秸秆还田下氮肥管理对中低产田水稻产量和氮素吸收利用影响的研究

陈海飞， 冯 洋， 徐芳森， 蔡红梅*， 周 卫， 刘 芳， 庞再明， 李登荣

(1 华中农业大学农业部长江中下游耕地保育重点实验室，湖北武汉 430070；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所， 北京 100081； 3 湖北省崇阳县土壤肥料工作站， 湖北崇阳 437500)

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点选择在湖北省咸宁市崇阳县，选择中低产水稻田开展小区试验，2011年实验地点分别位于咸宁市崇阳县白霓镇(114.11°E， 29.54°N)和咸宁市崇阳县路口镇(114.27°E， 29.62°N)；2012年选择试验地点分别位于咸宁市崇阳县农场(114.05°E，29.55°N)和咸宁市崇阳县石城镇(113.44°E， 29.30°N)，分别命名为田块A、 田块B、 田块C和田块D。供试水稻品种为两优培九。在施用氮(N)肥总量180 kg/hm2和干草3000 kg/hm2的条件下， 2011年设置三个基-蘖-穗比例为40-30-30、60-20-20、80-0-20， 2012年增加1个比例为50-20-30，成为4个比例。小区面积20 m2，重复4次，栽插密度为26 cm × 13 cm。磷肥用量(P2O5)90 kg/hm2，钾肥用量(K2O)120 kg/hm2。在移栽15 d时施入分蘖肥，移栽45 d时施入穗肥，磷钾肥和干草均在基肥1次施入。施肥量见表1。

表1 不同氮肥各时期氮肥施用量

实验前采用五点取样法采集土壤样品分析土壤有机质、 全氮、 碱解氮、 速效磷、 速效钾、 机械组成。

1.2 测定项目与方法

叶片SPAD值测定: 在水稻生长分蘖期(分蘖肥施用一星期后)、穗分化期(穗肥施用一星期后)、抽穗期和成熟期均用叶绿素仪(chlorophyll meter，SPAD-502)测定上三叶(功能叶)的相对叶绿素含量，每片叶测定上、中、下部3点，每小区随机选定10株。

表2 土壤基本理化性质

氮素含量测定: 在水稻生长的分蘖期、穗分化期、抽穗期、成熟期，分小区取地上部植株样品5兜，整株烘干称干重(成熟期的分秸秆和籽粒)， 粉碎后经H2SO4-H2O2消煮，过滤后定容至50 mL，采用流动注射分析仪(FIAstar 5000，Sweden)测定地上部和籽粒氮含量。

测产和考种: 成熟期收获时，各小区取样5株考察产量构成因素；分小区收割测产。

生育期各性状的调查: 移栽25 d后取样调查分蘖期，移栽50 d后取样调查穗分化期数据，移栽70 d后取样调查抽穗期，收获前10 d调查成熟期的SPAD值。

2 结果与分析

2.1 不同基-蘖-穗氮肥施用比例对水稻叶片SPAD值的影响

研究结果表明，2011年和2012年不同基-蘖-穗肥施用比例对水稻叶片SPAD值的影响相对一致。在分蘖期，田块A中40-30-30处理下叶片SPAD值显著高于80-0-20、 50-20-30和60-20-30(2012)处理，而田块B处理间没有显著差异。在穗分化期，田块A中40-30-30处理显著高于80-0-20处理，优于50-20-30和60-20-20(2012)处理；在抽穗期，只有在2012年田块C中40-30-30处理显著高于60-20-20处理；在成熟期， 2011年两田块中40-30-30处理都显著优于80-0-20处理(表3，P<0.05)。 由此可见， 基-蘖-穗肥均匀施用对水稻抽穗期后保持叶色，促进叶片光合作用有一定影响，在水稻生育前期集中施用基-蘖肥在叶片SPAD值上并没有明显优势。

表3 不同基-蘖-穗氮肥比例下叶片不同生育期SPAD值

2.2 不同基-蘖-穗氮肥施用比例对水稻产量及产量构成因素的影响

在2011和2012年两年试验中，基-蘖-穗氮肥配比为40-30-30处理下的水稻产量最高，田块A与田块B中分别比80-0-20处理高15.9%和8.6%；田块C和田块D中比60-20-20处理的产量高6.7%和5.5%。这说明单纯重视基肥而忽略穗肥在水稻生产实践中并不能获得最高产量。从产量构成因素上来看，2011年田块A中40-30-30处理下每穗粒数最高，与80-0-20处理相比达到了显著差异；2012年各处理间产量构成因素之间没有明显优势，结实率和每平方米穗数之间在各处理之间差异不显著(表4，P>0.05)。比较2012年田块C和田块D每平方米穗数与粒数，结果显示二者之间恰好相反，田块D的每平米穗数明显大于田块C，而田块C的穗粒数又高于田块D。

