缓释氮肥对水稻的增产效果及其氮素利用率

土　壤　通　报Vol . 35, No . 3第35卷第3期

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Jun . , 2004Chinese Journal of Soil Science 2004年6月

缓释氮肥对水稻的增产效果及其氮素利用率

李方敏

1、2

, 艾天成, 周升波, 聂小菊, 刘　芳

2221

(1. 华南农业大学资源与环境学院, 广东广州　510642; 2. 长江大学涝渍灾害与湿地农业省级重点实验室, 湖北荆州　434025)

　　摘　要:在潜育性粘壤质水稻土上研究了缓释性氮肥对水稻产量和氮肥利用率的影响。结果表明:4种供试缓释氮肥对水稻增产效果和吸氮量的顺序均为:IBDU >OM >U >G US >CDU >CK ; 施肥后9d 土壤中铵态氮含量最大, 依次为:U >OM >IBDU >G US >CDU >CK ; 在最大分蘖期前土壤硝态氮含量较多且相对稳定, 至孕穗期急剧降低, 抽穗至成熟期再度回升; 相对于尿素, IBD U 和O M 能明显提高氮素利用率, 分别比尿素的利用率增加了14. 62%和8. 57%。

关　键　词:缓释氮肥; 水稻; 氮素利用率; 产量中图分类号:S 147. 5

文献标识码:A 　　　文章编号:0564-3945(2004) 03-0311-05　　　

　　我国人口在继续增长, 粮食生产面临严峻形势。在人均占有耕地逐渐减少的情况下, 今后我国将主要依靠提高单产来增加粮食产量。而提高单产的重

要措施之一是增加农田肥料投入量, 保证作物的有效养分供应和提高化肥养分利用率。

目前, 我国进行的田间小区试验和同位素15N 肥料示踪试验结果表明:以铵盐或酰胺形态施入适量氮肥, 当季水稻对氮的利用率平均在28%～41%之间, 而作基肥施用, 其氮利用率只有30%左右, 其余的氮则以气态或硝态氮淋溶损失。导致作物氮肥利用率低的因素之一就是肥料分解过快, 释放出的氮素, 超过了作物的吸收量[5]。这样不仅造成了直接的经济损失, 而且出现了地表水体的富营养化、地下水和蔬菜中硝态氮含量超标、氧化亚氮气体排放量增加等环境问题[3]。因此, 人们试图通过制造缓释性氮肥以适应作物不同生长期对氮的需要, 以降低氮的淋溶、氨挥发和反硝化气态损失来提高化肥利用率, 减少因施用化肥而造成的环境污染。

上个世纪20～30年代以来, 在美国等一些发达国家, 肥料研究者就曾努力探索一种能够按照作物生长速率缓慢释放其氮素的肥料, 同时这种肥料还可以在使用大量氮肥时避免对作物的烧伤和不产生淋失[6]。这种肥料就是目前的控释肥料。研究者们试从化肥本身入手, 研究和开发缓释性化肥的制造技术, 力求通过改变化肥本身的特性提高肥料的利用率。相继推出了缓释氮肥系列产品, 如:脲醛(UF ) 、草酰胺(Ox amide OM ) 、亚丁烯二脲(Crotony lidene diurea CDU ) 、亚异丁基二脲(Isobutylidene diurea IBDU ) 、硫酸脒基脲

[2-4]

[1]

(Guanylurea sulfate G US ) 等, 由于这些肥料微溶于水, 在水解或微生物分解下可缓慢释放出植物有效性氮。因此, 作为水稻等作物的基肥较为理想, 并可一次施用

全生育期的需肥量, 从而减少施肥成本和劳动强度。同时还能避免因施用普通速溶性肥料后局部浓度过高而烧种或烧苗的现象。缓释性氮肥更适用于地膜覆盖、免耕和机械化作业的农田。由于缓释性肥料的供肥速度缓慢, 所以施用该肥料也减少了因淋溶或随地表径流而损失的氮, 并减少因氨挥发或反硝化脱氮而引起的氮素损失。然而, 在我国尚鲜见有关施用系列缓释氮肥对水稻产量和氮肥利用率影响的研究报道。

