2020, Vol. 52
2. 湖南省农业科学院土壤肥料研究所，长沙 410125;
3. 湖南省长沙县农业农村局，长沙 410100
化肥是农业持续发展的物质保证，是粮食增产的重要基础[1]。目前，我国是世界上最大的化肥生产国和消费国[2]。化肥大量使用保证了水稻持续稳定增产，但存在肥料利用率低、养分流失严重、人工投入成本高等问题。我国施肥过量的现象普遍存在，单季水稻氮肥平均用量193.5 kg/hm2，比世界氮肥单位面积平均用量(113 kg/hm2)高70%左右[3]。传统速效肥料肥效期短，生产上必须分次追肥才能满足水稻生长需求，存在施肥次数多、费工费时、农民不易掌握其技术要点等局限性[4]，随着农村劳动力日益紧缺，追肥时损失量较大，难以提高肥料利用效率[5]。因此，在稳定稻谷产量的同时，如何提高肥料利用效率、减少肥料投入与降低生产成本日益受到重视。
面对我国耕地面积的不断减少而粮食需求不断增长的局面，稳定和增加双季稻种植面积、提高双季稻单产是提高水稻和粮食总产的重要途径[6]。长江中下游地区具备种植双季稻的土壤和气候条件，是我国最重要的水稻生产区域[7]。
缓/控释肥料养分释放缓慢，肥效期长，在作物整个生长期可持续提供养分，简化了施肥技术，可节省人工成本，减少肥料流失[8-9]，但包膜控释尿素价格高，严重制约其广泛推广应用[10-11]。
因此，探索适宜的施用技术，提高产量和肥料利用效率的同时又能降低成本，是缓控释肥应用研究的重要方向。研究发现，氮肥减量施用能增加水稻产量，节本增效明显。鉴于控释氮肥的高肥力和长肥效作用，有研究认为减量施用控释氮肥依然可稳产甚至高产，这对于成本控制具有现实意义[12]。目前，国内关于稻田施用缓控释肥料的研究报道主要集中在缓控释材料的筛选、养分释放和吸收利用方面，而关于缓控释肥对水稻产量形成、经济效益及光合特性方面的协同减施效应报道较少。为进一步研究缓控释肥在双季稻生产上的应用效果，以长江中游双季稻区为试验对象，研究缓控释尿素减施对双季稻产量、经济效益和光合特性的影响，并明确其适宜减施量及施用方法，旨在为南方双季稻区包膜控释肥料的推广应用及实现化肥减量减排、节本增效的目标提供技术支撑。
1 材料与方法 1.1 供试地点长期定位试验于2013年在湖南省浏阳市原种场沿溪镇花园村(28°19'N, 113°49'E)开始进行(2013—2016年每小区的施肥方式一致)。供试土壤为河流冲积物发育的潮沙泥，0 ~ 20 cm耕层的基本理化性质：有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为16.62、1.21、0.54、11.51 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为48.93、21.25、155.68 mg/kg，pH为5.61。
1.2 供试材料2015年和2016年供试早稻、晚稻品种均为中早39和泰优390。供试氮肥为普通尿素(含N 46%)，控释尿素(山东金正大生态工程股份有限公司生产，树脂包膜，含N 42%, 控释期3个月)；磷肥为过磷酸钙(含P2O5 12%)；钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。
1.3 试验设计采用田间小区试验, 共设置6个处理：①不施氮肥(CK)；②普通尿素(UREA)；③等N量控释尿素(CRU1)；④控释尿素减N 10%(CRU2)；⑤控释尿素减N 20%(CRU3)；⑥控释尿素减N 30%(CRU4)。小区面积20 m2(4 m×5 m)，随机区组排列，重复3次。小区间用水泥田埂(宽20 cm，高20 ~ 25 cm)隔开，以防串水串肥。
早稻栽插株行距为16.7 cm × 20.0 cm，每穴2苗；CK、UREA、CRU1、CRU2、CRU3、CRU4处理N用量分别为0、150、150、135、120、105 kg/hm2，P2O5、K2O用量均为72、90 kg/hm2。晚稻栽插株行距为20.0 cm × 20.0 cm，每穴2苗；CK、UREA、CRU1、CRU2、CRU3、CRU4处理N用量分别为0、180、180、162、144、126 kg/hm2，P2O5、K2O用量均为60、105 kg/hm2。所有磷肥全部作基肥(土层混施)一次性施用，氮肥、钾肥作基肥(60%)(土层混施)和分蘖肥(40%)(表层撒施)施用。早稻施肥移栽、追肥、收获的时间分别为2015年4月25日、5月5日和7月17日，2016年4月28日、5月10日和7月23日；晚稻施肥移栽、追肥、收获的时间分别为2015年7月23日、8月2日和11月1日，2016年7月27日、8月6日、11月5日。插秧后适当保持几天浅水，以后保持灌溉，促进分蘖，达到所需有效穗苗数的90%时开始晒田，培育壮秆；在孕穗期和灌浆期以湿润和浅水相间灌溉，乳熟期后自然落干直至收获。整个生育期按常规田间管理进行。
