氮肥与移栽密度互作对低产田水稻群体结构及产量的影响

陈海飞， 冯 洋， 蔡红梅， 徐芳森*， 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)

水稻是我国重要的粮食作物，水稻生产在保障我国粮食安全中占有极其重要的战略地位。在当前我国耕地面积有限的前提下，提高中低产田产量是我国实现粮食产量稳定或者提高总产的重要途径。目前，有很多关于水稻超高产栽培模式的研究，其中水稻高产群体研究重点已从群体数量转移到群体质量上[1-5]，而“穗数适宜”和“成穗率高”是高产水稻群体的共同特征[3-8]。但是增加穗数不一定增产，甚至有可能减产[7]。因此，合理利用分蘖，达到穗数与粒数的协调发展，是水稻高产栽培的基本环节也是难点所在[5, 12-15]。高产水稻群体的产量，主要取决于抽穗以后的群体物质生产能力，后者与群体成穗率紧密相关[2, 6]。并且水稻合理的群体结构是抽穗后群体高光合生产能力的关键[9, 10]，适宜的叶面积和合理的冠层配置是高光合的基础[2, 9-10]。进入本世纪以来，在理解高产优质群体形成规律和栽培调控机理上，面对“高产、 优质、 高效、 生态、 安全”的综合目标，有专家学者提出了水稻高产精确定量栽培[11]，从播栽期、 培育壮秧、 合理基本苗、 行株距、 施肥、 水分等方面进行水稻栽培技术的精确定量。虽然目前已有很多关于水稻群体指标的研究，但是大多只关注其中一个指标与产量形成的关系，少有研究将氮肥与移栽密度统一起来，研究其互作对水稻田间群体结构的影响。而且，以低产田作为对象研究氮肥与密度互作对水稻群体结构和产量的影响更少。

据2006年湖北省国土资源厅统计， 湖北省中低产田的面积占耕地总面积的71.1%，粮食主产区的基本农田中，中低产田比重为52.56%，达154.01×104公顷。因此，研究湖北省低产田合理施肥及其配套技术，对提高湖北省粮食单产和总产、 提高氮肥利用率、 降低肥料成本、 减少环境风险等具有重要的理论和实践意义。氮肥与移栽密度是影响水稻产量的重要因素，本试验拟通过氮肥与密度的互作试验，探究两个因子对低产田水稻产量及其群体指标的影响，进而得出适合低产田的群体指标，为湖北省中低产田地区提供合理施氮量与移栽密度，优化群体结构和生态效应，提高产量提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

2013年，在湖北省咸宁市崇阳县选择产量水平较低的田块开展小区试验。在试验之前，根据当地农业局划分的高中低产田区域选取几个试验点作为候选，然后实际调查农户往年产量，结合实地气候环境选择试验田。与此同时，取基础土样进行理化性状的分析，测得土壤有机质为17.1 g/kg、 全氮为1.6 g/kg、 碱解氮为159 g/kg、 速效磷(Olsen-P)为11.8 mg/kg、 速效钾为43.1 mg/kg、 pH值为5.8。

试验设置4个施氮量，分别为N0、 135、 180、 225 kg/hm2，用N0、 N135、 N180、 N225表示。设3个栽插密度12×104、 16.5×104、 21×104holes/hm2，分别用D1、D2、D3表示。共12个处理组合。每小区20 m2，小区重复3次，单株栽插，移栽时间为6月5日。

小区磷肥施用量均为P2O590 kg/hm2，钾肥施用量为 K2O 120 kg/hm2。磷钾肥均在基肥一次施入，氮肥按基-蘖-穗肥比例40-30-30施用，在移栽15 d 时施入分蘖肥，移栽45 d时施入穗肥。氮肥采用尿素(含N 46.4%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 测产与考种 水稻成熟期从每个小区随机取5株水稻作为考种材料，调查单株地上部干重、 产量、 穗数，每穗粒数、 结实率和千粒重。然后将每个小区单打单收，田间直接测定产量，取1 kg水稻籽粒样品，烘干后计算含水量，再通过含水量折算出实际产量。

