两种产量水平下减量施氮对杂交中稻产量和氮肥利用率的影响

蒋 鹏 徐富贤 熊 洪 张 林 朱永川郭晓艺 陈 琳 明 静

(1四川省农业科学院水稻高粱研究所/农业部西南水稻生物学与遗传育种重点实验室,四川德阳 618000；2泸州市纳溪区农业局,四川泸州 646300)

氮素在水稻(Oryza sativaL.)生长发育和产量形成中起关键作用,合理施用氮肥是当前水稻实现高产、氮高效的重要栽培措施,也是农业科研的热点问题之一。据报道,2006-2010年,我国平均氮肥总用量超过了27.9×106t[1],其中稻田单季水稻氮肥用量平均为180 kg·hm-2,较世界稻田氮肥单位面积用量约高75%[2]；而在高产的太湖稻区(平均产量为 8.6 t·hm-2,较全国平均产量高37%),稻田单季稻平均氮肥用量甚至超过300 kg·hm-2,较全国单季稻平均施氮量高67%[3-6]。然而,氮肥的过量投入,一方面导致我国稻田氮肥利用率显著下降,本世纪初水稻氮肥农学利用率、氮肥吸收利率仅分别为 10.4 kg·kg-1和28.3%,与20世纪80年代相比呈显著下降趋势[7]；另一方面还造成水稻生产成本的增加,同时引发水体、大气等一系列污染问题。李艳等[8]研究表明,水稻的表观氮损失量、氮损失比例随着施氮量的增加呈线性增长的趋势,氮素损失量占氮素总输入量的14%～52%,稻田氨挥发总量也随施氮量的增加而增加。因此,如何在确保水稻高产、稳产的前提下,减少氮肥施用量的同时大幅度提高稻田氮肥利用效率,减少氮素损失及对环境的不利影响,即减少氮肥投入并使其与水稻需求相匹配对保持水稻可持续发展具有至关重要的作用。目前,我国农业科研工作者围绕水稻高产、氮素高效利用,开展了包括施氮量、施氮方法[9-10]、土壤类型[11]、品种类型[12]等对杂交稻产量和氮肥利用率影响的研究,对指导我国水稻生产以及协调提高产量和氮肥利用率起到了积极的作用。近年来,大量研究表明,通过合理的减少氮肥施用量及科学的氮肥运筹能确保水稻高产、稳产的同时,还能大幅度提高水稻氮肥利用率[13-15]。Peng等[16]研究发现在南方不同生态稻区减少30%的施氮量,水稻产量不但没有下降,氮肥农学利用率还成倍提高；张军等[17]研究表明,不同土壤基础肥力水平下,随着土壤基础肥力的提高,水稻最佳施氮量呈下降趋势,氮肥吸收利用率呈增加趋势。然而,前人研究多侧重于氮肥减量多少,关于不同产量水平(中产、高产)下杂交稻产量和氮肥利用率对减量施氮的响应尚鲜见报道。实际生产中,杂交稻对氮肥的响应随产量水平的变化而改变[18],不同产量水平下相同的减氮量对杂交稻产量的影响也不尽相同,以同一标准指导不同产量水平的水稻氮肥管理,将会造成施氮量偏高或不足等现象。可见,减量施氮必须是在确保杂交稻高产、稳产的前提下,最低限度地施用氮肥,最大限度地提高氮肥利用率,而非盲目地减少施氮量。为此,本研究利用杂交稻在不同生态条件(中产点、高产点)下产量差异,研究不同产量水平(中产、高产)下减量施氮对杂交稻产量和氮肥利用率的影响,以确定不同产量水平下杂交稻的合理施氮量,以期为杂交稻高产、氮肥高效管理提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点及供试材料

