氨基酸水溶肥施用模式对水稻氮素吸收和转运的影响

曹小闯, 李烨锋, 吴龙龙, 田 仓,2， 朱春权, 朱练峰, 孔亚丽, 金千瑜, 张均华

(1.中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室，浙江 杭州 311400； 2.长江大学农学院，湖北 荆州 434023)

水稻是中国的主要粮食作物，水稻生产中长期以来存在施肥量大、肥料利用率较低(仅30%～35%)等问题[1]，导致了土壤板结、酸化、环境污染和生态平衡破坏等诸多问题，严重威胁粮食安全、农产品质量和生态安全。近年来，国内利用田间长期肥料定位试验，开展了一系列基于氮肥运筹[2]、农业废弃物有机替代[3]、新型肥料应用[4]、水肥一体化[2]等绿色高效施肥技术研究，为农作物高效施肥提出了很多合理化建议。随着施肥技术的发展，通过新材料、新方法或新工艺制备新型肥料已成为提高作物肥料利用率的重要措施[5]。其中，氨基酸水溶肥富含促进植物生长发育所需的中微量营养元素，具有全水溶、高活性、营养丰富、针对性强、吸收速率快等优势，在作物生长发育、养分吸收转运、作物营养生物强化和抗逆调控等方面均有明显的促进和激活作用[5-6]。

叶片是植物最重要的根外营养器官，植物能通过叶片表面快速吸收利用各种养分。理论上，在作物生长过程中任何阶段都可进行叶面施肥。然而，不同叶龄作物的叶片代谢活力、细胞膜通透性、角质层及蜡质层组成等的差异显著影响叶面养分吸收效果，作物不同生育时期叶面养分利用效率存在很大差异[5]。有研究者发现小麦同叶位叶面养分吸入量孕穗期明显高于齐穗期，但地上部的回收率在生殖生长期反而高于营养生长期；作物生长后期，根系吸收能力降低，叶面施肥可以及时补充作物所需的养分，有利于作物延迟衰老和增产[7]。高翔等研究发现水稻返青期喷施叶面肥可以增加分蘖数，但成穗率低于空白对照处理，不同类型叶面肥增产效果差异显著；水稻关键生育期全程喷施叶面肥处理水稻有效穗数、成穗率和产量均要高于其他时期单独喷施叶面肥处理[8]。抽穗期是水稻产量形成的关键时期，翟虎渠等认为水稻产量高低与抽穗前后叶片光合性能紧密相关[9]。因此，该时期喷施叶面肥有利于维持水稻功能叶较高的光合性能，促进干物质的合成和籽粒灌浆并提高产量[10]。目前市场上不同类型叶面肥施肥效果差异较大[11]。一方面，这可能与叶面肥质量良莠不齐、缺乏规范的市场监管机制有关；另一方面，这可能也与作物叶片对养分的吸收效果受叶片类型、自身营养状况、生育时期、环境条件、叶面肥性质等诸多因素影响有关[8,12-13]。

因此，根据水稻各生育期养分需求特性，通过优化叶面肥最佳喷施时期、组合模式保持或提高水稻生育后期叶片光合能力，延缓衰老进程，对于获得高产具有重要意义。本研究以籼型三系杂交水稻中浙优8号为供试材料，通过研究不同时期施用氨基酸水溶肥及其组合对水稻氮素吸收转运、产量和氮素利用率的影响，以期为优化氨基酸水溶肥最佳施用时期及大面积推广应用提供参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试田块概况

试验于2019年在中国水稻研究所富阳试验基地进行，试验田基施设施良好，排灌条件良好。供试土壤为青紫泥，pH 6.9，有机质36.8 g/kg，全氮2.65 g/kg，有效磷17.0 mg/kg，速效钾54.1 mg/kg，碱解氮142 mg/kg。

1.2 试验材料

供试水稻品种为当地主栽水稻品种中浙优8号(浙审稻2006002)。供试含氨基酸有机水溶肥由衡阳瑞秾森农业发展有限公司提供，主要成分为氨基酸(≥100 g/L)、锌+硼(≥20 g/L)。其余肥料尿素(N 46%)、氯化钾(K2O 60%)和过磷酸钙(P2O512%)采购于当地。

