謝 宜，周 旋，羅尊長，王玲玲，胡柯鑫，周孟瑜，董春華

(1.湖南大學(xué) 研究生院 隆平分院，長沙 410125；2.湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125; 3 .湖南省瀏陽市達(dá)滸鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)站，湖南瀏陽 410305)

中國自1996年啟動超級稻計劃以來，被農(nóng)業(yè)部推廣認(rèn)定并保留的超級稻品種(組合)已超過130個，其推廣應(yīng)用對中國水稻增產(chǎn)增效有巨大貢獻(xiàn)。目前，由于多數(shù)農(nóng)戶對超級稻營養(yǎng)特性和需肥特征認(rèn)識不足，普遍重施氮肥，輕施磷、鉀肥[1-2]。巨曉棠等[3]通過大量農(nóng)戶調(diào)查發(fā)現(xiàn)，過量施氮的田塊約占總調(diào)查田塊的30%。過量和不平衡施肥不僅未發(fā)揮超級稻的高產(chǎn)潛力，還易造成土壤板結(jié)、肥料利用率低及環(huán)境污染等問題[4-6]。因此，在提高超級稻產(chǎn)量和肥料利用率的同時，減少化肥投入，對超級稻高產(chǎn)高效栽培及經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的提高具有極其重要的意義[7]。相關(guān)研究表明，氮肥的施用在作物產(chǎn)量和品質(zhì)提升上起關(guān)鍵作用，而鉀肥的投入也與氮肥的施用效果緊密相聯(lián)，鉀肥施用水平的高低不僅對作物株高、穗數(shù)、成穗率和每穗粒數(shù)有顯著影響，而且還影響植株吸氮量和氮素轉(zhuǎn)運率[8-10]。合理的運籌鉀肥能有效提高抽穗后的干物質(zhì)累積量，有利于改善水稻的群體質(zhì)量[11]。

緩/控釋肥是通過減緩或控制化肥養(yǎng)分的釋放速率來使肥料養(yǎng)分供應(yīng)更吻合作物對養(yǎng)分吸收的新型肥料[12-13]。目前，關(guān)于緩/控釋肥料養(yǎng)分釋放特性及相應(yīng)施用技術(shù)的改進(jìn)，均是根據(jù)作物的吸肥規(guī)律及相應(yīng)土壤的供肥特征來匹配實現(xiàn)的。前人對新型緩/控釋肥的研究方向主要集中在氮肥的氮素釋放控制方面[14-18]，包括控釋材料篩選[19-20]、施用方式選取[21-23]及作物養(yǎng)分利用率提高[24-25]等，而通過氮鉀運籌來探究養(yǎng)分釋放的研究較少。為此，本研究于2017年開展氮鉀養(yǎng)分不同優(yōu)化運籌技術(shù)對超級早稻產(chǎn)量和氮、磷、鉀利用效率影響的研究，揭示超級早稻的吸肥和土壤肥力供應(yīng)規(guī)律，為超級早稻相應(yīng)緩/控釋肥等新型肥料的研發(fā)制備提供科學(xué)理論依據(jù)，為實現(xiàn)超級早稻化肥減施增效及農(nóng)業(yè)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年在湖南省瀏陽市達(dá)滸鎮(zhèn)金石村稻田(E 113°52′54.8″，N 28°22′42.8″)進(jìn)行。該地區(qū)年均氣溫17.5 ℃，年均降水量1 358.6～1 552.5 mm，蒸發(fā)量500 mm，無霜期275 d。土壤類型為水稻土，基礎(chǔ)理化性質(zhì)為pH 5.48，有機質(zhì)24.3 g·kg-1，全氮1.62 g·kg-1，全磷0.39 g·kg-1，全鉀19.1 g·kg-1，堿解氮121.2 mg·kg-1，有效磷11.3 mg·kg-1，速效鉀65.3 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

