聚氨酯包膜氮肥減施對雙季早稻生長、 產量及經濟效益的影響

周旋, 康興蓉, 彭建偉*, 楊相東, 鐘雪梅, 胡文峰, 龍俊佑

(1.湖南省農業科學院土壤肥料研究所, 長沙 410125; 2.湖南農業大學資源環境學院, 長沙 410128; 3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所, 北京 100081)

在水稻生產過程中，大多數農民為了提高產量，一味增加氮(N)肥施用量，過量施用問題普遍存在[1-2]。這不僅造成水稻后期倒伏、病蟲害加劇、籽粒充實度下降等問題，影響產量，還導致N肥利用效率降低、損失率偏高、環境風險增加[3-4]。因此，如何在提高或穩定水稻產量的同時有效降低N肥對稻田環境生態的負面影響，已成為現代農業研究的重大科學問題。

緩/控釋肥是一類新型肥料，肥效期長，具有養分釋放與作物吸收同步的優點，能滿足作物在整個生長期對養分的基本需求[5]。通常，作物對緩/控釋肥的利用率比速效N肥高10%～30%，在目標產量相同的情況下，施用緩/控釋肥較傳統速效肥料用量可減少10%～40%[3]，且可實現全生育期一次性施肥[6-7]。因而，緩/控釋肥的研究與應用對實現農用化肥的“零增長”目標，推動資源節約型和環境友好型綠色農業發展具有重要意義[4]。

近年來，控釋尿素研究發展迅速，但在我國未達到規模化應用，主要是價格因素限制了其推廣[8-9]。聚氨酯(polyurethane)全稱為聚氨基甲酸酯，作為包膜材料用于制備包膜肥料時，具有生產成本低、制備工藝簡單、易實現連續化等特點[10-11]，已成為最有前景的膜材類別[12-14]。目前，關于系統分析聚氨酯控釋尿素減量施用的研究報道較少，且多以一年試驗結果為主。本研究以典型洞庭湖區雙季早稻為研究對象，選用90 d釋放期的聚氨酯包膜尿素，連續2年研究全量及減量施用包膜尿素條件下雙季早稻的生長、產量、產量構成因素及經濟效益狀況，以期為南方雙季稻區緩/控釋肥合理減量施用及推廣應用提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年和2019年4—7月，連續2年在湖南省益陽市赫山區蘭溪鎮椆木垸村稻田(N 28°58′25″，E 112°45′47″)進行。該區屬于中亞熱帶向北亞熱帶過渡的季風濕潤性氣候，年均氣溫16.9 ℃，年無霜期272 d，年日照時數1 553.7 h，太陽輻射總量103.73 kcal·h-1，年均降水量1 432.8 mm，年均相對濕度85%。供試土壤為紅黃泥，中等地力，前茬為水稻，0～20 cm耕層土壤基本理化性質見表1。

表1 2018—2019年供試土壤基本理化性質Table 1 Physical and chemical properties of soil tested from 2018 to 2019

1.2 試驗材料

供試雙季早稻品種為‘湘早秈45號’，全生育期106 d左右。供試肥料為聚氨酯包膜尿素(含N 44%)，N素釋放周期約為90 d，由中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所研發提供；常規尿素(N 46%)、鈣鎂磷肥(P2O512%)、氧化鉀(K2O 60%)，由湖南省赫山區農業農村局提供。

1.3 試驗設計

試驗共設置4個處理：①不施N肥(CK)；②150 kg N·hm-2常規尿素(CU)，按基肥∶分蘗肥6∶4施用；③150 kg N·hm-2聚氨酯包膜尿素，100%等N量施用(PuCU)，作基肥一次性施用；④120 kg N·hm-2聚氨酯包膜尿素，80%N量施用(0.8PuCU)，作基肥一次性施用。各小區磷鉀肥施用量相同，P2O5用量為45 kg·hm-2，K2O用量為90 kg·hm-2，均作基肥一次性施用。種植密度為13 cm×41 cm，小區面積21 m2(3 m ×7 m)。3 次重復，隨機區組排列。小區田埂農膜覆蓋，四周設保護行，避免串水串肥，田間管理按當地常規管理。

