無機包裹緩釋肥對水稻生長與氮肥利用的影響

摘要：研究地上、 地下養分供需匹配、 保障產量和提高氮肥利用效率的一次性施肥產品及配套施用技術， 是現代化、 規模化、 輕簡化水稻生產的迫切需求。 本文探究無機包裹型緩釋肥一次性施用技術， 為水稻養分高效吸收和管理精準輕簡的施肥策略提供理論依據。 采用盆栽試驗， 設置4個處理： 不施肥（CK）、 常規分次施肥（FP）、 一次性施用無機包裹型緩釋肥料（DF）和減量20%一次性施用無機包裹型緩釋肥料（JF）， 比較水稻生長發育、 花前花后干物質及氮素積累轉移、 產量、 土壤無機氮動態變化特征和氮肥利用率的差異。 結果表明： 一次性施無機包裹型緩釋肥DF處理水稻產量達8 403.57 kg/hm2， 較常規施肥FP處理增產13.02%， 減量20%一次性施無機包裹型緩釋肥JF處理與FP處理產量差異不顯著。 DF處理可在改善花前干物質轉運量的同時提高花后干物質量， 花后干物質量對籽粒產量的貢獻率較FP處理提高16.18%。 DF、 JF處理促進了水稻根系的發育， 分蘗期總根長達455.84～530.42 cm， 較FP處理提高12.13%和30.48%。 整個生育期內DF、 JF處理土壤無機氮濃度（59.45～14.96 mg/kg）始終高于FP處理（55.84～12.71 mg/kg）。 DF處理較FP處理氮肥農學效率顯著提高23.01%、 當季回收率顯著提高63.80%、 氮肥偏生產力顯著提高13.01%。 一次性基施無機包裹型緩釋肥料可實現水稻增產， 氮肥利用率顯著提高， 為水稻高產高效和輕簡化栽培提供了增效肥料產品和可行性施肥策略。

關"鍵"詞：水稻； 緩釋氮肥； 氮素積累轉移； 根系形態； "氮肥利用率

中圖分類號：S511

文獻標志碼：A

文章編號：16739868（2025）01008310

Effect of Inorganic Encapsulated Slow-Release Fertilizer on""Rice Growth and Nitrogen Fertilizer Utilization

LIU Xiaoshu1，2，"HOU Cuihong2，3，"CHEN Xinping1，

DING Mao2，4，"SHU Weizheng2，4，"WANG Menglai5，

JING Hongquan3，"ZHANG Wushuai1

1."College of Resources and Environment， Southwest University， Chongqing 400715， China；

2."Green Intelligent Compound Fertilizer Research Institute， Hefei 230001， China；

3."College of Chemical Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China；

4."China Salt Anhui Hongsifang Fertilizer Industry Co."Ltd， Hefei 230001， China；

5."National Engineering and Technology Research Center for Development amp; Utilization of"""Phosphate Resources， Kunming 650699， China

Abstract： Research on disposable fertilizer products and supporting application technologies that match nutrient supply and demand above and below the ground of plant， safeguard yields and improve nitrogen fertilizer utilization efficiency is an urgent need for modernized， scaled-up， and light-simplified rice production． This paper explores the one-time application technology of inorganic encapsulated slow-release fertilizer to provide a theoretical basis for the strategy of fertilizer application for highly efficient absorption of nutrient， and environmentally friendly and precise and light management of rice． In this study， we used the pot experiment method and set up four fertilizer treatments： no fertilization （CK）， conventional split fertilization （FP）， one-time application of inorganic encapsulated slow-release fertilizer （DF） and 20% reduced one-time application of inorganic encapsulated slow-release fertilizer （JF）， to compare the differences in growth and development of rice， dry matter and nitrogen accumulation and transfer pre-flowering and post-flowering， yields， the characteristics of soil inorganic nitrogen dynamics， and the efficiency of nitrogen fertilizer utilization． The results showed that the rice yield of one-time application of inorganic encapsulated slow-release fertilizer DF treatment reached 8 403.57 kg/hm2， increased by 13.01% compared with conventional split fertilization FP treatment， while the yield of 20% reduced one-time application of inorganic encapsulated slow-release fertilizer JF treatment was not significantly different from that of the FP treatment． DF treatment could improve the pre-flowering dry matter transfer and the post-flowering dry matter production． The contribution of the post-flowering dry matter production to the yield of grains was 16.84% higher than that of the FP． DF and JF treatments promoted the development of rice root system， and the total root length at tillering stage reached 455.84-530.42 cm， which was 12.13% and 30.48% higher than that of FP， respectively． The soil inorganic N concentration of DF and JF treatments （59.45-14.96 mg/kg） was always higher than that of FP （55.84-12.71 mg/kg） in the whole growth period． Compared to FP， the agronomic efficiency of nitrogen fertilizer， the recovery rate of the current season and the bias productivity of nitrogen fertilizer of DF treatment was significantly higher by 23.01%， 63.80% and 13.01%， respectively． One-time basal application of inorganic encapsulated slow-release fertilizer can achieve increased rice yield and significantly improved nitrogen utilization， providing fertilizer products and feasible fertilizer application strategies for high-yield， high-efficiency and light-simplified production of rice．

