贵州黔东南州水稻平衡施肥效应

龙胜碧, 梁 怡, 王 坤, 张玉梅, 吴平城, 卢 明*

(1.贵州省锦屏县农业技术推广站， 贵州 锦屏 556000； 2.西南大学 资源环境学院， 重庆 400715； 3.西南大学 农业科学研究院， 重庆 400715； 4.贵州省锦屏县土肥站， 贵州 锦屏 556000)

水稻、玉米和小麦是我国三大主粮作物。我国于2016年开展农业供给侧结构性改革，对“镰刀弯”地区玉米进行结构调整[1]，玉米种植面积于2016年出现拐点并下降[2]。在保障人口日益增长所带来的粮食需求上，我国水稻与小麦的生产效率提升再次面临巨大挑战。此外，实现化肥和农药“双减”是中国当前水稻生产的迫切需求[3]。贵州作为“镰刀弯”地区之一，厘清区域性的水稻生产现状，并探究其水稻需肥特性，优化水稻种植产业的施肥管理，对于我国的粮食安全及水稻提质增效具有举足轻重的意义。2011年，袁隆平与李开斌基于优良的水肥气热条件，先后于湖南隆回县和云南楚雄测得13.9 t/hm2和14.6 t/hm2的百亩平均高产数据[4]。但2016年贵州全省优质稻的单产仅有6.6 t/hm2[5]，甚至比同年全国水稻平均单产水平(6.9 t/hm2)低4.4%[2]。肖厚军等[6]用作物生产潜力模型估算出贵州水稻的平均气候生产潜力为16.26 t/hm2，因此认为，贵州水稻产业存在巨大的产量提升空间。

在现有甚至减少的种植面积条件下，为了满足人们未来对水稻的需求[7]，平衡施肥和精细管理是大幅度提高水稻单产的重要举措[8-9]。刘晓伟等[10]研究表明，根区一次性施氮是节肥高效的施肥模式，且以水稻秧穴侧5 cm、深10 cm一次性穴施的氮肥利用率最高；但基于水稻幼穗分化期出现吸氮高峰期和籽粒灌浆的粒肥需求，增加中后期的施用比例(穗肥和粒肥)是水稻高产和氮高效利用的基础[11]。此外，农田保护性耕作(免耕、水旱轮作、秸秆覆盖还田等)作为亚热带强降雨区域维持良好土壤地力的重要耕作措施之一，可实现水稻单产9.45 t/hm2和收益12 600元/hm2的生产目标[12]；其中长期秸秆还田耕作不仅能够降低钾肥投入量，获得较高的粮油经济产量，还可以维持农田系统养分平衡以及秸秆钾素资源的良性循环[13]。陈海飞等[14]通过大田试验探明低产田180 kg/hm2施氮量和21万穴/hm2移栽密度的产量最优互作组合。徐祥玉等[15]研究发现，稻田土壤速效磷与速效钾含量过低是冷浸田水稻生产的主要障碍因子，补充磷钾肥并配施锌肥和硅肥可保证鄂东南低丘区冷浸田水稻的稳步增产。张智等[16]通过大数据分析发现，湖南省稻田平衡施肥的增产率可达7.0%以上，同时大幅度降低氮、磷的环境负荷；其中，中稻N、P2O5、K2O的优化用量投入分别为155 kg/hm2、65 kg/hm2和84 kg/hm2。黔东南州为贵州省三大优质稻种植区之一，2016年统计其优质稻种植面积6.36万hm2，占比达19.5%[5]，但该区域水稻种植的单产水平和养分投入现状尚不清楚，此外，有关平衡施肥对该地区水稻生产的影响鲜见报道。鉴于此，研究采用田间调研和大田试验相结合方式，对贵州黔东南州水稻产量与施肥水平进行定量描述，同时探究该区域条件下水稻对平衡施肥的农学响应，分析要素包括产量、养分积累、养分利用效率和籽粒矿质养分积累，最后评估平衡施肥在水稻种植产业中的经济效益，旨在为贵州水稻精细定量化施肥和我国农业供给侧结构性改革提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2017—2018年在贵州省黔东南州锦屏县进行。该地区属中亚热带湿润季风气候区，年均气温16.42℃，年降水量1 370.10 mm(2010—2016年统计数据平均)。4—10月为一年中的温湿季，降水量占全年的77%，水热同季。锦屏地区光照资源是全国最低值区之一，但日照较集中，75%集中于农作物生长旺盛期的4—10月。按一季中稻种植区布局划分，锦屏县属黔东南州的水稻优势种植区[17]。土壤为河流冲积物发育的潮砂泥，发育弱，富铝化特征明显。大田试验地(26°27′19″N，109°14′59″E；海拔390 m)土壤基础化学性质：pH 5.05，有机质58.8 g/kg，全氮4.54 g/kg，有效磷27 mg/kg，交换性钾87 mg/kg，缓效态钾76 mg/kg，交换性钙742 mg/kg，交换性镁58 mg/kg，有效锌1.21 mg/kg。

