控失尿素和密植對遼河三角洲水稻產量和氮素利用率的影響

曲 航，宮 亮，李 波，金丹丹，高 云，張文忠，孫文濤*

（1.遼寧省農業科學院植物營養與環境資源研究所，遼寧 沈陽 110161；2.沈陽農業大學水稻研究所，遼寧 沈陽 110866；3.瓦房店市農業技術推廣中心，遼寧 瓦房店 116300）

遼河三角洲位于遼河平原的南端，擁有靠遼河水灌溉的連片生態稻田，水稻常年種植面積約18萬hm2，該地區因光熱資源充足、農田基礎設施完備，是著名的盤錦大米主產區，也是東北重要的高產優質粳稻生產基地；然而在生產實踐中，該地區水稻種植長期依賴過量氮肥投入，純氮用量高達300 kg/hm2。過量施氮不僅沒有增加產量，反而降低了氮肥回收利用率，使其常年徘徊在26.6%～33.0%，致使氮素盈余過多［1］。這些盈余的氮素大部分通過氣態排放進入大氣，或隨水以淋洗和徑流的方式進入水體，直接威脅生態環境安全［2］。

研究表明，確定適宜的氮肥用量是從源頭控制氮素損失、提高氮素利用率的關鍵，通過合理布局作物種植密度可以促進作物生長從而獲得高產。有研究基于肥料效應函數和土壤-作物系統氮素平衡等模型，推導出遼河三角洲地區水稻種植的氮肥推薦用量為225～245 kg/hm2［1，3］。然而，不同田塊間土壤肥力差異較大，這就導致所推薦的氮肥用量在田塊尺度上的實際應用效果仍有待深入研究［4］，并且氮肥類型和群體密度同樣是影響作物氮素高效利用的重要因素。控失尿素等新型氮肥可以減緩尿素在土壤中的轉化過程，減少氨揮發和反硝化損失，促進作物氮素吸收和產量形成［5］，同時，適當密植能夠發揮群體優勢，增加作物群體光能利用率，提高氮肥利用率、實現高產［6］。然而，目前尚不確定遼河三角洲稻區適宜采用的氮肥類型和種植密度，關于兩者之間的交互作用也缺少相關試驗研究。因此，本研究依托具有11年歷史的長期定位監測點，在當地推薦的施氮量基礎上，設置了不同氮肥類型、種植密度處理，旨在研究控失尿素、密植及其交互作用對水稻產量和氮肥利用率的影響，本研究結果可為優化稻田生態系統，改善稻田生態環境提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年5～10月在遼河三角洲中心地帶的盤錦市盤山縣壩墻子鎮姜家村（122°14′29″E，41°9′23″N）進行，供試土壤為鹽漬型水稻土，0～20 cm土層土壤理化性狀：pH 7.1，有機質28.4 g/kg，全氮1.43 g/kg，全磷0.57g/kg，全鉀21.8 g/kg，堿解氮113 mg/kg，有效磷27 mg/kg，速效鉀257 mg/kg，容重1.23 g/cm3。該地區屬溫帶半濕潤季風氣候類型，年均降水量650 mm，年均氣溫8～9 ℃，無霜期165～170 d。試驗點水稻生長季降水量460.7 mm，降水主要發生在7～9月；日均氣溫變化范圍為10.5～30.5℃，平均值為（22.7±4.2）℃（圖1）。