1.2.2 茎蘖动态调查 分蘖期与拔节期每小区取第三行作为动态调查对象；在成熟期，每个小区随机取5株水稻作为调查对象。

1.2.3 灌浆期剑叶叶面积调查 每小区取5株水稻，然后每株随机取5片剑叶共25片测量叶长、 叶宽，并计算叶面积，重复3次。剑叶叶面积指数计算公式根据叶面积公式计算而来，叶面积指数=0.75×叶面积/单位土地面积。

1.2.4 计算方法 收获指数 (HI)=产量/地上部总干重；氮肥农学利用率=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量；氮肥偏生产力=施氮区产量/施氮量；氮肥吸收利用率=(施氮区地上部分吸氮量-不施氮区地上部吸氮量)/施氮量×100%；氮肥生理利用率=(施氮区产量-不施氮区产量)/(施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量)

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2007软件和SPSS 17.0数据处理系统进行数据统计分析。

2 结果

2.1 施氮水平与移栽密度互作对水稻产量及收获指数的影响

经多因素方差分析，施氮水平与移栽密度均对产量有显著影响 (FN=331>F0.01=4.72,FD=86>F0.01=5.61)，且存在交互作用 (FN*D=6>F0.01=3.67)。表1所示，在4个施氮水平下，产量均是随着密度增加而增加，特别是在施氮水平0、 135和180 kg/hm2时，提高密度增产效果明显。比较12个处理的产量结果，密度为21×104holes/hm2施N量为 180 kg/hm2的组合产量最高，达到8220 kg/hm2；其次为同样密度下的N135、 N225，产量分别是8055 kg/hm2、 7965 kg/hm2，但是三者之间无显著差异 (P>0.05)。

同一施氮水平下，地上部干物重与产量都随着密度增大而增大，收获指数 (HI) 则正好相反。在高施氮量、 高密度时收获指数最低，只有27.1%，但施氮量为N 180、 135 kg/hm2时，收获指数随密度提高降幅较小，无显著差异 (P>0.05)。不施氮时，收获指数 (HI) 反而还会升高 (表1)。

表2所示，单独比较施氮量与密度对产量、 地上部干物重、 收获指数的影响，发现除了N225与N180之间无差异外，随着施氮量提高产量也显著提高 (P<0.05)。同时随着移栽密度的增加，产量也显著增加 (P<0.05)。随着施氮水平与移栽密度的提高，除N225与N180之间地上部干物重差异不显著外，其它处理间均显著提高。而收获指数在N180时最高，为41.9%；在不施氮和施氮量为225 kg/hm2时均较低。收获指数随移栽密度增加而显著增大 (P<0.05)。

2.2 施氮水平与移栽密度互作对水稻产量构成因素的影响

比较各处理间的产量构成因素 (表3)，同一施氮水平下，每平方米穗数 (PN) 随着移栽密度增加而增加；施氮水平越高密度越大，PN也越大。每穗粒数 (SPP) 在所有的施氮处理中均没有显著差异 (P<0.05)。结实率(FP)在施氮少或者不施氮的处理中较高，施氮量为225 kg/hm2处理最低，平均只有58%；施氮量为180与135 kg/hm2的处理中，FP都随移栽密度升高而降低，D3

