减肥增效措施下的水稻肥效研究

Study on the Fertilizer Efficiency of Rice under the Measures of Reducing Fertilizer and Increasing Efficiency

李接励 Jieli LI , 廖红蕖 Hongqu LIAO , 袁宸 Chen YUAN , 梁济 Ji LIANG , 陈明良 Mingliang CHEN

上海化工研究院有限公司上海 200062 Shanghai Research Institute of Chemical Industry Co., Ltd., Shanghai 200062, China

Author notes:

Correspondence to: 陈明良(1963—)，男，硕士，教授级高级工程师，主要从事化工工艺研发、肥料高效利用方面的工作；cml812@163.com

摘要：

为探究水稻肥料效应，采用“3414”设计试验方案，开展了田间小区试验，并采用统计学方法进行试验数据分析。试验结果表明：外施化肥是水稻生长发育不可缺少的，合理配施氮、磷、钾更能提升水稻植物学性状和产量。结合经济效益与产量，当地水稻最佳施肥量为氮(N)28.04 kg/亩、磷(P₂O₅)6.72 kg/亩、钾(K₂O)0.61 kg/亩，N、P₂O₅、K₂O质量比为1.00 :0.24 :0.02，此条件下的水稻产量约为637.33 kg/亩。

关键词：

水稻; “3414”方案; 减肥增效; 肥效研究;

Abstract：

In order to explore the fertilizer efficiency of rice, field plot experiment is carried out using the "3414" design experiment scheme, and the experimental data are analyzed by statistical methods. Experimental results show that external application of fertilizer is indispensable for rice growth and development, and rational application of nitrogen, phosphorus and potassium can improve the botanical traits and yield of rice. Combined with economic benefit and yield, the optimal fertilization amount of local rice is nitrogen (N) 28.04 kg/mu, phosphorus (P₂O₅) 6.72 kg/mu, potassium (K₂O) 0.61 kg/mu, and the ratio of nitrogen, phosphorus and potassium is 1.00 :0.24 :0.02, the rice yield under this condition is about 637.33 kg/mu.

Keyword：

rice; the ″3414″ scheme; reducing fertilizer and increasing efficiency; study of fertilizer efficiency;

化肥是作物的“粮食”，对农业生产的贡献不容置疑。在过去的几十年中，由于化肥的大量施用导致肥料利用率逐渐降低。在当前的新形势下，化肥走过了总量增长阶段，迎来了减施增效新阶段^[1]。“3414”肥料方案作为原农业部测土配方施肥技术规范推荐采用的方案设计^[2]，吸收了回归最优设计处理少、效率高的优点，被国内肥料效应田间试验研究广泛应用，不仅在水稻、玉米、小麦、甘薯等粮食作物上得到应用^[3-6]，近年来在草莓种苗繁育^[7]、三七生产^[8]等较高经济作物上也借鉴了这种高效研究方法。“3414”试验针对性强，针对不同作物品种、不同生产环境、不同土壤肥力，都能得出适宜于该作物品种种植的最佳施肥方案。通过在上海市崇明区滧东村连续2年“3414”试验设计下的水稻种植，得到了适宜于当地水稻作物生长的较佳施肥方案。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点设在上海市崇明区滧东村，水稻种植时间为2017年3月至2018年11月，数据为2年平均值。

试验地灌溉条件良好，供试土壤理化性状如表 1所示。

表 1

供试土壤理化性状

有机质/(g·kg^-1)	全氮/(g·kg^-1)	pH	碱解氮/(mg·kg^-1)	速效磷/(mg·kg^-1)	速效钾/(mg·kg^-1)
3.570	0.237	8.38	204.26	13.86	151.75

1.2 试验设计

1.2.1 试验因素与水平

以南粳46为供试品种，采用“3414”田间肥效试验方案，设置三因素四水平共14个处理。三因素指氮、磷、钾3个因素，四水平指每个因素的施肥量为当地常规施肥量的0.0、0.5、1.0以及1.5倍4个水平。

1.2.2 试验小区设置

试验设3次重复，共42个小区，数据取3个重复的平均值。每个小区为4 m×6 m的长方形地块，各小区之间田埂包裹薄膜以防止水肥互窜流通。小区周围设置保护行，每个小区设置标识牌并标记小区号及处理编号。

