不同栽培模式对新疆水稻产量和肥料利用率的影响
2018-12-12潘俊峰钟旭华约麦尔艾麦提黄农荣巴拉提巴克刘彦卓彭碧琳梁开明
潘俊峰 钟旭华* 约麦尔·艾麦提 黄农荣巴拉提·巴克刘彦卓 彭碧琳 梁开明
(1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,广州510640;2疏附县农业技术推广中心,新疆疏附844100;第一作者∶junfeng401@163.com;*通讯作者∶xzhong8@163.com)
水稻是我国重要的口粮作物。新疆地属西北干燥单季稻作带的西部干旱稻作区,近5年水稻播种面积7.0~7.5 万 hm2。由于新疆具有适宜水稻生长的光、热条件,2014年水稻平均单产高达10.1 t/hm2,比全国平均水平高48.9%,排名全国第一,是我国西北的高产稻区[1-2]。然而,这一成就是以大量的肥水投入特别是化肥的投入为支撑的。据统计,新疆水稻生产的肥料用量超过390 kg/hm2,氮肥用量达233 kg/hm2,比我国稻田单季稻平均氮肥用量(180 kg/hm2)高 29.4%,其中,南疆肥料用量更高,肥料成本比北疆高47%以上[3-9]。随着化肥投入的不断增加,其对增产的贡献率逐渐减小,化肥生产效益不断降低,对作物产量、品质和环境带来的不利影响也日益加重[10-12]。如何同步提高水稻单产和肥料利用效率倍受关注。近10多年来,我国先后研究出水稻精确定量栽培、“三定”栽培、“三控”施肥等技术并在生产上大面积应用,在长江流域和华南地区取得显著效果[13]。如应用水稻“三控”施肥技术,一般比当地习惯栽培减少氮肥用量20%、水稻增产10%左右[14]。若结合节水灌溉技术,稻田氮素的氨挥发、径流、渗漏等总损失可减少42%,面源污染大幅减轻[15]。采用优化氮肥管理可使施氮量减少33%,稻田氮素损失减少70%,产量基本保持不变[16]。基于西北干旱稻作区的特殊环境,前人研发了水稻膜下滴灌与优化氮肥运筹相结合的方式,实现高产高效[17-18]。但由于该技术对耕作机械、灌溉设备和技术操作的要求较高,推广应用有限。是否可将我国南方成熟的高产高效栽培技术引入新疆,提高新疆水稻的产量与养分利用效率,目前还鲜有这方面的研究报道。本研究在南疆西南部主要水稻种植地喀什市进行,分别以常规粳稻新稻11和农家品种木什红米为材料,研究不同栽培模式下水稻产量表现和肥料利用率,以为新疆水稻高产高效栽培提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料与试验地基本情况
试验于2016年在新疆维吾尔自治区喀什市疏附县进行。
试验一∶在布拉克苏乡(N39°15′54.41″,E75°48′13.44″)进行。选择3块农户稻田,试验地前茬为水稻。耕作层土壤属粉(砂)壤土,pH值7.81~7.99,有机质31.93~46.12 g/kg、全氮 1.61~2.32 g/kg、碱解氮 104.13~145.9 mg/kg、速效磷 26.8~47.2 mg/kg、速效钾 75.92~229.32 mg/kg。供试品种为当地高产优质常规稻品种新稻11。4月20-21日播种,5月29-30日移栽,每丛6~7苗,8月10日抽穗,10月9日收获。
试验二∶在木什乡艾斯里木什村(N39°28′18.98″,E75°39′46.28″)进行。试验地前茬为小麦。耕作层土壤属粉(砂)壤土,pH 值 8.1,有机质 6.27 g/kg、全氮 0.43 g/kg、碱解氮 24.03 mg/kg、速效磷 4.80mg/kg、速效钾47.68 mg/kg。以当地优质农家红米品种木什红米为试验材料。采用直播栽培,5月8日播种,播种量9 kg/667 m2,8月6日抽穗,9月22日收获。
1.2 试验设计
试验设当地习惯栽培和高产高效栽培两种处理。每块田中间做一田埂,使之等分为肥力相近的两半。田埂用塑料薄膜包埋,以防渗漏。半块田按当地习惯施肥和灌溉,另外半块田采用高产高效栽培管理。前期调研表明,新稻11产量水平比木什红米高得多,但木什乡土壤肥力低,保水保肥能力差,因此两个试验仍采用相同施肥方案。
