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甬优系列籼粳杂交稻株高变化对氮素利用率的影响

2019-01-24谌江华孙梅梅柴伟纲姚红燕戴瑶璐张玉屏朱德峰陈若霞

浙江农业学报 2019年1期
关键词:结实率氮素利用率

汪 峰,谌江华,孙梅梅,柴伟纲,姚红燕,戴瑶璐,张玉屏,朱德峰,陈若霞,*

(1.宁波市农业科学研究院 生态环境研究所,浙江 宁波 315040; 2.中国水稻研究所,浙江 杭州 310006)

氮素是植物生长必需的养分元素,农田系统中氮素丰缺直接影响作物的产量和品质[1]。在人口与耕地之间的矛盾依然紧张的条件下,保持适量农田氮肥投入是维护我国粮食安全的重要保障[2-3]。然而,我国化肥(尤其是氮肥)施用量过高,单位面积化肥用量是世界平均水平的3倍[4],导致目前我国主要粮食作物氮肥表观利用率平均仅为34.3%;尽管较2001—2005年提高6.8百分点[5],但比欧美地区低10%~30%。因此,我国氮肥减量增效仍有较大空间。我国水稻总产占粮食总产的43.6%[6],稻田氮肥的过量施用不仅浪费资源和能源,也造成了严重的环境污染[7-8]。因此,在保障水稻产量的基础上充分挖掘和筛选水稻氮高效种质资源,并针对性地优化氮肥管理模式,提高氮肥利用率,减少氮素损失对我国粮食生产意义重大。众多研究者开展了水稻种质资源自身吸收利用氮素的研究,氮高效品种的选育成为近期国内外的研究热点。冯洋等[9]采用大田试验和盆栽试验相结合的方法,对34份我国南方主推水稻品种进行考察,筛选出广两优35为氮高效品种,在低氮胁迫下,能够获得较高的穗数和穗粒数。黄永兰等[10]根据不同水稻品种在2个施氮水平下的产量差异,将45个水稻品种分为双高效型、高氮高效型、低氮高效型和双低效型等4种类型,并发现典型氮高效型水稻品种不论是在低氮还是高氮水平下均表现出氮高效利用特性。研究还发现,氮高效水稻品种根系茎秆形态[11-13]、物质积累与转运[14]、光合生理特性[15]、叶片代谢[16]、产量和氮素利用率[17]等方面与氮低效品种存在较大的差异。在不同氮肥水平上,董桂春等[18]发现,氮高效品种在常氮和高氮条件下其氮肥吸收利用率也大于其他氮效率品种,孙永健等[19]推荐中肥为氮高效品种配套的最优氮磷钾肥施用模式,控制性交替灌溉下的氮肥优化管理模式可实现产量和氮肥利用率的同步提高[20]。彭少兵等[21]认为大面积的杂交稻、超级稻及育种策略是导致中国氮肥利用率低的主要原因之一。

我国于1996年启动了超级稻育种计划,并突出了理想株型构建与籼粳亚种间杂种优势利用相结合的技术途径提高水稻产量[22]。马荣荣团队率先在中国实现了水稻籼粳亚种间杂种优势的生产利用[23-24],选育出了一批高产、优质的甬优系列品种,多个品种相继在长江中下游创造13.5 t·hm-2以上高产纪录[25-26]。2014—2016年,甬优系列杂交水稻年均推广面积分别达到28.7万hm2;其中,浙江省内2014—2016年推广种植面积占全省杂交水稻种植面积比例超过60%。随着种植区域的不断扩大,甬优系列水稻株型也在不断优化,由最初以甬优12和甬优15为代表的大生物量高秆型,到近期大面积推广的矮秆型和中高秆型(甬优538、甬优1540、甬优2640、甬优7850)。目前,国内对甬优籼粳杂交水稻的研究集中在品种特性、超高产栽培等方面,而针对甬优系列水稻氮素利用的研究还仅局限于氮肥对最高生产力的形成影响[27]、植株氮素积累与转运[28-29]等方面,缺乏在植物-土壤系统中全面考察不同甬优系列品种氮素利用规律,特别是甬优系列水稻株高变化对产量和氮素利用影响的研究还未见报道。

