謝 宜,羅尊長,董春華,王玲玲,洪 曦,褚 飛,孫繼民,方 勇,胡柯鑫
(1.湖南大學研究生院 隆平分院,湖南 長沙 410125;2.湖南省土壤肥料研究所,湖南 長沙 410125;3.湖南省農(nóng)業(yè)生物技術研究所,湖南 長沙 410125)
超級稻吸肥能力和需肥量遠勝于常規(guī)稻,也強于一般雜交稻,其對肥料的需求能持續(xù)到生長發(fā)育后期[1]。近年來,隨著超級稻新品種的不斷出現(xiàn)和大面積推廣,肥料用量需求也被大幅度提高[2-4]。超級稻所需養(yǎng)分用量較大,時間較長,用以保證其前期足夠的分蘗數(shù)、中期足夠的有效分蘗數(shù)和稈壯穗大、后期足夠的有效穗和千粒質量,而這些僅僅通過增加肥料的用量或改變氮磷鉀施肥比例來保證養(yǎng)分的供應是不夠的。
不同水稻品種對養(yǎng)分的需求量和吸收特征不一樣,不合理施肥不僅不能提高肥料利用率,反而還會致使水稻產(chǎn)量下降,導致土壤本身遭到破壞和生態(tài)環(huán)境污染,甚至危害農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[5-9]。常規(guī)化肥多為速效肥,其肥效短、肥料利用率低,難以滿足水稻整個生育期的養(yǎng)分需求[10],為此,我國已于1997年把緩/控釋肥等新型肥料的研發(fā)列入重點[11]。緩/控釋肥的研發(fā)融合了植物營養(yǎng)學、土壤學、作物栽培生理學、農(nóng)學生態(tài)學、肥料工藝學等學科的基本原理[4],能根據(jù)作物生長所需緩慢釋放養(yǎng)分或控制養(yǎng)分釋放速度,使土壤自身養(yǎng)分供應和肥料養(yǎng)分供應的疊加效應與作物需肥特征相結合,以提高作物產(chǎn)量和肥料利用效率[12]。眾多學者研究表明,緩控釋肥料養(yǎng)分的釋放量和釋放時間與水稻的需求相吻合,具有“削峰填谷”的效果,不同于施用化肥而造成的水稻前期分蘗過多、后期養(yǎng)分供應不足等問題[13-16]。前人對超級稻養(yǎng)分吸收特性的研究主要集中在一季稻,而對超級稻早稻和晚稻的養(yǎng)分需求研究較少,尤其對與超級稻相關的緩/控釋肥等新型肥料的研發(fā)機制研究更少[17-19]。
本研究于2016年研究了氮鉀養(yǎng)分不同優(yōu)化運籌技術下超級稻晚稻產(chǎn)量和肥料利用效率變化,并對超級稻晚稻吸肥特征進行了探索,研究結果可為超級稻晚稻相應緩/控釋肥等新型肥料的研發(fā)提供理論依據(jù),也可為實現(xiàn)超級稻晚稻化肥減施增效及農(nóng)業(yè)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供實踐基礎。
試驗在瀏陽市達滸鎮(zhèn)金石村進行。稻田土壤pH值5.35,有機質、全氮、全磷、全鉀含量分別為21.80,1.56,0.36,18.9 g/kg,堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為119.8,10.7,60.6 mg/kg。
水稻品種:超級稻5優(yōu)103;肥料種類:氮肥-尿素,磷肥-過磷酸鈣(含P 120 mg/kg),鉀肥-氯化鉀(含K 600 mg/kg,加拿大產(chǎn))。
試驗設4個處理:對照(CK,不施肥);常規(guī)施肥(N和K-基肥∶分蘗肥=3∶2);優(yōu)1(N和K-基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶3∶2);優(yōu)2(N-基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶3∶2,K-基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3)。施肥用量為:N 180 kg/hm2,P2O575 kg/hm2,K2O 120 kg/hm2。 每處理3個重復,小區(qū)面積5 m × 8 m=40 m2,共12個小區(qū),隨機區(qū)組排列,小區(qū)用田埂分開,田埂寬度20 cm,田埂上覆膜。磷肥作基肥一次性施入。晚稻插值規(guī)格為:株距×行距=20 cm×25 cm。具體施肥時期和用量見表1。