表4 不同基-蘖-穗氮肥施用比例下的水稻产量及其构成因素

2.3 不同基-蘖-穗氮肥施用比例对水稻地上部氮含量的影响

比较不同时期水稻地上部氮含量发现，氮含量在分蘖期最高随后逐渐降低，成熟期叶片氮含量最低，除在抽穗期时与SPAD值相反外，这一趋势与SPAD值大致相同(图1)。各处理间氮含量差异并不大，田块A中40-30-30处理在穗分化期和成熟期都显著高于80-0-20处理，田块B中只有在穗分化期氮含量显著高于80-20-20处理(图1，P<0.05)，其他时期处理间没有显著差异。2012年将80-0-20优化为50-20-30后，田块C在分蘖期和穗分化期40-30-30与60-20-20、 50-20-30处理均达到了显著差异(图1，P<0.05)，而田块D各处理间氮含量没有显著差异。这些结果与SPAD值所反映情况相吻合，不施分蘖肥的80-0-20处理氮含量在几个主要时期都较低，而基-蘖-穗肥比例为40-30-30处理下氮含量相对较高。

图1 不同基-蘖-穗肥施用比例下水稻地上部氮含量Fig.1 The N concentrations of shoot under different fertilization methods

2.4 不同基-蘖-穗氮肥施用比例对水稻地上部氮累积量及利用率的影响

与氮含量变化规律相反，水稻植株氮累积量随着生育期增加，其中变化最快的时期是从分蘖期到穗分化期。在田块A与田块C中，前期的氮积累速率明显低于田块B和田块D，穗分化期以后仍然有大量的氮素吸收累积到水稻体内；抽穗灌浆后水稻地上部总氮量趋于稳定(表4)。氮素累积主要在抽穗以前，而灌浆后水稻氮素积累较少，水稻生育后期地上部存在氨挥发的现象，因此成熟期的氮累积量会低于抽穗期或者基本无差别。在分蘖期，2012年田块C中40-30-30处理下水稻地上部氮累积量显著高于其他两个处理；在穗分化期，2011年田块A中40-30-30处理下水稻地上部氮累积量显著高于80-0-20处理；在抽穗期，所有田块两年试验中均是40-30-30处理下水稻地上部氮积累量最高；在成熟期，水稻地上部总氮累积量与抽穗期情况基本一致，有的略微减小，2011年田块B与2012年田块D中40-30-30处理氮累积量最高(表4)。比较处理间氮收获指数(NHI)与偏生产力(PFPN)可见，田块B和田块D中的NHI与PFPN要高于田块A和田块C，而所有试验点中40-30-30处理下水稻NHI与PFPN显著高于其他两个处理(表4，P<0.05)，这说明中低产田均匀的基-蘖-穗肥比例对提高氮肥利用率有促进作用。

3 讨论

根据各试验点土壤的物理化学特征(表2)，田块A与田块C中有机质、全氮、碱解氮含量明显高于田块B与田块D，与此同时粉粒含量也高于田块B与田块D。根据机械组成特点初步划分田块A与田块C为粘质土，而田块A与田块C为低洼的渍水田，对氮肥的吸附能力强，虽然总量多，但难以被作物吸收的养分也多，土壤长期处于还原条件，使得土壤品质差，好气型微生物活性受到抑制，有机质分解缓慢，易造成水稻僵苗、烂根等问题[16-17]，不利于根系对养分的吸收。所以田块A与田块C的氮素收获指数(NHI)与氮肥偏生产力(PFPN)低于另外两处试验点，田块A与田块C平均产量较田块D高，这说明对部分中低产田而言，土壤质地、土壤通气性可能是其产量的主要限制因素。 但是基-蘖-穗肥比例为40-30-30处理的氮收获指数(NHI)与氮肥偏生产力(PFPN)都明显高于其他几个处理，基肥比重较少而中后期追施较多，有利于水稻对氮素的吸收。根据表4不同时期地上部氮积累量规律，氮素积累主要在分蘖期以后，所以集中施用基、蘖肥与水稻需肥规律不一致，中低产田中合适的基蘖穗肥比可以减少氮肥的损失。

