氮肥运筹对直播水稻营养元素利用及产质量的影响

陈家武，卢以群，单武雄

（1.湖南生物机电职业技术学院环境工程系，湖南 长沙 410127；2.中南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125）

随着育种技术的提高，高产、优质水稻品种涌现，水稻单产从20世纪60年代的3 000 kg/hm2到20世纪90年代的6 000 kg/hm2，目前超级稻产量可达9 700 kg/hm2以上。在湖南湘西地区，由于种植水稻单位面积的效益不高，农户为了减少劳动力投入，简化种植过程，水稻栽培模式从水田育秧人工插秧转为免育秧直播。在这种新种植模式下高产水稻对肥料管理要求较为精细，如果施肥不当，会引起水稻减产、环境污染等问题。因此，需要研究合理的施肥模式来指导水稻种植。测土配方施肥工作自开展以来，技术得到了广泛应用，在指导水稻施肥上取得了良好的效果，水稻普遍增产5%以上，肥料利用率提高3%以上[1]。目前对水稻施肥种类及总量的研究较多，但在测土配方施肥基础之上如何进一步提高肥料利用率，减少劳动力投入，促进水稻优质高产的研究还较少。在湖南湘西自治州地区水稻测土配方施肥试验基础之上，保持氮肥总量一致，研究了氮肥分次施用对于水稻养分吸收利用、产质量及生产效益的影响。

1 材料与方法

1.1 供试材料

晚稻品种为秀水134，播种方式为免育秧直播，稻种播种量67.5 kg/hm2。浸种露白后7月16日播种，11月18日收获。试验地土壤质地为沙壤土，pH值6.38，有机质25.6 g/kg，全氮2.27 g/kg，碱解氮181 mg/kg，有效磷15.3 mg/kg，速效钾138 mg/kg。试验用化肥为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）。

1.2 试验设计

试验于2011年在湖南吉首市马颈坳团结村稻田进行。单个小区宽10 m，长60 m，面积600 m2。试验共设5个处理：一基一追（YJYZ）；一基二追（YJEZ）；一基三追（Y JSZ）；零基三追（LJSZ）；无肥料（LJLZ），每处理3次重复，具体施肥方案见表1。施肥总量参考当地农业部门水稻测土配方施肥推荐量，且总量一致，尿素472.5 kg/hm2，过磷酸钙175.05 kg/hm2，氯化钾112.50 kg/hm2。其中磷肥作为基肥一次施入；钾肥一半用作基肥施入，一半用作穗肥施入；氮肥分次施用：基肥在整田时施入，分蘖肥在水稻4叶一心至刚开始分蘖时施入，促花肥在倒四叶时施入，保花肥在倒二叶时施入，穗肥在孕穗初期施入，苗肥在2叶一心时施入。

1.3 测定项目与方法

在苗期（三叶期）、分蘖盛期、灌浆期、蜡熟期采集水稻样品进行分析，考察植株养分含量、氮肥利用率、稻米品质、产量、效益等指标。水稻收割后按小区随机选取5株，用于测定有效穗数、每穗粒数、千粒重、秕谷率，稻米产量用机械收割机全部收割后，称重实测。植株养分测定部位为水稻地上部分茎叶，随机选取5株，用硫酸-双氧水消煮后，用凯氏定氮法测定全氮，火焰光度法测定全钾含量，钒钼黄法测定全磷[2]，稻米品质测定选用成熟后糙米，采用NIRSystems5000型近红外仪分析，前处理分析方法参照文献[3]。

表1 水稻施氮模式设计 （kg/hm 2）Table 1 Experim ental design of nitrogenous fertilizer application

氮素利用率（%）=100×（施氮区茎叶吸氮量－空白区茎叶吸氮量）/施氮量

水稻种植收益=稻米售价－种子投入－收割费用－农药投入－化肥投入－人工投入＋秸秆还田补贴。

试验数据采用SPASS15.0进行分析，LSD法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 施氮模式对不同生育期水稻茎叶全氮含量变化的影响