1.2材料

供试水稻品种为浙优8号，为当地主栽品种，市购。

供试肥料为尿素(贵州赤天化公司生产)、钙镁磷肥(贵州开磷集团生产)和硫酸钾(新疆罗布泊钾盐公司生产)。

1.3试验方法

1.3.1田间调研于2017年9月和2018年9月分别对锦屏县4乡镇(新化、钟灵、敦寨和三江)进行一季稻大田生产调研，调研内容主要包括种植密度、成本投入(种苗、肥料、农药和机械使用)、产量(籽粒和秸秆)和水稻籽粒销售等。

1.3.2大田施肥试验供试水稻品种为浙优8号，为当地的主栽品种。设5个施肥处理：处理1，氮磷钾平衡施肥(BF)，折合N、P2O5、K2O分别为105 kg/hm2、82.5 kg/hm2、135 kg/hm2；处理2，磷钾肥配合施肥(PK)，折合N、P2O5、K2O为0 kg/hm2、82.5 kg/hm2、135 kg/hm2；处理3，氮钾肥配合施肥(NK)，折合N、P2O5、K2O为105 kg/hm2、0 kg/hm2、135 kg/hm2；处理4，氮磷肥配合施肥(NP)，折合N、P2O5、K2O为105 kg/hm2、82.5 kg/hm2、0 kg/hm2；处理5，不施肥对照(CK)。各处理3次重复，采用完全随机区组设计。小区面积21 m2(长7 m，宽3 m)，每个小区供水均为单排单灌，小区间田埂用厚实防水塑料膜覆盖防渗，四周设保护行0.5 m。水稻育秧30 d后(2018年5月30日)移栽，株行距为25 cm× 30 cm，种植密度为13.33万穴/hm2，每穴定植2株，全生育期内以当地传统的田间管理方式进行管理。其中，磷肥作基肥于移栽前一次性施入；氮钾肥分4次施入，均是30%作基肥，40%作分蘖肥，20%作穗分化肥，10%作籽粒灌浆肥。

1.3.3测定项目

1) 产量构成因素。水稻成熟期每小区随机调查25穴植株的穗数，并随机选取3穴植株，测定每穗粒数、结实率、千粒重等。各小区单打单收，当场测定籽粒鲜重。

2) 植株养分含量。水稻成熟后，每小区采集生长一致的5穴植株地上部分，分秸秆和籽粒2部分取样，样品洗净后经105℃杀青30 min，再经70℃烘干至恒重，称重并粉碎样品进行养分测定。采用常规的农化分析方法测定[18]，浓H2SO4-H2O2法消化，全自动消解仪测定植株氮；浓HNO3-HClO4混合酸消化后，分光光度计法测定植株磷；火焰光度计法测定植株钾，原子吸收分光光度计法测定植株钙、镁和锌。籽粒浓度以糙米计，标准样品来自国家标准物质局。

