一次性根区施控释尿素对再生稻生长及产量的影响

丁紫娟，李锦涛，胡 仁，徐 洲，张丁月，曹玉贤，田应兵*，侯 俊，2*

（1．长江大学农学院，湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北 荆州 434025；2．安徽六国化工股份有限公司，安徽 铜陵 244023；3．长江大学生命科学学院，湖北 荆州 434025）

再生稻是头季水稻收获后利用稻桩腋芽生长再次收获的一种水稻种植方式，其具有省种、省工、投入成本低、经济效益高等特点［1］。近年来，我国再生稻栽培发展迅速，种植面积不断提高，例如，湖北作为我国水稻重要的主产区，再生稻面积约3.3 万hm2左右［2］。氮肥施用是保障水稻稳产的前提，但随着我国氮肥用量的不断增加，氮肥利用率和增产作用不断降低［3］。

再生稻生长周期长，前人在再生稻的氮肥高效利用方面取得了显著进展。再生季追肥相同的条件下，通过头季稻的“前氮后移”增产增效。例如，相同氮肥用量（225 kg/hm2）下基肥和穗肥的比例由7∶3 改为6∶4 能够显著提高两季总产量4.4%［4］。在可降解地膜覆盖条件下，插秧前不同释放期混合控释尿素（10 d∶50 d∶90 d=20%∶50%∶30%）一次施用225 kg/hm2，两季总产最高达14002 kg/hm2，比普通尿素增产15%［5］，然而受到地膜覆盖的制约该技术未获得大面积应用。为了保证再生稻生育期的养分需求，农民常规采用5 次分次施肥［6］，但传统手工施肥需要大量的劳动力，而且撒施到地表会造成肥料浪费，影响作物吸收，但机械追肥容易造成稻桩损伤，影响腋芽分化，进而影响再生稻产量［7］。因此，探索一次性施肥技术对于再生稻的发展具有重大作用。

水稻吸收的大部分养分来自与根系接触的土体，即水稻根区，Wang 等［8］认为根区施肥将适当的肥料一次性施入根系周围，使肥料的养分扩散与根系伸展的范围匹配，达到提高氮肥利用率的目的。然而，根区施肥的施肥深度仍然存在争议，例如，Wang 等［8］研究结果证明氮肥穴施10 cm 的水稻产量最高，而孙浩燕［9］认为中稻适宜1 和5 cm的浅层施肥水稻产量较高，其原因可能是不同水稻的根系深浅不同。已有研究证明一次性分层施氮能促进玉米［10］和小麦［11］的增产，其核心是该方式能促进根系吸收。再生稻生育期较长，根系深度不断增加，因此分层施肥可能利于各生育期的氮素供应。

选择合适的氮肥品种是提高氮肥利用率的又一关键因素，因为将肥料施入水稻根系周围，土壤局部养分浓度过高会对前期幼苗造成高浓度毒害风险［12］，这对于根区施肥非常不利。控释肥料能够根据作物生长发育的需求控制养分的释放速度，相比于传统肥料肥效期长，而且局部养分浓度不会过高而烧苗［13］。控释肥深施不仅能够降低环境污染的风险，而且能够显著提高水稻产量［14］。

目前缺乏根区施肥在再生稻这类较长生育期（超过160 d）作物上的理论探索与实践。本研究以再生稻为对象，进行了根区施肥在施肥深度与氮肥产品方面的探索，着重研究其对土壤中氮素迁移扩散以及水稻产量的影响。本研究旨在为再生稻轻简化施肥和氮肥高效利用提供理论与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验于2019 年4 ～10 月在荆州市长江大学试验站（30°23′46.68″N，112°29′7.71″E）进行，该区域属于北亚热带农业气候带，土壤为湖泊成因的偏黏性潴育型水稻土。耕作层土壤基本性状为pH 值6.27、铵态氮3.55 mg/kg、硝态氮5.57 mg/kg、全氮1.26 g/kg、全磷0.51 g/kg、全钾9.51 g/kg、有效磷20.75 mg/kg、速效钾95.51 mg/kg、有机质22.31 g/kg。