供試水稻品種為超級稻‘五豐優(yōu)286’。供試肥料氮肥為尿素(含N質(zhì)量分?jǐn)?shù) 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù) 12%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù) 60%)。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4個處理：不施肥(T1)、常規(guī)施肥(氮鉀肥基追比為基∶蘗=3∶2，T2)、優(yōu)化施肥模式1(氮鉀肥基追比為基∶蘗∶穗=6∶2∶2，T3)和優(yōu)化施肥模式2(氮肥基追比為基∶蘗∶穗=6∶2∶2，鉀肥基追比為基∶蘗∶穗=5∶3∶2，T4)，以不施肥為對照。N用量為150 kg·hm-2，P2O5用量為90 kg·hm-2，K2O用量為120 kg·hm-2。磷肥做基肥，一次性施入。各處理重復(fù)3次，隨機區(qū)組設(shè)計。小區(qū)面積為5 m×8 m=40 m2，共12個小區(qū)，小區(qū)用田埂分開，田埂寬20 cm，埂上覆膜。育秧方式選擇標(biāo)準(zhǔn)化軟盤旱育秧，3月20日播種，4月16日移栽。栽植規(guī)格為：株距×行距=26.7 cm × 13.3 cm，每穴4～5株。具體施肥時期和用量見表1。其他管理措施與當(dāng)?shù)厮境Ｒ?guī)栽培管理一致。

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.4.1 樣品采集及指標(biāo)測定 在水稻種植前采用蛇形法取0～20 cm耕層土壤，風(fēng)干后，測定土壤pH及有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。主要生育期采用梅花形五點法取0～20 cm耕層土壤，風(fēng)干后，測定堿解氮、有效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同時選取水稻植株5穴，殺青，烘干，稱量干質(zhì)量，測定植株氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)(成熟期樣品秸稈與籽粒分開)。收獲時，各小區(qū)單打單收單曬測產(chǎn)。

1.4.2 基礎(chǔ)理化指標(biāo)測定 土壤pH采用V(水)∶V(土)=2.5∶1電位計法測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法測定；全氮、全磷、全鉀分別采用蒸餾法、紫外分光光度法、火焰光度計法；植株氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)濃H2SO4-H2O2消煮后，分別采用蒸餾法、釩鉬黃比色法和火焰光度計法測定；土壤堿解氮、有效磷和速效鉀分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法和乙酸銨提取-火焰光度計法測定[26]。

1.4.3 氮、磷、鉀養(yǎng)分參數(shù) 3 種養(yǎng)分參數(shù)計算公式相同，以氮為例介紹如下：

氮總吸收量(TNA)=稻谷產(chǎn)量×稻谷含氮量+稻草產(chǎn)量×稻草含氮量

每 100 kg 籽粒需氮量(NAPG)=氮總吸收量/稻谷產(chǎn)量×100

氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

氮肥利用率(NRE)= (施氮區(qū)氮吸收總量-無氮區(qū)氮吸收總量) / 施肥量×100%

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NAE)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量×100%

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析及繪圖，用SPSS 19進(jìn)行單因素方差分析，多重比較采用鄧肯新復(fù)極差法檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量的影響

從表2可知，施肥處理早稻稻谷產(chǎn)量和總生物量均顯著高于不施肥處理(P<0.05)。與T2相比，T3、T4稻谷產(chǎn)量分別增加1.1%和4.4%，總生物量分別增加0.01%和3.4%。其中，T4稻谷產(chǎn)量較T3顯著提高3.2%，總生物量提高2.5%。

2.2 不同施肥處理水稻氮磷鉀養(yǎng)分吸收利用

2.2.1 氮素吸收利用 由表3可知，施肥處理氮總吸收量和每100 kg籽粒需氮量均高于不施肥處理，大小依次呈現(xiàn)為T4 >T3 >T2，其中T4氮總吸收量和每100 kg籽粒需氮量分別較T2增加12.1%和9.8%。T3和T4氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率較T2平均高出2.7%、18.4%和8.0%，且T4氮肥利用率較T3顯著高出16.6%。說明T4增加蘗肥比例的氮鉀養(yǎng)分優(yōu)化運籌技術(shù)，能更有效吻合超級稻早稻的吸肥規(guī)律，促進(jìn)氮素吸收利用。

表2 不同施肥處理下水稻成熟期生物量Table 2 Biomass of rice at mature stage under different fertilization treatments kg·hm-2

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: Different lowercase letters in different treatments mean significant difference(P<0.05).The same below.