圖1 水稻生長季氣溫和降水量

1.2 試驗設計

試驗采用氮肥類型和密度兩因素完全隨機設計，設置3個氮肥處理：不施氮肥（CK）、普通尿素（CU）和控失尿素（CLU）；2個移栽密度處理：稀植（D20）和密植（D33），行距不變，均為30 cm，株距分別為16.7和10.0 cm，即每平米水稻穴數分別為20和33穴。試驗小區面積為5 m×10 m=50 m2，每個處理重復3次。依據當地實際情況推薦的水稻氮肥用量為240 kg/hm2，氮肥按基-蘗-穗肥比例40-30-30分次施用。磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）用量均為90 kg/hm2，各小區用量相同，全部作為基肥一次施用。氮、磷、鉀肥料種類為普通尿素（N 46%）、控失尿素（N 43.2%，氮控失率≥45%，由河南心連心化肥有限公司提供）、過磷酸鈣（P2O512%）和硫酸鉀（K2O 50%）。各小區之間用PVC板分隔并筑埂，單灌單排。供試品種為遼河三角洲稻區的代表性水稻品種“鹽豐47”，4月15日水稻大棚育秧、5月26日插秧、10月8日水稻收獲，其他管理措施如病蟲害防治與灌溉等均按照當地常規方式進行。

1.3 測試項目

分蘗動態調查：在每個小區中設置一個包含8穴水稻的微區，水稻生育期內每7 d調查分蘗數，記錄分蘗動態。

干物質和氮素積累：在移栽期（5月26日）、分蘗中期（6月14日）、最大分蘗期（7月4日）、穗分化期（7月20日）、灌漿期（8月24日）和成熟期（10月5日）分別進行采樣。為減少邊際效應，在小區的非邊行處采集8穴水稻樣品。樣品在70℃烘干后測定干重，穗分化期和成熟期植株樣品粉碎后用凱氏定氮法測定氮含量。

測產和考種：水稻收獲時每個小區隨機選取8穴水稻進行考種，調查指標包括有效穗、穗粒數、千粒重和結實率。小區中間3 m2水稻收獲后用于測定籽粒和秸稈產量，籽粒產量按照14%含水量計算。

1.4 數據處理與計算

用SAS 9.4的GLM模型進行兩因素方差分析，模型包括：氮肥（N）、密度（D）和氮肥×密度（N×D）。

作物生長速率和氮素吸收速率由生育階段內（移栽-穗分化和穗分化-成熟）每日干物質和氮素積累計算得出。

氮肥回收利用率（%） = （施氮區地上部吸氮量-不施氮區地上部吸氮量）/施氮量×100。

2 結果與分析

2.1 水稻產量及其構成因子

氮肥類型對水稻籽粒和秸稈產量均有顯著影響，而密度和氮肥類型×密度的交互作用對籽粒和秸稈產量均無顯著影響。與普通尿素（CU）相比，控失尿素（CLU）處理的籽粒和秸稈產量分別提高了10.0%和23.8%；與稀植（D20）相比，密植（D33）處理的籽粒和秸稈產量表現出下降趨勢（圖2）。

圖2 控失尿素和密植對水稻籽粒和秸稈產量的影響

氮肥類型和種植密度對產量構成因子的調控作用差異較大（表1）。總體上，氮肥類型和種植密度均顯著影響了有效穗的形成，有效穗數在不同氮肥類型處理間表現為CLU＞CU＞CK。與CK處理相比，CLU和CU處理的有效穗分別顯著提高了80.1%和64.2%。相似的，密植同樣有利于有效穗形成，與D20處理相比，D33有效穗顯著增加了11.4%。氮肥類型對穗粒數的影響不顯著，但種植密度顯著影響穗粒數，與D20處理相比，D33處理的穗粒數顯著減少了10.3%。氮肥類型、種植密度及其兩者交互作用對千粒重和結實率均無顯著影響。施用普通尿素和控失尿素均能夠通過增加有效穗進而提高產量，控失尿素在提高有效穗的作用上更為突出，盡管密植能夠促進有效穗形成，但無法維持較高的穗粒數，因此對產量的提升作用不大。

表1 控失尿素和密植對水稻產量構成因子的影響

2.2 干物質累積和分蘗動態

與CK處理相比，無論是水稻生育前期（移栽-穗分化期）還是生育后期（穗分化-成熟期），施氮處理尤其是CLU處理的地上部干物質積累均顯著提高（圖3a）。與D20處理相比，D33處理能夠顯著提高生育前期地上部干物質積累，但生育后期的干物質積累優勢逐漸減弱（圖3a）。對于分蘗動態而言，控失尿素和密植均能夠顯著促進分蘗發生，在分蘗期形成更大的水稻群體，控失尿素施用條件下，稀植和密植處理的最大分蘗數分別高達502.0 和543.8個/m2（圖3b）。