1.4统计分析

采用Microsoft Office 2019统计并运算预处理数据， SPSS 21分析每个指标在不同区组间的单因素差异(LSD<0.05)，Sigmaplot 12.5作图。

2结果与分析

2.1贵州黔东南州水稻产量水平及施肥现状

调研结果显示，贵州黔东南州主要的粮食作物种植模式多为油菜-水稻轮作。该地区水稻平均产量达7.3 t/hm2，且收获期地上部生物量达14.5 t/hm2，籽粒收获指数为50.8%。对水稻生产过程中总养分投入的分析结果显示，大量元素养分N、P2O5和K2O折纯投入量分别为225 kg/hm2、128 kg/hm2和443 kg/hm2。其中，化肥施用量分别为143 kg/hm2、94 kg/hm2和150 kg/hm2，其余养分需求为油菜与水稻秸秆还田填充及农家肥的补充。

2.2不同施肥处理水稻的产量

从表1看出，BF处理(平衡施肥)可以显著提高水稻籽粒产量，相对不施肥处理(CK)，增产率高达39.1%。平衡施肥显著提高水稻的有效穗数和每穗粒数，但对结实率无显著影响。养分不完全供应条件下(PK、NK和 NP处理)水稻的结实率受影响，除PK配合施肥处理外，其余处理瘪粒数显著增多；NP配合施肥处理产量明显高于PK和NK处理，说明贵州黔东南州水稻的高效生产对养分N、P的响应明显高于对K的响应。总体看，相比于全素供应平衡施肥处理(BF处理)，N素供应缺乏主要影响水稻产量构成的每穗粒数，P素缺乏主要影响有效穗数和每穗粒数，而K素缺乏则影响每穗粒数和结实率。

表1 不同施肥处理水稻的产量及其构成因子

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note ：Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference atP<0.05 level. The same below.

2.3不同施肥处理水稻的肥料利用率

2.3.1植株生物量积累植株生物量积累是其产量形成的先决条件。从表2看出，BF处理明显提高收获期水稻地上部的干物质积累量，且较CK、PK和NK处理分别提高39.4%、21.2%和40.5%。

2.3.2水稻氮磷钾吸收量BF处理对水稻氮磷钾的吸收也有明显的影响(表2)，对比CK处理，除对籽粒的P、K浓度无显著影响外，平衡施肥可显著提高秸秆中N、P、K浓度及籽粒的N浓度。缺N显著影响水稻的N素吸收，缺K则显著影响水稻秸秆中的K浓度，且明显降低N素和K素向籽粒转移；缺P对水稻的P、K浓度无显著影响，但显著降低N素向籽粒的转移。

表2 不同施肥处理水稻收获期的生物量、氮磷钾浓度和积累量

Table 2 Biomass and N, P and K concentration and accumulation of rice at harvesting stage under different fertilization treatment

处理Treatment生物量(t/hm2) Biomass浓度/(g/kg)Concentration秸秆NPK籽粒NPK积累量/(kg/hm2)Accumulation秸秆NPK籽粒NPKCK12.7 b4.6 b1.1 b27.1 b8.4 b2.3 a3.6 a29.1 b7.0 b172 c53.7 c14.7 b23.0 bPK14.6 b4.5 b1.4 a33.6 a8.4 b2.7 a3.9 a29.9 b9.3 b223 b66.9 b21.5 a31.1 aNK12.6 b5.0 a1.4 a31.7 a8.5 b2.3 a3.6 a27.4 b7.7 b174 c60.8 c16.5 b25.8 bNP16.8 a4.9 a1.5 a27.6 b8.4 b2.6 a3.5 a41.2 a12.6 a232 b70.1 b21.7 a29.2 aBF17.7 a5.2 a1.5 a31.4 a9.0 a2.5 a3.7 a46.1 a13.3 a278 a80.0 a22.2 a32.9 a

注：ns表示在0.05水平上无显著差异，下同。

Note: ns means there is no significant difference atP<0.05 level. The same below.

