聚天冬氨酸尿素施用方式對寒地水稻氮平衡及產(chǎn)量的影響

戴明 郭海濱 魏雅冬

（綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061；第一作者：daiming5014@163.com）

水稻是世界上廣泛種植的糧食作物之一，在保障糧食安全方面發(fā)揮著重要作用。氮（N）是植物初級生產(chǎn)的主要限制因子，水稻氮含量是評價(jià)水稻生長發(fā)育及收獲指數(shù)的重要表征指標(biāo)之一[1]。種植過程中，環(huán)境、品種和農(nóng)藝措施等是影響作物氮吸收的重要因素，而對于水稻而言，植株氮吸收量與施氮量、施氮時(shí)期、施氮方式、氮肥種類及供氮量與需氮量的同步性有關(guān)[2]；增加氮施用量可在一定程度上提高植株氮素含量，但氮素在主要營養(yǎng)器官中的再分配效率可能會因此降低[3]。目前，水稻植株在生長季的氮素需求階段與施氮時(shí)期的契合度有待進(jìn)一步提高，且水稻氮素利用效率較低，使得一定量氮肥通過氨揮發(fā)和硝化作用產(chǎn)生流失[4]。分施氮肥是一種簡單實(shí)用的氮肥施用方法，在提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率方面得到了廣泛應(yīng)用，也被證實(shí)是提高水稻氮吸收的可行方法[5]。

聚天冬氨酸（Polyaspartic acid, PASP）是一種環(huán)境友好、可生物降解的高分子聚合物，具有良好的螯合能力，經(jīng)常用作肥料中的增效劑[6-7]。由于PASP-尿素制造簡單，生產(chǎn)成本低，在農(nóng)作物生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。前人研究表明，PASP 結(jié)合氮肥施用可促進(jìn)蛋白質(zhì)累積、調(diào)節(jié)硝酸還原酶活性，提高玉米幼苗植株的生物量和氮含量[8]。PASP-尿素可促進(jìn)作物的干物質(zhì)積累，根施PASP 可改善作物生長發(fā)育，提高植株礦質(zhì)養(yǎng)分含量及產(chǎn)量[6,9]。DENG 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，PASP-尿素可降低水稻不同生育期表觀氮盈余與氮虧缺的平衡，提高氮肥利用率。但目前關(guān)于PASP-尿素對寒冷地區(qū)水稻氮吸收及產(chǎn)量提高的效果尚不清楚。基于此，本研究比較了PASP-尿素和常規(guī)尿素在不同施用方式下對寒地水稻氮素吸收及產(chǎn)量的影響，為PASP-尿素及不同施氮方式在寒地水稻生產(chǎn)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和材料

于2019—2020 年在黑龍江省慶安縣和平灌區(qū)水稻種植區(qū)（127°40′49″ E，46°57′25″ N）進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)屬第三積溫帶，平均氣溫2.6 ℃，有效積溫2 300 ℃～2 500 ℃。供試田塊土壤為黑土，前茬作物均為水稻。2019 年田塊 0～20 cm 土層理化性質(zhì)為：pH 6.6，容重1.56 g/cm3，有機(jī)質(zhì) 3.65%，堿解氮 142.67 mg/kg，速效磷15.20 mg/kg，速效鉀 130.56 mg/kg。2020 年田塊 0～20 cm土層理化性質(zhì)為：pH 6.5，容重1.79 g/cm3，有機(jī)質(zhì)3.84%，堿解氮 120.55 mg/kg，速效磷 18.67 mg/kg，速效鉀148.86 mg/kg。以當(dāng)?shù)赝茝V面積較大的品種綏粳18號為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)所用肥料為常規(guī)尿素（含N 46%）、PASP-尿素（系由四川美青氰胺股份有限公司生產(chǎn)，N 46%）、磷酸二銨（P2O546%、N 18%）、氯化鉀（K2O 60%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用雙因素隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì)，對尿素類型和施氮方法進(jìn)行研究。尿素類型為常規(guī)尿素和PASP-尿素，分別標(biāo)記為C 和P；施氮方式為：2 次分施和4 次分施，分別標(biāo)記為2 和4。因此，試驗(yàn)共5個(gè)處理：C2：常規(guī)尿素 2 次分施，C4：常規(guī)尿素 4 次分施，P2：聚天冬氨酸尿素2 次分施，P4：聚天冬氨酸尿素4 次分施，以不施肥處理（CK）為對照。每個(gè)處理3 次重復(fù)。

