高 捷 李思宇 成大宇 張杏雨 顧 希 劉立軍
(揚州大學江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,225009,江蘇揚州)
水稻是我國最重要的糧食作物之一,一半以上的民眾以稻米為主食[1-2]。據(jù)研究[3],至2030年,我國水稻產(chǎn)量需增產(chǎn)20%才能滿足人口增長的需求,且隨著人們生活水平的提高,口感好、品質(zhì)高也成為稻米生產(chǎn)的重點目標之一。施用化學肥料是糧食增產(chǎn)的重要措施之一[4]。中國是世界上第一大化肥生產(chǎn)和消費國[5]。目前我國施用的化肥大多是單質(zhì)速效化肥,肥料有效期較短。我國水稻氮、磷、鉀肥的平均利用率分別為28.3%、13.1%和32.4%,大都遠低于國際水平[6]。過量以及不合理施用導致大部分化學肥料被土壤固定或進入水體和大氣中,從而引發(fā)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和環(huán)境污染等一系列問題[7]。緩控釋肥是一種利用率高、省時省工且對環(huán)境友好的新型肥料[8],可以根據(jù)作物不同生育期需肥特點進行配方設(shè)計和控制釋放,從而達到作物養(yǎng)分供需平衡。較多研究[9-12]均證明緩控釋肥對水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)等方面有顯著影響。本文基于前人的研究成果,圍繞緩控釋肥對水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的影響進行綜述,為水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和養(yǎng)分資源高效利用提供依據(jù)。
通常來說,釋放是指養(yǎng)分由化學物質(zhì)轉(zhuǎn)變成植物可直接吸收利用的有效形態(tài)的過程,例如溶解、水解和降解等[13]。從廣義上來說,緩控釋肥正是基于“釋放”的原理使化學肥料在施用后可以根據(jù)植物的生長發(fā)育緩慢釋放或控制釋放來滿足植物生長所需養(yǎng)分[14]。但是從狹義上來說,“緩”和“控”又有不同的定義。緩釋肥(slow release fertilizer,SRF)是指在生物或化學作用下使施入土壤中的肥料轉(zhuǎn)變?yōu)橹参镉行B(tài)養(yǎng)分的速率遠低于速溶性肥料的一種化學肥料。但是其釋放時間和速率等不能得到很好的控制,受環(huán)境影響較大[15]。控釋肥(controlled release fertilizer,CRF)是指采用對生物和化學作用不敏感的薄膜材料并輔以各種調(diào)節(jié)機制使養(yǎng)分按照設(shè)定的時間和速率釋放,從而配合作物養(yǎng)分吸收規(guī)律的化學肥料[16]。緩控釋肥的釋放可以用擴散原理解釋[17-18],即在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用緩控釋肥后,水分子不斷通過包膜層滲透進入肥料顆粒內(nèi)核,并溶解內(nèi)部養(yǎng)分,在包膜內(nèi)外兩側(cè)形成一定的濃度梯度,包膜內(nèi)側(cè)肥料養(yǎng)分則在滲透壓的作用下不斷釋放出來,提供給農(nóng)作物。緩控釋肥的養(yǎng)分釋放特征除了與自身特性直接相關(guān)外,還受土壤特性、溫度和光照等因素的影響[19-20]。當溫度升高時,植物生長加快,緩控釋肥釋放速度也隨之加快;反之,當溫度降低時,植物生長變慢或休眠,釋放速度變慢或停止[21]。常規(guī)化肥養(yǎng)分釋放迅速,可能造成燒根燒苗,而緩控釋肥在一定程度上優(yōu)于常規(guī)肥料。
