一次性根区施氮促进再生稻生长及增产的研究
丁紫娟 胡仁 李锦涛 曹玉贤 田应兵 侯俊
摘要：一次性根区施肥是一种新兴的水稻轻简化施肥技术。为探明不同氮肥类型（尿素和控释尿素）一次性根区施用对再生稻生长及产量的影响，为再生稻氮高效和轻简化施肥提供理论依据。采用大田试验设置4个处理，分别为不施氮（CK）、农民常规分次施尿素（FFP）、一次性根区施尿素（UR）和一次性根区施控释尿素（CRUR），测定再生稻根区土壤NH+4-N含量、干物质积累量、氮素积累量、产量及相关生长指标。结果表明，与FFP处理相比，UR和CRUR处理均可提高头季根区土壤NH+4-N含量，CRUR处理能够持续保持根区高NH+4-N含量直至再生季。UR和CRUR处理头季成熟期干物质积累量分别较FFP处理提高了38.4%和7.9%，CRUR处理与FFP处理的再生季成熟期干物质积累量无显著差异，而UR处理较FFP和CRUR处理的再生季成熟期干物质积累量显著减少了52.0%和51.4%。UR和CRUR处理分别较FFP处理提高了头季成熟期氮素积累量71.8%和6.2%，CRUR处理较FFP处理提高了再生季成熟期氮素积累量3.6%，而UR处理较FFP和CRUR处理的再生季氮素积累量显著减少了48.3%和50.1%。UR和CRUR頭季产量处理分别较FFP处理显著增加了18.9%和8.2%，CRUR处理再生季产量较FFP处理增加了2.3%，而UR处理较FFP和CRUR处理的再生季产量显著减少了26.2%和27.8%。研究表明，一次性根区施普通尿素头季氮过量，再生季的氮缺乏，造成总产量大幅度减产；
根区施控释尿素在减少施肥次数的同时能够提高再生稻头季和再生季的产量，保证了再生稻全生育期的养分供应，是再生稻的一种高效施肥方式。
关键词：再生稻；
控释尿素；
氮肥；
根区施肥；
产量
中图分类号：S511.06 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2023）09-0112-07
基金项目：国家重点研发计划（编号：2016YFD0300907）；
长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心开放基金（编号：KF202109）。
作者简介：丁紫娟（1997—），女，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事养分资源综合管理研究。E-mail：970917450@qq.com。
通信作者：侯 俊，博士，讲师，主要从事植物营养与农业水土资源利用研究。E-mail：houjungoodluck1@163.com。
再生稻是指通过种植一季水稻实现头季稻收获的同时，通过稻桩腋芽分化形成再生稻进而实现“一种二收”的种植方式，具有提高复种指数、节肥增效和充分利用光热等资源的优势［1］。据报道，再生稻的周年产量比单季稻高55%～71%，解决了单季稻通过高投入来追求超高产而造成资源浪费和环境污染的问题；
另外，再生稻的生长季比双季稻短44～48 d，解决了双季稻因劳动力短缺、生产效率低导致种植面积不断下降的问题［2］。近年来，再生稻因具有更高的资源利用效率、更好的经济效益和更少的环境影响在湖北地区发展迅速［3］。然而，再生稻生产过程中仍面临着施肥次数多，施肥方式粗放等问题，在实际生产中农民分5次撒施氮肥（基肥、分蘖肥、穗肥、催芽肥和促苗肥），这种方式不仅消耗劳动力，而且肥料撒施在土壤表层会加大氮肥流失的风险，从而影响再生稻的养分吸收，而在再生稻生长期间采用机械追肥容易碾压稻桩，影响再生季的出苗率和产量［4-5］。