圖3 控失尿素和密植對水稻地上部生物量和分蘗動態的影響

2.3 作物生長速率和氮素吸收速率

在生育前期和生育后期，與CU處理相比，CLU處理在作物生長速率和氮素吸收速率方面均優勢明顯（圖4）。與D20處理相比，D33處理提高了生育前期水稻生長速率和氮素吸收速率，而生育后期的作物生長速率和氮素吸收速率均表現出下降趨勢（圖4）。

圖4 控失尿素和密植對水稻作物生長速率和氮素吸收速率的影響

2.4 氮肥回收利用率

與CU處理相比，CLU能夠顯著提高籽粒、秸稈和地上部吸氮量，增幅為4.7%～14.5%；同時，CLU處理相對CU處理的氮肥回收利用率提高了5.4%～10.1%。不考慮氮肥類型，D33與D20處理相比，籽粒、秸稈和地上部吸氮量以及氮肥回收利用率均略有下降，但并不顯著（表2）。

表2 控失尿素和密植對水稻吸氮量和氮肥回收利用率的影響

3 討論

氮肥用量、氮肥類型和栽培密度是影響水稻生產和氮素利用的重要因素。在遼河三角洲稻區，采用當地氮肥推薦用量可使當季氮肥投入量減少18%～25%，而水稻仍可以保持穩產高產［3］。但在此基礎上，提高粳稻移栽密度，籽粒產量和氮肥利用率均沒有顯著提高，而施用控失尿素，不管稀植還是密植條件下，均可以提高籽粒產量和氮肥利用率。同時，受氮肥類型和種植密度等多因素的影響，水稻在生育期所積累的光合產物直接決定了各產量構成因子的形成［7］。因此，有必要詳細分析水稻的產量、干物質以及氮素的積累過程，這有助于理解不同氮肥類型和密度條件下的產量差異成因。

3.1 密植對水稻產量和氮素利用的影響

目前，關于產量對密植響應的研究報道并不一致。有研究認為密植可以提高產量，雙季稻區早、晚稻密植后產量分別顯著提高15.4%～55.2%和9.2%～33.1%［6，8］；在 寒 地［9-10］和 低 產 稻田［11］中，密植可以分別增產3.2%～10.7%和6.1%～34.7%。但本研究中利用減少株距的方式增加種植密度，并沒有進一步提高水稻產量，反而有減產風險，這可能是由于氣候、品種和氮肥用量等均能夠顯著影響種植密度對水稻群體的調控效果。有研究表明，對于分蘗力較強的水稻品種，密植會限制籽粒灌漿而造成減產2.0%～4.2%［10］。在本試驗中，水稻密植后群體增大，預示著光能截獲能力增強，可以促進前期干物質積累、氮素吸收和有效穗形成；然而，水稻群體過大會加速生育后期群體氮素競爭，后期缺氮早衰導致了穗粒數顯著減少。也有研究與本研究結論有所差異，陳佳娜等［8］研究認為，盡管其供試品種密植后同樣出現穗粒數和有效穗的此消彼長，但有效穗的增幅遠遠高于穗粒數的降幅。施氮量為適宜用量的1.25～1.5倍時，密植對氮素吸收的促進效果會顯著下降［11-12］。而本試驗氮肥施用量在推薦范圍內，因此氮肥用量并不是限制因素。在本研究中，密植與稀植相比氮肥利用率有下降趨勢，主要原因可能是密植限制生育后期氮素吸收利用，導致群體吸氮量下降。但也有研究表明，在遼寧地區進行遼星1號密植后，適當減少氮肥投入可以顯著降低稻田溫室氣體排放，提高氮肥利用率［13］。

