控釋尿素、穩定性尿素和配施菌劑尿素提高雙季稻產量和氮素利用率的效應比較

王 斌， 萬運帆*， 郭 晨， 李玉娥， 秦曉波， 任 濤， 趙 婧

(1中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,農業部農業環境重點實驗室，北京100081; 2 華中農業大學資源與環境學院，農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，湖北武漢 430070; 3 北京師范大學環境學院，北京 100875)

控釋尿素、穩定性尿素和配施菌劑尿素提高雙季稻產量和氮素利用率的效應比較

王 斌1， 萬運帆1*， 郭 晨2， 李玉娥1， 秦曉波1， 任 濤2， 趙 婧3

(1中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,農業部農業環境重點實驗室，北京100081; 2 華中農業大學資源與環境學院，農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，湖北武漢 430070; 3 北京師范大學環境學院，北京 100875)

【目的】中國是最大的水稻生產和消費國，氮肥是保證水稻高產的關鍵，水稻種植中氮素利用率偏低一直是亟待解決的問題，包膜、添加硝化抑制劑和菌劑等為其提供了可行的解決手段。本文以新型尿素為研究對象，進行四季水稻的連續試驗，從作物生長、產量構成和氮素利用方面做出綜合評價，為其在水稻種植上的推廣提供科學依據。【方法】2012和2013年在湖北荊州(江漢平原代表站點)，進行兩年大田試驗設置了五種氮肥處理: 常規尿素(CK)、樹脂包膜控釋尿素(CRU)、碧晶尿素(NU)(含氯甲基吡啶)、硝化抑制劑DMPP(3,4-二甲基吡唑磷酸鹽)(DMPP)、有效微生物菌劑(EM)，跟蹤觀測不同尿素對雙季稻生長性狀(株高、莖蘗數、穗數、葉綠素)、產量要素(穗粒數、結實率、千粒重、秸稈產量、籽粒產量)以及氮素利用率(吸收利用率、農學利用率、生理利用率)的影響，分析新型氮肥的增產效益及氮素利用率。【結果】新型氮肥能促進水稻植株的增高、葉綠素含量的提升，增加莖蘗數、成穗數和穗粒數，并提高結實率和千粒重，最終促進秸稈和籽粒產量的增長。CRU處理增產最為明顯和穩定，早晚稻相比CK處理平均增產達18%(P<0.05)， 而DMPP、NU和EM處理早稻增產不明顯，晚稻增產14%(P<0.05)，晚稻增產效益優于早稻。新型氮肥能有效提高氮素吸收利用率，以CRU最高，兩年平均氮素利用率為53%，NU次之(為47%)，CK最低(僅為35%)；隨著菌劑不斷施入，EM處理氮素利用率逐季增高，在2013年晚稻為55%，與CK達到極顯著差異(P<0.01)。新型氮肥處理的農學利用率不同程度高于CK，其中CRU處理最高，在2013年達到差異極顯著(P<0.01)。新型氮肥處理的生理利用率2012年均低于CK，2013年僅DMPP處理高于CK，但差異不顯著。【結論】與普通尿素相比，控釋尿素、穩定尿素和配施微生物菌劑均能促進植株生長、提高氮素利用率，其效果以包膜控釋尿素最好也最穩定，添加硝化抑制劑的穩定肥料次之，與菌劑配施作用需進一步驗證。

控釋尿素; 硝化抑制劑; EM菌; 雙季稻; 產量; 氮素利用率

中國是全球最大的氮肥消費國，氮肥用量約占全球總量的36.9%，其中用于水稻生產的占全國總氮肥用量的24%[1]。為了提高水稻生產中氮肥的利用率，包膜和添加硝化抑制劑等的氮肥被研發出來，相比于普通尿素，其具有肥效時間長、養分利用率高、對環境污染低等特征，同時對作物生長和產量具有一定促進作用[2-5]。菌劑與氮肥配施對于改善土壤結構、提高肥力和促進穩產、高產存在一定積極作用[6-7]。