1.3 试验设计

试验设7个处理：T1(常规施肥)，氮肥纯量180 kg/hm2按照基肥∶分蘖肥∶穗肥=5.0∶2.5∶2.5分3次施入，磷肥纯量90 kg/hm2一次性基施，钾肥纯量120 kg/hm2按基肥和保花肥=5∶5分2次施入；T2，常规施肥基础上，秧苗期+破口前5～7 d施用氨基酸水溶肥2次；T3，常规施肥基础上，氨基酸水溶肥浸种+分蘖期+破口前5～7 d+抽穗期施用氨基酸水溶肥；T4，常规施肥基础上，秧苗期+分蘖期+破口前5～7 d施用氨基酸水溶肥；T5，常规施肥基础上，秧苗期+破口前5～7 d+抽穗期施用氨基酸水溶肥；T6，常规施肥基础上，氨基酸水溶肥浸种+秧苗期+分蘖期+破口前5～7 d+抽穗期施用氨基酸水溶肥；T7(空白对照)，不施氮肥，其他肥料同T1。

叶面肥施用与农药“三防两控”相结合，二者混施对叶面肥和农药效果均无影响。分别在水稻秧苗期(幼苗移栽前1～3 d，秧田病虫第2次防治用药)、分蘖期(移栽后30 d左右，大田病虫第1次防治用药)、破口前5～7 d(大田病虫第3次防治用药)、抽穗期喷施氨基酸水溶肥，施用量分别为450 g/hm2(1∶600稀释)、900 g/hm2(1∶300稀释)、900 g/hm2(1∶200稀释)和900 g/hm2(1∶200稀释)，浸种时1 kg种子施用2 g氨基酸水溶肥(1∶800稀释)。

各处理重复3次，随机区组排列，小区面积22 m2，单独排灌。小区田埂用防水薄膜覆盖，隔离防渗。2019年5月22日育秧，6月20日插秧，10月7日收获。叶面肥分别在7月4日、8月18日和9月9日人工喷施。病、虫、草害防控都按当地常规田间管理进行。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 氮含量 分别在水稻分蘖盛期(7月22日)、齐穗期(8月28日)和成熟期(10月5日)采集各小区有代表性的3穴水稻样品，分成茎鞘(包含茎和叶鞘)、叶片、穗3部分，105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒质量。样品磨细后采用H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法测定水稻各部位氮含量。

1.4.2 产量及其构成因子 成熟后，每小区调查连续横10丛、竖10丛的有效穗数，按小区平均有效穗数取3丛考察每穗粒数、每穗秕粒数、千粒质量和结实率，各小区实收测产。

1.4.3 数据处理与分析 水稻氮素积累、转运与肥料利用率相关计算方法如下[14]：氮素累积量(kg/hm2) =某生育期单位面积氮素积累量；氮素积累速率[kg/(hm2·d)]=某生育阶段单位面积单位时间某器官的氮积累量；氮素转运量(kg/hm2)=抽穗期至成熟期单位面积某器官氮素积累量；氮素转运率(%)=植株叶片和茎鞘的氮素转运量/抽穗期叶片和茎鞘的氮素积累量×100%；氮素转运贡献率(%)=茎鞘和叶片的氮素转运量之和/抽穗至成熟期穗部氮素积累总量×100%；氮肥回收效率(%)=(施氮区氮累积量-空白区氮累积量)/施氮量×100%；氮素生理利用率(kg/kg)=(施氮区产量-空白区产量)/(施氮区氮累积量-空白区氮累积量)。所有数据均采用Microsoft excel 2010 和SPSS 数据分析软件包进行数据整理和方差分析，用LSD0.05(Least significant difference test)进行差异显著性多重比较。

2 结果与分析

2.1 氨基酸水溶肥对水稻产量及其构成因子的影响

如表1所示， T3处理水稻产量最高，达到8 355 kg/hm2，但与T5、T6处理无显著差异。与T1处理相比，各时期施用氨基酸水溶肥均增加水稻产量， T3、T4、T5、T6处理水稻产量较T1处理分别显著增加7.2%、3.0%、6.0%和6.7%(P<0.05)。从产量构成因子来看，各施肥处理(除T7外)对水稻有效穗数均无显著影响。与T2处理相比，T4处理分蘖期增施氨基酸水溶肥虽然显著提高了穗粒数，但对水稻产量无显著影响；T5处理抽穗期增施氨基酸水溶肥提高了每穗穗粒数，也显著提高了水稻产量。与T1处理相比，T3、T6处理显著增加水稻千粒质量，其他各喷施氨基酸水溶肥处理虽然也能一定程度提高水稻穗粒数、结实率和千粒质量，但差异不显著。