1.2.3 施肥方案

磷肥和钾肥作为基肥一次性施入；氮肥以追肥形式分3次施入，每次施入量分别占总质量的20%、40%和40%。不同处理施肥情况如表 2所示，其中：各处理中“0”表示不施肥，“1”表示施肥量为当地常规施肥量的0.5倍，“2”表示施肥量为当地常规施肥量的1.0倍，“3”表示施肥量为当地常规施肥量的1.5倍；尿素中w(N)按46.00%、氯化钾中w(K₂O)按60.00%、普钙中w(P₂O₅)按10.61%折合计算；1亩＝667 m²，下同。

表 2

不同处理施肥情况 kg/亩

处理	N	折合尿素	P₂O₅	折合普钙	K₂O	折合氯化钾
N₀P₀K₀	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
N₀P₂K₂	0.00	0.00	4.50	42.41	4.50	0.27
N₁P₂K₂	13.75	29.89	4.50	42.41	4.50	0.27
N₂P₀K₂	27.50	59.78	0.00	0.00	4.50	0.27
N₂P₁K₂	27.50	59.78	2.25	21.21	4.50	0.27
N₂P₂K₂	27.50	59.78	4.50	42.41	4.50	0.27
N₂P₃K₂	27.50	59.78	6.75	63.62	4.50	0.27
N₂P₂K₀	27.50	59.78	4.50	42.41	0.00	0.00
N₂P₂K₁	27.50	59.78	4.50	42.41	2.25	0.14
N₂P₂K₃	27.50	59.78	4.50	42.41	6.75	0.41
N₃P₂K₂	41.25	89.67	4.50	42.41	4.50	0.27
N₁P₁K₂	13.75	29.89	2.25	21.21	4.50	0.27
N₁P₂K₁	13.75	29.89	4.50	42.41	2.25	0.14
N₂P₁K₁	27.50	59.78	2.25	21.21	2.25	0.14

1.3 测定内容与方法

1.3.1 土壤测定

试验前后采用S取样法在每个小区取9个耕层土壤样品混匀后进行肥力测定，其中：有机质采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定；pH采用电位法(水土质量比为2.5:1.0)测定；全氮采用凯氏定氮法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO₃浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用1.0 mol/L CH₃COONH₄浸提，火焰光度法测定。

1.3.2 水稻农艺性状测定

在每个小区中随机框取0.06 m²进行取样，测定水稻样品的株高、穗长、有效穗数、千粒重，并计算谷草比(谷草比＝稻谷产量/秸秆产量)。1.3.3水稻产量测定每个小区分别收获，脱粒后称重，按照水稻现场验收测水分计算单产方法计算产量，计算公式^[9]为：产量＝实收产量×(1-实测水分含量)×(1-标准水分含量)×667/实收面积。

1.4 数据分析方法

采用Excel 2010进行数据整理，采用DPS 14.5软件进行数据分析，LSD作差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 氮、磷、钾肥对水稻农艺性状的影响

各处理水稻农艺性状统计如表 3所示。

表 3

各处理水稻农艺性状统计

处理	株高/cm	穗长/cm	有效穗数/(穗·亩^-1)	千粒重/g	谷草比
N₀P₀K₀	73.51 c	12.51 abc	263 094.44 ef	32.67 abc	0.77 a
N₀P₂K₂	77.11 bc	13.24 ab	229 744.44 f	33.53 abc	0.53 b
N₁P₂K₂	88.73 a	11.72 abc	452 077.78 abc	34.67 a	0.45 bcd
N₂P₀K₂	85.06 ab	12.31 abc	407 611.11 abcd	33.07 abc	0.51 bc
N₂P₁K₂	90.22 a	11.00 abc	444 666.67 abc	33.33 abc	0.32 f
N₂P₂K₂	87.30 a	10.64 c	411 316.67 abcd	33.33 abc	0.35 ef
N₂P₃K₂	82.73 ab	13.42 a	503 955.56 a	31.27 c	0.42 de
N₂P₂K₀	86.25 a	10.89 bc	381 672.22 bcd	33.07 abc	0.39 def
N₂P₂K₁	85.77 a	11.68 abc	381 672.22 bcd	33.79 abc	0.47 bcd
N₂P₂K₃	87.86 a	13.23 ab	489 133.33 ab	31.53 bc	0.50 bc
N₃P₂K₂	86.50 a	11.81 abc	426 138.89 abc	31.73 bc	0.43 cd
N₁P₁K₂	86.77 a	12.12 abc	303 855.56 def	34.49 a	0.41 de
N₁P₂K₁	85.41 ab	11.49 abc	363 144.44 cde	34.05 ab	0.42 de
N₂P₁K₁	84.19 ab	11.41 abc	440 961.11 abc	33.13 abc	0.41 de