选择合适的施肥方式是提高再生稻生产效率的重要措施。根区施肥能够一次性将肥料精准送达水稻根区，因其更容易增加肥料与根际的接触面积从而提高肥料利用效率，减少氮素损失，提高产量［6］。水稻为浅根系作物，大部分根系主要分布在0～10 cm土层，因此在此区域集中施氮能够促进氮高效利用［7］。研究证明，10 cm深施氮肥的施肥方式有利于水稻的生长［8］。施氮深度太浅不仅容易造成部分养分向上损失，而且随着根系的不断向下生长，浅层施肥无法满足水稻生长后期的养分需求［7］。笔者所在课题组已证明再生稻一次性根区（10 cm深）施肥能够减少氮素损失，减少温室气体排放，提高再生稻总产量［9］。
尿素和控释尿素是水稻生产中应用广泛的2种肥源，对水稻生长及产量的影响有着较大的差异，其中，尿素养分释放速率快，对促进早期水稻生长效果较好，已有研究证明尿素深施能够减少单季稻氮素损失，提高氮素利用率，提高产量［10］。再生稻全生育期氮肥施用量比单季稻高，高浓度的尿素集中施入根系周围可能会对前期幼苗植株产生高浓度毒害风险，因此，一次性根区施用尿素在再生稻这类长生育期作物上的效果有待阐明［11］。控释尿素能够根据作物的养分需求缓慢释放养分，其养分释放规律与作物的养分需求规律一致，能够减少氮素损失和环境污染，保证水稻稳产高产，提高了氮肥利用率，且有研究证明控释尿素直接接触水稻种子或幼苗对根系没有毒害风险，控释尿素与水稻种子混合施用不仅提高了水稻产量，还减少了NH3挥发和N2O排放［12-13］。但目前不同氮肥一次性根区施用在再生稻这类长生育期作物上的生长差异还鲜见报道，而明确尿素和控释尿素是否能够保证再生稻长达180 d养分需求的持续供应至关重要。本研究以尿素和6个月释放期的控释尿素为氮源，以再生稻为对象开展一次性根区施肥试验，明确不同氮肥类型一次性根区施用对再生稻生长和产量的影响，以期为再生稻轻简化施肥和氮高效利用提供理论支持。
1 材料与方法
1.1 供试土壤
试验于2020年在湖北省荆州市长江大学试验站（30°23′46.68″N，112°29′7.71″E）进行，该区域属于北亚热带农业气候带，土壤为偏黏性潴育型水稻土。耕作层土壤基本性状为土壤pH值6.27，土壤铵态氮含量为3.55 mg/kg、硝态氮含量为5.57 mg/kg、全氮含量为1.26 g/kg、全磷含量为0.51 g/kg、全钾含量为9.51 g/kg、速效磷含量为20.75 mg/kg、速效钾含量为95.51 mg/kg、有机质含量为22.31 g/kg。
1.2 试验设计
本研究共设4个处理：（1）对照，不施氮（CK）；
（2）农民常规分次施尿素（FFP）；
（3）一次性根区施尿素（UR）；
（4）一次性根区施控释尿素（CRUR）。每个处理3次重复，小区面积25 m2（5 m×5 m），随机区组排列。各小区间设有宽25 cm、高15 cm的田埂，田埂上覆盖尼龙膜以防止串肥和侧渗。FFP处理的基肥在移栽前撒入田面，灌水后将肥料与土壤混匀并耙平，头季氮肥用量为180 kg/hm2，其中40%作基肥，30%作分蘖肥，30%用作穗肥，头季稻收获期前和收获后均施氮肥50 kg/hm2作为催芽肥和促苗肥。控释尿素采用树脂包膜尿素（静水 25 ℃ 抛物线形曲线释放，释放期6个月，由国家缓控释肥工程技术研究中心提供）。根区施肥的方法是保持田面无流动水，先插秧，而后在每株水稻侧边 5 cm 处用直径为2 cm的空心管垂直压入 10 cm，将控释尿素顺着管壁施入底部后迅速抽出空心管并将孔洞填实，每个施肥位置均位于水稻同一侧，且2株水稻间的施肥位置均间距18 cm。除CK不施氮肥外，所有处理的N、P2O5和K2O用量分別为280、150、180 kg/hm2，磷肥为过磷酸钙（含P2O5 12%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%），且所有磷钾肥作为基肥插秧前一次性施用。头季收获期留桩高度30 cm。水稻品种为宜优673（湖北省种子集团有限公司提供），密度为22.2 万株/hm2（行株距为 30 cm×18 cm）。
