土壤肥力和氮肥运筹对寒地水稻产量、品质及氮肥利用的影响
2019-03-06，，，，，，，
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(1.黑龙江八一农垦大学 农学院/黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，黑龙江 大庆 163319； 2.大庆市萨尔图区农业局，黑龙江 大庆 163319)
水稻为全球约30亿人口提供35%～60%的口粮，是重要的粮食作物之一[1]。氮素是水稻生长发育及产量、品质形成的主要养分限制因子之一[2]，增施氮肥仍然是水稻高产的关键措施[3-4]。实际生产中，由于氮肥施用过量、施用方法不合理、分配比例不当等问题造成我国水稻单季平均施氮量达180 kg/hm2，高出世界平均水平约75%[5]；而氮肥吸收利用率只有30%～35%[6-7]，氮肥利用率低是水稻生产面临的一个难题。前人研究表明，水稻产量与施氮量呈二次曲线关系，施氮水平超过某阈值后，产量呈现下降趋势[8-9]。这是因为水稻籽粒灌浆需要的氮一方面来源于灌浆期间的根系吸收，另一方面来源于叶和茎鞘的转运，叶和茎鞘的氮素可以在一定程度上弥补根源氮的不足。随着施氮水平增加，水稻叶和茎鞘氮素向籽粒的转运量呈明显下降趋势[10]，通过调整氮肥施用量和施肥方法来调控植株的氮素水平，协调穗部氮需求的根系来源和叶、茎鞘来源，可以在提高氮肥利用率的同时保持一定产量。过量施氮导致水稻叶片中 NH4+-N以NH3的形式挥发损失[11-12]，另外，高氮投入明显增加肥料氮在土壤中的残留量和损失量[13]，造成氮肥利用率下降，并且过量施氮会造成植株倒伏[14-15]、病虫害[16-17]、空壳等致使产量下降。此外，氮肥运筹与稻米品质关系密切，过高的氮肥投入并不能进一步改善品质，适量氮肥投入是稻米实现优质高产、高效的前提保障[18]。目前，关于寒地水稻氮肥运筹的研究多集中于特定土壤条件下施氮量及氮肥分配比例对水稻产量、品质的影响方面[19-21]，而关于不同土壤肥力下的适宜氮肥运筹模式研究尚未见报道。为此，针对寒地特殊生态条件，在不同肥力土壤上比较不同氮肥运筹对水稻产量、品质及氮素利用的影响，旨在为提高寒地水稻氮肥综合生产能力、改善稻米品质提供理论参考。
1 材料和方法
1.1 试验材料
试验于2016年 5—10 月在黑龙江省大庆市黑龙江八一农垦大学进行。采用盆栽试验，盆钵高30 cm，上直径为 30 cm，下直径为25 cm，每盆装土12 kg。试验土壤为黑龙江856农场的高肥力(S1)、低肥力(S3)以及二者混配的中肥力(S2)土壤，土壤类型为白浆土，土壤养分含量见表1。参试水稻品种为垦粳5号，4月17日播种，5月25日移栽，每盆钵3穴，每穴3苗。参试肥料为尿素(含N 46.4%)、过磷酸钙(含P2O543%)和硫酸钾(含K2O 50%)。
表1 供试土壤理化性状Tab.1 Physicochemical characteristics of soil in the experiment
1.2 试验设计
试验采用土壤肥力×氮肥运筹模式二因素完全随机试验设计。土壤肥力设3个水平，分别为高肥力(S1)、中肥力(S2)、低肥力(S3)，每个水平土壤理化性质如表1。氮肥运筹模式设5个水平，以M1、M2、M3、M4、M5表示。M1为农民习惯施肥模式，氮∶磷∶钾=2.22∶1.00∶0.67，氮肥分配比例为基肥∶分蘖肥=5∶5，钾肥100%基施；M2为V字形施肥模式，氮∶磷∶钾=2∶1∶1，氮肥分配比例为基肥∶分蘖肥∶调节肥∶穗肥=4∶3∶1∶2，钾肥分配比例为基肥∶穗肥=5∶5；M3为减氮施肥模式，即在M2基础上减氮17.5%，氮肥分配比例同M2，磷肥和钾肥的施用量及分配比例同M2；M4为减氮减磷施肥模式，即在M2基础上减氮17.5%、减磷26%，氮肥和磷肥分配比例同M2，钾肥的施用量及分配比例同M2；M5为前氮后移模式，氮∶磷∶钾=2.22∶1.00∶1.35，氮肥分配比例为基肥∶分蘖肥∶调节肥∶保花肥=4∶3∶1∶2，钾肥分配比例为基肥∶保花肥=5∶5，氮磷钾总量同M4。所有处理磷肥100%基施。分蘖肥分2次施用，第1次分蘖肥在4叶伸长期，占分蘖期总氮的80%；第2次分蘖肥在6叶伸长期，占分蘖期总氮的20%。调节肥、穗肥、保花肥分别在倒3.5叶左右、倒2叶伸长期、剑叶露尖时施用。具体施肥量如表2所示。
表2 不同处理施肥量Tab.2 Fertilizer application rate of different treatments kg/hm2
1.3 测定项目及方法
