沿淮稻麦轮作区有机肥部分替代化肥对水稻产量、养分利用率的影响

吴中原, 江鑫鑫, 方俊超, 李孝良,2*

(1.安徽科技学院 资源与环境学院,安徽 凤阳 233100;2.安徽省农业废弃物肥料化利用与耕地质量提升工程研究中心,安徽 凤阳 233100)

水稻产量约占中国谷物总产量的34%,中国60%以上的人以稻米为食[1-2]。稻麦轮作是中国长江中下游粮食主产区一种主要的种植制度[3-4],虽然近些年来中国小麦与水稻产量有所提高,但却依赖于化肥的过量施用,尤其是以氮肥为主。过多的氮肥投入会加大土壤中氮素的积累,使土壤质量退化、养分失衡[5-7]、氮素农学生产力下降[8-9]。有机肥替代部分化学氮肥施用,不仅能够提高作物产量、提升作物的氮肥利用率,还能改善土壤肥力、减少环境污染[10-12]。

本研究基于氮替代的有机肥替代化肥对水稻产量、养分吸收的影响研究,在降低化肥施用量的基础上,探究合适的有机肥替代比例,以期为中国沿淮地区稻麦轮作区有机肥、无机肥配施技术的推广提供技术支撑,为中国粮食安全保障做出贡献。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验位于安徽省滁州市凤阳县小岗村,试验区土壤类型为黄褐土,母质为Q3黄土,pH为8.22,有机质含量为10.8 g/kg,全氮含量为0.50 g/kg,有效磷含量为23.7 mg/kg,速效钾含量为233 mg/kg。

1.2 供试材料

供试水稻品种为晶两优华占。供试肥料为尿素(N,46%)、过磷酸钙(P2O5,12%)和氯化钾(K2O,60%),有机肥中有机质含量为450 g/kg、N含量为20.0 g/kg、P2O5含量为20.0 g/kg、K2O含量为30.0 g/kg。

1.3 试验方案设计

采用单因素试验方案设计,随机区组排列,共6个处理,3次重复。各处理分别为对照(CK)、化肥(NPK)、有机肥(OF)、有机替代10%N(OF10)、有机替代20%N(OF20)和有机替代30%N(OF30)。试验方案见表1。于2022年6月进行试验,每个小区面积为40 m2,株距为13 cm,行距为30 cm,基本苗约8.5万株。在水稻分蘖期、孕穗期追肥,10月22日收获测产。

1.4 分析测定方法

分别于7月21日(分蘖期)、8月20日(拔节期)、10月2日(灌浆期)、10月22日(收获期)采集水稻地上部植株样品3～5株,115 ℃下杀青,65 ℃下烘干,测定植株干质量,粉碎后测定氮、磷、钾养分含量,其中收获期样品分别测定秸秆和籽粒的生物量与养分含量。水稻收获期小区分3点,每点收取行长为1.5 m水稻穗,考种计产。

植株氮、磷、钾含量的测定[13]:植株样品经H2SO4-H2O2消煮,采用定氮仪蒸馏滴定法测定全氮含量,采用钼蓝比色法测定全磷含量,采用火焰光度计法测定全钾含量。

植株养分吸收利用效率的计算公式如下[14-15]:

植株吸氮(磷、钾)量=氮(磷、钾)含量×干物质量;

植株生育期氮(磷、钾)吸收量(g)=该生育期氮(磷、钾)积累量-前一生育期氮(磷、钾)积累量;

氮(磷、钾)素收获指数=成熟期籽粒中氮(磷、钾)积累量/成熟期地上部总氮(磷、钾)积累量;

化肥氮利用率(%)=(施氮处理植株氮积累量-对照植株氮积累量)/化肥氮施用量×100;

化肥氮农学利用率(kg/kg)=(施氮处理籽粒产量-对照籽粒产量)/化肥氮施用量;

化肥氮偏生产力(kg/kg)=籽粒产量/化肥氮施用量;

肥料总氮利用率(%)=(施氮处理植株氮积累量-CK植株氮积累量)/施氮总量×100;

肥料总氮农学利用率(kg/kg)=(施氮处理籽粒产量-CK籽粒产量)/施氮总量;

肥料总氮偏生产力(kg/kg)=籽粒产量/施氮总量。

其中,化肥氮计算时,NPK处理的对照为CK,OF10、OF20、OF30处理的对照为OF。

1.5 数据处理与统计

使用Excel 2007和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析,使用Origin 2021作图。

