水田穩(wěn)定態(tài)肥料的氮素釋放與水稻生育期氮素吸收的擬合度分析

Fitting Analysis of Nitrogen Release from Stable Fertilizer for Paddy Field and Rice Nitrogen Absorption in Growth Period

Zhao Mingxuan，Wang Xin， Zhang Chang'ai， Shan Shengdao，Yu Wenhao （College of EnvironmentandResources，Zhejiang UniversityofScienceand Technology/Zhejiang Provincial KeyLaboratoryof Waste Biomass Recycling and Ecological Treatment Technology，Hangzhou 310023，China）

AbstractIn rice production，if the nutrient supply of fertilizers is consistent with the nutrient demand of crops，the nutrient absorption of crops would be promoted，and then thecrop yield and fertilizer utilization rate could be increased.In this study，the stable fertilizer for paddy field，compound fertilizer，controlled-release fertilizerand slow-release fertilizer were usedas test materials to measure the nitrogen release amount in hydrostatic water，the nitrogen release ratio at hydrostatic water stage，and the nitrogen absorption amount and ratio of poted rice at diffrent stages after fertilization，and then the fiting degreebetween nitrogen release ratio and nitrogen uptake ratio of riceat different stages was analyzed bygrey correlation analysis.The results showed that therelational degree of nitrogen release ratio at hydrostatic water stage of thefour fertilizers with the nitrogen uptake ratio at diferent growth stages of rice were O.85，O.70，0.78 and O.71，respectively，and the relational degree of stable fertilizer for paddy fieldincreased by 21.43% ， 8.97% and 19.72% compared with compound fertilizer，controlled-release fertilizerand slow-release fertilizer，respectively.Basedon therelational degree from large to small，thefour fertilizer could berankedasstable fertilizer for paddy field，controlled-release fertilizer，slow-release fertilizer and compound fertilizer，which was consistent with the order of rice yield in the pot experiment. The rice yield of stable fertilizer for paddy field increased by 60.93% ， 21.63% and （20 56.51% compared with compound fertilizer，controlld-release fertilizer and slow-released fertilizer，respectively.The results of this study indicatedthat the stable fertilizerfor paddy field was more suitable for rice production than the other three fertilizers in the pot experiment conditions.

KeyWordsStable fertilizer for paddy field; Nitrogen release in hydro static water; Nitrogen absorption; Rice ; Grey relational analysis

我國(guó)是水稻生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)水稻也是我國(guó)主要的糧食作物，種植面積占全國(guó)糧食作物種植面積的 25.8%^[1] 。水稻生產(chǎn)是國(guó)家糧食安全的重要保障[2]

氮（N）是水稻必需的營(yíng)養(yǎng)元素，既可以促進(jìn)水稻蛋白質(zhì)、葉綠素等物質(zhì)的合成，還具有增加分蘗、擴(kuò)大葉面積系數(shù)等作用[3-4]。氮素供應(yīng)水平是決定水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一，而氮素供應(yīng)主要來自于肥料和土壤[5]。施用氮肥是提高水稻產(chǎn)量的有效途徑。目前制約我國(guó)水稻生產(chǎn)水平進(jìn)一步提升的關(guān)鍵因素之一是水稻氮素利用效率偏低，且易造成氮素流失，從而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問題，因此改進(jìn)和優(yōu)化氮肥管理成為水稻生產(chǎn)中亟待解決的重要問題

在我國(guó)，常規(guī)化肥的分次施用是水稻種植中有效的增產(chǎn)方法，但這種施肥方式需要耗費(fèi)較多的人力物力，在目前勞動(dòng)力成本較高的情況下已難以被農(nóng)民所接受。緩釋和控釋肥的出現(xiàn)為水稻的高效施肥提供了新的選擇[5]。與常規(guī)化肥相比，緩釋和控釋肥具有調(diào)節(jié)養(yǎng)分釋放速率的功能，從而減少施肥次數(shù)，節(jié)省時(shí)間和勞動(dòng)力[1]。但針對(duì)水稻生產(chǎn)而言緩釋和控釋肥依然存在許多缺點(diǎn)：一是緩釋和控釋肥的生產(chǎn)成本和市場(chǎng)價(jià)格都較高，很難大面積推廣使用；二是目前研制出的緩釋和控釋肥存在釋放周期短、釋放高峰期比較集中以難以與作物生長(zhǎng)周期保持一致的問題；另外包膜控釋肥在養(yǎng)分釋放后，肥料顆粒在水中會(huì)出現(xiàn)漂浮或流動(dòng)聚集現(xiàn)象，導(dǎo)致養(yǎng)分分布不均勻等問題，并且大多數(shù)包膜肥料的聚合物基微膠囊難以降解，容易對(duì)土壤造成二次污染[1，5-6] 。