试验分别在四川省泸州(29°10′N、105°23′E, 海拔280 m)和德阳(31°14′N、104°16′E, 海拔 490 m)进行。其中泸州位于川东南,属于亚热带湿润气候区；德阳位于成都平原,属于亚热带湿润季风气候区,2个试验点具体气象情况详见表1。试验点泸州点土壤pH 值 4.4,含总氮 1.6 g·kg-1、有机质 26.9 g·kg-1、碱解氮 70.8 mg·kg-1、有效磷 2.0 mg·kg-1、速效钾 150.0 mg·kg-1。德阳点土壤 pH 值 6.7,含总氮 2.4 g·kg-1、有机质 37.9 g·kg-1、碱解氮 102.9 mg·kg-1、有效磷 11.0 mg·kg-1、速效钾 63.9 mg·kg-1。

供试材料:杂交中稻蓉优1015,由四川省农业科学院水稻高粱研究所提供。

表1 泸州和德阳3-9月的气象条件比较Table 1 Comparison in climatic factors from June to September in Luzhou and Deyang

1.2 试验设计

于2016和2017年分别在四川省泸州和德阳进行大田试验,其中泸州点为冬水田(冬季休耕),德阳点前茬为蔬菜。试验共设置农民常量施氮(纯氮195 kg·hm-2,NCK)、减量 23%(纯氮 150 kg·hm-2,N-23%)、减量 46%(纯氮 105 kg·hm-2,N-46%)、不施氮(0 kg·hm-2,N0)4个处理,采用随机区组排列,3次重复,小区面积20 m2。处理间作田埂并覆盖塑料薄膜犁底层,防止串水串肥。氮肥分基肥(50%,移栽前1 d)、分蘖肥(30%,移栽后10 d)、穗肥(20%,幼穗分化Ⅱ期)3次施用,磷肥(过磷酸钙)全部做基肥,P2O5用量为90 kg·hm-2；钾肥(氯化钾)分基肥和穗肥2次施用,按基肥∶穗肥=50%∶50%施用,K2O总用量为 150 kg·hm-2。中产、高产点均是采用湿润育秧,人工移栽,移栽密度为20 cm×26.4 cm。泸州点于2016年3月5日播种,4月8日移栽,7月2日齐穗,8月4日成熟；2017年3月5日播种,4月14日移栽,7月6日齐穗,8月8日成熟。德阳点于2016年4月6日播种,5月8日移栽,7月25日齐穗,9月3日成熟；2017年4月6日播种,5月8日移栽,7月26日齐穗,9月4日成熟。田间管理按当地高产栽培进行。

1.3 测定项目及方法

于成熟期按小区茎蘖平均数取5穴代表性植株,用自来水将根系冲洗干净,剪去根系,采用人工手工脱粒,分成稻草、稻谷两部分,然后将稻谷分成实粒、秕粒两部分,于105℃杀青30 min,75℃烘至恒重,用百分之一天平称重。然后采用FZ102微型植物粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)将稻草、实粒、秕粒样品粉碎,经浓H2SO4-H2O2消化后,采用Integral Futura连续流动分析仪(Alliance Instruments,法国)测定含氮量。收割整个小区植株进行测产,每小区单打单晒,折算成13.5%含水量后计为小区实收产量。

参照冯洋等[11]的方法按照公式分别计算氮素贡献率(nitrogen fertilization contribution rate,NCR)、土壤氮素依存率(soil N dependent rate,SNDR)、氮肥农学利用率(agronomic efficiency of applied N,AEN,kg·kg-1)、氮肥偏生产力(partial factor productivity of applied N,PFPN,kg·kg-1)、氮肥吸收利用率(recovery efficiency of applied N,REN)、氮肥生理利用率(physiological efficiency of applied N,PEN,kg·kg-1)、每生产1 000 kg稻谷氮素需要量(kg):

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2003整理数据；Statistix 8.0进行方差分析；LSD0.05进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 减量施氮对杂交中稻产量的影响