2 结果与分析

2.1 有机肥部分替代化肥对水稻产量及构成的影响

由表2可知,不同施肥处理间水稻产量差异显著。供试处理中水稻产量以CK处理最低,为356.3 kg/667 m2;以OF30处理产量最高,为640.7 kg/667 m2;较CK、OF、NPK处理,OF30处理产量分别提高了79.8%、39.2%、16.6%。通过水稻产量构成可以看出,OF30处理相对于CK、OF处理,水稻有效穗数、千粒重显著增加,有机无机配施可改善水稻营养供应状况,促进了水稻分蘖与籽粒产量的形成,通过提高有效穗数与千粒重,增加水稻产量。相较于NPK处理,OF30处理通过增加穗粒数,提高水稻产量,OF30水稻穗粒数较NPK提高了27.4%。

表2 有机肥部分替代化肥对水稻产量及构成的影响

2.2 有机肥部分替代化肥对水稻氮、磷、钾含量的影响

由图1可知,不同的施肥处理对水稻秸秆和籽粒养分含量的影响是有差异的。水稻全氮、全磷、全钾的含量随着生育进程的推进呈降低趋势。水稻拔节期、灌浆期、成熟期地上部植株氮平均含量为9.1、7.4、5.0 mg/g,为分蘖期植株氮含量的40.6%、33.0%、22.3%;磷平均含量为6.0、3.8、1.9 mg/g,为分蘖期植株磷含量的73.2%、46.3%、23.2%;钾平均含量为17.8、15.5、13.5 mg/g,为分蘖期植株钾含量的70.6%、61.5%、53.6%。综上,各生育期水稻地上部植株以及籽粒中氮、磷、钾含量以OF20、OF30、NPK处理较高,OF与CK含量较低,但养分含量均高于CK处理。表明施肥可增加水稻生育期的养分含量。

图1 有机肥部分替代化肥对水稻氮(A)、磷(B)、钾(C)含量的影响Fig.1 Effects of partial replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer on nitrogen (A),phosphorus (B) and potassium (C) contents in rice注:图表中不同小字母表示在0.05水平上差异显著。下同。

2.3 有机肥部分替代化肥对水稻氮、磷、钾积累量的影响

由图2可知,水稻地上部养分积累量随着生育期进程呈增加趋势。水稻分蘖期、拔节期、灌浆期氮平均积累量分别为32.7、37.9和53.4 mg,为水稻成熟期氮平均积累总量的30.0%、34.7、48.9%;磷平均积累量为12.0、24.7和29.5 mg,为水稻成熟期磷平均积累量的25.2%、51.9%、62.0%;钾平均积累量为36.6、73.4和109.3 mg,为水稻成熟期钾平均积累量的28.9%、57.9%、86.2%。施肥可显著增加水稻生育期的养分积累量。从水稻地上部养分积累量来看,以NPK、OF20、OF30处理较高,CK和OF处理较低,一定比例的化肥有机替代可增加水稻生育后期的养分积累量。OF30处理中水稻灌浆期至成熟期地上部植株N、P、K养分吸收量占水稻整个生育期地上部植株N、P、K积累总量的比例较NPK处理提高了7.0%、0.7%和1.1%,有效改善了水稻生育后期营养状况。

2.4 有机肥部分替代化肥对成熟期水稻养分吸收利用效率的影响

2.4.1 有机肥替代对水稻氮素吸收利用效率的影响 氮素是水稻生长发育必需的营养物质,氮素吸收能力强、积累量高是水稻产量形成的重要营养基础[16]。由表3可知,除了OF20中化肥氮利用率、化肥氮农学利用效率、氮素收获指数低于NPK处理外,其吸氮总量、总氮利用率、总氮农学利用效率、化肥氮偏生产力、总氮偏生产力均高于NPK处理,这可能是因为试验田设立时间较短,导致试验效果不显著。OF30处理中的部分氮素指标高于NPK处理,化肥氮利用率、化肥氮农学利用率、总氮利用率、总氮农学利用率相较NPK提高了49.5%、33.6%、48.8%、47.7%,相较于OF20提高了67.1%、68.2%、28.5%、26.4%,差异显著;OF30处理中化肥氮偏生产力、总氮偏生产力相较于NPK提高了66.9%、16.7%,比OF20提高了30.0%、10.2%;与CK相比,施肥可降低水稻的氮素收获指数,OF30处理中氮素收获指数较NPK处理略低,差异不显著。表明有机肥的替代不影响田间试验水稻对氮素的吸收,且随着有机肥施用比例的增加可提高氮素的利用效率,改善水稻氮素营养状况。

