油菜-水稻轮作模式下油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻光合生产力及产量的影响

2020-06-02杨志远孙永健

华南农业大学学报 2020年3期

马鹏，杨志远，李娜，李郁，吕旭，孙永健，马均

(四川农业大学水稻研究所/作物生理生态及栽培四川省重点实验室，四川成都 611130)

人口基数大、耕地资源少是我国的基本国情，预计在2030 年我国人口将达到14.73 亿[1]，农作物产量只有在现有基础上继续提升才能实现粮食的安全供给，提高粮食作物产量是解决我国人多地少问题的主要途径。水稻作为我国四大粮食作物之一，单产高出世界水平的65%以上，保证水稻的高产和稳产对我国乃至世界粮食安全有重要作用[2]。合理施用氮肥是保证水稻稳产、高产的栽培技术之一[3-5]。氮素是植株体内核酸、辅酶以及光合色素分子等的重要组成成分，植株含氮量与光合速率密切相关，在一定的施氮量范围内水稻叶片含氮量和净光合速率随施氮量的增加而增加，叶片含氮量过高光合速率降低[6-7]。水稻生育后期适当施用氮肥可以延缓叶片衰老、延长光合作用时间[8-11]。四川成都是长江上游的主要稻作区，水旱轮作是成都平原的主要种植模式，油菜季氮肥施用和水稻季氮肥管理的栽培技术能否满足资源高效利用和实现水稻高产尚不明确，前人的研究主要集中在水稻季的氮肥管理对杂交稻光合特性的影响[8，10]，油菜季氮肥投入及水稻季氮肥运筹对杂交稻光合生产力及氮素利用的影响少有研究。因此，本研究以‘F 优498’为试验材料，采用大田小区试验，在150 kg·hm-2施氮量基础上，研究油菜季2 种氮肥投入和水稻季3 种氮肥配比运筹条件下杂交稻光合特性、物质生产能力以及氮素利用规律，明确油菜季氮肥投入及水稻季氮肥运筹对杂交籼稻物质转运及氮素吸收利用的影响，为探索成都平原油菜-水稻轮作模式下适宜的水稻氮肥运筹方式提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地情况

试验于2017—2018 年在四川省成都市温江区四川农业大学水稻研究所试验田(103.87°E，30.71°N) 进行，供试土壤为砂壤土，种植油菜前0～20 cm 土层有机质24.21 g·kg-1、全氮1.52 g·kg-1、碱解氮116.93 mg·kg-1、速效磷23.79 mg·kg-1、速效钾49.61 mg·kg-1、pH 6.19。

1.2 试验设计与实施

试验采用两因素裂区设计，主区为油菜季常规施氮(180 kg·hm-2)和减量施氮(150 kg·hm-2)2 种氮肥投入量，副区为水稻季在150 kg·hm-2施氮量的基础上设置3 种运筹模式：m(基肥)︰m(分蘖肥)︰m(穗肥)=2︰2︰6(M1)、m(基肥)︰m(分蘖肥)︰m(穗肥)=3︰3︰4(M2)、m(基肥)︰m(分蘖肥)︰m(穗肥)=4︰4︰2(M3)。以副区不施氮处理(M0)为对照，共8 个处理，3 次重复。小区面积12.9 m2，小区间筑埂(宽30 cm、高40 cm)并用塑料薄膜包裹，以防串水串肥。油菜季氮、磷、钾质量配比为2︰1︰2，氮肥按基肥与追肥各占50%的比例配施，磷、钾肥全部作为基肥施用。水稻季氮、磷、钾质量配比为2︰1︰2，磷肥(P2O5)75 kg·hm-2、钾肥(K2O)150 kg·hm-2全部作基肥施用，基肥在移栽前1 天施入，分蘖肥于移栽后第7 天施用，穗肥分促花肥和保花肥，相同施用量，分别于倒4 叶和倒2 叶期施用。油菜收获后水稻田土壤理化性质如表1 所示。

表 1 油菜收获后水稻田土壤理化性质1)Table 1 Physical and chemical properties of paddy soil after harvesting rape

供试水稻品种为‘F 优498’，该品种属籼型三系杂交水稻，抗逆性强，耐热性较弱，产量较高。采用旱育秧，于2018 年4 月17 日播种，5 月23 日人工移栽，单株种植，株行距为33.3 cm×16.7 cm，其他田间管理措施与当地高产栽培技术相同。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤基础理化性质油菜收获后利用五点采样法收集土壤样品，取0～20 cm 耕层土壤带回实验室于阴凉通风处风干，磨细过筛后置于干燥处保存。土壤pH 用电位法测定，水土质量比为2.5∶1；有机质含量采用K2Cr2O7-H2SO4稀释热法测定；全氮含量采用FOSS-8400 凯氏定氮仪测定；速效磷含量采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用火焰光度法测定。