本研究以中日技术合作项目“湖北省江汉平原四湖涝渍地综合开发计划”为背景, 在湖北省渍害稻田上开展缓释氮肥对水稻的增产效果及其氮肥利用率的研究, 为选择有效的缓释氮肥应用于水稻生产提供理论依据。

[7]

1　材料与方法

1. 1　供试材料

供试肥料:亚丁烯二脲(CDU ) 由日本氮素—旭肥公司生产, 含氮量为31. 0%;亚异丁基二脲(IBDU ) 由日本三菱化成工业公司生产, 含氮量为31. 0%;草酰胺(OM ) 由日本宇部兴产公司生产, 含氮量为31. 0%;硫酸脒基脲(GUS ) 由日本日东化学工业公司生产, 含氮量为32. 0%。以上肥料颗粒大小均为0. 5mm 。尿素(U ) 由湖北省化肥厂生产, 含氮量为46. 0%;普通过磷酸钙由湖北省宜昌市磷肥厂生产, 含P 2O 512. 5%;

收稿日期:2003-03-06; 修订日期:2003-05-06

基金项目:湖北省教育厅科研项目(2001G03001) 作者简介:李方敏(1965-) , 男, 湖北公安县人, 副教授, 在读博士生, 主要从事土壤与肥料有关的科研工作。

312土　壤　通　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　35卷

氯化钾由加拿大进口, 含K 2O 60. 0%。1. 2　试验设计

试验地位于湖北农学院教学实习农场, 供试土壤为轻粘壤质水稻土(潜育水耕人为土) , 冬季地下水埋深为52～63cm , 属中等渍害程度的稻田, 有机质含量为21. 6g kg -1, 碱解氮为137. 5mg kg -1, 速效磷为8. 7mg kg -1, 速效钾为95. 6mg kg -1。

采用单因素随机区组设计。设6个不同肥料处理(分别为IBDU 、OM 、G US 、CDU 、U 和对照) , 每个处理3次重复。小区面积为10. 0m ×2. 5m =25. 0m 2, 小区间筑埂后用塑料薄膜包覆防止水、肥渗透。于2000年6月～2001年11月进行了两季试验, 每季试验均于6月初插秧, 品种为南京16号, 种植密度为15. 0cm ×18. 0cm , 每穴4株基本苗。底肥在插秧前两天施用, 施肥量均以N 135. 0kg hm

-2

成高产的重要因素。一般公认“理想型”高产水稻应确保足够的实粒数, 即每公顷有效穗数和每穗实粒数的乘积。据在水稻分蘖期观察, 供试几种氮肥中, 氮素缺乏症常常发生在肥料矿化缓慢的亚丁烯二脲(CDU )

处理上, 表现为叶片黄化, 分蘖数下降, 因而影响了水稻有效穗的形成。处理间水稻有效穗数的显著差异, 直接影响了产量的差异显著性。

表1　各处理的产量及其构成因素

Table 1　Yield and its composition in different treatments

有效穗数

处理代号

Fertile (×10hm

IBDU OM U GUS CDU CK

3

-2

每穗实粒数Filled grains per pan icle 97. 1b 102. 4ab 94. 9b 93. 3c 106. 8a 102. 6ab

结实率percent (%) 89. 2a 87. 4a 90. 7a 86. 5b 91. 0a 88. 4a

千粒重grain s (g 10

grains ) 27. 18a 26. 82ab 26. 75ab 26. 93ab 6. 27b 25. 62c

-3

Filled grain Weight of 1000

实际产量Actu al yield (kg hm

-2

理论产量Theoretical yield (kg hm

-2

Tr eatment Panicle number

)

2792. 3a 2601. 2ab 2751. 5ab 2516. 3b 2188. 6c 1788. 5d

)

)

