化肥减量施用对双季稻氮磷吸收转化及利用率的影响
孙婉薷 巩宏杰 李竹 嵇康轩 王波
摘要：采用田间小区试验，研究不同化肥水平对双季稻产量、各生育期养分吸收与肥料利用效率的影响。结果表明，3个水稻季，50%常规氮磷施用水平（T1）、70%常规氮磷施用水平（T2）、100%常规氮磷施用水平（T3）、150%常规氮磷施用水平（T4）处理较不施氮磷肥（T0）处理的增产率分别为42.82%～79.62%、24.28%～48.37%、37.85%～77.48%，其中T2处理的边际效应最高;施肥处理水稻植株氮素和磷素的积累总量（3季平均）分别较T0处理显著提高39.48%～108.40%和46.08%～113.90%;随着化肥投入量的增加，氮肥、磷肥吸收利用率则呈先上升后下降趋势，其中T2处理最高、T4处理最低，T2处理的氮肥、磷肥吸收利用率较T4处理显著提高了21.26%～39.77%、28.25%～53.60%。综合产量、养分吸收和肥料利用率等指标，与100%常规氮磷施用水平（T3）相比，70%常规氮磷施用水平（T2）处理对水稻产量无显著影响，且氮肥、磷肥吸收利用率最高，所以双季稻产区有减肥30%的潜力。
关键词：化肥减施;氮磷吸收;氮磷利用率;养分管理
中图分类号：S511.06 文献标志码：
A
文章编号：1002-1302（2021）17-0100-07
收稿日期：2021-01-13
基金项目：国家重点研发计划（编号：2017YFD0800100）。
作者简介：孙婉薷（1997—），女，陕西安康人，硕士研究生，主要从事植物营养与生态修复研究。E-mail：781398385@qq.com。
通信作者：王 波，博士，副教授，主要从事植物营养与生态修复研究。E-mail：wangb@suda.edu.cn。
水稻是我国重要的粮食作物，在我国的种植面积与产量占粮食作物的26%和32%[1]，化肥的施用为我国水稻增产作出了巨大贡献，缓解了粮食需求压力，保障了我国粮食安全[2-3]。但近年来，为了追求高产量常常会施用过量的化肥，我国水稻种植过程中普遍存在化肥投入高、肥料利用率低、养分流失大等问题，并且过量的氮磷流入周围河流、湖泊等水体中，加剧了农业面源污染，引发严重的环境问题[4-5]。
因此，这种大量施用化肥的生产模式亟待转变，以满足农业绿色发展的现实需求。大量研究表明，随着施肥量的增加，水稻产量和肥料利用率呈先增后降的趋势，且氮肥的施用有助于稻米提升营养和品质[6-7]，但化肥施用量增加会加剧氮磷流失[8-9]，增大温室气体排放的效应值[10]。鉴于此，本研究选择丘陵区典型双季稻田，通过连续3个水稻季观测不同化肥水平对双季稻产量、各生育期养分吸收与肥料利用效率的影响，以期为双季稻产区探索适宜的化肥施用水平提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验田位于湖南省长沙县金井镇的中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站的双季稻稻区（112°56′～113°30′E、27°55′～28°40′N，海拔135 m），多年平均气温17.5 ℃，无霜期约为274 d，多年平均降水量为1 422 mm。土壤类型为花岗岩发育的水稻土，0～20 cm耕层土壤基本理化性质为全氮含量2.54 g/kg，全磷含量 0.62 g/kg，全钾含量38.8 g/kg，有机碳含量 22.1 g/kg，容重1.07 g/cm3，pH值为5.31。
1.2 试验设计
