基于水稻養分專家系統的控釋尿素適宜釋放期研究

喬 艷，胡 誠，李雙來，劉東海，張 智

（湖北省農業科學院植保土肥研究所，農業農村部廢棄物肥料化利用重點實驗室，湖北 武漢 430064）

2017年，我國農用化肥用量首次實現負增長，截至2020年底，化肥減施增效的預期目標已順利實現，化肥利用率明顯提升［1］；根據全國污染源普查公報，種植業總氮流失量得到明顯控制［2］，這些成績的獲得離不開科學施肥技術的發展和綠色投入品的研制。在科學施肥技術的研究方面，養分專家系統（Nutrient Expert）是一種基于產量反應和農學效率的推薦施肥方法，不僅適用于小農戶經營模式，還能避免傳統土壤測試條件不具備的問題［3］。在綠色投入品的研制方面，緩/控釋肥料因其養分釋放與作物養分需求時空匹配的優勢，成為一種優質高效的綠色投入品。盡管緩/控釋肥料的價格普遍較高，但普通肥料存在損失大、利用率低、勞動力投入高等問題，驅動著越來越多的緩/控釋肥料應用到大田作物，如水稻、玉米、小麥、油菜等，均表現出較好的穩產或增產效果［4］?；诠澅驹鲂Ш捅Ｗo環境的目的，控釋尿素在大田作物中的應用常結合減施氮肥、混施普通尿素、控制養分釋放期等技術［5］。研究發現，控釋氮肥減施比例一般在30%以內，主要受土壤基礎養分供應能力的影響［6］；控釋尿素與普通尿素摻混比例為6∶4～8∶2時，水稻的增產效果較好，主要受地力水平和目標產量等因素的影響［7］；不同大田作物施用控釋尿素的最佳釋放期普遍在60～90 d之間，主要與不同氣候區作物生長規律有關［8］。施用不同釋放期控釋尿素的研究結果發現，沙壤土施用釋放期為60 d的控釋尿素小麥產量和氮肥利用率均顯著高于當地習慣施肥，而釋放期為90 d時土壤硝態氮殘留較高［9］；對于冬作馬鈴薯而言，低鉀配方配施釋放期為60 d的控釋尿素馬鈴薯增產率和增效率為最高，高鉀配方則更適宜于配合釋放期為90 d的控釋尿素［8］；夏玉米一次性施肥時，釋放期為60 d的控釋尿素可顯著提高氮肥利用率和經濟效益［10］；對于南方雙季稻而言，60 d型緩釋尿素水稻產量和養分吸收量的表現優于90 d型，且90 d型緩釋尿素水稻貪青較為嚴重［11］。在大田作物上研究控釋肥料的最佳釋放期，對于特定區域內作物專用型肥料的研制具有重要意義。

長江流域普遍實行水旱輪作，中游地區廣泛種植一季中稻，亟須發展輕簡化栽培技術以推動農業綠色發展。中稻生育期相對較長，生育期內積溫高、雨水充足，傳統的施肥方法可能會引起氨揮發、養分徑流等風險，加上該地區勞動力短缺，以控釋尿素為載體推廣一次性施肥的前景廣闊［12］。本研究在長江中游不同田塊開展連續2年的田間試驗，在養分專家系統推薦施肥的基礎上，對比分析不同釋放期（30、60、90和120 d）控釋尿素對水稻生長、產量和肥料利用率的影響，并探討控釋尿素最佳釋放期，為該區域水稻專用肥的研制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概括

本研究于2017～2018連續兩年在湖北省赤壁市車埠鎮馬坡村（29°44′11″N，113°48′8″E）進行，該區域屬亞熱帶季風氣候。水稻種植期間（4～9月）平均氣溫為24.1℃，累積降水量為1140 mm。

