氮肥后移和栽插规格对华南晚稻产量和氮肥利用率的影响

2022-11-21刘彦卓梁开明潘俊峰黄农荣钟旭华

广东农业科学 2022年9期

刘彦卓，梁开明，潘俊峰，黄农荣，钟旭华

（广东省农业科学院水稻研究所/ 广东省水稻育种新技术重点实验室/ 广东省水稻工程实验室/农业农村部华南优质稻遗传育种重点实验室，广东广州 510640）

【研究意义】水稻是我国最重要的粮食作物之一，年均稻谷产量和消费量均占世界近30%［1］。水稻也是广东最主要的粮食作物，稻谷产量占粮食作物总产量的80%左右［1］。由于高产品种选育和栽培技术的改进，近几十年来稻谷产量大幅增加，然而2035 年前世界水稻总产每年需新增1.2 亿t 才能满足人口不断增长的需求［2］。随着工业化和城镇化的发展，水稻播种面积呈现逐年缩减的趋势，进一步提高水稻单产是保证我国粮食安全的必由之路。我国是世界氮肥消耗大国，氮肥的过量投入以及不合理施用导致了肥料利用率低、种稻效益下降和环境污染等诸多问题［3］。在保障粮食安全前提下，合理降低氮肥用量对水稻生产可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】为提高水稻产量和降低肥料消耗，目前国内外已发展多种水稻栽培技术，如实地养分管理［4］、实时氮肥管理［5］、“三控”施肥［6-8］、精确定量栽培［9］、超级稻“三定”栽培［10］、超级稻强源活库优米栽培［11］等。在氮肥运筹方面，这些技术普遍采用了氮肥后移策略。为降低氮肥投入和减轻环境污染，通常采用了增加种植密度和减少氮肥投入总量等措施［12-17］。通过氮肥减量和后移，这些技术措施一般增产5%～10%，节省氮肥10%～20%，氮肥利用率达到40%左右。【本研究切入点】氮肥后移是水稻优化施肥的发展趋势［18-21］。传统的水稻栽培法中，氮肥主要作为基肥和分蘖肥施用，其施用量占总施氮量的80%以上甚至100%［22］。氮肥后移模式下，基蘖期施用的比例一般在60%～70%之间，穗粒肥为30%～40%，氮肥利用率大幅提高。如“三控”施肥技术，其氮肥的基蘖肥比例约为60%～70%，可少施氮肥20%，增产10%左右［7-8］。该技术已成为广东省农业主推技术和农业部主推技术，在广东、江西和广西等省（自治区）大面积推广应用［23］。在“三控”施肥法的基础上，我们尝试进一步提高穗粒肥比例，将其占比由30%～40%提高至70%，以探讨进一步提高水稻产量和氮肥利用率的可能性。日本曾经在粳稻上通过大幅提高穗粒肥占比而获得增产效果［24-25］。但少见在籼稻上应用的报道。我们报道过氮肥减量后移对籼型常规稻产量和氮肥利用率的影响［26］。本研究以杂交稻为试验材料，并增设种植密度和栽插规格两个因子。【拟解决的关键问题】通过氮肥减量后移、增密和改变栽插规格，进一步提高华南水稻的产量和氮肥利用率，并探讨其机理。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2013 年和2014 年晚稻在广东省农业科学院白云基地进行种植。2013 年供试品种为天优3618，2014 年为聚两优751，均为杂交稻品种。土壤为轻壤土，pH 5.95，有机质22.5 g/kg，全氮1.29 g/kg，全磷0.42 g/kg，全钾8.43 g/kg，碱解氮58.0 mg/kg，有效磷6.49 mg/kg，速效钾47.0 mg/kg。