1.4.1 樣品采集 在水稻不同生育時期采用五點取樣法取0~20 cm耕層土壤,風干后,測定土壤速效養(yǎng)分等。
表1 尿素和氯化鉀施用時期和施用量Tab.1 Application period and amount ofurea and potassium chloride kg/hm2
1.4.2 測定指標 土壤pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀;分小區(qū)單打單收單曬,準確測定產(chǎn)量、收獲后的總鮮質量以及曬干后吹去空殼后的經(jīng)濟產(chǎn)量。
1.4.3 測定方法 植株中的氮、磷、鉀含量分別用濃H2SO4-H2O2消煮、流動注射分析儀和火焰光度計測定;土壤中的堿解氮、有效磷和速效鉀分別用堿解擴散法、碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法和乙酸銨提取-火焰光度法測定[20];水稻秸稈產(chǎn)量采用磅秤稱量,稻谷產(chǎn)量采用電子秤稱量。
1.4.4 數(shù)據(jù)處理 作圖和統(tǒng)計分析分別用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 13專業(yè)版進行。
N、P、K 肥料利用率=(施肥區(qū)植株養(yǎng)分總量-空白區(qū)植株養(yǎng)分總量) /施肥總量 × 100%
①
理論產(chǎn)量=每公頃有效穗×穗粒數(shù)×結實率×千粒質量/1 000 000
②
從表2可以看出,施肥處理的水稻株高、有效穗數(shù)量、稻谷理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量均顯著高于不施肥處理;優(yōu)1和優(yōu)2處理的有效穗數(shù)量、稻谷理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量均高于常規(guī)施肥處理,水稻群體株高低于常規(guī)施肥處理;優(yōu)1處理的有效穗數(shù)量、稻谷理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量均高于優(yōu)2處理,株高低于優(yōu)2處理,其中,二者有效穗數(shù)量差異顯著;與常規(guī)施肥處理相比較,優(yōu)1處理的水稻實際產(chǎn)量、有效穗數(shù)量和千粒質量分別提高了5.3%,17.3%和3.4%,優(yōu)2處理的分別提高了2.3%,1.5%和0.8%。
表2 不同施肥處理下水稻成熟期的生物及產(chǎn)量性狀Tab.2 Biological characters and yield of rice mature stage under different fertilization treatments
注:同欄內不同字母表示差異顯著 (P<0.05),多重比較采用鄧肯氏新復極差法。表3、圖1-7同。
Note:Different letters within the same column mean significant difference,Duncan′s multiple range test,at 5% level.The same as Tab.3,F(xiàn)ig.1-7.