图1 不同施肥处理收获期水稻氮、磷、钾的分配

Fig.1 N, P and K allocation of rice at harvesting stage under different fertilization treatment

2.3.3养分积累量从图1看出，水稻秸秆对K的积累量显著高于N和P，且均在BF处理上表现出最大积累量；而在籽粒中的养分积累则表现为N>P>K；BF处理收获期水稻地上部N、P、K养分积累量分别为126 kg/hm2、35.5 kg/hm2和310.9 kg/hm2，显著高于其他处理。

相比于对照和缺素供应施肥处理，平衡施肥对N、P和K素在籽粒中的分配比例无显著影响，且对应分配比例幅度分别为63%、63%和11%。

2.3.4养分利用效率从图2看出，BF处理的N、P、K表观利用率分别为28%、31%和44%，农学利用率分别为9 kg/kg、47 kg/kg和5 kg/kg，生理利用率分别为31 kg/kg、150 kg/kg和11 kg/kg，籽粒生产效率分别为70 kg/kg、250 kg/kg和29 kg/kg。说明，试验区域减肥提效空间较大。

注：不同小写字母差异显著(P<0.05)，下同。

Note:Different lourercase letters indicate significance of difference atP<0.05 level.The same below.

图2 不同施肥处理收获期水稻的氮、磷、钾养分利用效率

Fig.2 N, P and K use efficiency of rice at harvesting stage under different fertilization treatment

2.4不同施肥处理水稻籽粒的矿质营养

从图3看出，BF处理显著提高收获期水稻籽粒中的锌(Zn)浓度，相对CK、PK、NK和NP处理分别提高31.8%、31.5%、24.1%和13.1%；但对其钙(Ca)和镁(Mg)浓度无显著影响。此外，BF处理明显增加单位面积上水稻籽粒的Ca、Mg和Zn积累量，尤其是增加Zn积累量。相对CK、PK、NK和NP处理，BF处理的单位面积籽粒Zn积累量分别提高83.3%、46.7%、53.2%和20.3%。

2.5不同施肥处理水稻生产的经济效益

由表3可知，BF处理由于肥料支出单一因素造成的总投入虽为最高，但仅比CK、PK、NK和NP处理分别高21%、4.6%、3.1%和11.0%。水稻产业收益由籽粒单一构成产出，产量差异是其产出差异的决定性因素。与其他处理相比，BF的产出和净收益均为最高，分别为21 336元/hm2、13 713元/hm2，其净收益分别比CK、PK、NK和NP处理高51.8%、15.8%、38.7%和4.1%。

表3 不同施肥处理水稻的经济效益

注：尿素单价为3.2元/kg，钙镁磷肥为2.8元/kg，硫酸钾，5.6元/kg；水稻籽粒售价为2.4元/kg。

Note:The prices of urea, fused calcium-magnesium phosphate and potassium sulfate are 3.2 Yuan/kg, 2.8 Yuan/kg and 5.6 Yuan/kg respectively. The price of rice is 2.4 Yuan/kg.

3结论与讨论

调研结果显示，贵州黔东南州的水稻平均产量水平为7.3 t/hm2，与我国长江流域和南方稻区的农民习惯水稻生产水平相近(7.23 t/hm2)[9]。但肥料投入过量问题突出，尤其是化学磷肥(P2O5，94 kg/hm2)和钾肥(K2O，150 kg/hm2)的投入，分别比最佳作物管理技术(氮肥总量控制分期调控，磷钾衡量监控，增加移栽密度和后期干湿交替灌溉等)提出的P2O5(60 kg/hm2)、K2O(90 kg/hm2)用量高56.7%和66.7%[9, 11, 19]，减肥空间巨大。若按我国农民传统生产方式下水稻平均产量只达可实现产量的70%计算[20]，该区域水稻可实现产量为9.49 t/hm2，增产空间巨大。