由表2可知,不同地点间杂交中稻产量差异显著。泸州点(中产点)的平均产量为8.54 t·hm-2,德阳点(高产点)的平均产量为11.60 t·hm-2；与中产点相比,高产点杂交中稻产量平均增加35.9%。泸州点(中产点),2016年 N-46%处理杂交中稻产量较 NCK增加3.9%,而2017年N-46%处理产量较NCK降低1.6%,但差异不显著,表明中产点减施46%的氮肥杂交中稻产量未出现显著下降。德阳点(高产点),N-46%处理杂交中稻产量较NCK平均降低7.3%,且差异显著,表明高产点减施46%的氮肥会造成杂交中稻产量显著下降。与NCK相比,德阳点N-23%处理产量平均增加1.3%,表明高产点减施23%氮肥并不会造成杂交中稻产量下降。与N0相比,N-46%、N-23%处理产量平均增加28.6%(泸州)、32.3%(德阳),说明合理施氮有利于杂交中稻产量提高,但过量施氮会造成杂交中稻产量下降,如NCK。

表2 不同产量水平下减量施氮对杂交中稻产量的影响Table 2 Effect of reduced N application on grain yield of hybrid mid-season rice under different yield levels

2.2 减量施氮对氮肥贡献率和土壤氮素依存率的影响

由表3可知,随着施氮量的增加,两地点的氮肥贡献率均呈先上升后下降的趋势。中产点(泸州点),与NCK相比,2016年N-46%处理氮肥贡献率增加2.7个百分点,而2017年则降低1.3个百分点,差异不显著。德阳点(高产点),N-46%处理氮肥贡献率较NCK平均降低5.9个百分点,且差异显著。与NCK相比,N-23%处理氮肥贡献率平均升高4.7(中产点)、1.1个百分点(高产点)。高产点氮肥贡献率与中产点相当或更高。此外,随着施氮量的增加,中产点和高产点的土壤氮素依存率均呈下降趋势,且N-46%处理的土壤氮素依存率显著高于NCK和N-23%。

表3 减量施氮对氮肥贡献率和土壤氮素依存率的影响Table 3 Effect of reduced N application on NCR and SNDR in paddy field /%

2.3 减量施氮对杂交中稻吸氮量、氮收获指数、每生产1 000 kg稻谷氮素需要量的影响

由表4可知,德阳点(高产点)稻草吸氮量较泸州点(中产点)平均降低20.2%,但其成熟期总吸氮量较中产点增加7.2%。随着施氮量的增加,稻草吸氮量、成熟期总吸氮量均呈上升趋势。与NCK相比,中产点N-23%、N-46%处理的平均稻草吸氮量分别降低8.8%、32.1%,平均总吸氮量分别降低4.6%、20.6%；高产点N-23%、N-46%处理的平均稻草吸氮量分别降低12.8%、24.0%,平均总吸氮量分别降低5.6%、20.1%。说明减少施氮量可有效降低稻草的吸氮量。与中产点相比,高产点氮收获指数平均增加10.3个百分点,不同施氮量处理间杂交中,稻氮收获指数差异显著。中产点杂交中稻氮收获指数随着施氮量的增加呈下降趋势；与NCK相比,N-23%、N-46%处理氮收获指数分别增加1.9、6.8个百分点。高产点不同施氮量之间杂交中稻氮收获指数变化趋势不明显,以NCK处理相氮收获指数最低,较N-23%、N-46%分别降低3.2、2.4个百分点。

高产点每生产1 000 kg稻谷氮素需要量较中产点平均降低了20.9%。无论是中产点还是高产点,随着施氮量的增加,每生产1 000 kg稻谷氮素需要量呈上升趋势。中产点,与NCK相比,N-23%、N-46%处理每生产1 000 kg稻谷氮素需要量分别降低10.4%、21.4%。高产点,N-23%、N-46%处理每生产1 000 kg稻谷氮素需要量较NCK分别降低6.4%、12.9%。相关分析表明,每生产1 000 kg稻谷氮素需要量与成熟期稻草吸氮量、总吸氮量呈显著正相关,与成熟期氮素收获指数呈显著负相关(图1)。

2.4 减量施氮对杂交中稻氮肥利用率的影响

2.4.1 氮肥农学利用率 由表5可知,施氮量对杂交中稻氮肥农学利用率影响显著。随着施氮量的增加,杂交中稻氮肥农学利用率呈显著下降趋势。与NCK相比,泸州点(中产点)N-23%、N-46%处理氮肥农学利用率平均分别增加72.2%、94.3%,德阳点(高产点)N-23%、N-46%处理氮肥农学利用率平均分别增加36.1%、35.0%。高产点杂交中稻氮肥农学利用率为14.1～29.0 kg·kg-1,与中产点相比,高产点杂交中稻氮肥农学利用率平均增加56.8%。

