長期有機肥無機肥配施對水稻氮素吸收、轉(zhuǎn)運及產(chǎn)量的影響

楊勝玲 黃興成 劉彥伶 李渝 張艷 張雅蓉 張文安 蔣太明

（1 貴州大學農(nóng)學院，貴陽550025；2貴州省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，貴陽550006；3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，貴陽550006；4 貴州省農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所，貴陽550006；第一作者：1521812180@qq.com；*通訊作者：huangxc90@163.com）

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們在追求提高糧食產(chǎn)量的同時，改善糧食品質(zhì)，提高生活質(zhì)量水平成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要目標。作物在生長過程中易受環(huán)境條件影響，其中施肥是影響水稻生長的重要因素之一[1]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)戶通過大量施用化肥來提高產(chǎn)量，雖然短期內(nèi)可實現(xiàn)糧食增產(chǎn)，但是從長遠考慮，氮肥過度施用也會帶來肥料利用率降低、農(nóng)田氮素養(yǎng)分流失、引起地下水硝酸鹽污染、湖泊富營養(yǎng)化及溫室氣體排放等副作用[2]。研究認為，合理施用有機肥可提高土壤有機質(zhì)含量、改善土壤微生物環(huán)境、培肥土壤，進而使作物增產(chǎn)[3-4]。有機肥化肥配合施用是深入推進我國化肥使用“零增長”戰(zhàn)略的重要措施，是保證我國農(nóng)田作物穩(wěn)產(chǎn)、維持土壤良好理化特性的重要因素[5]。明確不同用量有機肥替代化肥條件下的水稻養(yǎng)分吸收、氮肥利用率及土壤環(huán)境變化情況，探究合理的施肥措施，對黃壤地區(qū)水稻生產(chǎn)具有重要意義。研究表明，長期有機肥配施化肥有利于改善土壤理化性質(zhì)[6]，保證土壤養(yǎng)分的持續(xù)供應，提高肥料利用率[7]。戴競雄等[8]研究指出，與不施肥相比，施用有機肥的處理成熟期籽粒N吸收量可增加137.6%～206.2%，莖葉N 吸收量增加98.4%～240.8%，且均以有機無機肥配施處理最高。合理的有機肥配施化肥，比單施化肥及單施有機肥更能促進水稻植株養(yǎng)分向籽粒中轉(zhuǎn)移和分配。同時，與單施化肥或不施肥相比，有機肥無機肥配施處理的稻米加工品質(zhì)、食味品質(zhì)改善[9]，籽粒氨基酸含量提高[10]。國內(nèi)外關(guān)于有機肥無機肥配施對作物養(yǎng)分吸收及品質(zhì)的影響已有許多研究，但大部分為短期試驗[11-12]，而長期定位試驗最大程度克服了外界因素的影響，具有一定的穩(wěn)定性。因此，基于黃壤性水稻土地區(qū)的長期定位施肥條件下，探究最佳有機肥無機肥配施比例對水稻養(yǎng)分積累、轉(zhuǎn)運及分配、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響顯得非常有必要。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究依托農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站始于1994 年的長期定位試驗。試驗地位于貴州省農(nóng)業(yè)科學院內(nèi)（106°39′52″E、26°29′49″N），地處黔中丘陵區(qū)，屬亞熱帶季風氣候，平均海拔1 071 m，年均氣溫15.3℃，年均日照時數(shù)1 354 h，相對濕度75.5%，全年無霜期270 d，年降水量1 100~1 200 mm。土壤類型為黃壤性水稻土，各小區(qū)用水泥田埂分隔。1994 年采集基礎土樣，其耕層土壤（0~20 cm）有機質(zhì)44.9 g/kg，全氮 1.96 g/kg，全磷 0.95 g/kg，全鉀 16.4 g/kg，堿解氮 159 mg/kg，有效磷 13.4 mg/kg，速效鉀 294 mg/kg，pH 6.75。

1.2 試驗設計

試驗共設14 個處理，本研究選取其中6 個試驗處理：CK，不施肥對照；NPK，常規(guī)施用化肥；1/4M+3/4 NPK，25%有機肥替代化肥；1/2M+1/2NPK，50%有機肥替代化肥；M，100%有機肥替代化肥；MNPK，100%化肥+100%有機肥。試驗用化肥為尿素（含N 46.0%）、普通過磷酸鈣（含P2O512.0%）和氯化鉀（含K2O 60.0%），有機肥為牛廄肥（鮮基，N 2.7 g/kg、P2O51.3 g/kg、K2O 6.0 g/kg）。除MNPK 處理外，各施氮小區(qū)的氮素施用量相同，有機肥作基肥，化學氮肥按返青肥40%、分蘗肥60%的比例分2 次追施，水稻品種為茂優(yōu)601。各處理養(yǎng)分來源及施用量如表1 所示。

