减氮增锌对水稻产量、氮素吸收及土壤无机氮的影响

尹彩侠，李 前，孔丽丽，侯云鹏，秦裕波，王 蒙，刘志全

(农业农村部 东北植物营养与农业环境重点实验室/吉林省农业科学院 农业资源与环境研究所,吉林 长春 130033)

水稻是我国的主要粮食作物,全国有近60%的人口以稻米为主食,因此水稻在我国粮食安全中占有重要的地位[1]。近年来,随着水稻高产栽培技术的应用与完善,水稻产量呈逐年增加的趋势,其中化肥养分投入为水稻持续增产做出了重要贡献。但是近几年来,农民为了追求高产不断地增加氮肥的投入量,而氮肥的过量施用已造成了粮食生产成本增高、氮肥利用率降低、田地微量元素缺乏、土壤质量退化、农业面源污染等一系列不良的反应[2，3]。如何在保持水稻稳产的基础上降低氮肥的施用量,充分发挥氮肥的作用效率是目前需要解决的问题。锌是许多酶的组成成分,对蛋白质合成、碳水化合物代谢等具有重要的意义。锌也是作物生长发育所必需的微量营养元素[4，5]。胡时友等[6，7]的研究结果表明中微量元素配合施用既能提高水稻的产量,又能降低氮磷肥的用量,提高肥料利用率。魏义长等[8-11]研究发现,施锌可以增加水稻的成穗数、穗粒数和千粒重,产量较对照有极显著的增加。彭文勇等[12，13]的研究表明平衡施用氮、磷、锌肥可有效缓解水稻幼苗养分缺乏等环境胁迫,促进水稻根系和地上部生长,还可以调节矿质营养在水稻籽粒中的积累,提高稻米品质。我们在较常规施肥大幅度降低氮肥用量的条件下系统地研究了氮锌互作对水稻产量、氮肥效率、氮素吸收与转运以及土壤无机氮的影响,旨在为水稻减肥增效工程提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018～2019年在吉林省梅河口市海龙镇进行,该地区属于温带大陆性季风气候,位于吉林省东南部。试验田为水稻连作区,供试土壤为白浆土,0～20 cm耕层土壤的基础肥力状况为:碱解氮138.1 mg/kg,速效磷33.4 mg/kg,速效钾145 mg/kg,有机质33.5 g/kg, pH 6.8,有效锌0.89 mg/kg。

1.2 试验材料与设计

试验设4个处理,分别为不施氮肥(CK)、常规施肥(FP)、推荐施氮(OPT,较FP减氮20%)、在推荐施氮的基础上增施锌肥(OPT+Zn,施氮量同OPT)。每个处理3次重复,小区随机排列，小区面积30 m2。供试水稻品种为东稻3,其种植密度为17万穴/hm2。试验用氮肥为普通尿素(N 46%),磷肥为重过磷酸钙(P2O546%),钾肥为硫酸钾(K2O 50%),锌肥为农用硫酸锌(ZnO 22%)。

常规施肥处理(FP)的氮肥施用比例为基肥∶分蘖肥∶抽穗肥=60%∶30%∶10%,磷、钾肥全部于整地时一次性施入。推荐施肥各处理的氮肥施用比例为基肥∶分蘖肥∶抽穗肥=50%∶40%∶10%,钾肥的施用比例为基肥∶抽穗肥=70%∶30%,所有磷肥、锌肥全部于整地时一次性施入。具体施肥量见表1。

表1 试验处理及其各肥料的施用量

1.3 样品采集与分析方法

分别于水稻返青期、分蘖期、抽穗期、灌浆期和成熟期采取植株样品,每小区选取有代表性的植株3穴(返青期30穴),并将灌浆期和成熟期的植株样品分为茎叶和籽粒两部分。将样品于105 ℃下杀青30 min后,再在80 ℃下烘干至恒重；将烘干的样品粉碎后,采用凯氏定氮法测定植株的全氮含量。在成熟期每个小区选取5穴水稻，对产量构成因素(有效穗数、实粒数、千粒重、结实率)进行调查,并且各小区均收获10 m2水稻进行测产,按14.5%水分折算产量。

1.4 相关指标的计算及数据分析

氮肥农学利用率=(施氮肥处理的籽粒产量-不施氮肥处理的籽粒产量)/施氮量;

氮肥偏生产力=施氮区产量/施氮量;

氮肥利用率=(施氮肥区地上部总吸氮量-不施氮肥区地上部总吸氮量)/施氮量×100;

氮素转运量=抽穗期氮素累积量-成熟期营养体氮素累积量;

氮素转运率=氮素转运量/抽穗期营养体氮素累积量×100%;

氮素转运对籽粒的贡献率=氮素转运量/成熟期籽粒氮素累积量×100%。

采用Microsoft Excel 2010软件对试验数据进行处理和作图,采用SAS 9.0软件进行方差分析和差异多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对水稻产量及产量构成因素的影响

氮肥是影响水稻产量构成的主要因素。表2表明,与不施氮肥(CK)相比,施用氮肥可显著地提高水稻的产量、有效穗数和穗粒数,且水稻产量在年际和处理间的差异均达到了显著水平,水稻产量的年际和处理的交互作用也达到了显著水平,这表明产量的变异主要是由年际和施氮处理间的差异造成的。CK的结实率显著高于施氮各处理,这可能是由于不施氮肥造成了有效穗数和穗粒数的减少。推荐施肥各处理的有效穗数均高于常规施肥处理(FP)。与FP处理相比,OPT+Zn处理显著地增加了水稻产量,2018年和2019年的增产率分别为8.6%和6.7%,达显著水平；OPT处理的水稻产量次之。可见,在较常规施肥减少氮肥用量20%的基础上适当增施锌肥不仅节省了投入成本,还显著地增加了水稻产量。

