·kg-1)
Grain production efficiency

籽粒生产效率/
(kg·kg-1)
Grain production efficiency 广德 FFP 23.0c 8.7c 37.5a 81.9a 121.1a 38.5a Guangde BF 27.9c 9.7b 34.5a 64.3a 117.2ab 37.1ab HF5 35.6b 11.7b 32.5a 60.3a 114.7c 37.4ab HF10 48.5a 16.3a 33.4a 55.9a 106.9d 35.5c 姜堰 FFP 12.8c 11.3c 88.3a 92.3a 137.5a 38.7b Jiangyan BF 29.4b 12.6c 42.5c 67.8c 123.8b 39.1b HF5 28.6b 20.2b 70.6b 82.8b 136.9a 46.0a HF10 59.4a 28.2a 47.5c 62.4d 133.4a 47.8a注:表观利用率=(施肥区养分吸收量-对照养分吸收量)/养分施入量×100%;农学利用率=(施肥区产量-对照产量)/养分施入量; 生理利用率=(施肥区产量-对照产量)/(施肥区养分吸收量-对照养分吸收量); 籽粒生产效率=籽粒产量/地上部养分吸收量。
Note:Apparent recovery efficiency=(Nutrient uptake of the fertilized plot-Nutrient uptake of unfertilized plot)/Fertilizer rate×100%;Agronomic efficiency=(Grain yield of the fertilized plot-Grain yield of the unfertilized plot)/Fertilizer rate; Physiological efficiency=(Grain yield of the fertilized plot-Grain yield of the unfertilized plot)/(Nutrient uptake of the fertilized plot-Nutrient uptake of the unfertilized plot); Grain production efficiency=Grain yield/Nutrient uptake.

2.6 施氮方式对水稻-土壤体系氮、磷、钾养分表观平衡的影响

氮肥投入到土壤中后会发生水解、扩散、作物吸收以及挥发和径流损失等复杂过程, 本文仅从作物-土壤系统的投入与带走上简单计算肥料养分的表观平衡, 即不考虑肥料养分挥发和径流等损失, 以及沉降和灌水等其他途径带入的养分。结果 (图 2) 显示:改习惯分次施氮为深施显著提高了水稻的氮带走量, 降低其在体系内的盈余, 同时加大了水稻对磷、钾营养元素的吸收和带走。两地氮、磷、钾盈余最少/带走最多的均为HF10, N、P、K平均盈余量分别为44.8、-47.3和-151.4 kg·hm-2, 氮盈余相对FFP平均降低了81.1 kg·hm-2, 而磷、钾相对FFP平均亏缺了27.0和50.7 kg·hm-2。

图 2 氮肥施用方式对水稻-土壤系统养分表观平衡的影响Figure 2 Effect of N fertilization method on nutrient balance of rice-soil system养分表观平衡数据仅考虑了肥料投入和水稻地上部带走量, 并未计算养分损失及其他途径的养分带入量。正值表示盈余量, 负值表示亏缺量。Nutrient balance only taking into account the fertilizer input and rice uptake, disregarding the nutrient loss and N deposition etc. Positive value means surplus and negative value means deficiency.

3 讨论

环太湖流域地区是典型的水稻产区, 农民习惯将氮肥做基肥-分蘖肥-穗肥分次施用, 这种施肥方式操作虽简单, 但是氮肥施在土壤表面增加了氨挥发及径流损失的风险[2]。将分次施用的氮肥改为一次性基肥深施, 有稳产及增产趋势, 这主要归因于两方面:一是氮肥深施, 离水稻根系更近, 较高的养分浓度促进水稻发生分蘖, 为高产打下基础[12-13]; 另一方面, 水稻苗期对氮素需求少, 氮肥深施可以有效降低氨挥发和径流的损失, 随着水稻生长对氮素的需求逐渐增加, 深施的氮养分也逐渐扩散, 从而达到作物的养分吸收与肥料养分释放的协同效果, 利于提高水稻产量和氮肥利用效率[6, 14]。氮肥根区施用的方式对于水稻产量和氮肥利用效率的影响不同。氮肥条施的产量相对常规施肥并未显著提高, 而氮肥穴施 (HF5、HF10) 处理的水稻增产显著, 其中以HF10(侧5 cm深10 cm) 的水稻产量最高。条施处理不增产的原因可能是施氮深度太浅, 仍然有部分养分在水稻生长过程中损失掉, 未能满足水稻生长后期的需求。Rochette等[15]研究结果表明:氮肥条施深度太浅或肥料过于分散, 肥料养分在土壤中的保存效果不佳, 氮肥条施深度小于5 cm, 其氨挥发的损失量最大可以达到表面撒施的70%左右。朱兆良[16]的研究也证明了水稻氮肥施肥深度以7~10 cm为宜。水稻生长后期根系活力下降, 其对养分的吸收利用能力也逐渐降低, 研究表明水稻籽粒中超过50%的氮养分以及干物质来自营养器官的转运[17-18]。本文试验中的HF5和HF10的茎秆干物质积累和氮素积累量均显著高于常规施肥, 是根区穴施提高水稻产量的主要原因。