Key words： rice； slow-release nitrogen fertilizer； nitrogen accumulation and transfer； root morphology； nitrogen fertilizer utilization

我國60%的人口以稻米為主食， 水稻種植面積占全國糧食種植總面積的25.8%， 分別占全球水稻種植面積和產量的19%和28%［1］。 在我國， 水稻氮肥施用最普遍的方法是基肥加多次追施尿素， 且多采用表面撒施的施肥方式［2］， 一方面會導致溫室氣體排放［3］、 徑流損失污染水體［4-8］和肥料利用率低（利用率僅25%～35%）等問題［9］。 另一方面， 隨著土地集中流轉和水稻集約化種植模式的發展， 更加輕簡高效的施肥模式亟待應用。 因此， 基于水稻穩產、 氮肥高效的一次性施肥技術研究具有重要的現實意義。

緩/控釋肥料可根據作物需求規律緩慢釋放養分［10］， 一次施肥可滿足作物整個生育期的養分需求［11-12］。 前期我國在水稻栽培上開展了大量緩/控釋肥料研究， 主要包括兩類： 一是單施緩/控釋肥， 如樹脂包膜尿素、 硫包膜尿素、 無機包裹型緩釋肥等； 二是酰胺緩/控釋氮肥與尿素搭配一次性施用。 前人大量研究表明， 一次性施緩/控釋肥料在降低勞動成本的同時可提高水稻產量和肥料利用率， 降低稻田N2O排放和NH3揮發［11-15］。 然而， 也部分存在一次施肥較分次施肥產量有所降低的情況， 造成這種差異的原因可能是所選用的緩/控釋肥料養分釋放速率與水稻需求不匹配， 存在前期供應過量或后期供應不足的現象［16］。

無機包裹型緩釋肥采用肥料包裹肥料的工藝原理， 以顆粒狀氮肥（尿素、 硝銨）為核心， 采用枸溶性磷肥或含有植物營養成分的固體緩釋劑作為包裹材料， 其包裹材料高效環保， 肥料配方可調節［17］。 固體緩釋劑與含有植物營養成分的反應性液體黏結劑， 在包裹過程中產生化學反應， 生成細小的水不溶性化合物， 從而形成致密的包裹層， 實現氮肥的緩釋［18］。 謝建昌在江蘇粟陽進行的無機包裹型緩釋肥水稻肥效試驗表明， 在投入常規肥料23用量的情況下達到了相近的水稻產量， 氮肥利用率比常規施肥提高12.82%［18］。 我國水稻分次施肥多采用人工撒施的方式， 不符合現代規模化、 機械化生產的高效輕簡需求； 同時， 一次性施肥技術仍存在肥料氮素供應與水稻養分需求不完全匹配問題。 因此， 針對巢湖流域水稻設計水稻專用無機包裹型緩釋肥料配方， 一次性施用對實現水稻穩產和氮肥高效具有重要意義。

