施用海藻酸复合肥料的双季稻产量和氮磷肥料效应

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　　摘  要：以華南大田双季稻为研究对象，设置5个处理：不施肥、普通复合肥、海藻复合肥、80%普通复合肥和80%海藻复合肥，研究海藻复合肥减施条件下对双季稻产量、肥效、养分吸收和土壤养分残留及土壤生物活性的影响。结果表明：海藻复合肥能够提高水稻有效穗和稻谷产量，晚稻海藻复合肥较普通复合肥有效穗增加14.5%，早稻稻谷增产7.6%，晚稻增产5.1%，均达显著水平;而80%海藻复合肥与普通复合肥相比稻谷产量无差异。海藻复合肥能够提高氮肥和磷肥偏生产力。与常量施肥相比，减量施氮肥和磷肥偏生产力分别提高6.1～8.5 kg/kg和15.2～21.4 kg/kg，氮和磷吸收效率分别提高11.3～19.7和12.0～19.8个百分点，均以80%海藻复合肥处理最高。减量施肥显著降低20～40 cm土壤硝态氮的含量。海藻复合肥可提高土壤微生物量碳（氮）和土壤蔗糖酶、脲酶及酸性磷酸酶活性。主成分分析结果表明，土壤肥力综合得分为80%海藻复合肥>海藻复合肥>普通复合肥>80%普通复合肥>CK。在华南双季稻种植条件下，与普通复合肥相比，海藻复合肥减肥20%具有较好的稳产效应，但是周年氮磷养分平衡表现为亏缺，建议根据土壤肥力状况及目标产量制订减肥措施，以保持土壤肥力的可持续性。
　　关键词：双季稻;海藻酸复合肥料;肥料效率;产量;微生物生物量碳（氮）;土壤酶活性
　　中图分类号：S143     文献标识码：A
　　Yield， Nitrogen and Phosphorus Nutrient Effects of Alginate Compound Fertilizer on Double-cropping Rice
　　HUANG Jichuan， PENG Zhiping*， TU Yuting， WU Xuena， LIANG Zhixiong， YANG Linxiang， LIN Zhijun
　　Institute of Agricultural Resources and Environment， Guangdong Academy of Agricultural Sciences / Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation / Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Guangzhou， Guangdong 510640， China
　　Abstract： A field experiment of double-cropping rice in south China was investigated. Five treatments were designed as follows： 1） no fertilization （CK）; 2） conventional compound fertilizer （CCF）; 3） alginate compound fertilizer （ACF）; 4） 80% conventional compound fertilizer （80% CCF）; 5） 80% alginate compound fertilizer （80% ACF）. The effects of reduction application of alginate compound fertilizer on yield， nutrient uptake by rice and residue in soil as well as soil bioactivity of double-cropping rice were studied. Alginate compound fertilizer could increase the rice effective panicle and grain yield. The effective panicle of ACF treatment increased significantly by 14.5% （late