沿淮稻麥輪作區(qū)有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分利用率的影響

吳中原, 江鑫鑫, 方俊超, 李孝良,2*

(1.安徽科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 鳳陽(yáng) 233100;2.安徽省農(nóng)業(yè)廢棄物肥料化利用與耕地質(zhì)量提升工程研究中心,安徽 鳳陽(yáng) 233100)

水稻產(chǎn)量約占中國(guó)谷物總產(chǎn)量的34%,中國(guó)60%以上的人以稻米為食[1-2]。稻麥輪作是中國(guó)長(zhǎng)江中下游糧食主產(chǎn)區(qū)一種主要的種植制度[3-4],雖然近些年來中國(guó)小麥與水稻產(chǎn)量有所提高,但卻依賴于化肥的過量施用,尤其是以氮肥為主。過多的氮肥投入會(huì)加大土壤中氮素的積累,使土壤質(zhì)量退化、養(yǎng)分失衡[5-7]、氮素農(nóng)學(xué)生產(chǎn)力下降[8-9]。有機(jī)肥替代部分化學(xué)氮肥施用,不僅能夠提高作物產(chǎn)量、提升作物的氮肥利用率,還能改善土壤肥力、減少環(huán)境污染[10-12]。

本研究基于氮替代的有機(jī)肥替代化肥對(duì)水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收的影響研究,在降低化肥施用量的基礎(chǔ)上,探究合適的有機(jī)肥替代比例,以期為中國(guó)沿淮地區(qū)稻麥輪作區(qū)有機(jī)肥、無機(jī)肥配施技術(shù)的推廣提供技術(shù)支撐,為中國(guó)糧食安全保障做出貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)位于安徽省滁州市鳳陽(yáng)縣小崗村,試驗(yàn)區(qū)土壤類型為黃褐土,母質(zhì)為Q3黃土,pH為8.22,有機(jī)質(zhì)含量為10.8 g/kg,全氮含量為0.50 g/kg,有效磷含量為23.7 mg/kg,速效鉀含量為233 mg/kg。

1.2 供試材料

供試水稻品種為晶兩優(yōu)華占。供試肥料為尿素(N,46%)、過磷酸鈣(P2O5,12%)和氯化鉀(K2O,60%),有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)含量為450 g/kg、N含量為20.0 g/kg、P2O5含量為20.0 g/kg、K2O含量為30.0 g/kg。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用單因素試驗(yàn)方案設(shè)計(jì),隨機(jī)區(qū)組排列,共6個(gè)處理,3次重復(fù)。各處理分別為對(duì)照(CK)、化肥(NPK)、有機(jī)肥(OF)、有機(jī)替代10%N(OF10)、有機(jī)替代20%N(OF20)和有機(jī)替代30%N(OF30)。試驗(yàn)方案見表1。于2022年6月進(jìn)行試驗(yàn),每個(gè)小區(qū)面積為40 m2,株距為13 cm,行距為30 cm,基本苗約8.5萬株。在水稻分蘗期、孕穗期追肥,10月22日收獲測(cè)產(chǎn)。

1.4 分析測(cè)定方法

分別于7月21日(分蘗期)、8月20日(拔節(jié)期)、10月2日(灌漿期)、10月22日(收獲期)采集水稻地上部植株樣品3～5株,115 ℃下殺青,65 ℃下烘干,測(cè)定植株干質(zhì)量,粉碎后測(cè)定氮、磷、鉀養(yǎng)分含量,其中收獲期樣品分別測(cè)定秸稈和籽粒的生物量與養(yǎng)分含量。水稻收獲期小區(qū)分3點(diǎn),每點(diǎn)收取行長(zhǎng)為1.5 m水稻穗,考種計(jì)產(chǎn)。

植株氮、磷、鉀含量的測(cè)定[13]:植株樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮,采用定氮儀蒸餾滴定法測(cè)定全氮含量,采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定全磷含量,采用火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀含量。

植株養(yǎng)分吸收利用效率的計(jì)算公式如下[14-15]:

植株吸氮(磷、鉀)量=氮(磷、鉀)含量×干物質(zhì)量;

植株生育期氮(磷、鉀)吸收量(g)=該生育期氮(磷、鉀)積累量-前一生育期氮(磷、鉀)積累量;