从图1中可知，水稻生长期，水稻茎叶对氮的吸收呈现先升高后缓慢降低的趋势，茎叶在分蘖期对氮素的吸收达到峰值，LJSZ处理中水稻茎叶全氮达到19.1 g/kg（图1）。这一时期水稻对氮素的需求量很大，若不施氮肥，土壤所供应的氮素不能满足水稻生长发育的需要。而在蜡熟期，不施肥区域水稻氮素明显下降，表明氮肥分次施用后对水稻生育后期延缓衰老，具有非常明显的促进作用。氮肥分次施用后，随着氮肥施用次数增加，水稻各生育期茎叶全氮含量相应增加，在蜡熟期水稻茎叶全氮含量与其他各处理差异达到5%，但除无肥处理其余差异均不显著。

图1 氮肥分次施用条件下水稻茎叶全氮含量变化Fig.1 Changes in nitrogen content of rice plants after phase application of nitrogenous fertilizer

2.2 施氮模式对不同生育期水稻磷和钾养分含量变化的影响

从图2可知，水稻茎叶中全磷含量在分蘖期和灌浆期较高，5处理中，以YJEZ处理全磷含量为最高，都为2.8 g/kg。水稻茎叶的全钾含量在灌浆期达到整个生育期的高峰，最高为LJSZ处理，茎叶全钾含量达到29.3 g/kg（图3）；在蜡熟期，水稻茎叶全钾含量又急剧下降，此时LJSZ处理水稻茎叶的全钾含量仅5.3 g/kg；4种施肥模式下，茎叶对磷、钾的吸收差异都未达显著水平。

图2 氮肥分次施用条件下水稻茎叶全磷含量变化Fig.2 Changes in total phosphorus content of rice after phase application of nitrogenous fertilizer

图3 氮肥分次施用条件下水稻茎叶全钾含量变化Fig.3 Changes in potassium content of plants after phase application of nitrogenous fertilizer

2.3 施氮模式对稻米中氮磷钾养分积累的影响

稻米中氮磷钾养分可以反映稻米的营养品质，同时也可以为合理施肥提供科学依据。图4表明，氮肥分次施用模式中，LJSZ处理稻米全氮含量最高，达到10.6 g/kg，显著高于其他试验处理，说明氮肥分次施用且后移能促进氮素在谷物中的积累，胡启灿等[4]的研究也证实了这点；4种施肥模式下，稻米磷钾养分差异均未达显著水平。

图4 氮肥分次施用对稻米氮磷钾含量的影响Fig.4 Influence of each application of nitrogenous fertilizer on the presence of nutrients in rice

2.4 施氮模式对水稻产量及其构成要素的影响

从表2中可知，在试验各处理中，每穗粒数中YJEZ处理最多，达到100粒。但是，千粒重、秕谷率差异不显著。其中YJYZ处理的千粒重最大，为28.7 g，其次为YJSZ处理（28.4 g）；秕谷率在8.77%～11.03%之间，4个施肥处理中，以YJSZ和LJSZ处理较低。可见，氮肥施入总量一致的条件下，氮肥多次施用可以增加千粒重、降低秕谷率，但是各施肥处理间差异不显著。YJEZ处理小区稻米产量最高，达9 002 kg/hm2。对比YJYZ处理稻米产量，YJEZ处理增产15.2%，YJSZ处理增产13.6%，LJSZ处理增产8.2%。

表2 氮肥分次施用对水稻产量及其构成要素的影响Table 2 Influence of the phase application of nitrogenous fertilizer on the quality of commodity rice

2.5 施氮模式对稻米品质的影响

供氮模式会对稻谷的品质产生影响[5]。稻米中蛋白质是评价稻米品质的重要营养指标之一，蛋白质含量高，其营养品质就好。从表3中可知，各处理蛋白质含量均大于8%，根据国家《优质稻谷》（GB/T17891-1999）可以评价为一级。不同处理稻米蛋白质含量略有差异，其中LJSZ处理稻米中蛋白质含量最高，达到10.48%。

