栽培模式对寒地粳稻产量及养分吸收积累的影响

2019-10-25吕艳东姜红芳兰宇辰王鹤璎郭晓红

中国土壤与肥料 2019年5期

吕艳东，胡月，李猛，姜红芳，兰宇辰，王鹤璎，郭晓红*

（1．黑龙江八一农垦大学/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．牡丹江市农业技术推广总站，黑龙江牡丹江 157000）

水稻是我国最重要的粮食作物之一，其产量的高低直接影响到国家的粮食安全。氮、磷、钾是水稻生长发育过程中必需的三大营养元素，其丰缺程度直接影响水稻最终产量的形成。然而随着我国水稻产量的不断提升，氮肥的施用量也在持续增加。目前中国是世界氮肥消费的第一大国，其中水稻生产中的氮肥用量占全球氮肥用量的30%［1］。而中国稻田氮肥利用率仅为30%～35%，磷肥利用率为10%～20%，钾肥利用率为35%～50%［2-3］。因此，在获得水稻高产的同时，提高养分利用效率是目前农业研究的一个热点问题。

提高水稻氮、磷、钾等养分的吸收、利用、降低污染是现代水稻生产发展的迫切需要。迄今为止，关于栽培模式对水稻氮、磷、钾吸收特性影响的研究报道较少。氮肥方面，水稻植株在成熟期的穗部氮素积累量依靠于氮素的转运，合理的氮肥施用量可以提高水稻在各生育时期养分吸收总量，同时在水稻生育后期提高秸秆中氮、磷、钾向籽粒中的转运量［4］。磷肥方面，有研究认为水稻在成熟期穗部的磷素积累量较高时，有利于水稻后期形成高产［5-6］。钾肥方面，王强盛等［7］研究认为增施钾肥可以提高水稻成熟期叶片、茎鞘和穗部的钾素分配比例，且可以提高植株钾素积累量。钵苗摆栽方面，有研究报道钵苗稀植高产栽培条件下氮素吸收利用与产量的相关关系，结果表明，水稻不同生育时期氮素吸收量，抽穗至成熟期叶、茎鞘氮素转运量与产量均呈显著或极显著的相关关系［8］。密度方面，已有研究表明不同的移栽密度对水稻氮素吸收利用具有较大影响［9-11］。然而，关于对水稻养分吸收利用的影响多集中在上述某单一因素的研究［12-13］，而通过多项栽培技术的集成与优化使水稻达到高产高效的栽培模式研究却鲜有报道。

黑龙江省是中国最北部的寒地稻作区，也是中国最大的、最重要的粳稻生产区，2017年黑龙江省水稻种植面积达到330万hm2，总产量达到2 377.4万t［14］。为此，本试验比较了不同栽培模式下水稻产量、氮、磷和钾素积累、分配及转运的影响，为构建寒地水稻高产高效栽培技术体系提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试验地基本情况

试验于2017～2018年在黑龙江省绥化市绥棱县上集镇水稻试验站（E127°18′48.91″，N47°09′31.64″）进行。试验地土壤为黑土，土壤pH值为6.3，有机质含量为44.5 g/kg，碱解氮含量为155.4 mg/kg，有效磷含量为10.6 mg/kg，速效钾含量为229 mg/kg。供试品种为当地高产品种龙庆稻3号（主茎为11片叶）。播种时间分别为2017年4月11日和2018年4月9日，移栽时间分别为2017年5月15日和2018年5月13日，基本苗数每穴4株，收获时间分别为2017年9月28日和2018年9月27日。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，共设置4个处理，即：未施氮空白处理（N0）、当地农民高产栽培模式（对照，FP）、高产高效栽培模式（HYHE）和超高产栽培模式（SHY），各处理重复3次。其中HYHE模式的氮肥、磷肥和钾肥总量投入分别较SHY模式减少12.5%、12.5%和38%。化学肥料分别为尿素（N 46%）、磷酸二铵（N 18%，P2O546%）、硫酸钾（K2O 50%），复合肥为纳米硅肥（有效硅≥55%），有机肥料为生物有机肥（N+P+K≥5%，有机质≥40%）。N肥以基肥∶分蘖肥∶调节肥∶穗肥=4∶3∶1∶2的比例施入，P肥作为基肥一次性施入，K肥以基肥∶穗肥=6∶4的比例施入。基肥、分蘖肥、调节肥、穗肥分别于移栽前12 d（2017年5月3日和2018年5月1日）、返青期（2017年5月20日和2018年5月19日）、8.5叶幼穗分化期（2017年6月30日和2018年7月2日）和10.5叶拔节期（2017年7月8日和2018年7月6日）施用。试验期间各处理水分管理采用单排单灌，防止相互影响。各处理间肥料运筹和主要栽培措施如表1所示。