本研究选择目前应用推广面积较大的6个甬优水稻品种,分别代表高、中高、矮3种不同株高类型(每个类型2个品种),利用浙东地区的田间小区试验探明了当地常规施肥条件下甬优系列籼粳杂交水稻株高变化对产量和氮素吸收利用的影响,以期为甬优系列籼粳杂交水稻品种定向选育和配套氮素管理提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于浙江省象山县泗洲头镇(121°46.24′E,29°19.10′N),该地区位于浙江省东部沿海,属亚热带季风性湿润气候。年平均气温 16.5 ℃,年平均降雨量为1 463 mm,降雨量季节波动性大,雨季特征明显,约60%的降雨量分布于5月至9月,每年夏秋季节多热带风暴或台风。研究区土壤为长期种植单季水稻的黄泥田,试验开始前土壤表层(0~20 cm)的基本理化性质为:pH 5.76,电导率399 μS·cm-1,有机质23.5 g·kg-1,全氮1.78 g·kg-1,碱解氮115 mg·kg-1,速效磷38.4 mg·kg-1,速效钾381 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验选用3种代表性株高类型的甬优水稻品种,其中高秆型以甬优12和甬优15为代表,矮秆型以甬优538和甬优1540为代表,中高秆型以甬优7850和甬优2640为代表。试验共设2个施肥处理,氮肥施用量分别为0和270 kg·hm-2,分别以N0和N270表示。各处理均施用P2O5120 kg·hm-2和K2O 240 kg·hm-2。氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥为4∶3∶3(质量比)施用,磷肥作基肥一次性用,钾肥作基肥和穗肥各50%施用。试验用氮肥为尿素(N 46%),磷肥为过磷酸钙(P2O516%),钾肥为氯化钾(K2O 60%)。6月7日播种,秧龄25 d人工移栽,栽插株行距30 cm×25 cm,密度为13.3万穴·hm-2。不同品种分批次收获,于11月4日收获结束。试验采取裂区设计,以施肥处理为主区,品种为裂区,裂区面积21 m2,3次重复。主区间做埂隔离,塑料薄膜覆盖埂体,保证单独排灌,其他田间管理按当地常规生产田进行。

1.3 样品采集与测定

土壤样品采集与分析[30]:分别于水稻移栽前和收获后,用不锈钢土钻(2 cm)按“S”形多点采集20 cm耕层土壤,混匀后用四分法留取1 kg左右,装入密封塑料袋中带回实验室。去除石块和根系,部分土样放入4 ℃冰箱,用于硝态氮和铵态氮的测定;另一部分土样风干后研磨装袋,用于其他理化性质分析。土壤pH采用玻璃电极测定,水土比2.5∶1;电导率采用电导法测定,水土比5∶1;有机质采用重铬酸钾容量法测定;全氮采用半微量开氏法测定;速效磷采用Olsen-P法,钼锑抗法比色测定;速效钾用醋酸铵浸提,火焰光度法测定;碱解氮采用扩散法测定;铵态氮和硝态氮用2 mol·L-1KCl溶液浸提,流动分析仪测定。

植株样品采集与分析:在水稻成熟期采集植株样本,每小区采取有代表性水稻4穴,剪去根部,分为叶片、茎鞘和穗部3部分,于105 ℃杀青30 min 后,75 ℃烘干至恒质量,称量并计算地上部干物质质量。样品粉碎过筛后,测定氮、磷、钾养分含量。植物样品分析均采取H2SO4-H2O2消煮,采用凯氏定氮法测定氮素含量。

考种与测产:在成熟期每个小区取20丛记录穗数,根据平均有效穗数,每个处理选4丛,进行每穗粒数、结实率考种。在成熟期小区全部单打单收,测定标准含水量后的产量,并取代表性样品测定千粒重。

1.4 计算公式及统计方法

氮肥当季回收率(N recovery efficiency,%)=(收获期施氮区地上部总吸氮量-收获期不施氮区地上部总吸氮量)/氮肥施用量×100;

氮肥农学效率(N agronomy efficiency,kg·kg-1)=(施氮区水稻产量-不施氮区水稻产量)/氮肥施用量;

氮肥偏生产力(N partial factor productivity,kg·kg-1)=施氮区水稻产量/氮肥施用量;

氮收获指数(N harvest index,%)=成熟期籽粒氮吸收量/植株氮总吸收量×100。

方差分析(ANOVA)和皮尔森相关分析在SPSS 16.0(SPSS Inc., Chicago, Illinois)上完成,差异显著性采用Duncan新复极差法进行检验;文中数据计算和图表制作在Excel 2012中完成。