研究中，平衡施肥处理是在农民习惯的基础上减氮26.6%、减磷12.2%、减钾10%，其产量为8.89 t/hm2，高出农民习惯施肥产量(调研结果)21.8%，且比不施肥对照增产39.1%。单位面积穗数和穗粒数的增加是其增产的主要因素，与罗德强等[21]提出的需增加有效穗数和大穗实现贵州地区水稻高产或超高产的结果一致。但该产量水平仍比9.49 t/hm2的可实现产量低6.3%，分析原因可能为：1) 抽穗期粒肥的分配比例过低，致其结实率不高(88.3%)，未满足高产需达到的90%及以上的结实率标准[21- 22]；2) 试验地处低海拔光寡照区域，致作物生产潜力发挥严重受限[6]。因此，如何实现该区域水稻穗粒肥的最优分配及秸秆同化物向籽粒的高效转运，是水稻提质增效工作中迫切需要探究的问题。

平衡施肥条件下，黔东南州水稻的氮磷钾肥表观利用率分别为28.0%、31.4%和44.4%，与目前我国平均水平[23]28.3%(N)、13.1%(P)和32.4%(K)相比，平衡施肥在减少环境负荷的同时，分别提高磷、钾肥表观利用率140%和37%。这主要归功于平衡施肥显著提高水稻秸秆中的N、K浓度及籽粒中的N浓度，同时显著增加水稻地上部生物量的积累。农学利用率、生理利用率和籽粒生产效率水稻对氮磷钾平衡施肥的响应均表现为P>N>K。分析原因可能是：1) 收获期水稻中89%的钾积累在秸秆，在以籽粒为主体的三大养分利用效率计算中处于劣势[10]；2) 长期秸秆还田耕作和过量施肥共同作用下，该区域土壤的氮(全氮4.54 g/kg)、钾(交换性钾87 mg/kg，缓效态钾76 mg/kg)养分丰富，基础地力贡献率提高，致使肥料效应相应减弱[24]。考虑到该区域稻田长期耕作下氮钾养分的大量积累及其低农学、生理利用率和籽粒生产效率，黔东南州水稻生产在未来较长一段时间内仍有减肥空间，进一步优化施肥、合理密植和精细化管理是大幅度提高水稻单产及增效的科学举措。

人体健康至少需要29种广义的微量元素(16种微量、痕量矿质元素和13种维生素)才能满足代谢的需求，目前的多数研究主要集中在钙、镁、铁、铜、锌、硒、碘、维生素等上，尤以锌的全球性广泛缺乏更使锌营养成为国际研究热点[25-27]。研究结果表明，平衡施肥可以改善水稻籽粒的矿质营养状况，如显著提高籽粒中的锌浓度及单位面积镁、锌积累量，能有效缓解谷类作物的籽粒矿质营养稀释的现状[28]。此外，水稻平衡施肥能明显提高其经济效益；但受基础地力N、K库容丰富影响，平衡施肥处理的产投比与缺氮缺钾施肥处理并无显著差异。进一步优化N、K肥用量，降低投入成本，提高水稻种植经济效益的空间仍较大。

目前贵州黔东南州水稻的单产水平为7.3 t/hm2，收获指数为50.8%，总养分N、P2O5、K2O投入分别为225 kg/hm2、128 kg/hm2和443 kg/hm2，其中相应化肥施用量分别为143 kg/hm2、94 kg/hm2和150 kg/hm2。与农民习惯施肥相比，平衡施肥可提高水稻产量21.8%，单位面积有效穗数和穗粒数为产量提升主效因子。平衡施肥能显著提高籽粒中的锌浓度及单位面积镁、锌积累量，同时能明显提高水稻产业经济效益。但基于区域土壤地力对水稻籽粒贡献考虑，平衡施肥仍有减肥空间，水稻的提质增效工作仍需积极探讨。