本試驗選取四種最具代表性的新型氮肥作為對象，進行了兩年雙季稻的大田試驗，探究不同類型氮肥對植株生長性狀、產量構成和氮素利用率的影響，以期對這四種新型肥料的增產效應和氮素利用率提升空間做出客觀評價，為其在水稻種植上的推廣提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗于2012、 2013年在湖北省荊州市農業氣象站內(30°21′N，112°09′E)進行。該地區作為江漢平原的代表站點，屬于亞熱帶季風氣候區。供試土壤為內陸河湖交替沉積形成的水稻土，保水保肥能力良好，質地為粉質中壤土。土壤基礎理化性質為: 容重1.44 g/cm3，pH(H2O)7.8，有機碳26.88 g/kg，全氮1.09 g/kg，速效鉀56.3 mg/kg，速效磷9.7 mg/kg。

試驗采用單因素隨機區組設計，共設5個不同的氮肥處理。1)常規尿素(N≥46%),作為對照處理，根據當地傳統施肥方式來進行(CK)；2)樹脂包膜控釋尿素(N≥42%)，為“S”型曲線釋放，控釋期為90天，由山東金正大生態工程股份有限公司提供(CRU)；3)碧晶尿素(N≥46%)，在生產中摻入質量分數0.5%的氯甲基吡啶合成的尿素，由上海碧晶農業科技有限公司提供(NU)；4)常規尿素中加入質量分數1%的硝化抑制劑3,4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)；5)施肥時潑灑與常規尿素200倍等重的EM菌液，主要包括酵母菌群、乳酸菌群、光合菌群、芽孢桿菌群和放線菌群等，配制方法為菌劑 ∶紅糖 ∶水=1 ∶1 ∶200,培養48小時(EM)。為計算氮素利用率，另設一個空白不施氮處理。所有處理的磷肥均為過磷酸鈣(P2O5≥12%)，鉀肥為氯化鉀(K2O≥60%)。每個處理3次重復，試驗小區為6 m×4.5 m。

施肥共分三次，一次基肥在水稻移栽前施用，兩次追肥分別在分蘗期和抽穗期施用。各處理總養分量均一致: 總氮量早稻為N 165 kg/hm2，晚稻為N 180 kg/hm2，各階段施氮量根據肥料種類和特性而定，為當地最優推薦施肥[8-9]，具體施氮方案如表1所示。鑒于包膜控釋尿素釋放養分的長效性，只采用1次追施；為了保證單一變量差異，抑制劑和菌劑處理施氮量與CK保持一致;磷肥用量均為P2O560 kg/hm2，全部作為基肥施入; 鉀肥用量均為K2O 90 kg/hm2，按比例2 ∶1 ∶3分次施入。早稻品種為兩優287，晚稻為湘豐優9號，皆為當地主推品種，移栽密度為21萬穴/hm2，每穴2株。2012年早稻于5月3日移栽， 7月17日收割；晚稻于7月22日移栽，10月15日收割。2013年早稻于4月25日移栽， 7月15日收割；晚稻于7月18日移栽，10月13日收割。各個小區由田埂和薄膜隔離，保證相互不干擾，并全部依照當地的常規習慣進行水分管理: 前期淹水，中期曬田，后期干濕交替，完熟落干。除草及病蟲害防治均根據需要參照習慣種植模式統一進行。