7288a 7072ab 6860ab 6384bc 5923c 4696d

7369. 4a 7143. 8a 6984. 9ab 6322. 4bc 6140. 4c 4701. 3d

、P 2O 567. 5kg hm

-2

、

K 2O 135. 0kg hm -2计算, 对照区只施等量的磷、钾肥。为防止水稻分蘖期缺肥, 在返青期(插秧后1周) , 各处理均追施尿素32. 6kg hm -2。其它栽培管理措施与大田管理相同。

每15d 采集一次土壤样品和植物样品, 分析土壤中的铵态氮、硝态氮和植物样品中的全氮量, 成熟后进行室内考种并收获各小区产量, 将2年相同处理对应项目的试验结果取平均值后进行分析。1. 3　测定方法

耕层的新鲜土样经1N KCl 浸提后, 铵态氮的测定采用自动定氮仪测定法; 硝态氮的测定采用紫外分光光度法[8]; 植物样品中的全氮量用H 2SO 4-H 2O 2消煮, AA3型自动分析仪测定。

注:同列小写字母相同表示Duncan 多重比较差异不显著(α=0. 05)

各种肥料处理对结实率的影响, 除硫酸脒基脲(GUS ) 处理显著降低外, 其它处理间差异不显著, 在87. 4%～91. 0%之间变化, 变化幅度仅为3. 6%。从

另一个产量构成因素, 即千粒重来看, 所有施肥处理的籽粒均比不施肥的饱满, 虽然多数处理间的差异不明显, 但千粒重最大的IBDU 处理与最小的CDU 处理间差异达显著水平。表明IBDU 处理对水稻的增产效果最好。

2. 2　缓释肥料对水稻吸氮量的效应

水稻地上部分氮素吸收量为水稻茎叶和穗部含氮量与其地上部干物重之积。各种缓释肥料对水稻不同生育期地上部吸氮量的影响见图1。从图中曲线斜率所反映的增长速率可以看出:水稻干物质量增长最快的时期是分蘖期(插秧后24～39d ) , 各肥料处理在该时期的氮素阶段累积吸收量(指本次收割时水稻的吸氮量与上一次收割时水稻吸氮量的差) 最大(图1) , 灌浆期开始水稻的氮素阶段累积量趋于平缓。从水稻分蘖到收获各个生育阶段的吸氮量看, 缓释肥料对水稻氮素吸收量贡献的大小顺序为:IBDU >OM 、U >GUS >CDU >CK , 与产量增加的顺序完全吻合。表明缓释肥料IBDU 和OM 在水稻生长的中后期仍能释放或提供相当数量的氮素养分, 使水稻正常生长, 但是尿素由于分解过快可能造成部分氮素损失而缺肥, 而GUS 和CDU 则由于分解太慢难以满足作物对氮, 2　结果与分析

2. 1　缓释氮肥对水稻的增产效果

不同缓释性氮肥对水稻籽粒产量的影响差异显著(表1) 。从小区实际收获的产量和室内考种计算的理论产量看, 肥料增产的顺序均为:IBDU >OM >U >GUS >CDU >CK 。亚异丁基二脲(IBDU ) 和草酰胺(OM ) 处理的实际产量, 比尿素(U ) 的分别增加了6. 24%和3. 09%,但三者间未达到统计上的差异。硫酸脒基脲(GUS ) 和亚丁烯二脲(CDU ) 施用后的实际产量, 明显小于尿素的产量(表1) , 分别减少了6. 94%和13. 66%,后者减产严重。

从表1的产量构成因素可见, 亚异丁基二脲、草酰胺和尿素的有效穗数均明显高于亚丁烯二脲或硫酸脒基脲处理, 这与肥料在作物分蘖期的供氮量有关。此,

3期　　　　　　　　　　　　李方敏等:缓释氮肥对水稻的增产效果及其氮素利用率313

响了全生育期内氮素的吸收

。方差分析结果表明, 施肥9d 后, 各缓释氮肥处理土壤铵态氮含量差异达极显著水平(F =14. 62＊＊, F 0. 64) 。表明供试肥料的供肥性能(即肥料氮01=5. 的分解性能) 存在显著的差异。施肥9d 后各处理土壤NH 4-N 含量增加的顺序为:U >OM >IBDU >GUS >CDU >CK 。但随后在水稻的分蘖期间, 缓