研究表明， 花后氮素供應與作物高產呈正相關關系［19-20］， 花后氮素累積也是評估肥料氮素緩釋性能與作物氮素吸收規律是否匹配的關鍵。 本研究以農戶常規施肥作對比， 基于水稻養分需求規律， 創新一次性基施無機包裹型緩釋肥料技術， 比較其對水稻地上、 地下生長與氮肥利用效率的影響， 擬為水稻輕簡高效養分管理策略提供理論依據與產品技術選擇方案。

1"材料與方法

1.1"試驗地點

試驗于2022年6月至10月在安徽農業大學皖中綜合試驗站（安徽省廬江縣北圩村）（31°29′26″N， 117°13′46″E）開展。 該站位于巢湖流域， 屬亞熱帶季風氣候區。 供試土壤類型為水稻土。 理化性質為： 有機質 9.35 g/kg、 銨態氮 2.75 mg/kg、 硝態氮 11.35 mg/kg、 有效磷 19.67 mg/kg、 速效鉀 38.4 mg/kg、 pH值為6.7。 土壤風干后過5 mm篩留存備用。 研究地點種植制度為水稻—小麥輪作。

1.2"試驗設計

試驗設 4個處理： ① CK， 不施肥； ② FP， 當地常規施肥， 氮肥基追比為6∶3∶1； 磷鉀肥全部基施； ③ DF， 與常規施肥等養分一次性基施無機包裹型緩釋肥； ④ JF， 養分投入減少20%一次性基施無機包裹型緩釋肥。 每個處理共9個重復， 每次破壞性取3個重復。 盆栽使用白色塑料桶（上口徑47×高50×底35 cm）。 土深45 cm， 約50 kg， 先裝土25 cm深， 基肥與上層20 cm土壤混勻后再裝入盆中， 澆水浸泡2 d， 浸泡后土壤沉降至約40 cm。 每桶移栽水稻5穴， 每穴1株。 每桶肥料施用量依據田間實際施肥量N 187.5 kg/hm2、 P2O5 67.5 kg/hm2、 K2O 75 kg/hm2， 按照桶內土壤的上表面積（直徑42 cm， 約等于0.14 m2）計算。 FP處理基肥施用： 復合肥5.25 g、 尿素1.37 g、 氯化鉀0.18 g， 分蘗肥施尿素1.71 g， 穗肥施尿素0.57 g， 兩次追肥采用表面撒施的方式； DF處理一次性基施無機包裹緩釋肥10.5 g； JF處理一次性基施無機包裹緩釋肥8.4 g。 其他種植管理按當地種植管理方式。 水稻移栽和收獲時間分別為2022年6月18日和2022年10月29日。 不同處理施肥種類及施用量見表1。

1.3"試驗材料

供試肥料為水稻無機包裹型緩釋肥（簡稱ICCRCF）， 由鄭州大學化工學院磷肥與復肥研究所提供， 是以鈣鎂磷肥為包裹層， 多層包裹粒狀尿素而制得的緩釋肥料［18］， 依據巢湖流域水稻施肥需求， 配方設計為N-P2O5-K2O： 25-9-10的水稻無機包裹型緩釋肥。 常規施肥處理施用常規復合肥（N-P2O5-K2O： 18-18-18）， 尿素（含 N 46%）， 氯化鉀（含 K2O 60%）。 供試水稻品種為‘荃香19’。

1.4"樣品采集與測定

水稻分蘗期、 揚花期、 成熟期整桶破壞性齊根收取水稻地上部。 用烘箱 105 ℃殺青 30 min， 80 ℃ 烘干至恒重， 測定生物量（成熟期分為秸稈和穗部兩部分）； 然后取部分烘干的植物樣品粉碎用H2SO4-H2O2消煮， 凱氏定氮法測定氮素含量。 在分蘗期將水稻根系無損取出清洗干凈， 用中晶MICROTEK掃描儀掃描根系形態。 水稻成熟期用土鉆五點取樣法分別取 0～20 cm和 20～40 cm土樣。 土樣鮮樣采用靛酚藍比色法和紫外分光光度法分別測定銨態氮含量和硝態氮含量， 同時采用烘干法測定土壤含水量。

