戴明 郭海滨 魏雅冬
（绥化学院农业与水利工程学院，黑龙江 绥化 152061；
第一作者：daiming5014@163.com）
水稻是世界上广泛种植的粮食作物之一，在保障粮食安全方面发挥着重要作用。氮（N）是植物初级生产的主要限制因子，水稻氮含量是评价水稻生长发育及收获指数的重要表征指标之一[1]。种植过程中，环境、品种和农艺措施等是影响作物氮吸收的重要因素，而对于水稻而言，植株氮吸收量与施氮量、施氮时期、施氮方式、氮肥种类及供氮量与需氮量的同步性有关[2]；
增加氮施用量可在一定程度上提高植株氮素含量，但氮素在主要营养器官中的再分配效率可能会因此降低[3]。目前，水稻植株在生长季的氮素需求阶段与施氮时期的契合度有待进一步提高，且水稻氮素利用效率较低，使得一定量氮肥通过氨挥发和硝化作用产生流失[4]。分施氮肥是一种简单实用的氮肥施用方法，在提高作物产量和氮肥利用率方面得到了广泛应用，也被证实是提高水稻氮吸收的可行方法[5]。
聚天冬氨酸（Polyaspartic acid, PASP）是一种环境友好、可生物降解的高分子聚合物，具有良好的螯合能力，经常用作肥料中的增效剂[6-7]。由于PASP-尿素制造简单，生产成本低，在农作物生产中得到了广泛应用。前人研究表明，PASP 结合氮肥施用可促进蛋白质累积、调节硝酸还原酶活性，提高玉米幼苗植株的生物量和氮含量[8]。PASP-尿素可促进作物的干物质积累，根施PASP 可改善作物生长发育，提高植株矿质养分含量及产量[6,9]。DENG 等[10]研究发现，PASP-尿素可降低水稻不同生育期表观氮盈余与氮亏缺的平衡，提高氮肥利用率。但目前关于PASP-尿素对寒冷地区水稻氮吸收及产量提高的效果尚不清楚。基于此，本研究比较了PASP-尿素和常规尿素在不同施用方式下对寒地水稻氮素吸收及产量的影响，为PASP-尿素及不同施氮方式在寒地水稻生产上的应用提供理论依据。
1.1 试验地点和材料
于2019—2020 年在黑龙江省庆安县和平灌区水稻种植区（127°40′49″ E，46°57′25″ N）进行田间试验。试验区属第三积温带，平均气温2.6 ℃，有效积温2 300 ℃～2 500 ℃。供试田块土壤为黑土，前茬作物均为水稻。2019 年田块 0～20 cm 土层理化性质为：pH 6.6，容重1.56 g/cm3，有机质 3.65%，碱解氮 142.67 mg/kg，速效磷15.20 mg/kg，速效钾 130.56 mg/kg。2020 年田块 0～20 cm土层理化性质为：pH 6.5，容重1.79 g/cm3，有机质3.84%，碱解氮 120.55 mg/kg，速效磷 18.67 mg/kg，速效钾148.86 mg/kg。以当地推广面积较大的品种绥粳18号为试验材料。试验所用肥料为常规尿素（含N 46%）、PASP-尿素（系由四川美青氰胺股份有限公司生产，N 46%）、磷酸二铵（P2O546%、N 18%）、氯化钾（K2O 60%）。
1.2 试验设计
采用双因素随机完全区组设计，对尿素类型和施氮方法进行研究。尿素类型为常规尿素和PASP-尿素，分别标记为C 和P；
施氮方式为：2 次分施和4 次分施，分别标记为2 和4。因此，试验共5个处理：C2：常规尿素 2 次分施，C4：常规尿素 4 次分施，P2：聚天冬氨酸尿素2 次分施，P4：聚天冬氨酸尿素4 次分施，以不施肥处理（CK）为对照。每个处理3 次重复。
2019 年和 2020 年的种植面积分别为120 m2和105 m2。在种植期间，使用塑料薄膜覆盖于田垄及田垄下方40 cm 深处，防止肥料渗漏到邻近田块。移栽前2 d用旋耕机对试验田进行翻耕，深度为20 cm。分别于2019 年 5 月 18 日和 2020 年 5 月 27 日移栽秧苗，行株距 27 cm×17 cm。在试验中，N∶P2O5∶K2O=2∶1∶2，纯 N 用量180 kg/hm2。氮肥2 次分施，即70% 氮肥作基肥和30% 氮肥作分蘖肥。氮素4 次分施：35%的氮肥作基肥，15%氮肥在分蘖期施用，30%氮肥在抽穗期施用，20%在穗分化期施用[11]。磷肥作基肥一次性施入，用量（P2O5）为90 kg/hm2；