释性肥料IBDU 和GUS 的氮素释放量逐渐增大, 超过了U 的释放量, 而残留的土壤铵态氮量间未达显著性差异(F =5. 03) 。

从肥料的分子结构看, 草酰胺是两个尿素分子缩合而成, 与尿素结构相似, 很易在土壤中经脲酶作用释放出NH 4+; 而CDU 中有一个尿素分子与碳原子形成

+

图1　水稻不同生育期间的地上部分氮素吸收量动态

Figure 1　Dynamic change of N uptake of tops at different grow ing stages

了苯环结构, 另一个尿素分子则与苯环相连, 苯环中的氮难以立即释放; 硫酸脒基脲结构中有一氨基基团与硫酸基结合, 其键能高于氨基与碳链的结合, 因此硫酸脒基脲比IBDU 稍难于释放出氮。而在水稻生育前期肥料能够供给充足的铵态氮, 并维持较高的土壤NH 4+-N 营养水平, 对水稻形成多穗和获取高产具有重要意义。

2. 3　土壤氮素的动态变化

铵态氮水稻生长期土壤铵态氮的变化可以分为明显的两个阶段, 第一个阶段从插秧后第9天到分蘖期(插秧后第24d ) , 此期铵态氮数量从最大值几乎降至最小值。此时到收获为第二个阶段, 在该阶段土壤铵态氮的总量较小, 各个采样期间虽有起伏, 但总的变化量不大, 总变化趋势在减少。另外各种肥料处理土壤交换性铵态氮量随水稻生长发育进程的变化趋势基本一致(见图2) , 即施肥9d 后土壤中NH 4+-N

含量

图3　各处理对土壤中硝态氮的动态影响

Figure 3　Effect of S RFs on soil nitrate nitrogen content

　　硝态氮　各处理对耕层土壤中硝态氮的影响可分为3个阶段(图3) , 第一个阶段从施肥后9d 开始到

图2　各处理对土壤中铵态氮动态的影响

Figure 2　Effect of slow reles e fertilizers (S RFs ) on soil exchangeable ammonium content

39d , 期间虽然每一采样期各处理间的土壤硝态氮含量有一定的起伏, 但是三个采样期间的变化相对平稳, 没

有明显的差异。这可能与水稻属喜铵作物有关, 在此期间水稻主要吸收NH 4+-N , 吸收的NO 3--N 量可能很少, 加上渍害田渗透性较差, 此时又处于淹水灌溉期, 故土壤中残留的NO 3--N 量变幅不大并有所积累。第二段从施肥后39d 到54d , 此期各处理的硝态氮含量显著降低, 但处理间的差异不明显, 原因可能是水稻晒田后, 上中层土壤产生了大小各异的裂隙, 土壤

最高, 此时作物处于返青期, 吸肥量有限。随着水稻进入分蘖期, 土壤铵态氮量显著下降(施肥后24d ) , 这与水稻分蘖需要吸收大量氮素养分有关。施肥39d 后, 即水稻晒田后复水时, 土壤铵态氮略有回升, 但回升的幅度不大, 水稻进入生殖生长阶段(施肥后45d ) , 土壤

,

314土　壤　通　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　35卷

复水后硝态氮随水向土壤深层淋溶或反硝化而损失。第三段从施肥后54d 到84d , 该期各处理残留的NO 3--N 量稍有上升, 但含量较低。这是因为此时土壤水分处于频繁的干湿交替过程, 该条件有利于土壤氮素和缓释氮肥中释放的氮素硝化, 但是由于水分渗漏明显小于第二阶段, 所以土壤有一定的硝态氮积累。2. 4　土壤氮素依存率与氮肥利用率

