缓控释肥对水稻产量与品质影响的研究进展

Research Progress on the Effects of Slow/Controlled Release Fertilizers on Rice Yield and Quality

Gao Jie ,, Li Siyu, Cheng Dayu, Zhang Xingyu, Gu Xi, Liu Lijun ,

Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Jiangsu Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu, China

本文引用格式

高捷, 李思宇, 成大宇, 张杏雨, 顾希, 刘立军. 缓控释肥对水稻产量与品质影响的研究进展. 作物杂志, 2022, 38(3): 20-26 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2022.03.003

Gao Jie, Li Siyu, Cheng Dayu, Zhang Xingyu, Gu Xi, Liu Lijun. Research Progress on the Effects of Slow/Controlled Release Fertilizers on Rice Yield and Quality. Crops, 2022, 38(3): 20-26 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2022.03.003

水稻是我国最重要的粮食作物之一,一半以上的民众以稻米为主食[1-2]。据研究[3],至2030年,我国水稻产量需增产20%才能满足人口增长的需求,且随着人们生活水平的提高,口感好、品质高也成为稻米生产的重点目标之一。施用化学肥料是粮食增产的重要措施之一[4]。中国是世界上第一大化肥生产和消费国[5]。目前我国施用的化肥大多是单质速效化肥,肥料有效期较短。我国水稻氮、磷、钾肥的平均利用率分别为28.3%、13.1%和32.4%,大都远低于国际水平[6]。过量以及不合理施用导致大部分化学肥料被土壤固定或进入水体和大气中,从而引发农产品质量安全和环境污染等一系列问题[7]。缓控释肥是一种利用率高、省时省工且对环境友好的新型肥料[8],可以根据作物不同生育期需肥特点进行配方设计和控制释放,从而达到作物养分供需平衡。较多研究[9⇓⇓-12]均证明缓控释肥对水稻产量和稻米品质等方面有显著影响。本文基于前人的研究成果,围绕缓控释肥对水稻产量和稻米品质的影响进行综述,为水稻高产优质和养分资源高效利用提供依据。

1 缓控释肥概述

1.1 缓控释肥的概念及释放原理

通常来说,释放是指养分由化学物质转变成植物可直接吸收利用的有效形态的过程,例如溶解、水解和降解等[13]。从广义上来说,缓控释肥正是基于“释放”的原理使化学肥料在施用后可以根据植物的生长发育缓慢释放或控制释放来满足植物生长所需养分[14]。但是从狭义上来说,“缓”和“控”又有不同的定义。缓释肥（slow release fertilizer,SRF）是指在生物或化学作用下使施入土壤中的肥料转变为植物有效态养分的速率远低于速溶性肥料的一种化学肥料。但是其释放时间和速率等不能得到很好的控制,受环境影响较大[15]。控释肥（controlled release fertilizer,CRF）是指采用对生物和化学作用不敏感的薄膜材料并辅以各种调节机制使养分按照设定的时间和速率释放,从而配合作物养分吸收规律的化学肥料[16]。缓控释肥的释放可以用扩散原理解释[17-18],即在农业生产中施用缓控释肥后,水分子不断通过包膜层渗透进入肥料颗粒内核,并溶解内部养分,在包膜内外两侧形成一定的浓度梯度,包膜内侧肥料养分则在渗透压的作用下不断释放出来,提供给农作物。缓控释肥的养分释放特征除了与自身特性直接相关外,还受土壤特性、温度和光照等因素的影响[19-20]。当温度升高时,植物生长加快,缓控释肥释放速度也随之加快;反之,当温度降低时,植物生长变慢或休眠,释放速度变慢或停止[21]。常规化肥养分释放迅速,可能造成烧根烧苗,而缓控释肥在一定程度上优于常规肥料。

1.2 缓控释肥的类型

目前,比较普遍的分类方式是将缓控释肥分为物理型和化学型[22⇓-24]。常见的缓控释肥种类及其所属类型与特性见表1。物理型缓控释肥是指通过一定的物理技术措施减缓肥料养分的释放速度,以达到缓控的目的,具体可分为包膜型缓控肥（有机聚合物包膜肥料和无机材料包膜肥料）和基质型缓控肥（营养吸附型和扩散控制型）。在水稻生产过程中较为常用的物理型缓控释肥有树脂包衣肥料和硫包衣肥料等。化学型缓控释肥的养分释放机理较物理型缓控释肥复杂,主要是通过化学作用使得肥料溶解或养分转化受到抑制,从而达到缓控释放的目的,具体可分为化学结合型和化学抑制型缓控释肥,其中脲甲醛、长效碳酸氢铵和长效缓释尿素等缓控释肥在水稻生产中应用范围较广。