2.4.2 氮肥偏生产力 由表5可知,随着施氮量的增加,杂交中稻氮肥偏生产力呈显著下降趋势。与NCK相比,泸州点(中产点)N-23%、N-46%处理氮肥偏生产力平均分别增加38.3%、87.5%；德阳点(高产点)N-23%、N-46%处理氮肥偏生产力平均分别增加31.7%、72.1%。高产点杂交中稻氮肥偏生产力为58.8～122.4 kg·kg-1,与中产点相比,高产点杂交中稻氮肥偏生产力平均增加36.1%。

2.4.3 氮肥吸收利用率 由表5可知,德阳点(高产点)杂交中稻氮肥吸收利用率为25.2%～54.6%,较泸州(中产点)平均增加4.6个百分点。施氮量对杂交中稻氮肥吸收利用率影响显著,随着施氮量的增加,杂交中稻氮肥吸收利用率呈先上升后下降的趋势。与NCK相比,N-23%处理氮肥吸收利用率平均增加4.9(中产点)、4.4个百分点(高产点)。N-46%处理氮肥吸收利用率与NCK相当。

表4 不同产量水平下减量施氮对杂交中稻吸氮量、氮收获指数和每生产1 000 kg稻谷氮素需要量的影响Table 4 Effect of reduced N application on N uptake,harvest index and requirement for producing 1 000 kg grains(NRPG)of hybrid mid-season rice under different yield levels

表5 不同产量水平下减量施氮对杂交中稻氮肥利用率的影响Table 5 Effect of reduced N application on N use efficiency of hybrid mid-season rice under different yield levels

2.4.4 氮肥生理利用率 由表5可知,杂交中稻氮肥生理利用率变化趋势与氮肥农学利用率相似,随着施氮量的增加,氮肥生理利用率呈下降趋势。德阳点(高产点)杂交中稻氮肥生理利用率为40.0～70.0 kg·kg-1,与泸州点(中产点)相比,平均增加32.3%。与NCK相比,中产点N-23%、N-46%处理氮肥生理利用率平均分别增加60.2%、123.4%,高产点N-23%、N-46%处理氮肥生理利用率平均分别增加21.0%、42.4%。

3 讨论

3.1 减量施氮对杂交中稻产量的影响

在确保杂交稻高产、稳产的前提下,合理的减少施氮量一直以来都是农业科研工作者研究的重点,研究结果也因土壤基础肥力、肥料类型、肥料部分有机替代(秸秆还田、冬季绿肥)、合理密植等差异很大。王道中等[19]研究表明,与农民习惯施氮(165 kg·hm-2)相比,高、低土壤基础肥力稻田分别减氮30%、10%,均不会造成水稻产量明显下降；黄巧义等[20]研究发现当减氮20%(156 kg·hm-2)时,控缓释氮占25%处理杂交稻产量较常规施氮量(分多次施用)增产9%,当减氮40%(117 kg·hm-2)时,控缓释氮占50%处理杂交稻产量较常规施氮量增产2%；曾研华等[21]通过连续多年定位试验,发现秸秆全量还田后可减少27%的化学氮养分的投入,且其产量较同等化学肥料养分投入处理增产3%；张颖睿等[22]研究认为,稻田紫云英翻压量为2.7～4.5 t·hm-2时,氮肥减少常规用量的 33%～67%,不会造成水稻减产；Huang等[23]研究表明,通过合理密植可弥补因减少施氮量而造成的产量损失。本研究结果表明,泸州点(中产点),当减氮 46%(105 kg·hm-2)时,杂交中稻产量与常规施氮量(195 kg·hm-2)相当或更高；德阳点(高产点),当减氮46%时,杂交中稻产量显著下降,与常规施氮量相比,2年平均降低了7.3%；但当减氮23%时,杂交中稻产量较常规施氮量平均增加1.3%。即中产点减氮46%并不会造成杂交中稻产量下降,而高产点减氮46%会导致杂交中稻产量显著下降。可见,在制定杂交稻减氮策略时,需要根据当地产量水平合理的减少施氮量,而非盲目地减少施氮量。