氮(磷、鉀)素收獲指數(shù)=成熟期籽粒中氮(磷、鉀)積累量/成熟期地上部總氮(磷、鉀)積累量;

化肥氮利用率(%)=(施氮處理植株氮積累量-對(duì)照植株氮積累量)/化肥氮施用量×100;

化肥氮農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)=(施氮處理籽粒產(chǎn)量-對(duì)照籽粒產(chǎn)量)/化肥氮施用量;

化肥氮偏生產(chǎn)力(kg/kg)=籽粒產(chǎn)量/化肥氮施用量;

肥料總氮利用率(%)=(施氮處理植株氮積累量-CK植株氮積累量)/施氮總量×100;

肥料總氮農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)=(施氮處理籽粒產(chǎn)量-CK籽粒產(chǎn)量)/施氮總量;

肥料總氮偏生產(chǎn)力(kg/kg)=籽粒產(chǎn)量/施氮總量。

其中,化肥氮計(jì)算時(shí),NPK處理的對(duì)照為CK,OF10、OF20、OF30處理的對(duì)照為OF。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

使用Excel 2007和SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,使用Origin 2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)水稻產(chǎn)量及構(gòu)成的影響

由表2可知,不同施肥處理間水稻產(chǎn)量差異顯著。供試處理中水稻產(chǎn)量以CK處理最低,為356.3 kg/667 m2;以O(shè)F30處理產(chǎn)量最高,為640.7 kg/667 m2;較CK、OF、NPK處理,OF30處理產(chǎn)量分別提高了79.8%、39.2%、16.6%。通過水稻產(chǎn)量構(gòu)成可以看出,OF30處理相對(duì)于CK、OF處理,水稻有效穗數(shù)、千粒重顯著增加,有機(jī)無機(jī)配施可改善水稻營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)狀況,促進(jìn)了水稻分蘗與籽粒產(chǎn)量的形成,通過提高有效穗數(shù)與千粒重,增加水稻產(chǎn)量。相較于NPK處理,OF30處理通過增加穗粒數(shù),提高水稻產(chǎn)量,OF30水稻穗粒數(shù)較NPK提高了27.4%。

表2 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)水稻產(chǎn)量及構(gòu)成的影響

2.2 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)水稻氮、磷、鉀含量的影響

由圖1可知,不同的施肥處理對(duì)水稻秸稈和籽粒養(yǎng)分含量的影響是有差異的。水稻全氮、全磷、全鉀的含量隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)呈降低趨勢(shì)。水稻拔節(jié)期、灌漿期、成熟期地上部植株氮平均含量為9.1、7.4、5.0 mg/g,為分蘗期植株氮含量的40.6%、33.0%、22.3%;磷平均含量為6.0、3.8、1.9 mg/g,為分蘗期植株磷含量的73.2%、46.3%、23.2%;鉀平均含量為17.8、15.5、13.5 mg/g,為分蘗期植株鉀含量的70.6%、61.5%、53.6%。綜上,各生育期水稻地上部植株以及籽粒中氮、磷、鉀含量以O(shè)F20、OF30、NPK處理較高,OF與CK含量較低,但養(yǎng)分含量均高于CK處理。表明施肥可增加水稻生育期的養(yǎng)分含量。

圖1 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)水稻氮(A)、磷(B)、鉀(C)含量的影響Fig.1 Effects of partial replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer on nitrogen (A),phosphorus (B) and potassium (C) contents in rice注:圖表中不同小字母表示在0.05水平上差異顯著。下同。

2.3 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)水稻氮、磷、鉀積累量的影響

由圖2可知,水稻地上部養(yǎng)分積累量隨著生育期進(jìn)程呈增加趨勢(shì)。水稻分蘗期、拔節(jié)期、灌漿期氮平均積累量分別為32.7、37.9和53.4 mg,為水稻成熟期氮平均積累總量的30.0%、34.7、48.9%;磷平均積累量為12.0、24.7和29.5 mg,為水稻成熟期磷平均積累量的25.2%、51.9%、62.0%;鉀平均積累量為36.6、73.4和109.3 mg,為水稻成熟期鉀平均積累量的28.9%、57.9%、86.2%。施肥可顯著增加水稻生育期的養(yǎng)分積累量。從水稻地上部養(yǎng)分積累量來看,以NPK、OF20、OF30處理較高,CK和OF處理較低,一定比例的化肥有機(jī)替代可增加水稻生育后期的養(yǎng)分積累量。OF30處理中水稻灌漿期至成熟期地上部植株N、P、K養(yǎng)分吸收量占水稻整個(gè)生育期地上部植株N、P、K積累總量的比例較NPK處理提高了7.0%、0.7%和1.1%,有效改善了水稻生育后期營(yíng)養(yǎng)狀況。