1.3 项目测定及方法
1.3.1 再生稻根区土壤氮素扩散规律及耕层土壤NH+4-N含量测定 移栽30、90、120 d后，将1个 25 cm×25 cm×35 cm的钢框架压入水田20 cm深。此时，框架比土壤表面高15 cm。排干框架中的水，并使用直径为2 cm的土壤钻以根侧5 cm、深度 10 cm 为中心，从上到下每隔2 cm采集1个土壤样品，左右10 cm各采集5个土壤样品（图1）。新鲜土壤样品立即运至实验室，并用1 mol/L KCl浸提后测定NH+4-N含量。耕层土壤NH+4-N含量为从上到下0～20 cm土壤NH+4-N含量的加权平均值。由于本研究中土壤NO-3-N含量的值较低且差异较小，因此，本研究结果仅呈现土壤中NH+4-N含量的变化规律。
1.3.2 株高以及叶片SPAD值的测定 分别于头季的分蘖期、孕穗期、齐穗期和成熟期，以及再生季的齐穗期和成熟期每个小区按平均分蘖数或有效穗数选取15穴有代表性的植株用直尺测量株高。分别在头季的分蘖期、孕穗期、齐穗期和再生季的齐穗期每个小区选取15张长势一致的水稻剑叶，用SPAD-502叶绿素仪测定其SPAD值，测定时避开叶脉。
1.3.3 植株干物质、氮含量以及产量的测定 分别于头季和再生季成熟期在各处理按平均分蘖数或有效穗数取有代表性的植株3穴，分为3个部分：茎鞘（含叶鞘）、叶和穗，置于105 ℃烘箱内杀青 30 min，80 ℃烘干至恒质量，称量干物质质量；
将烘干后的植物样品粉碎后用半微量凯氏定氮法测定植株各部位氮含量。分别于头季和再生季的成熟期，每个处理按平均有效穗数选取10穴调查有效穗数、穗粒数和千粒质量。收获时，各小区单打单收，风干计产。
1.4 数据分析
所有数据采用Excel 2019进行整理和作图，采用SPSS 22.0进行方差分析，无机氮分布采用Surfer 8.0作图。
2 结果与分析
2.1 施肥方式对再生稻根区土壤NH+4-N扩散规律的影响
不同施肥方式下的根区土壤NH+4-N含量及扩散规律不同（图2）。FFP处理的最大NH+4-N含量出现在表层土壤中，移栽后30 d（0～6 cm）、90 d（0～4 cm）和120 d（0～4 cm）的最大NH+4-N含量平均值分别为202.8、114.1、57.1 mg/kg。根区施肥处理中的NH+4-N集中在施肥点周围的土壤中，其中UR处理的最大NH+4-N含量出现在10～14 cm处，移栽后30 d和90 d的最大NH+4-N含量平均值分别为364.7、109.4 mg/kg，移栽后120 d的最大含量平均值仅为 28.3 mg/kg；
CRUR处理的最大NH+4-N含量出现在8～12 cm处，移栽后30、90、120 d的最大含量平均值分别为248.9、126.6、77.2 mg/kg。综上，FFP处理的NH+4-N含量集中在土壤表层，有挥发损失的风险 UR处理虽然在移
栽后30 d和90 d能保持根区较高的NH+4-N含量，但无法持续到120 d，较低的 NH+4-N 含量可能无法供应再生季水稻生长的养分需求，CRUR处理在移栽后30、90、120 d始终能在根区保持较高的NH+4-N含量，保证了再生季水稻的正常生长。
2.2 施肥方式对再生稻0～20 cm耕层土壤 NH+4-N 含量的影响