表1  常见缓控释肥类型及特性

Table 1  Types and characteristics of common slow/controlled release fertilizer

肥料类型
Fertilizer type代表性肥料
Representative fertilizer作用机理
Mechanism优缺点
Advantage and disadvantage物理型
Physical type物理包膜型
有机聚合物包膜
无机材料包膜物理（膜阻隔）
缓控释效果主要受包膜材料限制
物理基质型
营养吸附型
扩散控制型物理（吸附、限制溶出）
材料多样,工艺制作简单,但养分含量较低
化学型
Chemical type化学结合型
有机氮化合物：脲甲醛、
脲乙醛、异丁叉二脲、化学（化学键分解、断裂）
缓释效果较好,但由于其养分释放速度易受外界环境因素影响,难以控制,控释效果较差 无机氮化合物：金属磷
铵盐、部分酸化磷酸盐化学抑制型脲酶抑制剂化学、生物（微生物活性、酶活性）应用广泛,但易受土壤等环境因素影响硝化抑制剂

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2 缓控释肥对水稻产量的影响及相关机制

水稻的产量除受品种自身遗传因素控制外,施肥量和施肥方式等栽培措施均对其有较大的影响[25]。大量研究表明,缓控释肥施用量、施肥方式及其组配对水稻产量形成造成诸多影响。

2.1 缓控释肥对产量及其构成因素的影响2.1.1 缓控释肥施用量对产量及其构成因素的影响

黄思怡等[26]研究表明,与常规施肥处理相比,缓控释肥在氮肥减量10%~20%条件下,仍可保证水稻增产4.7%,与前人[27-28]通过减少缓控释氮肥施用获得水稻高产的结果基本一致。但缓控释肥减量过多也会造成减产。曾建华等[29]研究表明,缓控释肥氮肥减量10%能够保证水稻产量,但减量20%时明显减产。刘红江等[30]研究发现,在缓控释氮肥减量18.2%条件下,水稻产量显著降低,这可能与氮肥减量幅度相对较大有关。通过添加脲酶抑制剂以及施用脲醛尿素和草酰胺能够显著提高水稻有效穗数和穗粒数,保证高产。其原因可能是脲酶抑制剂减缓了缓控释氮肥的水解速度,减轻了其集中形成铵态氮和硝态氮的气态损失[31],而脲醛尿素和草酰胺更适应生态位的基本特点,养分释放规律与水稻养分需求特性基本吻合,在生长关键阶段持续提供营养物质,促进水稻的生长发育,形成水稻高产。缓控释肥肥效期长,能够提高肥料利用率,在保证水稻产量的基础上减少施肥量和施肥次数,省工省力。

2.1.2 缓控释肥类型与施肥方式对产量及其构成因素的影响

不同缓控释肥类型与施用方式对水稻产量具有显著影响。有研究[32]发现,在撒施条件下,硫包衣尿素与树脂包衣尿素养分的释放难以满足水稻全生育期对氮素的需求,使穗粒数、结实率和千粒重较常规施肥处理明显降低,造成减产。Hou等[33]分析了直播稻和移栽种植下缓控释肥对水稻产量的影响,发现在2种种植方式下施用硫包膜缓释肥的产量均较常规施肥略有降低。其认为硫包衣尿素在水稻生育前期的养分释放量较多,但此时水稻需肥量不大,造成了严重的氮素流失,导致缓控释肥在水稻生育后期不能提供足够的养分,降低了水稻的干物质积累量。因此,刘海东等[34]认为深施缓控释肥能够调控其释放速率,达到增产。何荣川[32]认为,与撒施相比,硫包衣尿素在侧深施肥方式下可增产22.86%,而树脂包衣尿素在侧深施肥方式下增产幅度不明显,其原因是树脂包衣尿素处理下所形成的茎蘖以晚发的弱小茎蘖为主,虽提高了水稻抽穗期叶面积指数,但高效叶面积明显降低,导致增穗不增产。金树权等[35]研究发现,在相同施氮量条件下,采用侧深施缓控释肥的方式较撒施产量提高了2.7%~3.5%。刘海东等[34]报道,施肥深度达8cm的处理有较高的灌浆期茎叶氮素表观转移量和转移率,为水稻增产提供了保障,而施肥深度4cm虽有利于水稻前期氮素吸收,但在生育后期呈现氮素供应不足的现象,造成减产。综上,不同的肥料包膜类型与施肥深度对缓控释肥的释放速率具有明显影响,进而造成了不同研究结果的差异。因此,有关不同类型的缓控释肥及其对应的施用模式与水稻产量的相关性还需进一步深入研究。