2.1.1 氮肥对水稻农艺性状的影响

分析N₀P₂K₂、N₁P₂K₂、N₂P₂K₂和N₃P₂K₂处理可得：不施氮处理株高显著低于施氮处理，仅77.11 cm，而施氮处理的株高均大于85.00 cm，施0.5倍氮处理的株高最高，为88.73 cm，各施氮处理间差异不大；不施氮处理的穗长显著大于正常施氮处理，但与0.5倍和1.5倍施氮处理无显著差异；不施氮处理的有效穗数显著少于其他施氮处理，为229 744.44穗/亩，约为其他处理的50%，而0.5倍施氮处理的有效穗数最多，但与其他施氮处理无显著差异；0.5倍施氮处理千粒重最重，显著大于1.5倍施氮处理，但与不施氮处理和正常施氮处理无明显差异；从谷草比来看，不施氮处理＞0.5倍施氮处理＞1.5倍施氮处理＞正常施氮处理，且不施氮处理与正常施氮处理、1.5倍施氮处理间呈显著差异，正常施氮处理的谷草比显著小于其他处理。

从单因素角度分析氮肥对水稻生长发育的影响可知，不施氮会显著限制水稻株高，影响水稻分蘖能力，但能提高水稻光合产物转化效率；过量施氮将导致水稻不饱满，降低了水稻谷草比，影响水稻经济产量。

2.1.2 磷肥对水稻农艺性状的影响

分析N₂P₀K₂、N₂P₁K₂、N₂P₂K₂和N₂P₃K₂处理可得：各处理的株高无显著差异；从穗长来看，1.5倍施磷处理＞不施磷处理＞0.5倍施磷处理＞正常施磷处理，其中1.5倍施磷处理的穗长显著大于正常施磷处理；各处理有效穗数、千粒重无显著差异；不施磷处理的谷草比显著大于其他处理，1.5倍施磷处理与正常施磷处理无显著差异但显著大于0.5倍施磷处理，正常施磷处理与0.5倍施磷处理间无显著差异。

从单因素角度分析磷肥对水稻生长发育的影响可知，磷肥的施用对水稻株高、有效穗数、千粒重无显著影响，但当地常规施磷量不利于水稻穗长的生长发育，合理施用磷肥有利于水稻光合产物的转化积累。

2.1.3 钾肥对水稻农艺性状的影响

分析N₂P₂K₂、N₂P₂K₀、N₂P₂K₁和N₂P₂K₃可得：各处理的株高、有效穗数、千粒重无显著差异；1.5倍施钾处理的穗长最长，为13.23 cm，而正常施钾处理的穗长最短，仅10.64 cm，两者之间差异显著；从谷草比来看，0.5倍施钾处理、正常施钾处理与1.5倍施钾处理差异不大，其中1.5倍施钾处理最大，显著大于不施钾处理。

从单因素角度分析钾肥对水稻生长发育的影响可知，钾肥的施用主要影响水稻穗长发育、改善水稻谷草比、优化其光合产物的转化效果。

2.2 不同处理对水稻产量的影响

不同处理水稻产量统计(实测含水质量分数为28.0%，标准含水质量分数按13.5%计算)如表 4所示，不施肥处理产量明显低于其他施肥处理，说明肥料是水稻生长过程中不可缺少的养分来源。

表 4

不同处理水稻产量统计

处理	小区产量/kg	折亩产量/kg
N₀P₀K₀	19.98	461.99
N₀P₂K₂	18.89	436.71
N₁P₂K₂	26.51	612.98
N₂P₀K₂	23.73	548.78
N₂P₁K₂	25.75	595.48
N₂P₂K₂	26.06	602.50
N₂P₃K₂	25.19	582.46
N₂P₂K₀	26.51	612.90
N₂P₂K₁	26.87	621.38
N₂P₂K₃	24.42	564.65
N₃P₂K₂	26.71	617.60
N₁P₁K₂	24.78	572.90
N₁P₂K₁	25.62	592.40
N₂P₁K₁	25.09	580.22