1.4 测定项目与分析方法于水稻齐穗期，用美国产LI-6400XT便携式光合作用测量系统(LI-COR，美国)，于晴天9: 00—11: 00分别测定剑叶净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。控制条件如下：CO2浓度400 μmol/mol，温度30 ℃，光照1 000 μmol/(m2·s)。3次重复，求其平均值。各小区测定5片具代表性的主茎剑叶的中部，每叶重复测定3次。
水稻成熟后，按小区收获脱粒风干后按含水量14%测实产。每小区采水稻地上部5穴进行室内考种，分别测定其株高、穗长、有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒重等。
经济效益(元/hm2)=水稻产量×单价-肥料成本-人工费用[13]。
谷草比=籽粒产量/秸秆产量。
1.5 数据处理采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0软件进行数据处理和分析，处理间差异显著性分析采用最小显著差异法(LSD)。
2 结果与分析 2.1 双季稻产量由表 1可知，2015年和2016年早、晚稻平均产量均以CK最低，分别以CRU2、CRU1最高。说明双季稻田施用氮肥能显著增加籽粒产量。早、晚稻成熟期施N处理两年平均产量较CK处理增幅分别为29.8% ~ 40.3%和36.8% ~ 67.4%。与UREA处理相比，CRU1、CRU2、CRU3和CRU4处理早稻两年平均产量分别提高5.42%、8.14%、3.70%和2.56%，晚稻分别提高22.35%、21.78%、15.57%和6.69%。说明控释尿素养分释放缓慢，利于作物吸收，从而实现高产。相关性分析表明，早、晚稻产量与施肥量呈线性正相关(早稻：y = 0.011 1 x + 4.167 9，R2 = 0.957 4；晚稻：y = 0.016 6x + 4.256 3，R2 = 0.989 3)。控释尿素处理间两年平均产量随着施N量的增加而增加。说明控释尿素减施能有效提高双季稻产量，实现高产稳产，而过量减N施用增产效果低。
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表 1 不同施肥处理下双季稻产量及其构成因素(2015—2016年平均) Table 1 Yield and its components of double-cropping rice under different fertilization treatments |
由表 1可知，早、晚稻施N处理两年平均总颖花数较CK处理增幅分别为10.8% ~ 26.2%和32.7% ~ 56.4%；两年平均总实粒数增幅分别为10.7% ~ 26.8%和38.5% ~ 67.6%。与UREA处理相比，早稻两年平均总颖花数CRU2处理提高0.02%，CRU1、CRU3和CRU4处理分别降低1.55%、5.49%、12.20%；总实粒数CRU1、CRU2、CRU3处理分别提高5.16%、6.34%、0.05%，CRU4处理则降低7.11%。晚稻两年平均总颖花数和总实粒数CRU1、CRU2、CRU3处理分别提高13.80%、9.55%、5.09%和18.25%、12.37%、6.53%，CRU4处理分别降低3.46%和2.29%。说明控释尿素能有效提高双季稻总颖花数及总实粒数，为高产稳产奠定基础，而过量减N施用会导致总颖花数及总实粒数降低，影响产量构成。
早、晚稻两年平均株高、穗长处理间差异不显著。早稻两年平均千粒重的处理间无显著差异，而早稻控释尿素处理高于UREA处理，晚稻施N处理高于CK处理。早稻两年的平均结实率各控释尿素处理与CK处理之间无明显差异，但均显著高于UREA处理。说明控释尿素减施处理对水稻株高、穗长、结实率及千粒重无明显的影响。