2.2 氨基酸水溶肥对水稻主要生育期各器官氮含量的影响

随生育进程推进，水稻茎鞘和叶片氮含量逐渐下降，穗氮素含量在成熟期较抽穗期显著增加(图1)。分蘖盛期，T6处理叶片和茎鞘氮含量最高；茎鞘氮含量在T6、T5和T1各处理间无显著差异，但显著高于T2、T3和T4各处理。齐穗期，叶片氮含量T2、T3、T4、T5处理均显著高于T1处理；茎鞘氮含量T4、T6处理显著高于T1、T3、T5处理；穗部氮含量T5处理较高，显著高于T2、T3、T4处理，但与T1、T6处理无显著差异。成熟期，除T1处理外，T4处理叶片氮含量显著高于其他各处理；茎鞘氮含量T1、T3、T4处理显著高于T6，但与T2、T5处理差异不显著；穗部氮含量T6处理最高，达17.89 mg/kg，且喷施氨基酸水溶肥各处理均显著高于不喷施处理。

表1 不同氨基酸水溶肥处理的水稻产量及其构成因子

T1～T7处理见表1注。不同字母表示处理间有显著差异(P<0.05)。图1 不同氨基酸水溶肥处理水稻各生育期茎鞘、叶片和穗部氮含量Fig.1 Nitrogen contents in stems-sheaths, leaves and panicles of rice at different growth stages in different amino acid soluble fertilizer treatments

2.3 氨基酸水溶肥对水稻主要生育期各器官氮素积累量的影响

水稻茎鞘氮素积累量呈现先增加后降低的趋势；穗氮积累量、总氮积累量从齐穗期到成熟期显著增加，叶片呈现相反趋势(表2)。具体来讲，分蘖盛期、齐穗期和成熟期水稻叶片氮素积累量、比例平均分别为80.7 kg/hm2和62.8%、77.5 kg/hm2和42.4%、31.7 kg/hm2和11.5%，茎鞘氮素积累量、比例平均分别为 47.4 kg/hm2和37.2%、76.3 kg/hm2和41.9%、43.4 kg/hm2和15.8%;齐穗期、成熟期穗氮素积累量、比例平均分别为28.3 kg/hm2和15.7%、198.3 kg/hm2和72.7%。

与T1处理相比，各喷施氨基酸水溶肥处理对分蘖期(T6除外)和齐穗期茎鞘氮素累积量及比例均无显著影响(P>0.05)。分蘖盛期T6处理叶片氮素累积量最高，达到99.4 kg/hm2，显著高于其他各处理；齐穗期叶片氮素含量和比例在T1～T6各处理间无显著差异；成熟期叶片氮素累积量在T1、T3、T5处理间无显著差异，T6处理显著高于T2处理，但低于T4处理。成熟期，T6处理穗氮素累积量最高，达到233.0 kg/hm2，较T1处理增加17.6%，但T2、T3、T4、T5与T1处理间无显著差异。

表2 水稻主要生育期茎鞘、叶片和穗氮素积累量及其比例

2.4 氨基酸水溶肥对水稻各器官抽穗前氮素积累速率的影响

从表3 可知，与T1处理相比，T2、T3、T4、T5处理播种至分蘖盛期茎鞘、叶片氮素累积速率均无显著差异；T6处理茎鞘和叶片氮素累积速率显著高于其他各处理，较T1处理分别增加10.4%和12.8%。分蘖盛期到齐穗期间，水稻茎鞘氮素累积速率T2处理最高，显著高于其他各处理；T3、T4、T5处理水稻茎鞘氮素累积速率显著高于T1处理。值得注意的是，分蘖盛期至抽穗期叶片氮素累积速率受喷施时期的影响差异显著，T1、T2、T3、T6处理出现负累积。

2.5 氨基酸水溶肥对水稻齐穗期至成熟期各器官氮素转运的影响

由表4可见，与T1处理相比，T5处理显著提高了齐穗期至成熟期茎鞘氮素转运量，但T2、T3、T4、T6处理氮素转运量和转运率与T1处理无显著差异。T3、T5、T6处理叶片氮素转运量显著高于T1处理，前者较后者分别增加19.2%、14.7%和18.9%，且T3和T6处理叶片氮素转运率也显著高于T1处理。从转运氮素对穗部氮素贡献率来看，T5处理转运氮素贡献率最高，达58.3%。