產量測定： 水稻成熟時測定每盆的有效穗數、 穗粒數、 結實率和千粒質量。 每個重復單獨脫粒烘干稱重并換算成14%的含水量作為產量。

1.5"數據計算方法

花前營養器官氮素向籽粒轉運量（YNtra， g/株）、 花前營養器官氮素轉運量對籽粒氮素積累量的貢獻率（YCtra， %）、 花后氮素生產量（YNpost， g/株）和花后氮素生產量對籽粒氮素積累量的貢獻率（YCpost， %）的計算式如下：

YNtra=YNpre-YNhar

YCtra=YNtraYNgrain×100%

YNpost=YNtotal-YNsilk

YCpost=YNpostYNgrain×100%

式中： YNpre為揚花期植株氮素積累量， YNhar為成熟期秸稈氮素積累量， YNgrain為成熟期籽粒氮素積累量， YNtotal為成熟期地上部氮素積累量， YNsilk為揚花期地上部氮素積累量， 單位均為g/株［19］。

氮肥農學效率（YNAE， kg/kg）、 氮肥吸收利用率（YNUE， %）和氮肥偏生產力（YNPFP， kg/kg）的計算式如下：

YNAE=YN-Y0YNrate

YNUE=TN-T0Y Nrate×100%

YNPFP=YNY Nrate

式中： YN為施氮處理籽粒產量（kg/hm2）； Y0為不施氮處理籽粒產量（kg/hm2）； YNrate為施氮量（kg/hm2）； TN為施氮處理植株氮素累積量（kg/hm2）； T0為不施氮處理植株氮素累積量（kg/hm2）。

1.6"數據處理與分析

試驗數據用Excel 2019進行處理。 數據統計分析軟件采用SPSS 21， 利用單因素方差分析Duncan法進行顯著性分析。 使用Origin 2023繪圖。

2"結果與分析

2.1"不同處理對水稻產量及其構成因素的影響

對水稻產量及其構成因素分析（表2）可知， 一次性施無機包裹型緩釋肥DF處理水稻產量最高， 達8 403.57 kg/hm2， 較常規施肥FP處理顯著提高 13.02%， 減量20%一次性施無機包裹型緩釋肥JF與FP處理產量無顯著差異； 對產量構成因素分析發現， DF和JF處理有效穗數較FP處理分別顯著提高28.57%和14.29%； DF較FP處理總穎花量顯著提高21.59%； 各處理穗粒數、 結實率和千粒質量無顯著差異。

2.2"不同處理對水稻地上部生物量及氮素累積量的影響

由圖1a可知： 不同處理水稻地上部生物量在分蘗期無顯著性差異； 分蘗期至揚花期各處理生物量大幅增加； 揚花期各施肥處理FP、 DF和JF地上部生物量無顯著差異； 成熟期DF處理地上部生物量最高， 較FP和JF處理分別顯著提高17.25%和14.63%， JF和FP處理較CK分別顯著提高97.06%和101.57%。

由圖1b可知： 地上部氮素累積量在分蘗期無顯著差異； 揚花期3個施肥處理FP、 DF和JF地上部氮素累積量無顯著差異； 成熟期兩個一次性施用無機包裹型緩釋肥DF、 JF處理的地上部氮素累積量最高， 較FP處理分別顯著提高37.86%和27.14%。

2.3"不同處理對水稻花前花后生物量和氮素累積的影響

各處理水稻花后生物量生產量對產量的貢獻率（48.33%～67.00%）均高于花前生物量轉運量對產量的貢獻率（20.67%～39.33%）， 具體結果見表3。 FP處理花前營養器官生物量向籽粒轉運量及對籽粒產量的貢獻率均高于DF、 JF處理， 但未達到顯著性。 DF、 JF處理花后生物量生產量高于FP處理， 分別提高32.32%和16.18%。 DF、 JF處理對籽粒產量的貢獻率高于FP處理， 分別提高6.60%、 5.20%。

FP、 DF和JF處理的水稻花前營養器官氮素轉運量均顯著高于CK。 FP、 DF和JF處理花前營養器官的氮素轉運量及對籽粒的貢獻率與生物量轉運表現一致。 但DF、 JF處理花后氮素生產量分別較FP處理顯著提高116.67%和83.33%。 DF處理花后氮素生產量對籽粒的貢獻率較FP處理顯著提高65.07%。 綜上所述， 一次性施用無機包裹緩釋肥促進了水稻花后生物量和氮素的生產及向籽粒的轉運。