1.2 试验设计

本研究共设5 个处理：1）对照（CK，不施氮）；2）农民常规分次施氮（FFP）；3）一次性根区浅施控释尿素（RF1）；4）一次性根区深施控释尿素（RF2）；5）一次性根区分层施控释尿素（RF3）。每个处理3 次重复，小区面积25 m2（5 m×5 m），随机区组排列。小区间做25 cm 宽、15 cm 高的田埂并覆盖塑料薄膜防止串肥。FFP处理先撒入基肥，然后灌水耙田插秧，头季施氮量为180 kg/hm2，其中40%作基肥（4 月21 日），30%作分蘖肥（5 月9 日），30%作穗肥（7 月1日），头季稻收获期前（8 月8 日）和收获后（8 月20 日）均施氮肥50 kg/hm2作为催芽肥和促苗肥。RF1、RF2 和RF3 处理中的控释尿素采用树脂包膜尿素（静水25℃抛物线形曲线释放，释放期150 d，由国家缓控释肥工程技术研究中心提供）。根区浅施是偏水稻根系侧5 cm、深5 cm 一次性施氮；根区深施是偏水稻根系侧5 cm、深10 cm 一次性施氮；根区分层施是偏水稻根系侧5 cm，且在深5 cm 和深10 cm 同时一次施氮，施氮量各50%。根区一次施肥采用穴施，具体方法是在无流动水的小区插好秧苗后以水稻为交叉点，用内径2 cm 的空心管在水稻行垂直方向两侧各5 cm 处，垂直压入5 cm 或10 cm 或分层压孔洞，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，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，所有处理的头季稻N、P2O5和K2O 用量均分别为280、150 和180 kg/hm2，磷肥为过磷酸钙（P2O512%），钾肥为氯化钾（K2O 60%），且所有磷、钾肥作为基肥插秧前一次性施用。收获期留茬高度30 cm。水稻品种为宜优673（湖北种子公司提供），密度为22.2 万株/hm2（行间距30 cm×18 cm）。

表1 根区施控释尿素试验方案

1.3 项目测定及方法

1.3.1 根区施控释尿素后根区氮素扩散规律

水稻根系主要分布在0 ～20 cm 土层内，且表层0 ～10 cm 占80%以上［8］，本研究以水稻根系基部（与田面交汇点）为中心，长、宽和深度均为20 cm 的立体空间范围作为根区土壤（图1）。采用钢制框（25 cm×25 cm×35 cm，无上下面的长方体桶状）分别在施肥后的30、90、120 d，压入稻田20 cm。此时框有15 cm 高于土表，排干框内水分，用直径2 cm 土钻取样，以根侧5 cm、深10 cm为中心，左右各10 cm，从上到下20 cm，每2 cm取一个样（图1），所取土壤鲜样经1 mol/L 的KCl浸提后测定NH4+-N 和NO3--N 含量，同时测定含水量。

图1 施肥位置和土壤取样

1.3.2 株高和干物质的测定

分别在头季稻的返青期、分蘖期、孕穗期、齐穗期和成熟期以及再生稻的齐穗期和成熟期每小区选取15 穴有代表性的植株进行株高测定；同时，取地上部植株样测定干物质，将植物样品置于105℃烘箱杀青30 min 后于65℃烘干，称取质量。

1.3.3 植株全氮测定

分别于头季稻的分蘖期、齐穗期和再生稻齐穗期3 个关键生育期在各处理取有代表性植株3 穴，处理后置于105℃烘箱内杀青30 min，80℃烘干至恒重，粉碎后用半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量。

1.3.4 产量测定

分别于头季稻和再生稻的成熟期取样，每处理随机选取10 穴进行考种，调查有效穗数、穗粒数，并测定千粒重。收获时，各小区单打单收，风干计产。

1.4 数据分析

采用SPSS 22.0 进行方差分析，无机氮分布采用Surfer 8.0 作图。

2 结果与分析

2.1 施肥方式对土壤NH4+-N 的影响

由图2 可知，30 d 时，FFP 处理的土壤NH4+-N主要集中在地下0 ～5 cm 土层，90 和120 d 时，该土层中心的NH4+-N 含量逐渐降低。RF1 处理在30 d 时，NH4+-N 集中在根区土壤2 ～6 cm 深度，90 d 和120 d时，2 ～6 cm 土层浓度中心基本无变化。RF2 处理的NH4+-N 在30 d 集中在根区土壤8 ～12 cm 的 深度，而且在两侧分别呈现两个浓度中心（90 和120 d 则 恢 复1 个 浓 度 中 心）。RF3 处 理 的NH4+-N 在30 d 出现分层，主要集中在土壤下层3 ～5 和8 ～10 cm，90 d 时，两个NH4+-N 的中心逐渐垂直，主要集中在土壤下层3 ～5 和8 ～10 cm；120 d时，两个NH4+-N 中心主要集中在土壤下层4 ～6和10 ～14 cm。综上，根区施肥有利于根区土壤NH4+-N 的积累，其中，RF3 处理始终保持两个NH4+-N 浓度中心，能保证再生稻前期浅根系和后期深根系的养分需求。