1.2 項目測定與方法

每個試驗小區在移栽后選定5穴正常水稻，每5天調查一次植株生長動態: 株高為直尺測定從地面到葉片伸直最高處的長度；葉綠素含量采用SPAD-502葉綠素儀測定倒三葉(抽穗后測旗葉)避開葉脈的中部位置SPAD值；抽穗前調查莖蘗數變化，抽穗后調查穗數變化。在成熟收割時，每個小區按平均穗數取樣5穴進行考種，主要包括有效穗數、穗長、穗粒數、結實率、千粒重(烘干重)；取水稻植株進行全氮含量測定，樣品分為稻谷和稻草兩部分，依次進行殺青、烘干、粉碎、過篩后采用H2SO4-H2O2消煮，用流動分析儀(Seal AA3)測定氮含量；采用1 m×1 m的正方形樣框在每個小區隨機取3處收割后曬干脫粒測產，分為稻草重和籽粒重。需要說明的是，空白不施氮處理只用于計算氮素利用率，控釋肥、抑制劑和菌劑處理只與常規施肥進行對比分析。

1.3 數據處理

氮素利用率計算方法[10-11]如下:

氮素吸收利用率(nitrogen recovery efficiency，NRE，%)=(施氮區植株總吸氮量-無氮區植株總吸氮量)/施氮量×100

氮素農學利用率(nitrogen agronomic efficiency，NAE，kg/kg)=(施氮區籽粒產量-無氮區籽粒產量)/施氮量

氮素生理利用率(nitrogen physiological efficiency, NPE, kg/kg)=(施氮區籽粒產量-無氮區籽粒產量)/(施氮區植株總吸氮量-無氮區植株總吸氮量)

數據計算和方差分析使用Excel 2007和SPSS 18.0軟件完成，多重比較為FPLSD分級法。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥處理對水稻植株生長的影響

水稻株高、葉綠素含量、單穴莖蘗數和穗數的動態變化如圖1～圖3所示。水稻株高總體上遵循Logist生長曲線變化，兩年早稻平均株高約為90 cm，晚稻約為108 cm。施用CRU的株高明顯高于CK，NU次之；DMPP、 EM株高均比CK略長，但差別不大。各處理早稻的株高差異較小，晚稻株高相差較大。葉綠素含量(SPAD值)隨著水稻的生長由低到高變化，在抽穗期達到峰值，然后逐漸下降。各處理在中前期相差不大，呈現一定的波動，但在后期成熟階段CRU、NU和DMPP的SPAD值明顯高于CK，這說明成熟階段新型氮肥的葉片，具有更好的氮素營養，其光合效率也高于常規尿素，從而有助于形成較高的結實率和粒重。

水稻莖蘗數和穗數也是生長性狀的重要指標，并與產量關系密切。水稻單穴莖蘗數一般穩定在13到17之間，2012年早稻各處理差別不明顯，其余三季水稻期間以CRU的單株分蘗數最高，DMPP和EM次之，NU與CK差別不大。水稻單穴穗數一般穩定在11到15之間，CRU明顯高于CK，EM次之，DMPP和NU略高于CK。這說明新型氮肥對于水稻的分蘗和成穗具有一定的積極意義，有助于形成健壯的株型和高產群體，最終達到增產。需要指出的是，觀測包括無效和有效莖蘗數和穗數，水稻生長過程中存在自然枯死消亡，這也是導致其變動和下降的原因。

2.2 不同氮肥處理對水稻產量及構成要素的影響

新型氮肥對水稻的各項產量指標均存在不同的影響(表2、表3)。控釋尿素CRU單株有效穗數高于常規尿素CK，除2012年早稻外，與CK差異極顯著(P<0.01)；EM在前三個生長季與CK差異不顯著，在2013年晚稻顯著高于CK(P<0.05)。各施肥處理的穗長差異不顯著，但穗粒數變異較大，CRU、NU均比CK略高，但只有2013年晚稻NU與CK達到極顯著差異(P<0.01)。新型氮肥的結實率均高于常規尿素， NU在所有生長季內與CK差異顯著，DMPP、EM在后三個生長季與CK差異顯著，CRU只在2013年早稻與CK差異顯著(P<0.05)。2012年早稻和晚稻千粒重均以CRU最高，與CK差異顯著；2013年早稻各處理差異不顯著，晚稻以EM最高，與CK差異顯著(P<0.05)。需要指出的是，2013年雙季稻結實率和千粒重均低于2012年，這可能與2013年雙季稻生長季出現的高溫有關。