2.4"不同處理對水稻分蘗期根系形態的影響

無機包裹型緩釋肥料促進了水稻根系的生長（表4和圖2）。 DF和JF處理總根長達455.84～530.42 cm， 顯著高于FP處理。 JF處理的總根長較DF又顯著提高16.36%。 JF處理根表面積較CK顯著提高33.96%， 與DF、 FP處理無顯著差異。 JF處理根尖數達1205個， 較CK、 FP和DF處理分別顯著提高91.88%、 52.53%和33.44%。 各處理間根體積無顯著差異。 JF處理具有最高的總根長、 根表面積和根尖數。

2.5"不同處理水稻生育期土壤無機氮含量動態變化特征

水稻移栽前施入基肥后， 淹水放置2 d模擬泡田。 此時土壤無機氮含量最高， 達48.35～59.45 mg/kg， 各處理間無顯著差異（圖3）。 移栽18d， DF和JF處理無機氮含量均顯著高于CK， 分別增加132.35%和77.86%。 至移栽84d， DF和JF處理無機氮含量始終高于FP和CK處理， 保持在59.45～15.73 mg/kg。 水稻生育后期DF和JF處理土壤無機氮含量在14.96～15.29 mg/kg， 略高于FP和CK處理， 但無顯著差異。

2.6"不同處理對水稻氮肥利用效率的影響

不同施肥處理對水稻氮肥利用率影響顯著（表5）。 DF和JF處理的氮肥農學效率、 吸收利用率和偏生產力均顯著高于FP處理， 其中： 氮肥農學效率分別顯著提高23.01%和26.69%； 吸收利用率分別顯著提高63.80%和81.91%； 偏生產力分別顯著提高13.01%和26.06%。 JF和DF處理的氮肥農學效率和氮肥吸收利用率無顯著差異。 JF較DF處理的氮肥偏生產力顯著提高了11.55%。

3"討論和結論

3.1"討論

3.1.1"水稻一次性基施無機包裹型緩釋肥的增產穩產效應

本研究發現與常規施肥等養分一次性基施無機包裹緩釋肥DF處理水稻產量較常規施肥FP處理顯著提高13.01%。 DF處理增產的原因是顯著提高了水稻有效穗數和產量庫容（總穎花量）［22］， 而大幅度提升產量庫容是水稻獲得高產的關鍵， 且增加有效穗數是提升產量庫容的有效途徑之一［22-25］。 一次性基施無機包裹緩釋肥JF處理雖然較常規施肥FP處理養分投入量減少20%， 但仍獲得與FP處理相似的水稻產量。 JF處理也顯著提高了水稻有效穗數， 但穗粒數存在劣勢， 這可能是由于肥料用量減量過多， 所以取得了穩產的效果。

地上、 地下部良好生長發育是水稻高產形成的前提［26］。 一方面， 根系的發育， 特別是分蘗期， 對水稻高產的形成尤為關鍵［27］。 常規施肥處理基肥可能存在氮素供應過量、 快速損失的問題， 抑制了水稻根系的發育［28］， 根系淺， 從而出現個體質量差和易倒伏的現象， 水稻產量也受到影響［29］。 而無機包裹緩釋肥氮素能夠緩慢釋放， 顯著提高了水稻分蘗期總根長（表4， 圖2）， 形成了良好的根系形態。 地上、 地下協同發育， 從而為水稻高產提供了保障。 文獻［30］的研究也表明緩控釋肥能促進水稻根系生長、 優化根系形態， 進而促進地上部生長和水稻高產。 另一方面， 水稻產量是干物質積累分配的結果， 合理的氮肥供應能優化干物質和氮素的積累轉移［19-20， 31］。 無機包裹型緩釋肥一次性施用處理水稻各關鍵生育期地上部生物量均高于農戶傳統施肥， 尤其是花后干物質及氮素生產量顯著提高。 研究表明， 水稻中后期地上部干物質積累和氮素累積更具增產潛力， 與水稻產量呈極顯著正相關［20， 32］。 無機包裹型緩釋肥一次性施用處理花后干物質生產對產量的貢獻率也顯著高于農戶傳統。 此外， 土壤養分供應能力直接影響作物生長和產量［33］， 肥料氮素釋放匹配作物氮素需求是優化產量的重要保障［16］。 本研究中DF、 JF處理各個關鍵生育期土壤無機氮濃度均高于農戶傳統施肥， 氮素供應能夠保持平衡穩定。 綜上所述， 一次性基施無機包裹緩釋肥氮素緩慢釋放， 促進了水稻分蘗期根系的發育， 提高了花后干物質、 氮素生產量和對籽粒產量形成的貢獻率， 從而獲得高產和減肥穩產的效果。

