控釋氮肥根區(qū)優(yōu)化施用對雙季稻根系發(fā)育和產(chǎn)量的影響?

摘 要：為探索控釋氮肥和優(yōu)化施肥位置等技術(shù)手段在雙季稻的應用效果，開展了控釋氮肥根區(qū)優(yōu)化施用田間試驗，試驗設4個處理：不施氮肥（CK）、根區(qū)常規(guī)施肥處理（RCF，氮肥為尿素，根區(qū)施肥為常規(guī)位置）、根區(qū)優(yōu)化氮肥種類處理（RCFK，在RCF的基礎上，氮肥40%為尿素，60%為控釋氮肥）、根區(qū)優(yōu)化氮肥種類和位置處理（RCFKP，在RCFK的基礎上優(yōu)化根區(qū)施肥的位置），分析了根系生長發(fā)育、水稻產(chǎn)量、植株氮素積累量和肥料利用率等指標，并進一步對根系特征與肥料利用率的關(guān)系進行了量化分析。結(jié)果表明：與其他處理相比，RCFKP處理下早、晚稻的根直徑、體積、表面積、干重和根長均顯著增加，從而顯著提高水稻產(chǎn)量及氮肥利用率。與CK、RCF和RCFK處理相比，RCFKP處理的早晚稻產(chǎn)量分別增加7.30%～48.43%和8.65%～57.28%，早晚稻的秸稈氮素積累量分別增加18.23%～165.15%和14.74%～96.19%，早晚稻的籽粒氮素積累量分別顯著增加12.62%～138.49%和17.25%～142.60%，早晚稻的植株氮素積累量分別顯著增加15.03%～149.54%和16.18%～120.59%，早晚稻的氮肥利用率分別顯著增加27.88%～65.55%和34.18%～75.03%。 通過擬合方程發(fā)現(xiàn)，所有根系特征指標均與氮肥利用率呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），說明根區(qū)優(yōu)化施肥可以通過促進根系生長顯著提高水稻產(chǎn)量。因此，施用40%尿素和60%控釋肥且根區(qū)優(yōu)化施肥的方式可促進水稻根系生長發(fā)育，從而促進其對養(yǎng)分的吸收利用，增加水稻植株氮積累量和氮肥吸收利用率，使水稻增產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：控釋氮肥；根區(qū)施肥；水稻；根系特征；氮素積累量；氮肥利用率

中圖分類號：S511.420.62 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2023）06-0049-06

Abstract：In order to explore the application effects of controlled-release nitrogen fertilizer and the optimization of fertilization position on double-cropping rice， a field experiment including 4 treatments： no nitrogen fertilizer （CK）， conventional fertilization in the root zone （RCF： urea as nitrogen fertilizer， and root zone fertilization in the conventional position）， optimized nitrogen fertilizer type treatment in the root zone （RCFK： on the basis of RCF， 40% urea and 60% controlled-release nitrogen fertilizer were used）， and optimized nitrogen fertilizer type and position treatment in the root zone （RCFKP： on the basis of RCFK， the position of fertilization in the root zone was optimized）， was carried out to analyze the root growth and development， rice yield， plant nitrogen accumulation and fertilizer utilization rate， and further quantitatively analyze the relationship between root characteristics and fertilizer utilization rate. The results showed that compared with other treatments， the root diameter， volume， surface area， dry weight and length of early and late rice were significantly increased in the RCFKP treatment， thereby significantly improving rice yield and nitrogen utilization rate. Moreover， compared with the CK， RCF and RCFK treatments， the yields of early and late rice in the RCFKP treatments increased by 7.30%-48.43% and 8.65%-57.28%， respectively; the nitrogen accumulation in straw increased by 18.23%-165.15% and 14.74%-96.19%， respectively， in grain significantly increased by 12.62%-138.49% and 17.25%-142.60%， respectively，" in plant significantly increased by 15.03%-149.54% and 16.18%-120.59%， respectively; the nitrogen utilization rate significantly increased by 27.88%-65.55% and 34.18%-75.03%， respectively. Fitting equation revealed that all root characteristic indicators were significantly positively correlated with nitrogen utilization rate （P＜0.05）， indicating that optimized fertilization in the root zone