本研究中,德阳点无氮区(N0)和施氮区(NCK、N-23%、N-46%)杂交中稻产量均一致高于泸州点,其中无氮区(即土壤基础地力产量)产量较泸州点平均高30.6%,施氮区产量较泸州点平均高37.3%。施氮区产量可分为土壤基础地力产量和施氮增产量两部分。土壤基础地力产量是稻田土壤肥力和气候生产的综合反映。从土壤肥力来看,德阳点土壤全氮、有机质、碱解氮、有效磷含量分别是泸州点的1.5倍、1.4倍、1.5倍、5.5倍,德阳点较高的土壤肥力可能与其蔬菜季施入过多的肥料有关。可见,培肥土壤地力是低氮支撑水稻高产的重要措施。从气候条件来看,德阳点播种至齐穗最高温度、最低温度、日照时数均一致高于泸州点,杂交中稻前期相对较高的温度和日照时数有利于促进水稻分蘖和提高叶片的光合作用,进而增加干物质积累量为水稻高产奠定基础；另外,德阳点齐穗至成熟期最高温度与泸州点相当或更低,但最低温度较泸州点平均降低了2.3℃。籽粒灌浆期较高的温度并不利于水稻高产的形成,尤其是最低温度。Peng等[24]研究发现,夜间温度升高导致呼吸损耗增加,引起干物质生产量下降,进而导致水稻产量下降,且夜间最低温度每升高1℃水稻产量降低10%。

3.2 减量施氮对杂交中稻氮肥利用率的影响

在保证水稻高产、稳产的前提下,适宜减少氮肥施用量并使其与水稻对氮素的需求相匹配是提高我国氮肥利用率和减少氮素损失的重要栽培管理措施。黄巧义等[20]研究发现,当施氮量减少20%～40%时,杂交稻氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮肥生理利用率较常规施氮量处理显著提高。曾祥明等[25]研究表明,通过优化施肥可减少14%～28%的氮肥投入,产量增加4%～8%,氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮肥吸收利用率、氮素收获指数大幅度提高；高地力稻田土壤氮素依存率高,氮肥贡献率小,施氮增产的潜力小；低地力稻田土壤氮素依存率低,氮肥贡献率大,施氮增产潜力大。吴萌等[26]研究发现,减施氮素30 kg·hm-2的条件下,普通尿素配合施用20%的缓释尿素处理早稻和晚稻,其氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮肥吸收利用率均显著高于常规施氮量(早稻、晚稻的常规施氮量分别为165、195 kg·hm-2)处理,且其产量与常规施氮量处理相当。马艳芹等[27]研究认为,通过稻田冬季种植绿肥(紫云英),即使减少40%氮肥施用量,早、晚稻产量与常规施氮(150 kg·hm-2)处理相当,氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮肥吸收利用率平均分别提高了64.6%、56.1%、43.2%。本研究中,泸州点(中产点)NCK平均氮肥农学利用率仅为8.8 kg·kg-1,说明中产点农民习惯施氮的氮肥农学利用率依然很低。N-46%处理氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮肥生理利用率显著高于NCK,且其产量与NCK相当,说明在中产点即使减少46%的氮肥施用量也不会造成杂交中稻产量显著下降,且氮肥利用率得到显著提高。可见,在中产点氮肥增施量越多损失也就越多。德阳点(高产点)N-46%处理氮肥农学利用率、氮肥偏生产力高于NCK,但其产量显著低于NCK,说明在高产水平下大幅度的减氮虽然有利于提高氮肥农学利用率、氮肥偏生产力,但造成杂交中稻产量的显著下降。N-23%处理氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率较NCK平均分别增加了36.1%、31.7%、4.4个百分点、21.0%,且 N-23%处理产量较 NCK增加1.3%,表明高产条件下合理减氮可实现产量和氮肥利用率的协同提高。冯洋等[11]和王秀斌等[28]研究发现,高产稻田的土壤氮素依存率明显高于中、低产稻田,但其氮肥贡献率明显低于中、低产稻田。本研究中,不管是中产点还是高产点,氮肥贡献率随施氮量的增加呈先上升后下降趋势,土壤氮素依存率随施氮量的增加呈下降趋势。高产点氮肥贡献率和土壤氮素依存率与中产点相当或更高,这与冯洋等[11]和王秀斌等[27]的研究结果不一致,可能是由于高产点杂交中稻产量与这些研究的产量差异较大有关。本研究中,高产点的平均产量水平为11.60 t·hm-2,而冯洋等[11]和王秀斌等[28]高产稻田的平均产量分别仅为7.12和7.42 t·hm-2。高产点较高的土壤氮素依存率可能与其土壤全氮、碱解氮含量较高有关。由此可见,减量施氮是提高杂交稻氮肥利用率的关键途径,但氮肥减施量需要根据产量水平进行确定。