2018和2019年水稻育苗日期分別為3月17日和3月12日，基肥施用日期分別為4月18日和4月16日，移栽日期分別為4月19日和4月17日，成熟期分別為7月10日和7月14日。

1.4 測定項目及方法

分別于水稻分蘗期(tillering stage，TS)、孕穗期(panicle initiation stage，PI)、抽穗期(heading stage，HS)和成熟期(maturity stage，MS)等關鍵生育期，每小區采地上部3穴，測定株高和分蘗數。水稻成熟后，脫粒，風干，按含水量14%測實產；每小區采地上部5穴進行室內考種，分別測定其株高、穗長、有效穗數、每穗粒數、結實率、總穎花數、總實粒數、千粒重及谷草比等指標[15-16]。

谷草比=籽粒產量/秸稈產量

(1)

經濟效益(yuan·hm-2)=水稻產量×單價-肥料成本-人工費用[16]

(2)

各處理的其他農作費用(種子、農藥及除草等)一致。詳細費用如下：普通尿素價格為2.30元·kg-1、氯化鉀價格為3.00元·kg-1、過磷酸鈣價格為0.36元·kg-1、聚氨酯包膜尿素價格為2.70元·kg-1。早稻籽粒價格為2.40元·kg-1。插秧、施肥人工費為120元·hm-2。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0軟件進行統計分析，處理間差異顯著性分析采用最小顯著性差異法(LSD)檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥處理下雙季早稻的株高

由圖1可知，不同年份間各生育期施N處理整體上雙季早稻株高均高于CK處理。水稻生長前期(分蘗期)CU處理養分釋放快，株高明顯高于PuCU和0.8PuCU處理。而到生長后期，PuCU處理的株高逐漸高于CU和0.8PuCU處理。抽穗期施N處理雙季早稻株高較CK處理增幅分別為9.89%～13.17%(2018年)和16.31%～24.35%(2019年)；PuCU處理雙季早稻株高兩年較CU處理分別提高2.54%和5.58%，但均無顯著差異(P>0.05)，而0.8PuCU處理分別降低0.43%和1.24%，但均無顯著差異(P>0.05)。說明與常規尿素相比，施用聚氨酯包膜尿素土壤供N能力持續時間長，能提高雙季早稻的株高，而控釋肥減N處理將降低株高，影響生長，但與常規施肥無顯著差異。

2.2 不同氮肥處理下雙季早稻的分蘗數及成穗率

由圖2可知，不同年份間各生育期施N處理整體上雙季早稻分蘗數均高于CK處理。水稻生長前期(分蘗期)CU處理養分釋放快，分蘗數高于PuCU和0.8PuCU處理。而到生長后期，PuCU處理逐漸高于CU和0.8PuCU處理。抽穗期施N處理雙季早稻分蘗數較CK處理增幅分別為31.54%～52.06%和0.49%～8.74%；2018年PuCU處理水稻分蘗數較CU處理提高7.51%，而0.8PuCU處理減少7.00%，但均無顯著差異(P>0.05)；2019年PuCU和0.8PuCU處理分別提高8.21%和2.90%，但均無顯著差異(P>0.05)。與CU處理相比，PuCU和0.8PuCU處理雙季早稻成穗率2018年分別提高11.02%和8.33%，但均無顯著差異(P>0.05)；2019年分別顯著提高13.31%和9.82%(P<0.05)。說明與常規尿素相比，施用聚氨酯包膜尿素土壤供N能力持續時間增長，無效分蘗降低，雙季早稻分蘗數及成穗率提高，而減N施用分蘗數略減少，影響生長，但與常規施肥差異不大，可保證成穗率。