表1 不同氮水平与密度互作条件下水稻地上部干重、 收获指数及增产率

表2 不同氮水平和不同密度条件下水稻产量与收获指数

2.3 施氮水平与移栽密度互作对灌浆期水稻剑叶叶面积指数的影响

经多因素方差分析，施氮水平与移栽密度对剑叶叶面积指数有显著影响 (FN=99>F0.01=4.72,FD=13>F0.01=5.61)，且存在交互作用 (FN*D=6>F0.01=3.67)。不同氮水平与密度对水稻的叶长、 叶宽和叶面积均有显著影响。如表4所示，比较处理间叶长、 叶宽和叶面积发现，在N135D1处理中的叶片长最高，为36.8 cm，N0D3处理的最低，为28.9 cm；各施氮处理除了N135D1、 N1180D1之外，其余处理之间叶长均无显著差异。叶宽在各施氮水平下，均是D3显著小于D1、 D2 (P<0.05)，而且随着施氮量越高，叶宽也相对提高。叶面积除在施N量为180 kg/hm2时，三个密度处理间无差异外，其它施氮水平下，也均是D3显著小于D1和D2 (P<0.05)。叶面积指数 (LAI) 最高的为N225D3，最低的为N0D3；在高氮处理N225和中氮处理N180的情况下，叶面积指数随着移栽密度增加而显著增加 (P<0.05)；低氮处理N135与对照N0时，叶面积指数 (LAI) 是D2>D1>D3，密度大的处理叶面积指数反而小 (表4)。

表3 不同氮水平与密度互作条件下水稻产量及其构成因素

表4 不同氮水平与密度互作条件下的水稻灌浆期剑叶叶长、 叶宽和叶面积

单独分析氮水平与移栽密度对水稻的叶长、 叶宽、 叶面积和叶面积指数的影响。如表5所示，施氮水平对叶长、 叶宽、 叶面积和叶面积指数影响一致，均随施氮量升高而增加，表现为N135>N225>N180>N0。移栽密度对叶片长无显著影响，叶宽与叶面积均随移栽密度增大而减小，但是叶面积指数却随密度提高而增加。

表5 不同氮水平与密度条件下水稻灌浆期剑叶叶长、 叶宽和叶面积

2.4 施氮水平与移栽密度互作对氮肥利用率的影响

经多因素方差分析，施氮水平与移栽密度均对氮肥农学利用率 (FN=30>F0.01=6.01，FD=66>F0.01=6.01)、 偏生产力 (FN=3.6>F0.01,FD=76>F0.01)和氮肥吸收利用率 (FN=9.7>F0.01,FD=38>F0.01) 有显著影响，而氮肥生理利用率 (FN=24>F0.01,FD=1.3F0.01=5.09)、 PFPN(FN*D=18>F0.01)、 NAE (FN*D=5>F0.05)和NPE (FN*D=11>F0.01) 交互作用极显著。

氮肥农学利用率 (NAE)、 偏生产力 (PFPN)、 氮肥吸收利用率 (NRE) 和生理利用率 (NPE) 在各处理中变化趋势一致(表6)，均是N135D3处理最高，NAE、 PFPN、 NRE与NPE分别为30.3 kg/kg、 59.0 kg/kg、 46.8%、 65.6%；NAE最低的是N135D1，为14.9 kg/kg；而PFPN与NRE最低的均是N225D1。在同一施氮水平下，随着密度提高，NAE、 PFPN与NRE均提高，相反氮肥生理利用率 (NPE) 却在施氮量225 kg/hm2时随密度提高而降低。

随着施氮量提高，氮肥农学利用率、 偏生产力、 氮肥吸收利用率与氮肥生理利用率均降低，N135>N180>N225。氮肥农学利用率、 偏生产力和氮肥吸收利用率均随移栽密度的增大而显著增大 (P<0.05)，D3>D2>D1 (表6)，只有氮肥生理利用率基本保持不变。

2.5 产量影响因子之间的相互关系及产量与部分因子之间的回归模型

产量及产量影响因素之间的相关性分析(表7)显示，产量与灌浆期剑叶叶面积指数 (LAI)、 每平方米穗数呈显著正相关，与结实率呈显著负相关 (P<0.05)，其中与每平方米穗数的决定系数 (R2) 达到了0.93。叶面积指数与每平方米穗数也呈显著正相关。而结实率与产量、 LAI、 每平方米穗数均呈显著负相关 (P<0.05)。其他因素之间相关性不显著 (P>0.05)。