表5 不同基-蘖-穗氮肥施用比例下的水稻地上部氮累积量及氮利用率

叶片SPAD值可以间接反映水稻体内氮素盈缺，但是并不能准确指示出水稻叶片中的氮素浓度，通过比较表2和图1，在穗分化期叶片SPAD值较高而氮浓度并不高，因此用叶绿素仪指导施肥时需要找出各个水稻生育时期的阈值而不能一概而论[9]。本试验田块A与田块C中偏重基肥或蘖肥处理的水稻SPAD值在分蘖期低于40-30-30处理，这是由于另外3个处理施用蘖肥少或者不施，结合前面分析的两处试验点土壤理化性质特点，氮肥有效性低，因此更加佐证了中低产田氮肥均匀施用具有更大的优势。而基-蘖-穗肥比例均匀的40-30-30处理在生育后期SPAD值较大，这说明增施穗肥减缓了功能叶片的衰老，对水稻后期的同化功能起到促进作用，从而有利于产量的提高[18-19]。

水稻产量与库容量(总颖花数、粒重)密切相关。扩大库容量增产主要是通过保证足够有效穗数，尽可能提高每穗粒数来达到总颖花数增加的目的[17-18]。本试验条件下的产量构成因素中千粒重和结实率处理间变化不显著，说明对产量构成影响的主要是穗数和穗粒数。由于基蘖肥施用间隔时间短，移栽密度小，水稻有足够的空间和养分形成分蘖，因而处理间穗数的差异不大；而穗肥与蘖肥时间间隔较长，适当增加穗肥比例可以壮杆，攻取大穗[20]，所以基-蘖-穗肥比例为40-30-30处理的穗粒数要高于80-0-20和60-20-20处理，最终的产量也是一致的。

水稻在分蘖盛期时含氮量达到最高峰，其后随生育期推移而逐渐下降。含氮量与施氮水平有一定关系，施氮量多时，氮含量相对也大，所以基-蘖-穗肥比例为40-30-30处理的氮含量在分蘖期、穗分化期相对较高。地上部氮含量在各个时期维持在一定的水平，供氮充足时植株生长快，生物量快速增加，氮累积量增大而氮浓度变异不大，这就是为什么处理之间氮含量无差异，但是氮累积量有差异的原因。

4 结论

通过两年试验发现，2011年田块A与田块B中40-30-30处理的水稻产量比80-0-20处理高15.9%和8.6%，在2012年田块C与田块D中比60-20-20处理高6.7%和5.5%。各处理间产量大小关系依次为40-30-30 > 50-20-30 > 60-20-20 > 80-0-20。

优化基-蘖-穗肥比例可以提高氮素收获指数(NHI)与氮肥偏生产力(PFPN)，并且氮素收获指数(NHI)和氮肥偏生产力(PFPN)与土壤机械组成关系密切。

对于部分中低产田，土壤养分含量并不是限制水稻产量提升的关键因素，相反物理性质，环境因子可能是主要的限制因子。

参考文献:

[1] 国家统计局农村社会经济调查司. 中国农村统计年鉴[M]. 北京: 统计出版社, 2011.

National Bureau of Statistic of China. China Statistic Yearbook 2011 [M]. Beijing: China Statistic Press, 2011.

[2] Bockman O C, Olfs H W. Fertilizers, agronomy and N2O[J]. Nutrient Cycle in Agroecosystem, 1998, 52(2-3): 165-170.

[3] 朱兆良. 农田中氮肥的损失与对策[J]. 土壤与环境, 2000, 9(1): 1-6.

Zhu Z L. Loss of fertilizer N from plant-soil system and the strategies and techniques for its reduction[J]. Soil and Environmental Science, 2000, 9(1): 1-6.

[4] 李菊梅, 徐明岗, 秦道珠, 等. 有机无机肥配施对稻田氨挥发和水稻产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2005, 11 (1): 51-56.

Li J M, Xu M G, Qin D Zetal. Effects of chemical fertilizers application combined with manure on ammonia volatilization and rice yield in red paddy soil[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2005, 11(1): 51-561.

[5] Peng S B, Classmen K G, Kropff M J. Relationship between leaf photosynthesis and nitrogen content of field-grown rice in the Tropics[J]. Crop Science, 1995, 35: 1627-1630.

[6] Liu J G, You L Z, Manouchehr Aetal. A high-resolution assessment on global nitrogen flows in cropland[J]. PNAS, 2010, 107, (17): 8035-8040.

[7] Wang G H, Doberman A, Witt Cetal. Performance of site specific nutrient management for irrigated rice in Southeast China[J]. Agronomy Journal, 2001, 93(4): 869-878.