据研究，不同供氮方式会影响稻米中蛋白质及直链淀粉的含量，增加供氮次数能提高稻米蛋白质含量并降低直链淀粉的含量[6-7]。稻米中直链淀粉含量高低与米饭的粘性、柔软性、光泽度等食味品质呈显著或极显著的负相关性，即直链淀粉含量越低，稻米淀粉的粘度越好，其食用和加工品质越高。试验结果（表3）表明，各处理中直链淀粉的含量均低于25%，但高于20%，为中直链淀粉稻米，品质相对较好；其中YJEZ处理直链淀粉含量最低，为22.0%，但是各处理间差异不显著。胶稠度可以表征稻米的蒸煮品质，试验各处理稻米胶稠度均大于50 mm但小于80 mm，稻米蒸煮后较软，评价为二级。碱消值在试验各个处理之间差异不显著。灰分以YJSZ和LJSZ处理最低。可见，氮肥分次施用可以提高稻米蛋白质含量，降低灰分含量。

表3 氮肥分次施用对稻米品质的影响稻米Table 3 Changes in rice quality in different scenarios

稻米中微量元素跟人体营养平衡密切相关，因为稻米是我们人体摄入中微量元素的主要途径之一。从表4中可知，氮肥分次施用，可以促进稻米对Mg、Ca等元素的吸收，这与Thuy N H等[8]的研究吻合，LJSZ处理稻米Mg、Ca含量分别达到1021 mg/kg和412 mg/kg，但是各施肥处理间差异不显著。

表4 氮肥分次施用对稻米中微量元素的影响 （m g/kg）Table 4 Changes in mineral elements in different scenarios（mg/kg）

2.6 施氮模式对水稻氮素利用和种植效益的影响

从表5中可知，不同施氮模式下水稻对氮肥的利用率，以氮肥多次施用的处理高，其中YJSZ处理最高。对比YJYZ，YJEZ、YJSZ和LJSZ处理水稻氮肥利用率分别提高12.5，22.4和16.9个百分点。由此可知，氮肥分次施用且后移可有效提高氮肥利用率，这与郑圣先等[9]的研究结果一致。

水稻种植成本构成具体为：种子成本（包括播种人工成本）67.5 kg/hm2×5.2元/kg，肥料成本1 875元/hm2，当地用于病虫害防治费用1 800元/hm2，收割费用1 350元/hm2；施肥成本包括当地人工费75元/d，每天施肥0.4 hm2，平均199.5元/（次·hm2）。稻米售价2.4元/kg，秸秆还田补贴1 350元/hm2。从表5中可知，收益以YJEZ处理最高，达16 979元/hm2；净收益以YJEZ处理最高，达14 505元/hm2（收益－成本）。对比YJYZ处理，YJEZ、YJSZ和LJSZ处理净增收2 451、1 761和1 143元/hm2。

表5 不同施氮模式对氮素利用及效益的影响Table 5 Analysis of benefits from rice plantation

3 小结与讨论

水稻在生长旺盛时期对氮肥的需求量最大，因此在水稻的分蘖期、灌浆期应该补施氮以求高产。适量适时施用氮肥能提高水稻产量[10]，水稻在施氮总量一致的条件下，随着氮肥施用次数的增加，水稻产量及氮肥利用率均呈现出先增加后降低的趋势。当地水稻施肥主要为一基一追模式，一基二追、一基三追和零基三追模式，水稻产量比一基一追模式分别增产15.2%、13.7%和8.2%，随着氮肥施用次数的增加，水稻的增产率逐渐降低；肥料利用率提高，水稻一基三追模式下，氮肥的利用率最高，达到38.6%，比一基一追模式提高了22.4个百分点，减小了农田氮肥面源污染的风险，但是零基三追模式下，氮肥的利用率只有33.1%，这可能是没有施用基肥导致利用率降低。因此，氮肥分次施用时，随着施用次数的增加，水稻产量及氮肥利用率提高，尤其在水稻氮素敏感时期如苗期的基肥、分蘖期的分蘖肥应及时适量施用，否则将引起水稻减产，这与李忠芳[11]的研究基本一致。