2.3 早、晚稻各产量构成因素的相关性分析各产量构成因素及其与水稻产量的相关性分析(表 2)显示，2种施肥模式间存在较大差异。早稻施肥中总颖花数和总实粒数与产量呈显著正相关，其余性状与产量相关性不显著，而株高、千粒重、结实率、谷草比与产量呈负相关；分次施肥中水稻各产量构成因素与产量呈极显著正相关(千粒重除外)，而谷草比与产量呈负相关。不同施肥处理下水稻各相关性状间的相关规律也存在差异。说明控释尿素减量条件下，要尽量协调有效穗数和每穗实粒数的关系，即在保证一定数量的有效穗数基础上，尽量稳定每穗实粒数。
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表 2 不同施肥处理下水稻产量构成因素与产量间的相关系数 Table 2 Correlation coefficients between rice yield components and yield under different fertilization treatments |
由表 3可知，早、晚稻施N处理经济效益较CK处理增幅为26.0% ~ 31.5%和32.6% ~ 56.1%。与UREA处理相比，CRU2处理早稻经济效益提高3.00%，CRU1、CRU3和CRU4处理分别降低1.37%、0.75%、0.75%，晚稻经济效益分别提高17.03%、17.79%、12.18%、3.56%。说明施用控释尿素省工、省时、高效，能有效提高双季稻经济效益，为农户增收奠定基础，而过量减N施用会导致经济产值降低，影响经济效益。
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表 3 不同施肥处理下双季稻的经济效益(2015—2016年平均) Table 3 Economic profits of double-cropping rice under different fertilization treatments |
说明一定范围内控释尿素减施其水稻产值不减，超过合理减施量则水稻产值较常规尿素低。虽然控释尿素成本较普通尿素高，但其一次性基施降低了人工追肥成本。
2.5 双季稻光合特性由表 4所示，早、晚稻施N处理两年净光合速率较CK处理增幅为0.02% ~ 9.12%和0.07% ~ 25.77%。与UREA处理相比，CRU1、CRU2和CRU3处理早稻两年净光合速率分别提高2.27%、3.68%、1.41%，CRU4处理降低3.18%；晚稻两年净光合速率分别提高5.81%、18.08%、15.77%、0.53%。说明施用控释尿素有利于提高水稻生育中后期叶片的净光合速率。胞间CO2浓度的变化趋势与净光合速率相反。表明控释尿素减施水稻叶片同化利用CO2能力减弱。提高水稻功能叶净光合速率，促进叶肉细胞的羧化效率，提高CO2的同化速率。控释尿素合理减施能够提高水稻叶片蒸腾速率和气孔导度，降低胞间CO2浓度，表明在一定浓度范围内，控释尿素合理减施能够提高叶片蒸腾速率，调节气孔开闭，增强CO2同化能力，提高光合速率。
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表 4 不同处理下双季稻齐穗期剑叶的光合特征参数(2016年) Table 4 Photosynthetic parameters of flat leaves of double-cropping rice at full heading stage under different treatments |
施用缓/控释肥能显著提高水稻地上部生物量和吸氮量，提高土壤氮素残留，减少氮素损失，提高氮素的利用率[14]。徐明岗等[15]发现，等量控释氮肥处理较普通尿素处理早、晚稻产量分别增加3.61%和9.30%。与本研究结果一致，CRU处理较UREA处理早、晚稻两年平均产量分别提高5.42%和22.35%(表 1)，且晚稻较早稻增产效果好。主要由于双季早稻生育期短，控释尿素前期养分不能及时释放造成有效穗下降，加上生长后期控释尿素养分释放减慢，每穗实粒数下降，导致产量明显下降。
魏海燕等[16]指出，缓控释肥基施后分蘖期施用尿素处理能有效增加植株茎蘖数，提高成穗率和最终穗数，扩大叶面积指数，增强光合势，增加干物质和氮素的积累，获得高产。鲁艳红等[17]认为，株高、每穗实粒数、结实率和千粒重的增加是早、晚稻增产的主要原因。相关性分析表明(表 3)，早、晚稻总颖花数、总实粒数与产量之间呈显著正相关(早稻：r总颖花数=0.826*，r总实粒数=0.879*；晚稻：r总颖花数=0.975**，r总实粒数=0.978**)。控释氮肥增产原因在于作物生育中后期控释氮肥能够保证N素持续供应，为作物灌浆孕穗提供充足的N素营养，利于籽粒产量建成[17]。郭晨等[18]发现，控释肥处理单位面积颖花量和实际产量之间呈极显著正相关关系。王强等[19]发现，树脂包膜型掺混控释肥较传统分次施肥具有增产作用主要是其在保证有效穗数、结实率及千粒重的基础上增加穗粒数。与本研究结果一致，控释尿素能在确保千粒重及结实率的基础上，提高或保持足够的有效穗数和穗粒数来提高产量。