表3 有机肥部分替代化肥对水稻氮素吸收利用效率的影响

2.4.2 有机肥替代对水稻磷素吸收利用效率的影响 磷素在水稻生长发育中参与糖、蛋白质的代谢,提高籽粒饱满度和千粒重。随着有机肥替代比例增加,水稻吸磷总量呈上升趋势,OF30处理4.8 kg/667 m2最高,NPK处理4.6 kg/667 m2次之,OF20处理为4.3 kg/667 m2,差异不显著。在化肥磷利用率、农学利用率中,以OF30处理最高,OF10处理最低,OF30显著高于NPK处理。在总磷利用率、总磷偏生产力中,OF30均高于NPK、OF20处理,相较于NPK分别提高8.8%、16.7%,比OF20提高31.2%、10.1%(表4)。

表4 有机肥部分替代化肥对水稻磷素吸收利用效率的影响

2.4.3 有机肥替代对水稻钾素吸收利用效率的影响 钾素在水稻生长发育中有提高植株抗性和促进蛋白质合成的作用。由表5可知,OF10、OF20、OF30处理中水稻吸钾量分别为9.9、11.7、13.0 kg/667 m2,NPK处理略低于OF30,为12.2 kg/667 m2。在化肥钾利用率、化肥钾农学利用效率、化肥钾偏生产力中,以OF30处理最高,与NPK相比差异性显著。这是因为基于氮替代的肥料施用总量中,化肥钾的施用量降低,导致化肥钾利用率增幅较大。相较于NPK,OF30处理中总钾利用率、总钾农学利用率、总钾偏生产力分别提高了15.7%、47.0%、16.5%,比OF20提高了30.7%、26.0%、10.0%。从钾素收获指数分析,OF30较NPK提高了20.0%,较OF20提高了10.1%。

表5 有机肥部分替代化肥对水稻钾素吸收利用效率的影响

3 结论与讨论

高菊生等[17]、徐明岗等[18]研究表明,有机肥无机肥的配施可增加水稻产量。本研究也表明,有机肥部分替代化肥,可显著提高水稻产量。钟国民等[19]研究表明,化肥过量施用可以促进水稻分蘖,但无效分蘖和小穗占比多,降低了水稻穗粒数;本研究表明,NPK处理有效穗数相对最高,但穗粒数显著低于有机肥部分替代化肥处理,影响水稻产量。有机肥部分替代化肥处理通过前期控制氮肥和后期有机营养补充,显著提高水稻穗粒数和千粒重,实现增产效果,与任科宇等[10]研究一致。

施用有机肥可增加土壤中氮、磷、钾养分含量,改善作物根系生长的环境[20],提高水稻养分吸收量。本研究也表明,有机肥替代20%～30%化肥氮(OF20、OF30),水稻氮磷钾养分含量最高。尹彩侠等[21]研究表明,适当施用有机肥可以促进水稻对氮、磷、钾养分的吸收与利用,灌浆期至成熟期化肥有机肥配施处理的氮、磷、钾养分累积量要高于化肥处理。本研究中,OF30处理中水稻灌浆期至成熟期地上部植株N、P、K养分吸收量占水稻整个生育期地上部植株N、P、K积累总量的比例较NPK处理提高了7.0%、0.7%和1.1%,水稻生育期养分含量没有降低。在等养分条件下,有机肥部分替代化肥对水稻中养分含量增加是可行的。

有机肥替代化肥的施用可以提高肥料利用效率、肥料偏生产力[22-23]。本研究也表明,随着有机肥替代比例的增加,化肥利用效率、偏生产力呈增加趋势。相较于NPK处理,以OF30处理化肥利用率、农学利用效率、偏生产力等数值最高,有效改善水稻生育期养分吸收状况。韩雪梅等[14]研究也表明,有机肥施用具有更好的稳产性、养分均衡性,养分利用效率较高。

毛伟等[24]研究表明,化肥有机替代存在一个合适的比例,不是比例越高效果就越佳,过量的施用有机肥对水稻的产量提升效果不显著,因为有机肥的养分释放缓慢,过度替代氮肥导致水稻生长前期养分供应不足,生长发育缓慢,不利于水稻高产和稳产。叶鑫等[25]在辽宁省灯塔市的水稻试验中表明,有机肥等氮替代比例在20%～40%有利于水稻高产稳产。王恒祥等[26]在江苏省盐城市的稻麦轮作试验中表明,有机肥氮替代比例在20%～30%有利于水稻生长和氮肥的利用。高学双等[27]研究也表明,水稻基肥用有机肥替代化肥10%～30%,水稻未减产且有一定增产效果。本研究表明,与当地常规施肥方式相比,有机肥等氮替代化肥可增加水稻产量,提高肥料的利用效率,以OF30即有机替代30%N处理效果最佳,水稻增产16.6%,氮肥利用率提高49.5%,适宜于沿淮稻麦轮作区域的应用。