表2 不同施肥处理对水稻产量及产量构成因素的影响

变异来源差异显著性产量有效穗数穗粒数结实率千粒重施氮方式∗∗∗∗∗∗NS年际∗∗NSNSNS∗施氮方式×年际∗∗∗∗∗∗

2.2 不同施肥处理对水稻氮肥利用效率的影响

从表3可以看出,OPT和OPT+Zn处理的水稻氮肥农学利用率、氮肥偏生产力和氮肥利用率均显著高于FP处理的(P<0.05),其中以OPT+Zn处理的提高幅度最显著。2018年和2019年OPT+Zn处理的氮肥农学利用率分别较FP处理提高了8.7 kg/kg (87.9%)和6.7 kg/kg (56.8%),氮肥偏生产力较FP处理分别提高了14.9 kg/kg (35.8%)和14.6 kg/kg (33.5%),氮肥利用率较FP处理分别提高了13.2和11.5个百分点。可见,减氮增锌可以显著地提高氮肥的利用效率。

表3 不同施肥处理对氮肥利用效率的影响

2.3 不同施肥处理对水稻氮素累积的影响

随着水稻生育时期的推移,水稻氮素积累量逐渐增加。图1结果表明,施肥各处理水稻的氮素积累量显著高于不施氮肥对照(CK)。从分蘖期至抽穗期氮素的积累量呈快速增长趋势,随后缓慢上升,直至成熟期；在年际间各生育期的氮素积累量差异不显著。2年结果表明,各生育时期OPT+Zn处理的氮素积累量趋势一致,均呈现出最高值,其中在成熟期的氮素积累量为174.6 kg/hm2,较FP处理增加了4.3%；其次为OPT处理。说明在推荐施氮量的基础上适量增施锌肥能够促进水稻对氮素的吸收与转化,有利于籽粒的形成。

图1 不同施肥处理水稻各生育期氮素积累的动态变化

2.4 不同施肥处理对水稻营养器官养分转运的影响

养分的转运量和转运效率是营养体养分向籽粒转移量的重要指标。表4结果表明,施氮各处理水稻的氮素转运量和转运率均显著高于不施氮肥对照，其中2018年OPT+Zn处理的氮素转运量及其对籽粒氮的贡献率均最高,分别较FP处理提高了20.9%和13.5个百分点,差异达到显著水平(P<0.05)；其次为OPT处理,但与FP处理间的差异不显著。可见,减氮增锌可以促进氮素向籽粒的转移,起到增加水稻产量的作用。

表4 不同施氮处理水稻植株的氮素转运特征

2.5 不同施肥处理对土壤无机氮含量的影响

由图2可知,在水稻收获期,稻田土壤无机氮含量因不同施肥方式而存在差异,各处理均以60～90 cm土层土壤的无机氮含量最低,以0～30 cm土层的含量最高,其中OPT和OPT+Zn处理土壤的无机氮含量均较FP处理有所降低,在2018、2019年,0～30 cm土层土壤的无机氮含量分别降低了16.3%、19.8%和8.1%、18.2%;30～60 cm土层土壤的无机氮含量分别降低了11.9%、28.2%和9.4%、28.6%;60～90 cm土层土壤的无机氮含量分别降低了12.5%、24.8%和20.5%、35.4%。OPT+Zn处理各土层土壤的无机氮含量均为最低,说明降低氮肥用量并适量配施锌肥可以促进水稻对土壤氮素的吸收利用,减少无机氮向土壤下层的淋溶迁移,有利于控制农业的面源污染。

图2 不同施肥处理稻田土壤无机氮含量的动态变化

3 小结

氮是影响水稻产量的主要养分限制因子,锌也是潜在的养分限制因子[14-17]。因此,在锌有效含量较低的土壤上合理地增施锌肥可以促进水稻对氮、磷等大量元素的吸收利用,有效地增加水稻产量。王晓波[18-20]等研究发现,锌对水稻的生长发育起着至关重要的作用,它与氮磷配施可以增强水稻的光合作用,增加株高、单株分蘖数和叶片数,显著地提高水稻的产量和品质。本试验结果表明：推荐施肥各处理水稻的有效穗数均高于常规施肥(FP)处理；水稻产量在年际和处理间的差异均达到了显著水平；与FP相比,OPT+Zn处理显著增加了水稻产量(平均增产7.7%),氮肥农学利用率提高72.4%,氮肥偏生产力提高34.7%,氮肥利用率提高12.4个百分点；与常规施肥相比,在推荐施氮量的基础上适量地增施锌肥增加了水稻的氮素积累量,促进了水稻对氮素的吸收与转化,有利于水稻籽粒的形成。

土壤养分含量是评价土壤供肥能力的主要指标,其在很大程度上决定着作物对养分的吸收情况以及作物的产量和品质,但过量施用某种养分也会引发水体富营养化等农业面源污染,从而给生态环境带来安全隐患[21-23],因此更应该关注肥料养分在土壤中的残留。本研究结果显示,氮肥与锌肥合理配施能有效降低0～90 cm土壤无机氮的含量,相较于常规施氮,0～30 cm、30～60 cm、60～90 cm土层土壤的无机氮含量分别降低了28.2%、28.6%和35.4%,大大降低了无机氮向下层淋溶的风险。

综上所述,在本试验条件下,在较常规施肥减少氮肥用量20%的基础上适量地配施锌肥,不仅可以增加水稻产量，提高氮肥利用效率,还可以增强水稻的氮素积累与转运效率,减轻水稻收获后的土壤氮残留污染。