1.2 試驗設計

試驗共設置7個處理，分別為：（1）不施氮處理（CK）；（2）農民習慣施肥處理（FP）；（3）普通尿素一次性施用處理（U）；（4）釋放期為30 d的控釋尿素一次性施用處理（CRU30）；（5）釋放期為60 d的控釋尿素處理（CRU60）；（6）釋放期為90 d的控釋尿素處理（CRU90）；（7）釋放期為120 d的控釋尿素處理（CRU120）。由于第一年CRU30處理水稻生長和產量表現明顯弱于FP處理，農戶積極性普遍較低，故第二年未設置CRU30處理。不同釋放期控釋尿素均為本課題組自行研制的產品，包膜材料主要有聚氨酯和熱熔膠，包膜量為4.5%～8.0%，其釋放期采用25℃下的浸提測定［13］。

試驗分布在村莊的5個不同田塊，對應的農戶分別為石銀泉、宋水珍、馬景志、顏清明和石純啟，記為田塊1、田塊2、田塊3、田塊4和田塊5，不同田塊土壤基礎養分狀況如表1所示。農民習慣施肥處理是由當地農技推廣部門統一推薦的施肥量和施肥方法，即氮、磷、鉀肥用量分別為165、90和90 kg/hm2，氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥為4∶3∶3施用，磷、鉀肥均作為基肥一次性施用。處理（3）～（7）的氮、磷、鉀肥用量根據往年水稻產量水平和目標產量，采用水稻養分專家系統（NE）對各田塊進行推薦施肥，具體用量如表1所示。同一田塊內，所有處理磷、鉀肥用量均相同，除不施氮處理外，其他處理氮肥用量也相同。除施肥措施外，其他田間管理措施均與當地農民習慣保持一致。

表1 土壤基礎養分狀況和基于養分專家系統的氮、磷、鉀肥用量

兩年水稻品種分別為晶兩優534和Ⅱ優7954，于4月育苗，5月移栽，9月收獲，移栽密度為22.5萬株/hm2。成熟期對水稻產量構成因素進行田間調查，調查內容包括有效穗數、穗粒數、實粒數、秕粒數和千粒重。收獲時對每個小區進行單打單收并測定稻谷含水率，以曬干后重量表示水稻稻谷產量。

1.3 數據處理

施肥投入（元/hm2）=養分投入+包膜投入+勞動投入

其中，N、P2O5和K2O價格分別為5.65、8.33和6.67元/kg；釋放期為30、60、90和120 d的控釋尿素包膜成本（含包膜材料費用和人工費用）分別計為600、700、850和1000元/hm2；農民習慣處理勞動投入次數為3次，其他處理為1次。

施肥收益（元/hm2）=稻谷產量×稻谷價格-施肥投入

其中，稻谷價格為2.6元/kg。

產投比=施肥收益/施肥投入

氮肥農學效率=（施氮區產量-不施氮區產量）/施氮量

數據采用Excel 2013進行處理，SPSS 20.0進行統計分析，LSD法進行差異顯著性檢驗，Origin 2017進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同釋放期控釋尿素對水稻產量的影響

不同年份各處理水稻產量結果如圖1所示，其中以不施氮（CK）處理產量最低，兩年平均分別為4.64和6.47 t/hm2，其次為普通尿素一次性施用處理（U），兩年平均分別為6.38和8.43 t/hm2，農民習慣施肥（FP）和控釋尿素處理（CRU30～CRU120）產量相對較高，且差異未達到顯著水平。對于不同控釋尿素處理而言，隨著釋放期天數的增加，水稻產量總體呈先增加后減少或平穩的趨勢，以釋放期60～90 d時產量水平較高?？蒯屇蛩蒯尫牌跒?0 d時，2017年水稻產量平均為6.67 t/hm2，明顯低于其他控釋尿素處理；當釋放期為60 d時，兩年的水稻產量均可達到較高的水平，分別為7.03和9.44 t/hm2；隨著釋放期進一步延長至120 d時，兩年的水稻產量分別為7.02和8.98 t/hm2。