1.3.1 茎秆重心高度、抗折力和抗倒伏指数 齐穗后20 d，每处理取10个主茎测定茎秆重心高度、地上部单茎鲜质量和抗折力。测定方法参考李金才等[22]的方法，略有改进。茎秆抗折力：取第2节间、第3节间和第4节间，剥除叶鞘，两端置于高50 cm、间隔5 cm的支撑木架凹槽内，在其中部挂一容器，向容器内匀速加细沙，使茎秆折断所用的细沙加上容器自身的质量即为茎秆抗折力。地上部单茎鲜质量包括穗、叶和鞘。茎秆重心高度：测量茎秆基部至该茎(带穗、叶和鞘)平衡支点的距离。计算抗倒伏指数，抗倒伏指数=抗折力/(重心高度×地上部单茎鲜质量)。
1.3.2 产量及其构成因素 成熟期，取代表性植株6株，于通风阴凉处风干。风干后植株剪穗，称穗质量和籽粒质量。穗用于考种，考察穗数、穗粒数、结实率和千粒质量。
1.3.3 氮肥利用率 成熟期，取代表性植株4株，风干后分为籽粒和茎秆2部分，样品称质量后粉碎，过0.18 mm孔径筛，用浓H2SO4-H2O2消煮，用FOSS-8400凯氏定氮仪测定氮含量，然后计算氮肥利用相关指标。氮肥农学利用率=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量×100%；氮肥吸收利用率=(施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量)/施氮量；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)；氮肥偏生产力=施氮区产量/施氮量；土壤氮肥依存率=不施氮区地上部吸氮量/施氮区地上部吸氮量×100%；氮肥贡献率=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮区产量×100%。
1.3.4 品质指标 收获小区植株，脱粒，室内保存3个月左右用于品质分析，稻谷品质测定前，各样品统一用风选机等风量风选。加工品质测定依照《优质稻谷GB/T 17891—1999》[23]执行；垩白粒率和垩白度使用大米外观品质判别仪(日本静冈制机株式会社ES-1000) 测定；精米的直链淀粉、蛋白质含量和食味评分参照徐正进等[24]的测定方法，用近红外透过式 PS-500 食味分析仪(日本静冈机械制造有限公司)测定。
1.4 统计分析
采用Excel 2003进行数据整理，采用DPS 7.5进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 土壤肥力和氮肥运筹对寒地水稻产量及其构成因素的影响
由表3可知，对于土壤肥力水平来说，S1水平下水稻产量极显著高于S2和S3水平，提高幅度分别为18.0%和18.5%，后二者差异不显著；穗数也表现为S1水平极显著高于S2和S3水平；结实率表现为S1水平极显著高于S2水平，两者均与S3水平无显著差异；穗粒数和千粒质量在3个水平之间均无显著差异。可见，较高的穗数和结实率是S1水平下产量高于S2和S3水平的原因。5种氮肥运筹模式中，以M1模式产量最高，极显著高于除M2模式之外的其余模式；其次为M2模式，较M1模式降低5.5%，差异不显著；M5模式最低，较M1模式降低20.2%。从产量构成因素分析，穗数表现为M1>M2>M3>M4>M5，穗粒数表现为M1>M4>M2>M3>M5，各氮肥运筹模式结实率间的差异均不显著，千粒质量表现为M4>M2>M5>M3>M1。可见，M1模式的高产主要归因于较高的穗数和穗粒数，但其千粒质量较低；M5模式穗数和穗粒数较低是其产量低的主要原因。
表3 土壤肥力和氮肥运筹对寒地水稻产量及其构成因素的影响Tab.3 Effects of soil fertility and nitrogen application patterns on rice yield and its components in cold region
注：同列数据后不同大、小写字母分别表示同一因素不同处理之间的差异达到极显著(P<0.01)、显著水平(P<0.05)； *、**分别表示影响显著(P<0.05)、极显著(P<0.01),下同。
Note： The different uppercase,lowercase letters after data of the same column indicate that the differences among different treatments of the same factor are significant at 0.01,0.05 levels respectively; *, ** mean significant influences at 0.01,0.05 levels respectively, the same below.
