旱作条件下氮肥减施对水稻生长、产量与经济收益的影响

2022-01-06朱勇勇宋秉羲杨王敏张宇鹏高志红陈晓远

生态环境学报 2021年11期

朱勇勇，宋秉羲，杨王敏，张宇鹏, ，高志红, ，陈晓远, *

1. 喀什大学生命与地理科学学院，新疆喀什 844000；2. 喀什大学新疆帕米尔高原生物资源与生态重点实验室，新疆喀什 844000；3. 韶关学院英东生物与农业学院，广东韶关 512005；4. 粤北水土资源高效利用工程技术研究中心，广东韶关 512005

水稻（Oryza sativa）是重要的粮食作物，干旱缺水是影响水稻生产力提高的重要因素，粤北是广东省重要的水稻生产区，也是华南地区重要的制种基地，但粤北水稻，特别是晚稻经常受到季节性和区域性干旱的影响（高志红等，2021）。在传统淹水栽培条件下，80%以上的稻田灌溉水通过地表蒸发及淋失等途径损失，导致水稻水分利用率仅为30%—40%（杨秀霞等，2019）。因此，开展水稻旱作研究，实行节水旱作栽培将是今后粤北水稻生产的重要方向。水稻旱作技术近年来在中国长江流域及东北地区发展较快，研究表明，旱作水稻的需水量仅为传统淹水种植的 1/3，其产量则与常规淹水种植基本持平（朱庆森等，1995），且在适宜的播种期播种有利于籽粒的增长，从而获得高产（白晨阳等，2021）。水稻旱秧在节水灌溉条件下具有明显的分蘖和生长优势，不仅有效穗增多，干物质累积量增加，而且籽粒灌浆速率快，成熟期叶片衰老慢，根系活力强（杨建昌等，2000）。目前水稻旱作在广东的研究报道较少。

氮素是植物生长发育过程中不可或缺的重要营养元素（段娜等，2015），氮肥对粮食生产的贡献达45%左右（Yu et al.，2019）。水稻是消耗氮素最多的农作物之一，但目前中国水稻氮肥施用量普遍偏高，增产效果不佳，据统计，中国水稻单季平均施氮量为 180 kg·hm-2，比世界平均水平高出约75%，氮肥消耗约占世界水稻氮肥总用量的37%（彭少兵等，2002；巨晓棠等，2021）。氮肥过量施用造成资源浪费、环境污染、水体富营养化、土壤肥力下降等一系列生态环境问题（Chen et al.，2011；朱兆良，2003；曹志洪，2003；杨慧等，2014；许莹等，2020）。当过量施用氮肥时，水稻过度吸收氮肥会造成氮肥生理利用率急剧下降（赵宏伟等，2014），造成土壤-作物系统氮素盈余，使土壤质量下降；过量的氮肥和水资源供给还会降低水稻有效分蘖成穗率（邢素丽等，2020），影响水稻籽粒产量。因此，在保障粮食安全的同时，减少氮肥施用已经成为农业生产及生态环境方面一个迫切需要解决的重大问题，近几年来，减氮行动在中国广泛开展（Jin et al.，2018）。王保君等（2019）和袁伟等（2021）研究了秸秆还田和氮肥减量对水稻产量的影响，结果表明，采用适当的秸秆还田配合氮肥减量处理可以提高水稻产量。柳瑞等（2020）探讨了化学氮肥减量配施秸秆生物炭对双季稻生长发育、物质积累及产量的影响，发现施用一定量的稻秆生物炭可以在稳定水稻产量的同时减少化学氮肥施用量，实现水稻氮肥管理的“减量增效”。郭琴波等（2021）也证实氮肥减量配施生物炭可明显提高水稻产量。综合以上分析，当前研究主要集中在常规淹水灌溉条件下氮肥减施对水稻产量的影响，但旱作条件下氮肥减施的研究较少。本研究针对粤北水稻生产中不合理施氮的现状，旨在探索水稻旱作条件下氮肥减施对水稻生长、产量和经济收益的影响，明确氮肥的最佳减施量和生产效益，建立水稻旱作高效施肥技术。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地点

