育秧期缽盤施用全量控釋肥顯著降低稻田氮素?fù)p失風(fēng)險

孫巧玉，劉依琳，楊洪福，陳 雪，范先鵬，孫文濤，王玉峰，楊越超，侯立剛，劉宏斌*

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染重點實驗室，北京 100081；2 云南省昆明市生態(tài)環(huán)境宣傳教育中心，云南昆明 650500；3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京 100125；4 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，湖北武漢 430064；5 遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，遼寧沈陽 110161；6 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江哈爾濱150086；7 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東泰安271018；8 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，吉林公主嶺 136100）

稻田氮肥過量投入已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象，對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了威脅[1]。特別是氮磷等養(yǎng)分進入地表水和地下水，引起水體富營養(yǎng)化和地下水硝酸鹽污染[2]。尤其是水稻施肥重基蘗肥，此時水稻生長氮素需求量低，基蘗肥與降雨耦合加劇了稻田氮磷流失和面源污染問題[3–4]。因此，根據(jù)水稻需肥規(guī)律，在其需肥關(guān)鍵時期提供肥料，使產(chǎn)量效益和氮肥利用率最大化，保護生態(tài)環(huán)境安全。

控釋氮肥是一種利用聚合物包膜控制肥料養(yǎng)分釋放量和釋放期的肥料，其養(yǎng)分供應(yīng)量和釋放時間與作物生長所需吻合度較高。一次性全量基肥施用，不僅可以節(jié)省勞動力，減少氮素?fù)p失，還提高了作物對氮素的吸收利用效率[5]。20世紀(jì)90年代，日本將控釋氮肥引入水稻育秧[6]，并研究推廣水稻育秧箱全量施肥技術(shù)[7]。水稻育秧全量施肥不僅對水稻產(chǎn)量無影響，還減少了氮素?fù)p失，大大提高了氮素利用率[8–10]。生產(chǎn)上，大多采用水稻大田苗床旱育秧、硬育秧盤旱育秧，這種育秧方式操作簡單、成本低，但播種量大、秧齡一致性差，秧苗弱、植傷嚴(yán)重，移栽后水稻緩苗慢，縮短了全生育期。20世紀(jì)60年代，日本學(xué)者[11]研發(fā)了缽型紙筒育秧，逐漸發(fā)展成為缽盤育秧。缽盤育秧每穴形成獨立根團，秧苗移栽無植傷，秧苗健壯、返青快、分蘗早且快[12]。然而，在秧苗期采用缽盤育秧的同時施入控釋氮

肥，以完整根團帶肥入田的施肥方式尚未見報道。本研究將水稻育秧全量施肥和缽盤育秧相結(jié)合，研究缽盤育秧全量施肥對秧苗生長、水稻產(chǎn)量、田面水氮素動態(tài)變化及氮素減排效能的影響，以期在保證水稻產(chǎn)量條件下為簡化水稻栽培、提高氮肥利用率、降低稻田氮素流失風(fēng)險提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗地位于湖北省安陸市車站村(31°20'12.22"N，113°40'30.82" E)，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，日均最高氣溫和最低氣溫分別是34℃和1℃，年平均氣溫15.8℃，無霜期達246天，年平均降水量1172 mm。近3年試驗地年水稻季氣溫和降水量見圖1。試驗地土壤為水稻土，0—20 cm土壤基礎(chǔ)性質(zhì)：pH 6.86、有機質(zhì)含量21.79 g/kg、全氮0.97 g/kg、堿解氮 47.68 mg/kg、有效磷 8.44 mg/kg、速效鉀 59.40 mg/kg。

圖1 近3年試驗地水稻季氣溫和降水量Fig. 1 Monthly temperature and precipitation in 3 years in Anlu City, Hubei Province

試驗用水稻品種為華夏香絲。水稻育秧盤為長60 cm×寬 30 cm×高 3.5 cm 的機插育秧硬盤，育秧缽盤為 200 穴 (長 54 cm×寬 28 cm×高 4.3 cm，孔徑直徑1 cm)缽苗育秧盤。育秧土采自水稻田。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用完全隨機設(shè)計，設(shè)置3個處理，每個處理設(shè)置3次重復(fù)，共9個小區(qū)，每個小區(qū)面積為30 m2。各處理育苗和施肥方式見表1。