2.4 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)成熟期水稻養(yǎng)分吸收利用效率的影響

2.4.1 有機(jī)肥替代對(duì)水稻氮素吸收利用效率的影響 氮素是水稻生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),氮素吸收能力強(qiáng)、積累量高是水稻產(chǎn)量形成的重要營(yíng)養(yǎng)基礎(chǔ)[16]。由表3可知,除了OF20中化肥氮利用率、化肥氮農(nóng)學(xué)利用效率、氮素收獲指數(shù)低于NPK處理外,其吸氮總量、總氮利用率、總氮農(nóng)學(xué)利用效率、化肥氮偏生產(chǎn)力、總氮偏生產(chǎn)力均高于NPK處理,這可能是因?yàn)樵囼?yàn)田設(shè)立時(shí)間較短,導(dǎo)致試驗(yàn)效果不顯著。OF30處理中的部分氮素指標(biāo)高于NPK處理,化肥氮利用率、化肥氮農(nóng)學(xué)利用率、總氮利用率、總氮農(nóng)學(xué)利用率相較NPK提高了49.5%、33.6%、48.8%、47.7%,相較于OF20提高了67.1%、68.2%、28.5%、26.4%,差異顯著;OF30處理中化肥氮偏生產(chǎn)力、總氮偏生產(chǎn)力相較于NPK提高了66.9%、16.7%,比OF20提高了30.0%、10.2%;與CK相比,施肥可降低水稻的氮素收獲指數(shù),OF30處理中氮素收獲指數(shù)較NPK處理略低,差異不顯著。表明有機(jī)肥的替代不影響田間試驗(yàn)水稻對(duì)氮素的吸收,且隨著有機(jī)肥施用比例的增加可提高氮素的利用效率,改善水稻氮素營(yíng)養(yǎng)狀況。

表3 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)水稻氮素吸收利用效率的影響

2.4.2 有機(jī)肥替代對(duì)水稻磷素吸收利用效率的影響 磷素在水稻生長(zhǎng)發(fā)育中參與糖、蛋白質(zhì)的代謝,提高籽粒飽滿度和千粒重。隨著有機(jī)肥替代比例增加,水稻吸磷總量呈上升趨勢(shì),OF30處理4.8 kg/667 m2最高,NPK處理4.6 kg/667 m2次之,OF20處理為4.3 kg/667 m2,差異不顯著。在化肥磷利用率、農(nóng)學(xué)利用率中,以O(shè)F30處理最高,OF10處理最低,OF30顯著高于NPK處理。在總磷利用率、總磷偏生產(chǎn)力中,OF30均高于NPK、OF20處理,相較于NPK分別提高8.8%、16.7%,比OF20提高31.2%、10.1%(表4)。

表4 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)水稻磷素吸收利用效率的影響

2.4.3 有機(jī)肥替代對(duì)水稻鉀素吸收利用效率的影響 鉀素在水稻生長(zhǎng)發(fā)育中有提高植株抗性和促進(jìn)蛋白質(zhì)合成的作用。由表5可知,OF10、OF20、OF30處理中水稻吸鉀量分別為9.9、11.7、13.0 kg/667 m2,NPK處理略低于OF30,為12.2 kg/667 m2。在化肥鉀利用率、化肥鉀農(nóng)學(xué)利用效率、化肥鉀偏生產(chǎn)力中,以O(shè)F30處理最高,與NPK相比差異性顯著。這是因?yàn)榛诘娲姆柿鲜┯每偭恐?化肥鉀的施用量降低,導(dǎo)致化肥鉀利用率增幅較大。相較于NPK,OF30處理中總鉀利用率、總鉀農(nóng)學(xué)利用率、總鉀偏生產(chǎn)力分別提高了15.7%、47.0%、16.5%,比OF20提高了30.7%、26.0%、10.0%。從鉀素收獲指數(shù)分析,OF30較NPK提高了20.0%,較OF20提高了10.1%。