圖1 不同處理水稻產量

水稻產量對不同類型氮肥的響應有所差異，與CK處理相比，FP處理兩年的增產率分別為53.2%和41.8%，明顯高于U處理的37.9%和31.4%（表2）；2017年CRU30處理的增產率為44.5%，明顯低于釋放期為60～120 d時的控釋尿素處理，最高為CRU90處理（56.1%）；2018年不同釋放期控釋尿素處理增產率以CRU60最高（48.1%），CRU120最低（40.6%）。與FP處理相比，U處理會引起水稻減產，兩年降幅分別為9.7%和7.0%；同樣的，控釋尿素釋放期為30 d時，水稻減產5.6%；當控釋尿素釋放期為60～120 d時，水稻產量與FP處理相當。與U處理相比，2017年CRU30增產率為4.7%，而釋放期為60～120 d時兩年增產率均達到10%以上，說明水稻高產所需要的控釋尿素釋放期應達到30 d以上。

表2 不同釋放期控釋尿素對水稻增產率的影響 （%）

2.2 控釋尿素施用的經濟效益分析

由表3可以看出，U處理的施肥投入最低，為2208元/hm2，隨著控釋尿素釋放期的延長，施肥投入逐漸增加；其中，FP處理的施肥投入為2882元/hm2，介于CRU30和CRU60之間。從兩年的施肥收益來看，2018年明顯高于2017年；從不同處理的施肥收益來看，FP、CRU30和CRU60處理相對較高。兩年FP處理的產投比分別為5.4和7.2，均低于U處理，但與CRU30和CRU60處理較為接近；另外，當控釋尿素釋放期超過60 d時，產投比出現下降的趨勢，且低于FP處理。

表3 經濟效益分析

2.3 不同釋放期控釋尿素對水稻產量構成因素的影響

水稻成熟期產量構成因素的調查結果（表4）顯示，兩年不施氮處理有效穗數分別為146和128個/m2，穗粒數分別為180和174個，氮肥施用明顯提高了有效穗數和穗粒數，但對結實率和千粒重無明顯影響。與FP處理相比，U處理明顯降低了有效穗數和穗粒數，隨著控釋尿素釋放期的延長，2017年有效穗數從CRU30處理的186個/m2增加到CRU90處理的204個/m2，穗粒數則從228個增加到234個，當釋放期達到120 d時，有效穗數和穗粒數均有所下降，2018年的結果同樣表現出相似的規律。

表4 不同處理水稻產量構成因素

2.4 不同釋放期控釋尿素對氮肥利用率的影響

氮肥農學效率是表征氮肥利用率的一種有效形式，其結果如圖2所示，農民習慣施肥處理氮肥農學效率兩年平均分別為13.7和13.4 kg/kg，略高于普通尿素一次性施用處理的11.0和12.4 kg/kg，普遍低于不同控釋尿素處理。2017年氮肥農學效率從CRU30處理的12.9 kg/kg上升到CRU90處理的16.2 kg/kg，當釋放期達到120 d時則降低到15.0 kg/kg；2018年CRU60和CRU90處 理 氮肥農學效率平均變幅為18.0～18.7 kg/kg，明顯高于CRU120處理（15.8 kg/kg）。氮肥農學效率隨著控釋尿素釋放期天數的增加，表現出先增加后降低的趨勢，但CRU60、CRU90、CRU120處理間差異不顯著。

圖2 不同處理氮肥農學效率

2.5 控釋尿素的適宜釋放期

利用一元二次和線性加平臺模型對水稻產量與控釋尿素釋放期進行擬合，以U處理為對照，得到兩者的關系如圖3所示。2017年以線性加平臺模型的相關系數較高，為0.96，達到極顯著水平，推算出控釋尿素適宜的釋放期為69 d，對應的理論產量為7.11 t/hm2；2018年以一元二次模型相關系數較高（0.98），同樣達到極顯著水平，推算出控釋尿素適宜的釋放期為71 d，對應的理論產量為9.43 t/hm2。由此可見，盡管兩年產量水平有所差異，但是控釋尿素最佳釋放期均在69～71 d之內，平均為70 d，其對應的水稻產量可達到最佳水平。