表1 不同栽培模式下肥料运筹及栽培措施

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量测定

水稻成熟时每小区选择长势均匀的4点，调查连续10 穴穗数，计算平均穗数，每点按照平均穗数取样2穴，带回室内考种。记录每穴穗数、实粒数、空粃粒数等，计算理论产量。

1.3.2 植株氮、磷和钾含量测定

用LG-50型粉碎机（瑞安某公司）将水稻全株及各器官分别粉碎，并过0.25 mm筛，采用全自动凯氏定氮仪（KjeltecTM8400，丹麦）测定氮，用钒钼黄比色法测定磷，用火焰光度法测定钾。

1.4 数据处理与统计方法

采用吴文革等［15］的方法进行氮素、磷素和钾素吸收与利用效率的计算。

（1）植株含氮（磷、钾）量（g/kg）=［叶片干物重×叶片含氮（磷、钾）量+茎鞘干物重×茎鞘含氮（磷、钾）率+穗部干物重×穗部含氮（磷、钾）率］/植株地上部干物重×1 000

（2）氮（磷、钾）素积累量（kg/hm2）=地上部（叶片、茎鞘、穗）干物重×地上部（叶片、茎鞘、穗）含氮（磷、钾）量

（3）氮（磷、钾）素总积累量（kg/hm2）=成熟期植株地上部氮（磷、钾）素积累量的总和

（4）氮（磷、钾）素转运量（kg/hm2）=抽穗期某器官氮（磷、钾）素积累量-成熟期该器官氮（磷、钾）素积累量

（5）氮（磷、钾）素表观转运率（%）=叶片（茎鞘）氮（磷、钾）素转运量/抽穗期叶片（茎鞘）氮（磷、钾）素积累量×100

（6）氮（磷、钾）素表观转运贡献率（%）=氮（磷、钾）素转运量/成熟期穗部氮（磷、钾）素积累量×100

（7）氮（磷、钾）素干物质生产效率（kg/kg）=成熟期地上部干物重/地上部氮（磷、钾）素总积累量

（8）氮（磷、钾）素稻谷生产效率（kg/kg）=产量/地上部氮（磷、钾）素总积累量

（9）氮（磷、钾）素收获指数（%）=成熟期穗部氮（磷、钾）素积累量/植株地上部氮（磷、钾）素积累总量×100

由于两年试验结果基本一致，故除产量用两年数据外其他数据取2017年测定值，采用Excel 2003软件进行试验数据处理和相关分析，DPS 7.05 统计软件进行方差分析，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同栽培模式对水稻产量的影响

由图1可知，两年试验产量变化趋势基本一致，N0、FP、HYHE和SHY两年（2017、2018年）的平均产量分别为5.16、7.58、8.58和11.73 t/hm2。HYHE和SHY的产量分别较FP高出13.19%和54.74%。

图1 不同栽培模式下水稻的产量变化

2.2 不同栽培模式对水稻氮素积累及氮素生产效率的影响

2.2.1 不同栽培模式下全株含氮量的变化

由图2可知，全株含氮量在齐穗期和成熟期均呈现SHY＞HYHE＞FP＞N0的趋势。在齐穗期，HYHE和SHY的全株含氮量分别较FP显著提高24.87%和38.05%，SHY与HYHE相比提高10.55%，但差异不显著；在成熟期，HYHE和SHY的全株含氮量分别较FP显著提高10.19%和14.94%，SHY较HYHE显著提高4.75%。可见，在齐穗期和成熟期，HYHE和SHY均能显著提高全株含氮量，其中，SHY对全株含氮量的影响大于HYHE。