作為世界上最大的水稻生產(chǎn)國，中國對世界糧食的安全穩(wěn)定起著舉足輕重的作用，而在我國的水稻生產(chǎn)中，位于長江中下游的雙季稻種植模式一直處于國家水稻生產(chǎn)的主導地位，為國家和地區(qū)的糧食安全與穩(wěn)定發(fā)揮著巨大作用。根系作為水稻吸收水分和養(yǎng)分的主要器官[1]，其對作物養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量形成的影響不可忽視[2-3]。氮肥管理能夠影響根系形態(tài)結(jié)構(gòu)和根系活力，進而影響植株氮素積累量以及作物產(chǎn)量[4]。目前，由于對水稻高產(chǎn)的過分追求，驅(qū)使農(nóng)民過量的施用氮肥，氮肥的不合理施用使其利用率下降，不僅導致環(huán)境受到破壞，且并未得到水稻產(chǎn)量的提高[5]。因此，在保證氮肥用量合理的情況下，探索更有利于根系生長發(fā)育，提高氮肥利用率，促進水稻增產(chǎn)及農(nóng)民增收的施肥方式尤為重要。

唐拴虎等[6]研究顯示，緩控釋氮肥的施用能增加根長和根面積，對水稻根系的生長發(fā)育有促進作用。與傳統(tǒng)氮肥相比，緩控釋氮肥的施用可以顯著提高肥料利用率，這是因為緩控釋肥料可以避免土壤中養(yǎng)分過量富集，從而合理協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分供應與植物養(yǎng)分吸收的矛盾，達到提高養(yǎng)分利用率的目的[7-9]。同時，由于緩控釋肥具有養(yǎng)分釋放速率與作物施肥規(guī)律基本一致的特點，能夠在一些作物上進行一次性基施[10]，因此減少使用頻率也是緩控釋肥的主要優(yōu)勢。在當前農(nóng)村勞動力短缺的大背景下，緩控釋氮肥的推廣和施用勢必在當?shù)厮旧a(chǎn)中起到明顯的節(jié)本增產(chǎn)效果。但是，由于緩控釋氮肥的肥效發(fā)揮受包膜材料、土壤類型、氣候等因素的影響[10]，因此，需要更加優(yōu)化的施肥方式使其養(yǎng)分得到更充分的利用，而合適的施肥位置為有效的方式之一[11]。Yao等[12]研究指出，與氮肥撒施的傳統(tǒng)施肥方式相比，根區(qū)施肥能夠顯著提高肥料利用率。Wu等[13]試驗也進一步表明，根區(qū)施氮較表面撒施的水稻氮素利用率增加33%，產(chǎn)量提高27%。根區(qū)施肥能提高肥料利用率的核心在于促進根系的吸收，是在靠近水稻根部位置通過技術(shù)手段施用適量的肥料，能夠使肥料的養(yǎng)分供應基本匹配植物的需求[14]。前人研究認為在根系周圍一次性施入適量的肥料，使養(yǎng)分擴散范圍匹配作物根系的伸展范圍，可達到提高肥料利用率的目的[15]。綜上，通過控釋氮肥和優(yōu)化施肥位置等手段可以促進水稻根系生長發(fā)育和提高氮肥利用率，但該技術(shù)在雙季稻的應用效果還有待進一步驗證。因此，筆者通過對肥料種類和施肥方式進行優(yōu)化開展雙季稻田間試驗，分析控釋肥根區(qū)優(yōu)化施用對根系生長發(fā)育、水稻產(chǎn)量和肥料利用率 的影響，并對根系特征與肥料利用率的關(guān)系進行量化分析，旨在探究控釋肥根區(qū)施用對水稻根系生長及產(chǎn)量的影響，為控釋氮肥的優(yōu)化施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2021年在江西省進賢縣張公鎮(zhèn)馬家村（116°17'70″E，28°35'03″N）開展，試驗地屬中亞熱帶季風氣候，年均降雨量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 100～1 200 mm；年均氣溫17.7～18.5℃，最冷月（1月）平均氣溫為4.6℃，最熱月（7月）平均氣溫為28.0～29.8 ℃。海拔高度28.54 m，土壤類型為水稻土，試驗開始時耕層土壤pH值5.45，有機質(zhì)28.32 g/kg，全氮1.22 g/kg，堿解氮120.45 mg/kg，速效磷10.43 mg/kg，速效鉀95.43 mg/kg。前作冬閑。

