聚天冬氨酸尿素施用方式對寒地水稻氮平衡及產量的影響

戴明 郭海濱 魏雅冬

（綏化學院農業與水利工程學院，黑龍江 綏化 152061；第一作者：daiming5014@163.com）

水稻是世界上廣泛種植的糧食作物之一，在保障糧食安全方面發揮著重要作用。氮（N）是植物初級生產的主要限制因子，水稻氮含量是評價水稻生長發育及收獲指數的重要表征指標之一[1]。種植過程中，環境、品種和農藝措施等是影響作物氮吸收的重要因素，而對于水稻而言，植株氮吸收量與施氮量、施氮時期、施氮方式、氮肥種類及供氮量與需氮量的同步性有關[2]；增加氮施用量可在一定程度上提高植株氮素含量，但氮素在主要營養器官中的再分配效率可能會因此降低[3]。目前，水稻植株在生長季的氮素需求階段與施氮時期的契合度有待進一步提高，且水稻氮素利用效率較低，使得一定量氮肥通過氨揮發和硝化作用產生流失[4]。分施氮肥是一種簡單實用的氮肥施用方法，在提高作物產量和氮肥利用率方面得到了廣泛應用，也被證實是提高水稻氮吸收的可行方法[5]。

聚天冬氨酸（Polyaspartic acid, PASP）是一種環境友好、可生物降解的高分子聚合物，具有良好的螯合能力，經常用作肥料中的增效劑[6-7]。由于PASP-尿素制造簡單，生產成本低，在農作物生產中得到了廣泛應用。前人研究表明，PASP 結合氮肥施用可促進蛋白質累積、調節硝酸還原酶活性，提高玉米幼苗植株的生物量和氮含量[8]。PASP-尿素可促進作物的干物質積累，根施PASP 可改善作物生長發育，提高植株礦質養分含量及產量[6,9]。DENG 等[10]研究發現，PASP-尿素可降低水稻不同生育期表觀氮盈余與氮虧缺的平衡，提高氮肥利用率。但目前關于PASP-尿素對寒冷地區水稻氮吸收及產量提高的效果尚不清楚?；诖?，本研究比較了PASP-尿素和常規尿素在不同施用方式下對寒地水稻氮素吸收及產量的影響，為PASP-尿素及不同施氮方式在寒地水稻生產上的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和材料

于2019—2020 年在黑龍江省慶安縣和平灌區水稻種植區（127°40′49″ E，46°57′25″ N）進行田間試驗。試驗區屬第三積溫帶，平均氣溫2.6 ℃，有效積溫2 300 ℃～2 500 ℃。供試田塊土壤為黑土，前茬作物均為水稻。2019 年田塊 0～20 cm 土層理化性質為：pH 6.6，容重1.56 g/cm3，有機質 3.65%，堿解氮 142.67 mg/kg，速效磷15.20 mg/kg，速效鉀 130.56 mg/kg。2020 年田塊 0～20 cm土層理化性質為：pH 6.5，容重1.79 g/cm3，有機質3.84%，堿解氮 120.55 mg/kg，速效磷 18.67 mg/kg，速效鉀148.86 mg/kg。以當地推廣面積較大的品種綏粳18號為試驗材料。試驗所用肥料為常規尿素（含N 46%）、PASP-尿素（系由四川美青氰胺股份有限公司生產，N 46%）、磷酸二銨（P2O546%、N 18%）、氯化鉀（K2O 60%）。

1.2 試驗設計

采用雙因素隨機完全區組設計，對尿素類型和施氮方法進行研究。尿素類型為常規尿素和PASP-尿素，分別標記為C 和P；施氮方式為：2 次分施和4 次分施，分別標記為2 和4。因此，試驗共5個處理：C2：常規尿素 2 次分施，C4：常規尿素 4 次分施，P2：聚天冬氨酸尿素2 次分施，P4：聚天冬氨酸尿素4 次分施，以不施肥處理（CK）為對照。每個處理3 次重復。