目前,比較普遍的分類方式是將緩控釋肥分為物理型和化學型[22-24]。常見的緩控釋肥種類及其所屬類型與特性見表1。物理型緩控釋肥是指通過一定的物理技術(shù)措施減緩肥料養(yǎng)分的釋放速度,以達到緩控的目的,具體可分為包膜型緩控肥(有機聚合物包膜肥料和無機材料包膜肥料)和基質(zhì)型緩控肥(營養(yǎng)吸附型和擴散控制型)。在水稻生產(chǎn)過程中較為常用的物理型緩控釋肥有樹脂包衣肥料和硫包衣肥料等?;瘜W型緩控釋肥的養(yǎng)分釋放機理較物理型緩控釋肥復雜,主要是通過化學作用使得肥料溶解或養(yǎng)分轉(zhuǎn)化受到抑制,從而達到緩控釋放的目的,具體可分為化學結(jié)合型和化學抑制型緩控釋肥,其中脲甲醛、長效碳酸氫銨和長效緩釋尿素等緩控釋肥在水稻生產(chǎn)中應用范圍較廣。
表1 常見緩控釋肥類型及特性Table 1 Types and characteristics of common slow/controlled release fertilizer
水稻的產(chǎn)量除受品種自身遺傳因素控制外,施肥量和施肥方式等栽培措施均對其有較大的影響[25]。大量研究表明,緩控釋肥施用量、施肥方式及其組配對水稻產(chǎn)量形成造成諸多影響。
2.1.1 緩控釋肥施用量對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響 黃思怡等[26]研究表明,與常規(guī)施肥處理相比,緩控釋肥在氮肥減量10%~20%條件下,仍可保證水稻增產(chǎn)4.7%,與前人[27-28]通過減少緩控釋氮肥施用獲得水稻高產(chǎn)的結(jié)果基本一致。但緩控釋肥減量過多也會造成減產(chǎn)。曾建華等[29]研究表明,緩控釋肥氮肥減量10%能夠保證水稻產(chǎn)量,但減量20%時明顯減產(chǎn)。劉紅江等[30]研究發(fā)現(xiàn),在緩控釋氮肥減量18.2%條件下,水稻產(chǎn)量顯著降低,這可能與氮肥減量幅度相對較大有關(guān)。通過添加脲酶抑制劑以及施用脲醛尿素和草酰胺能夠顯著提高水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù),保證高產(chǎn)。其原因可能是脲酶抑制劑減緩了緩控釋氮肥的水解速度,減輕了其集中形成銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的氣態(tài)損失[31],而脲醛尿素和草酰胺更適應生態(tài)位的基本特點,養(yǎng)分釋放規(guī)律與水稻養(yǎng)分需求特性基本吻合,在生長關(guān)鍵階段持續(xù)提供營養(yǎng)物質(zhì),促進水稻的生長發(fā)育,形成水稻高產(chǎn)。緩控釋肥肥效期長,能夠提高肥料利用率,在保證水稻產(chǎn)量的基礎(chǔ)上減少施肥量和施肥次數(shù),省工省力。
2.1.2 緩控釋肥類型與施肥方式對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響 不同緩控釋肥類型與施用方式對水稻產(chǎn)量具有顯著影響。有研究[32]發(fā)現(xiàn),在撒施條件下,硫包衣尿素與樹脂包衣尿素養(yǎng)分的釋放難以滿足水稻全生育期對氮素的需求,使穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重較常規(guī)施肥處理明顯降低,造成減產(chǎn)。