1.2 試驗材料

供試早稻品種為鄱優(yōu)364和晚稻品種為泰優(yōu)390，供試控釋氮肥的氮含量分別為30%，其他肥料：氮肥為尿素（氮含量46%），磷肥為鈣鎂磷肥（P2O5含量12.5%），鉀肥為氯化鉀（K2O含量60%）。

1.3 試驗方法

試驗設計4個處理，分別為：不施氮肥（CK）、根區(qū)常規(guī)施肥處理（RCF，氮肥全部為普通尿素，根區(qū)施肥位置為常規(guī)模式），根區(qū)優(yōu)化氮肥種類處理（RCFK，在RCF的基礎上，氮肥40%為尿素，60%為控釋氮肥），根區(qū)優(yōu)化氮肥種類和位置處理（RCFKP，在RCFK的基礎上，進一步優(yōu)化根區(qū)施肥的位置）。具體處理的氮磷鉀肥用量和施肥位置見表1。每個處理3個重復，小區(qū)面積100 m2，模擬機插秧的密度為25 cm×14 cm，早稻和晚稻品種分別為鄱優(yōu)364和泰優(yōu)390。為了保持早晚稻的肥效一致，早晚稻的化肥用量相同?；嗜孔龌试谒疽圃郧耙淮涡允┯?。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 根系特征 在早晚稻成熟期，每個小區(qū)采集5株，用鐵鍬挖出完整根系，采用根系掃描儀測定

根系特征，然后計算每株植株的根直徑、根體積、根表面積、根干重和根長等指標。

1.4.2 水稻植株氮素含量和積累量 在測定完根系特征之后，將植株樣品分成籽粒和秸稈進行烘干稱重，并研磨過篩測定籽粒和秸稈樣品中的氮素含量，植株氮素含量測定方法為凱氏定氮法[16]。同時根據(jù)籽粒和秸稈的干物質(zhì)和氮素含量計算水稻植株的氮素積累量。氮肥利用率計算如下：氮肥利用率=（施肥處理的氮素積累量－不施肥處理的氮素積累量）/氮肥用量×100%。

1.4.3 產(chǎn) 量 每個小區(qū)全部收割脫粒和晾曬，測定籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2003進行整理，統(tǒng)計分析采用SAS 9.1軟件進行，圖件采用Origin 8.1進行制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系特征

早晚稻的根直徑、體積、表面積、干重和根長均為根區(qū)優(yōu)化氮肥種類和位置處理RCFKP顯著高于其余處理（表2），且均表現(xiàn)為RCFKP ＞RCFK ＞RCF ＞ CK。早、晚稻RCFKP處理較其余處理根直徑分別增加15.71%～52.83%和13.75%～62.50%，根體積分別增大12.60%～ 48.77%和11.53%～46.64%，根表面積分別增大18.18%～52.36%和16.63%～49.20%，根干重分別增加11.48%～27.97%和11.19%～25.20%，根長分別增長24.54%～58.02%和23.02%～54.05%，且均差異顯著。根區(qū)優(yōu)化氮肥種類處理RCFK僅晚稻根干重與RCF處理差異不顯著，其余指標均差異顯著。

2.2 產(chǎn)量變化

早、晚稻產(chǎn)量最高均為RCFKP處理，且均呈RCFKP＞RCFK＞RCF＞CK趨勢（圖1）。

RCFKP處理早、晚稻產(chǎn)量分別為6 361.74和7 688.62 kg/hm2，較RCFK處理分別顯著增產(chǎn)7.30%和8.65%，較RCF處理分別顯著增產(chǎn)13.31%和12.44%，較CK處理分別顯著增加48.43%和57.28%。而RCFK與RCF處理無顯著差異。