表1 各處理育苗和施肥方式Table 1Methods of seedling-raising andfertilization in each treatment

1.3 秧苗及大田管理

2020年5月18日開始育秧。缽苗育秧盤施肥量計算方法：缽盤育秧全量施肥處理的大田期肥料隨秧苗根團帶入大田，故按照大田施氮量165 kg/hm2計算穴盤控釋氮肥施入量(即缽盤育秧施肥量=大田施氮量/控釋氮肥含氮量/插秧密度)?？蒯尩试?5℃水中氮素累積釋放量大于80%時的養(yǎng)分釋放期為180天，由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院提供。水稻秧苗期其他管理與當(dāng)?shù)赜砉芾硪恢隆?/p>

2020年6月16日進行水稻插秧。插秧密度為13 cm×30 cm，225000 穴/hm2。大田常規(guī)施肥為尿素(N 46.3%)、過磷酸鈣 (P2O512%)、氯化鉀 (K2O 60%)。大田管理措施與農(nóng)戶常規(guī)管理一致。

1.4 樣品采集與指標(biāo)測定

育秧28天后，每個小區(qū)隨機選取10株苗，測定株高和基莖寬。隨后進行破壞性取樣，用水小心洗掉根系周圍的土，并用蒸餾水沖洗2遍。從基莖處剪開，將地上部分和地下部分分開，分別裝入信封，帶回實驗室放入烘箱，105℃條件下殺青30 min，75℃烘干72 h至恒重，用電子天平稱干重得到生物量。將每個重復(fù)的5株秧苗混合，粉碎，過0.25 mm篩，采用H2SO4–H2O2消煮法進行消煮，凱氏定氮法測定全氮含量(Kjeltec 8420，丹麥Foss公司)，流動分析儀測定全磷含量 (Seal Auto Analyzer 3，美國Technicon公司)，火焰光度計法測定全鉀含量(iCE 3000 series，美國 Thermo Fisher公司)[13]。

在施入基肥后的第1、2、3、5、8天，每天上午9點采集田面水水樣，分別在蘗肥、穗肥施入后的第1、3、5、7、9、12、15天每天上午9點采集田面水水樣。每個小區(qū)分5點取樣，混合后測定田面水全氮(用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法)、銨態(tài)氮(NH4+-N，用靛酚蘭比色法)、硝態(tài)氮(NO3?-N，用紫外分光光度法)濃度。2020年10月4日，在水稻成熟期采集水稻樣品，每小區(qū)隨機選取1 m2進行收割測產(chǎn)，同時收集樣品進行拷種。

1.5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)瞬時氮流失量公式[14]估算氮流失潛力，假設(shè)常規(guī)控水高度為3 cm，采樣時稻田田面水短時間內(nèi)迅速全部排干，此時，模擬稻田田面水中全氮、NH4+-N、NO3?-N的絕對流失量。

式中 ?Qi為瞬時氮流失量；A為稻田小區(qū)面積(m2)；Ci為各采樣時間的氮濃度(mg/L)；Xi為控水高度(cm)。

采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，用PASW 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，若處理間差異顯著，采用Duncan法在0.05水平上進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 缽盤育秧全量施肥對秧苗生長的影響

從表2可以看出，缽盤育秧全量施肥雖降低了秧苗株高，但增加了地下部分生物量，且對秧苗基莖寬和地上部分生物量沒有產(chǎn)生顯著影響。與機插硬盤育秧(常規(guī)育秧)相比，缽盤育秧全量施肥處理秧苗的地下部分干生物量顯著提高了77%；缽盤育秧全量施肥顯著提高了秧苗地上部分氮、磷、鉀含量和地下部磷含量，分別提高14.69%、17.47%、3.28%和41.65% (表3)?？傮w上，缽盤育秧全量施肥促進了水稻秧苗生長。

表2 缽盤育秧全量施肥對秧苗生長指標(biāo)的影響Table 2 Effect of applying all N fertilizer in seedling-raising pot on rice seedling growth characteristics

表3 缽盤育秧全量施肥對秧苗養(yǎng)分含量的影響 (g/kg)Table 3 Effects of applying all N fertilizer in seedling-raising pot on rice seedling nutrient content