施肥方式能够显著影响再生稻0～20 cm耕层土壤的NH+4-N含量（图3）。移栽后30 d，UR处理较FFP和CRUR处理的NH+4-N含量分别显著提高了61.8%和43.5%，CRUR处理较FFP处理显著提高了12.7%；
移栽后90 d，UR处理的NH+4-N含量较FFP和CRUR处理分别显著降低了15.5%和16.1%；
移栽后120 d，UR处理的NH+4-N含量较FFP和CRUR处理分别显著降低了56.3%和61.3%，CRUR处理与FFP处理无显著差异。这说明一次性根区施尿素处理前期能够释放较多的氮素，再生稻生长前期土壤中NH+4-N含量过高，导致在中后期和再生季出现了脱肥的现象，土壤中的NH+4-N含量显著降低；
一次性根区施控释尿素处理不仅能够保证前期土壤中充足的NH+4-N含量，而且能够保持稳定的养分供应直至再生季。
2.3 施肥方式对株高和叶片SPAD值的影响
由图4-A可知，施氮处理能显著提高头季水稻株高，并在成熟期达最大值，FFP、UR和CRUR处理的头季成熟期株高分别较CK显著提高了25.1%、32.2%和32.9%，CRUR处理较FFP处理显著提高了6.2%，各处理头季成熟期株高表现为CRUR>UR>FFP>CK；
FFP和CRUR处理的再生季成熟期株高较CK分别显著提高了26.5%、27.3%，UR处理与CK无显著差异，FFP和CRUR处理较UR处理分别显著提高了23.0%和23.8%，各处理再生季成熟期株高表现为CRUR>FFP>UR>CK。由图4-B可知，施氮处理的叶片SPAD值在头季显著提高，在头季分蘖期，叶片 SPAD 值表现为CRUR>UR>FFP> CK；
FFP和CRUR处理的叶片 SPAD值在头季孕穗期和齐穗期显著高于UR处理。在再生季齐穗期，CK和UR处理的叶片SPAD值无显著差异，FFP和CRUR处理分别较UR处理显著提高了10.7%和10.3%。综上，CRUR处理提高了再生稻头季株高和SPAD值；
而一次性根区施尿素虽然提高了头季株高和SPAD值，但显著降低了再生季的株高和SPAD值。
2.4 施肥方式对再生稻干物质积累的影响
由表1可知，头季成熟期，UR处理的茎鞘部干物质积累量分别较FFP和CRUR处理显著提高了74.0%和68.7%，FFP、UR和CRUR处理间的叶部干物质积累量无显著差异，UR处理的穗部干物质积累量分别较FFP和CRUR处理显著提高了59.7%和42.1%；
与CK处理相比，FFP、UR和CRUR显著提高了头季成熟期总干物质积累量，UR和CRUR处理分别较FFP处理提高了38.4%和7.9%。再生季成熟期，FFP和CRUR处理茎鞘部干物质积累量分别较UR处理显著提高了28.1%和19.3%，叶部干物质积累量显著提高了63.5%和63.5%，穗部干物质积累量显著提高了170.1%和170.5%；
与CK处理相比，FFP、UR和CRUR处理显著提高了再生季成熟期总干物质积累量，UR处理分别较FFP和CRUR处理显著减少了52.0%和51.4%。综上，一次性根区施尿素大幅提高了再生稻头季成熟期干物质积累量，但也减少了再生季成熟期干物质积累量；
而一次性根区施控释尿素能够稳定保证再生稻头季和再生季成熟期的干物质积累量。
2.5 施肥方式对再生稻氮素积累的影响
由表2可知，头季成熟期，UR处理茎鞘部氮素积累量分别较FFP和CRUR处理显著提高了38.3%和34.3%，叶部氮素积累量分别显著提高了10.3%和8.8%，穗部氮素积累量分别显著提高了101.4%和85.4%；
各处理在头季成熟期的氮素总积累量表现为UR>CRUR>FFP>CK，UR和CRUR处理分别较FFP处理提高了71.8%和6.2%。再生季成熟期，FFP和CRUR处理茎鞘部氮素积累量分别较UR处理显著提高了44.4%和50.1%，叶部氮素积累量分别显著提高了44.4%和51.6%，穗部氮素积累量分别显著提高了123.7%和131.0%；