表1 1995—2019 年不同處理年均肥料施用量

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水稻養(yǎng)分及土壤養(yǎng)分

于2020 年水稻開花期和成熟期，各重復小區(qū)分別選取3 株長勢均勻代表性植株，將植株分為秸稈和籽粒兩個部分，105℃殺青30 min 后于85℃烘干至恒質(zhì)量。用H2O2-H2SO4濕灰化法消煮后，采用凱氏定氮法測定樣品氮含量[13]；土壤采用五點取樣法，自然風干、研磨過篩，養(yǎng)分測定方法參照鮑士旦[14]。

1.3.2 稻米品質(zhì)

水稻收獲后，籽粒風干干燥放置，待理化性質(zhì)穩(wěn)定后進行指標測定。整精米率、堊白度、堿消值等品質(zhì)性狀的測定方法參照GB/T1789-1999《優(yōu)質(zhì)稻谷》。將精米用CT410 旋風式粉樣機粉碎，過60 目篩，采用雙波長比色法測定稻米直鏈淀粉含量[15]。

1.4 計算公式[16-18]

氮素吸收量（NTA，kg/hm2）=收獲物干質(zhì)量×收獲物氮養(yǎng)分含量；氮肥偏生產(chǎn)力（NPFP，kg/kg）=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；氮收獲指數(shù)（NHI，kg/hm2）=籽粒氮積累量/植株氮素積累總量；花前氮積累量（kg/hm2）=開花期氮積累量，氮素積累量中氮含量為單體N 含量；花后氮積累量（kg/hm2）=成熟期氮積累量-開花期氮積累量；花前氮積累率（%）=開花期氮積累量/成熟期氮積累量×100；花后氮積累率（%）=花后氮積累量/成熟期氮積累量×100；營養(yǎng)器官氮轉(zhuǎn)運量（kg/hm2）=開花期氮積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮積累量；營養(yǎng)器官氮轉(zhuǎn)運率（%）=氮轉(zhuǎn)運量/開花期氮積累量×100；氮素轉(zhuǎn)運量對籽粒貢獻率（%）=營養(yǎng)器官氮轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒氮吸收量×100；花后氮素積累量對籽粒貢獻率（%）=花后氮積累量/成熟期籽粒氮吸收量×100。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010 和IBM SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計分析（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期有機無機配施對水稻氮素吸收及產(chǎn)量的影響

根據(jù)表2 可知，與CK 相比，各施肥處理明顯增加了水稻地上部總氮素積累量及產(chǎn)量，且差異均達顯著水平，二者大小均表現(xiàn)為：MNPK>1/4M+3/4NPK>NPK>1/2M+1/2NPK>M>CK。與NPK 處理相比，MNPK 和1/4M+3/4NPK 處理的地上部總氮素積累量分別增加27.86%、20.11%，產(chǎn)量分別增加12.42%、2.04%。如圖1所示，成熟期，水稻籽粒N 積累量高于秸稈，各處理籽粒N 素積累量為43.09~161.61 kg/hm2、秸稈為15.21~49.59 kg/hm2，MNPK 和 1/4M+3/4NPK 處理分別較 NPK處理提高21.15%~21.40%和19.77%~30.00%。

表2 不同處理植株N 素吸收量及產(chǎn)量（單位：kg·hm-）2

2.2 長期有機無機配施對水稻氮素轉(zhuǎn)運的影響

由表3 可知，CK 的花前及花后N 素積累量在各處理中均最低，施肥處理的花前N 積累量較CK 提高175.93%~295.87%，花后N 積累量較CK 提高49.73%~167.61%，各施肥處理花前N 素積累量表現(xiàn)為1/4M+3/4NPK>MNPK>NPK>1/2M+1/2NPK>M，但均大于花后N素積累量。各處理花前N 素積累率（77.82%~88.51%）高于花后N 素積累率（11.49%~22.18%），花前N 素積累率表現(xiàn)為MNPK>1/4M+3/4NPK>M>1/2M+1/2NPK>NPK>CK，與花后N 素積累率規(guī)律表現(xiàn)相反，花前N 素積累是水稻植株N 素的主要來源。各處理N 素轉(zhuǎn)運量對籽粒貢獻率（69.54%～84.60%）均高于花后N 素積累量對籽粒貢獻率（15.40%～30.46%），MNPK、1/4M+3/4NPK 處理更有利于花前N 素向籽粒轉(zhuǎn)運，其N 素轉(zhuǎn)運量對籽粒的貢獻率分別為83.57%、84.60%。綜上，花前N 素轉(zhuǎn)運對提高水稻產(chǎn)量更為重要。