3.2 控失尿素對水稻產量和氮素利用的影響

不管稀植還是密植，與施用普通尿素相比，施用控失尿素均有利于生育前期分蘗和成穗，從而形成更大的籽粒庫，最終提高產量，這與前人的研究結果相一致［5］。水稻氮素營養狀況決定了水稻的穗粒數［14］，控失尿素可以改善生育后期的作物生長速率和氮素吸收速率，但僅增加稀植處理而非密植處理的穗粒數，這主要歸因于密植條件下控失尿素進一步增大群體，而造成后期氮素需求無法滿足的問題。此外，本試驗中控失尿素表現為增產趨勢，相似的情況也發生在江淮稻區的控失尿素應用報道中［15］，同時農作制度、氮肥運籌、種植模式等因素也會影響控失尿素的施用效果。

在水稻［5，16］和玉米［17-18］單季種植時，控失尿素的增產幅度分別為7.5%～12.2%和13.5%～33.5%。在冬小麥-夏玉米輪作時，控失尿素只顯著提高冬小麥產量，而夏玉米產量持平［19］。控失尿素施用量在150～250 kg/m2時，玉米平均增產24.7%，而當施用量達到300 kg/m2時增產幅度下降到8.7%［18］，說明當總氮投入充足時，水稻產量已經接近或達到潛力水平，其增產效果會被削弱。控失尿素通過氮肥緩釋作用減少氮肥損失從而提高氮肥有效性，其中，氨揮發和氧化亞氮排放降幅分別為18.0%和58.0%［20-21］；對于氮肥利用率而言，施用控失尿素后地上部吸氮量得以提高，氮肥回收利用率也增加了7.8%。

氮素盈余是衡量農田氮素管理水平的重要指標，采用區域氮肥推薦量在減少氮素盈余方面效果顯著，但同一區域不同田塊間通過氮肥推薦用量獲得的產量往往因土壤肥力和管理水平的區別而有很大差異［4，22］。不施氮處理的產量和吸氮量水平可以直觀反映土壤供氮能力，并與施氮后的產量表現密切相關［23-24］。有研究者建議當土壤供氮能力較弱時，區域氮肥推薦用量應該適當增加［24］，而施用控失尿素同樣可以彌補土壤供氮能力的不足，水稻可以基本達到目標產量從而減少氮素盈余。本研究表明，施用普通尿素后地上部吸氮量達到167.4～171.4 kg/hm2，而控失尿素處理地上部吸氮量可以提高至183.0～195.6 kg/hm2，從而使得氮素盈余控制在89.4～102.0 kg/hm2，最終氮素盈余可以減少15.7～28.2 kg/hm2。本研究施用普通尿素后，籽粒產量和地上部吸氮量略低于長期定位試驗的潛力產量（10.2 t/hm2）和吸氮量（202.0 kg/hm2）［1，3］，而控失尿素效果顯著提高，氮素盈余顯著減少，但其產量和氮素利用率提高能力在不同密度下有所不同，因此控失尿素等新型肥料具有進一步降低氮肥推薦施用量、提高氮素利用率、減少氮素盈余的潛力，但作用效果和幅度還有待深入研究。

4 結論

在當地氮肥推薦用量基礎上，不管是稀植還是密植，與施用普通尿素相比，施用控失尿素水稻產量能夠提高6.6%～13.8%，同時氮素利用率提高5.4%～10.1%。而密植并不能提高水稻產量和氮素利用率，反而有減產風險。雖然密植促進了水稻前期干物質積累、氮素吸收和有效穗形成，但群體過大會加速生育后期群體氮素競爭，導致穗粒數顯著降低10.3%。施用控失尿素能夠改善水稻密植和稀植時生育前期的生長和氮素吸收狀況，但密植條件下控失尿素進一步增大群體，進而造成后期氮素需求無法滿足的問題。此外，施用控失尿素還可以通過提高吸氮量增加氮素利用率，從而間接減少氮素盈余15.7～28.2 kg/hm2。因此，在遼河三角洲地區，稀植方式配合施用控失尿素可以作為適宜該地區的水稻穩產高產種植的有效管理措施。