Hou等[33]分析了直播稻和移栽種植下緩控釋肥對水稻產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)在2種種植方式下施用硫包膜緩釋肥的產(chǎn)量均較常規(guī)施肥略有降低。其認為硫包衣尿素在水稻生育前期的養(yǎng)分釋放量較多,但此時水稻需肥量不大,造成了嚴重的氮素流失,導致緩控釋肥在水稻生育后期不能提供足夠的養(yǎng)分,降低了水稻的干物質(zhì)積累量。因此,劉海東等[34]認為深施緩控釋肥能夠調(diào)控其釋放速率,達到增產(chǎn)。何榮川[32]認為,與撒施相比,硫包衣尿素在側(cè)深施肥方式下可增產(chǎn)22.86%,而樹脂包衣尿素在側(cè)深施肥方式下增產(chǎn)幅度不明顯,其原因是樹脂包衣尿素處理下所形成的莖蘗以晚發(fā)的弱小莖蘗為主,雖提高了水稻抽穗期葉面積指數(shù),但高效葉面積明顯降低,導致增穗不增產(chǎn)。金樹權(quán)等[35]研究發(fā)現(xiàn),在相同施氮量條件下,采用側(cè)深施緩控釋肥的方式較撒施產(chǎn)量提高了2.7%~3.5%。劉海東等[34]報道,施肥深度達8cm的處理有較高的灌漿期莖葉氮素表觀轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移率,為水稻增產(chǎn)提供了保障,而施肥深度4cm雖有利于水稻前期氮素吸收,但在生育后期呈現(xiàn)氮素供應不足的現(xiàn)象,造成減產(chǎn)。綜上,不同的肥料包膜類型與施肥深度對緩控釋肥的釋放速率具有明顯影響,進而造成了不同研究結(jié)果的差異。因此,有關(guān)不同類型的緩控釋肥及其對應的施用模式與水稻產(chǎn)量的相關(guān)性還需進一步深入研究。
2.1.3 緩控釋肥組配對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響前人[36-37]試驗證明,在一次性基施條件下,緩控釋肥具有顯著的促蘗增穗效應,可減少無效分蘗,提高成穗率,同時穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重較同等施氮量的速效肥料均有顯著提高。金丹丹等[38]報道,化學抑制型緩控釋肥主要通過在水稻分蘗末期起保蘗增穗的作用,形成了較多的有效穗數(shù),利于高產(chǎn);基質(zhì)型緩控釋肥則依靠提高穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重維持產(chǎn)量,補償了有效穗數(shù)的不足,達到增產(chǎn)。上述結(jié)果表明,緩控釋肥對水稻具有較好的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效果。但分蘗期和孕穗期是水稻的吸氮高峰期,而緩控釋肥供氮曲線并不能完全協(xié)同滿足水稻的吸氮曲線,也可能造成水稻后期生長潛力不足,對水稻有減產(chǎn)風險。因此,有學者提出可通過緩控釋肥配施尿素彌補供氮量不足的缺點來保證產(chǎn)量。
符建榮[39]和李敏等[40]研究認為,緩控釋肥肥效釋放緩慢,不能滿足水稻前期養(yǎng)分需求,但通過增施尿素處理的產(chǎn)量明顯高于單施緩控釋肥處理。趙蒙等[41]報道單施緩控釋肥處理的實際產(chǎn)量顯著低于常規(guī)施肥處理的產(chǎn)量,減產(chǎn)幅度達20%,而配施尿素處理可提高氮肥利用率,保障水稻產(chǎn)量。邢曉鳴等[42]試驗證明,緩控釋肥與尿素一基一蘗配施在水稻生育前期不僅可促進水稻分蘗發(fā)生,還能促進干物質(zhì)轉(zhuǎn)化,提高群體生長速率。但魏海燕等[43]研究發(fā)現(xiàn),緩控釋氮肥配施尿素雖然能夠使大穗型品種前期形成較大的群體穎花量,但中后期釋放的氮素難以滿足大群體庫容充實的需求,對比常規(guī)施肥處理未增產(chǎn)。而對于多穗型品種,滿足生育前中期在獲得足夠穗數(shù)的同時,中后期釋放的氮素依舊能滿足其群體庫容充實的需求,進而實現(xiàn)高產(chǎn)。因此,在實際生產(chǎn)中,有必要依據(jù)不同類型水稻的增產(chǎn)原理,調(diào)節(jié)緩控釋肥與尿素的配施模式達到高產(chǎn)。