土壤肥力和氮肥运筹二因素互作极显著或显著影响穗数、穗粒数、结实率和产量(表3)。由图1可知，S1水平下，M1模式穗数分别极显著、显著高于 M2、M3模式，这3个模式均极显著高于M4、M5模式；M2—M4模式穗粒数均显著高于M5模式，与M1模式差异不显著；各模式结实率间的差异均不显著。S2水平下，M1模式穗数显著高于M5模式，M2—M4模式与二者之间的差异均不显著；M1模式穗粒数显著或极显著高于M2—M5模式，M2、M3、M4、M5模式之间的差异均不显著；M2模式结实率分别显著、极显著高于M1、M3模式，与M4、M5模式间的差异均不显著。S3水平下，M1和M2模式穗数均极显著高于M3—M5模式，各模式穗粒数和结实率间的差异均不显著。S1水平下，以M3模式产量最高(31.2 g/穴)，与M1、M2、M4模式间的差异均不显著，但这4个模式均极显著高于M5模式，增幅分别为32.7%、31.8%、34.5%、21.6%；S2水平下，以M1模式产量最高(28.0 g/穴)，与M2、M4模式均无显著差异，分别较M3、M5模式极显著、显著提高30.3%、20.1%；S3水平下，以M1模式产量最高(26.7 g/穴)，与M2、M3、M4模式均无显著差异，较M5模式极显著提高23.2%。从组合产量整体来看，最高的组合为S1M3，S1M1、S1M2组合依次次之，最低组合为S2M3，S1M3组合较S2M3组合增产45.1%。
不同大、小写字母分别表示同一土壤肥力条件下不同氮肥运筹模式间的差异达到极显著(P<0.01)、显著水平(P<0.05)，下同
2.2 土壤肥力和氮肥运筹对寒地水稻稻米品质的影响
由表4可知，不同土壤肥力下稻米加工品质各指标间的差异总体上均不显著；垩白粒率和垩白度均表现为S2
表4 土壤肥力和氮肥运筹对寒地水稻稻米品质的影响Tab.4 Effects of soil fertility and nitrogen application patterns on rice quality in cold region
土壤肥力和氮肥运筹二因素互作对上述稻米品质指标的影响均达到显著或极显著水平(整精米率除外)(表4)。由表5可知，S1水平下M1和M4模式、S2水平下M3模式、S3水平下M4模式糙米率较高；S1水平下M1和M4模式、S2水平下M3和M5模式精米率较高，S3水平下各模式精米率差异均不显著；各土壤肥力下均以M1模式垩白粒率和垩白度最高，S1水平下M4模式、S2水平下M5模式、S3水平下M5模式的垩白粒率和垩白度均最低；S1和S2水平下各氮肥运筹模式直链淀粉含量间的差异均不显著，S3水平下M3模式直链淀粉含量显著高于其他模式，其他模式之间的差异均不显著；S1水平下M3和M4模式、S2和S3水平下M1和M2模式蛋白质含量较低；S1水平下M3—M5模式，S2水平下M1和M2模式，S3水平下M1、M3和M4模式均获得较高的食味评分，食味评分介于83.30～85.49。糙米率和精米率最高组合为S2M3，分别较最低组合S1M2提高1.6%和2.2%；垩白粒率和垩白度最低的组合均为S2M5，分别较最高组合S1M1降低66.3%和60.7%；直链淀粉含量最低的组合为S3M2，较最高组合S3M3降低16.5%；蛋白质含量最低的组合为S3M1，较最高组合S2M5降低10.5%；食味评分最高组合为S2M1，较最低组合S1M2提高6.4%(表5)。
2.3 土壤肥力和氮肥运筹对氮肥贡献率和土壤氮肥依存率的影响
由图2可知，不同肥力土壤氮肥贡献率表现为S3>S2>S1，S3水平分别极显著、显著高于S1、S2水平，S1水平与S2水平差异不显著，土壤氮肥依存率与之相反；不同氮肥运筹模式氮肥贡献率表现为M1>M2>M4>M3>M5，土壤氮肥依存率表现为M5>M4>M3>M1>M2。土壤肥力和氮肥运筹二因素互作对氮肥贡献率的影响不显著，对土壤氮肥依存率的影响极显著。S1水平下，M5模式土壤氮肥依存率最高，M1、M2、M3模式较低，且彼此间差异均不显著；S2水平下，各氮肥运筹模式土壤氮肥依存率间的差异均不显著；S3水平下，M3和M5模式土壤氮肥依存率较高，M2模式最低。土壤氮肥依存率最高的组合为S1M5，最低的组合为S3M2，S1M5组合较S3M2组合高63.6%。