当地习惯栽培(FP)∶栽插密度为 27.4 丛/m2。不施基肥,移栽后 7 d 施纯 N 67.5 kg/hm2、P2O5172.5 kg/hm2,移栽后16 d和47 d各施纯N 138 kg/hm2,未施钾肥。除生育中期排水搁田外,其余时期保持水层,收获前1周断水。
高产高效栽培(OPT)∶栽插规格 26.7 cm×13.3 cm(28.1 丛/m2)。按水稻“三控”施肥技术规程[19]施肥,参照当地实际情况略有调整,总施肥量为纯N 210 kg/hm2、P2O563 kg/hm2和K2O 75 kg/hm2。氮肥分4次施入,分别在移栽后 8 d、23 d、47 d 和 70 d,按 4∶2∶3∶1 的比例施,第1次施用磷酸二铵,其他3次用尿素。磷肥在第1次施用氮肥时以磷酸二铵的形式施入。钾肥(硫酸钾)在施穗肥(第3次施肥)时随氮肥一次性施入。水分管理采用安全干湿交替灌溉技术[20-21]。移栽后埋下水位管,在移栽后10 d内、抽穗前3 d至抽穗后3 d保持3~5 cm浅水层,其他时期只有当地下水位低于15 cm时才灌水5 cm,如此循环。
每个处理田块用拖拉机旋耕,试验一采用手插秧方式,试验二采用旱直播方式,种子不经浸种催芽直接播种,播后灌水。
1.3 取样与测定
试验一在成熟期每个小区取样12丛,脱粒考种,并测定地上部干质量,各小区实收5 m2计产。试验二于收割前,每小区实收5 m2计产。
1.4 数据处理与统计方法
养分利用效率∶氮肥偏生产力(kg/kg N)=稻谷产量(kg/hm2)/氮肥施用量(kg/hm2N);磷肥偏生产力(kg/kg P2O5)=稻谷产量(kg/hm2)/磷肥施用量(kg/hm2P2O5);钾肥偏生产力(kg/kg K2O)=稻谷产量(kg/hm2)/钾肥施用量(kg/hm2K2O);肥料偏生产力[kg/kg(N+P2O5+K2O)]=稻谷产量(kg/hm2)/总施肥量[kg/hm2(N+P2O5+K2O)]。
经济效益计算∶稻谷和肥料价格均按当地价计,稻谷 3.1 元/kg,尿素 2.2 元/kg,磷酸二铵 3.5 元/kg,硫酸钾3.7元/kg。利润计算以稻谷产值扣除肥料成本计算,未计算种子、农药、田间管理用工等成本。
将3块田视作3次重复,用Microsoft Excel软件处理数据,Statistica软件进行差异显著性比较。
2 结果与分析
2.1 不同栽培模式下的水稻产量及其构成
由表1可知,不同田块OPT处理的产量均高于FP处理,平均高30.7%,达显著水平。对比各处理产量构成发现,OPT处理的有效穗数、结实率和千粒重都高于FP处理,其中千粒重的差异达显著水平,而每穗总粒数低于FP处理。OPT处理的生物量比FP处理高14.4%,差异显著,收获指数也略有提高,但差异不显著。此外,OPT处理的灌溉次数比FP减少6次,减少24.1%。
2.2 不同栽培模式下的肥料利用率
从表2可见,与FP处理相比,OPT处理下的水稻氮、磷和肥料的偏生产力均显著提高,分别增加113.8%、257.9%和 94.3%,均达显著水平。表明 OPT 处理有利于提高养分的综合利用效率。
2.3 不同处理对稻米品质的影响
从表3可见,在布拉克苏乡,FP处理和OPT处理对稻米加工品质指标的影响不显著;不同处理对稻米外观品质的影响主要是影响米粒长,而对垩白粒率、垩白度、长宽比以及透明度影响不明显;不同处理对直链淀粉含量、碱消值、胶稠度等稻米食味品质的影响均不显著;在营养品质方面,OPT处理的蛋白质含量显著低于FP处理。总的来看,不同栽培管理措施对米粒长和蛋白质含量的影响较大,而对其他稻米品质性状的影响相对较小。
表1 不同处理下新稻11的产量及其构成因素(布拉克苏)
表2 不同处理下水稻氮肥、磷肥、钾肥和肥料偏生产力(布拉克苏)
表3 不同处理的稻米品质性状比较(布拉克苏)
表4 不同处理的经济效益比较
2.4 经济效益分析
与FP处理相比,OPT处理表现出明显的增产增收效果,每hm2稻谷产值增加7 725元,肥料成本减少732元,增收节支8 458元,达显著水平,产投比提高81.2%,达极显著水平(表 4)。