rice）， grain yield increased significantly by 7.6% （early rice） and 5.1% （late rice） compared to CCF. There was no significant difference of grain yield between 80% ACF and CCF treatment. Alginate compound fertilizer could improve the partial factor productivity of nitrogen and phosphorus fertilizer. Under reduced fertilization condition， the partial factor productivity of nitrogen and phosphorus fertilizer increased by 6.1–8.5 and 15.2–21.4 kg/kg， respectively， nitrogen and phosphorus uptake efficiency increased by 11.3–19.7 and 12.0–19.8 percentage points， respectively， and 80% ACF showed the highest value. Reduced fertilization significantly decreased the content of NO3-N in the 20–40 cm soil layer. Alginate compound fertilizer could increase soil microbial biomass carbon （nitrogen） and soil sucrase， urease and acid phosphatase activities compared to the conventional compound fertilizer. Principal component analysis showed that the comprehensive score of soil fertility was 80% ACF>ACF>CCF>80% CCF>CK. This study showed that 80% ACF treatment could maintain rice yield compared with CCF under double-cropping rice in south China. However， the balance of nitrogen and phosphorus in soil was deficient after one year of double cropping rice planted. It is suggested that reducing fertilization measures should be formulated according to the soil fertility status and target yield in order to maintain the sustainability of soil fertility. 　　Keywords： double-cropping rice; compound fertilizer containing alginate acid; fertilizer efficiency; yield; microbial biomass carbon （nitrogen）; soil enzyme activity
　　DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.05.003