表5 土壤肥力和氮肥运筹的交互作用对寒地水稻稻米品质的影响Tab.5 Effects of the interactions between soil fertility and nitrogen application patterns on rice quality in cold region
图2 土壤肥力和氮肥运筹对氮肥贡献率和土壤氮肥依存率的影响Fig.2 Effects of soil fertility and nitrogen application patterns on nitrogen fertilization contribution rate and soil nitrogen dependent rate
2.4 土壤肥力和氮肥运筹对寒地水稻氮肥利用的影响
由表6可知，不同土壤肥力水平下氮肥农学利用率和吸收利用率均无显著差异；地上部吸氮量表现为S1>S2>S3，差异极显著；S1水平下氮肥生理利用率和偏生产力均极显著高于S2和S3水平，后二者差异不显著。从氮肥运筹模式来看，地上部吸氮量表现为M2>M1>M3>M4>M5，其中M2模式显著或极显著高于M3、M4、M5模式，提高幅度分别为7.1%、11.3%、16.6%，M1模式与M3、M4模式间的差异均不显著，但极显著高于M5模式，提高幅度为12.2%；M3和M4模式氮肥农学利用率与M1、M2模式间的差异均不显著，但均显著高于M5模式，提高幅度分别为25.4%和28.1%；M1模式氮肥吸收利用率极显著低于M2和M3 模式，降低幅度分别为27.0%和27.1%，与M4和M5模式均无显著差异，M2、M3、M4模式间均无显著差异；M1、M4、M5模式氮肥生理利用率间的差异均不显著，三者均极显著高于M2和M3模式；氮肥偏生产力表现为M3、M4模式间差异不显著，但均显著高于M2和M5模式，这4个模式均极显著高于M1模式。
土壤肥力和氮肥运筹二因素互作对氮肥吸收利用各指标的影响均达到显著或极显著水平(表6)。由表7可知，S1水平下M1—M3模式、S3水平下M2模式地上部吸氮量较高，而S2水平下不同氮肥运筹模式间均无显著差异。S1水平下，M3模式氮肥农学利用率最高，极显著高于M1和M5模式，与M2和M4模式均无显著差异；S2和S3水平下，各氮肥运筹模式间均无显著差异。S1水平下M3模式、S2水平下M5模式、S3水平下M2模式氮肥吸收利用率最高，S1水平下M5模式、S2水平下M1模式、S3水平下M1模式氮肥吸收利用率最低。S1水平下，M5模式氮肥生理利用率最高，M1—M3模式生理利用率较低；S2水平下，M1模式最高，M3和M5模式较低；S3水平下，M1模式最高，M2模式最低。S1水平下，氮肥偏生产力以M3模式最高，M4、M5、M2模式依次次之，M1模式最低；S2水平下，则以M4模式最高，M1和M2模式相对较低；S3水平下，M2—M5模式氮肥偏生产力间的差异均不显著，但均显著或极显著高于M1模式。地上部吸氮量、氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生产力均以S1M3组合最高，分别为0.464 g/穴、51.46%、66.83 g/g、131.52 g/g，而氮肥生理利用率则以S1M5组合最高，为134.54 g/g。
表6 土壤肥力和氮肥运筹对寒地水稻氮肥利用的影响Tab.6 Effects of soil fertility and nitrogen application patterns on nitrogen utilization of rice in cold region
表7 土壤肥力和氮肥运筹的交互作用对寒地水稻氮肥利用的影响Tab.7 Effects of the interactions between soil fertility and nitrogen application patterns on nitrogen utilization of rice in cold region