2.5 不同栽培模式对木什红米产量和肥料利用率的影响
木什乡的对比试验采用当地的农家品种木什红米,该品种产量潜力较低,但米质优良。试验结果显示,OPT 处理的产量为 3.0 t/hm2,FP 处理的产量为 2.1 t/hm2,OPT处理比FP增产44.3%,差异达显著水平。OPT处理的灌溉次数也比FP处理减少6次,减少27.3%。由于OPT处理的施肥量比FP处理减少,而产量反而比FP提高,水稻氮肥、磷肥和肥料的偏生产力均显著提高,较对照分别提高了 136.1%、295.1%和 112.2%。
3 讨论
3.1 OPT处理提高新疆水稻产量和养分利用效率的原因
在本研究中,与FP处理相比,OPT处理有3个重要特点∶一是施用了保蘖肥和粒肥,二是施用了钾肥,三是采用干湿交替灌溉。
本研究中,OPT处理中粒肥的施用对增产增效可能发挥了重要作用。FP处理在移栽后16 d内的施氮量达到205.5 kg/hm2,而OPT处理在同一时间段内施氮量为84.0 kg/hm2。大量研究已经证实,在分蘖期过量施氮会导致无效分蘖的大量发生,使得群体进入穗分化期后的碳水化合物供求矛盾加剧,群体恶化[22-23]。在总施氮量相同的情况下,氮肥作为穗粒肥施用的增产效果要显著优于作基蘖肥施用[23]。本研究中水稻从抽穗至成熟仍有将近60 d,由于FP处理无粒肥投入,导致其结实率、千粒重分别比OPT处理减少7.1%和8.1%,产量也显著低于OPT处理。
钾肥的施用可能是OPT处理高产高效的重要原因。氮、磷、钾是水稻正常生长的三大必需营养元素,三者之间存在复杂的交互作用。钾对于参与各种重要反应的酶起到活化剂的作用,是40多种酶的辅助因子。钾肥的施用对促进作物光合产物运输、增加产量具有重要作用[24]。氮和钾在植物代谢过程中有互补作用,当钾水平较低时,氮水平太高会导致水稻减产[25]。FP处理不施钾肥,导致养分不平衡,可能是FP处理产量和肥料利用率低的重要原因。OPT处理虽然氮肥和磷肥用量减少了,但增施了钾肥,氮磷钾养分平衡得到改善。
采用干湿交替灌溉可能是OPT处理高产高效的另一重要原因。已有研究表明,采用干湿交替灌溉能够显著提高灌浆期间剑叶光合速率、籽粒中ATP酶活性以及根系中吲哚-3-乙酸、玉米素+玉米素核苷和脱落酸含量,有利于促进茎鞘物质运转,提高结实率和千粒重[26]。这可能是OPT处理结实率和千粒重同时提高,最后导致产量提高的重要原因。干湿交替灌溉还有利于提高根系活力和养分吸收能力,从而有利于提高肥料利用率。
3.2 新疆水稻高产与肥料高效的关键技术
本研究中高产高效(OPT)处理集成了水稻“三控”施肥和干湿交替灌溉两项技术。水稻“三控”施肥技术是以控肥、控苗、控病虫为主要内容的高产高效施肥新技术,一般比习惯栽培节省氮肥20%左右,增产10%左右,氮肥利用率提高10个百分点,同时病虫害减轻,可少打农药,抗倒性提高,稳产性好[14,19,23]。该技术已在广东、江西、浙江等省大面积推广应用,取得了良好的减肥减药和增产增收效果[27-30]。但这一技术以往主要用于南方籼稻区,对于在新疆等一季粳稻区的适应性如何,尚不明确。本研究结果表明,这一技术在新疆一季粳稻中应用也是可行的。
本研究中高产高效处理的另一技术是干湿交替节水灌溉技术。该技术采用一根水位管监控稻田水分状况,进行水分管理[20-21]。与传统灌溉技术相比,该技术节约用水20%~30%,产量略增,温室气体甲烷排放减少30%以上,氮肥损失大幅减少,且操作简便[15,20-21,31]。由于新疆特殊的地理和生态环境,水分资源严重短缺,而且不合理的灌溉方式还会引起土壤盐渍化[32]。通过节水技术的应用,可以节约大量稻田灌溉用水,对于稳定当地水稻生产具有重要意义,值得大力推广应用。
4 结论
采用基于水稻“三控”施肥和干湿交替灌溉的高产高效栽培技术,可在氮肥减少38.9%、肥料总量减少32.6%、灌溉次数明显减少的情况下,水稻产量提高30.7%~44.3%,氮肥、磷肥和肥料偏生产力提高 113.8%~136.1%、257.9%~295.1%和 94.3%~112.2%,在新疆稻区具有良好的应用前景。