试验品种为美香粘，试验地点设在韶关市始兴县美青农业发展有限公司（坐标 24°56′0″N，114°3′36″E），该区年平均气温 19.6 ℃，年降雨量1468 mm，无霜期310 d，年日照总时数1500—1900 h，属中亚热带湿润季风气候。试验地地势平坦，前茬蔬菜作物为茄子和豇豆，土壤质地为红壤性水稻土，土壤结构为重壤土。土壤基本理化性状见表1。供试化肥为单质肥料，分别为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）、氧化钾（K2O 60%）。

表1 试验地土壤基本理化性状Table 1 Physical and chemical properties of soil in experimental areas

1.2 试验设计

试验设置淹水灌溉（按照当地农民常规淹水方式）和旱作（整个生育期均不进行人为灌溉）2种水分条件，及4种氮素用量水平：当地常规施用量（216 kg·hm-2）、减少 10%施用量（194.4 kg·hm-2）、减少20%施用量（172.8 kg·hm-2）、减少40%施用量（129.6 kg·hm-2），共计5个处理，即CK（淹水灌溉+当地常规氮素用量）、H0（旱作+当地常规氮素用量）、H10（旱作+氮素减施10%）、H20（旱作+氮素减施20%）、H40（旱作+氮素减施40%），每个处理3次重复。具体处理设置见表2。

表2 试验处理Table 2 Treatments of the experiment

试验于2019年5—8月进行，采用随机区组设计方法，小区面积均为7 m×7 m=49 m2。常规淹水施氮处理采用人工插秧方式种植，旱作处理采用机械直播方式种植，旱作处理播种密度参照插秧密度，苗间距为5 cm。5月10日播种，起垄后用塑料薄膜覆盖以阻隔水分交换。8月10日收获。

氮磷钾肥料分3次施用，施用时期和分配比例为：播种后一周施用氮肥总量的36%；播种一个月施用氮肥总量的32%、磷肥总量的63%和钾肥总量的63%；灌浆期施用氮肥总量的32%、磷肥总量的37%和钾肥总量的37%。

试验进行期间，分别在分蘖期、拔节期、抽穗期测定水稻株高、叶面积、分蘖数，成熟时人工收割测产，统计千粒重、单位面积株数、有效穗数，并根据当年稻米、农资价格计算生产收益。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 株高

量取从茎基部到叶顶端的距离。

1.3.2 分蘖数

人工统计各处理水稻植株分蘖数。

1.3.3 叶面积

叶长：量取每片完全展开的绿色叶片的叶枕到叶尖的距离。

叶宽：量取每片完全展开的绿色叶片的最宽处距离。

叶面积：采用叶面积拟合公式进行计算。叶面积（cm2）=长度×宽度×0.78。

1.3.4 产量

水稻成熟时，统计单位面积株数、有效穗数和千粒重，机械收割测产。

1.3.5 经济收益

经济收益计算公式如下：

式中：

E——经济收益；

Y——水稻产量；

P——稻谷单价；

C1——购买肥料费用；

C2——灌溉成本。常规淹水种植处理整个生育期灌溉成本按每公顷3000元计，旱作处理无灌溉成本，种子、农药、人工等成本均不考虑。稻谷按国家收购价每千克2.7元计，尿素按每千克2.6元计，过磷酸钙按每千克1.6元计，氯化钾按每千克3.74元计。

1.4 统计分析

试验数据应用软件 SPSS 22.0和 Microsoft Excel 2019进行整理分析，对各处理间的差异采用LSD法和邓肯法进行0.05水平上的显著性检验。

2 结果与分析

2.1 旱作条件下氮肥减施对水稻生长的影响

2.1.1 对株高的影响

植株高度可以表示作物营养生长的好坏，受水分、养分条件的影响。从图1可知，常规淹水种植水稻（CK）株高最大，旱作条件下不减施氮肥处理（H0）株高次之，H0比CK降低8.43%，差异不显著。旱作条件下氮肥减施10%处理（H10）、20%处理（H20）、40%处理（H40）的株高分别比H0降低2.70%、10.68%、19.92%，H10、H20与H0差异不显著，H40 与H0差异显著（P＜0.05）。由此可见，旱作条件和淹水条件相比，水稻株高差异不显著；在旱作条件下，水稻株高随氮肥减施量的增加而降低，减施40%降低最多，减施10%降低最少。