2.5 土壤肥力和氮肥运筹对寒地水稻抗倒伏指数的影响
由表8可知，不同土壤肥力条件下第2—第4节间茎秆抗折力均无显著差异，茎秆鲜质量和重心高度均随土壤肥力下降呈降低趋势，而茎秆抗倒伏指数变化趋势则相反；3种土壤肥力水平下抗倒伏指数间差异达到显著或极显著水平。不同氮肥运筹模式之间茎秆鲜质量和各节间茎秆抗折力的差异总体上均不显著，茎秆重心高度以M1和M2模式较高，二者均显著或极显著高于M3—M5模式，后三者之间的差异均不显著；M2—M5模式茎秆抗倒伏指数无显著差异，均显著或极显著高于M1模式，提高幅度分别为17.3%、27.6%、34.6%、30.4%。土壤肥力和氮肥运筹二因素互作对上述指标的影响均不显著。
表8 土壤肥力和氮肥运筹对寒地水稻抗倒伏性状的影响Tab.8 Effects of soil fertility and nitrogen application patterns on lodging resistance traits of rice in cold region
3 结论与讨论
本研究结果表明，在高肥力土壤条件下，农民习惯施肥、V字形施肥、减氮施肥和减氮减磷施肥模式水稻产量较高，彼此间均无显著差异；中肥力土壤条件下，农民习惯施肥模式产量最高，减氮减磷施肥、V字形施肥模式依次次之；低肥力土壤条件下，农民习惯施肥、V字形施肥产量较高。可见，在不同肥力土壤上农民习惯施肥模式均能获得较高产量。农民习惯施肥模式由于氮肥的前重型分配，利于获得较高的穗数和穗粒数，但千粒质量较低，并且由于过量施用氮肥，抗倒伏指数低，倒伏风险增加。相关研究表明，倒伏平均每年造成的水稻产量损失为10%～30%，甚至绝收[27-28]，且使稻谷品质变劣[29]。因此，寒地水稻生产不宜采用农民习惯施肥模式。
土壤肥力对稻米品质的影响主要表现在外观品质、蛋白质含量及食味评分方面，对加工品质和直链淀粉含量的影响较小。高肥力土壤稻米垩白粒率和垩白度最高，中肥力土壤最低，低肥力土壤中等；蛋白质含量的变化趋势与植株地上部吸氮量、氮肥偏生产力变化趋势相符，呈高肥力>中肥力>低肥力，而食味评分则呈相反趋势。5种氮肥运筹模式的品质差异主要表现在外观品质、营养品质及食味评分方面。农民习惯施肥模式在水稻6叶伸长期后再无氮肥投入，由于籽粒灌浆期间氮素供应量少，籽粒蛋白质含量极显著低于其他处理，其食味评分最高。减氮施肥和减氮减磷施肥模式总体氮肥施肥量较少，籽粒蛋白质含量中等，食味评分与农民习惯施肥模式相近。V字形施肥模式施氮量高于减氮施肥和减氮减磷施肥模式；前氮后移施肥模式尽管总氮素投入量较少，但后期施氮，所以这2种氮肥运筹模式籽粒灌浆期间氮素含量较高，食味评分低于其他处理。
在高肥力土壤上宜采用减氮施肥模式，较农民习惯施肥模式减少氮肥投入33.1%，较V字形施肥模式减少氮肥投入17.5%，其产量与农民习惯施肥、减氮施肥、减磷施肥模式差异不显著，极显著高于前氮后移施肥模式；另外，植株地上部吸氮量、氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生产力均高于其他模式，但氮肥生理利用率较低。中肥力土壤上宜采用V字形施肥，其较农民习惯施肥模式减少氮肥投入19.1%，其产量、植株地上部吸氮量、氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率与其他模式均无显著差异，氮肥生理利用率中等，氮肥偏生产力较低。低肥力土壤条件下，农民习惯施肥、V字形施肥、减氮施肥和减氮减磷施肥模式产量相近，其中，减氮施肥模式食味评分最高，垩白粒率和垩白度中等，氮肥生理利用率、氮肥偏生产力较高，氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率中等，植株地上部吸氮量偏低；农民习惯施肥模式尽管产量高，但抗倒伏指数显著低于其他模式，不宜采用；减氮减磷模式和前氮后移模式也由于产量或品质方面的问题，不推荐应用。