2.3 不同氮肥處理下雙季早稻的產量及其構成因素

由表2可知，雙季早稻不同施N處理的有效穗數2018和2019年較CK處理增幅分別為24.19%～35.58%和2.88%～7.69%，總實粒數增幅分別為38.69%～61.48%和20.86%～43.63%。與CU處理相比，2018年PuCU和0.8PuCU處理有效穗數分別提高9.17%和2.04%，總實粒數分別提高16.43%和1.75%，但均無顯著差異(P>0.05)；2019年PuCU和0.8PuCU處理有效穗數與CU處理均無顯著差異(P>0.05)，PuCU處理總實粒數顯著提高16.00%(P<0.05)，而0.8PuCU處理總實粒數無顯著差異(P>0.05)。說明與常規尿素相比，聚氨酯包膜尿素施用利于生長后期的養分供應，能有效提高雙季早稻有效穗數及總實粒數，為高產穩產奠定基礎，而聚氨酯包膜尿素減量施用可能會導致有效穗數降低，影響產量構成。結果顯示，施肥模式對雙季早稻結實率、千粒重、谷草比影響不顯著(P>0.05)；年份對雙季早稻穗長、千粒重、谷草比的影響不顯著(P>0.05)；兩者交互效應對產量構成因素的影響均不顯著(P>0.05)。

表2 不同氮肥處理下雙季早稻的產量及其構成因素Table 2 Yield and its components of double-cropping early rice under different nitrogen treatments

雙季早稻成熟期施N處理實際產量較CK處理增幅分別為70.59%～80.88%(2018年)和23.76%～47.80%(2019年)。與CU處理相比，2018年PuCU處理雙季早稻實際產量增產4.55%，而0.8PuCU處理減產1.40%，但均無顯著差異(P>0.05)；2019年PuCU處理雙季早稻實際產量顯著增加19.42%(P<0.05)，0.8PuCU處理增產6.76%，無顯著差異(P>0.05)。說明與常規尿素相比，聚氨酯包膜尿素能有效提高雙季早稻產量，實現高產穩產，而減N施用增產效果明顯降低。此外，而兩年間產量及其構成表現差異較大，這可能與氣候變化及取樣誤差大有關。結果顯示，施肥模式、施肥模式×年份兩者交互效應對雙季早稻實際產量的影響達到顯著或極顯著水平(P<0.05或0.001)，而年份的影響不顯著(P>0.05)。

2.4 不同氮肥處理下雙季早稻產量與其構成因素的相關性分析

由表3可知，不同年份間各N肥處理雙季早稻籽粒產量與其構成因素間的相關性存在較大差異。2018年，雙季早稻株高、穗長、有效穗數、總穎花數和總實粒數與籽粒產量間呈顯著或極顯著正相關(P<0.05或P<0.01)，而谷草比與籽粒產量呈顯著負相關(P<0.05)，其余性狀與籽粒產量相關性不顯著(P>0.05)；2019年，雙季早稻株高、每穗粒數、每穗實粒數、總穎花數、總實粒數和千粒重與籽粒產量間呈顯著或極顯著正相關(P<0.05或P<0.01)，其余性狀與籽粒產量相關性不顯著(P>0.05)。不同年份下雙季早稻各產量構成因素間的相關性規律也存在差異。

表3 不同氮肥處理下雙季早稻產量構成因素及產量間的相關分析Table 3 Correlation analysis between yield components and grain yield of double-cropping early rice under different fertilization treatments of 2018 and 2019