试验设置5个化肥梯度，即0%F（T0）、50%F（T1）、70%F（T2）、100%F（T3）、150%F（T4）。以当地农民的氮、磷肥施用量为100%基准。早稻化肥正常用量为氮肥（N）120 kg/hm2，磷肥（P2O5） 75 kg/hm2，钾肥（K2O）100 kg/hm2。晚稻化肥正常用量为氮肥（N）150 kg/hm2，磷肥（P2O5）75 kg/hm2，钾肥（K2O）100 kg/hm2。氮肥采用尿素，磷肥采用钙镁磷肥，钾肥采用氯化钾。氮肥按基肥 ∶分蘖肥=3 ∶1分次施用，磷肥和钾肥作基肥一次性施用。每个化肥梯度设3次重复，共15个处理，小区面积为270 m2。
试验时间为2018年早稻季至2019年早稻季。移栽日期分别为2018年4月28日、2018年7月28日、2019年4月27日，行间距为27 cm×27 cm。移栽前1 d施用基肥，移栽2周后施追肥和除草剂苄丁。移栽1个月后，人工排水晒田。晒田10 d后复水，并施用殺虫剂虫酰肼，在收获前2星期左右再次排水晒田。
1.3 样品采集与分析方法
水稻收获前1 d，在每小区取5个样方（每个 1 m2）估测产量，所获籽粒风干后称质量，折合成含13.5%水分的标准产量，即为最后实际产量。
试验期间采集植物样测定生物量和植株含氮量、含磷量。分别于水稻分蘖期、抽穗期和成熟期，各小区取代表性5穴，根据5穴的平均质量和田间小区插秧密度来确定分蘖期、抽穗期植株生物量，收获期生物量则根据小区样方测产来计产。分蘖期、抽穗期分别测定水稻根系和地上部含氮量、含磷量，收获期测定水稻根系、留茬、秸秆和籽粒含氮量、含磷量。取样后，将各部分分开后用烘箱105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒质量，粉碎并过60目筛备用。植物干样采用H2SO4-H2O2消煮，流动分析仪测定氮含量，钒钼黄比色法测定磷含量[11]。
1.4 数据分析与处理
（1）化肥的边际效应计算公式为
MU=ΔYΔF。
式中：MU代表边际效应，kg/kg;Y代表产量，kg/hm2;F代表化肥施用量，kg/hm2。
（2）氮（N）、磷（P2O5） 2种养分的吸收利用效率参数计算公式相同，以氮为例介绍如下：
生育期水稻总吸氮量（kg/hm2）=根系生物量×根系含氮量+秸秆生物量×秸秆含氮量+籽粒生物量×籽粒含氮量;
氮素积累总量（kg/hm2）=籽粒生物量×籽粒含氮量+秸秆生物量×秸秆含氮量;
每100 kg籽粒需氮量（kg/hm2）=氮积累总量/稻谷产量×100;
氮肥吸收利用率=（施氮区氮积累总量-未施氮区氮积累总量）/施氮量×100%。
采用Excel 2013和SPSS 19.0 软件对试验数据进行计算分析，并制作表格。
2 结果与分析
2.1 稻田产量及其构成因素
由表1可以看出，籽粒产量随着化肥施用水平的提高而增多，且T1、T2、T3、T4处理的籽粒产量均显著高于T0处理，因此施用化肥能顯著提高水稻籽粒产量。3个水稻季，各施肥处理的增产率分别为42.82%～79.62%、24.28%～48.37%、37.85%～77.48%。但T2、T3、T4处理间籽粒产量及籽粒增产量均无显著差异，表明化肥水平高于70%F后，化肥投入量持续增加，但水稻籽粒产量并没有显著增加。其中，T2处理的边际效应最高，T1处理次之，随后是T3与T4处理，这说明随着化肥施用水平的提高，化肥的边际效应先升高再降低，在70%F水平下化肥的边际效应达到最大。
产量构成因素方面，随着化肥施用水平的提高，株高、结实率、千粒质量均增加。早稻季，T2、T3、T4处理的水稻株高显著高于T0处理，而晚稻季仅有T4处理的水稻株高显著高于T0处理，表明早稻季气温低，化肥施用对水稻株高的影响较为显著，而晚稻季气温高，水稻植株长势良好，化肥施用对水稻株高的影响较小。3个水稻季，T2、T3、T4处理的水稻千粒质量均显著高于T0处理，所以70%F及以上化肥水平能显著提高水稻的千粒质量，从而提高水稻产量。