表3 不同施肥處理水稻N 素轉(zhuǎn)運

2.3 長期有機無機配施對水稻氮肥利用的影響

從表4 可以看出，與NPK 處理相比，施用有機肥的各處理水稻氮收獲指數(shù)提高了4.41%~13.24%。氮肥偏生產(chǎn)力各處理表現(xiàn)為1/4M+3/4NPK>1/2M+1/2NPK>M>NPK>MNPK，與 NPK 處理相比，1/4M+3/4NPK、1/2M+1/2NPK 及M 處理的氮肥偏生產(chǎn)力提高4.42%~16.42%，MNPK 處理氮肥利用率下降 32.98%，MNPK 和NPK 處理間差異達顯著水平。

表4 各處理氮肥利用率

2.4 長期有機無機配施對水稻品質(zhì)的影響

表5 結(jié)果顯示，與NPK 處理相比，施用有機肥的各處理稻谷整精米率提高5.22%~39.50%。NPK 處理的堊白度最高，1/4M+3/4NPK 處理較NPK 降低25.89%，差異顯著。施用有機肥各處理稻米堿消值均高于CK和NPK 處理，各處理大小表現(xiàn)為1/4M+3/4NPK>M>1/2M+1/2NPK>MNPK>CK>NPK。CK 的直鏈淀粉含量最高，MNPK 處理最低，并且顯著低于NPK 處理，與NPK處理相比，施用有機肥的處理直鏈淀粉含量下降0.12%~4.36%。

表5 不同處理對稻米品質(zhì)的影響

由圖2 可知，各處理間總必需氨基酸及總非必需氨基酸含量大小排序均表現(xiàn)為1/4M+3/4NPK>MNPK>M>NPK>1/2M+1/2NPK。在必需氨基酸中，亮氨酸和苯丙氨酸含量相對較高，甲硫氨酸和胱氨酸含量相對較低；在非必需氨基酸中，天冬氨酸和谷氨酸含量相對較高，組氨酸和酪氨酸含量相對較低。除了甲硫氨酸和胱氨酸之外，其余氨基酸含量均以1/4M+3/4NPK 處理最高。從圖3 來看，有機肥無機肥配施較單施化肥處理（NPK）的總氨基酸含量增加7.16%~19.02%。籽粒中非必需氨基酸含量是必需氨基酸含量的2 倍左右。

2.5 長期有機無機配施對土壤理化性質(zhì)的影響

從表6 可見，與NPK 處理和CK 相比，施用有機肥的各處理均增加了土壤有機質(zhì)、有效磷、堿解氮、全氮養(yǎng)分含量，較NPK 處理分別增加36.05%~75.36%、5.66%~91.81%、0.16%~22.41%、15.85%~29.67%；1/4M+3/4NPK 處理較NPK 處理提高了土壤pH 值，但差異不顯著；1/4M+3/4NPK 及MNPK 處理較CK 提高了土壤速效鉀、全鉀、全磷含量，增幅分別為27.55%~46.56%、2.85%~6.45%、5.88%~40.00%。

表6 2020 年各施肥處理稻田耕層土壤理化性質(zhì)

3 討論

李娟等[20]研究表明，減氮20%配施有機肥處理有利于水稻生長發(fā)育，N 肥利用率及產(chǎn)量均有不同程度提升。田發(fā)祥等[21]研究表明，與常規(guī)施用化肥相比，減氮30%的有機肥無機肥配施處理促進水稻N 素養(yǎng)分吸收，提高肥料利用率，降低資源浪費。本研究結(jié)果與之一致。

施肥方式會影響作物對養(yǎng)分的吸收和利用，有機肥能促進土壤有效態(tài)氮素的增加，利于作物吸收和養(yǎng)分積累[12]。在本研究中，各處理水稻地上部N 素總積累量與產(chǎn)量規(guī)律一致，有機無機肥配施處理的秸稈和籽粒氮素積累量均較高。植株氮素總積累量以MNPK 處理最高，1/4M+3/4NPK 處理次之，與周江明[22]等認為有機肥替代比例為20%時能促進植株N 素積累的研究結(jié)果類似。而謝軍等[23]研究則認為，50%的有機肥替代化肥處理下，更有利于作物的N 素養(yǎng)分吸收和積累，提高作物生物量及產(chǎn)量。不同試驗之間產(chǎn)量和N 素累積的差異主要由施肥量及種植制度的不同造成，本研究以MNPK 處理最高，這可能與該處理養(yǎng)分投入量過高有關(guān)。本試驗條件下，25%有機肥替代化肥的處理水稻對N 吸收效果優(yōu)于50%有機肥替代化肥的處理，可能與后者化肥施用量過少，無法滿足作物生長前期對養(yǎng)分的需求有關(guān)。