各处理在再生季成熟期的氮素总积累量表现为CRUR>FFP>UR>CK，UR处理较FFP和CRUR处理分别显著减少了48.3%和50.1%，CRUR处理较FFP处理显著提高了3.6%。综上，一次性根区施尿素的氮素大量累积在头季成熟期，在再生季成熟期出现了脱肥导致的氮素积累量低的现象；
而一次性根区施控释尿素能够稳定保证再生稻头季和再生季成熟期的氮素积累量。
2.6 施肥方式对再生稻产量构成因子及产量的影响
由表3可知，不同处理下再生稻产量及产量构成因素差异达显著水平（P<0.05）。施氮处理显著提高了再生稻头季产量。与CK相比，FFP、UR和CRUR处理的产量分别提高了40.5%、67.1%和52.1%，而UR处理较FFP和CRUR处理分别增产18.9%和9.9%，CRUR处理则比FFP处理增产8.2%。此外，再生稻头季的有效穗数和每穗实粒数在施氮处理下显著提高，而千粒质量则无明显差异。其中，有效穗数在CK、FFP、UR和CRUR处理间差异达显著水平（P<0.05），表现为UR>CRUR>FFP>CK；
每穗实粒数在UR处理下较FFP和CRUR处理分别提高了16.3%和14.2%，FFP和CRUR处理间每穗实粒数差异未达显著水平。施氮处理FFP、UR和CRUR的再生季产量较CK分别增产70.9%、26.2%和74.8%，UR处理较FFP和CRUR处理的再生季产量显著减少了26.2%和27.8%，不同处理的再生季产量呈CRUR>FFP>UR>CK。在FFP和CRUR处理下，再生稻再生季的有效穗数、每穗实粒数及产量显著提高，但有效穗数和每穗实粒数在CK与UR处理间差异未达显著水平。相比UR处理，有效穗数在FFP和CRUR处理下增加了35.1%和34.5%，每穗实粒数则提高了41.7%和42.8%。综上，根区一次性施用控释尿素能显著提高再生稻头季产量，同时也能保证再生季的稳产；
而根区一次性施尿素导致再生季产量显著降低。
3 讨论
3.1 根区施肥对根区土壤NH+4-N的影响
合理的施肥方式（位置和肥料品种）能够提高水稻的氮肥利用率，根系吸收养分主要靠截获，根区施肥能够使肥料距离根系更近，其养分能直接被根系截获吸收［14］。在本研究中，与FFP处理相比，根区土壤NH+4-N浓度在CRUR處理下积累更高，这与Liu等的研究结果［15-16］相似。主要原因是根区施肥能够将肥料更好地保持在深层土壤中，肥料养分不易向上挥发损失，且控释尿素大大延长了肥料在根区土壤的储存时间。研究发现，土壤表面撒施氮肥处理的NH+4-N最大含量仅出现在土壤表层，增加了氮素流失的风险，导致NH+4-N在土壤表层的持续时间很短，因此，常规的撒施氮肥无法有效提高水稻对氮素的吸收利用率，根区施肥能够保持根区较高的NH+4-N含量，当水稻根系周围的养分充足时能够促进根系生长，并能够增加地上部的生物量，以此来获得高产［15］。本研究中的2种根区施肥处理比FFP处理都显著增加了施肥点周围的NH+4-N含量，并持续到90 d，均满足了头季水稻的生长。但在120 d时，2种根区施肥处理在施肥点周围的NH+4-N含量出现较大的差异，UR处理的施肥点周围最大含量平均值仅为28.3 mg/kg，而CRUR处理在施肥点周围的最大含量平均值为 77.2 mg/kg，较UR处理高172.8%，这说明一次性根区施尿素无法供应再生季水稻生长的养分需求，这一差异主要与肥料类型有关。