從大田實際測產數據來看，2012年早稻各處理之間不存在顯著差異；2013年早稻只有CRU與CK達到顯著性差異(P<0.05)，增產幅度為19.8%。對于晚稻而言，CRU、NU、DMPP和EM相比CK均存在顯著的增產(P<0.05)，其中2012年和2013年均以CRU增產最高，分別為16.8%和20%，并達到極顯著差異(P<0.01)。從實測秸稈產量來看，新型氮肥處理均高于CK，其中CRU在后三季水稻中最高且與CK差異顯著(P<0.05)；NU次之，在晚稻均表現出與CK的顯著性差異(P<0.05)。秸稈產量是水稻成熟后地上生物量的最直接反映，結合株高和莖蘗數結果，我們可以認為新型氮肥有利于植株生長和干物質積累，進而增加籽粒產量。

不論是產量構成要素還是大田實際測產，我們都能看出新型氮肥具備增產效果，其中主要表現在有效穗數和穗粒數的增多、結實率和千粒重的提高，并且晚稻增產效果優于早稻。總體而言，包膜控釋肥CRU增產效果最高也最為穩定，四季水稻平均增產18%左右；硝化抑制劑DMPP次之，除在第一季水稻不增產外，其余三季水稻平均增產14%左右； 碧晶尿素NU和EM菌劑在早稻上不表現出明顯的增產效果，但在晚稻上能增產14%左右。綜上所述，可以認為CRU的水稻增產效果最好，DMPP、NU和EM也存在明顯的增產，彼此間差別不大。

2.3 不同氮肥處理對水稻氮素利用率的影響

注(Note): 表中數值為平均值±標準差Data in the table are the mean value ± standard deviation；數值后不同小、大寫字母分別表示處理間差異在P<0.05、P<0.01水平顯著 Values followed by different lowercase and capital letters are significantly different atP<0.05 andP<0.01, respectively.

注(Note): 表中數值為平均值±標準差Data in the table are the mean value ± standard deviation；數值后不同小、大寫字母分別表示處理間差異在P<0.05、P<0.01水平顯著 Different lowercase and capital letters are significantly different atP<0.05 andP<0.01, respectively.

氮素吸收利用率NRE是評價作物對氮素肥料吸收效果的一個最重要指標。由表4可以看出，在2012年早稻各處理差異不顯著，晚稻CRU與CK處理間達到極顯著差異(P<0.01)；2013年早稻CRU、NU、DMPP均與CK處理間達到極顯著差異(P<0.01)，晚稻EM與CK處理間達到極顯著差異(P<0.01)。常規尿素CK在兩年試驗中的總平均氮素吸收利用率為35%，CRU的吸收利用率最高為53%，NU、EM和DMPP分別為47%、46%和45%，新型氮肥處理的吸收利用率比CK的高出10%～18%。另外，晚稻NRE要高于早稻，各處理中EM菌劑處理第二年的氮素吸收利用率相比第一年明顯提高，其余處理年際間變化不大。

除2012年早稻外，其余稻季新型氮肥的氮素農學利用率均高于常規尿素，其中以CRU最高，在2012年和2013年晚稻與CK達到極顯著差異(P<0.01)，而NU、DMPP、EM與CK則達到顯著差異(P<0.05)。各處理氮素農學利用率的年際差異較小，早稻和晚稻也不存在明顯波動。

氮素生理利用率NPE指作物地上部分每吸收單位氮素中所獲取的籽粒增量，是作物吸收同等數量氮素時所獲得的經濟產量。除2013年早稻DMPP高于CK，其它季節所有處理間差異不顯著。

注(Note): 表中數值為平均值±標準差Data in the table are the mean value ± standard deviation; 數值后不同小、大寫字母分別表示處理間差異在P<0.05、P<0.01水平顯著 Values followed by different lowercase and capital letters are significantly different atP<0.05 andP<0.01, respectively.