2.5 不同氮肥處理下雙季早稻的經濟效益

由表4可知，2018和2019年雙季早稻施N處理經濟效益較CK處理增幅分別為69.03%～76.95%和17.72%～42.78%。與CU處理相比，2018年PuCU和0.8PuCU處理經濟效益分別提高4.69%和0.32%，但差異不顯著(P>0.05)；2019年PuCU處理顯著提高21.29%(P<0.05)，0.8PuCU處理提高9.59%，差異不顯著(P>0.05)。說明與常規尿素相比，一次性施用控釋肥料省工、省時、高效，能有效降低生產成本投入，提高雙季早稻經濟效益，為農戶增收奠定基礎。結果表明，年份對雙季早稻經濟效益指標的影響不顯著(P>0.05)，施肥處理對雙季早稻經濟產值、經濟效益和產投比的影響達到極顯著水平(P<0.001)，兩者交互效應處理的影響顯著或極顯著(P<0.05或0.01)。2018和2019年兩年各施肥處理產投比大小均表現為CK>0.8PuCU>PuCU>CU。可見，0.8PuCU處理雖減少施N量，但較常規施N量處理仍具有增產增效優勢。

表4 不同氮肥處理下雙季早稻經濟效益Table 4 Economic profit of double-cropping early rice under different treatments

3 討論

3.1 聚氨酯包膜肥料減量施用對雙季早稻產量及其構成的影響

隨著科學技術的進步，新型肥料應運而生，依托新型肥料為載體的施肥技術不但能簡化施肥過程，還能提高肥料利用率，降低肥料施用量[17]。謝春生等[18]研究認為，一次性施用控釋肥可增加水稻成穗數、穗粒數，從而實現增產。本研究發現，施用等量聚氨酯包膜尿素主要通過提高水稻產量構成(總穎花數、總實粒數)來增加產量。李敏等[19]研究發現，控釋尿素減施20%較普通尿素顯著提高水稻產量，增幅達4.7%，超過此減施量水稻產量則顯著降低；控釋尿素減施20%處理通過提高水稻產量構成中的有效穗數和穗粒數來增加產量。而張運紅等[20]研究報道，與農民習慣施肥相比，在獲得相同或相近作物產量水平下，緩/控釋肥施用量可減少10%～40%。本研究中，施用聚氨酯包膜尿素減N 20%水稻產量較常規施肥(普通尿素分次施用)2018年略有降低，實現穩產，而2019年實現增產。這與魯艷紅等[4]在雙季稻上研究包膜控釋尿素減N 15%和30%較常規尿素均增產基本相符。也有研究發現，控釋摻混肥減量20%較習慣施肥不利于水稻籽粒的形成，減產8.5%[21]。主要是因為降低施N量會影響水稻生長及產量構成，從而影響增產[22]，但控釋肥能延緩養分的釋放，減少N素損耗，后效明顯。

3.2 聚氨酯包膜肥料減量施用對雙季早稻經濟效益的影響

雖然控釋尿素成本較普通尿素高，但適當減量施用可降低施肥成本，且作為基肥一次性施用進一步降低分次追肥的人工成本，水稻產量的增加與施肥成本的降低足以彌補肥料價格高所引起的不足[23]。因而，鑒于控釋N肥的高肥力和長肥效作用，在減量施用控釋氮肥的條件下依然可達到穩產甚至高產的作用，這對于肥料成本控制具有現實意義[7]。與常規施肥相比，緩釋肥料可在降低施用量的情況下，使作物達到不同程度地增產[24]。李敏等[19]研究發現，水稻經濟效益以控釋尿素減施20%處理最高，較普通尿素處理產值增加4.7%，純收入增加5.7%。本研究結果表明，控釋尿素減量20%較常規施肥處理經濟效益兩年平均增收4.96%，產投比最高，達到節本增效的目標。因此，通過減量20%施用控釋肥可節約水稻生產成本，較普通尿素能有效提高產投比，有利于緩/控釋肥的推廣應用。

本研究條件下，與常規施肥相比，施用等量聚氨酯包膜尿素能有效促進雙季早稻生長，增加產量，而適當降低N肥用量在保證水稻產量的同時，可進一步增加經濟效益。綜合水稻產量和經濟效益結果，在常規施肥的基礎上，水稻一次性基施減N 20%的控釋尿素促進水稻增產增效，是一種較為適宜的施肥方式。