图2 不同栽培模式下水稻全株在齐穗期和成熟期的含氮量变化

2.2.2 不同栽培模式下全株及各器官氮素积累量的变化

由表2可知，在齐穗期，除HYHE穗部氮素积累量外，HYHE叶片、茎鞘、穗部氮素积累量分别较FP显著提高24.87%、26.19%、10.89%；SHY分别较FP显著提高58.75%、43.83%、33.40%。氮素积累量表现为叶片＞茎鞘＞穗。在成熟期，除HYHE茎鞘氮素积累量外，HYHE叶片、茎鞘、穗部氮素积累量分别较FP显著提高32.35%、22.77%、11.32%，SHY分别较FP显著提高100.20%、30.08%、20.32%。全株氮素总积累量HYHE和SHY分别较FP显著提高50.99%和71.58%。氮素积累量表现为穗＞茎鞘＞叶片，全株氮素总积累量均呈现SHY＞HYHE＞FP＞N0的趋势。由此可见，水稻从齐穗期到成熟期的过程中，叶片和茎鞘中的氮素积累逐渐减少，穗部的氮素积累逐渐增多。

2.2.3 不同栽培模式下全株及各器官氮素转运比较

由表3可知，叶片氮素转运量和氮素表观转运率均高于茎鞘，叶片和茎鞘的氮素转运量、氮素表观转运率、氮素转运贡献率和氮素收获指数均呈现出SHY＞HYHE＞FP＞N0的趋势，但氮素干物质生产效率则呈现N0＞FP＞HYHE＞SHY的趋势，稻谷氮素生产效率并未呈现一致的规律。从氮素转运情况来看，HYHE和SHY的氮素转运贡献率分别较FP显著提高5.96%、17.30%。HYHE和SHY的穗部氮增加量分别较FP显著提高12.71%和39.40%。HYHE和SHY的氮素干物质效率和稻谷氮素生产效率均显著低于FP。氮素收获指数维持在50%～65%之间。HYHE的氮素收获指数较FP均有所提高，但差异不显著，SHY较FP提高9.75%，差异达到显著水平。

表2 不同栽培模式下水稻全株及各器官氮素积累量的比较（kg/hm2）

表3 不同栽培模式下水稻全株及各器官氮素转运的比较

2.3 不同栽培模式对水稻磷素积累及磷素生产效率的影响

2.3.1 不同栽培模式下对全株含磷量的变化

图3 不同栽培模式下水稻全株在成熟期的含磷量变化

不同栽培模式下水稻全株含磷量在成熟期的变化如图3所示，全株含磷量呈现SHY＞HYHE＞FP＞N0的趋势。HYHE和SHY的全株含磷量分别较FP显著提高4.58%和12.17%。而SHY全株含磷量较HYHE进一步提高10.68%。可见，SHY对水稻全株含磷量的影响要显著高于HYHE。

2.3.2 不同栽培模式下全株及各器官磷素积累及生产效率的变化

成熟期叶片、茎鞘、穗部和全株磷素积累量的变化如表4所示，均呈现SHY＞HYHE＞FP＞N0的趋势，水稻全株各器官磷素积累量表现为穗部＞茎鞘＞叶片。而HYHE和SHY磷素生产效率较FP相比，均有所降低。磷素收获指数维持在50%～65%，且呈现出SHY＞HYHE＞FP＞N0的趋势。除N0外的其它3个处理间的磷素收获指数并无显著差异。可见，HYHE和SHY对水稻全株磷素收获指数的影响增幅较小，且不显著。

表4 不同栽培模式下成熟期水稻全株及各器官磷素积累量及生产效率的比较

2.4 不同栽培模式对水稻钾素积累及钾素生产效率的影响

2.4.1 不同栽培模式下全株含钾量的变化

由图4可知，全株含钾量在成熟期呈现SHY＞HYHE＞FP＞N0的趋势。HYHE和SHY的全株含钾量得到极显著提高，分别是FP的2.6和4.7倍。SHY全株含钾量是HYHE的1.8倍。

图4 不同栽培模式下水稻全株在成熟期的含钾量变化

2.4.2 不同栽培模式下全株及各器官钾素积累及生产效率比较

由表5可知，成熟期叶片、茎鞘、穗部和全株钾素积累量的变化均呈现SHY＞HYHE＞FP＞N0的趋势。水稻全株各器官钾素积累量表现为穗部＞茎鞘＞叶片。从叶片的钾素积累量来看，HYHE和SHY较FP均有极显著提高；从茎鞘钾素积累量来看，只有SHY较FP显著提高；从穗部钾素积累量来看，HYHE和SHY均显著或极显著高于FP。HYHE和SHY的钾素生产效率较FP均显著降低。钾素收获指数维持在60%～75%之间，且呈现出SHY＞HYHE＞FP＞N0的趋势，只有SHY的收获指数较FP显著提高7.27%。