3.1.2"水稻一次性施用無機包裹型緩釋肥的氮高效利用機制

氮肥利用率是衡量施氮合理性最直接的指標［34］。 本研究結果顯示， 兩個一次性施用無機包裹緩釋肥DF、 JF處理均顯著提高了氮肥農學效率、 吸收利用率和偏生產力， 等肥增產和減肥穩產是氮肥利用率提高的兩個直接原因。 緩釋肥料一次性施用是基于肥料養分釋放與實際水稻生長養分需求在量和時間效益上同步的特點［34-35］。 因此， 判斷作物一次性施用緩釋肥料是否可行可以從兩個方面入手。 一方面是氮素供應特征。 土壤無機氮動態濃度反映了肥料的氮素供應能力［36］。 本試驗中， DF、 JF處理土壤無機氮濃度各關鍵生育期均高于FP處理， 做到了優于氮肥分次施用的效果， 為氮肥高效利用提供了保障。 另一方面， 水稻對氮素的吸收轉運差異影響了氮高效利用機制［37］。 DF、 JF處理水稻成熟期地上部氮素積累量均顯著高于FP處理， 施肥投入的氮素被水稻大量吸收利用， 從而提高了利用率。

無機包裹緩釋肥處理在促進水稻氮素吸收積累的基礎上， 促進了氮素向籽粒的轉移。 DF、 JF處理花后氮素生產量對籽粒的貢獻率均高于FP處理， 有利于籽粒的灌漿， 從而獲得高產。 文獻［36］的研究也發現： 一次性施用控釋氮肥， 水稻全生育期氮素積累量增加， 促進水稻生長， 提高了氮肥利用率。 此外， 根系的發育與水稻養分利用率息息相關： 文獻［38］研究發現， 氮肥利用率與水稻分蘗期根長、 根表面積呈顯著正相關； 文獻［27］研究也發現， 水稻氮積累量、 產量與水稻移栽后20 d的總根長呈極顯著正相關。 本試驗結果顯示， DF、 JF處理促進了水稻分蘗期根系的發育， 顯著提高了的總根長。 綜上所述， 一次性基施無機包裹緩釋肥供應的氮素能夠滿足水稻需求， 促進了水稻對氮素的吸收利用， 從而顯著提高了氮肥利用率。

3.2"結論

無機包裹緩釋肥氮素緩慢釋放， 一次性基施能夠促進水稻的生長發育， 提高花后干物質和氮素生產量， 從而顯著提高水稻的有效穗數、 總穎花量和產量。 無機包裹型緩釋氮肥一次性施用促進了水稻對氮素的吸收利用， 顯著提高了氮肥農學效率、 吸收利用率和偏生產力。 因此， 綜合水稻地上、 地下生長狀況、 產量和氮肥利用率等， 一次性施用無機包裹型緩釋肥料是一種面向未來規模化和機械化水稻生產的高效精準輕簡施肥策略。

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責任編輯"張栒

DOI：10.13718/j.cnki.xdzk.2025.01.007

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收稿日期：20240321

基金項目：“十四五”國家重點研發計劃項目（2023YFD1700203）； 國家磷資源開發利用工程技術研究中心開放基金資助項目（NECP2022-02）。

作者簡介：劉曉淑， 碩士研究生， 主要從事綠色智能復合肥研發應用研究。

通信作者： 張務帥， 副教授， 碩士生導師。