2 结果与分析

2.1 不同品种水稻产量及其构成因子

多因素方差分析表明:品种与施肥处理对稻谷产量的影响呈极显著水平(表1);水稻品种显著影响株高、穗粒数、结实率和千粒重,而施肥显著影响株高、最大分蘖数、有效穗和结实率,且施肥处理与品种对株高、最大分蘖数、结实率和千粒重的影响均存在显著交互作用。在不同施肥水平下,各品种产量均表现为甬优7850>甬优2640>甬优538>甬优1540、甬优12>甬优15,甬优7850产量显著高于其他水稻品种。相关分析结果表明,水稻产量与最大分蘖数和有效穗呈显著正相关(P<0.05)。

从产量构成因子对施氮水平的响应来看,常规施氮处理相对于无氮处理能显著提高各品种的株高、最大分蘖数和有效穗;然而施氮对于不同品种的穗粒数、结实率和千粒重的影响存在差异,如施氮显著提高了甬优1540的每穗粒数和甬优12的千粒重,而显著降低了甬优7850的每穗粒数和甬优538的千粒重。从不同品种产量构成因子来看,施氮处理中水稻品种甬优15和甬优7850的有效穗最多,显著高于甬优2640;甬优1540每穗粒数最高,显著高于甬优15和甬优7850;甬优7850和甬优2640结实率显著高于其他品种;甬优15和甬优7850千粒重显著高于甬优12、甬优538和甬优1540。无氮处理中,不同水稻品种有效穗无显著差异,甬优12和甬优2640每穗粒数较高,甬优15的千粒重显著高于其他品种;甬优538和甬优7850也有较高的结实率和千粒重。

2.2 不同品种水稻氮肥利用效率

通过计算氮肥当季利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力表征常规施氮条件下不同水稻品种的农田肥料利用效率(图1),甬优12和甬优15的氮肥当季利用率分别达37.4%和36.4%,显著高于其他品种(氮肥当季利用率均小于30%),分别比甬优538提高了94.6%和89.4%。

表1不同处理下水稻产量及其构成因素

Table1Grain yield and its components under different treatments

处理Treatments品种Cultivars株高Plantheight/cm最大分蘖数Maximumtiller number/(×104 hm-2)有效穗Effectivepanicle/(×104 hm-2)每穗粒数Spikeletper panicle结实率Seedsettingrate/%千粒重1000-grainweight/g实测产量Grain yield/(kg·hm-2)N270甬优12 Yongyou 12114 b358 a288 ab305 abc64.9 def18.9 d7564 bc甬优15 Yongyou 15122 a321 b292 a274 cd63.0 ef22.4 a7077 cd甬优538 Yongyou 538103 de329 b280 ab300 abc56.4 g18.8 d8237 b甬优1540 Yongyou 1540104 d313 b272 ab326 a59.5 fg19.9 cd7881 b甬优7850 Yongyou 7850108 c342 ab292 a226 e76.3 b21.7 ab9047 a甬优2640 Yongyou 2640108 c321 b256 b301 abc75.7 b20.7 bc8278 b平均 Average11033128028966.020.48014N0甬优12 Yongyou 12103 de237 cd200 c326 a63.9 def17.4 e6399 de甬优15 Yongyou 15102 ef232 cd212 c245 de65.4 de22.1 a5267 f甬优538 Yongyou 53891 h254 c212 c277 bcd74.2 bc20.6 bc6762 de甬优1540 Yongyou 1540101 f255 c208 c286 bc69.3 cd19.9 cd6333 e甬优7850 Yongyou 7850101 f209 d196 c284 bc83.5 a20.7 bc7896 b甬优2640 Yongyou 264099 g255 c208 c316 ab65.7 de20.2 c7100 cd平均 Average10024020628970.320.16626F值C194.92**1.180.7210.49**22.74**27.58**21.05**F valueF1151.28**187.43**132.48**0.0116.47**1.56102.32**C×F56.92**3.55**1.235.3913.21**4.73**0.64

同列数据后无相同小写字母表示在0.05水平上差异显著。*、**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。C:品种;F:施肥处理;C×F:品种与施肥处理互作。下同。

Values within a column followed without the same lowercase letters are significantly different atP<0.05. *, Significant atP<0.05; **, Significant atP<0.01. C: Cultivar; F: Fertilizer treatment; C×F: Interaction between cultivar and fertilizer. The same as below.