表3 水稻抽穗前茎鞘、叶片氮素积累速率

表4 水稻齐穗期至成熟期茎鞘和叶片氮素转运量、氮素转运率及其转运氮素对穗贡献率

除齐穗期穗部外，水稻主要生育期叶片、茎鞘和穗氮素积累量均与产量呈显著正相关关系(表5)。从不同生育期来讲，水稻产量与分蘖盛期至齐穗期叶片，播种至分蘖盛期叶片和茎鞘氮素累积速率呈显著正相关关系，但与分蘖盛期至齐穗期茎鞘氮素累积速率的相关性不显著。水稻生育后期(齐穗期至成熟期)，水稻叶片氮素转运量与产量呈极显著正相关关系，与其转运率的相关性不显著。

表5 水稻各器官氮素积累量、氮素累积速率、氮素转运量和氮素转运率与产量的相关系数

2.6 氨基酸水溶肥对水稻氮素回收利用率和氮素生理利用率的影响

如图2所示，不同时期喷施氨基酸水溶肥对水稻氮素回收利用率的影响差异显著，T3、T5处理水稻氮素回收利用率较高，分别达到34.2%和34.5%，显著高于T1、T2、T4处理，但其与T6处理无显著差异。水稻氮素生理利用率T5处理最高，达18.0 kg/kg，显著高于T3处理，但与T2、T4、T6处理无显著差异。

T1～T7处理见表1注。不同字母表示处理间有显著差异(P<0.05)。图2 不同氨基酸水溶肥处理的水稻氮素回收利用率和氮素生理利用率Fig.2 Nitrogen recovery efficiency and Nitrogen physiological efficiency of rice in different amino acid soluble fertilizer treatments

3 讨 论

与常规施肥相比，喷施氨基酸水溶肥的T3、T4、T5、T6处理均显著提高了水稻产量。原因可能为氨基酸水溶肥富含促进植物生长发育所需的中微量营养元素，对叶片光合作用、生长发育、养分吸收转运等均有明显的促进和激活作用[5-6]。从产量构成因素上看，各氨基酸水溶肥处理水稻产量的提高主要得益于水稻千粒质量的提高。研究者发现水稻中后期喷施有机水溶肥能显著提高剑叶光合特性，延长水稻灌浆期，减少秕谷，提高结实率和千粒质量等，进而增加水稻单产[5, 6, 13]，这与本研究结果基本一致。从不同喷施时期来看，T4处理较T2处理产量无显著差异，表明分蘖期增施氨基酸水溶肥对水稻无明显增产作用；T5处理水稻产量显著高于T2处理，表明抽穗期喷施氨基酸水溶肥增产效果较好。T3、T5、T6处理水稻产量较高，也间接表明水稻生长后期喷施氨基酸水溶肥，尤其是破口前5～7 d、抽穗期喷施氨基酸水溶肥增产效果优于营养生长期喷施。值得注意的是，不同时期喷施氨基酸水溶肥对水稻有效穗均无显著影响，表明氨基酸水溶肥浸种，秧苗期、分蘖期施用氨基酸水溶肥对分蘖发生和成穗作用不大，这与前期研究结果不同[8]。我们分析这可能与水稻品种、施氮水平和环境条件差异有关。本研究所用杂交稻中浙优8号植株生物量、库容量大，生育前期营养元素(尤其是氮素)需求是影响水稻分蘖、生长发育的主要限制因素。本研究在浸种、秧苗期氨基酸水溶肥用量较少，对水稻生长发育所提供的营养物质十分有限,故对水稻分蘖无显著影响。

氮素是影响水稻生长和产量形成的重要因素。有研究者发现水稻抽穗前积累的氮素主要累积在叶片，而成熟期积累的氮素主要分配在穗部[14-15]。本研究中水稻氮素在分蘖期主要集中在叶片，齐穗期集中于茎鞘和叶片，成熟期主要集中在穗部。这可能与不同研究中取样时期不同有关，本研究取样时期在齐穗期，处于养分从“源”向“库”转运的关键时期，因此氮素主要累积于茎鞘和叶片。总体来讲，分蘖期叶片氮含量在T1～T5处理间无显著差异，齐穗期T2～T5处理叶片氮含量显著高于T1处理，但水稻各部位氮含量与氨基酸水溶肥喷施时期并无明显的规律性。从氮素累积量来看，T2、T3、T4、T5和T6各处理分蘖盛期(除T6处理叶片外)、齐穗期叶片和茎鞘氮累积量无明显差异，但营养生长期叶片和茎鞘氮含量与水稻生物量呈显著正相关关系。这可能与不同处理中水稻叶片、茎鞘干物质累积差异显著诱导的氮浓度浓缩或者稀释效应有关。不同时期喷施氨基酸水溶肥以及喷施次数有可能影响水稻根系生理特性和氮养分吸收能力[5, 9]，也会影响地上部氮含量。相关分析结果表明，除齐穗期穗部氮素累积量外，水稻产量与抽穗前茎鞘、叶片、穗氮素累积量呈现显著或极显著正相关关系，这与凌启鸿的研究结果一致[16]。Jiang等也指出要提高水稻产量，关键是提高抽穗前植株的氮素积累量[17]。魏中伟等研究发现施用有机水溶肥能提高水稻叶片的叶绿素和糖含量，有利于维持较高的光合作用并减缓叶片衰老，促进同化产物向颖果转运与分配[18]。