2.1.3 缓控释肥组配对产量及其构成因素的影响

前人[36-37]试验证明,在一次性基施条件下,缓控释肥具有显著的促蘖增穗效应,可减少无效分蘖,提高成穗率,同时穗粒数、结实率和千粒重较同等施氮量的速效肥料均有显著提高。金丹丹等[38]报道,化学抑制型缓控释肥主要通过在水稻分蘖末期起保蘖增穗的作用,形成了较多的有效穗数,利于高产;基质型缓控释肥则依靠提高穗粒数、结实率和千粒重维持产量,补偿了有效穗数的不足,达到增产。上述结果表明,缓控释肥对水稻具有较好的增产稳产效果。但分蘖期和孕穗期是水稻的吸氮高峰期,而缓控释肥供氮曲线并不能完全协同满足水稻的吸氮曲线,也可能造成水稻后期生长潜力不足,对水稻有减产风险。因此,有学者提出可通过缓控释肥配施尿素弥补供氮量不足的缺点来保证产量。

符建荣[39]和李敏等[40]研究认为,缓控释肥肥效释放缓慢,不能满足水稻前期养分需求,但通过增施尿素处理的产量明显高于单施缓控释肥处理。赵蒙等[41]报道单施缓控释肥处理的实际产量显著低于常规施肥处理的产量,减产幅度达20%,而配施尿素处理可提高氮肥利用率,保障水稻产量。邢晓鸣等[42]试验证明,缓控释肥与尿素一基一蘖配施在水稻生育前期不仅可促进水稻分蘖发生,还能促进干物质转化,提高群体生长速率。但魏海燕等[43]研究发现,缓控释氮肥配施尿素虽然能够使大穗型品种前期形成较大的群体颖花量,但中后期释放的氮素难以满足大群体库容充实的需求,对比常规施肥处理未增产。而对于多穗型品种,满足生育前中期在获得足够穗数的同时,中后期释放的氮素依旧能满足其群体库容充实的需求,进而实现高产。因此,在实际生产中,有必要依据不同类型水稻的增产原理,调节缓控释肥与尿素的配施模式达到高产。

2.2 缓控释肥影响产量的相关生理机制

Li等[44]认为基肥施用尿素时,约有四至七成会通过氮循环流失,仅有18.7%~24.8%的基肥被水稻植株吸收。彭玉等[45]报道在稻田施用缓控释肥可明显提高水稻生育中后期的植株吸氮量占总吸氮量的比例,保证水稻产量形成关键时期的养分供应,达到增产增效的目的。罗兰芳等[46]将缓控释肥增产的原因解释为其氮素的释放曲线满足了水稻后期的需氮规律,提高了齐穗期和乳熟期功能叶和籽粒中氮代谢关键酶及蛋白质水解酶活性,为籽粒灌浆充实提供足够养分。

在一定范围内,增加植株高度,提高适宜的叶面积指数,增强叶片的光合速率是增源扩库、协调水稻源库关系,进而提高水稻产量的重要措施[47-48]。相关研究表明,施用缓控释肥后水稻植株高度和茎秆基部粗度均有所增加[19,49],秸秆产量和籽粒产量均不断提高[50]。究其原因,缓控释肥处理后期养分的持续均衡供应促进了籽粒灌浆和生育中后期的干物质积累,优化了水稻群体结构,扩大了库容量,为高产奠定了基础。邢晓鸣等[42]试验证明,施用缓控释肥能够提高水稻各生育期的叶面积指数,尤其是抽穗期的高效和有效叶面积指数。前人[36,51⇓-53]认为,缓控释氮肥除增加叶面积外,还能有效协调植株碳氮代谢过程,提高灌浆期伤流液中氨基酸―氮输出强度。同时,其还能提高水稻生育中后期叶片内硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶等氮同化酶的活性,进而增加叶片可溶性蛋白含量,延缓水稻后期旗叶叶绿素含量的下降,延缓叶片衰老,使叶片保持较高的光合速率并维持较长的生理功能期,有利于光合物质的生产和积累,进一步促进水稻高产的形成。彭玉等[12]和张洪程等[47]研究发现,缓控释肥中缓慢释放的养分有利于增加水稻深层土壤中的根系数量,扩大根系摄取养分范围,还可使水稻齐穗后的根系活力维持在相对较高的水平,促进根系对氮、磷、钾等养分的吸收,保证根系为颖花的形成及灌浆提供充足的养分,对产量形成有积极作用。