從表3可以看出,優(yōu)1、優(yōu)2處理下氮磷鉀利用效率均顯著高于常規(guī)施肥處理,優(yōu)1、優(yōu)2處理間氮素利用效率差異顯著,磷鉀利用效率差異不顯著;與常規(guī)施肥處理相比較,優(yōu)1、優(yōu)2處理的氮素利用效率分別提高了30.4%,15.3%,磷素利用效率分別提高了21.2%,14.8%,鉀素利用效率分別提高了28.4%,20.7%。這說明,優(yōu)1的氮鉀養(yǎng)分優(yōu)化運籌技術更吻合超級稻晚稻的吸肥規(guī)律。
從圖1可以看出,移栽后,隨水稻生長發(fā)育進行,單株干物質積累量持續(xù)上升,不施肥處理下單株干物質積累量上升趨勢相對平緩。施肥處理中,約在第50天(孕穗期)之前,常規(guī)施肥處理的干物質積累量高于優(yōu)1,第50天之后,優(yōu)1、優(yōu)2處理的群體單株干物質積累量開始高于常規(guī)施肥處理,且優(yōu)1開始高于優(yōu)2處理;完熟期,優(yōu)1處理和優(yōu)2處理的群體單株干物質積累量分別高出常規(guī)施肥處理4.4%和1.4%。相對于常規(guī)施肥處理和優(yōu)2處理,優(yōu)1處理的施肥比例和氮鉀運籌方式對水稻生長發(fā)育后期表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢,表明適當?shù)剡\籌氮鉀養(yǎng)分將更能有效地促進水稻干物質累積。
表3 不同施肥處理下的肥料養(yǎng)分利用率Tab.3 Fertilizer use efficiency under different fertilization treatments %
圖1 不同施肥處理下水稻群體單株干物質累積量動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of single-plant dry matter accumulation under different fertilization treatments
從圖2可以看出,移栽后,隨著水稻生長發(fā)育的進行,地上部分生物量迅速提高,群體單株總氮量持續(xù)上升,不施肥處理下群體單株總氮量變化較施肥處理相對平穩(wěn)。施肥處理中,在第50天(孕穗期)左右之前,常規(guī)施肥處理和優(yōu)2處理的水稻群體單株總氮量高出優(yōu)1,而第50天左右之后,優(yōu)1、優(yōu)2處理水稻群體單株總氮量高出常規(guī)施肥處理;在第58天左右時,二者差值最大,隨后差異變??;在第79天左右時,水稻群體單株總氮含量大小依次為優(yōu)2處理>優(yōu)1處理>常規(guī)施肥處理;完熟期時,優(yōu)1、優(yōu)2處理的群體單株總氮量分別高出常規(guī)施肥處理15.0%和12.6%。優(yōu)1、優(yōu)2處理相對于后期氮素不足的常規(guī)施肥處理表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢,尤其是優(yōu)1處理,這表明適宜地運籌氮鉀養(yǎng)分將更能有效地增加水稻的總氮量。
圖2 不同施肥處理下水稻群體單株總氮量動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of single-plant total nitrogen under different fertilization treatments
從圖3可以看出,移栽后,隨著水稻生長發(fā)育的進行,地上部分生物量迅速提高,群體單株總磷量持續(xù)上升,不施肥處理下群體單株總磷量變化較施肥處理相對平穩(wěn),水稻單株總磷量和總氮量的增長趨勢基本一致。施肥處理中,在第28天左右之前,3種施肥處理差異不明顯;第28~50天左右,常規(guī)施肥處理的水稻群體單株總磷量開始高于優(yōu)1、優(yōu)2處理;在第50天左右之后,優(yōu)1處理水稻群體單株總磷量開始高出常規(guī)施肥處理和優(yōu)2處理,且優(yōu)1處理一直高于優(yōu)2處理,在第58天左右時,常規(guī)處理和優(yōu)1處理二者差值最大,隨后差異較??;完熟期時,優(yōu)1處理的群體單株總磷量高出常規(guī)施肥處理4.2%。合理地運籌氮鉀養(yǎng)分將能更有效地促進水稻對磷素的吸收,致使水稻總磷量增加。
圖3 不同施肥處理下水稻群體單株總磷量動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of single-plant total phosphorus under different fertilization treatments
從圖4可以看出,水稻群體單株總鉀量同總氮和總磷的增長趨勢基本一致,不施肥處理的在移栽約40 d后單株總鉀量趨于平緩。第40天(穗分化期)之前,常規(guī)施肥處理的水稻群體單株鉀量增長速度高于優(yōu)1處理;在移栽后第50天左右之前,常規(guī)施肥處理和優(yōu)2處理的水稻群體單株鉀總量高于優(yōu)1處理;在移栽后第50~79天左右,優(yōu)1處理的水稻群體單株總鉀量開始高于常規(guī)施肥處理優(yōu)2處理,約在第79天時,三者差值最大,隨后差異較小;完熟期時,優(yōu)1處理和優(yōu)2處理的群體單株總鉀量分別高出常規(guī)施肥處理12.9%和17.0%。合理地運籌氮鉀養(yǎng)分將更能有效地促進水稻對鉀素的吸收,使水稻總鉀量增加。