2019 年和 2020 年的種植面積分別為120 m2和105 m2。在種植期間，使用塑料薄膜覆蓋于田壟及田壟下方40 cm 深處，防止肥料滲漏到鄰近田塊。移栽前2 d用旋耕機對試驗田進行翻耕，深度為20 cm。分別于2019 年 5 月 18 日和 2020 年 5 月 27 日移栽秧苗，行株距 27 cm×17 cm。在試驗中，N∶P2O5∶K2O=2∶1∶2，純 N 用量180 kg/hm2。氮肥2 次分施，即70% 氮肥作基肥和30% 氮肥作分蘗肥。氮素4 次分施：35%的氮肥作基肥，15%氮肥在分蘗期施用，30%氮肥在抽穗期施用，20%在穗分化期施用[11]。磷肥作基肥一次性施入，用量（P2O5）為90 kg/hm2；鉀肥作基肥和穗肥各50%，用量（K2O）為180 kg/hm2。田間病蟲害管理同當地水稻大田生產，且在同一作業日完成。

1.3 測定項目及方法

在種植前3 d 采集土壤樣品，按照鮑士旦[12]的方法測定土壤理化性質。

2019 年 9 月 19 日和 2020 年 9 月 26 日，在水稻成熟期收獲時對10 叢代表性植株進行采樣。植物樣品分為葉、莖稈和穗部，然后在105 ℃下殺青1 h，使酶失活，再于75 ℃條件下烘干至恒質量，以獲得各部位的干物質量。干燥的樣品進行粉碎和過0.5 mm 篩，做好標記保存于自封袋中。

在2019 年及2020 年于水稻穗分化期采集試驗田0～40 cm（10、20、30 和 40 cm）深度的土壤樣本。樣品用裝滿干冰的冷凍箱保存并快速運到實驗室，借助自動分析儀（Model AA3-A001-02E, Bran-Luebbe, Germany）采用0.01 mol/L CaCl2抽提土壤樣本中NO3--N和NH4+-N 并測定其濃度。

成熟期每小區取1 m×1 m 面積內的植株用于測定稻谷產量及秸稈產量，按14%標準含水量折算實際產量；取10 叢代表性水稻植株考種，記錄有效穗數、實粒數、秕粒數、粒質量等指標，并計算千粒重和結實率[13]。重復3 次。

同時手工收獲稻谷約2 kg，在通風條件下貯藏3個月，然后分成兩部分，一部分用于測定籽粒氮含量，另一部分去殼碾磨生產整精米。稻谷及精米樣品粉碎后過0.5 mm 篩，然后采用凱氏定氮法[12]測定水稻葉部、莖稈、穗部、籽粒、整精米的氮含量。

1.4 數據處理

采用 Microsoft Excel 2013 和SPSS 23.0 軟件進行統計分析，采用LSD 法進行顯著性分析（α=0.05），圖形采用Origin 9.5 繪制。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻地上部干物質量的影響

由表 1 可知，氮肥 4 次分施（C4、P4）及施用 PASP-尿素（P2、P4）均促進了水稻干物質累積。就樣品各器官干物質累積量來看，穗干物質量大于莖稈和葉部，其中葉部累積量最低。整株干物質累積量表現為P4＞C4＞P2＞C2＞CK，其中，P4 較 C4 分別顯著提高 11.93%（2019年） 和 12.12%（2020 年），P2 較 C2 分別顯著增加10.27%（2019 年）、10.34%（2020 年），表明氮肥 4 次分施對水稻干物質累積具有更積極的促進作用，且以施用PASP-尿素的效果更佳。

表1 不同處理對水稻地上部干物質量的影響 （單位：g/叢）

2.2 不同處理對水稻地上部氮含量的影響

由圖1 可知，氮肥4 次分施及施用PASP-尿素對水稻氮含量具有較好的促進作用。在各處理中，CK 氮素含量顯著低于其他處理。各處理中，植株不同部位的氮素含量均表現為穗＞莖＞葉，其中穗氮素占整株氮素比例的58.61%～64.53%，是水稻植株氮素含量的主要部位。就整株氮含量來看，均以P4 處理最高，分別較其他處理提高 12.97%～54.63%（2019 年） 和 15.72%～62.07%（2020 年），且均表現出 P2＞C2、P4＞C4。可見，氮肥4 次分施或施用PASP-尿素顯著促進水稻氮素累積，其中以PASP-尿素4 次分施（P4）效果最佳。

圖1 不同處理對水稻地上部氮含量的影響

2.3 不同處理對水稻籽粒和整精米氮含量的影響

由圖2 可見，水稻籽粒氮含量表現為CK＜C2＜P2＜C4＜P4，CK 顯著小于其他處理，P4 處理顯著大于C4處理，2020 年度P2 處理顯著大于C2 處理。表明氮肥4次分施和施用PASP-尿素對水稻籽粒氮含量具有一定促進作用。各處理水稻整精米氮含量與籽粒氮含量趨勢基本一致。