前人研究表明，與單施化肥相比，有機肥化肥配合施用能夠明顯促進水稻、小麥等作物在整個生育時期對養(yǎng)分的吸收轉(zhuǎn)運[24]。要文倩等[25]通過20 多年的長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，有機肥無機肥配施可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高作物對N 素吸收利用、促進N 素向籽粒中轉(zhuǎn)移和分配、提高肥料利用率。本研究在黃壤性水稻土地區(qū)的長期定位試驗進一步豐富了前人的研究成果。本試驗條件下，各處理花前N 素轉(zhuǎn)運量對籽粒貢獻率（69.54%~84.60%）顯著高于花后積累量對籽粒貢獻率（15.40%~30.46%）；其中 MNPK 和 1/4M+3/4NPK 處理表現(xiàn)更為顯著。此結(jié)果說明，有機肥無機肥配施下籽粒N 素花前轉(zhuǎn)移、花后吸收均提高，主要促進了N 的花后植株吸收，花前N 養(yǎng)分的積累及向籽粒的轉(zhuǎn)運，與前人研究結(jié)果一致[18]。這可能是因為化肥養(yǎng)分釋放快，滿足作物前期需求，有機肥肥效慢，主要作用于生長后期。本研究還得出1/4M+3/4NPK、1/2M+1/2NPK 處理的綜合氮肥利用率較高的結(jié)論，這說明有機肥替代部分化肥的處理不僅能維持較高的N 素利用率，同時具有較高的N 收獲指數(shù)，提高了N 對產(chǎn)量的貢獻，利于水稻對N 素的吸收和合理分配，進而獲得較高的產(chǎn)量。這可能是因為有機肥施入土壤后，促進了土壤中養(yǎng)分的礦化分解、釋放，提升了土壤肥力水平，為水稻對N 的利用創(chuàng)造了有利條件[26]。

雖然稻米品質(zhì)受自身遺傳因素影響較大，但施肥對稻米品質(zhì)也有重要影響[27]。陳帥君等[28]研究表明，有機肥處理的常規(guī)稻米品質(zhì)優(yōu)于其他處理。在本研究中，施用有機肥的各處理明顯改善了水稻的外觀品質(zhì)、加工品質(zhì)及蒸煮品質(zhì)，并且還顯著增加籽粒的氨基酸含量，這與前人研究結(jié)果類似[29]。這可能是有機肥無機肥配施有利于葉片進行光合作用，促進物質(zhì)生產(chǎn)，增強光合作用產(chǎn)物向籽粒的輸送能力，使胚乳中存有充足的蛋白質(zhì)和淀粉等物質(zhì)，從而使稻米堊白度和堊白粒率等指標降低，蛋白質(zhì)、氨基酸在籽粒中的含量增加，稻米營養(yǎng)品質(zhì)得到提升[30]。

王國剛等[31]研究認為，在有機肥無機肥配施下，土壤中有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量可增加3.53%~17.20%。本研究中，相較于單施化肥處理，有機肥無機肥配施有利于土壤各養(yǎng)分含量的提升，這與前人研究結(jié)果一致。這可能是因為有機肥含有大量有機質(zhì)，施入土壤中能增加有機質(zhì)含量[32]，改善土壤質(zhì)量，豐富了土壤微生物群落和促進了土壤有關(guān)酶活性[19]，進而加快了有效養(yǎng)分的釋放。此外，有機肥比化肥更有利于土壤氮素積累，提高土壤氮儲量，促進作物對氮吸收[33]。有機肥中所含鉀移動性強，分解后會加快其自身有機態(tài)磷釋放，增加土壤中磷、鉀含量[34-35]。水稻產(chǎn)量與土壤肥力呈顯著正相關(guān)，土壤肥力越高，越有利于水稻吸收養(yǎng)分，水稻產(chǎn)量也就越高[36]。

4 結(jié)論

適量比例有機肥無機肥配施能夠提升水稻產(chǎn)量，增加水稻氮素積累量，提高氮素偏生產(chǎn)力，促進氮素向籽粒的的轉(zhuǎn)移分配，并提升稻米氨基酸含量。本研究條件下，雖以MNPK 處理產(chǎn)量最高，但其施肥量過高，肥料利用率較低，不符合當前我國化肥減施戰(zhàn)略。因此，以25%有機肥替代化肥的處理更佳。