　　化肥是影响现代农业生产的重要因素，对全球粮食产量的贡献率为50%～60%，对我国粮食贡献率曾高达56.81%[1-2]，为粮食安全和社会稳定做出了重要贡献。但为了追求高效益、高增长，过量的化肥投入已成为我国农业生产的普遍模式，2014年我国单位面积化肥施用量约为世界平均水平的3.9倍[2]。然而，我国大田水稻氮肥利用率仅为20%～40%[3]，磷肥利用率为18.86%[4]，远低于发达国家的农业水平，养分损失以及由此造成的农业面源污染问题日趋严重，导致土壤微生态环境的劣化[5]，已成为制约我国农业优质高效发展的重要问题。因此，如何提高化肥肥效、改善土壤微生態环境和可持续性利用，在保证粮食产量稳定的前提下降低化肥投入，实现化肥减量增效是当前面临的重要课题。大量研究表明，肥料增效物质与化肥的协同作用是提高肥效，改善土壤微生态环境，降低肥料投入的重要途径。如氨基酸、海藻酸、腐植酸[6-7]、脲酶抑制剂、硝化抑制剂等物质的应用能够显著地提高肥料效率[8]，在保证作物产量的情况下实现肥料投入减量的目标。海藻中含有多种生物活性物质[9]，诸多研究表明海藻酸类新型尿素、磷肥、叶面肥的应用在作物上具有明显的增产[6-7]、改善品质[10]、提高土壤微生物活性[11]的作用，海藻酸复合肥料在水稻上的田间应用及其减施效果鲜见报道。双季稻是南方主要的粮食种植模式，本研究以广东双季稻为研究对象，普通复合肥和海藻复合肥均设置常量处理和20%减量处理，探索海藻酸增效型复合肥料在大田上一年两季的应用效果，研究其在水稻产量、肥料效应、土壤氮磷养分残留以及土壤酶和微生物量碳（氮）方面的效应，以期验证其减肥增效效果，完善使用方法并为海藻酸类增效复合肥料在水稻生产上应用提供科学参考依据。
　　1  材料与方法
　　1.1  试验点概况
　　试验于2017年早、晚稻期间在广东佛山三水区南山镇佛山农科所（23.529° N，112.858° E，海拔6.6 m）同一田块进行连续2茬定位试验。供试土壤为潴育型水稻土河沙坭田，土壤质地为重壤土。试验前土壤pH 5.6，有机质2.24%，全氮1.28‰，碱解氮103.7 mg/kg，有效磷38.7 mg/kg，速效钾125.5 mg/kg。试验用海藻酸复合肥料参数：海藻酸为野生海带经生物发酵后提取的海藻酸浓缩液，主要物质为海藻多糖及天然生长调节物质，在复合肥中海藻酸添加量为0.5%，采用尿基高塔工艺生产，产品符合标准《海藻酸类肥料》（HG/T 5050-2016）。海藻酸作为植物源生物刺激素添加肥料中，与普通复合肥相比具有刺激作物生长、提高养分吸收和环境友好的特点。
　　1.2  方法
　　1.2.1  试验设计  以水稻品种‘黄软秀占’为供试材料。试验共设5个处理：（1）不施肥;（2）普通复合肥20-8-12;（3）海藻复合肥20-8-12;（4）80%普通复合肥20-8-12;（5）80%海藻复合肥20-8-12。普通复合肥和海藻复合肥处理以纯N 150 kg/hm2用量施用，80%普通复合肥和80%海藻复合肥处理以纯N 120 kg/hm2用量施用。早、晚稻分别在基肥（4月7日、8月9日）、分蘖肥（4月18日、8月19日）和分化肥（5月8日、9月7日）按40%、30%和30%施用。小区25 m2，种植密度为400株/区，小区间用高30 cm、宽40 cm的田埂隔离，田埂上覆盖薄膜，实行单独排灌。早稻2017年4月7日移栽，7月17日收获，晚稻2017年8月9日移栽，11月22日收获。
　　1.2.2  样品分析  试验前采集0～20 cm耕层土样，用于测定土壤基本理化性质。分别在早稻和晚稻孕穗期采集新鲜土样去除可见植物残体，冻干碾碎存于4 ℃，一周内测定土壤酶（蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶）活性、微生物量碳（氮）;在晚稻收获后采集土样测定土壤有机质、pH、碱解氮、有效磷，并采集（0～20、20～40、40～60 cm）土样置于4 ℃保存，一周内测定硝态氮和铵态氮含量。植株样品分别在早稻和晚稻收获前1周每个小区收割5株水稻，晾干后调查农艺性状，并分析秸秆和稻谷氮、磷养分含量。收获期按照小区实际收获量来测定秸秆和稻谷产量，其中秸秆自然晒干后取样烘干，测定水分折算干重，稻谷采用机械烘干计算干重。土壤有机质、pH、碱解氮、有效磷、铵态氮和硝态氮采用文献[12]的方法测定;植株氮、磷采用H2SO4-H2O2消煮，用流动分析仪测定[13]。