2019 年和 2020 年的種植面積分別為120 m2和105 m2。在種植期間，使用塑料薄膜覆蓋于田壟及田壟下方40 cm 深處，防止肥料滲漏到鄰近田塊。移栽前2 d用旋耕機(jī)對試驗(yàn)田進(jìn)行翻耕，深度為20 cm。分別于2019 年 5 月 18 日和 2020 年 5 月 27 日移栽秧苗，行株距 27 cm×17 cm。在試驗(yàn)中，N∶P2O5∶K2O=2∶1∶2，純 N 用量180 kg/hm2。氮肥2 次分施，即70% 氮肥作基肥和30% 氮肥作分蘗肥。氮素4 次分施：35%的氮肥作基肥，15%氮肥在分蘗期施用，30%氮肥在抽穗期施用，20%在穗分化期施用[11]。磷肥作基肥一次性施入，用量（P2O5）為90 kg/hm2；鉀肥作基肥和穗肥各50%，用量（K2O）為180 kg/hm2。田間病蟲害管理同當(dāng)?shù)厮敬筇锷a(chǎn)，且在同一作業(yè)日完成。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

在種植前3 d 采集土壤樣品，按照鮑士旦[12]的方法測定土壤理化性質(zhì)。

2019 年 9 月 19 日和 2020 年 9 月 26 日，在水稻成熟期收獲時(shí)對10 叢代表性植株進(jìn)行采樣。植物樣品分為葉、莖稈和穗部，然后在105 ℃下殺青1 h，使酶失活，再于75 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，以獲得各部位的干物質(zhì)量。干燥的樣品進(jìn)行粉碎和過0.5 mm 篩，做好標(biāo)記保存于自封袋中。

在2019 年及2020 年于水稻穗分化期采集試驗(yàn)田0～40 cm（10、20、30 和 40 cm）深度的土壤樣本。樣品用裝滿干冰的冷凍箱保存并快速運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室，借助自動分析儀（Model AA3-A001-02E, Bran-Luebbe, Germany）采用0.01 mol/L CaCl2抽提土壤樣本中NO3--N和NH4+-N 并測定其濃度。

成熟期每小區(qū)取1 m×1 m 面積內(nèi)的植株用于測定稻谷產(chǎn)量及秸稈產(chǎn)量，按14%標(biāo)準(zhǔn)含水量折算實(shí)際產(chǎn)量；取10 叢代表性水稻植株考種，記錄有效穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)、秕粒數(shù)、粒質(zhì)量等指標(biāo)，并計(jì)算千粒重和結(jié)實(shí)率[13]。重復(fù)3 次。

同時(shí)手工收獲稻谷約2 kg，在通風(fēng)條件下貯藏3個(gè)月，然后分成兩部分，一部分用于測定籽粒氮含量，另一部分去殼碾磨生產(chǎn)整精米。稻谷及精米樣品粉碎后過0.5 mm 篩，然后采用凱氏定氮法[12]測定水稻葉部、莖稈、穗部、籽粒、整精米的氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2013 和SPSS 23.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD 法進(jìn)行顯著性分析（α=0.05），圖形采用Origin 9.5 繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對水稻地上部干物質(zhì)量的影響

由表 1 可知，氮肥 4 次分施（C4、P4）及施用 PASP-尿素（P2、P4）均促進(jìn)了水稻干物質(zhì)累積。就樣品各器官干物質(zhì)累積量來看，穗干物質(zhì)量大于莖稈和葉部，其中葉部累積量最低。整株干物質(zhì)累積量表現(xiàn)為P4＞C4＞P2＞C2＞CK，其中，P4 較 C4 分別顯著提高 11.93%（2019年） 和 12.12%（2020 年），P2 較 C2 分別顯著增加10.27%（2019 年）、10.34%（2020 年），表明氮肥 4 次分施對水稻干物質(zhì)累積具有更積極的促進(jìn)作用，且以施用PASP-尿素的效果更佳。

表1 不同處理對水稻地上部干物質(zhì)量的影響 （單位：g/叢）

2.2 不同處理對水稻地上部氮含量的影響

由圖1 可知，氮肥4 次分施及施用PASP-尿素對水稻氮含量具有較好的促進(jìn)作用。在各處理中，CK 氮素含量顯著低于其他處理。各處理中，植株不同部位的氮素含量均表現(xiàn)為穗＞莖＞葉，其中穗氮素占整株氮素比例的58.61%～64.53%，是水稻植株氮素含量的主要部位。就整株氮含量來看，均以P4 處理最高，分別較其他處理提高 12.97%～54.63%（2019 年） 和 15.72%～62.07%（2020 年），且均表現(xiàn)出 P2＞C2、P4＞C4?？梢?，氮肥4 次分施或施用PASP-尿素顯著促進(jìn)水稻氮素累積，其中以PASP-尿素4 次分施（P4）效果最佳。

圖1 不同處理對水稻地上部氮含量的影響

2.3 不同處理對水稻籽粒和整精米氮含量的影響

由圖2 可見，水稻籽粒氮含量表現(xiàn)為CK＜C2＜P2＜C4＜P4，CK 顯著小于其他處理，P4 處理顯著大于C4處理，2020 年度P2 處理顯著大于C2 處理。表明氮肥4次分施和施用PASP-尿素對水稻籽粒氮含量具有一定促進(jìn)作用。各處理水稻整精米氮含量與籽粒氮含量趨勢基本一致。