钾肥作基肥和穗肥各50%，用量（K2O）为180 kg/hm2。田间病虫害管理同当地水稻大田生产，且在同一作业日完成。
1.3 测定项目及方法
在种植前3 d 采集土壤样品，按照鲍士旦[12]的方法测定土壤理化性质。
2019 年 9 月 19 日和 2020 年 9 月 26 日，在水稻成熟期收获时对10 丛代表性植株进行采样。植物样品分为叶、茎秆和穗部，然后在105 ℃下杀青1 h，使酶失活，再于75 ℃条件下烘干至恒质量，以获得各部位的干物质量。干燥的样品进行粉碎和过0.5 mm 筛，做好标记保存于自封袋中。
在2019 年及2020 年于水稻穗分化期采集试验田0～40 cm（10、20、30 和 40 cm）深度的土壤样本。样品用装满干冰的冷冻箱保存并快速运到实验室，借助自动分析仪（Model AA3-A001-02E, Bran-Luebbe, Germany）采用0.01 mol/L CaCl2抽提土壤样本中NO3--N和NH4+-N 并测定其浓度。
成熟期每小区取1 m×1 m 面积内的植株用于测定稻谷产量及秸秆产量，按14%标准含水量折算实际产量；
取10 丛代表性水稻植株考种，记录有效穗数、实粒数、秕粒数、粒质量等指标，并计算千粒重和结实率[13]。重复3 次。
同时手工收获稻谷约2 kg，在通风条件下贮藏3个月，然后分成两部分，一部分用于测定籽粒氮含量，另一部分去壳碾磨生产整精米。稻谷及精米样品粉碎后过0.5 mm 筛，然后采用凯氏定氮法[12]测定水稻叶部、茎秆、穗部、籽粒、整精米的氮含量。
1.4 数据处理
采用 Microsoft Excel 2013 和SPSS 23.0 软件进行统计分析，采用LSD 法进行显著性分析（α=0.05），图形采用Origin 9.5 绘制。
2.1 不同处理对水稻地上部干物质量的影响
由表 1 可知，氮肥 4 次分施（C4、P4）及施用 PASP-尿素（P2、P4）均促进了水稻干物质累积。就样品各器官干物质累积量来看，穗干物质量大于茎秆和叶部，其中叶部累积量最低。整株干物质累积量表现为P4＞C4＞P2＞C2＞CK，其中，P4 较 C4 分别显著提高 11.93%（2019年） 和 12.12%（2020 年），P2 较 C2 分别显著增加10.27%（2019 年）、10.34%（2020 年），表明氮肥 4 次分施对水稻干物质累积具有更积极的促进作用，且以施用PASP-尿素的效果更佳。
表1 不同处理对水稻地上部干物质量的影响 （单位：g/丛）
2.2 不同处理对水稻地上部氮含量的影响
由图1 可知，氮肥4 次分施及施用PASP-尿素对水稻氮含量具有较好的促进作用。在各处理中，CK 氮素含量显著低于其他处理。各处理中，植株不同部位的氮素含量均表现为穗＞茎＞叶，其中穗氮素占整株氮素比例的58.61%～64.53%，是水稻植株氮素含量的主要部位。就整株氮含量来看，均以P4 处理最高，分别较其他处理提高 12.97%～54.63%（2019 年） 和 15.72%～62.07%（2020 年），且均表现出 P2＞C2、P4＞C4。可见，氮肥4 次分施或施用PASP-尿素显著促进水稻氮素累积，其中以PASP-尿素4 次分施（P4）效果最佳。
图1 不同处理对水稻地上部氮含量的影响
2.3 不同处理对水稻籽粒和整精米氮含量的影响
由图2 可见，水稻籽粒氮含量表现为CK＜C2＜P2＜C4＜P4，CK 显著小于其他处理，P4 处理显著大于C4处理，2020 年度P2 处理显著大于C2 处理。表明氮肥4次分施和施用PASP-尿素对水稻籽粒氮含量具有一定促进作用。各处理水稻整精米氮含量与籽粒氮含量趋势基本一致。
图2 不同处理对水稻籽粒和精米氮含量的影响