圖4 不同施肥處理下水稻群體單株總鉀量動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of single-plant total potassium under different fertilization treatments
由圖5可知,水稻需氮高峰在分蘗盛期(17~28 d)、抽穗期(40~58 d)和灌漿期(79±15 d),土壤氮素供應呈現(xiàn)2個高峰,第1個在水稻移栽后的第17~40天,第2個在移栽后的第40~106天,第1個高峰的降幅最大。第1個土壤氮素供應高峰期內,在水稻移栽第1~17天,優(yōu)2處理的水稻群體單株氮素累積量高于常規(guī)施肥處理和優(yōu)1處理;第17~28天,28~40天常規(guī)施肥處理開始高于優(yōu)1和優(yōu)2處理,但這3種施肥處理間差異均不顯著;第2個土壤氮素供應高峰期內,在水稻移栽后的第40~58天,58~79天,79~106天水稻群體單株氮素累積量大小依次為優(yōu)1處理>優(yōu)2處理>常規(guī)施肥處理。不同的氮鉀運籌方式影響著土壤氮素供應特性,從而最終影響水稻對氮素的吸收和累積。
水平軸的移栽天數(shù)區(qū)間跟左側垂直軸單株氮素累積量相對應,代表植株一個時期的氮素累積量;次要水平軸的移栽天數(shù)和右側次要垂直軸相對應,代表土壤一個時間點的堿解氮含量。The interval of transplanted days in the horizontal axis corresponds to the amount of nitrogen accumulation for the vertical axis of the left side,representing the plant a period of nitrogen accumulation;The number of days of transplanting of the secondary horizontal axis corresponds to the minor vertical axis on the right side,representing the alkali-hydrolyzale nitrogen content at a time point in the soil.
由圖6可知,水稻在整個生育期內都需要磷素,其中,需磷高峰在移栽后的第40~58天,土壤磷素供應呈現(xiàn)2個高峰,第1個在水稻移栽后的第17~58天,第2個在移栽后的第58~106天。水稻移栽第1~28天,3種施肥處理之間水稻群體單株磷素累積量之間變化不一,差異不明顯;第28~40天,常規(guī)施肥處理的水稻群體單株磷素累積量開始高于優(yōu)1和優(yōu)2處理,且常規(guī)施肥處理和優(yōu)1處理的水稻群體單株磷素累積量差異達顯著水平;水稻移栽第40~58天,水稻群體單株磷素累積量依次為優(yōu)1處理>優(yōu)2處理>常規(guī)施肥處理;水稻移栽第58天之后,水稻群體單株磷素累積量依次為優(yōu)1處理>常規(guī)施肥處理>優(yōu)2處理。不同的氮鉀運籌方式影響著土壤磷素供應特性,從而最終影響水稻對磷素的吸收和累積。
由圖7可知,水稻在成熟之前對鉀的需求量都是很大的,也是持續(xù)的,3種施肥處理的水稻群體單株鉀素累積量之間變化不一,其吸收高峰主要在水稻移栽后的第17~58天;水稻移栽第1~28天,優(yōu)2處理的水稻群體單株鉀素累積量高于常規(guī)施肥處理和優(yōu)1處理,且常規(guī)施肥處理高于優(yōu)1處理;第28~40天,常規(guī)施肥處理的水稻群體單株鉀素累積量開始高于優(yōu)1和優(yōu)2處理;第40~58天,水稻群體單株鉀素累積量依次為優(yōu)1處理 > 優(yōu)2處理>常規(guī)施肥處理,水稻移栽第58天之后,優(yōu)2處理的水稻群體單株鉀素累積量持續(xù)高于常規(guī)施肥處理和優(yōu)1處理。不同的氮鉀運籌方式影響著土壤鉀素供應特性,從而最終影響水稻對鉀素的吸收和累積。
水平軸的移栽天數(shù)區(qū)間跟左側垂直軸單株磷素累積量相對應,代表植株一個時期的磷素累積量;次要水平軸的移栽天數(shù)和右側次要垂直軸相對應,代表土壤一個時間點的有效磷含量。The interval of transplanted days in the horizontal axis corresponds to the amount of phosphorus accumulation for the vertical axis of the left side,representing the plant a period of phosphorus accumulation;The number of days of transplanting of the secondary horizontal axis corresponds to the minor vertical axis on the right side,representing the soil available phosphorus content at a time point in the soil.