本研究團(tuán)隊(duì)（科技大學(xué)張昌愛教授團(tuán)隊(duì)）采用固化成型工藝，將生物質(zhì)與化學(xué)肥料組合物擠壓成型并養(yǎng)護(hù)后制備成水田穩(wěn)定態(tài)肥料[7]。該肥料顆粒施入水田后會(huì)嵌入土壤表層，肥料顆粒內(nèi)的生物質(zhì)基材具有吸水膨脹性能，也借助根系及微生物的擾動(dòng)作用可使肥料顆粒逐層脫落，從而緩慢釋放養(yǎng)分[8]。水田穩(wěn)定態(tài)肥料還具有成本低廉、浸水穩(wěn)定、配方合理和環(huán)境友好的特點(diǎn)[9。本研究以水田穩(wěn)定態(tài)肥料及氮磷鉀復(fù)合肥、控釋肥、緩釋肥為試材，測(cè)定各肥料的靜水氮素釋放量和施于盆栽水稻后其生育期內(nèi)不同時(shí)段的氮素吸收量，并利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)二者擬合度進(jìn)行分析，并對(duì)關(guān)聯(lián)度順序與盆栽產(chǎn)量順序的一致性進(jìn)行剖析，以期為水田穩(wěn)定態(tài)肥料的推廣應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)

1材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土壤為紅黃壤，取自科技大學(xué)校內(nèi)綜合示范基地，其基本理化性質(zhì)見表1。供試水田穩(wěn)定態(tài)肥料 σ_{N：P2O5：K2}^'0=7.8：6.7：5.2） 由本課題組生產(chǎn)，復(fù)合肥（ N：P₂O₅：K₂O=20：20：20） 由深圳市杜高生物新技術(shù)有限公司生產(chǎn)，控釋肥（N：P₂O₅：K₂O=14：14：14） 由河北德沃多肥料有限公司生產(chǎn)，緩釋肥（ 為史丹利農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司的市售產(chǎn)品。

試驗(yàn)作物為水稻，品種為南粳9108，種植于上口徑 400mm 下口徑 330mm 高度 410mm 的塑料盆內(nèi)。2023年5月16日將水稻苗移栽入塑料盆中，2023年9月16日收獲。試驗(yàn)地點(diǎn)為科技大學(xué)校內(nèi)綜合示范基地（ 120^°01^′E，30^°13^′ N）日光溫室。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1不同種類肥料的靜水氮素釋放測(cè)定參考緩釋肥的測(cè)定方法[10]進(jìn)行。分別稱取水田穩(wěn)定態(tài)肥料、復(fù)合肥、控釋肥和緩釋肥各 10g ，分別放入 165μm 尼龍紗網(wǎng)小袋中，封口后，再將小袋放入 250mL 玻璃瓶中，加入去離子水 200mL ，加蓋密封，置于 25^°C 條件下恒溫培養(yǎng)，每種肥料3個(gè)重復(fù)。取樣時(shí)間分別為培養(yǎng)后 10，20，30，40， 和120d，取樣時(shí)將玻璃瓶上下顛倒3次，使瓶?jī)?nèi)的液體濃度一致，然后移入 250mL 容量瓶中，取樣結(jié)束后再向裝有肥料小袋的玻璃瓶中加 200mL 去離子水。

1.2.2水稻生育期內(nèi)不同時(shí)段氮素吸收量測(cè)定采用盆栽試驗(yàn)進(jìn)行。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理： ① T1，施用水田穩(wěn)定態(tài)肥料； ②T2 ，施用復(fù)合肥； ③ T3，施用控釋肥； ④T4 ，施用緩釋肥。每個(gè)處理重復(fù)3次。施肥方法為肥料一次性與上部1/2土混勻。水稻氮素用量以 150kg/hm² 計(jì)算，即每盆施用氮素 3.9092g ，供試肥料用量見表2。

1.2.3 肥料的靜水氮素釋放與水稻生育期內(nèi)不同時(shí)段氮素吸收的擬合度分析采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法[11-14]進(jìn)行。具體按以下5個(gè)步驟進(jìn)行。

① 確定參考序列和比較序列：

因試驗(yàn)中有4個(gè)處理，處理分別為 X₁，X₂ ！ 每個(gè)因素的觀測(cè)值為12個(gè)，則參考序列為： ;比較序列分別為： ， i=1，2，3 ，

② 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理：

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用區(qū)間值化處理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式如下：