2.2 施肥方式对土壤NO3--N 的影响

由图3 可知，FFP 处理的土壤NO3--N 在30 d 主要集中在土壤下层4 ～6 cm，随着时间的推移，NO3--N 中心逐渐消失。RF1 处理集中在根区土壤8 ～12 cm 深度，随着时间的推移，NO3--N 中心逐渐向周围扩散。RF2 处理的土壤NO3--N 在30 d 出现在根区周围，90 d 根区10 ～20 cm 的土壤NO3--N中心消失。RF3 处理的土壤NO3--N 在30 d 主 要集中在根区10 cm，90 d NO3--N 逐渐向施肥中心（土壤下层5 cm）集中。综上，3 种根区施肥处理的NO3--N 均分布于根区周围，且含量较小，不易损失。

2.3 施肥方式对再生稻株高的影响

由图4 可见，与CK 相比，其它4 种不同施肥处理的株高在不同生育期均有所提高，并在头季稻的成熟期达到最大值，头季稻成熟期FFP、RF1、RF2、RF3 处理分别比CK 处理提高了27%、24%、27%、31%。结果表明，3 种不同根区施肥处理相比FFP 处理在头季稻成熟期的株高没有显著差异，且株高顺序为RF3＞RF2＞FFP＞RF1＞CK；根区施肥RF2 和RF3 与FFP 处理相比在再生稻成熟期没有显著差异，且FFP、RF1、RF2、RF3 处理在再生稻成熟期分别比CK 处理提高了32%、24%、28%、28%。综上，一次性根区施控释尿素在减少施肥次数的情况下并未影响再生稻的株高，其中，RF3 根区施肥提高了头季稻成熟期的株高且再生稻与FFP处理相当，是一种最佳的根区施肥方式。

图2 根区土壤NH4+-N 含量

2.4 施肥方式对再生稻干物质积累的影响

由图5 可见，施肥明显提高了再生稻的干物质积累。RF1、RF2 处理在头季稻不同生育期的干物质积累量与FFP 处理无显著差异。头季稻成熟期RF1、RF2、RF3 处理的干物质积累量分别比FFP处理高3%、5%、8%，且RF3 与FFP 处理差异显著。再生季，3 种根区施肥处理也能保持较高的干物质积累量，其中再生稻的成熟期，各施肥处理FFP、RF1、RF2、RF3 的干物质积累量分别比不施肥处理CK 高84%、81%、82%、79%，但施肥处理之间差异不显著。

图3 根区土壤NO3--N 含量

2.5 施肥方式对再生稻关键生育期地上部氮素积累量的影响

由表2 可见，不同施肥处理对再生稻关键生育期地上部氮素积累量的影响不同。在头季稻分蘖期，3 种根区施肥处理与FFP 处理无显著差异；在头季稻齐穗期，与FFP 处理相比，RF3 处理显著提高了茎和叶的氮素积累量6%～8%，RF1 和RF2处理与FFP 处理无显著差异，各施氮处理穗的氮素积累量也无显著差异；在再生稻齐穗期，各施氮处理茎的氮素积累量无显著差异，RF2 和RF3较FFP 处理分别显著提高了叶的氮素积累量6%和4%，RF3 处理较FFP 处理显著提高了穗的氮素积累量18%。综上说明，根区施控释尿素处理均能够在减少施肥次数的情况下满足再生稻头季和再生季的生长，其中分层施控释尿素RF3 处理效果最佳。

图4 不同施肥方式下再生稻株高的变化

图5 不同施肥方式下再生稻干物质积累的变化

表2 不同施肥处理对再生稻地上部氮素积累量的影响 （kg/hm2）

2.6 施肥方式对再生稻产量构成因子及产量的影响

由表3 可见，施氮处理显著提高了头季和再生季的有效穗数、每穗实粒数以及产量，但对千粒重没有显著影响。对于头季稻，FFP、RF1、RF2 和RF3 处理的有效穗数较CK 处理分别提高了82%、55%、76%和91%，3 种根区施肥处理的有效穗数与FFP 处理也没有显著差异；RF3 处理的每穗实粒数与FFP 处理没有显著差异，但RF1 和RF2 处理与FFP 处理差异显著；各处理间的产量存在一定差异，施肥处理FFP、RF1、RF2 和RF3 较CK 分别增产了43%、45%、54%和57%，3 种根区施控释尿素处理较FFP 处理增产1%～10%，且RF3 处理显著高于FFP 处理。不同施肥处理的头季稻产量大小顺序为RF3＞RF2＞RF1＞FFP＞CK。