表5 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)水稻鉀素吸收利用效率的影響

3 結(jié)論與討論

高菊生等[17]、徐明崗等[18]研究表明,有機(jī)肥無機(jī)肥的配施可增加水稻產(chǎn)量。本研究也表明,有機(jī)肥部分替代化肥,可顯著提高水稻產(chǎn)量。鐘國(guó)民等[19]研究表明,化肥過量施用可以促進(jìn)水稻分蘗,但無效分蘗和小穗占比多,降低了水稻穗粒數(shù);本研究表明,NPK處理有效穗數(shù)相對(duì)最高,但穗粒數(shù)顯著低于有機(jī)肥部分替代化肥處理,影響水稻產(chǎn)量。有機(jī)肥部分替代化肥處理通過前期控制氮肥和后期有機(jī)營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充,顯著提高水稻穗粒數(shù)和千粒重,實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)效果,與任科宇等[10]研究一致。

施用有機(jī)肥可增加土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分含量,改善作物根系生長(zhǎng)的環(huán)境[20],提高水稻養(yǎng)分吸收量。本研究也表明,有機(jī)肥替代20%～30%化肥氮(OF20、OF30),水稻氮磷鉀養(yǎng)分含量最高。尹彩俠等[21]研究表明,適當(dāng)施用有機(jī)肥可以促進(jìn)水稻對(duì)氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收與利用,灌漿期至成熟期化肥有機(jī)肥配施處理的氮、磷、鉀養(yǎng)分累積量要高于化肥處理。本研究中,OF30處理中水稻灌漿期至成熟期地上部植株N、P、K養(yǎng)分吸收量占水稻整個(gè)生育期地上部植株N、P、K積累總量的比例較NPK處理提高了7.0%、0.7%和1.1%,水稻生育期養(yǎng)分含量沒有降低。在等養(yǎng)分條件下,有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)水稻中養(yǎng)分含量增加是可行的。

有機(jī)肥替代化肥的施用可以提高肥料利用效率、肥料偏生產(chǎn)力[22-23]。本研究也表明,隨著有機(jī)肥替代比例的增加,化肥利用效率、偏生產(chǎn)力呈增加趨勢(shì)。相較于NPK處理,以O(shè)F30處理化肥利用率、農(nóng)學(xué)利用效率、偏生產(chǎn)力等數(shù)值最高,有效改善水稻生育期養(yǎng)分吸收狀況。韓雪梅等[14]研究也表明,有機(jī)肥施用具有更好的穩(wěn)產(chǎn)性、養(yǎng)分均衡性,養(yǎng)分利用效率較高。

毛偉等[24]研究表明,化肥有機(jī)替代存在一個(gè)合適的比例,不是比例越高效果就越佳,過量的施用有機(jī)肥對(duì)水稻的產(chǎn)量提升效果不顯著,因?yàn)橛袡C(jī)肥的養(yǎng)分釋放緩慢,過度替代氮肥導(dǎo)致水稻生長(zhǎng)前期養(yǎng)分供應(yīng)不足,生長(zhǎng)發(fā)育緩慢,不利于水稻高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。葉鑫等[25]在遼寧省燈塔市的水稻試驗(yàn)中表明,有機(jī)肥等氮替代比例在20%～40%有利于水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。王恒祥等[26]在江蘇省鹽城市的稻麥輪作試驗(yàn)中表明,有機(jī)肥氮替代比例在20%～30%有利于水稻生長(zhǎng)和氮肥的利用。高學(xué)雙等[27]研究也表明,水稻基肥用有機(jī)肥替代化肥10%～30%,水稻未減產(chǎn)且有一定增產(chǎn)效果。本研究表明,與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥方式相比,有機(jī)肥等氮替代化肥可增加水稻產(chǎn)量,提高肥料的利用效率,以O(shè)F30即有機(jī)替代30%N處理效果最佳,水稻增產(chǎn)16.6%,氮肥利用率提高49.5%,適宜于沿淮稻麥輪作區(qū)域的應(yīng)用。