式中： X（k） 為原始數(shù)據(jù)， X_i^′（k） 為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，minX（k） 為最小值，maxX（k）為最大值。

③ 絕對(duì)差值序列計(jì)算：

參考序列與比較序列的絕對(duì)差值計(jì)算公式如下：

Δ_i（k）=|X^′₀（k）-X^′_i（k）∣

式中： Δ_i（k） 為絕對(duì)差值， 為參考序列標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)， X_i^′（k） 為比較序列標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

④ 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算：

關(guān)聯(lián)系數(shù) （γ） 是參考數(shù)列和比較序列在各個(gè)時(shí)點(diǎn)之間的幾何距離，它的值越大，表示兩個(gè)指標(biāo)數(shù)列在對(duì)應(yīng)指標(biāo)上的相互關(guān)聯(lián)程度越大。其計(jì)算公式如下：

。式中： min_imin_kΔΔΔ_i（k） 為序列絕對(duì)差值的最小值，max_imax_kΔ_i（k） 為序列絕對(duì)差值的最大值； ξ 為常數(shù)，通常情況下取0.5。

⑤ 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算：

關(guān)聯(lián)系數(shù)是參考數(shù)列和比較序列的關(guān)聯(lián)程度值，且是不同時(shí)點(diǎn)上的關(guān)聯(lián)程度值，因此關(guān)聯(lián)系數(shù)不止一個(gè)，且分布分散，無法進(jìn)行統(tǒng)一的比較。灰色關(guān)聯(lián)度就是把這些關(guān)聯(lián)系數(shù)集中起來，通過一定的方法求得的值，它可以從總體上反映參考序列與其他指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度。灰色關(guān)聯(lián)度的值越大，相關(guān)性就越強(qiáng)。綜合灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為：

1.3 指標(biāo)測(cè)定與計(jì)算

靜水氮素釋放試驗(yàn)樣品總氮含量參考《水質(zhì)總氮的測(cè)定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ636—2012）[15]中的方法測(cè)定。

從水稻移栽日開始，到水稻收獲后（120d）結(jié)束，每隔10d取一次水稻植株樣品，每盆隨機(jī)抽取1株進(jìn)行干物質(zhì)和氮含量測(cè)定。樣品采回后先用自來水洗凈，再用去離子水沖洗，隨后置于烘箱中 105^°C 殺青 30min ，而后 80^°C 烘至恒重。水稻烘干樣品粉碎過篩后用于測(cè)定氮含量。氮含量采用 H₂S0₄-H₂O₂ 消煮，半微量凱氏法測(cè)定。

氮素吸收量、氮素總吸收量及氮素階段吸收量的計(jì)算公式如下：

氮素吸收量（ mg/ 株） Σ=Σ 該時(shí)期植株干物質(zhì)量（ mg/ 株） × 氮含量 （%） ；

氮素總吸收量（ mg/ 株） Σ=Σ 成熟期地上部干物質(zhì)量（ mg/ 株） × 地上部氮含量 （%）+ 籽粒重（ mg/ 株） × 籽粒氮含量 （%） ；

氮素階段吸收量（ mg/ 株） Σ=Σ 后一時(shí)期氮素吸收量（ mg/ 株）-前一時(shí)期氮素吸收量（ mg/ 株） 。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用MicrosoftExcel2019對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與計(jì)算，Origin2021軟件繪圖，IBMSPSSStatis-tics22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 四種肥料的靜水氮素釋放分析

四種肥料的靜水氮素累積釋放比率和氮素階段釋放比率分別見圖1和圖2。培養(yǎng) 120d 即水稻收獲時(shí)，水田穩(wěn)定態(tài)肥料、復(fù)合肥、控釋肥和緩釋肥的氮素累積釋放比率分別為 90.77% ！99.59% 一 90.59% 和 89.25% 。可以看出，復(fù)合肥的氮素累積釋放曲線呈現(xiàn)近似倒“L”型，水田穩(wěn)定態(tài)肥料、控釋肥和緩釋肥的呈現(xiàn)近似“S”型

水田穩(wěn)定態(tài)肥料的氮素釋放是持續(xù)的，表現(xiàn)為 0～20d 慢速 20～30d 快速 .30～120d 慢速這三個(gè)階段；相反，復(fù)合肥則是前期有爆炸性釋放，中后期無釋放， 99% 以上的氮素于培養(yǎng)后 10d 內(nèi)釋放；控釋肥的氮素釋放則是 0～20d 慢速、 20～ 50d 快速、 .50～120d 慢速；緩釋肥的氮素釋放整體上表現(xiàn)為0＼～60d慢速、 60～80 d釋放加快、80～120d 釋放減少。