两地水稻的氮含量和氮积累量均以HF10的最高。这主要归于氮肥深施可降低肥料养分的氨挥发损失, 延长肥料氮在土壤中的贮存时间[6, 15-16]。水稻籽粒氮积累的增加尤其显著。研究表明提高水稻籽粒的氮含量有助于增加蛋白质和氨基酸含量, 改善稻米品质[19], 故氮肥根区施用能否改善稻米品质值得进一步探索。HF10水稻茎秆的磷含量也显著增加, 可能是氮肥集中施用刺激了水稻根系的生长, 增强根系活力从而增加根系对各种养分的吸收利用[20-21]; 另一方面, 氮肥集中施用后, 水解的NH4+主要集中在小范围内, 作物吸收氮素后释放的H+促进根系周围磷的释放[22-23]。由于深施氮肥促进了水稻不同器官干物质的积累, 所以HF10各器官的钾含量因为稀释效应表现不同程度的下降。

当地常规施氮方式 (FFP) 的氮素表观盈余是最高的, 两地水稻氮素表观盈余量为118.2~133.4 kg·hm-2, 相当于氮肥投入量的52.5%~59.3%。表观盈余量中, 一部分作为对土壤氮素的补充固定了下来, 并非完全活跃于土体[12-13], 但是该处理的氮吸收量显著小于其他处理, 所以过量的氮素供应于土壤表面又面临损失的风险。氮肥深施显著降低了土壤氮表观盈余量, HF10的盈余量仅占肥料投入的12.7%~27.0%。所以, 即便肥料遭受损失, 因水稻吸收带走量大, 本身残留基数就低, 因此会大大降低氮素损失量。常规施氮处理中土壤中磷、钾养分表观亏缺, 磷肥 (P) 亏缺18.7~22.1 kg·hm-2, 钾肥 (K) 亏缺高达83.0~118.4 kg·hm-2, 这一养分亏缺水平与大田试验的研究结果基本一致[23]。因为45%左右的磷和90%左右的钾积累在水稻秸秆中, 水稻收获后秸秆适时还田, 秸秆中的养分能弥补水稻籽粒的磷、钾带走量使得土壤养分保持平衡, 钾素甚至还有盈余。但是考虑到秸秆中的钾素容易径流损失[3, 23], 针对深施氮肥后水稻养分需求的变化, 从可持续的角度考虑, 磷、钾肥的施用量应适当增大, 而且施肥方式和策略也要有针对性的调整。

当前水稻氮肥表观利用率为30%左右, 常规施肥的氮损失量占肥料用量的30%~50%, 这既浪费资源又污染环境[6]。本文两地的结果显示, HF10显著提高了氮肥表观利用效率, 而HF5处理在两地表现不一, 尤其姜堰地区HF5与FFP相差无几。HF5氮积累量的数据也说明其相对FFP并没有显著的提高。因姜堰地区土壤质地为高砂土, 透水透气性能强, 考虑到氮肥养分移动距离[5]和土壤性质, 在该地区5 cm的穴施深度还是太浅, 田面灌水之后其氮肥容易溶解于水中而损失掉[15]。根区施氮水稻氮农学利用率显著高于习惯表面撒施, 与水稻产量呈正相关关系, 氮生理利用率却没有差异, 这与现有的研究结果基本一致, 即氮肥农学利用效率与水稻产量的相关性要显著高于生理利用率[25]。

本研究探讨了水稻氮肥根区一次施用对水稻产量、大量营养元素吸收利用的影响。结果显示水稻氮肥根区一次施用可以达到替代常规分次施肥不减产的目的, 调整根区施肥距离和位点 (如条施改为穴施、5 cm深度调整到10 cm) 可显著提高水稻产量和氮肥利用效率。改变氮肥施用方式后, 水稻对磷、钾营养元素的需求明显提高, 故应在施肥策略上 (如秸秆还田) 做相应的调整以保障土壤养分平衡。水稻根区施肥模式具有较好的增产增效潜力, 但是由于稻田淹水条件的复杂性, 机械化的一次施氮 (尤其是穴施) 在技术上仍存在一定难度, 因此, 进一步研发和推广根区施肥机械具有重要意义。