1.3.2 光合特性和叶绿素含量分别于齐穗期、齐穗后15 d 的 09：00—11：00 使用便携式光合测定系统LI-6400(美国LI-COR 公司生产)测定剑叶净光合速率、气孔导度以及蒸腾速率，每个处理取5 片生长基本一致的叶片进行测定，重复3 次。

1.3.3 叶面积各小区分别于拔节期和齐穗期选择生长基本一致的植株3 株，用叶面积仪CI-203 测定拔节期叶面积和齐穗期高效叶面积，并计算叶面积指数，其中高效叶面积为有效茎蘖上3 叶的总面积。

1.3.4 杂交稻植株干物质积累与转运于拔节期、齐穗期和成熟期取田间长势基本一致的植株3 株，分茎、叶片和穗3 部分于105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干72 h 至恒质量，称取各部分干质量，计算茎鞘物质输出率和转化率。

1.3.5 测产与考种杂交稻成熟时，每个小区除去边行保护行，其余杂交稻植株均单打单收，晒干后折算成容许含水量13.5%记为实收产量。

1.4 相关参数计算

式中，S1、S2分别为拔节期及齐穗期测定的叶面积；t1、t2分别为拔节期及齐穗期测定叶面积的时间。

茎鞘物质输出率=(齐穗期茎鞘干质量-成熟期茎鞘干质量)/齐穗期茎鞘干质量×100%，

茎鞘物质转换率=(齐穗期茎鞘干质量-成熟期茎鞘干质量)/籽粒干质量×100%。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2016 统计数据，采用DPS 7.05 进行数据统计分析，用LSD 法分析不同处理在P＜0.05 水平的差异显著性，采用Origin 9.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 油菜季减量施氮对油菜产量的影响

常规施氮处理油菜的平均产量为2.59 t·hm-2，减量施氮处理油菜的平均产量为2.22 t·hm-2，比常规施氮处理显著减产14.28%，说明减量施氮会降低油菜产量。

2.2 油菜季减量施氮与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻叶面积指数及光合势的影响

由表2 可知，油菜季施氮量对杂交稻拔节期和齐穗期叶面积指数和光合势的影响不显著，水稻季氮肥运筹影响显著，二者交互效应的影响也达到显著水平。相对于常规施氮，减量施氮处理杂交稻拔节期叶面积指数增加5.61%，齐穗期叶面积指数和拔节期至齐穗期光合势分别增加8.57%和2.90%。常规施氮和减量施氮条件下，水稻季M1、M2、M3 处理杂交稻拔节期、齐穗期叶面积指数及齐穗期至拔节期光合势均较M0 处理增加，其中均以M3 处理的增幅最大，分别增加34.52%、37.83%、41.88%和55.55%、45.57%、47.95%。油菜季减量施氮和水稻季M3 运筹模式更有利于提高拔节期和齐穗期叶面积指数及拔节期至齐穗期光合势。

表 2 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻叶面积指数及光合势的影响1)Table 2 Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on leaf area index and photosynthetic potential of hybrid jayonica rice

2.3 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻光合特性的影响

由表3 可知，油菜季施氮量对杂交稻齐穗期、齐穗后15 d 光合特性的影响不显著，水稻季氮肥运筹对杂交稻齐穗期光合速率、蒸腾速率和齐穗后15 d的光合速率影响显著，对其他光合指标影响不显著，二者的交互效应对齐穗期气孔导度影响不显著，对其他光合指标影响显著。相对于常规施氮，减量施氮降低了齐穗期光合速率，但差异不明显。油菜季常规施氮和减量施氮条件下，水稻季M1、M2、M3 处理杂交稻齐穗期和齐穗后15 d 的光合速率、气孔导度和蒸腾速率均比M0 处理增加，其中光合速率均以M3 增幅最大。油菜季减量施氮和水稻季M3 运筹方式的光合速率增幅最大，有利于提高杂交稻剑叶的光合速率。

2.4 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻物质积累、转运及产量的影响

2.4.1 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻物质积累、转运的影响水稻季氮肥运筹对杂交稻干物质质量的影响在油菜季常规施氮和减量施氮处理中存在一定差异(图1)。在油菜季常规施氮条件下，相对于M0 处理，M1、M2 和M3 处理主

要生育期干物质积累增加，拔节期干物质积累表现为M3＞M1＞M2＞M0，齐穗期和成熟期表现为M3＞M2＞M1＞M0，M1、M2、M3 间多差异显著，且均显著高于M0(图1A)。在油菜季减量施氮条件下，相对于M0 处理，M1、M2 和M3 处理干物质积累增加，均表现为M3＞M1＞M2＞M0，M1、M2 和M3 处理间的干物质积累在拔节期和抽穗期差异显著，成熟期差异不显著，均显著高于M0(图1B)。相对于常规施氮，减量施氮成熟期M0、M1、M3 处理干物质积累分别降低4.84%、1.15%、5.08%，说明油菜季常规施氮和水稻季M3 运筹方式是提高杂交稻干物质积累量的优势组合。