土壤氮素依存率是指土壤基础供氮量占施氮处理水稻吸氮总量的百分数。土壤氮素依存率越高, 作物从肥料中吸收的养分就越少。从表1和表2可见:水稻产量越高, 植物吸收的总氮量越多, 则作物对土壤氮素的依存率越低, 而从肥料中吸收的氮素就越多。在施用等量氮素的情况下, 随着水稻产量的增加, 氮肥的表观利用率也相应增加(差减法) , 且处理间肥料的利用率存在着显著差异(表2) 。缓释肥料IBDU 和OM 分别比尿素的利用率增加了14. 62%和8. 57%。氮肥利用率的提高不仅增加了产量, 而且改善了产品的品质, 即增加了籽粒中的粗蛋白质含量。而缓释肥料GUS 和CDU 与尿素处理比较, 产量和氮肥利用率均明显下降。其可能原因是G US 和CDU 的氮素释放速度太慢, 不能满足水稻生长的需要, 从而影响了水稻的分蘖, 造成减产。

表2　不同处理下水稻吸氮量与氮肥利用率

Table 2　Rates of nitrogen uptake by rice and nitrogen fertilizer use efficiency under different fertilizer treatments .

秸秆吸氮量

处理Tr eatments IBDU OM U GUS CDU CK

kg hm

-2

脲主要依靠土壤中的生物降解而释放氮素, 其矿化速度是:草酰胺>IBDU >CDU [9]。GUS 在淹水条件下特别是Eh 在0mV 以下的渍水土壤中分解更快, 主要是通过土壤微生物分解, 然而CDU 在淹水条件下的分解速率比旱地条件下更慢[10], 可能是由于CDU 的降解主要与好气性微生物的作用有关。本试验条件下, 硫酸脒基脲的矿化速度超过了CDU 。

随后在水稻的分蘖期间, 缓释性肥料IBDU 和GUS 的铵态氮释放量增加, 相应增加了对水稻体内氮素的吸收量。因此, 在水稻生长的中后期土壤中残留的铵态氮量差异不显著。各处理对土壤中硝态氮的影响, 在施用9d ～39d 变化比较平缓且存在着一定差异, 随后均急剧下降, 其可能原因如前所述, 与硝态氮不易被土壤吸持, 并沿土壤裂隙向下移动而流失有关。在水稻插秧后的生长前期, 土壤中的速效性氮以交换性NH 4+-N 为主, 此期稻田恰巧需要维持较深水层缓苗。所以此期土壤以NH 4保肥和供肥。

+

-N 为主, 这有利于稻田

3. 2　与尿素比较, 肥料IBDU 和OM 能明显提高氮素利用率, 缓释肥料IBDU 和OM 分别比尿素的氮肥利用率增加了14. 62%和8. 57%,产量也分别增加了6. 24%和3. 09%。这一结果同Carreres 等人[11, 12]报道的结论基本一致。水稻产量的增加、氮素利用率的提高同肥料损失的减少有关, 据报道[3], 对尿素和碳铵等速效性氮肥, 氨挥发是比硝化-反硝化损失更多的一种途径。Kissel 等[13]使用砂壤土进行室内培养试验, 研究尿素、IBDU 和三嗪酮等氮肥的氨挥发量, 培养24d 后发现其氨挥发量分别占氮素施用量的16. 9%、0. 1%和8. 9%,IBDU 的氨挥发量可以

[14]

忽略不计。Wang 等以NH 4NO 3和IBDU 为供试肥料, 采用间歇淋溶法研究其在砂土上的淋失率, 发现分别有88%～100%和27%～32%的氮素被淋溶。因此, 缓释氮肥比速效氮肥矿化分解缓慢, 能有效地减少氨挥发、氮素的淋溶和反硝化损失, 从而提高氮肥利用率。