氮肥偏生产力和氮收获指数是在常规施氮条件下计算的。柱上无相同小写字母表示差异显著(P<0.05)。NPFP and NHI were calculated under conventional nitrogen application. Data on the bars marked without the same lowercase letter indicated significant differences among treatments at P<0.05.图1 不同水稻品种对水稻氮肥利用率的影响Fig.1 Effects of different cultivar on nitrogen use efficiency of rice

不同品种氮肥农学效率均未超过10 kg·kg-1,甬优15和甬优1540氮肥农学效率比甬优12、甬优7850和甬优2640平均提高了44.1%,差异达显著性水平。不同氮肥偏生产力趋势表现为甬优7850>甬优2640>甬优538>甬优1540>甬优12>甬优15,甬优12和甬优15的氮肥偏生产力显著低于甬优7850、甬优2640和甬优538。因此,不同品种氮肥当季利用率、氮肥农学利用率和偏生产力趋势不同。由图1还可知,水稻氮收获指数介于48.8%~72.9%,与产量存在显著相关(r=0.81,P<0.05);甬优12氮收获指数在所有品种中最低,表明甬优12品种水稻氮素在秸秆中的比例较高,植株中有较多的氮素成为奢侈吸收。

2.3 不同品种水稻氮素表观平衡

利用在作物—土壤系统中施氮量与作物带走氮量的差值简单计算肥料养分的表观平衡,即不考虑肥料养分挥发和径流等损失,以及沉降和灌水等其他途径带入的养分。结果如图2所示,

在施氮量为270 kg·hm-2时,不同水稻品种均出现氮素盈余,甬优1540、甬优538、甬优15和甬优7850氮盈余量均大于60 kg·hm-2,显著高于甬优2640和甬优12。在无氮处理下,氮素亏缺由高到低品种依次为:甬优12>甬优2640>甬优7850>甬优538>甬优1540>甬优15,表明甬优12水稻品种在低肥条件下有较强的氮吸收能力。在土壤氮素方面,施肥对土壤全氮、碱解氮和硝态氮含量的影响不显著(表2),但显著提高了土壤铵态氮含量。

表2水稻成熟期土壤理化性质

Table2Soil physicochemical properties during rice maturity period

处理TreatmentspH有机质Organic matter/(g·kg-1)全氮Total N/(g·kg-1)碱解氮Available N/(mg·kg-1)硝态氮NO-3-N/(mg·kg-1)铵态氮NH+4-N/(mg·kg-1)速效磷Available P/(mg·kg-1)速效钾Available K/(mg·kg-1)N2705.35*25.51.681610.1312.2**130.3**440N04.5624.11.671910.025.843.4568

3 结论与讨论

利用在浙东地区的田间小区试验研究了当地常规施肥条件下甬优系列籼粳杂交水稻不同株高对产量和氮素吸收利用的影响。结果显示,在常规施氮和无氮条件下中高秆型水稻品种产量(甬优7850和甬优2640)较高,而高秆型品种(甬优12和甬优15)较低,每穗粒数、结实率和千粒重是品种之间产量差异的主要构成因子。高秆型品种由于生物量大、秸秆奢侈吸氮现象严重,其氮收获指数仅为48.8%~54.2%,氮素当季利用率反而高于其他品种。因此,今后的研究和实践中,需要在保证目标产量的前提下,综合考虑土壤肥力和氮素输入输出平衡,通过精准肥水管理、氮高效品种选育、高效栽培等措施提高氮肥利用效率,为指导籼粳杂交水稻氮素管理提供依据。

本研究利用田间小区试验揭示甬优系列籼粳杂交稻不同株高对氮素利用率的影响。结果表明:按当地习惯施肥(施氮量为270 kg·hm-2),甬优籼粳杂交水稻氮肥的氮肥偏生产力为29.7 kg·kg-1,略高于其他地区高氮水平下(>240 kg·hm-2)平均水平(28.4 kg·kg-1);而氮肥的当季利用率和农学利用效率平均分别为27.6%和5.1 kg·kg-1(图1),均低于我国高氮水平下水稻氮肥平均当季利用率(36.1%)和农学利用效率(9.9 kg·kg-1)[5];本研究中由于基础地力较好,水稻基础产量达6.63 t·hm-2(表1),高于全国平均值(5.89 t·hm-2),导致了氮肥的当季利用率和农学利用效率低于全国其他地区。薛亚光等[6]在太湖地区的研究结果表明,该地区杂交粳稻高产栽培方法下氮肥的当季利用率和农学利用率分别仅为29.2%和8.4 kg·kg-1,稻田氮肥利用效率偏低,与本文研究结果较为接近。