表 3 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻光合特性的影响Table 3 Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on photosynthetic traits of hybrid japonica rice

图 1 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻干物质积累的影响Fig. 1 Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on dry matter accumulation of hybrid japonica rice

由表4 可知，油菜季施氮量、水稻季氮肥运筹方式及二者的交互效应对杂交稻物质转运的影响大多达到显著或极显著水平。相对于常规施氮，减量施氮处理齐穗期茎鞘干物质质量、成熟期茎鞘干物质质量、茎鞘物质转化率分别增加了7.98%、8.60%、10.29%。油菜季常规施氮和减量施氮条件下，相对于M0 处理，M1、M2、M3 处理齐穗期和成熟期茎鞘干物质质量均增加，且均以M3 处理的增幅最大，分别增加31.10%、16.54% 和34.54%、15.55%。从整体上看，油菜季减量施氮和水稻季M3 运筹模式的干物质积累量更大，更有利于促进杂交稻物质积累与转运。

2.4.2 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻产量的影响由表5 可知，油菜季施氮量、水稻季氮肥运筹方式及二者的交互效应对杂交稻产量构成因素影响不显著，但水稻季氮肥运筹模式及二者的交互效应对实收产量的影响达显著或极显著水平。相对于常规施氮，减量施氮处理每穗粒数、结实率、实收产量分别增加了3.95%、0.04%、0.47%。在油菜季常规施氮和减量施氮条件下，相对于M0 处理，M1、M2、M3 处理的有效穗数、每穗粒数和实收产量均有增加，均以M3 处理增幅最大，分别增加20.66%、9.55%、46.04%和21.10%、10.03%、48.39%。由此可知，油菜季减量施氮和水稻季M3 运筹方式杂交稻有效穗数和每穗粒数增加的幅度更大，更有利于提高杂交稻产量。

表 4 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻物质积累转运的影响Table 4 Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on accumulation and transport of hybrid japonica rice

3 讨论与结论

3.1 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻光合生理特性的影响

水稻生育后期的光合作用会直接影响产量，合理的氮肥运筹方式可以调控水稻生育后期的生长及光合作用[12]。本研究发现，在油菜-水稻轮作模式下，油菜季减量施氮和水稻季M3 运筹方式提高了水稻光合性能、叶面积指数及拔节期至齐穗期光合势，进而提高水稻产量，其主要原因可能是油菜根系比较发达，吸收和富集养分的能力比较强，根系分泌的有机酸可以溶解土壤中难溶的营养元素，提高其有效性。油菜季氮素大部分残留在土壤中导致水稻季土壤氮素含量比较高，水稻季合理的氮肥运筹增加了前期氮肥供应，弥补了前期土壤肥力的不足，塑造了良好的前期群体，水稻生育中后期叶面积指数和高效叶面积指数增加，具有较强的光捕获能力，改善水稻的光合性能，减缓光合速率下降的幅度，为籽粒分配更多的同化物质[13]。合理的氮肥运筹可以协调水稻生长期的吸氮特性，增加同化物质的转化，提高叶绿素含量，增强光系统电子传递能力，延缓水稻植株衰老，有效调节光合性能，进而增产[14]。同时合理的氮肥运筹延长水稻叶面积指数高值持续期，保持较高的光合面积，对提高产量具有重要意义。

3.2 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻物质积累与转运、产量的影响

水稻干物质生产能力和分配方式直接影响最终产量。作物生产能力和同化物向器官转运能力是作物产量的基础，受基因和栽培条件调控[15-17]。本研究表明，油菜季减量施氮和水稻季M3 运筹方式具有较高的干物质积累量和产量，原因可能是水稻分蘖期至拔节期生长速度比较快，对氮素的需求较多，适宜的氮肥运筹与水稻对氮素的需求时期相吻合[18]，从而保证水稻生育后期具有较强的同化物质转化能力，促进其向籽粒中分配，提高千粒质量。相关研究表明，合理的施氮水平和氮肥运筹方式可以显著提高水稻产量[19]。本研究发现，相对于常规施氮，减量施氮处理水稻产量增加了0.47%。油菜季常规施氮和减量施氮水稻季M3 运筹方式的实收产量无差异，可能是油菜季减量施氮和水稻季M3运筹方式减少无效分蘖和弱势分蘖的发生，促进优势分蘖成穗，其着粒数和实粒数也提高，形成优势群体。合理的氮肥运筹提高了水稻的有效穗数、每穗粒数和千粒质量，这与徐富贤等[20]研究结果相似。在本试验条件下，油菜季减量施氮水稻季M3运筹方式杂交稻实收产量最高，达到9.70 t·hm-2，既能降低氮肥投入，又能优化群体生长，保证产量，为本试验最佳处理。