圖2 不同處理對水稻籽粒和精米氮含量的影響

2.4 不同處理對土壤無機(jī)氮含量及其分布的影響

從圖3 可以看出，PASP-尿素、氮肥施用方式對土壤NO3--N 和NH4+-N 含量及其剖面分布均具有顯著影響，兩年趨勢基本相同。整體而言，土壤剖面NO3--N 和NH4+-N 含量隨著土壤深度的增加而減少，CK 在各土壤深度中NO3--N 和NH4+-N 含量皆最小，且隨著土深的增加整體緩慢下降；施肥處理間的差異主要體現(xiàn)在10～20 cm 土層，30 cm 土層各處理趨于一致，40 cm 土層各處理差距小。說明在本研究中，施用PASP 尿素、氮肥分施對深層土壤NO3--N 和NH4+-N 淋洗發(fā)生較少。整體來看，P4 處理的NO3--N 和NH4+-N 在10 cm和20 cm 的土層中含量最高，在30 cm 和40 cm 時(shí)含量降幅最大，其次為C4 處理。表明氮肥4 次分施對土壤NO3--N 和NH4+-N 淋溶具有較好的阻控效果，且施用PASP-尿素可進(jìn)一步提升其效果。

圖3 不同處理對稻田土壤不同深度NO3--N 和NH4+-N 含量的影響

2.5 不同處理對水稻籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

由表2 可知，有效穗數(shù)、單穗總粒數(shù)、單位面積總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率及千粒重等指標(biāo)不同處理間規(guī)律不一，整體而言，以P2、P4 處理較高，CK 較低。在產(chǎn)量表現(xiàn)上，P2、P4 處理要高于 C2、C4 處理，處理間差異顯著；就氮肥施用方式而言，水稻產(chǎn)量均以氮肥4 次分施的處理（P4、C4）顯著高于 2 次分施的處理（P2、C2）。各處理產(chǎn)量高低表現(xiàn)為 CK＜C2＜P2＜C4＜P4，其中 C2、C4、P2 和P4 處理 2019 年較 CK 分別提高 19.94%、34.32%、29.42%和 48.07%，2020 年較 CK 分別提高 12.21%、27.71%、25.61%和51.91%。

表2 PASP-尿素和氮肥管理對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響

3 討論

PASP 是一種環(huán)境友好、可完全生物降解的氨基酸類聚合物，具有良好的螯合、吸附性能，有助于植物對肥料養(yǎng)分的吸收和釋放，因而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛用作肥料增效劑。研究表明，PASP 可顯著提高玉米[14]、小麥[15]、煙草[6]等作物的養(yǎng)分吸收及產(chǎn)量。本研究表明，與CK、C2、P2 處理相比，C4、P4 處理水稻植株各部位的干物質(zhì)量及氮含量整體表現(xiàn)較高，且穗部的干物質(zhì)量及氮含量明顯高于莖稈和葉部，表明尿素4 次分施有利于水稻生物量累積，且主要促進(jìn)穗部養(yǎng)分累積。此外，施用PASP-尿素的處理各部位干物質(zhì)及氮素含量整體高于施用常規(guī)尿素的處理，表明PASP 具有良好的促養(yǎng)分吸收及增產(chǎn)效果，該結(jié)果與曹本福等[16]研究結(jié)論一致。

土壤無機(jī)N 主要以NO3--N 和NH4+-N 的形式存在。本研究中，與常規(guī)尿素處理（C2、C4）相比，PASP-尿素處理（P2、P4）在表層土壤（0～20 cm）中 NO3--N 和NH4+-N 含量整體較高，在深部土壤（20～40 cm）中NO3--N 和NH4+-N 含量趨于一致，說明PASP-尿素降低了NO3--N 和NH4+-N 含量的向下淋溶。前人研究表明，PASP 可以提高氮肥的利用率，降低土壤中的氮?dú)埩艉偷獡p失[16-17]，這可能是因?yàn)镻ASP 水解后羧基、酰胺等基團(tuán)活化了處于固態(tài)的元素，吸附了過量的養(yǎng)分，這些養(yǎng)分被降解后釋放出來，抑制了氨揮發(fā)、阻止了氮下滲、減少了固定與沉積，從而提升肥效，降低肥料損失[6,18]。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，施用PASP-尿素及氮肥4 次分施措施均提高了水稻穗、莖、葉的干物質(zhì)量及其氮含量，降低了土壤NO3--N 和NH4+-N 淋溶，其中PASP-尿素4 次分施的處理（P4）效果最佳，稻谷產(chǎn)量亦最高，2019年較其他處理顯著增產(chǎn)10.24%～48.07%，2020 年較其他處理顯著增產(chǎn)18.95%～51.91%。研究結(jié)果為PASP-尿素在寒地水稻生產(chǎn)上的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。