表3 不同施肥處理下水稻氮素吸收利用Table 3 Absorption and utilization of N in rice under different fertilization treatments

2.2.2 磷素吸收利用 由表4可知，施肥處理磷總吸收量顯著高于不施肥處理，大小依次呈現(xiàn)為T4>T3>T2，其中T3和T4磷總吸收量較T2平均增加11.1%。T4水稻每100 kg 籽粒需磷量較T2和T3分別增加18.2%和14.7%。T3和T4磷肥偏生產(chǎn)力、磷肥利用率和磷肥利用率較T2平均高出2.7%、36.8%和7.9%，且T4磷肥農(nóng)學(xué)利用率較T3顯著高出63.5%。說明增加蘗肥比例的氮鉀養(yǎng)分優(yōu)化運籌技術(shù)，能更有效吻合超級早稻的吸肥規(guī)律，間接促進(jìn)磷素吸收利用。

2.2.3 鉀素吸收利用 由表5可知，施肥處理鉀總吸收量和每100 kg籽粒需鉀量均高于不施肥處理，大小依次呈現(xiàn)為T4 > T3 > T2，其中T3和T4鉀總吸收量和每100 kg籽粒需鉀量平均較T2增加4.7%和3.0%。T3和T4鉀肥偏生產(chǎn)力、鉀肥利用率和鉀肥農(nóng)學(xué)利用率較T2平均高出 2.7%、13.8%和8.0%，且T4鉀肥利用率較T3顯著高出15.7%。說明T4增加蘗肥比例的氮鉀養(yǎng)分優(yōu)化運籌技術(shù)，更能有效吻合超級稻早稻的吸肥規(guī)律，促進(jìn)鉀素吸收利用。

表4 不同施肥處理下水稻磷素吸收利用Table 4 Absorption and utilization of P in rice under different fertilization treatments

表5 不同施肥處理下水稻鉀素吸收利用Table 5 Absorption and utilization of K in rice under different fertilization treatments

2.3 不同施肥處理水稻干物質(zhì)積累量

由圖1可以看出，早稻移栽后，隨著生長發(fā)育的進(jìn)行，早稻干物質(zhì)積累量持續(xù)上升，不施肥處理下早稻干物質(zhì)積累量上升趨勢相對平緩。施肥處理中，T2早稻干物質(zhì)積累量約在第38天之前，高于T3、T4；第38天～第68天，T3早稻干物質(zhì)積累量開始超過T2、T4；第68天，T4與T3早稻干物質(zhì)積累量相當(dāng)，之后與T2、T3差異趨大。到完熟期，差異最大。完熟期早稻干物質(zhì)積累量大小依次為T4>T3>T2，T4較T2、T3增加11.8%和8.8%。說明T4增加蘗肥比例的氮鉀運籌施肥方式，對超級早稻的生長發(fā)育總體表現(xiàn)一定的優(yōu)勢，能有效促進(jìn)水稻干物質(zhì)的累積。

2.4 不同施肥處理對水稻養(yǎng)分累積量和土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.4.1 對水稻氮素累積量和土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 由圖2可知，早稻需氮高峰在分蘗盛期(1～31 d)和成熟期(60～90 d)，土壤氮素供應(yīng)出現(xiàn)2個高峰：早稻移栽后的第1天到第31天和第46天到第75天，且前者供應(yīng)峰值更高。第1個土壤氮素供應(yīng)高峰期內(nèi)，第15天到第31天T2早稻氮素累積量高于T3、T4。第31天到第46天T4早稻氮素累積量開始高于T2、T3，其中T4顯著高于T2。第2個土壤氮素供應(yīng)高峰期內(nèi)，第60天至第70天，第75天至第90天早稻氮素累積量大小依次為T4>T2>T3。表明不同氮鉀運籌方式會影響土壤氮素的供應(yīng)特性，從而影響早稻對氮素的吸收和累積，最終影響籽粒產(chǎn)量的形成。

圖1 不同施肥處理下水稻干物質(zhì)積累量的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of dry matter accumulation under different fertilization treatments

柱形圖為累積量 Column shows accumulation;折線圖為質(zhì)量分?jǐn)?shù) Line shows mass fractiom;下同 The same below