2.2 缽盤育秧全量施肥對水稻產(chǎn)量的影響

由表4可以看出，與CK相比，F(xiàn)F處理雖降低了千粒重，但提高了水稻有效穗數(shù)，產(chǎn)量顯著提高。與CK相比，PF處理提高了有效穗數(shù)，產(chǎn)量顯著提高。與FF相比，PF處理降低了有效穗數(shù)，但提高了水稻千粒重(6.82%)，產(chǎn)量顯著提高。3個處理中，PF處理的產(chǎn)量最高，比CK、FF處理分別提高了41.73%、10.78%。

表4 缽盤育秧全量施肥對水稻產(chǎn)量的影響Table 4 Effects of applying all N fertilizer in seedlingraising pot on rice grain yield

2.3 缽盤育秧全量施肥對田面水不同形態(tài)氮素隨時間動態(tài)變化的影響

水稻整個生育期內(nèi)FF處理的田面水全氮濃度均顯著高于其他處理(圖2A)。在基肥期，各處理田面水全氮濃度變化趨勢相似，均在施肥第2天達到最高濃度，后隨時間延長逐漸下降。與FF處理不同，PF、CK處理的田面水全氮濃度較低。在蘗肥期，F(xiàn)F處理的田面水全氮濃度在施肥后的第2天達到峰值，后隨時間延長逐漸下降；而PF處理的田面水全氮濃度在第3天才達到峰值，顯著低于FF處理。在穗肥期，F(xiàn)F處理田面水全氮濃度均在施肥后第1天達到最高值，且顯著大于CK和PF處理，后隨時間延長逐漸下降，至第5天達到穩(wěn)定。

從圖2B可以看出，在水稻整個生育期內(nèi)，F(xiàn)F處理的田面水NH4+-N濃度顯著高于其他處理(P<0.05)。基肥期，各處理的田面水NH4+-N濃度在第1天達到最大，PF處理的田面水NH4+-N濃度與CK處理相似，顯著低于FF處理。蘗肥時，F(xiàn)F處理田面水NH4+-N濃度在第2天達到峰值且顯著高于CK和PF處理。穗肥期，各處理田面水NH4+-N濃度在第2天達到最大，且FF處理的田面水NH4+-N濃度顯著高于CK和PF處理。在水稻整個生育期內(nèi)，PF處理的田面水NH4+-N濃度變化幅度維持在0.13～1.64 mg/L。

圖2 缽盤育秧全量施肥的田面水全氮、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮濃度隨時間動態(tài)變化Fig. 2 Dynamics of total N, NH4+-N, and NO3–-N concentration of surface water with applying all N fertilizer in seedling-raising pot in the paddy field

從田面水NO3–-N濃度在水稻整個生育期內(nèi)隨時間的變化結(jié)果(圖2C)可以刊出，在水稻的整個生育期內(nèi)，各處理之間的田面水NO3–-N濃度無顯著差異，且變化趨勢一致。在基肥期，田面水NO3–-N濃度在第2天達到峰值，而在蘗肥期，田面水NO3–-N濃度在施肥后第3天達到峰值。在穗肥期，不同處理的田面水NO3–-N濃度維持在較低水平。

2.4 缽盤育秧全量施肥氮素減排效能分析

由表5可以看出，所有處理的田面水全氮和NO3–-N累積流失量主要發(fā)生在基肥期，其中NO3–-N累積流失量在蘗肥期和穗肥期處理間無顯著變化，而NH4+-N累積流失量最高發(fā)生在穗肥期。CK與PF處理間不同形態(tài)氮流失量多無顯著差異。與其他處理相比，F(xiàn)F處理顯著增加了田面水的NH4+-N和全氮累積流失量，其全氮流失量在基肥、分蘗肥、穗肥期分別達到101.86、34.53、48.52 kg/hm2。與FF處理相比，在基肥、蘗肥和穗肥期，PF處理全氮累積流失量分別降低了93.63%、83.43%和83.94%。

表5 水稻不同生育期田面水全氮、NH4+-N和NO3–-N的流失量(kg/hm2)Table 5 The losses of total N, NH4+-N, and NO3–-N in the paddy water in different growth stages