图1 每生产1 000 kg稻谷氮素需要量与杂交中稻稻草吸氮量、总吸氮量、氮素收获指数的关系Fig.1 The relationships of N requirement for producing 1 000 kg grain with N uptake in straw,total uptake and N harvest index of hybrid mid-season rice

3.3 减量施氮对杂交中稻生产单位籽粒需氮量的影响

研究表明,随着施氮量的增加,生产单位籽粒需氮量显著增加[29]。但也有研究认为,施氮水平(135～225 kg·hm-2)对超级杂交稻生产单位籽粒需氮量影响不显著[30]。本研究中,减量施氮对杂交中稻生产单位籽粒需氮量影响显著,随着减氮量的增加,杂交中稻生产单位籽粒需氮量呈下降趋势。王伟妮等[31]研究认为,施用氮肥可促进水稻植株对氮素养分的吸收,提高氮素养分的总吸收量,但会造成氮素养分在稻谷中的分配比例下降,进而导致氮素养分收获指数下降,生产单位籽粒氮素养分需要量增加。同时,增加施氮量,还会造成干物质在稻穗中的分配比例下降,在稻草中的分配比例上升[32]。本研究中,随着减氮量的增加,生产单位籽粒需氮量呈显著下降趋势。进一步分析可知,减氮处理杂交中稻稻草吸氮量、总吸氮量相对较低,氮素收获指数相对较高是减氮处理生产单位籽粒需氮量下降的重要原因。同时相关性分析还表明,杂交中稻生产单位籽粒需氮量与稻草吸氮量、总吸氮量呈正相关,与氮素收获指数呈显著负相关,说明减少施氮量有利于减少生产单位籽粒需氮量。此外,从植株氮素吸收利用特点来看,减氮处理杂交中稻的稻草吸氮量、总吸氮量均低于NCK,即减少施氮量可促使稻草中的氮素向籽粒转移,提高氮素收获指数,进而提高氮素利用效率；相反,过量施氮量(NCK)引起植株对氮素奢侈吸收,且吸收的氮素大部分滞留在稻草内,降低了氮素在籽粒中的分配比例,导致氮素氮素收获指数降低,造成生产单位籽粒需氮量显著增加,说明过量施氮所增加的植株氮素积累,并未转化为籽粒产量优势,而是过多用于营养生长[33-34],进而造成杂交中稻氮肥利用率下降。

4 结论

本研究结果表明,当减氮量为46%时,中产点杂交中稻产量并不会显著下降,且氮肥利用率显著提高；但高产点杂交中稻产量显著下降(降幅为6.9%～7.8%)。当减氮量为23%时,无论是中产点还是高产点,杂交中稻产量和氮肥利用率均一致高于常规施氮(NCK)。可见,在制定杂交中稻减氮策略时,需要根据当地产量水平因地制宜的减少施氮量,而非盲目的减少施氮量。本研究条件下,泸州点(中产点)和德阳点(高产点)杂交中稻产量和氮肥利用率协同提高的科学施氮量分别为 105、150 kg·hm-2。