圖3 水稻產量與控釋尿素釋放期的關系

3 討論

3.1 控釋尿素釋放期與水稻生長之間的關系

從水稻產量構成因素的結果可以看出，引起不同處理產量差異的主要原因是有效穗數和穗粒數的變化，決定其數量的關鍵時期為分蘗期、幼穗分化期和灌漿期［14］。對于普通尿素一次性施用而言，養分供應不足是產量較低的直接原因［15］。對于不同釋放期控釋尿素而言，盡管釋放期30 d也許滿足水稻分蘗期的養分需求，但其灌漿過程可能受到抑制導致無法形成有效穗［16］；釋放期60～90 d養分釋放速度相對平穩，可降低無效分蘗、增加成穗率、促進灌漿［17］；釋放期為120 d時，水稻成熟期地上部養分含量仍處于相對較高的水平，營養生長旺盛，造成養分物質無法向籽粒轉移［18］。

從氮肥利用率的結果可以看出，普通尿素一次性施用的氮肥農學效率為11～12 kg/kg，低于全國優化施肥的平均水平（13 kg/kg）［19］，施用釋放期超過60 d的控釋尿素，氮肥農學效率平均可達到15 kg/kg以上，有效提高了氮肥利用率?？蒯尫柿夏軌蛱岣叩世寐实慕Y論早已明確，主要是通過控制氮素的平穩釋放促進根部對養分的吸收，降低氨揮發損失，進而提高氮肥利用率［20］。本研究的研究區域位于長江中游地區，中稻生育期一般在110～120 d左右，研究結果顯示，釋放期為60～90 d的控釋尿素氮肥利用率明顯高于30和120 d，說明釋放期60～90 d可滿足水稻各關鍵生育期的養分需求，這與華南地區雙季稻的研究結果一致［11］。釋放期過短（30 d）時，盡管苗期分蘗多，但無法形成有效穗，造成氮肥利用率低［21］。釋放期過長（120 d）時，由于根系在生育后期吸收養分能力較弱，生殖生長主要依靠葉片向籽粒的養分轉移，相比于釋放期60～90 d，釋放期120 d水稻前期的養分儲存可能相對較低，進而導致氮肥利用率低［22］。

3.2 水稻施用控釋尿素的最佳釋放期

本研究基于養分專家系統對不同田塊進行推薦施肥，較不施氮相比增產率為31.9%～47.7%，明顯高于湖北省平均水平（27.5%）［23］，該系統在我國東北、長江中下游等地區已得到廣泛應用［3，24-25］。在此推薦施肥量的基礎上，應用控釋尿素一次性施用，較普通尿素還可以再增產10%左右，產量潛力得到了充分挖掘。本課題組通過合理控制包膜材料用量，研制了不同釋放期的控釋尿素，本試驗選取了30、60、90和120 d型控釋尿素，研究其在水稻產量形成和肥料利用率上的效果。結果表明，水稻高產、氮肥高效所對應的控釋尿素釋放期在60～90 d內。釋放期過短可能引起前期養分過多而造成損失、后期養分供應不足而抑制灌漿，釋放期過長則導致后期營養過剩，且增加了包膜成本［26］。根據肥效模型推算出控釋尿素最佳釋放期為70 d，較張木等［27］研究結果長10 d，分析原因可能有兩點：一是由于后者所在研究區域位于我國南方地區，水稻生育期內積溫較高；二是由于后者研究對象為早稻和晚稻，養分吸收規律有所差異［28］。因此，為實現長江中游高產單季稻一次性施肥，控釋尿素推薦釋放期為70 d。

4 結論

與普通尿素一次性施用相比，控釋尿素平均可增加水稻產量10%以上；60～90 d釋放期水稻有效穗數和穗粒數相對較高，對應的產量和氮肥農學效率同樣處于較高的水平；利用肥效模型推算得到長江中游一季稻高產、氮肥高效的控釋尿素最佳釋放期為70 d。