综上所述,缓控释肥可以满足水稻全生育期生长发育对养分的需要,促进中后期水稻干物质积累,提高源库转换率,从而提高产量。施用缓控释肥还有利于简化操作,提高水稻氮肥利用率、减少环境污染。通过优化栽培模式,依据水稻品种类型,将缓控释肥与常规氮肥按一基一蘖或一基一穗方式进行配施,达到增产目的。

3 缓控释肥对稻米品质的影响

稻米品质是一个综合性状,包括加工、外观、蒸煮食味、营养及卫生品质等方面的多项指标[54]。在诸多栽培措施中,肥料是影响水稻籽粒灌浆的重要因素[55],而水稻籽粒灌浆与稻米品质形成关系密切[56]。大量研究表明,缓控释肥对稻米品质有着显著影响。

3.1 对加工和外观品质的影响

常规栽培措施偏施化肥,尤其偏施氮肥易导致水稻长势过旺,影响籽粒灌浆,不利于稻米品质的提高[57]。李武等[58]研究发现,缓控释氮肥处理较常规施肥处理能显著提高精米率和整精米率,有效提高稻米加工品质,且能在一定程度上降低垩白度和垩白粒率,提高稻米外观品质。灌浆期灌浆速率较为平稳则垩白通常较小,灌浆速率“大起大落”则垩白较多[59]。缓控释肥养分供给速率基本与水稻生长发育的养分需求同步,能满足水稻各阶段养分需求,促进籽粒胚乳细胞的发育和籽粒的灌浆平稳,从而改善稻米品质[60]。与此相反,有研究[61]发现,施用缓控释肥未能明显提高稻米加工品质,同时在一定程度上增加了稻米垩白率和垩白度。但随着施氮量的增加,稻米的加工品质和外观品质明显改善[62]。造成上述不同结果的原因可能是较低的缓控释肥施用量致使水稻生长前期养分释放量少,导致前期干物质积累少,从而影响后期的籽粒灌浆过程,提高垩白粒率及垩白度,降低稻米的外观品质。

3.2 对蒸煮食味品质的影响

蒸煮食味品质是稻米在蒸煮和食用时所表现出的理化性质和感官特性,通常用直链淀粉含量等指标来衡量[63]。有研究[61,64]表明,施用缓控释肥较施用常规肥料处理的淀粉总量有所提高,蒸煮食味品质下降,但差异不显著。也有研究[65]报道,施用缓控释肥可显著提高直链淀粉含量,降低食味品质。从施肥方式来说,深施肥有利于提高氮素的吸收利用效率[66],显著增加稻米蛋白质含量[67]。而籽粒中蛋白质和直链淀粉含量与食味值呈负相关关系,其含量越高,食味值越低,蒸煮食味品质越低[68]。莫钊文等[65]发现机械深施缓释肥提高了籽粒直链淀粉和蛋白质含量,降低了米质黏性和适口性。也有研究[32]认为,与撒施相比,缓控释肥深施降低了稻米支链淀粉含量,提高了各蛋白组分和总蛋白含量,最终降低了稻米蒸煮食味品质。随着施氮量的增加,稻谷蛋白质含量增加,食味品质呈下降趋势[69-70],而缓控释肥深施提高了水稻植株根际养分,延长了氮肥持续供应时间,进而显著促进水稻各阶段氮肥吸收,最终降低了稻米蒸煮食味品质。肥料用量也是决定稻米品质优劣程度的关键因素之一[71-72]。Lee等[73]研究发现在缓控释肥减量20%时,籽粒中蛋白质和直链淀粉含量均有所下降,在一定程度上改善了食味品质。董晓亮等[74]也报道缓控释氮肥用量减少20%且穗肥不追施任何氮素时可以显著提高稻米的食味品质。在保证水稻稳产的同时适量减少缓控释肥用量,能够改善稻米品质,提高经济效益。