2.2 生育期內(nèi)不同時(shí)段水稻的氮素吸收分析

施用四種肥料處理盆栽水稻地上部干物質(zhì)積累和氮含量情況見表3。生育期間，水稻地上部干物質(zhì)積累在不斷增加，收獲時(shí)（移栽后 120d ）T1，T2，T3，T4 處理地上部干物質(zhì)積累量分別為12.34，9.61，10.63，7.91g/? 株；籽粒重分別為13.10，8.14，10.77，8.37g/ 株，表現(xiàn)為 T1gt;T3gt;T4gt; T2。施用水田穩(wěn)定態(tài)肥料與施用其他肥料相比，產(chǎn)量顯著提高，較 T2、T3、T4處理分別高出60.93%.21.63% 和 56.51% 。在整個(gè)生育期內(nèi)，植株氮含量隨時(shí)間推進(jìn)整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，收獲時(shí)T1、T2、T3、T4處理水稻地上部氮含量分別為0.69%.0.81%.0.71% 和 0.96% ，籽粒氮含量分別為 0.73%.1.02%.0.91% 和 0.99% 。

施用四種肥料處理盆栽水稻氮素吸收量和氮素階段吸收占比情況分別見圖3和圖4。在整個(gè)生育期內(nèi)，水稻氮素吸收量隨時(shí)間推進(jìn)呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。移栽后30d，T1—T4處理的氮素階段吸收量占比分別為 27.33%.13.16%?12.41% 和 7.09% ，表現(xiàn)為 T1gt;T2gt;T3gt;T4 ;移栽后 50d ，T1—T4 處理水稻的氮素階段吸收量占比分別為 30.28% /21.73% 26.50% 和 41.07% ，表現(xiàn)為 T4gt;T1gt;T3gt;T2。施用四種肥料后，水稻氮素吸收量占比最高的時(shí)間點(diǎn)均為移栽后 50d 。收獲時(shí)，施用水田穩(wěn)定態(tài)肥料、復(fù)合肥、控釋肥和緩釋肥的水稻氮素吸收量分別為180.85、161.06、172.52mg/株和158.31mg/ 株，表現(xiàn)為 T1gt;T3gt;T2gt;T4 。

2.3 不同種類肥料的氮素釋放與水稻生育期不同時(shí)段氮素吸收的擬合度分析

2.3.1確定參考序列和比較序列按照灰色系統(tǒng)理論要求，將四種肥料的靜水氮素階段釋放比率和四種肥料施用后水稻各個(gè)時(shí)段氮素吸收量占比的平均值視為一個(gè)灰色系統(tǒng)，取四種肥料施用后盆栽水稻各個(gè)時(shí)段氮素吸收量占比的平均值作為參考序列，為 X₀ ，四種肥料的靜水氮素階段釋放比率視為比較序列，分別設(shè)為 X₁，X₂，X₃ 和 ΔX₄ （表4）。

2.3.2 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理 采用區(qū)間值化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將原始數(shù)據(jù)代入標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式，標(biāo)準(zhǔn)化值為[0，1]區(qū)間內(nèi)的數(shù)。所得標(biāo)準(zhǔn)化后的參考序列和比較序列數(shù)值見表5。

2.3.3 絕對(duì)差值序列及灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，將其代人絕對(duì)差值計(jì)算公式，得到絕對(duì)差值（表6）。從表6中可以看出， minΔ_i（k）= （0.01，0，0，0.01） ， （0.85，1.00，0.60，0.91）

將絕對(duì)差值代人灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式，即可得出灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)（表7）。

2.3.4灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算由于灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)只是反映2個(gè)序列在某一時(shí)段的緊密程度，而灰色關(guān)聯(lián)度為2個(gè)序列在各個(gè)時(shí)段關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值，因此將求得的關(guān)聯(lián)系數(shù)代人灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式，即可求得灰色關(guān)聯(lián)度。四種肥料的灰色關(guān)聯(lián)度分別為 0.85，0.70，0.78 和0.71，關(guān)聯(lián)度按大小順序依次為：水田穩(wěn)定態(tài)肥料 gt; 控釋肥 gt; 緩釋肥gt;復(fù)合肥（表8）。其中水田穩(wěn)定態(tài)肥料的關(guān)聯(lián)度與復(fù)合肥、控釋肥和緩釋肥相比分別提高21.43% ） 8.97% 和 19.72% 。

2.4 水稻產(chǎn)量與灰色關(guān)聯(lián)度的一致性分析

四種肥料處理的水稻產(chǎn)量有所差異（表3），高低順序?yàn)椋核锓€(wěn)定態(tài)肥料 gt; 控釋肥 gt; 緩釋肥gt;復(fù)合肥。施用水田穩(wěn)定態(tài)肥料與施用復(fù)合肥、控釋肥和緩釋肥相比水稻產(chǎn)量分別提高 60.93% /21.63% 和 56.51% O