3 討論和結論

3.1 不同新型氮肥的增產效益和年際差異

與前人研究結果一樣，控釋尿素、穩定尿素和配施EM菌劑擁有比常規尿素更高效和穩定的氮素供應，在營養生長階段能促進水稻植株的長高、分蘗的增多和葉綠素含量的提升，進而提高光合效率，在生殖生長階段能促進成穗數和穗粒數的增多，提高灌漿速率，提高結實率和千粒重，促進生物量和產量的增長[12-15]。

本試驗中，新型氮肥在晚稻的增產效果明顯優于早稻，而雙季稻是一個連續的過程，早稻土壤積累的氮素養分可能繼續留給晚稻利用，且早稻和晚稻品種不同，生長季跨度也不同，各方面因素綜合作用下導致這一差異。對于不同的年份，EM菌劑的增產效果在第二年優于第一年，隨著有效微生物菌的不斷施入，其對土壤肥力和菌群結構的改良作用越來越明顯[6,16]。值得指出的是，包膜控釋尿素在所有稻季中對產量的促進作用最為明顯和穩定，不存在明顯季節差異，這可能是由于該類肥料按照特定曲線緩慢釋放氮素，肥效時間較長，能滿足作物在各個階段的需氮量[3,17]，這也是我們推薦的最優增產氮肥種類。

3.2 新型氮肥的氮素利用率評價及減氮穩產的可行性

氮素吸收利用率(NRE)、農學利用率(NAE)和生理利用率(NPE)這三項，從不同的角度描述了作物對氮肥吸收和利用的程度。從生物產量提高、氮素損失和環境污染減少的角度來考慮，以NRE具有最重要的意義。綜合比較兩年雙季稻，包膜控釋尿素的NRE最高，添加硝化抑制劑尿素和菌劑配施尿素相差不大，但均顯著高于常規尿素，其中EM菌劑的NRE隨著稻季的更替逐步上升。因為水稻收獲的是籽粒產量，因此還需要考慮氮素農學利用率NAE，我們可以看出控釋尿素NAE依舊最高，常規尿素最低。通過這兩個指標的綜合比較，我們可認為施用新型氮肥能有效提高水稻植株的吸氮量，并促進氮素轉換成籽粒產量。氮素生理利用率NPE反映的是水稻籽粒氮素利用率，常規尿素的NPE最高，但與新型肥料處理的差異除個別季節，基本不顯著。通過NPE與其余兩個指標的比較可以說明控釋尿素、添加抑制劑尿素和菌劑配施尿素后期供肥依然充足，水稻地上部分生長旺盛，莖鞘葉的氮含量和干物質量高于常規尿素，養分的“源”儲備充足，在灌漿到成熟階段能有效輸入到籽粒“庫”[18]，最終表現出結實率、千粒重的提高和產量的增長。

鑒于新型氮肥的高肥力和長肥效作用，有研究認為在減量施用控釋肥的條件下依然可達到穩產甚至高產的作用[19]，這對于成本控制具有實際意義。從大田數據我們發現，新型氮肥的地上部分特別是稻草的吸氮量遠高于常規尿素，也就是說植株莖葉所含氮素營養是具有較大潛力的供應“源”，其養分如果充分轉移到籽粒就能保證產量的提高。因此，在優化平衡施肥的基礎上再適當減少其施入量，在穩產的同時進一步提高氮素利用率，并節約成本，這有利于新型氮肥的推廣。

本研究結果表明，控釋尿素具備最高和最穩定的氮素利用效果，碧晶尿素和硝化抑制劑次之。但菌劑的作用還需要更多的試驗來驗證。

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A comparison of the effects of controlled release urea, stable urea and microorganisms increasing double rice yield and nitrogen use efficiency