圖2 不同處理對水稻籽粒和精米氮含量的影響

2.4 不同處理對土壤無機氮含量及其分布的影響

從圖3 可以看出，PASP-尿素、氮肥施用方式對土壤NO3--N 和NH4+-N 含量及其剖面分布均具有顯著影響，兩年趨勢基本相同。整體而言，土壤剖面NO3--N 和NH4+-N 含量隨著土壤深度的增加而減少，CK 在各土壤深度中NO3--N 和NH4+-N 含量皆最小，且隨著土深的增加整體緩慢下降；施肥處理間的差異主要體現在10～20 cm 土層，30 cm 土層各處理趨于一致，40 cm 土層各處理差距小。說明在本研究中，施用PASP 尿素、氮肥分施對深層土壤NO3--N 和NH4+-N 淋洗發生較少。整體來看，P4 處理的NO3--N 和NH4+-N 在10 cm和20 cm 的土層中含量最高，在30 cm 和40 cm 時含量降幅最大，其次為C4 處理。表明氮肥4 次分施對土壤NO3--N 和NH4+-N 淋溶具有較好的阻控效果，且施用PASP-尿素可進一步提升其效果。

圖3 不同處理對稻田土壤不同深度NO3--N 和NH4+-N 含量的影響

2.5 不同處理對水稻籽粒產量及產量構成因子的影響

由表2 可知，有效穗數、單穗總粒數、單位面積總粒數、結實率及千粒重等指標不同處理間規律不一，整體而言，以P2、P4 處理較高，CK 較低。在產量表現上，P2、P4 處理要高于 C2、C4 處理，處理間差異顯著；就氮肥施用方式而言，水稻產量均以氮肥4 次分施的處理（P4、C4）顯著高于 2 次分施的處理（P2、C2）。各處理產量高低表現為 CK＜C2＜P2＜C4＜P4，其中 C2、C4、P2 和P4 處理 2019 年較 CK 分別提高 19.94%、34.32%、29.42%和 48.07%，2020 年較 CK 分別提高 12.21%、27.71%、25.61%和51.91%。

表2 PASP-尿素和氮肥管理對水稻產量及構成因子的影響

3 討論

PASP 是一種環境友好、可完全生物降解的氨基酸類聚合物，具有良好的螯合、吸附性能，有助于植物對肥料養分的吸收和釋放，因而在農業生產中廣泛用作肥料增效劑。研究表明，PASP 可顯著提高玉米[14]、小麥[15]、煙草[6]等作物的養分吸收及產量。本研究表明，與CK、C2、P2 處理相比，C4、P4 處理水稻植株各部位的干物質量及氮含量整體表現較高，且穗部的干物質量及氮含量明顯高于莖稈和葉部，表明尿素4 次分施有利于水稻生物量累積，且主要促進穗部養分累積。此外，施用PASP-尿素的處理各部位干物質及氮素含量整體高于施用常規尿素的處理，表明PASP 具有良好的促養分吸收及增產效果，該結果與曹本福等[16]研究結論一致。

土壤無機N 主要以NO3--N 和NH4+-N 的形式存在。本研究中，與常規尿素處理（C2、C4）相比，PASP-尿素處理（P2、P4）在表層土壤（0～20 cm）中 NO3--N 和NH4+-N 含量整體較高，在深部土壤（20～40 cm）中NO3--N 和NH4+-N 含量趨于一致，說明PASP-尿素降低了NO3--N 和NH4+-N 含量的向下淋溶。前人研究表明，PASP 可以提高氮肥的利用率，降低土壤中的氮殘留和氮損失[16-17]，這可能是因為PASP 水解后羧基、酰胺等基團活化了處于固態的元素，吸附了過量的養分，這些養分被降解后釋放出來，抑制了氨揮發、阻止了氮下滲、減少了固定與沉積，從而提升肥效，降低肥料損失[6,18]。

4 結論

本研究結果表明，施用PASP-尿素及氮肥4 次分施措施均提高了水稻穗、莖、葉的干物質量及其氮含量，降低了土壤NO3--N 和NH4+-N 淋溶，其中PASP-尿素4 次分施的處理（P4）效果最佳，稻谷產量亦最高，2019年較其他處理顯著增產10.24%～48.07%，2020 年較其他處理顯著增產18.95%～51.91%。研究結果為PASP-尿素在寒地水稻生產上的應用提供了理論依據。