水平軸的移栽天數(shù)區(qū)間跟左側垂直軸單株鉀素累積量相對應,代表植株一個時期的鉀素累積量;次要水平軸的移栽天數(shù)和右側次要垂直軸相對應,代表土壤一個時間點的速效鉀含量。The interval of transplanted days in the horizontal axis corresponds to the amount of potassium accumulation for the vertical axis of the left side,representing the plant a period of potassium accumulation;The number of days of transplanting of the secondary horizontal axis corresponds to the minor vertical axis on the right side,representing the soil available potassium content at a time point in the soil.
水稻施肥體系的完善是建立在對水稻養(yǎng)分需求特性探索的這個基礎之上的,不按水稻需肥特性而進行施肥,不僅很難高產(chǎn),反而會導致肥料利用率下降和養(yǎng)分流失,更為嚴重的還會導致農(nóng)業(yè)面源污染,使生態(tài)環(huán)境遭到破壞[21-24]。2017年8月14-16日,在遼寧省本溪市召開的中國土壤學會“新型肥料開發(fā)與工藝研討會”上,部分科研人員在報告中披露,目前,不僅研發(fā)出了緩/控釋氮肥,而且還對緩/控釋磷肥和緩/控釋鉀肥進行了研發(fā),并取得了較好的效果,不僅促進了作物增產(chǎn),而且還大大提高了磷肥和鉀肥的利用效率。本試驗主要針對超級稻晚稻氮鉀進行養(yǎng)分運籌和施用量設置,其本質上是尋找更能吻合超級稻晚稻吸肥特性的施肥方式,以提高水稻產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率,同時,也為與超級稻晚稻相關的緩/控釋肥的研發(fā)和化肥減施增效技術提供理論依據(jù)和實踐基礎。下一步,將持續(xù)對超級稻早稻的需肥特性進行探索。
試驗通過氮鉀養(yǎng)分運籌,進行部分氮素和鉀素后移,以減少超級稻晚稻生長發(fā)育前期氮素和鉀素的盈余和彌補其生長發(fā)育后期氮素和鉀素的不足。與常規(guī)施肥處理相比較,養(yǎng)分運籌可以增加有效穗數(shù),提高水稻產(chǎn)量;與優(yōu)1處理相比較,優(yōu)2處理鉀素的過分后移提高了水稻灌漿期和成熟期群體單株鉀素累積量,但有效穗數(shù)量和產(chǎn)量反而低于優(yōu)1處理,這可能是因為鉀素的過分后移,錯過了其起主要作用的水稻關鍵生育期。水稻植株內的鉀素主要與光合產(chǎn)物的運輸有關[25],根據(jù)不同處理下的產(chǎn)量和不同時期植株鉀素累積量變化推斷,超級稻晚稻需鉀的關鍵時期可能在孕穗期-齊穗期期間,此時的鉀素需求可能對后期的灌漿期光合產(chǎn)物的運輸起著至關重要的作用,常規(guī)施肥處理的鉀素主要在孕穗期前吸收,在孕穗期-齊穗期這段時間內供應不足,可能影響了灌漿期光合產(chǎn)物的運輸;超級稻晚稻鉀肥施用可能要保持水稻在孕穗期-齊穗期期間有最大的吸收量,這可能才是鉀肥促進水稻高產(chǎn)的關鍵。因此,為水稻研制緩/控釋鉀肥是非??尚械模彩怯斜匾?,本試驗的鉀肥運籌效果為緩/控釋鉀肥的研發(fā)提供了理論依據(jù)和實踐基礎。