水稻吸收利用的氮素主要来源于土壤和肥料,氮肥施用合理与否,不仅要考虑到氮肥的增产效应和氮肥利用率,还应考虑土壤残留无机氮水平。本研究发现,甬优系列籼粳杂交水稻的氮素当季利用率仅为19.2%~37.4%。长期过量施用氮肥会造成土壤氮素的大量盈余[31-32],这些氮素一部分残留于土壤中,为后季作物吸收利用;另一部分氮素通过淋溶、氨挥发和反硝化作用而损失,进入环境并造成农业面源污染[8,33]。本研究结果表明,在常规施氮方式下,所有品种水稻氮素表观盈余量为7.9~79.3 kg·hm-2,相当于氮肥投入量的2.9%~29.4%,氮素表观盈余量相对较低[32],尤其是高秆型甬优12品种,其氮素盈余量仅为7.9 kg·hm-2,氮素输入与氮素输出基本保持平衡。因此,氮肥当季利用率低并不意味着其余部分氮肥全部损失浪费了,还有部分氮可残留于土壤中而被后续作物所利用。Yan等[34]基于全国尺度的研究发现,如果考虑氮肥的残留效应,在1980—2010年,我国氮肥的实际利用率达40%~68%,远高于作物当季利用率。因此,下一步需要通过长期定位试验明确水稻田氮肥残留效应和土壤含氮量的变化趋势,测算氮肥实际利用效率,利用目标产量和氮肥实际利率估算氮肥投入量,从而更好地在水稻生产中指导施肥。

水稻品种优势是发挥水稻高产高效作用的主要贡献因子[20],国内甚至已有同源转基因技术培育氮高效利用转基因水稻的报道[35]。近期大量研究结果已阐明,不同水稻品种在产量和养分利用等方面存在显著的差异[9,10,36]。本研究发现,高秆型的甬优12和甬优15的氮肥当季利用率分别为37.4%和36.4%,显著高于其他矮秆型和中高秆型的水稻品种(图1),该结论可以为当地的氮素管理模式提供一定指导。本研究仅在当地常规施氮水平下进行氮素利用效率比较,而不同的施肥水平下,不同氮素利用效率水稻品种间产量和水稻氮素利用规律的报道较少。董桂春等[18]研究表明,氮高效吸收品种在各种氮肥处理下氮素吸收能力均具有不同程度的优势,常氮、高氮条件下其氮肥吸收利用率也大于其他氮效率品种;而孙永健等[19]研究了施肥水平对不同氮效率水稻氮素利用特征及产量的影响,推荐中肥水平(N 150 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2)为氮高效品种配套的最优氮磷钾肥施用模式。因此,在不同施氮水平上,品种特性的结论也不一致,高肥水平下的氮高效品种有可能在低肥水平下为氮低效品种,我们后续也开展了不同氮素水平下甬优系列籼粳杂交稻氮素利用率的研究。

前期有研究认为,在低氮和高氮水平下均能获得较高产量的水稻品种就是氮高效品种[37],产量构成因素中的结实率、千粒重、生物产量和收获指数高的品种氮利用率高[38]。本研究表明,在常规施氮量和不施氮条件下,中高秆型品种甬优7850和甬优2640的产量最高,而高秆型的甬优12和甬优15产量最低,因此,甬优7850和甬优2640可以归属于氮高效品种,其产量构成的主要贡献来源于较高的每穗粒数、结实率和千粒重(表1),与已有的结果相一致[9]。甬优12和甬优15尽管有较高的有效穗,但结实率等因子制约着产量的提升,因此,应归为氮低效品种。然而,矛盾的是甬优12和甬优15作为氮低效品种其氮素当季利用率显著高于其他品种,与黄永兰等[10]的研究结果不一致,其研究认为氮高效品种具有较高的吸氮量和氮生理利用率,表明本研究中高秆型水稻品种奢侈吸氮现象较为严重,其氮收获指数仅为48.8%~54.2%(图1),氮素在水稻秸秆中所占的比例也较高。作为国内杂交稻高产栽培的主要品种,甬优12和甬优15以较高的生物量受到各方面关注,能否通过优化施肥或其他栽培措施促进氮素向籽粒的运转[39],从而提高水稻氮肥的生理利用率值得进一步研究。总之,在生产实践中,要充分协调好产量和氮肥利用率之间的矛盾,需要在保证较高的目标产量、维持土壤氮肥力、实现土壤氮素输入与输出基本平衡的条件下提高氮肥利用效率,同时避免水稻秸秆对氮素的奢侈吸收[31,40-41]。

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