图1 不同氮肥减施处理对水稻株高的影响Fig. 1 Effects of different nitrogen fertilizer reduction treatments on rice plant height

2.1.2 对叶面积的影响

叶片是冠层的组成部分，其大小是决定作物干物质积累和最终产量的重要因素之一。图2显示，CK的叶面积最大，H0次之，H0比CK降低8.86%，差异不显著。在旱作条件下，H10、H20、H40的叶面积分别比H0降低8.98%、24.70%、30.32%，H10和H20与H0差异不显著，H40与H0差异显著。说明旱作条件和淹水条件相比，水稻叶面积差异不显著；在旱作条件下，氮肥减施会对叶面积的扩展产生一定的抑制作用，随着氮肥减施量的增加，叶面积减小，但减施10%未对叶面积扩展造成显著影响。

图2 不同氮肥减施处理对水稻叶面积的影响Fig. 2 Effects of different nitrogen fertilizer reduction treatments on rice leaf area

2.1.3 对水稻分蘖数的影响

分蘖数可以反映水稻的潜在产量，但无效分蘖太多则不利于产量提高。由图3可知，CK的分蘖数最大，H0次之，H0比CK降低3.30%，差异不显著。在旱作条件下，H10、H20、H40的分蘖数分别比H0降低13.86%、31.02%、51.71%，H10和H20与H0差异不显著，H40与H0差异显著。由此可见，水稻旱作对分蘖数不会产生显著影响，在旱作条件下，氮肥减施会使分蘖数明显减少，减施越多，分蘖数降低越多。

图3 不同氮肥减施处理对水稻分蘖数的影响Fig. 3 Effects of different nitrogen fertilizer reduction treatments on rice tiller number

2.2 旱作条件下氮肥减施对水稻产量及其构成因素的影响

由表3可知，CK的单位面积株数、有效穗数、千粒重和产量均为最大，H0次之，H0分别比CK降低2.47%、2.63%、0.95%和2.38%，差异不显著。在旱作条件下，H10、H20、H40的单位面积株数分别比H0降低6.33%、32.91%、37.97%；H10、H20、H40的有效穗数分别比H0降低29.73%、35.14%、37.84%，H10与H0差异不显著，H20、H40与H0差异显著；H10、H20、H40的千粒重分别比H0降低1.92%、4.30%、7.48%，H10、H20与H0差异不显著，H40与H0差异显著；H10、H20、H40的水稻产量分别比H0降低0.35%、1.05%、4.18%，H10、H20与H0差异不显著，H40与H0差异显著。由此可见，水稻旱作对产量没有产生显著影响。在旱作条件下，虽然氮肥减施使产量减少，但减施10%不会使产量显著降低。

表3 不同氮肥减施处理对水稻产量及其构成因素的影响Table 3 Effects of different nitrogen fertilizer reduction treatments on rice yield and its components

2.3 旱作条件下氮肥施用量与经济收益的关系

经济收益是反映作物投入和产出的重要指标。表4显示，各旱作处理的经济收益均大于CK，在所有处理中，H10最大，H0次之，CK最小，H10比CK提高0.76%。由此可见，水稻旱作的经济收益大于常规淹水种植，其中与常规施氮量相比，减少10%的施氮量处理的经济收益提高，减少20%施氮量和40%施氮量处理的经济收益下降。

表4 不同氮肥减施处理对水稻经济收益的影响Table 4 Effect of different nitrogen fertilizer reduction treatments on economic profits of rice

旱作条件下，施氮量与经济收益的关系符合多项式回归方程（图4）。根据回归方程，氮素用量为203.31 kg·hm-2时，即氮肥减施6%左右，经济收益达到最大值，此后开始下降。因此，在本试验条件下，氮肥减施6%—10%既能节约资源，又能获得较好的经济收益。

图4 水稻旱作条件下施氮量与经济收益的关系Fig. 4 Relationship between nitrogen application amount and economy profits under dry farming conditions of rice