相关研究表明：控释尿素养分释放呈“S”型曲线，一次性基施控释肥减少氮肥用量会导致水稻生长后期由于供肥不足而减产[20]。鲁艳红等[21]发现，两种土壤上施用控释肥后早、晚稻产量较UREA处理明显提高，特别是河沙泥中，稻谷总产量以减N 30%处理最高，较UREA处理增产4.95%。本研究中，早稻施用控释尿素在一定用量范围内，双季稻产量随施N水平的提高而增加，但是超过一定水平后，氮肥施用会降低单位面积有效穗数，同时造成水稻营养生长过剩而抑制生殖生长，导致每穗粒数和结实率下降而影响产量[22-23]；晚稻产量随着施氮量的减少而显著降低。李敏等[24]发现，控释尿素减施20%较普通尿素显著提高水稻产量，增幅达4.7%，超过此减施量水稻产量显著降低。
3.2 控释尿素减施对双季稻经济效益的影响缓控释肥能否在水稻生产中大面积推广主要取决于施肥的效果和成本。施用控释氮肥适当降低N用量，能促进双季水稻增产、增加N素利用效率、维持或提高土壤N素肥力和可持续生产力，控释氮肥养分释放规律的差异是导致其作用效应不同的主要原因[17]。本研究中，减少氮肥用量，一定程度上降低肥料成本，但主要因树脂包膜尿素比普通尿素能提高水稻产量，获得较高的稻谷产值，所以树脂包膜尿素减少N用量提高水稻经济效益。
陈远利等[25]发现，2009－2011年大区定位对比，水稻施用控释复合肥具有明显的增产节肥效果，较常规施肥增产7% ~ 25%，节肥10% ~ 20%，667 m2节省施肥用工1 ~ 2工。马昕等[11]发现，控释尿素(控释期50 d和60 d)虽然肥料投入稍有增加，但每公顷增收3 000元以上，且施用释放期长的控释肥增收效果更好。李敏等[24]发现，经济效益以控释尿素减施20%处理最高，较普通尿素处理产值增加4.7%，纯收入增加5.7%，控释尿素减量施用各处理较普通尿素均能有效提高水稻产投比。本研究中早稻净收入以CRU1处理最高，控释尿素减量施用各处理的净收入则小于UREA处理。晚稻净收入各控释尿素处理均高于UREA处理，且以CRU2处理效果最高。双季稻控释尿素施N量可降低20% ~ 30%，水稻增产显著，纯收益增加。生产企业应进一步改进缓控释肥的生产工艺流程，降低生产成本，提高其市场竞争力。通过多方面努力来降低缓控释肥的生产成本，使之与常规肥料的成本投入相当或减少，可以较快地促进缓控释肥被农户接受和应用。
3.3 控释尿素减施对双季稻光合特性的影响聂军等[26]发现，施用控释尿素较普通尿素更能有效提高水稻生育中后期叶片叶绿素含量和净光合速率，延长生育后期功能叶的光合功能，延缓叶片衰老，提高产量。李敏等[4]发现，与普通尿素一次性基施相比，90 d硫膜和树脂膜控释尿素均能显著提高盆栽水稻籽粒产量，增幅分别达15.1% ~ 51.4%，显著提高水稻生育中后期叶片净光合速率及SPAD值，可延缓叶片衰老。本试验研究结果与此一致，水稻进入抽穗期后，施用控释尿素的水稻叶片净光合速率显著高于普通尿素，与控释尿素供N特征有关。
郭智等[27]发现，氮肥减施对水稻叶片色素含量及净光合速率影响较大。减施15%氮肥处理较常规施肥处理灌浆前期水稻叶片Chl a、Chl a+b含量及叶片净光合速率均未显著降低。随氮肥减施幅度的增大和处理时间的延长，叶片色素含量及Pn显著下降。本研究中，氮肥减施(减施30%氮肥)显著降低水稻叶片色素含量及净光合速率，且随生育进程进一步降低。氮肥减施30%条件下，水稻对光能的利用量显著下降。适宜减量施用水稻胞间CO2浓度较低，能促进叶肉细胞的羧化效率，提高CO2同化速率，明显提高水稻生育后期剑叶的光合速率，并延长叶片光合功能期和截光时间。
4 结论控释肥技术工效高，劳动强度低，符合国家“一控、两减、三基本”中减少农药化肥使用量的目标要求，易于在农业生产中大面积使用。控释尿素减量施用能有效提高库容量，增强光合作用效率，保证水稻稳产、高产，节支效果明显。其中，以控释尿素减N 10% ~ 20%处理效果最佳，且晚稻中施用效果更好。
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