据日本的田间试验结果表明[9], IBDU 在水稻上施用已取得了良好的增产效果, 一次施用比多次施用硫酸铵增产20%。本试验结果表明, IBDU (氮源) 适合于水稻做基肥一次施用, 比尿素(氮源) 增产6. 24%,氮素利用率提高了14. 62%。其他几种供试缓释氮肥最好配合一定量的尿素做基肥施用。参考文献:

, 作物杂志,

籽粒吸氮量kg hm

-2

植株吸氮总量kg hm

-2

土壤氮依存率%Soil N d epend rate 49. 7051. 9055. 3559. 8872. 19

氮肥利用率%N use efficiency 72. 02a 65. 97ab 57. 40bc 47. 67c 27. 42d

N uptake of straw 96. 87a 92. 83ab 84. 58b 86. 33b 59. 63c 40. 98d

N uptake of grain 117. 91a 112. 87a 108. 27ab 91. 93bc 88. 25c 65. 77d

N uptake of biomass 214. 78a 205. 70a 192. 85ab 178. 26b 147. 88c 106. 75d

注:氮肥利用率(N us e efficiency ) =[(施肥区植株吸氮总量-空白区植株吸氮总量)/N 素施用量]×100%

3　结论与讨论

3. 1　本试验结果表明:施用缓释性肥料的初期(施肥后9d ) , 供试各种肥料对土壤中铵态氮(NH 4+-N ) 含量贡献的大小顺序为:尿素(U ) >草酰胺(OM ) >亚异丁基二脲(IBDU ) >硫酸脒基脲(GUS ) >亚丁烯二脲(CDU ) >CK , 表明肥料不同, 其在土壤中释

放氮素的难易程度各异。众所周知, 尿素很易在土壤

3期　　　　　　　　　　　　李方敏等:缓释氮肥对水稻的增产效果及其氮素利用率

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-6.

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致谢:日本国际协力事业团派驻中日技术合作“湖北省江汉平原四湖涝

渍地综合开发计划”项目的土壤与肥料专家原雄人先生和日本国日产丸红株式会社肥料业务部小田原次洋先生无偿提供了本研究所需要的缓释肥料, 原雄人先生还参与了部分研究工作, 樊小林教授在论文写作中给予了大力帮助。在此一并表示衷心地感谢!

Influence of Slow -release Nitrogen Fertilizers on Lowland Rice Yield

and Nitrogen Use Efficiency

LI Fang -min 1, 2, AI Tian -cheng 2, ZHOU Sheng -bo 2, NIE Xiao -ju 2, LIU Fang 1

(1. Lab of Fertilizer and Balanced Fertiliza tion , C ollege of Natural Res ources an d E nvironmen tal Scienc e , S ou th C h ina Agricultura l

Univers ity , Guangzhou 510642; 2Provincia l Water l ogged Disaster an d Wetland Agriculture Key Laboratory ,

Yang tze University , Jingzhou 434025)

A bstract :Four slow -release nitrogen fertilizers (SRFs ) were tested to investigate their effect on low land rice yield and N use efficiency using clay loam gley paddy soil . Results showed that response of both rice yield and N uptake to the 4SRFs w as in the order of isobuty lidene diurea (IBDU )>oxamide (OM )>urea (U )>guany lurea sulphate (G US ) >crotonylidene diurea (CDU ) >CK . The m aximum soil ammonium nitrogen content w as observed on the 9th day after fertilization (DAF ) . The soil ammonium concentration was in the order of U >OM >IBDU >GUS >CDU >CK . During tillering stage , soil nitrate co ntent w as stable hig h . Afterwards soil nitrate content decreased remarkably to the lowest level until heading stage . From heading to harvest , the nitrate content increased ag ain . The IBDU and OM treatments were able to increase nitrogen use efficiency (NUE ) sig nificantly . The efficiency in the N UE of IBDU and OM increased by 14. 62%and 8. 57%respectively com pared to the NUE of urea . Key words :Slow -release nitrogen fertilizer ; Rice ; Nitrogen use efficiency ; Yield