2.3 水稻氮素積累量

根區(qū)優(yōu)化氮肥處理水稻各部位氮積累量均較未優(yōu)化處理高，且為根區(qū)優(yōu)化氮肥種類和位置處理RCFKP最高（表3）。早稻RCFKP處理較其他處理的秸稈、籽粒氮積累量分別顯著增加18.23% ～ 165.15%和12.62%～138.49%，植株氮積累量顯著增加15.03%～149.54%；晚稻秸稈、籽粒及植株氮積累量分別顯著增加14.74%～96.19%、17.25%～142.60%及16.18%～120.59%。RCFK處理早、晚稻秸稈氮積累量高于未優(yōu)化處理RCF，差異不顯著；其籽粒氮積累量比后者分別增加14.60%和18.00%，植株氮積累量分別增加13.98%和12.42%，差異均顯著。

2.4 水稻氮肥利用率變化

早、晚稻氮肥利用率最高均為根區(qū)優(yōu)化氮肥種類和位置處理RCFKP，根區(qū)優(yōu)化氮肥種類處理RCFK次之，常規(guī)施肥處理RCF最低（圖2）。RCFKP處理早、晚稻氮肥利用率較RCFK分別顯著增加27.88%和34.18%，較RCF分別顯著增加65.55%和75.03%。RCFK處理早、晚稻氮肥利用率較RCF處理分別顯著增加29.46%和30.44%。

2.5 根系特性與氮肥利用率的關(guān)系

所有根系特征指標均與氮肥利用率呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05，圖3）。擬合方程斜率（表4）表明，當根直徑每增加0.1 mm時，氮肥利用率早、晚稻

分別增加7.44%和6.59%；根體積每增加1 cm3，氮肥利用率早、晚稻分別增加4.17%和5.03%；根表面積每增加0.01 m2，氮肥利用率早、晚稻分別增加5.81%和5.93%；根干重每增加1 g，氮肥利用率早、晚稻分別增加26.92%和25.05%；根長每增加10 m，氮肥利用率早、晚稻分別增加7.42%和8.54%。

3 結(jié) 論

在我國長江流域的雙季稻區(qū)，施用40%尿素和60%控釋肥且根區(qū)優(yōu)化施肥處理（RCFKP）的早、晚稻產(chǎn)量最高，其根系生長發(fā)育、氮素積累、氮肥利用率均顯著優(yōu)于其他處理。說明RCFKP處理可以促進水稻根系生長發(fā)育，提高植株氮素積累量及氮肥利用率，并使水稻增產(chǎn)。對根系特征和氮肥利用率的關(guān)系進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，根直徑、體積、表面積、干重和根長均與氮肥利用率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明RCFKP處理能促進根部的生長發(fā)育，促進了其對養(yǎng)分的吸收利用，提高了產(chǎn)量和肥料利用率。

4 討 論

4.1 控釋氮肥根區(qū)優(yōu)化施用對水稻根系生長發(fā)育的影響

根系是水稻吸收和運輸水分及養(yǎng)分的中樞，作物地上部分的生長發(fā)育以及產(chǎn)量和品質(zhì)的形成與其形態(tài)特征密不可分。同時，水稻根系的生長發(fā)育又受肥料和施肥方式的影響[17-20]。根系受氮素影響的主要指標有根長、根干重和根冠比[21]，鄭圣先等[22]試驗表明，控釋氮肥使根細且長、根系密度更大、根系更發(fā)達。彭玉等[7]研究顯示，施用緩控釋肥較尿素處理的水稻根干重、表面積和根長更優(yōu)。此研究結(jié)果也顯示，施用了控釋氮肥的RCFK和RCFKP處理根直徑、體積、表面積、干重和根長均優(yōu)于未施控釋氮肥的處理。此外，此研究中控釋氮肥還進行了根區(qū)優(yōu)化施用處理，結(jié)果顯示根區(qū)優(yōu)化處理較常規(guī)施用處理根系生長發(fā)育更優(yōu)，這是因為肥料施入土壤后，可能因為養(yǎng)分濃度過高而導致燒苗風險，但控釋肥可以基本配合作物的生長發(fā)育控制養(yǎng)分的釋放速度，不會導致局部養(yǎng)分濃度過高，且其肥效較長[23-24]，故施用控釋氮肥處理的根系生長發(fā)育優(yōu)于不施控釋氮肥處理，而根區(qū)施氮可顯著提高根區(qū)土壤中有效養(yǎng)分含量[15]，故根區(qū)優(yōu)化施肥處理的根系生長發(fā)育優(yōu)于未優(yōu)化處理。