土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法[14];脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法[14];酸性磷酸酶活性采磷酸苯二钠比色法检测[15]。用于测定土壤微生物量碳（氮）的土壤将土壤含水量调节至40%，25 ℃，90%空气湿度下预培养1周。其中微生物量碳、微生物量氮（MBC、MBN）的测定采用氯仿熏蒸-K2SO4溶液浸提法，按照Wu等[16]和Brookes等[17]方法，土壤微生物量碳、氮根据氯仿熏蒸和未熏蒸处理土壤提取液中有机碳、全氮含量之差，分别除以系数0.45（MBC）和0.54（MBN）计算求得MBC和MBN。
　　1.2.3  相关指标计算方法  （1）养分吸收量（nutrient accumulation，kg/hm2）=稻谷产量×稻谷氮（磷）含量+秸秆产量×秸秆氮（磷）含量[18]; 　　（2）养分盈余（nutrient surplus，kg/hm2）=施氮（磷）量?作物吸收（氮、磷）量[19];
　　（3）偏生产力（partial factor productivity of fertilizer，PFP，kg/kg）=稻谷产量/施氮（磷）量[18];
　　（4）养分吸收效率（nutrient uptake efficiency by plant，NUE，%）=施肥区地上部氮（磷）吸收量/施氮（磷）量×100%[18]。
　　1.3  数据处理
　　采用Microsoft Excel 2007、SAS 8.0和SPSS 18.0等数据处理软件对试验数据进行统计分析。
　　2  结果与分析
　　2.1  水稻农艺性状、产量
　　由表1所示，农艺性状方面早稻同等施肥量的2种肥料之间有效穗无明显差异，晚稻海藻复合肥处理较普通复合肥处理显著增加14.5%（P< 0.05）。施肥处理间的结实率、穗实粒和千粒重并无显著差异。
　　从表2可看出，海藻复合肥处理稻谷2季产量较普通复合肥处理显著增产7.0%（P<0.05）;80%海藻复合肥与普通复合肥处理相比无明显差异。周年水稻秸秆产量在2种肥料间无显著差别。从单季水稻情况来看，早稻稻谷产量海藻复合肥较普通复合肥处理显著增产7.6%（P<0.05）;但80%海藻复合肥较海藻复合肥减产8.1%（P< 0.05），而与普通复合肥处理相比无显著差异;等量施肥的2种肥料之间秸秆产量无差异。晚稻稻谷产量海藻复合肥较普通复合肥处理显著增产5.1%（P<0.05），80%海藻复合肥较80%普通复合肥显著增产4.8%（P< 0.05）;而同类肥料减量20%施肥产量均显著下降，但80%海藻复合肥与普通复合肥处理表现为平产;80%海藻复合肥与普通复合肥处理秸秆产量相当，且显著高于80%普通复合肥处理。
　　2.2  水稻氮素、磷素吸收利用
　　2.2.1  氮磷吸收量及土壤养分平衡  养分吸收与盈余可反映土壤养分平衡状况。从表3可看出，养分吸收方面，2种肥料等量施肥处理间N吸收在早稻和晚稻均无差异，仅P2O5吸收在晚稻80%海藻复合肥较80%普通复合肥处理显著增加8.9%（P<0.05）;同种肥料常量施肥与减量施肥相比仅晚稻普通复合肥较80%普通复合肥处理P2O5吸收显著增加7.7%（P<0.05）。养分盈余方面，仅晚稻80%海藻复合肥较80%普通复合肥处理P2O5盈余显著下降57.8%（P<0.05）;而同种肥料减量施肥情况下N和P2O5盈余均显著降低。此外，从一年两季水稻来看，2种肥料等量施肥处理间N和P2O5的吸收和盈余并无显著差异，养分盈余以普通复合肥处理最高，减量施肥下养分盈余值为负，80%普通复合肥处理N和P2O5盈余分别较普通复合肥处理下降43.1和16.5 kg/hm2，80%海藻复合肥较普通复合肥处理分别下降57.2和20.7 kg/hm2，均达显著水平（P<0.05）。