3 討論

秧苗素質(zhì)是影響水稻生長和產(chǎn)量的重要因素，高素質(zhì)的秧苗能夠增加水稻光合性能，增加光合產(chǎn)物積累，是提高水稻產(chǎn)量的重要途徑[15]。本研究中缽盤育秧全量施肥雖然降低了水稻秧苗株高，但促進了秧苗生物量和養(yǎng)分積累(表2和表3)，地下生物量的積累更加有利于水稻秧苗氮磷鉀養(yǎng)分的吸收。而且控釋肥隨植物生長緩慢釋放養(yǎng)分，促進水稻秧苗生長和氮磷養(yǎng)分積累[16–17]。已有種肥接觸育秧的研究結(jié)果也表明，水稻種子與大量控釋氮肥接觸可以安全萌發(fā)，且促進了秧苗生長[8]。缽盤育秧全量施肥處理的水稻產(chǎn)量比農(nóng)民習(xí)慣性施肥處理顯著提高，這與楊越超[8]、劉汝亮等[18]的研究結(jié)果一致。施用控釋肥能夠大幅度提高水稻氮素養(yǎng)分吸收利用率[9–10]，根部接觸控釋氮肥能夠顯著提高灌漿成熟期氮代謝酶活性和激素含量，延緩植株衰老，增強水稻灌漿能力，提高結(jié)實率[8]。另外，缽盤育秧單穴成簇，保證了秧苗根系完整性，且缽盤秧苗質(zhì)量高(表2和表3)，插秧時避免了植傷問題，根系活力高，抽穗后光合物質(zhì)生產(chǎn)指標(biāo)水平高[19]，有利于水稻生物量和產(chǎn)量積累。然而，本研究中3個處理的水稻產(chǎn)量普遍偏低，原因可能有兩個方面，一是由于水稻生長前期降雨頻繁且在7月受到暴雨等強降水事件的影響；二是試驗水稻移栽比農(nóng)戶移栽時間晚半個月左右，水稻灌漿期的氣溫較低(圖1)。

農(nóng)田氮素?fù)p失是造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要因素，不合理施肥方式造成水稻生長期大量氮素流失，不僅加劇溫室氣體排放潛力，還增加了水體富營養(yǎng)化風(fēng)險。大量研究表明，尿素施入農(nóng)田后，田面水總氮和銨態(tài)氮濃度在施肥后1～3天達到峰值[20]，施肥后5天內(nèi)稻田徑流流失風(fēng)險高[21]。本研究中PF處理的田面水總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度在水稻整個生育期內(nèi)沒有突出的峰值，這主要是因為控釋氮肥緩慢釋放[8]，氮素固持在土壤中，有效地降低了田面水中不同形態(tài)氮素濃度。與常規(guī)施肥相比，施用控釋氮肥能夠有效減少總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮徑流流失量[9,18]。本研究中，控釋氮肥處理的田面水總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮絕對流失量比常規(guī)施肥低?？赡艿脑蛑饕袃蓚€方面：一是控釋氮肥緩慢釋放，控釋氮肥42天內(nèi)的養(yǎng)分釋放率小于3%，180天內(nèi)養(yǎng)分釋放率可以超過85%[8]，這與水稻生長期需肥規(guī)律相吻合，控釋氮肥快速釋放期正是水稻快速生長期，根際養(yǎng)分能夠被水稻吸收利用，減少了向田面水中的擴散；二是和常規(guī)施肥相比，PF處理的控釋氮肥圍繞在根系周圍更有利于水稻對氮素吸收利用[22]，有效減少稻田徑流氮損失[23]。這也與劉汝亮等[18]的研究結(jié)果一致。缽盤育秧全量施肥技術(shù)對水稻生理及氮肥利用率的影響還有待于進一步研究。

4 結(jié)論

與大田常規(guī)施肥相比，缽盤育秧全量施肥有利于秧苗生長和養(yǎng)分含量的積累，產(chǎn)量提高了10.78%。缽盤育秧全量施肥處理的田面水總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量在水稻整個生育期沒有突出的峰值，且顯著低于常規(guī)施肥處理，具有良好的氮素減排效能。綜上所述，缽盤育秧全量施肥技術(shù)不僅能夠提高秧苗質(zhì)量，保證了水稻產(chǎn)量，有效降低田面水不同形態(tài)氮素含量，提高稻田氮素減排潛力，而且缽盤育秧全量施肥技術(shù)在水稻育秧時將水稻整個生育期所需氮肥一次性投入，減少施肥次數(shù)，節(jié)約勞動力。

致謝：大理州劉宏斌專家工作站在本研究過程中提供了幫助。