1.2 试验设计与栽培管理

试验采用随机区组设计，设不施氮肥（T1）、习惯施肥法（对照，T2）、3 个氮肥中度后移处理（T3～T5）和3 个重度氮肥后移并减量处理（T6～T8）），共8 个处理，3 次重复。各处理氮肥施用时间和施用量见表1，所施氮肥为尿素。T2 处理氮肥施用量4 次的比例为3 ∶2 ∶3 ∶2，T3～T5 处理的比例为4 ∶2 ∶3 ∶1，T6～T8 处理的比例为3 ∶3 ∶3 ∶1。T2、T3～T5、T6～T8 处理氮肥基蘖肥与穗粒肥比例分别为10 ∶0、6 ∶4和3 ∶7。T3～T5 处理中，与T3 比较，T4 增施氮肥并改变株行距，T5 加大种植密度。T6～T8 处理间在栽植规格和种植密度上有差异。与T3 比较，T6 处理4 次氮肥施肥比例不同，且氮肥追肥时间进一步后延。T7 与T6 的插植规格不同，T8与T6 的种植密度不同。各处理磷肥和钾肥作为基肥一次性施入，分别施入过磷酸钙（P2O5含量12%）375 kg/hm2和氯化钾（K2O 含量60%）250 kg/hm2。犁耙田后插秧前施入基肥。小区面积24.4 m2，田埂高约20 cm，塑料膜包埋至田面下30 cm 以防止侧渗。

表1 不同处理氮肥施用量和施肥时期Table 1 Amount and time of nitrogen application for various treatments

2013 年于7 月18 日播种，8 月4 日移栽；2014 年于7 月20 日播种，8 月4 日移栽。习惯栽培处理插植密度为21.5 万穴/hm2，其他处理插植密度为25.0 万穴/hm2或30.0 万穴/hm2，每穴1～2 粒谷苗。2013 年和2014 年抽穗期分别为9 月29 日和10 月4 日，抽穗35 d 后收割。水分管理采用中期轻度晒田的方法［27］，其他管理按一般高产栽培要求统一进行。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 茎蘖动态 2013 年移栽后每小区定点调查10 穴的茎蘖数，每周调查1 次。2014 年在分蘖期、穗分化始期和抽穗期，结合取样调查12 穴的茎蘖数。

1.3.2 产量及产量构成成熟期每小区收割5 m2，取100 g 稻谷105℃烘干后测定含水量，换算成含水量为14%的标准产量。每小区取12 穴稻株样品考种，计算每穗粒数、结实率和千粒重。生物产量为地上部的总干物质质量。

1.3.3 叶面积指数和作物生长率分别在水稻分蘖期、穗分化始期和抽穗期取样12 穴，用叶面积仪（LI-3000,Li-Cor）测量叶面积。作物生长率=地上部总干物重的增长量/生长天数。

1.3.4 植株含氮量和氮肥利用率植株样品烘干后用植物粉碎机将样品磨成粉。用硫酸-双氧水消煮后，采用蒸馏滴定法测定全氮含量［28］。氮肥吸收速率为某时期内稻株地上部吸收的总氮量除以期间天数。氮肥利用率计算公式如下：

氮素积累量=含氮量×干物质质量

氮收获指数=籽粒中氮积累量/植株地上部氮积累总量

氮肥吸收利用率=（处理区氮积累总量-无氮区氮积累总量）/施氮量

氮肥农学利用率=（处理区稻谷产量-无氮区稻谷产量）/施氮量

氮肥生理利用率=（处理区稻谷产量-无氮区稻谷产量）/（处理区氮积累总量-无氮区氮积累总量）

氮肥偏肥生产力=稻谷产量/施氮量

1.4 数据处理和统计分析

用Excel 2007 处理数据和制作图表。用Statistix 9.0 进行统计分析，多重比较采用Duncan LSD检验法，两年分别进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 产量及产量构成的表现和分析

由表2 可知，与习惯栽培（T2）相比，T3～T8 各处理水稻产量都增加，两年结果一致。T3～T8 各处理与T2 差异大多达到显著水平，但T3～T8 处理间差异不显著。与T2 比较，2013年和2014 年3 个中度氮肥后移处理（T3～T5）分别显著增产29.7%和15.9%，两年平均增产23.0%；3 个重度氮肥后移处理（T6～T8）分别增产26.4%和18.6%，平均增产23.3%；T6～T8 比T3～T5 分别略低和略高，两年平均持平。

表2 不同处理产量和产量构成Table 2 Grain yields and yield components of various treatments

2013 年和2014 年T3～T8 各处理每公顷穗数比T2 都增加，但差异显著性不稳定。T3～T5 比T2 分别增加15.2%和13.8%，平均增加14.5%；T6～T8 分别增加14.7% 和15.6%，平均增加15.2%；T6～T8 比T3～T5 分别略低和略高，两年平均持平。两年T3～T5 各处理每穗粒数与T2 差异不显著。2013 年T6～T8 各处理与T2 差异不显著；2014 年，T6～T8 处理比T2 显著增加24.4%；两年平均增加12.4%。每公顷总粒数可作为水稻库容的大小指标。2013 年和2014 年T3～T8 各处理库容比T2 都增加，但差异显著性不稳定。T3～T5 处理比T2 分别增加7.6%和19.5%，平均增加13.6%；T6～T8 处理比T2 增加14.9%和显著增加43.7%，平均增加29.3%；T6～T8 处理比T3～T5 处理增加6.7%和显著增加20.3%，平均增加13.5%。