2.2 不同生育阶段养分积累量
由表2可知，2018年早稻季，分蘖至抽穗期是水稻氮素吸收量占比最高的时期，各处理的占比为31.89%～40.92%。2018年晚稻季，移栽至分蘖期是水稻氮素吸收量占比最高的时期，各处理的占比为45.90%～56.12%。总体来看，随着施肥水平的提高，水稻的氮素各阶段吸收量及吸收总量均呈上升趋势，其中T4处理的水稻氮素吸收总量最高，早稻季为108.35 kg/hm2，晚稻季为164.25 kg/hm2。T1、T2、T3、T4处理的水稻氮素吸收总量均显著高于T0处理，说明施用化肥能显著提高水稻的氮素吸收量，但T2与T3处理各阶段氮素吸收量及总吸收量间差异均不显著。
由表3可知，分蘖至抽穗期是水稻磷素吸收量占比最高的时期。2018年早稻季，分蘖至抽穗期，各处理的磷素吸收量占磷素吸收总量的43.56%～48.58%。2018年晚稻季，分蘖至抽穗期，各处理的磷素吸收量占磷素吸收总量的29.75%～41.75%。总体来看，随着施肥水平的提高，水稻的磷素各阶段吸收量及吸收总量均呈上升趋势，T4处理的水稻磷素吸收总量最高，早稻季为21.47 kg/hm2，晚稻季为26.55 kg/hm2。T1、T2、T3、T4处理的水稻磷素吸收总量均显著高于T0处理，且T1、T2、T3处理的磷素吸收总量均无显著差异。
2.3 成熟期养分分配情况
由表4、表5可知，水稻成熟期各部位吸氮量、吸磷量表现为籽粒>秸秆>根>留茬，且籽粒的氮素、磷素吸收量占地上部的大部分。随着施肥量的增加，植株各部位的吸氮量、吸磷量均呈上升趋势。
3个水稻季，收获时各施肥处理根、留茬、秸秆和籽粒的吸氮量分别为5.66～10.21 kg/hm2、2.50～7.30 kg/hm2、22.15～60.17 kg/hm2和41.61～86.57 kg/hm2，其中秸秆和籽粒带走的总氮量为66.00～146.74 kg/hm2。2018年早稻季，T2、T3、T4处理的根、留茬、秸秆和籽粒氮素吸收量均显著高于T0处理。2018年晚稻季，T1、T2、T3、T4处理的秸秆和籽粒氮素吸收量均显著高于T0处理。2019年早稻季，T1、T2、T3、T4处理的根、留茬、秸秆和籽粒氮素吸收量均显著高于T0处理，说明化肥施用可以显著提高水稻成熟期各部分的吸氮量。3个水稻季，T2、T3处理的根、留茬、秸秆和籽粒氮素吸收量均无显著差异。
3个水稻季， 收获时各施肥处理根、留茬、 秸秆和籽粒的吸磷量分别为0.83～1.78 kg/hm2、0.35～0.87 kg/hm2、3.60～7.67 kg/hm2和10.47～16.23 kg/hm2，其中秸秆和籽粒带走的总磷量为14.07～23.90 kg/hm2。3个水稻季，T2、T3、T4处理的秸秆和籽粒磷素吸收量均显著高于T0处理;T2、T3处理根和籽粒的磷素吸收量无显著差异。
2.4 氮素磷素利用率
由表6、表7可知，随着化肥投入量的增加，双季稻植株的氮素、磷素积累总量及100 kg籽粒吸氮量、吸磷量均呈上升趋势;而氮肥、磷肥吸收利用率则呈先上升后下降趋势。
T0处理平均氮素、磷素积累总量分别为55.51、10.12 kg/hm2，T1、T2、T3、T4处理的平均氮素、磷素积累总量与T0相比分别提高了39.48%、64.11%、79.04%、108.40%和46.13%、72.45%、95.35%、113.97%。T1、T2、T3、T4处理的氮素、磷素积累总量均显著高于T0处理，表明施用化肥能显著提高水稻的氮素、磷素积累总量。