Li等[44]認為基肥施用尿素時,約有四至七成會通過氮循環(huán)流失,僅有18.7%~24.8%的基肥被水稻植株吸收。彭玉等[45]報道在稻田施用緩控釋肥可明顯提高水稻生育中后期的植株吸氮量占總吸氮量的比例,保證水稻產(chǎn)量形成關(guān)鍵時期的養(yǎng)分供應,達到增產(chǎn)增效的目的。羅蘭芳等[46]將緩控釋肥增產(chǎn)的原因解釋為其氮素的釋放曲線滿足了水稻后期的需氮規(guī)律,提高了齊穗期和乳熟期功能葉和籽粒中氮代謝關(guān)鍵酶及蛋白質(zhì)水解酶活性,為籽粒灌漿充實提供足夠養(yǎng)分。
在一定范圍內(nèi),增加植株高度,提高適宜的葉面積指數(shù),增強葉片的光合速率是增源擴庫、協(xié)調(diào)水稻源庫關(guān)系,進而提高水稻產(chǎn)量的重要措施[47-48]。相關(guān)研究表明,施用緩控釋肥后水稻植株高度和莖稈基部粗度均有所增加[19,49],秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量均不斷提高[50]。究其原因,緩控釋肥處理后期養(yǎng)分的持續(xù)均衡供應促進了籽粒灌漿和生育中后期的干物質(zhì)積累,優(yōu)化了水稻群體結(jié)構(gòu),擴大了庫容量,為高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。邢曉鳴等[42]試驗證明,施用緩控釋肥能夠提高水稻各生育期的葉面積指數(shù),尤其是抽穗期的高效和有效葉面積指數(shù)。前人[36,51-53]認為,緩控釋氮肥除增加葉面積外,還能有效協(xié)調(diào)植株碳氮代謝過程,提高灌漿期傷流液中氨基酸—氮輸出強度。同時,其還能提高水稻生育中后期葉片內(nèi)硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶等氮同化酶的活性,進而增加葉片可溶性蛋白含量,延緩水稻后期旗葉葉綠素含量的下降,延緩葉片衰老,使葉片保持較高的光合速率并維持較長的生理功能期,有利于光合物質(zhì)的生產(chǎn)和積累,進一步促進水稻高產(chǎn)的形成。彭玉等[12]和張洪程等[47]研究發(fā)現(xiàn),緩控釋肥中緩慢釋放的養(yǎng)分有利于增加水稻深層土壤中的根系數(shù)量,擴大根系攝取養(yǎng)分范圍,還可使水稻齊穗后的根系活力維持在相對較高的水平,促進根系對氮、磷、鉀等養(yǎng)分的吸收,保證根系為穎花的形成及灌漿提供充足的養(yǎng)分,對產(chǎn)量形成有積極作用。
綜上所述,緩控釋肥可以滿足水稻全生育期生長發(fā)育對養(yǎng)分的需要,促進中后期水稻干物質(zhì)積累,提高源庫轉(zhuǎn)換率,從而提高產(chǎn)量。施用緩控釋肥還有利于簡化操作,提高水稻氮肥利用率、減少環(huán)境污染。通過優(yōu)化栽培模式,依據(jù)水稻品種類型,將緩控釋肥與常規(guī)氮肥按一基一蘗或一基一穗方式進行配施,達到增產(chǎn)目的。
稻米品質(zhì)是一個綜合性狀,包括加工、外觀、蒸煮食味、營養(yǎng)及衛(wèi)生品質(zhì)等方面的多項指標[54]。在諸多栽培措施中,肥料是影響水稻籽粒灌漿的重要因素[55],而水稻籽粒灌漿與稻米品質(zhì)形成關(guān)系密切[56]。大量研究表明,緩控釋肥對稻米品質(zhì)有著顯著影響。