2.4 不同处理对土壤无机氮含量及其分布的影响
从图3 可以看出，PASP-尿素、氮肥施用方式对土壤NO3--N 和NH4+-N 含量及其剖面分布均具有显著影响，两年趋势基本相同。整体而言，土壤剖面NO3--N 和NH4+-N 含量随着土壤深度的增加而减少，CK 在各土壤深度中NO3--N 和NH4+-N 含量皆最小，且随着土深的增加整体缓慢下降；
施肥处理间的差异主要体现在10～20 cm 土层，30 cm 土层各处理趋于一致，40 cm 土层各处理差距小。说明在本研究中，施用PASP 尿素、氮肥分施对深层土壤NO3--N 和NH4+-N 淋洗发生较少。整体来看，P4 处理的NO3--N 和NH4+-N 在10 cm和20 cm 的土层中含量最高，在30 cm 和40 cm 时含量降幅最大，其次为C4 处理。表明氮肥4 次分施对土壤NO3--N 和NH4+-N 淋溶具有较好的阻控效果，且施用PASP-尿素可进一步提升其效果。
图3 不同处理对稻田土壤不同深度NO3--N 和NH4+-N 含量的影响
2.5 不同处理对水稻籽粒产量及产量构成因子的影响
由表2 可知，有效穗数、单穗总粒数、单位面积总粒数、结实率及千粒重等指标不同处理间规律不一，整体而言，以P2、P4 处理较高，CK 较低。在产量表现上，P2、P4 处理要高于 C2、C4 处理，处理间差异显著；
就氮肥施用方式而言，水稻产量均以氮肥4 次分施的处理（P4、C4）显著高于 2 次分施的处理（P2、C2）。各处理产量高低表现为 CK＜C2＜P2＜C4＜P4，其中 C2、C4、P2 和P4 处理 2019 年较 CK 分别提高 19.94%、34.32%、29.42%和 48.07%，2020 年较 CK 分别提高 12.21%、27.71%、25.61%和51.91%。
表2 PASP-尿素和氮肥管理对水稻产量及构成因子的影响
PASP 是一种环境友好、可完全生物降解的氨基酸类聚合物，具有良好的螯合、吸附性能，有助于植物对肥料养分的吸收和释放，因而在农业生产中广泛用作肥料增效剂。研究表明，PASP 可显著提高玉米[14]、小麦[15]、烟草[6]等作物的养分吸收及产量。本研究表明，与CK、C2、P2 处理相比，C4、P4 处理水稻植株各部位的干物质量及氮含量整体表现较高，且穗部的干物质量及氮含量明显高于茎秆和叶部，表明尿素4 次分施有利于水稻生物量累积，且主要促进穗部养分累积。此外，施用PASP-尿素的处理各部位干物质及氮素含量整体高于施用常规尿素的处理，表明PASP 具有良好的促养分吸收及增产效果，该结果与曹本福等[16]研究结论一致。
土壤无机N 主要以NO3--N 和NH4+-N 的形式存在。本研究中，与常规尿素处理（C2、C4）相比，PASP-尿素处理（P2、P4）在表层土壤（0～20 cm）中 NO3--N 和NH4+-N 含量整体较高，在深部土壤（20～40 cm）中NO3--N 和NH4+-N 含量趋于一致，说明PASP-尿素降低了NO3--N 和NH4+-N 含量的向下淋溶。前人研究表明，PASP 可以提高氮肥的利用率，降低土壤中的氮残留和氮损失[16-17]，这可能是因为PASP 水解后羧基、酰胺等基团活化了处于固态的元素，吸附了过量的养分，这些养分被降解后释放出来，抑制了氨挥发、阻止了氮下渗、减少了固定与沉积，从而提升肥效，降低肥料损失[6,18]。
本研究结果表明，施用PASP-尿素及氮肥4 次分施措施均提高了水稻穗、茎、叶的干物质量及其氮含量，降低了土壤NO3--N 和NH4+-N 淋溶，其中PASP-尿素4 次分施的处理（P4）效果最佳，稻谷产量亦最高，2019年较其他处理显著增产10.24%～48.07%，2020 年较其他处理显著增产18.95%～51.91%。研究结果为PASP-尿素在寒地水稻生产上的应用提供了理论依据。
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