表3 不同施肥处理对再生稻产量构成因子及产量的影响

对于再生稻，一次性根区施控释尿素RF1、RF2 和RF3 处理与FFP 处理相比，有效穗数、每穗实粒数、千粒重和产量差异不显著，不同施肥处理的再生稻产量大小顺序为RF3＞RF2＞FFP＞RF1＞CK。综上表明，一次性根区施用控释尿素在减少施肥次数的情况下，可满足再生稻长生育期对养分的需求，保证再生稻产量水平。

3 讨论

3.1 根区施肥对根区土壤无机氮的影响

本试验采用十字形土壤采样方法，此方法已被多项研究采用［8，15］，在前人根区施肥的研究中此方法有效地呈现了肥料在根区土壤的运移规律，根区施肥在施肥时较为精准，且小区在控制条件下受到的干扰较小，下层土壤相对比较稳定，因此，此方法在根区施肥研究中有一定的代表性。

施肥方式和肥料品种是影响肥料利用率的关键，不同的施肥方式和肥料品种影响养分在土壤中的释放、迁移、转化特性，直接影响作物根系对其的吸收和生长［9］。研究结果表明，与农民常规施肥相比，3 种不同根区施用控释尿素处理保证了NH4+-N 在根区土壤的积累，施肥后30 d，RF1 处+-N 集中在根区2 ～6 cm；RF2 处理集中在根区8 ～12 cm；RF3 处理则出现2 个分层，分别集中在3 ～5 和8 ～10 cm，这主要归因于根区施肥能够将肥料集中在根系周围，大大延长了肥料在根区土壤的贮存时间。相关研究也证明了氮肥一次性根区施用提高了根区土壤中的氮含量，例如，Wang 等［8］研究证明根区一次施氮（深施10 cm）可显著提高施肥点周围土壤中的NH4+-N 含量，其施肥后30 d 时，根区施肥处理的NH4理的NH4+-N 含量最高值比表面撒施最高值高出了221.4%；孙浩燕［9］研究证明，浅层施肥（1 和5 cm）提高了土壤中的无机氮含量，能够满足水稻苗期的养分吸收。但以上研究均是以单季稻为研究对象进行的，对于再生稻而言，根区施肥需要同时满足两季水稻的生长，分层施肥（5 和10 cm）能够让NH4+-N 在土壤中的分布更合理，满足了再生稻前期和后期的养分需求。本研究中3 种根区施肥处理在再生稻生长前期其养分并未向上扩散到土表，大大降低了氮素通过土表损失的风险，虽然RF1、RF3 和FFP 处理在30 d时的NH4+-N 都集中在0 ～6 cm，但与速效氮肥土表撒施方式相比，控释尿素深施方式的前期氮素释放速率较为缓慢，因此氮素挥发风险相对较小，而且在水稻生长前期，水稻根系较小，对养分的需求较低，并不需要在土壤表层保持较高的氮浓度［8］。分层施肥的核心即是养分供应与作物需求一致，例如，吴景贵等［10］在玉米一次性分层施肥技术的研究中发现分层施肥完全可以替代分期施肥；梁海等［11］研究发现在小麦的生长中，普通肥和控释掺混肥一次分层施用均会增产。

NH4+-N 能够在土中长时间保持高浓度是控释尿素的作用，控释尿素与传统速效氮肥相比具有养分释放慢、肥效长、一次性施用能满足作物整个生育期需求等特点［16-17］。本研究中，施肥后90 d，根区施肥RF1、RF2 和RF3 处理的施肥点周围仍保持着稳定的NH4+-N（图2），而常规施肥FFP 处理随着时间的推移，NH4+-N 逐渐降低，可知控释尿素集中深施入根区可将养分长时间保留在根系周围，施肥后120 d，FFP 和RF1 处理的NH4+-N 仍集中在0 ～6 cm，RF2 处理则在8 ～12 cm 的位置保持一个浓度中心，RF3 处理的两个NH4+-N 浓度分别集中在4～6 和10～14 cm。再生稻一种两收，控释尿素在满足再生稻养分需求的同时分层施肥能够保证肥料在深施的情况下解决再生稻后期可能出现的养分供应不足的问题。