表5 不同栽培模式下成熟期水稻全株及各器官钾素积累量的比较

3 讨论

水稻产量受到品种、温光环境、栽培模式，或三者间交互作用的影响［16］。在不同的温光环境下，不同的水稻品种需要采用相应的栽培模式才能实现高产。研究已表明，单一因素栽培管理方式的优化不能有效地提高水稻产量［17］。水稻产量的提高需要更多地依靠多因素集成的超高产栽培模式［17-18］。本研究中为了获得更高的水稻产量，采取了高产高效和超高产栽培模式，其中高产高效栽培模式较当地农民栽培模式增加了氮、磷、钾肥的用量及增施了生物有机肥，而超高产栽培模式又在高产高效栽培模式基础上，增施了纳米硅肥，且采用了钵苗摆栽及宽窄行栽培技术，这些措施的综合运用是水稻获得高产的基础。因此，高产高效和超高产栽培模式增产效果最明显，尤以超高产栽培模式增产最高。

江立庚等［19］研究认为水稻植株在齐穗前氮素大部分积累在叶片，而在成熟期则大部分积累在穗部。本研究中水稻植株从齐穗期到成熟期的过程中，叶片和茎鞘的氮素积累量逐渐减少，穗部的氮素积累量随之增加，说明水稻植株在齐穗期后，叶片和茎鞘中的氮素逐渐转向穗部积累，这与前人研究结果一致。Zhang等［9］研究认为随着施氮量的增加，水稻植株的氮素吸收量和氮素转运量得到显著提高。此外，张小平等［10］还认为使用水稻宽窄行栽培技术可以提高植株氮素积累量和氮素利用效率，但氮素收获指数会显著降低，本研究中，高产高效和超高产栽培模式均能在不同程度上提高水稻植株含氮量、氮素积累量和氮素转运量，且能有效调节植株中氮素在各器官的分配比例，各器官氮素积累量也有显著优势。高产高效和超高产栽培模式显著提高了水稻植株含氮量，为成熟期水稻各器官氮素积累能力加强奠定了基础，这也是水稻高产的关键所在，这与前人研究基本一致。但在本研究中使用宽窄行栽培技术的超高产栽培模式中，氮素收获指数并未下降，反而得到显著提高，与张小平等［10］研究结果不一致。本研究中超高产栽培模式还采用钵育苗方式，而胡雅杰等［11］研究发现：钵育苗会提高水稻氮素收获指数。此外，氮素收获指数还受生态条件、品种自身遗传特性等因素制约。因此，此结果有待进一步验证。

磷素是水稻生产上必不可少，也是需求量较大的营养元素之一［20］。李前等［20］研究表明，施磷量与水稻植株磷素积累量呈正比。有研究认为［5-6］水稻在成熟期穗部的磷素积累量较高时，有利于水稻后期形成高产。本研究中，高产高效和超高产两种栽培模式的植株磷素总积累量和穗部磷素积累量均有不同程度的提高，且与产量呈现一致的趋势，这与前人研究结果基本一致。本研究中超高产栽培模式的氮、磷、钾肥施入量均高于高产高效栽培模式，且各器官的磷素积累量均高于高产高效栽培模式，推测原因为超高产栽培模式除氮、磷、钾肥施入量最高外，还增施了纳米硅肥。硅肥对植株磷素吸收有促进作用，提高水稻根系氧化力，促进水稻的生长发育［21］，从而促进植株对磷素的吸收。

钾素在水稻产量形成的过程中起着重要作用，它也是实现水稻优质高产的重要营养元素［22］。刘国栋等［23］认为不同品种在吸钾量方面有着显著差异。水稻植株中的钾素多在茎鞘当中积累［24］。王强盛等［7］认为增施钾肥可以提高水稻成熟期叶片、茎鞘和穗部的钾素分配比例，且可以提高植株钾素积累量。韦还和等［25］认为增施钾肥可以促进水稻的光合利用，增强抗逆性的同时提高植株钾素积累量。本研究中，高产高效和超高产栽培模式的含钾量、各器官的钾素积累量显著提高，且超高产栽培模式更优于高产高效栽培模式，这可能是由于超高产栽培模式在4种栽培模式中施钾量最高，且采用的宽窄行栽培技术可通过增加行间距离有效改善水稻植株群体冠层结构，提高水稻植株的光合能力和群体通风透光性，显著提高了植株钾素积累量，这与前人研究结果相一致。由此可见，整合的栽培技术措施对提高水稻养分利用效率以及保护生态环境具有重要意义。