灌浆期至成熟期，作物体内的养分主要是进行转运分配，养分的累积量趋于平缓。前人从水稻产量形成的“库”-“源”关系、氮素转运上进行了较多研究，发现水稻灌浆期根系吸收的氮素仅占吸收总量的10%～30%，其余所需氮素主要通过水稻茎、叶等营养器官的氮素转运来实现[19]。本研究中，各处理中水稻齐穗期至成熟期营养器官(茎鞘、叶片)转运氮对穗部的贡献率达46.4%～58.3%，也间接证明了维持齐穗期至灌浆期营养器官较高的氮素转运量对水稻高产的重要性。从氮素转运量来看，各喷施氨基酸水溶肥处理水稻齐穗期至成熟期叶片、茎鞘氮素向穗部的氮素转运量差异显著。与T1处理相比，喷施氨基酸水溶肥的T3、T5、T6处理显著提高水稻齐穗期至成熟期叶片氮素转运量和氮素转运率， T5处理还显著提高茎鞘氮素转运量。相关分析结果表明，水稻产量与齐穗期叶片氮素累积速率以及抽穗后叶片氮素转运量呈显著正相关关系，但与茎鞘氮素转运量和转运率的相关性不显著。霍中洋等发现，抽穗至成熟阶段叶片的氮素转运量与产量呈显著正相关(r=0.333)[14]。这也进一步表明维持水稻营养生长期较高的氮素积累量，同时增强抽穗期至成熟期叶片氮素向穗转运，是水稻获得高产的基础。水稻生育后期，尤其在破口期和灌浆期喷施氨基酸水溶肥，维持较高的叶片氮含量，不仅能防止叶片早衰，增强后期光合作用，还有利于维持生育后期较强的根系活力和氮素吸收，保证灌浆期间穗部籽粒对氮素的需求[18]。

氮素利用效率是氮素吸收、同化、转运和再利用等多个生理过程综合作用的结果。协调产量和氮肥利用率之间的矛盾，应在保证作物产量的前提下，提高氮肥利用效率并避免营养器官对氮素的奢侈吸收[20]。前人从氮素吸收利用率、农学利用率、生理利用率、籽粒生产效率和偏生产力等不同侧面描述了作物对氮素的利用情况[21-22]。其中，氮素回收利用率和氮素生理利用率，能够反映作物对当季施入肥料氮的吸收利用率效率和作物对所吸收的氮素在作物体内的利用特征。因此，实现水稻对肥料氮的大量吸收、“源”-“库”氮素高效运转，才能协同实现水稻高产高效的生产要求。同时，水稻老叶向新叶、营养器官向籽粒转移氮素的能力，以及灌浆期氮素和干物质累积会影响水稻氮素生理利用率[23-24]。本研究中，T5处理水稻氮素回收利用率和氮素生理利用率最高，较常规施氮处理分别显著提高35.6%和31.3%。虽然各氨基酸水溶肥处理对各时期茎鞘、叶片氮素累积量无显著影响，但T3、T5、T6处理较T1处理显著增加齐穗期至成熟期叶片向穗部氮素转运量和氮素转运率，同时还显著提高齐穗期叶片氮含量。这两种因素综合导致喷施氨基酸水溶肥处理(如T3、T5处理)的水稻氮素回收利用率和氮素生理利用率明显高于不施氨基酸水溶肥处理。张耀鸿等[25]也认为提高抽穗前的氮素积累量、抽穗后的氮素转运量是提高水稻氮素利用效率的关键。因此，从节本、省工、绿色、高效角度考虑，本研究推荐秧苗期、破口前5～7 d和抽穗期喷施3次氨基酸水溶肥可作为中浙优8号适宜的叶面肥施用模式。