3 讨论

水分是影响水稻生长发育及产量形成的关键因素之一（孙园园，2010）。水稻旱作不仅节省农资减少劳力（蔡康妮等，2021），又能节约大量用水，提高经济收益，具有较好的发展前景（王飞名等，2018）。张岩（2019）通过旱作起垄夹肥技术栽培水稻，水稻千粒重、分蘖率和结实率比常规种植均有所提高，产量增加1.1%。尹钢吉等（2019）研究发现，水稻旱作喷灌、滴灌处理比常规淹水灌溉产量虽有所降低，但作物节水量分别达到 10.99%和17.76%，并且随着旱作技术的成熟，水稻旱作将有很大节水和增产的潜力。在本研究中，在未采取其他配套措施的情况下，旱作条件与常规淹水灌溉条件相比，分蘖数、有效穗数、千粒重和产量分别降低3.3%、2.63%、0.95%和2.38%，差异不显著，与上述研究人员的结果差异不大。另一方面，本研究旱作条件下各处理的灌溉用水均来自大气降水，比淹水条件节水100%，可节约大量水资源。

氮素是影响水稻群体结构和产量形成不可或缺的元素之一，增施氮肥是水稻高产的主要措施。然而，施氮量与水稻的生长和产量并不总是呈线性正相关（高群山等，2015）。在一定的施氮量范围内，产量随施氮量增加而提高，超过施氮量阈值，增加施氮量，产量下降。因此，合理施用氮肥，减少氮肥过量施用成为近年研究的热点课题。王道中等（2012）研究表明，通过优化氮肥施用时期，与农民常规施氮量相比，虽然中高肥力水平土壤上减少30%的氮肥和中低肥力水平土壤减少10%的氮肥处理单位面积有效穗数下降，但水稻结实率、每穗粒数和千粒重明显增加，不会造成水稻显著减产，因此，他建议减氮量的多少必须兼顾土壤肥力水平的高低。李录久等（2013）认为，适当减少氮肥施用量对水稻生长发育和籽粒产量的影响不明显，同时可明显提高氮肥利用效率。王保君等（2019）研究发现，在减氮条件下配合秸秆还田可以使作物产量提高。本研究中，试验土壤有机质含量为 44.50 g·kg-1，属于高肥力土壤，在旱作条件下，与常规施氮量处理相比，减少 10%、20%、40%的施氮量，水稻单位面积株数和有效穗数显著减少；产量分别下降0.35%、1.05%、4.18%，减氮没有引起显著减产，这与王道中的结果近似。本试验中，除减少40%施氮量处理外，减少10%施氮量处理和减少20%施氮量处理的千粒重与常规施氮量处理相比，差异均不显著，与王道中的结果略有差异，其原因可能与试验条件、施肥量、作物品种有关。

有文献报道，中国氮肥用量存在地区间的不平衡性，在某些地区，氮肥平均用量高达 270—300 kg·hm-2，部分田块甚至超过 350 kg·hm-2，在此情况下，由于土壤中氮素含量较高，即使氮肥减量50%，也不会造成水稻产量的明显下降（薛峰等，2009）。王道中等在安徽的试验中，常规施氮量为 165 kg·hm-2，减氮30%不会造成产量显著下降。柳瑞等（2020）在广州的研究表明，土壤有机质 36.36 g·kg-1，常规施氮量为 180 kg·hm-2，减氮 40%配施生物炭可显著增产。张美微等（2021）对夏玉米的研究发现，减施氮肥20%（180 kg·hm-2）可达到高产高效。上述研究结果均为在淹水种植的条件下得出，本试验结果是在旱作减氮的条件下获得，结果显示，氮肥减施40%，即129.6 kg·hm-2时，水稻产量达到常规淹水种植的 93.53%、旱作不减施的95.82%，经济收益比常规淹水种植提高4.36%；氮肥减施10%，即194.4 kg·hm-2，水稻产量达到常规淹水种植的97.28%、旱作不减施的99.65%，经济收益最高，比常规淹水种植提高7.66%。将氮肥减施量与水稻产量的关系进行拟合，两者符合二阶多项式方程，从方程可计算出最佳施氮量为 203.31 kg·hm-2，接近于氮肥减施10%的施氮量。由于本试验是旱作减施，故最佳减施量小于王道中等的减氮量。另一方面，本研究是在稻菜轮作模式下进行，土壤基础肥力较高，因此，虽然没有辅助其他配套措施，仍能获得较好的产量和经济收益。由此可见，减氮量必须考虑区域差异、土壤肥力水平及配套措施等。