2013 年，T3～T8 各处理结实率比T2 都增加，T3～T5 处理和T6～T8 处理分别相对增加18.5%和13.2%。2014 年，T2～T5 处理间差异不显著，T6～T8 处理比T2 相对下降12.5%。两年均值，T3～T5 处理和T6～T8 处理结实率相对提高9.0%或持平。两年T3～T8 各处理千粒重与T2 差异显著性不稳定。2013 年，千粒重大小顺序为T3～T5＞T2＞T6～T8，但三组间差距很小，约2%。2014 年，千粒重大小顺序为T2＞T3～T5 ＞ T6～T8，T6～T8 处理比T2 显著下降17.4%。

2013 年和2014 年T3～T8 各处理生物学产量比T2 都增加，但差异显著性不稳定。T3～T5 处理分别增加20.3%和9.3%，平均增加14.8%；T6～T8 处理分别增加17.4%和13.6%，平均增加15.5%，T6～T8 处理与T3～T5 处理基本持平。2013 年和2014 年T3～T8 各处理收获指数比T2 都增加，其差异极大部分显著。T3～T5 处理比T2分别相对增加8.3%和6.0%，平均增加7.2%；T6～T8 处理比T2 分别增加8.3%和4.4%，平均增加6.4%。

2.2 茎蘖动态的表现和分析

2013 年8 个处理的茎蘖动态见表3。分蘖中后期（移栽后15～23 d），因为插植密度和规格以及此前氮肥施用量的差异，茎蘖数在各处理间无明显变化规律。穗分化始期（移栽后29 d）因为T2 肥料已全部施用完毕，其茎蘖数最多，此时T2＞T3～T5＞T6～T8。此后T3～T8 各处理逐渐追赶和超越T2 处理。T3～T8 处理在穗分化中期（移栽后43 d）茎蘖数最多，此时T3～T5 ≈T6～T8＞T2，此后各处理都逐步下降。抽穗前（移栽后49 d）T3～T5 ≈T6～T8 ＞T2。

表3 不同处理茎蘖动态变化Table 3 Changes in the number of stems and tillers of various treatments

2014 年，在分蘖中期（移栽后14 d）和穗分化始期（移栽后34 d），T3～T8 各处理茎蘖数与T2 无显著差异。抽穗时（移栽后60 d）T3～T8 茎蘖数比T2 增加，但T3 与T2 无显著差异。T3～T5处理和T6～T8 处理比T2 增加16.2%和46.3%，T6～T8 处理比T3～T5 处理增加25.8%。

2.3 叶面积指数和叶片含氮量的表现和分析

在分蘖中期，T3～T8 各处理叶面积指数与T2无显著差异（表4）。在穗分化始期，T3～T8 各处理茎蘖数＜ T2，但差异显著性不稳定，T3～T5 处理叶面积指数比T2 分别下降10.5%和7.7%，平均下降9.1%；T6～T8 处理比T2 分别下降31.9%和10.8%，平均下降21.4%；T6～T8 处理比T3～T5处理下降20.0%或持平，平均下降9.8%。2013 年抽穗期，T3～T8 各处理大于T2，但差异显著性不稳定；2014 年抽穗期，T3～T8 各处理与T2 无显著差异。2013 年和2014 年T3～T5 处理比T2 分别提高16.2%或持平，平均提高8.5%；T6～T8 处理比T2 分别提高16.0%和7.3%，平均提高11.8%。

表4 不同处理分蘖中期、幼穗分化始期和抽穗期的叶面积指数Table 4 Leaf area index of various treatments at mid-tillering,panicle initiation,and heading stages