圖2不同施肥處理下早稻氮素累積量和土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化
Fig.2Changesofnitrogenaccumulationandsoilalkali-hydrolyzalenitrogenmassfractionunderdifferentfertilizationtreatments

2.4.2 對水稻磷素累積量和土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 由圖3可知，早稻整個生育期內(nèi)需磷高峰在移栽后的第1天到第60天和第75天到第90天，而土壤磷素供應(yīng)高峰主要在第1天到第60天，其他時期較為平緩。第1天到第31天和第46天到第60天T2早稻磷素累積量高于T3、T4。第31天到第46天，T4早稻磷素累積量顯著高于T2。且T4早稻磷素累積量一直高于T3(60～75 d 除外)。到完熟期，T4早稻磷素累積量顯著高于其他處理，大小依次為T4 > T2 > T3。表明不同氮鉀運籌方式會影響土壤磷素供應(yīng)特性和早稻的吸收特性，從而影響早稻對磷素的吸收和累積，最終影響籽粒產(chǎn)量形成。

圖3 不同施肥處理下早稻磷累積量和土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.3 Changes of phosphorus accumulation and available phosphorus mass fraction in soil under different fertilization treatments

2.4.3 對水稻鉀素累積量和土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 由圖4可知，早稻對鉀素的需求具有持續(xù)性，需求高峰期主要在第15天到第46天(分蘗盛期)和第60天到第75天(抽穗期和乳熟期)，而土壤鉀素供應(yīng)主要集中在第15天到第31天(分蘗期)，后期供應(yīng)相對不足，尤其在第60天到第75天(灌漿期和乳熟期)需要補充。第1天到第31天，T2早稻鉀素累積量高于T3、T4。第31到第46天，T3、T4早稻鉀素累積量開始高于T2，其中T4顯著高于T2。第46天到第60天和第60天到第75天，T3早稻鉀素累積量高于T4。到完熟期，早稻鉀素累積量大小依次為T2>T4>T3。表明不同氮鉀運籌方式會影響土壤鉀素供應(yīng)特征和水稻的吸收累積特性，從而影響早稻對鉀素的吸收和累積，最終影響籽粒產(chǎn)量形成。

3 討 論

氮肥大量一次性施用會加速氨揮發(fā)，造成氮損失，因此在施肥量一致的情況下，適量氮肥后移有利于提高水稻生長后期氮素的吸收和積累[27-28]。隨著氮肥用量的增加，作物產(chǎn)量也隨之提升，稻田土壤中原存的鉀素被大量帶走，土壤中鉀素缺失已成為南方稻田產(chǎn)量提升的限制因素之一[29]。 相關(guān)研究表明，土壤中施入的鉀肥35%～45%被當(dāng)季的水稻所吸收，另外55%～65%被滲漏損失或者土壤固定[30]，因此適量、分次追施鉀肥是可取的。Hong等[31]研究認(rèn)為，鉀素吸收不僅促進(jìn)水稻碳氮代謝、加速植物體內(nèi)氮化合物的運輸和穩(wěn)定蛋白質(zhì)的合成，也有利于水稻體內(nèi)有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和累積及促進(jìn)氮、磷吸收?？赡苁堑⒘?、鉀養(yǎng)分在植株體內(nèi)有機物的形成和轉(zhuǎn)化過程中存在交互作用[32]。嚴(yán)蓮英等[33]和王強盛[34]研究發(fā)現(xiàn)，鉀肥后移處理養(yǎng)分含量較鉀肥一次性施用處理養(yǎng)分含量增高，且氮肥基追施比例4∶2∶3∶1，磷肥全部做基肥，鉀肥基追施比例4∶4.5∶1.5時，超高產(chǎn)水稻產(chǎn)量最佳。也有研究表明，氮鉀肥基追比為基∶蘗∶穗=5∶3∶2更符合超級稻晚稻吸肥規(guī)律[35]。T3、T4是在相同氮素運籌且磷素一次性施用情況下，調(diào)整鉀肥的追施比例，表明在對氮素運籌的同時，適當(dāng)增加鉀素運籌能促進(jìn)植株更有效地吸收肥料和土壤供給的養(yǎng)分，從而增加超級稻的產(chǎn)量和肥料利用率。

圖4 不同施肥處理下早稻鉀累積量和土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.4 Changes of potassium accumulation and available potassium mass fraction in soil under different fertilization treatments