分析N₀P₂K₂、N₁P₂K₂、N₂P₂K₂和N₃P₂K₂处理可得，施氮处理的水稻产量明显大于不施氮处理，说明氮素是水稻生长发育非常重要的元素，直接影响水稻产量。分析N₂P₀K₂、N₂P₁K₂、N₂P₂K₂和N₂P₃K₂处理可得：不施磷处理的水稻产量明显低于其他施磷处理；随着施磷量增加，水稻产量逐渐升高，当施磷量达到常规施磷量的1.5倍时水稻产量出现下降。这说明过高的施磷量对产量会产生负面影响，原因可能是过高的施磷量影响水稻对钙、镁、铁等中微量元素的吸收，同时还有可能影响水稻对氮的吸收。分析N₂P₂K₂、N₂P₂K₀、N₂P₂K₁和N₂P₂K₃可得，0.5倍施钾处理的水稻产量最高，其次是未施钾处理，正常施钾处理和1.5倍施钾处理产量均低于未施钾处理。这说明在该试验中水稻对外施钾肥需求量不高，可能是由于土壤中本身钾含量偏高所致。

2.3 肥料效应模型与推荐施肥量

对此试验进行三元二次肥料效应模型拟合，所得三元二次肥料效应方程：

图 1

$ \begin{array}{l} y{\rm{ = 460}}{\rm{.492}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{5 + 3}}{\rm{.261}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{5}}{x_{\rm{1}}}{\rm{ + 33}}{\rm{.866}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{1}}{x_{\rm{2}}}{\rm{ + }}\\ {\rm{22}}{\rm{.137}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{9}}{x_{\rm{3}}}{\rm{ - 0}}{\rm{.165}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{6}}x_1^2{\rm{ - 4}}{\rm{.211}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{6}}x_2^2{\rm{ - 3}}{\rm{.260}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{7}}x_2^3{\rm{ + }}\\ {\rm{0}}{\rm{.936}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{7}}{x_1}{x_2}{\rm{ + 0}}{\rm{.692}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{6}}{x_1}{x_3}{\rm{ - 5}}{\rm{.475}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{5}}{x_2}{x_3}{\rm{ }} \end{array} $

式中：y——稻谷产量；

x₁、x₂、x₃——分别为氮(N)、磷(P₂O₅)、钾(K₂O)用量。

从式(1)可看出，二次项系数为负值，一次项系数为正值，F检验(F＝5.27＞F_0.05＝0.06)显著，方程拟合成功^[10-11]，并根据肥料价格及产品价格(尿素2 000元/t、普钙600元/t、氯化钾2 450元/t，当地当年稻谷收购价2.90元/kg)得出最大施肥量、最大施肥产量及最佳施肥量、最佳施肥产量^[12](表 5)。结果表明，当地最佳施氮(N)量为28.04 kg/亩，最佳施磷(P₂O₅)量为6.72 kg/亩，最佳施钾(K₂O)量为0.61 kg/亩，N、P₂O₅、K₂O质量比为1.00:0.24:0.02。

表 5

N、P₂O₅、K₂O回归分析 kg/亩

项目	N	P₂O₅	K₂O	产量
最大施肥量	31.30	6.90	0.93	638.59
最佳施肥量	28.04	6.72	0.61	637.33

3 结语

上海市崇明区滧东村往年水稻施肥量为亩施50 kg尿素、30 kg复合肥(15-15-15)，折N 27.5 kg、P₂O₅ 4.5 kg和K₂O 4.5 kg。这种不平衡、不根据实际情况进行调整的肥料投入，会导致土壤中氮、磷、钾比例的失调^[13]。试验证明，肥料仍然是水稻生长发育中不可缺少的部分，对水稻产量起着决定性作用，而减施增效措施会改善水稻农艺性状及产量。在化肥的施用中，氮、磷、钾的合理配施对产量有显著影响。

通过试验可得出如下结论：缺氮会影响水稻植株的分蘖能力，根本性影响产量，根据当地状况适量施用氮肥能增加水稻有效穗数；当地常规施磷量不足以满足植株生长需求，多施磷肥能提高谷草比，改善水稻光合产物的转化能力；当地土壤含钾量较高，可适当减少钾肥施用量。在三因素分析中，结合边际收益与边际成本得出，当地水稻最佳施肥量为氮(N)28.04 kg/亩、磷(P₂O₅)6.72 kg/亩、钾(K₂O)0.61 kg/亩，N、P₂O₅、K₂O质量比为1.00:0.24:0.02，此施肥条件下的水稻产量约为637.33 kg/亩。该试验的三元二次肥料效应方程拟合良好，数据可靠，有参考价值，对当地水稻生产中化肥的施用能起到指导作用。若在试验结果分析中无法成功拟合出三元二次肥料效应方程，可建立2种肥料间的二元二次方程或单种肥料的一元一次方程，通过侧面分析各肥料对水稻的影响。

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