在分蘖中期，T3～T8 各处理叶片含氮量低于T2，极大部分差异为显著（表5），T3～T5 处理叶片含氮量比T2 分别下降4.9%和10.1%，平均下降7.5%；T6～T8 处理比T2 分别下降6.5%和9.6%，平均下降8.1%。穗分化始期，差异显著性不稳定，T6～T8 ＞T2＞T3～T5，T3～T5 处理比T2下降11.2%和4.9%，平均下降8.1%；T6～T8处理比T2提高5.7%和21.8%，平均提高13.8%；T6～T8 处理比T3～T5处理提高19.3%和28.0%，平均提高23.7%。抽穗期，差异显著性不稳定，T6～T8＞T3～T5＞T2，T3～T5处理比T2 分别提高16.5%和17.0%，平均提高16.8%；T6～T8 处理比T2 提高17.8%和29.1%，平均提高23.5%；T6～T8 处理比T3～T5 处理提高9.6%和10.3%，平均提高10.0%。

表5 不同处理分蘖中期、幼穗分化始期和抽穗期的叶片含氮量Table 5 Leaf nitrogen contents (g/kg) of various treatments at mid-tillering,panicle initiation and heading stages（g/kg）

2.4 作物生长率的表现和分析

两年从移栽到穗分化始期，T2～T8 各处理间作物生长率差异显著性不稳定（表6），大小顺序为T2 ≥T3～T5 ＞T6～T8，T3～T5 处理作物生长率比T2 分别下降12.3%和持平，平均下降12.1%；T6～T8 处理比T2 下降27.0%和17.5%，平均下降22.3%；T6～T8 处理比T3～T5 处理下降16.4%和17.5%，平均下降17.0%。从穗分化始期到抽穗期，2013 年T2～T8 各处理间差异显著性不稳定，T3～T5 ≈T6～T8 ＞T2，前两者比T2 提高18.5%；2014 年三组间无显著差异；T3～T5 处理和T6～T8 处理两年平均提高9.2%和9.4%。两年从抽穗期到成熟期，T2～T8 各处理间差异显著性不稳定，T6～T8 ≥T3～T5＞T2；T3～T5 处理比T2 分别提高55.1%和65.9%，平均提高60.5%；T6～T8 处理比T2 分别提高55.1%和100.0%，平均提高77.6%；T6～T8 处理比T3～T5 处理持平和提高21.0%，平均提高10.6%。

表6 不同处理主要生长时期的作物生长率Table 6 Crop growth rates of various treatment during major growth periods (kg/hm2·d)

2.5 氮肥吸收动态和氮肥利用率的表现和分析

从移栽到穗分化始期，2013 年T3～T8 各处理吸氮量显著小于T2，2014 年T3～T8 各处理与T2无显著差异（表7）。2013 年和2014 年T3～T5处理吸氮量比T2 分别减少27.3%和11.6%，平均减少19.5%；T6～T8 处理比T2 减少24.2%或增加12.4%，平均减少5.9%；T6～T8 处理比T3～T5 处理持平或增加27.1%，两年平均增加13.7%。两年从穗分化始期到抽穗期，T3～T8 各处理吸氮量都远大于T2，T3～T5 处理比T2 分别增加2.5 倍和43.3%，平均增加146.7%；T6～T8 处理比T2 分别增加3.2 倍和52.1%，平均增加186.0%；T6～T8处理比T3～T5 处理增加20.5%和6.1%，平均增加13.3%。

表7 不同处理主要生长时期的稻株总吸氮量Table 7 Total amounts of nitrogen uptake during two major growth periods (kg/hm2)

T3～T8 各处理氮素吸收总量、氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏肥生产力都显著大于T2（表8）。2013 年和2014 年氮素吸收总量，T3～T5 处理比T2 分别增加33.5%和21.7%，两年平均增加27.6%；T6～T8 处理比T2 分别增加37.0%和44.4%，平均增加40.7%；T6～T8 处理比T3～T5 处理持平或增加18.6%，平均增加9.5%。氮肥吸收利用率两年T3～T5 处理比T2 分别相对提高115.9%和55.8%，平均相对提高85.9%；T6～T8 处理比T2 提高135.5%和112.9%，平均相对提高124.2%；T6～T8 处理比T3～T5 处理分别相对提高9.1%和36.7%，平均相对提高22.9%。氮肥农学利用率两年T3～T5 处理比T2 分别提高142.5% 和55.7%，平均提高99.1%；T6～T8处理比T2 分别提高135.7%和69.2%，平均提高102.5%。氮肥偏肥生产力两年T3～T5 处理比T2 分别提高39.6%和24.5%，平均提高32.1%；T6～T8 处理比T2 分别提高40.7%和31.7%，平均提高36.2%。