WANG Bin1, WAN Yun-fan1*, GUO Chen2, LI Yu-e1, QIN Xiao-bo1, REN Tao2, ZHAO Jing3

(1InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/TheKeyLaboratoryforAgro-Environment,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China; 2CollegeofResourcesandEnvironment,HuazhongAgriculturalUniversity/TheKeyLaboratoryofArableLandConservation(MiddleandLowerReachesofYangtseRiver),MinistryofAgriculture,Wuhan430070,China; 3CollegeofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

【Objectives】 China is the largest producer and consumer of rice(OryzasativeL)in the world. Nitrogen is the most essential element for rice production, however, low nitrogen use efficiency(NUE)has been existed. New nitrogen fertilizers(controlled release urea, nitrification inhibitor and microbial inoculant) were developed to solve this problem. Their effects were compared in this paper to provide reliable basis for the fertilizer promotion in rice cultivation. 【Methods】 Five different fertilizer treatments, CK: conventional urea, CRU: polymer-coated controlled release urea, NU: urea containing nitrapyrin, DMPP: urea containing nitrification inhibitor 3,4-dimethylpyrazole phosphate, and EM: microbial inoculant combined application with urea were set for conducting a two year field experiment(2012-2013)in Jingzhou city , Jianghan Plain, Central China. Effects of different fertilizers on growth(plant height, chlorophyll, tiller and spike numbers), yield(grain numbers, setting rate, 1000-grain weight, straw and grain yield)and NUE(nitrogen recovery efficiency, nitrogen agronomic efficiency, nitrogen physiological efficiency)were explored. Increases in yield and NUE caused by different fertilizers were synthetically analyzed, and their seasonal fluctuations were also discussed. 【Results】The new fertilizers contribute to the increases of rice plant height, chlorophyll concentration, tiller numbers, spike numbers, grain numbers, setting rate and 1000-grain weight, and ultimately improve the straw and grain yields effectively. Compared with CK, CRU achieves the highest and most stable yield increase by 18%(P<0.05)in both early and late rice, and DMPP, NU and EM achieve a yield increase by 14%(P<0.05)in late rice, no significant increases in early rice. Better growth and yield promotion is showed in late rice than in early rice. The new fertilizers raise the nitrogen recovery efficiencies significantly compared with CK(35%). The nitrogen recovery efficiencies of CRU and NU reach to 53% and 47%, respectively. With the combined application of microbial inoculant, it presents a higher nitrogen recovery efficiency, which reaches to 55% and is very significant higher(P<0.01)than that of late rice under CK in 2013. The nitrogen agronomic efficiencies of the new fertilizers are higher than that of CK at different levels, among which CRU is very significant higher(P<0.01)than CK in 2013. The nitrogen physiological efficiencies of the new fertilizers are lower than that of CK, except that DMPP is higher than CK in 2013, but there exists no significant difference. 【Conclusions】 The application of controlled-release urea, nitrification inhibitor and microorganisms in paddy field get remarkable rice yield increases and NUE promotion significantly. The beneficial effect is in order of controlled release urea higher than stable urea and higher than combined application of microbial inocul urea.

controlled release urea; nitrification inhibitor; effective microorganisms; double rice; yield; nitrogen use efficiency

2014-04-08 接受日期: 2014-10-14 網絡出版日期: 2015-03-25

公益性行業(農業)科研專項(201103039); 國家“973”計劃項目(2010CB951302, 2012CB417106)資助。

王斌(1989—)，男，湖南婁底人，碩士研究生，主要從事施肥技術和農業源溫室氣體排放研究。E-mail: wangbin.world@163.com *通信作者Tel: 010-82109345, E-mail: wanyunfan@ami.ac.cn

S143.1+5; S143.1+6; S143.1+9

A

1008-505X(2015)05-1104-09