　　2.2.2  氮、磷养分偏生产力和吸收效率  由表4所示，早稻氮肥偏生产力海藻复合肥较普通复合肥显著提高3.3 kg/kg（P<0.05），80%普通复合肥和80%海藻复合肥较相应的普通復合肥和海藻复合肥处理分别提高8.5、7.1 kg/kg（P<0.05），晚稻各施肥处理间差异均达到显著水平（P<0.05），表现依次为80%海藻复合肥>80%普通复合肥>海藻复合肥>普通复合肥。2种肥料等量施肥下氮素吸收效率差异不显著;早稻80%普通复合肥和80%海藻复合肥分别较相应的普通复合肥和海藻复合肥处理显著提高17.5和19.7个百分点（P< 0.05），晚稻分别显著提高11.6和11.3个百分点（P<0.05）。早稻磷肥偏生产力海藻复合肥较普通复合肥显著提高8.4 kg/kg（P<0.05），80%普通复合肥和80%海藻复合肥较相应的普通复合肥和海藻复合肥处理分别提高21.4、17.7 kg/kg（P<0.05）;晚稻各施肥处理间差异显著（P< 0.05），结果与氮肥偏生产力相同。早稻2种肥料等量施肥之间磷素吸收效率差异不显著，80%普通复合肥和80%海藻复合肥较相应的普通复合肥和海藻复合肥处理分别提高19.8和17.8个百分点，晚稻分别显著提高12.0和15.4个百分点，晚稻80%海藻复合肥较80%普通复合肥处理也显著提高7.8个百分点（P<0.05）。
　　2.3  土壤pH、有机质及养分含量
　　由表5所示，经过一年双季种植，不同施肥处理间有机质、碱解氮和有效磷含量并未发生显著差异。普通复合肥处理pH有下降趋势，而施用海藻复合肥以及减量施肥处理与CK相对保持一致，其中80%海藻复合肥较普通复合肥处理高0.24个单位，差异显著（P<0.05）。
　　土壤铵态氮随着土层深度和肥料减量施用而下降。其中，0～20 cm土层CK显著低于其他施肥处理，海藻复合肥较80%普通复合肥处理显著提高10.7%（P<0.05）;20～40和40～60 cm土层各施肥处理间铵态氮含量无明显差异。土壤硝态氮含量也随着土层深度和肥料减量而下降。20～40 cm土层80%普通复合肥和80%海藻复合肥分别较相应的普通复合肥和海藻复合肥处理显著下降20.4%和21.2%（P<0.05），但其他土层施肥处理之间并无显著差异。
　　2.4  土壤微生物量碳、微生物量氮
　　土壤微生物量碳（MBC）可作为土壤养分的储存库和植物养分的供给源[20]。由表6所示，土壤MBC表现CK显著低于施肥处理，在早稻施肥处理间无明显差异，晚稻海藻复合肥较普通复合肥处理显著提高12.2%，80%海藻复合肥较80%普通复合肥处理显著增加8.4%（P<0.05），此外，晚稻海藻复合肥较80%海藻复合肥处理显著提高7.6%（P<0.05）。 　　土壤微生物量氮（MBN）是土壤有效氮的重要组成部分，对土壤氮素循环和氮素供给具有重要作用[19-21]。各处理中以CK最低，早稻施肥处理间MBN含量差异不显著;晚稻海藻复合肥和80%海藻复合肥分别较普通复合肥和80%普通复合肥处理显著增加10.7%和9.4%（P<0.05）。
　　2.5  土壤酶活性
　　从表7中可看出，早稻土壤蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性在施肥的不同处理间并无显著差异，晚稻处理间酶活性差异显现。其中，晚稻土壤蔗糖酶活性海藻复合肥较普通复合肥处理显著提高9.4%，而减量施肥的80%海藻复合肥较海藻复合肥处理显著降低7.5%（P<0.05）。晚稻土壤
　　脲酶海藻复合肥较普通复合肥提高10.4%、80%海藻复合肥较80%普通复合肥提高11.1%，差异均达到显著水平（P<0.05）。晚稻土壤酸性磷酸酶表现为海藻复合肥较普通复合肥显著提高11.8%（P<0.05）。说明连续2季施用海藻复合肥具有促进土壤碳水化合物转化，提高氮、磷养分供给能力的效果。
　　2.6  土壤综合肥力质量评价
　　对晚稻土壤有机质、pH、速效养分和微生物量碳（氮）以及土壤酶活性等因子进行主成分分析，将累积贡献方差≥85%作为提取原则，获得2个主成分，其累积方差贡献率为87.157%（表8），因子1和因子2的特征值分别为6.964和2.624，贡献率分别为63.306%和23.861%。第1主成分因子在有机质、微生物生物量碳（氮）以及土壤酶活性和铵态氮等指标上载荷系数较大，该主成分可认定为土壤的有机营养及生物活性因子，第2主成分因子在碱解氮和有效磷、pH和硝态氮指标上载荷系数较大，可视为土壤的速效养分和pH因子。
　　通过各因子得分及其特征值百分率作为权数进行加权求和计算得出土壤肥力质量得分（表9）。土壤质量综合得分表现为80%海藻复合肥>海藻复合肥>普通复合肥>80%普通复合肥>CK。说明施用海藻复合肥有利于提高土壤的综合质量。