氮肥分次施用，可提高稻米中蛋白质的含量，同时降低灰分，并且能降低直链淀粉的含量，这可能是因为水稻植株氮素能提高功能叶中相关蛋白酶的活性，促进氮素转移[12-13]。试验所设不同施肥处理，稻米的品质都能达到粳米二级。另外，氮肥分次施用，稻米中的中微量元素含量也会随着施氮次数的增加呈增加趋势，这与Good A G等[14-15]的研究结果类似，可能是由于氮素能促进相关中微量元素吸收转运蛋白酶的合成。可见氮肥分次施用能改善水稻的营养品质。本试验条件下，随着氮肥施用次数的增加，种植单季水稻收益也呈现先增加又降低的趋势，其中收益最高的为一基二追处理，达到16 979元/hm2，比一基一追处理净增收2 451元/hm2。因此，在水稻需肥敏感时期保证氮肥供应，并且适当分次施用，不仅能增加水稻产量，改善稻米品质，而且还能提高肥料利用率，降低农业面源污染风险，真正做到经济效益和生态效益最优。在本试验条件下，氮肥一基二追模式（基肥∶分蘖肥∶穗肥=3∶4∶3），可以发挥当地水稻测土配方施肥推荐量的最大效益。

[1]吴 明.水稻强化栽培与常规栽培对比试验总结[J].现代农业科技，2007，（9）：108-110.

[2]鲍士旦.土壤农化分析（第三版）[M].北京：中国农业出版社，2000.263-267.

[3]佘冬立，王凯荣，谢小立，等.施N模式与稻草还田对土壤供N量和水稻产量的影响[J].生态与农村环境学报，2006，22（2）：16-20.

[4]胡启灿，叶永秦，乐开富，等，氮磷钾的配比用量对水稻的影响[J].土壤，1994，（2）：87-91.

[5]戴平安，刘向华，易国英，等.氮磷钾及有机肥不同配施量对水稻品质和产量效应的研究[J].作物研究，1999，（3）：26-30，42.

[6]祖艳群，林克惠.氮钾肥营养的交互作用及其对作物产量品质的影响[J].土壤肥料，2000，（2）：3-7.

[7]刘大庆，紫文北，高正宝.水稻平衡施肥效果及参数计算[J].安徽农业科学，2003，（4）：672-673.

[8]Thuy N H，Shan Y H，Sngh B, et al.Nitrogen supply in rice-based cropping systems as affected by crop residue management[J].Soil Science Society of America Journal，2008，72（2）：514-523.

[9]郑圣先，聂 军，熊金英，等.控释肥料提高氮素利用率的作用及对水稻效益的研究[J].植物营养与肥料学报，2007，7（1）：11-16.

[10]刘立军，桑大志，刘翠莲，等.实时实地氮肥管理对水稻产量和氮素利用率的研究[J].中国农业科学，2003，36（12）：1456-1461.

[11]李忠芳.长期施肥下我国典型农田作物产量演变特征和机制[D].北京：中国农业科学院，2009.

[12]刘如清，谢良注，肖时运，等.湖南省水稻平衡施肥[J].植物营养与肥料学报，1999，（2）：94-97.

[13]李亮科，张卫峰，王雁峰，等.中国农户复合肥施用效果分析[J].植物营养与肥料学报，2011，17（3）：623-629.

[14]Good A G，Beatty P H.Fertilizing nature：a tragedy of excess in the commons[J].Plos Biology，2011，9（8）：1-9.

[15]Phongpan S，Mosier A R.EFFect of crop residue management on nitrogen dynamic and balance in a low land rice cropping system[J].Nutrient Cycling in Agroecosystem，2003，66（2）：133-142.