水稻对于NO3--N 的需求要小于NH4+-N［17］，本研究中与FFP 处理相比根区施肥的3 个处理NO3--N 浓度差异很小，但是FFP 处理的NO3--N 分布受到灌水的影响偏向一侧土壤；根区施肥处理则分布较为均匀，从而避免了淋洗和反硝化的风险。

3.2 根区施肥对再生稻生长的影响

本研究中，对于株高的影响，根区施肥与FFP处理差异不显著或者前者略高于后者，其中RF3 效果最佳；3 种根区施肥处理的干物质与FFP 处理相比在再生稻的整个生育期并无显著差异，且在头季稻成熟期时高于FFP 处理，其中RF3 分层施肥处理最高，这表明分层施控释肥利于再生稻株高和干物质积累。一次性分层施肥能促进玉米［10］和小麦［11］的生长，这与本研究的结果一致，不同的是本研究采用的是根区施肥，而且为了保证根区能够持续供应氮素采用了控释尿素。

养分供应的时间有效性与作物的需求同步才能达到作物高产与养分高效，即肥料供应必须符合作物吸收养分的规律，达到根层养分供应在数量、时间、空间上与高产作物需求相匹配、同步、一致，这就要求在水稻生长阶段要保证足够的植株氮浓度［18-19］。本研究中，与FFP 处理相比，3 种根区施控释尿素处理均未影响到再生稻关键生育期的地上部植株氮含量，这是由于根区一次性施控释尿素能够在水稻前期需氮量较小时将更多的养分保存在土壤中不流失，在需氮高峰期及时满足水稻对氮素的吸收，从而增加水稻各器官对养分的吸收［8］，且综合两季植株各器官的氮含量看，RF3 处理最符合再生稻的生长，这是由于分层施肥使肥料在土壤中空间分布合理，可持续供应氮素，能够满足再生稻前期和后期的养分需求。

3.3 根区施肥对再生稻产量的影响

水稻施肥技术是提高水稻产量的重要途径，肥料品种和施肥位置是4R 技术（适当的肥料品种、施肥用量、施肥时间和施肥位置）中重要的两个关键点［18］，本研究通过施肥位置和氮肥品种优化来丰富根区施肥理论和实践，也是针对优化4R 技术来提高水稻产量。与常规施肥FFP 处理相比，RF1、RF2 和RF3 处理均提高了头季的水稻产量，增幅为1%～10%，其中RF3 与FFP 处理差异显著，RF2、RF3 处理还提高了再生季的水稻产量。主要原因有两个方面，一是氮肥深施距离水稻根系更近，能直接为根系吸收，为水稻高产奠定了基础；二是水稻苗期需要的氮素较少，氮肥深施能有效减少水稻生长过程中的氨挥发，从而达到作物养分吸收与肥料养分释放的协同效应，有利于提高水稻产量和氮肥利用效率［8，20］。再生稻的生产有别于一季稻，一次性施肥需满足两季水稻的生长，本研究中根区5 cm施肥虽然能保证再生稻前期的生长，但无法保证后期的养分供应，根区10 cm 施肥距离水稻前期根系较远，也可能无法充足供应前期水稻的养分，而分层施肥将肥料同时施入土壤中5 和10 cm 能够满足两季水稻生育期对养分的需求。与农民常规施肥相比，分层施肥显著提高了头季稻产量，也提高了再生季的水稻产量，这说明根区施肥的可行性。本研究的不足在于缺乏根据再生稻的需肥规律调整两层肥料施氮量的比例问题，这有待于深入研究。

4 结论

与常规分次施肥相比，一次性根区施控释尿素能够提高根区土壤的NH4+-N 含量并延长了肥料氮在土壤中的贮存时间，且分层施肥效果最好，说明根区一次性分层施控释尿素利于再生稻根区土壤的NH4+-N 供应。

一次性根区施肥RF1、RF2、RF3 处理比常规分次施肥分别在头季增产1%～10%，且在再生季产量大小顺序为RF3＞RF2＞FFP＞RF1＞CK，说明根区一次性施控释尿素能够代替当前的分次施氮，实现再生稻高产稳产，为再生稻精准化和轻简化施肥提供理论指导和技术支撑。