4.2 控釋氮肥根區(qū)優(yōu)化施用對水稻產(chǎn)量和氮肥吸收利用的影響

施肥技術(shù)是水稻增產(chǎn)的重要手段，肥料的種類、用量和施肥的時間、位置是4R技術(shù)的關(guān)鍵[25]，此研究優(yōu)化了其中2個（肥料種類和施肥位），結(jié)果顯示，同時優(yōu)化肥料種類和施肥位置的RCFKP處理水稻產(chǎn)量顯著提高，僅優(yōu)化肥料種類的RCFK處理次之，但RCFK與施用普通尿素的RCF處理差異不顯著。這可能是因為控釋氮肥施入根區(qū)能夠長時間使根系周圍保留養(yǎng)分，且距離水稻根系較近，能直接被根系吸收，為水稻增產(chǎn)打下基礎[26]。此外，氮肥深施可使養(yǎng)分揮發(fā)的損失減少，而控釋肥料的養(yǎng)分釋放與作物的吸收相協(xié)同，不僅有利于水稻增產(chǎn)，亦有利于提高肥料的吸收利用率[15，27]。此研究表明，植株氮素積累量和氮肥利用率最高均為RCFKP處理，且較其他處理差異顯著。該結(jié)論與前人研究結(jié)果基本一致，例如，鄭圣先等[28]研究認為，控釋肥料具有養(yǎng)分利用率高、供應期長的特點，徐明崗等[29]研究也顯示，控釋氮肥應用于水稻可提高肥料利用率，實現(xiàn)節(jié)肥增產(chǎn)的效果，Wang等[15]研究表明，根區(qū)施用控釋氮肥可在水稻需氮量小的前期保存養(yǎng)分在土壤中，減少養(yǎng)分流失，在植株的需氮高峰時為其提供充足的氮素養(yǎng)分，從而提高了水稻對養(yǎng)分的吸收利用率?？梢?，控釋氮肥根區(qū)優(yōu)化施用可使水稻增產(chǎn)的同時提高植株氮素積累量和肥料吸收利用率。

4.3 根系特性和氮肥利用率的關(guān)系

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，對其高效利用養(yǎng)分和水分具有非常重要的影響[30]。其生長發(fā)育的形態(tài)特征與作物養(yǎng)分利用率密切相關(guān)[31]，根系足夠發(fā)達才能保證作物對氮素養(yǎng)分的高效吸收利用，而具有較大的根表面積、根生物量和總根長的水稻吸氮能力更強[32-35]。魏海燕等[17]認為，根系表面積大、體積大、生物量高的水稻是氮素高效利用型水稻。此研究對根系特征與氮肥利用率進行了回歸分析，發(fā)現(xiàn)根直徑、體積、表面積、干重和根長均與氮肥利用率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這與前人研究結(jié)果基本一致，陳晨等[34]認為，分枝數(shù)、總根長、總根面積、總根體積可作為水稻氮高效評價的重要指標，樊劍波[36]研究顯示，根冠比、根系表面積、總根長和根干重等與氮素積累量有顯著的相關(guān)關(guān)系，這些根系形態(tài)指標是決定水稻高效吸收利用氮素養(yǎng)分的因素。戢林等[37]研究水稻苗期至抽穗的粗分支根、細分支根和不定根的表面積、體積和長度等指標與氮素吸收利用的關(guān)系時，認為水稻產(chǎn)量與氮素利用率呈極顯著的基因型差異，而不同氮素利用率基因型之間的根系形態(tài)指標有顯著差異。說明根系形態(tài)特征是影響水稻氮肥利用率的重要指標，施肥能影響根系的生長發(fā)育，促進根系對養(yǎng)分的吸收利用，提高作物產(chǎn)量和肥料利用率。

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（責任編輯：張煥裕）