本試驗表明,在水稻移栽后第50天左右之前,常規(guī)施肥處理的水稻群體單株干物質累積總量、總氮量、總磷量和總鉀量均高于優(yōu)1處理和優(yōu)2處理,之后,均低于優(yōu)1處理,這說明合理的氮鉀養(yǎng)分運籌能夠提高氮磷鉀利用效率,并促進水稻后期的生長發(fā)育;完熟期,優(yōu)1處理的水稻群體單株干物質累積量、總氮、總磷量均高于優(yōu)2處理,而試驗中的磷肥是一次性施入的,說明氮磷鉀肥之間是相互促進吸收的,這與田智慧等[26]的研究相一致,更說明水稻氮磷鉀需平衡施用[27-28]。在水稻移栽后第79~106天,優(yōu)1處理和優(yōu)2處理間單株氮素和磷素累積量差值逐步減少,就是鉀素促進水稻氮磷吸收的例證;盡管試驗中磷肥是一次性施入的,水稻對磷素的吸收是逐步增加,然后又逐步降低,中間沒有大起大落,其吸收的高峰在水稻移栽后的第40~58天,而且此時優(yōu)1處理的磷素累積量最大,說明水稻氮磷鉀的平衡施用更能促進相互吸收,優(yōu)1處理的氮鉀運籌方式較優(yōu)2處理更為科學,同時,也說明,為水稻研制緩/控釋磷肥是非常有必要的,而且本研究的水稻群體單株磷素累積動態(tài)也為緩/控釋磷肥的研發(fā)提供了理論依據(jù)和實踐基礎。
水稻氮肥施用研究得比較多,超級稻晚稻的需氮高峰在分蘗期、抽穗期和灌漿期,這與蔣彭炎等[1]的研究結果相一致,為超級稻晚稻的緩/控釋氮肥的研發(fā)提供了依據(jù);同時,優(yōu)1處理和優(yōu)2處理的鉀素的運籌不一致,導致前者的產(chǎn)量、氮磷鉀利用效率、氮磷累積量等高于后者,有的甚至達到了顯著水平,這就說明,養(yǎng)分運籌時,要求氮磷鉀養(yǎng)分運籌同步,即不同時期的氮磷鉀施用量一定要均衡,這也說明,在研發(fā)緩/控釋氮磷鉀肥時,不僅要根據(jù)水稻對氮磷鉀的需求特性進行,同時也要考慮到它們釋放時三者的均衡性。
肥料的施用與土壤養(yǎng)分的供應時間如能與超級稻晚稻的養(yǎng)分需求吻合同步,就會大大提高肥料的利用效率和水稻產(chǎn)量。本研究中的氮鉀養(yǎng)分運籌的2個處理均比常規(guī)施肥處理提高了稻谷實際產(chǎn)量、有效穗數(shù)量、千粒質量、氮肥利用效率、磷肥利用效率、鉀肥利用效率、干物質累積量、氮素累積量、磷素累積量、鉀素累積量,其中,優(yōu)1處理(氮鉀基追比為基肥∶分蘗肥∶穗肥= 5∶3 ∶ 2)提升比率較高(鉀素累積量除外),較常規(guī)施肥處理依次提高5.3%,17.3%,3.4%,30.4%,21.2%,28.4%,4.4%,15.0%,4.2%,12.9%。優(yōu)1處理的氮鉀養(yǎng)分運籌效果與相應土壤的供肥特征可能更吻合超級稻晚稻養(yǎng)分需求特性,致使其產(chǎn)量和氮磷鉀利用效率最高。優(yōu)1處理只是從3個時期對超級稻晚稻運籌施肥用量,如果能針對其需肥規(guī)律進行多次施肥和設置用量,其產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率可能將會更高。本研究結果為緩/控釋氮磷鉀肥的研發(fā)奠定了實踐基礎,也為超級稻晚稻化肥減施增效提供了理論依據(jù)。
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