可以看出，水稻產(chǎn)量高低順序與施肥處理的灰色關(guān)聯(lián)度高低順序保持一致，相關(guān)性分析結(jié)果也表明二者達(dá)到顯著正相關(guān)（圖5）。究其原因，主要在于四種施肥處理下水稻不同生育時(shí)期其氮素需求能得到不同程度的滿足（表9）。移栽日至分蘗結(jié)束（移栽后 0～30d ），此時(shí)段四種肥料的氮素供應(yīng)均能滿足水稻的氮素需求；分蘗期至拔節(jié)期（移栽后 30～50d ），四種肥料的氮素供應(yīng)均不能滿足水稻的氮素需求；拔節(jié)期至抽穗期（移栽后 50～80d） ），水田穩(wěn)定態(tài)肥料和緩釋肥的氮素階段釋放比率高于水稻氮素階段吸收量占比，其中水田穩(wěn)定態(tài)肥料的氮素供應(yīng)僅略有盈余，而緩釋肥的氮素供應(yīng)過剩；抽穗期至成熟（移栽后 80～ 120d） ），此時(shí)段只有水田穩(wěn)定態(tài)肥料的氮素供應(yīng)可以滿足水稻的氮素需求。因此，水田穩(wěn)定態(tài)肥料在水稻拔節(jié)期至收獲階段均能為其提供氮素需求保障，這是保障水稻高產(chǎn)的有利條件。

盆栽試驗(yàn)條件下水稻產(chǎn)量的高低順序與其灰色關(guān)聯(lián)度分析保持高度一致，相關(guān)性分析也得到正相關(guān)的結(jié)果。因此，肥料的氮素供應(yīng)與水稻氮素需求的擬合度可用灰色關(guān)聯(lián)度來表征。

3討論與結(jié)論

當(dāng)肥料的氮素釋放與水稻氮素需求同步時(shí)，其可以顯著增加水稻對(duì)氮素的吸收從而提高產(chǎn)量[16-17]。水田穩(wěn)定態(tài)肥料的主要原料為牛糞沼渣和水溶性肥料，與傳統(tǒng)的化學(xué)肥料相比，它在作物的整個(gè)生長(zhǎng)階段都能持續(xù)穩(wěn)定地釋放養(yǎng)分。這樣一方面，早期的氮素供應(yīng)由水田穩(wěn)定態(tài)肥料中的水溶性肥料提供，避免類似于控釋肥這類前期氮素釋放過慢導(dǎo)致不能滿足水稻氮素需求的情況；另一方面，后期的氮素由其組分中的牛糞沼渣供給，從而避免了生長(zhǎng)后期缺氮情況的發(fā)生。因此，將牛糞沼渣與水溶性肥料互補(bǔ)，可以確保水稻在整個(gè)生育期內(nèi)的養(yǎng)分持續(xù)供應(yīng)，有利于提高水稻產(chǎn)量[18-19]。充足的氮素供應(yīng)可以促進(jìn)水稻分期的快速增長(zhǎng)[20]。有研究表明，化肥和有機(jī)肥配施，水稻的氮素吸收量高于單獨(dú)施用化肥，還可以提高水稻分藥期的株高和分藥數(shù)[21-22]。抽穗期是穗分化和穗粒數(shù)確定的關(guān)鍵時(shí)期，該期充足的氮素供應(yīng)也同樣重要[23]。抽穗期后，植株用于籽粒的氮素大部分來源于植株組織，此時(shí)外源氮素需求不高[24] O

采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)四種肥料的氮素階段釋放比率與水稻氮素階段吸收量占比進(jìn)行擬合，得出的灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.85、0.70、0.78和0.71，大小順序?yàn)樗锓€(wěn)定態(tài)肥料gt;控釋肥gt;緩釋肥gt;復(fù)合肥，這與水稻盆栽產(chǎn)量的高低順序保持一致。相關(guān)性分析也證明二者的灰色關(guān)聯(lián)度與產(chǎn)量數(shù)據(jù)具有正相關(guān)關(guān)系。

綜上表明，肥料的氮素供應(yīng)與水稻氮素需求的擬合度可用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法來實(shí)現(xiàn)，水田穩(wěn)定態(tài)肥料與復(fù)合肥、控釋肥和緩釋肥相比其靜水氮素釋放比率與水稻生育期不同時(shí)段的氮素吸收更吻合，更適合于水稻生產(chǎn)

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