3.3 对营养品质的影响

氮素是影响籽粒蛋白质含量的重要因素[75]。籽粒蛋白质含量越高,稻米营养价值越高[76]。相对于速效氮肥,缓控释肥的养分持续供应提高了水稻生育后期功能叶蛋白水解酶活性,使蛋白质降解彻底,抽穗后氮素向籽粒的运转量多,进而增加籽粒蛋白质含量[77-78],改善稻米营养品质。一次性基施控释氮肥对籽粒中氨基酸积累及蛋白质合成均有明显的促进作用[46],使水稻糙米蛋白质、复合蛋白和总蛋白质含量均显著高于常规尿素处理[79]。同时,施用控释氮肥有利于促进水稻生育后期叶片中蛋白质降解,增强籽粒中谷氨酰胺合成酶活性,促进叶片中氮素向籽粒运转,同时提高水稻籽粒中的氮素同化能力,使籽粒蛋白质含量提高,对稻米营养品质的提高具有促进作用[80]。

3.4 对卫生品质的影响

镉和铅等重金属含量是影响稻米安全卫生品质的主要因素,当土壤中镉含量超过4.48mg/kg时,糙米中镉含量会显著增加[81]。肥料的施用会影响土壤生态环境和水稻根系,致使植株吸收的重金属量增加[82]。桂云波等[64]研究表明,施用缓控释肥使稻米中汞、砷和镉含量显著增加,降低卫生品质。测定稻米中镉等重金属含量对污染严重地区水稻优质安全生产有重要意义。

综上所述,施用缓控释肥对稻米品质的影响较大,在水稻生长发育过程中养分的持续供应可保证籽粒灌浆稳定,提高稻米中蛋白质含量,增加水稻籽粒中各营养成分的积累,一定程度上改善稻米加工、外观和营养品质,且通过减少施肥量可提高蒸煮食味品质。但减量过多也易造成水稻减产,在实际生产应用中需因地制宜,搭配合理的施肥措施,以保证水稻高产优质。

4 展望

目前,缓控释肥在水稻生产中的应用日益增多,前人对于缓控释肥对水稻产量及稻米品质影响的研究已取得阶段性成果。未来对缓控释肥在水稻生产上的应用还需加强以下3个方面的研究。

4.1 加强缓控释肥影响稻米品质形成的内在机理研究

目前缓控释肥对稻米品质的影响研究仍多停留于稻米品质的表观层面,而对缓控释肥影响稻米品质的内在机理,例如对淀粉粒的精细结构、淀粉合成关键酶活性及籽粒中蛋白质组分及其合成的相关酶活性等尚缺乏深入研究。未来需加强该方面的研究,这对进一步深入理解施用缓控释肥对稻米品质的影响及调控机理具有重要意义。

4.2 加强缓控释肥稻田释放规律与水稻根系生长关系的研究

施用缓控释肥对水稻生长季土壤氮素形态及含量的改变会直接影响水稻根系生长及激素和有机酸等代谢产物的分泌。同时,根系的生长发育及根系分泌物的数量与组分也会反作用于地上部,影响水稻产量。目前的研究主要集中在缓控释肥对水稻地上部生长发育的影响,而少有关注于缓控释肥在稻田释放规律引起土壤氮素形态及含量改变从而影响水稻根系生长的研究。因此,有必要进一步加强这方面的研究。

4.3 加强缓控释肥两者混施对水稻产量和品质影响的研究

因制备工艺的不同,缓释肥与控释肥的养分释放有一定差异。但目前在研究与生产中少有研究明确区分缓释肥与控释肥对水稻产量和品质的影响。此外,2种肥料混施后养分释放的综合规律能否更好地贴合水稻氮素需求规律尚无深入研究。因此,研究缓释肥和控释肥各自的养分释放曲线及二者混施后对水稻产量和稻米品质的影响及其机理,对水稻高效生产与缓控释肥的推广应用具有重要意义。

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网址: 缓控释肥对水稻产量与品质影响的研究进展 https://www.huajiangbk.com/newsview2348834.html

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