常規(guī)栽培措施偏施化肥,尤其偏施氮肥易導致水稻長勢過旺,影響籽粒灌漿,不利于稻米品質(zhì)的提高[57]。李武等[58]研究發(fā)現(xiàn),緩控釋氮肥處理較常規(guī)施肥處理能顯著提高精米率和整精米率,有效提高稻米加工品質(zhì),且能在一定程度上降低堊白度和堊白粒率,提高稻米外觀品質(zhì)。灌漿期灌漿速率較為平穩(wěn)則堊白通常較小,灌漿速率“大起大落”則堊白較多[59]。緩控釋肥養(yǎng)分供給速率基本與水稻生長發(fā)育的養(yǎng)分需求同步,能滿足水稻各階段養(yǎng)分需求,促進籽粒胚乳細胞的發(fā)育和籽粒的灌漿平穩(wěn),從而改善稻米品質(zhì)[60]。與此相反,有研究[61]發(fā)現(xiàn),施用緩控釋肥未能明顯提高稻米加工品質(zhì),同時在一定程度上增加了稻米堊白率和堊白度。但隨著施氮量的增加,稻米的加工品質(zhì)和外觀品質(zhì)明顯改善[62]。造成上述不同結(jié)果的原因可能是較低的緩控釋肥施用量致使水稻生長前期養(yǎng)分釋放量少,導致前期干物質(zhì)積累少,從而影響后期的籽粒灌漿過程,提高堊白粒率及堊白度,降低稻米的外觀品質(zhì)。
蒸煮食味品質(zhì)是稻米在蒸煮和食用時所表現(xiàn)出的理化性質(zhì)和感官特性,通常用直鏈淀粉含量等指標來衡量[63]。有研究[61,64]表明,施用緩控釋肥較施用常規(guī)肥料處理的淀粉總量有所提高,蒸煮食味品質(zhì)下降,但差異不顯著。也有研究[65]報道,施用緩控釋肥可顯著提高直鏈淀粉含量,降低食味品質(zhì)。從施肥方式來說,深施肥有利于提高氮素的吸收利用效率[66],顯著增加稻米蛋白質(zhì)含量[67]。而籽粒中蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量與食味值呈負相關(guān)關(guān)系,其含量越高,食味值越低,蒸煮食味品質(zhì)越低[68]。莫釗文等[65]發(fā)現(xiàn)機械深施緩釋肥提高了籽粒直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量,降低了米質(zhì)黏性和適口性。也有研究[32]認為,與撒施相比,緩控釋肥深施降低了稻米支鏈淀粉含量,提高了各蛋白組分和總蛋白含量,最終降低了稻米蒸煮食味品質(zhì)。隨著施氮量的增加,稻谷蛋白質(zhì)含量增加,食味品質(zhì)呈下降趨勢[69-70],而緩控釋肥深施提高了水稻植株根際養(yǎng)分,延長了氮肥持續(xù)供應時間,進而顯著促進水稻各階段氮肥吸收,最終降低了稻米蒸煮食味品質(zhì)。肥料用量也是決定稻米品質(zhì)優(yōu)劣程度的關(guān)鍵因素之一[71-72]。Lee等[73]研究發(fā)現(xiàn)在緩控釋肥減量20%時,籽粒中蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量均有所下降,在一定程度上改善了食味品質(zhì)。董曉亮等[74]也報道緩控釋氮肥用量減少20%且穗肥不追施任何氮素時可以顯著提高稻米的食味品質(zhì)。在保證水稻穩(wěn)產(chǎn)的同時適量減少緩控釋肥用量,能夠改善稻米品質(zhì),提高經(jīng)濟效益。