3个水稻季，氮肥、磷肥吸收利用率均以T2处理最高、T4处理最低，这表明在50%～70%F梯度，随着化肥水平的提高，氮肥、磷肥吸收利用率呈上升趋势;而在70%～150%F梯度，随着化肥水平的提高，氮肥、磷肥吸收利用率呈下降趋势。2018年晚稻季，各施肥处理的氮肥、磷肥吸收利用率均无显著差异;2018年和2019年早稻季，T2处理的氮肥、磷肥吸收利用率显著高于T4处理，说明早稻季化肥水平从70%F提高到150%F会显著降低氮肥、磷肥吸收利用率。
3 讨论与结论
氮磷是水稻植株生长发育及产量形成的关键限制因素[12-13]。本研究中，连续3个水稻季的试验结果表明，T0处理籽粒产量显著低于其他施肥处理，表明肥料的施用可以显著提高籽粒产量。增加施氮量、施磷量可以促使水稻有效分蘖，增加成熟期穗数，提高每穗粒数和结实率，进而获得高产[14-16]。杨建等在吉林地区的研究表明，水稻产量会随着施氮量的增加而先增加后下降，当氮肥施用量超过 180 kg/hm2，水稻产量反而会下降[17]。而本研究T4处理晚稻季施氮肥225 kg/hm2，但产量并未下降，可能是由于红土N、P比较缺乏[18]，土壤自身养分供应不足。晚稻季的产量高于早稻季，一是由于晚稻氮肥施用量更高，二是晚稻种植期间气温较高，利于作物生长。
水稻本身对氮磷有吸收和固定作用[19]。本研究中，随化肥投入的增加，水稻植株总吸氮量、总吸磷量及成熟期各部分吸氮量、吸磷量均呈上升趋势，说明施肥可以提高水稻各个生育期氮素、磷素的积累量。有研究表明，施肥可以提高各生育期的氮素积累量[20]，并增加水稻各部分的干物质及养分积累量[21]。而氮素、磷素积累总量的增加，会提高水稻干物质积累总量，进而增加产量[22-23]。
施肥处理水稻植株氮素和磷素的积累总量（3季平均）分别较T0处理显著提高39.48%～108.40%和46.08%～113.90%，施肥显著提高了水稻植株氮磷吸收量。这表明自然条件下土壤提供的氮素和磷素不能充分满足水稻生长需求，施肥能提高植株氮磷吸收量，但并非施肥量越高植株氮磷吸收量就越高。冯涛等的研究中，当施氮量在 0～225 kg/hm2时，水稻植株的氮素吸收量随施氮量的增加而增加，但当施氮量超过225 kg/hm2后植株的氮素吸收量基本保持稳定[24]。本研究中，T2与T3处理氮素、磷素积累总量和100 kg籽粒吸氮量、吸磷量的差异均不显著，说明70%F处理的氮磷施用量短期内不会对水稻植株的氮磷吸收量产生显著影响。
氮磷肥吸收利用方面的研究相对较多，如张洪程等就不同化肥施用量对干物质积累量及氮磷吸收特性的影响进行了相关研究，发现植株吸氮量和吸磷量、干物质累积量、每100 kg籽粒需氮量均随施肥量的增加而增加，但氮磷肥吸收利用率及农学利用率均随着施肥量的增加而先增加后减少[25-27]，这与本研究得到的结果一致。适量施肥可以促进水稻增加侧生根数量，同时使根毛变密变长，进而提高水稻植株的养分吸收表面积及吸收能力，但是过量的氮肥反而会促进茎部生长，抑制根部延长[28-29]。施肥可以促进水稻对养分的吸收，但超过一定限度，化肥施用量越高，损失越多，利用率下降，所以应该合理施肥，以提高肥料利用率。而本研究中各施肥处理的氮肥利用率和磷肥利用率分别达到27.42%～40.05%和8.63%～14.74%，与张福锁等的研究结果[3]相似。
我国45%的稻田施用了过量的氮肥[30]，已有研究表明，减肥10～20%并不会显著影响水稻籽粒产量，能保证高产稳产，并且对植株地上部的氮、磷、钾含量无显著影响[31-32]。本研究结果也表明，70%F处理（即减肥30%）对水稻产量无显著影响，且氮肥、磷肥吸收利用率最高，所以双季稻产区有减肥30%的潜力。
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