表8 不同处理的吸氮量和氮肥利用率Table 8 Nitrogen uptake and nitrogen use efficiency of various treatments

两年T3～T8 各处理氮收获指数都大于T2，但三组处理间差异都较小，相差0.1%～5.7%。除2014 年的T7 处理以外，两年T2～T8 其他处理的氮肥生理利用率都无显著差异。

相关分析结果显示，两年产量和库容与成熟期氮吸收总量间存在极显著正相关，相关系数2013 年分别为0.939 和0.879，2014 年分别为0.914和0.935。

3 讨论

3.1 氮肥减量后移提高了水稻的产量和氮肥利用率

本研究结果表明，中度和重度氮肥后移都可以显著提高杂交稻的产量和氮肥利用率，两者产量增幅接近，与以往的研究结果相一致［12-21,25］。与习惯施肥法相比，在总施氮量减少10%的情况下，两个氮肥减量后移处理的产量和氮肥利用率都得到了大幅提高，但两年间表现略有不同。2014 年早、晚两季，我们还进行了氮肥减量后移对两个常规稻品种产量和氮肥利用率影响的试验，在总施氮量减少20%的情况下，两个氮肥减量后移处理的产量和氮肥利用率都得到了大幅提高，重度氮肥后移可进一步提高产量约5%，但与中度氮肥后移处理的差异不显著［25］。此外，我们同时在广东省韶关市曲江区樟市和马坝镇开展了对比示范，两个氮肥减量后移处理的产量都比习惯施肥法增产10%以上，重度氮肥后移也可进一步提高约产量5%（数据未列出）。可见，在华南双季稻区，氮肥减量后移可以稳定提高杂交稻和常规稻品种的产量及氮肥利用率。在两个氮肥减量后移模式中，中度氮肥后移的穗粒肥占比为30%～40%，重度氮肥后移达到60%～70%。桥川潮［24］的研究表明，重度氮肥后移可以显著提高一季粳稻的产量。我们的研究表明，华南双季稻区也可采用重度氮肥后移模式。在重度氮肥后移模式下，抽穗期叶面积和氮肥含量以及库容都进一步增加，但总体上产量增幅有限或增加不稳定。为了提高水稻的产量和氮肥利用率，通常还采用了增加种植密度和栽插规格等措施，但其效果和表现不完全一致［12-17］。在本试验中，这两种措施的作用都不明显。

3.2 氮肥后移模式水稻生长的特点和增产原理

20 世纪八九十年代，广东省和国内许多稻作区的氮肥运筹侧重于在营养生长期投入大量氮肥，强调生长前期的早生快发。本试验中的习惯栽培法，氮肥全部被作为基蘖肥施入。此模式下，前期生长过旺，导致无效分蘖增加；而穗分化后，植株氮含量下降，导致源库都扩张不足，产量不高。从穗分化始期到抽穗期，稻株根系发达，吸肥能力强，是水稻物质生产的高峰期，此阶段干物质生产的占比可达50%以上。2 个氮肥减量后移模式的穗粒肥占比分别为40%和60%。高比例的穗粒肥正好与稻株的生长高峰期吻合，促进了源与库的扩大。抽穗后仍保持较高的氮含量，进一步保障了籽粒灌浆成熟期的物质生产。重度氮肥后移模式下，这些优势可能得到进一步增强。

氮肥减量后移模式下，水稻的生长表现出两个显著特征：一是作物生长和氮吸收前慢后快。综合茎蘖动态、作物生长率、叶面积指数和植株含氮量的变化，在穗分化前，氮肥减量后移模式下的作物生长总体相对缓慢，幼穗分化后生长速率迅速加快。二是源库同时扩大。与习惯施肥法相比，在总施氮量减少的情况下，2 个氮肥减量后移模式下杂交稻抽穗期叶面积（源大小）两年平均分别增加8.5%和11.8%，叶片含氮量分别提高16.8%和23.5%。库容两年平均分别扩大13.6%和29.3%。常规稻的源库同步扩大幅度更高，且其库容扩大主要以每穗粒数增加为主［25］。本试验中，杂交稻库容扩大主要以增加穗数为主，而每穗粒数变化不大。重度氮肥后移模式下，源库进一步扩大，为进一步实现高产提供了空间，但要设法减轻其负面效应。