　　3  讨论
　　3.1  海藻复合肥减量施肥对水稻产量的影响
　　海藻酸类物质主要包括多糖类、甜菜碱、蛋白类以及萜类等天然生长调节物质[9]，作为肥料增效物质具有用量少，增效效果明显的作用，可活化土壤氮素[6]和磷素[7]，提高氮磷养分利用，从而达到减肥增效的效果。本研究发现海藻复合肥与普通复合肥相比有效穗（晚稻）和稻谷产量（早稻、晚稻）显著提高，且80%海藻复合肥与普通复合肥相比减肥稳产效果明显，这与袁亮等[6]采用海藻尿素提高小麦有效穗实现减肥稳产的效果一致。可能海藻酸成分对水稻分蘖和有效穗形成具有促进作用，其作用机理值得进一步研究。
　　3.2  海藻复合肥减量施肥对肥料效率和养分平衡的影响
　　本研究海藻复合肥与普通复合肥相比显著提高了氮肥和磷肥偏生产力，与周勇明等[22]研究结果相一致;而减量施肥进一步提高氮肥和磷肥的偏生产力和吸收效率，与杜加银等[23]的研究结果相同。全量施肥早稻氮磷养分表现为亏缺，晚稻表现为盈余，与华南区域季节气候原因导致晚稻产量低于早稻从而造成吸收累积差异有关[24-25]。從一年两季来看，全量施肥处理氮磷养分表现为盈余，若长期全量施肥存在土壤养分富集和流失的风险，有必要降低肥料用量。本研究减量施肥显著降低氮、磷养分盈余，与赵亚南等[19]的研究结果相同，其中80%海藻复合肥与普通复合肥处理相比实现稳产，就环境效应方面来讲属于本试验中的最优处理，但周年来看该处理氮磷养分表现为亏缺，长期保持80%的施肥水平可能造成土壤氮素和磷素的供给能力下降;此外，80%海藻复合肥与海藻复合肥处理相比表现为减产，说明增加施肥仍然有提高产量的空间。因此，在确定减肥目标时须结合土壤养分平衡、生态效应和产量目标进行调整，以实现生态友好及土壤肥力可持续二者相协调。总的来看，与普通复合肥相比，应用海藻复合肥可实现水稻种植减肥增效，在华南双季稻的生产中具有较好的应用前景。
　　3.3  海藻复合肥对土壤肥力及生物活性的影响
　　本研究施用海藻复合肥经过一年两季种植土壤有机质、碱解氮和有效磷含量并未发生明显变化，与计小江等[26]研究发现施用海藻复混肥提高稻田土壤有机质、有效磷的结果不同，可能与本试验稻田土壤质地为重壤土有关，土壤质地越重其缓冲性越好，在短期内土壤理化指标变化越小[27]。2种肥料减量施肥均显著降低了20～40 cm土层硝态氮含量，与田昌等[28]减氮施肥下降低硝态氮的研究结果一致;而减量施肥铵态氮与常量施肥之间无明显差异，与田昌等[28]研究结果相似，可能铵态氮含量主要与土壤质地及其对铵离子吸附特性有关[29]，有待于进一步研究。
　　卜令铎等[30]研究发现施用微量的海藻酸类生物刺激素（20 mg/株）烟草根长、根体积、根直径和比表面积显著增加。本研究中海藻肥可能促进水稻根系生长导致根系残留有机物的增加，而有机物投入的增加可提高土壤MBC、MBN含量[31-32]，增强土壤酶活性[33]，本研究连续两季施用海藻复合肥后在晚稻也得到了类似的研究结果。土壤酶活性与土壤肥力以及水稻产量密切相关[31]，主成分分析表明土壤酶、土壤MBC和MBN等生物活性指标作为第1主成分因子，在土壤肥力中占主要地位，土壤质量综合得分以海藻复合肥高于普通复合肥处理，表明本研究海藻复合肥更多的是在土壤生物活性方面起到调节作用，通过土壤酶活性与微生物生物量指标的改善促进水稻发育及对养分的吸收，进而实现减肥增效。
　　4  结论
　　与普通复合肥相比，海藻复合肥具有明显的增产效果，在80%海藻复合肥用量下与普通复合肥相比稳产作用明显，表明在广东双季稻种植上海藻复合肥减肥稳产增效作用显著。 　　海藻复合肥能够提高氮肥和磷肥偏生产力，减肥20%条件下显著提高氮肥、磷肥偏生产力和氮素、磷素吸收效率，降低20～40 cm土层硝态氮含量。但减肥处理周年氮磷养分在土壤中的残留表现为亏损，以80%海藻复合肥残留量最低，长期来看可能导致土壤肥力下降，生产中应根据土壤肥力和目标产量及环境效应适当增加肥料用量。
　　连续2季施用海藻复合肥能够提高土壤MBC、MBN和土壤蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性。
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