[8] Messina F J, Durham S L. Trade-off between plant growth and defense a comparison of sagebrush population[J]. Oecologia, 2002, 131(1): 43-51.

[9] Cabangon R J, Castillo E G, Tuong T P. ChlorophyⅡ meter-based nitrogen management of rice grown under alternate wetting and drying irrigation[J]. Field Crops Research, 2011, 121(1) : 136-146.

[10] 盛大海. 氮肥后移对寒地水稻群体质量和产量的影响[D]. 哈尔滨: 东北农业大学硕士学位论文, 2008.

Sheng D H. Effects of N application at later stages on population quality and yield of rice in cold area[D]. Harbin: Master's Degree Thesis, Northeast Agricultural University, 2008.

[11] 林忠成, 李土明, 吴福观, 等. 基蘖肥与穗肥比例对双季稻产量和碳氮比的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(2): 269-275.

Lin Z C, Li T M, Wu F Getal. Effects of nitrogen application o n on yield l d a and C/N of double-crop ping rice[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(2): 269-275.

[12] 凌启鸿, 张洪程, 戴其根, 等. 水稻精确定量氮肥研究[J]. 中国农业科学, 2005, 38(12): 2457-2467.

Ling Q H, Zhang H C, Dai Q Getal. Study on precise and quantitative N application in rice[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2005, 38(12): 2457-2467.

[13] 孙永健, 孙圆圆, 李旭毅, 等. 互作对水稻氮磷钾吸收、转运及分配的影响[J]. 作物学报, 2010, 36(4): 655-664.

Sun Y J, Sun Y Y, Li X Yetal. Effects of water-nitrogen interaction on absorption, translocation and distribution of nitrogen, phosphorus, and potassium in Rice[J]. Acta Agronomica Sinica, 2010, 36(4): 655-664.

[14] 王飞, 林诚, 李清华, 等. 长期不同施肥对南方黄泥田水稻籽粒品质性状与土壤肥力因子的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(2): 283-290.

Wang F, Lin C, Li Q Hetal. Effects of long-term fertilization on rice grain qualities and soil fertility factors in yellow paddy yields of southern China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(2): 283-290.

[15] 钟旭华， 彭少兵， John E S, 刘鸿先.水稻群体成穗率与干物质积累动态关系的模拟研究[J]. 中国水稻科学, 2001, 15(2): 107-112.

Zhong X H, Peng S B, John E S, Liu H X. Relationship between productive tiller percentage and biomass accumulation in rice (OryzasativaL.): a simulation approach[J]. Chinese Journal of Rice Science, 2001, 15(2): 107-112.

[16] 柴娟娟, 廖敏, 徐培智, 等. 我国主要低产水稻冷浸田养分障碍因子特征分析[J]. 水土保持学报, 2012, 26(2): 285-288.

Chai J J, Liao M, Xu P Zetal. Feature analysis on nutrient’s restrictive factors of major low productive waterlogged paddy soil in China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(2): 285-288.

[17] 孙中林, 吴金水, 葛体达, 等. 土壤质地和水分对水稻土有机碳矿化的影响[J]. 环境科学，2009，30(1): 215-219.

Sun Z L, Wu J S, Ge T Detal. Effects of soil texture and water content on the mineralization of soil organic carbon in paddy soils[J]. Chinese Journal of Environmental Science, 2009, 30(1): 215-219.

[18] 韩宝吉, 曾祥明, 卓光毅， 等. 氮肥施用措施对湖北中稻产量、品质和氮肥利用率影响的研究[J]. 中国农业科学, 2011, 44: 842-850.

Han B J, Zeng X M, Zhuo G Yetal. Effects of fertilization technology of nitrogen (N) on grain yield, grain quality and N-use efficiency of midseason rice in Hubei Province[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(4): 842-850.

[19] 杨建昌，王朋，刘立军， 等.中籼水稻品种产量与株型演进特征研究[J]. 作物学报, 2006, 32(7): 949-955.

Yang J C, Wang P, Liu L Jetal. Evolution characteristics of grain yield and plant type for mid-season indica rice cultivars[J]. Acta Agronomica Sinica, 2006, 32(7): 949-955.

[20] 吴文革, 张四海, 赵决建, 等. 氮肥运筹模式对双季稻北缘水稻氮素吸收利用及产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2007, 13 (5): 757-764.

Wu W G, Zhang S H, Zhao J Jetal. Nitrogen uptake, utilization and rice yield in the north rimland of double-cropping rice region as affected by different nitrogen management strategies[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13 (5): 757-764.