3.1 氮鉀運籌對超級早稻產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收利用效率的影響

本研究結(jié)果表明，T3和T4稻谷產(chǎn)量、總生物量比T2平均增加2.7%和2.1%。表明氮鉀的適度后移更有利于早稻對養(yǎng)分的吸收累積，這與張雪凌等[36]研究結(jié)果一致。T4早稻產(chǎn)量依次高于T3、T2，這可能是由于T4氮鉀運籌模式更符合早稻生長發(fā)育的關(guān)鍵時期需求。T4氮磷鉀養(yǎng)分吸收總量、每100 kg籽粒需氮磷鉀量、偏生產(chǎn)力、氮磷鉀肥吸收利用率和氮磷鉀肥農(nóng)學(xué)利用率均依次高于T3、T2。表明適當(dāng)調(diào)整氮鉀素的后移量不僅能提高氮鉀素吸收利用，同時影響早稻對磷的吸收，提高磷素吸收利用，減少稻田氮磷流失，降低農(nóng)業(yè)面源污染[37]。

3.2 氮鉀運籌對超級早稻養(yǎng)分需求特征和土壤養(yǎng)分供應(yīng)的影響

本研究中，T2早稻干物質(zhì)總量在生長發(fā)育后期低于T3和T4。表明合理的氮鉀運籌能在后期持續(xù)供應(yīng)養(yǎng)分，促進(jìn)早稻后期的生長發(fā)育，其中T4高于T3。而磷肥是一次性施入的，這不僅說明氮、磷、鉀肥之間在一定程度上相互促進(jìn)吸收，而且這種促進(jìn)效果的大小是建立在作物攝取養(yǎng)分平衡的基礎(chǔ)上[38-41]。早稻移栽孕穗期至灌漿期需氮量相對較少，而土壤堿解氮累積較多，且灌漿期后氮素足量的供應(yīng)是水稻產(chǎn)量的保證。其中T4在成熟期氮素累積量高于T2和T3。表明T4氮素運籌比例后期能更好促進(jìn)植株吸收土壤中的有效態(tài)氮，更切合早稻對氮素的需求。灌漿期后，T4磷素累積量高于T2和T3，而土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于T2和T3，說明T4氮鉀運籌方式在促進(jìn)水稻植株生長發(fā)育的同時，也增加植株對土壤有效磷的吸收，較T3更為科學(xué)。而T3在鉀素需求高峰期略有盈余，灌漿期之后卻供應(yīng)不足，相對鉀素運籌不一致的T4，前者的產(chǎn)量、氮磷鉀利用效率、氮磷鉀累積量等低于后者，有的甚至達(dá)到顯著水平。說明氮、磷、鉀養(yǎng)分運籌要同步，而且不同時期的施用量一定要均衡。T2收獲期土壤速效鉀較T3和T4出現(xiàn)盈余，水稻植株鉀素積累量較少，這可能與T2鉀肥分次施用有關(guān)。本研究中，氮肥基追比為基∶蘗∶穗=6∶2∶2，鉀肥基追比為基∶蘗∶穗=5∶3∶2的T4能較好滿足超級早稻對養(yǎng)分需求的運籌模式，將其運用到實際生產(chǎn)中，指導(dǎo)施肥或者通過緩控釋材料的選擇，促使肥料養(yǎng)分的釋放更接近植株養(yǎng)分的吸收，提高肥料的利用效率。

4 結(jié) 論

T4處理(氮肥基追比為基∶蘗∶穗=6∶2∶2，鉀肥基追比為基∶蘗∶穗=5∶3∶2)和T3處理(氮鉀肥基追比為基∶蘗∶穗=6∶2∶2)的施肥模式下超級早稻產(chǎn)量及氮、磷、鉀養(yǎng)分利用效率均高于T2處理(氮鉀肥基追比為基∶蘗=3∶2)，且T4處理更優(yōu)于T3處理。表明T4處理的氮鉀運籌對超級早稻的產(chǎn)量、養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對具有良好的提升作用，其氮鉀養(yǎng)分運籌特征與相應(yīng)土壤的供肥特征更吻合早稻的養(yǎng)分需求特性。