尿素是速效氮肥，其养分释放速度快，尽管与尿素撒施相比，根区施尿素降低了氮损失的风险，但其被水解后快速释放的NH+4-N会迅速被施肥点周围的土壤颗粒吸附，根区的养分含量大大增加，促进了前期水稻的生长，由于速效氮肥的特性，尿素无法长时间释放保留氮素，因此，当大量的尿素一次性在前期释放完后，在后期就会出现脱肥的现象，在以往的研究中，一次性根区施尿素在一季稻上应用较为广泛［15-16］。再生稻分为头季和再生季，一次性根区施肥不仅要满足头季的生长，而且要保证再生季的生长，这就要求根区需具有持续供氮的能力。控释尿素的养分释放缓慢，一次施用能够满足水稻全生育期的养分需求，研究认为，新型肥料的深层施用会比普通尿素的深层施用效果更好［16-17］。控释尿素与普通尿素相比，在水稻幼苗期释放的氮素较少，在水稻中后期释放的氮素要高于普通尿素，合理的释放速率提高了氮素利用率，本研究中使用的控释尿素释放周期为6个月，为再生季水稻生长所需的养分提供了保障［18］。
3.2 根区施肥对再生稻生长及产量的影响
本研究中一次性根区施肥均显著提高了头季水稻的株高，有研究表明，肥料深施能够提高水稻株高，促进水稻的营养生长［19］，本研究结果与之相似。但UR处理在再生季的株高与CK无显著差异，而CRUR处理能保证再生季株高不受影响，这是由于尿素的释放速度比控释尿素快，大量的尿素一次性施用在前期释放过快，导致再生季肥效不足，而控释尿素肥效期长，能保证其养分释放速度与水稻需求相匹配，进而促进了水稻的生长［20］。叶片SPAD值能够反映水稻叶片的叶绿素含量，且与水稻茎叶氮含量呈极显著正相关［21］，本研究中CRUR处理较UR处理显著提高了头季和再生季齐穗期的叶片SPAD值，说明控释尿素氮素比普通尿素在促进植株氮素吸收方面更有利，这与朱丛桦等的研究结果［10］相似。
干物质是作物光合作用的最终产物，充足的干物质积累量是水稻获得高产的物质基础［4］。本研究中，UR处理较FFP和CRUR处理显著增加了头季成熟期干物质积累量和头季水稻产量，但也显著减少了再生季成熟期的干物质积累量和再生季产量，出现这种极端结果主要归因于氮肥类型，尿素的释放速度快，本研究中一次性根区施用280 kg/hm2尿素集中在头季释放，导致肥料养分无法延续至再生季，而控释尿素能够持续释放养分，再生季仍能维持较高的氮含量。CRUR处理较FFP处理显著增加了头季水稻产量，保证了再生季水稻稳产，说明一次性根区施控释尿素能够达到肥料养分释放和水稻养分吸收协同的效果。朱从桦等研究比较了尿素和控释尿素的深施对中稻产量的影响，结果表明控释尿素深施比尿素深施的产量更高［10］。已有的研究中关于如何提高再生稻氮肥利用率的方法大多集中在前氮后移，优化肥料品种等养分管理措施上，尽管这些方法有一定的效果，但如果继续采用传统的氮肥撒施方式，肥料仍然会通过氨挥发、径流等途径造成大量损失，无法进一步提高氮肥利用率［22-24］。本研究中，与FFP处理相比，UR处理尽管显著提高了头季成熟期的氮素积累量，但也显著降低了再生季成熟期的氮素积累量；
而CRUR处理不仅稳定了头季成熟期的氮素积累量，而且显著提高了再生季的氮素积累量，这说明控释尿素施入根区能够在再生季持续释放氮素，保证再生季水稻生长不脱肥，再生季充足的氮素“源”和“库”的协同更佳，进而增加水稻产量［25］。
4 结论
一次性根区施控释尿素相比一次性根区施尿素提高了再生季根区土壤的NH+4-N含量，保证了再生季养分的稳定供应。一次性根区施控释尿素代替常规分次撒施尿素能够提高再生稻氮素积累量，同步增加再生稻产量。CRUR处理较FFP处理增加了头季和再生季产量8.2%和2.3%，较UR处理增加了再生季产量38.6%。这表明，根区一次性施控释尿素能够减少追肥次数，提高再生稻产量，为再生稻的可持续生产提供了养分保障。
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