氮素是影響籽粒蛋白質(zhì)含量的重要因素[75]。籽粒蛋白質(zhì)含量越高,稻米營養(yǎng)價值越高[76]。相對于速效氮肥,緩控釋肥的養(yǎng)分持續(xù)供應提高了水稻生育后期功能葉蛋白水解酶活性,使蛋白質(zhì)降解徹底,抽穗后氮素向籽粒的運轉(zhuǎn)量多,進而增加籽粒蛋白質(zhì)含量[77-78],改善稻米營養(yǎng)品質(zhì)。一次性基施控釋氮肥對籽粒中氨基酸積累及蛋白質(zhì)合成均有明顯的促進作用[46],使水稻糙米蛋白質(zhì)、復合蛋白和總蛋白質(zhì)含量均顯著高于常規(guī)尿素處理[79]。同時,施用控釋氮肥有利于促進水稻生育后期葉片中蛋白質(zhì)降解,增強籽粒中谷氨酰胺合成酶活性,促進葉片中氮素向籽粒運轉(zhuǎn),同時提高水稻籽粒中的氮素同化能力,使籽粒蛋白質(zhì)含量提高,對稻米營養(yǎng)品質(zhì)的提高具有促進作用[80]。
鎘和鉛等重金屬含量是影響稻米安全衛(wèi)生品質(zhì)的主要因素,當土壤中鎘含量超過4.48mg/kg時,糙米中鎘含量會顯著增加[81]。肥料的施用會影響土壤生態(tài)環(huán)境和水稻根系,致使植株吸收的重金屬量增加[82]。桂云波等[64]研究表明,施用緩控釋肥使稻米中汞、砷和鎘含量顯著增加,降低衛(wèi)生品質(zhì)。測定稻米中鎘等重金屬含量對污染嚴重地區(qū)水稻優(yōu)質(zhì)安全生產(chǎn)有重要意義。
綜上所述,施用緩控釋肥對稻米品質(zhì)的影響較大,在水稻生長發(fā)育過程中養(yǎng)分的持續(xù)供應可保證籽粒灌漿穩(wěn)定,提高稻米中蛋白質(zhì)含量,增加水稻籽粒中各營養(yǎng)成分的積累,一定程度上改善稻米加工、外觀和營養(yǎng)品質(zhì),且通過減少施肥量可提高蒸煮食味品質(zhì)。但減量過多也易造成水稻減產(chǎn),在實際生產(chǎn)應用中需因地制宜,搭配合理的施肥措施,以保證水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。
目前,緩控釋肥在水稻生產(chǎn)中的應用日益增多,前人對于緩控釋肥對水稻產(chǎn)量及稻米品質(zhì)影響的研究已取得階段性成果。未來對緩控釋肥在水稻生產(chǎn)上的應用還需加強以下3個方面的研究。
目前緩控釋肥對稻米品質(zhì)的影響研究仍多停留于稻米品質(zhì)的表觀層面,而對緩控釋肥影響稻米品質(zhì)的內(nèi)在機理,例如對淀粉粒的精細結(jié)構(gòu)、淀粉合成關(guān)鍵酶活性及籽粒中蛋白質(zhì)組分及其合成的相關(guān)酶活性等尚缺乏深入研究。未來需加強該方面的研究,這對進一步深入理解施用緩控釋肥對稻米品質(zhì)的影響及調(diào)控機理具有重要意義。
施用緩控釋肥對水稻生長季土壤氮素形態(tài)及含量的改變會直接影響水稻根系生長及激素和有機酸等代謝產(chǎn)物的分泌。同時,根系的生長發(fā)育及根系分泌物的數(shù)量與組分也會反作用于地上部,影響水稻產(chǎn)量。目前的研究主要集中在緩控釋肥對水稻地上部生長發(fā)育的影響,而少有關(guān)注于緩控釋肥在稻田釋放規(guī)律引起土壤氮素形態(tài)及含量改變從而影響水稻根系生長的研究。因此,有必要進一步加強這方面的研究。
因制備工藝的不同,緩釋肥與控釋肥的養(yǎng)分釋放有一定差異。但目前在研究與生產(chǎn)中少有研究明確區(qū)分緩釋肥與控釋肥對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。此外,2種肥料混施后養(yǎng)分釋放的綜合規(guī)律能否更好地貼合水稻氮素需求規(guī)律尚無深入研究。因此,研究緩釋肥和控釋肥各自的養(yǎng)分釋放曲線及二者混施后對水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的影響及其機理,對水稻高效生產(chǎn)與緩控釋肥的推廣應用具有重要意義。