如图1，对其中四个因素与产量之间的关系进行线性拟合，经回归分析得出产量与灌浆期剑叶叶面积指数、 成熟期地上部干物重、 每穗粒数及每平米穗数都有极显著的二次线性关系。产量与灌浆期剑叶叶面积指数的一元二次线性回归方程为y=-4777x2+12983x-839，R2=0.691；产量与成熟期地上部干物重的回归方程为y=-3.02E-5x2+1.472x-9314，R2=0.748；产量与每平米穗数的一元二次线性回归方程为y=-0.106x2+71.55x-3842，R2=0.896；产量与每穗粒数的一元二次线性回归方程为y=-13.96x2+5456x-525176，R2=0.925。

表6 不同氮水平与密度下水稻氮肥利用率

表7 产量与产量影响因子的相关性

根据拟合方程计算求得在灌浆期剑叶叶面积指数为1.36时，产量达到最高7982 kg/hm2；在成熟期地上部干重达到24371 kg/hm2时，产量达到最高8623 kg/hm2；在每平米穗数为338时，产量达到最高为8232 kg/hm2；在平均每穗粒数为195时，产量达到最高为7917 kg/hm2。

图1 产量与叶面积指数、 干重、 每穗粒数和每平米穗数的回归曲线Fig.1 The curvilinear regression of yield along with LAI, TAB, SPP and PN

3 讨论

3.1 氮肥施用量与移栽密度对水稻产量及构成因素的影响

在本试验中，不同的氮肥施用量与移栽密度组合对产量均有显著影响，而产量较高的处理分别是N225D3、 N225D2、 N180D3、 N135D3，其中最高的为N180D3。增加施氮量与提高移栽密度都能显著增加水稻产量，因为这两条途径都能极大的提高每平方米穗数，而适当、 足量的基本苗是优质稻高产的基础[12-14], 目前的很多研究都将产量构成因素中的每平方米有效穗数作为影响产量的主要因素[15-18]。特别是在氮肥投入少的时候，提高移栽密度增产效果明显，如本试验中施氮量为135 kg/hm2时。通过提高移栽密度，大大增加了群体茎蘖数量和群体干物质积累量，而抽穗以后的干物质累积量是高产的重要基础[5-6]。但施氮量进一步提高时，在群体数量已经很高的基础上进一步增加移栽密度，不同个体的竞争加剧，使无效分蘖增多，特别是结实率降低 (表3)，从而导致产量不能显著提高。当施氮量从180 kg/hm2增加到225 kg/hm2时，产量从7635 kg变化为7742 kg (表2)，增产不明显。说明在低产田中通过高施氮量增产效果不佳；而在中低氮水平下，通过提高移栽密度增产是可行的方法。

我们经过分析发现，产量随着粒数增加先上升后下降(图1)呈现驼峰型，而产量与每平方米穗数的关系在数据范围内平缓上升。这是因为每平方米穗数与粒数一直是相互制约的两个因素，本试验中也发现穗数高的处理粒数往往较低，二者很难兼顾。在本试验中，每平方米穗数才是影响产量的主要因素。

3.2 群体指标之间的相互关系及对产量的影响

地上部干重和有效穗数随着施氮量、 与移栽密度提高而增加，产量也随之增加。但是收获指数 (HI) 在施氮量为N180与N135高于N225和N0 (P<0.05)。这是因为一定范围内增加施氮量，可以促进水稻生长，增加库容。当施氮量继续增加时，干物重虽然提高，有效穗数与粒数并没显著增加 (表3)，产量不能成比例增加，导致收获指数下降(表2)。提高移栽密度可以提高地上部干物重，减少分蘖峰值与无效分蘖，虽然收获指数降低，但是产量随之升高。如在施氮量为225 kg/hm2时，提高移栽密度显著增加了成穗率与总穗数，进而提高了产量。移栽密度低时，前期往往分蘖过多，导致单茎重小，个体进入穗分化期后的碳水化合物供求矛盾加剧，大量分蘖死亡，成穗率下降并且不利于大穗形成[[6, 12-14]，提高移栽密度以后，虽然单株的分蘖数会有减少，但是群体分蘖数得到了增强，并且弱化了单株分蘖之间的竞争, 促进分蘖成穗和大穗形成[4-6]。

前人研究表明，生育后期功能叶对水稻产量贡献大小为剑叶>倒二叶>倒三叶[18]。灌浆期剑叶对水稻光合作用，灌浆有重要的作用，适宜的叶面积和合理的叶面积组成是抽穗后高光合的基础[19-21]。提高移栽密度与增加施氮量都能够提高水稻群体分蘖数，提高水稻群体光合叶面积，而单片叶面积却随着密度升高下降。在施氮量为N180D3的组合中，无论是单片叶面积还是总体叶面积指数 (LAI) 都较高，最终产量也高，说明一定范围内通过增施氮肥和提高移栽密度，有利于群体叶面积与个体叶面积的协调发展。而群体叶面积指数与单片叶面积在不同情况下如何影响产量还需要作进一步研究。

在本试验条件下，根据结果2.3所示，当灌浆期剑叶叶面积指数 (LAI) 为1.36，每平方米有效穗数 (PN) 为338，每穗粒数 (SPP) 为195，地上部干重为24371 kg/hm2时，预测产量达到最高，而这与本试验处理的N225D3、 N180D3结果一致。

3.3 氮肥施用量与移栽密度对氮肥利用率指标的影响

目前对氮肥利用率考察的指标主要有氮肥农学利用率 (NAE)、 偏生产力 (PFPN)、 氮肥吸收利用率 (NRE)和氮肥生理利用率 (NPE)。氮肥农学利用率与偏生产力主要考虑氮肥对产量的贡献大小，氮肥吸收利用率主要考虑植物吸收的氮占总施氮量的比例，而生理利用率则侧重于吸氮量与产量的关系。氮肥吸收利用率(NRE)在施氮量为180 kg/hm2和135 kg/hm2时保持不变，在施氮量为225 kg/hm2时最低，其它指标均是随施氮量提高降低。而在氮肥施用量的试验中发现NRE是随施氮量先增加后降低的[22]，这是因为一定范围内增加施氮量会促进水稻生长，加强对氮素的吸收。在施氮量为225 kg/hm2时，提高移栽密度NRE增加，但是NPE却降低。这是因为在高施氮量时，提高移栽密度对产量增长的贡献小，但是地上部累计的氮素增幅较大，因此NPE降低。

4 结论

施氮量与移栽密度对产量有显著影响，且存在交互作用，而增加有效穗数是产量提高的主要影响因素。产量最高的处理为N180D3并且该处理的的氮肥农学利用率(NAE)与偏生产力(PFPN)也最高。在低产田中通过高施氮量(N225)增产效果不佳；但是在中、 低氮水平(N180、 N135)下，适当提高移栽密度对提高产量，增加氮肥利用率有重要作用。

施氮量与移栽密度影响水稻群体结构，适度增加施氮量与提高移栽密度可以提高水稻群体茎蘖数，减少无效分蘖，优化水稻群体结构，在灌浆期达到高的群体叶面积指数，并且在保证茎蘖数的前提下提高成穗率。

在本试验条件下，根据模型估算高质量的群体应至少达到以下几个目标:灌浆期剑叶叶面积指数达到1.36，成熟期地上部干重达到24371 kg/hm2，每平米穗数达到338，平均每穗粒数达到195。综合考虑，施氮量为180 kg/hm2和移栽密度为21×104holes/hm2的处理各项群体指标与模型估计指标最为接近，因此N180D3的处理为本试验的最优处理。

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