控释尿素侧深施对机械精量穴直播水稻产量形成与氮肥利用效率的影响

2021-02-07褚光徐冉陈松徐春梅王丹英章秀福

作物研究 2021年1期

褚光，徐冉，陈松，徐春梅，王丹英，章秀福

（中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室，浙江杭州 311400）

水稻（Oryza sativa L.）是我国主要粮食作物之一，稳定水稻产量，对保障粮食安全具有重要战略意义。改革开放特别是本世纪以来，随着农村城镇化的推进和发展，粮食生产的比较效益日趋降低。农村劳动力，尤其是青壮年劳动力加速向城镇转移，我国农村非农就业人口从1978年的2 320万人增长到2016年的15 153万人。目前，人们对优质稻米需求增长和农村劳动力短缺的矛盾，使我国水稻生产模式从传统的散户种植向规模化、机械化、轻简化转变［1，2］。

水稻直播是近年来在我国迅速扩大的一种轻简栽培技术。该技术省去了育秧、拔秧、运秧、栽秧等主要作业环节，整地后直接播撒稻种，有显著的省工、省力、高效优势［3，4］。但农业主管部门内部对直播稻的争论较大。持肯定态度者认为，伴随农村产业结构调整的持续深入，发展直播稻符合当前农村的实际情况；但不可盲目、粗犷、无序的发展，需制定合理的发展目标与方向，良种良法相配套，推动直播稻生产健康、稳定发展。持否定态度者则认为，直播稻是一种原始的生产方式，是一种“懒田”行为，对我国粮食安全和农业可持续发展具有严重威胁。尽管存在较大的争论，但我国直播稻仍在质疑声中不断前行，种植面积逐年攀升。

近年，华南农业大学罗锡文院士团队研制了水稻精量穴直播机，并与中国水稻研究所栽培团队合作研发了配套栽培技术体系。水稻精量穴直播机及其配套栽培技术基于农机、农艺融合，在技术创新、机具发明和农艺创建三方面取得了显著成效［5］。目前，该项技术发明已在国内26个省、市、自治区以及泰国、老挝、缅甸、越南、柬埔寨和意大利等国推广，为水稻机械化、轻简化种植提供了先进的技术，引领了全国水稻机械化直播技术的发展。

氮素是影响水稻产量形成最关键的栽培因素。近年来，随着品种改良与氮肥投入的持续增加，我国水稻单产已超过6.6 t／hm2，高出世界平均水平55%，这对于我国粮食安全与社会稳定起到了十分重要的作用［6］。但目前我国稻田单季氮肥用量平均为185 kg／hm2，比世界平均用量高约75%［7］。过高的氮肥投入，不仅降低了氮肥利用率，还会造成一系列不良的环境反应。因此，如何通过合理的氮肥投入与氮肥运筹，提高水稻单产与氮素利用效率，是农业生产需要解决的重大课题。侧深施肥技术与缓／控释肥的应用是实现肥料利用率和稻谷产量协同提高的有效途径［8-10］。截至目前，控释尿素侧深施对机械精量穴直播水稻产量形成与氮肥利用效率的影响尚不清楚。为此，本研究以尿素和控释尿素为氮源，开展机械侧深施氮试验，以期明确侧深施肥技术对水稻产量以及氮肥利用效率的影响，为水稻轻简高效生产提供理论依据与技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验于2018—2019年在中国水稻研究所富阳基地试验农场进行（119°55′E，30°04′N）。土壤为黏性水稻土，2年水稻移栽前土壤含有机质50.20 g／kg、全氮2.42 g／kg、全磷0.68 g／kg、全钾19.70 g／kg、碱解氮260.00 mg／kg、铵态氮9.26 mg／kg、有效磷25.20 mg／kg、速效钾51.00 mg／kg。水稻移栽至成熟期的气象数据如表1所示。

表1 2018-2019年试验区水稻生长期降水量、日照以及平均气温Table 1 Monthly totals precipitation and sunshine hours，and averages temperatures during the growing seasons for rice from 2018 to 2019

1.2 供试材料与试验设计

水稻品种为超大穗型籼／粳杂交稻品种甬优1540，播种至成熟生育期为155 d。氮肥类型为尿素（N含量≥46.7%，中化化肥控股有限公司生产）和控释尿素（N含量≥41.6%，金正大生态工程集团股份有限公司生产，25℃释放期为60 d）。试验采用完全随机区组设计，小区面积12 m×10 m，3次重复。相邻小区之间筑田埂并用黑色塑料薄膜覆盖，以防肥水串灌。设置3种施氮方式，即：N0.不施用氮肥；UB.氮源为尿素，施用量折合纯氮200 kg／hm2，按基肥∶分蘖肥∶促花肥∶保花肥＝4∶2∶2∶2比例施用，均为人工撒施；CDP.氮源为控释尿素，施用量折合纯氮180 kg／hm2，在播种时作基肥1次机械侧深施。不同处理磷、钾肥施用量相同，基施过磷酸钙（含P2O513.5%，浙江江山塔峰化肥厂生产）445 kg／hm2；氯化钾（含K2O 62.5%，中农集团控股有限公司生产）120 kg／hm2，在移栽前1 d和拔节期分2次施用，2次用量相等。2年试验，水稻生育期较接近。水稻经催芽露白后于6月1日采用上海世达尔公司生产的2-BD型水稻机械精量穴直播机直播，株行距为33 cm×16.5 cm，每穴3～5粒稻种，播种量为22.5 kg／hm2，8月28-29日齐穗，10月30日收获。按照文献［11］的方法，全生育期严格控制病虫草害。

1.3 取样与测定

（1）茎蘖动态与茎蘖成穗率。分别于拔节期、齐穗期、成熟期调查各小区茎蘖数，每小区考察100穴植株，并按照文献［11］的方法计算茎蘖成穗率。

（2）干物质量与作物生长速率。与上述相同时期，按平均茎蘖数取6穴植株，分成茎鞘、叶片（绿叶与枯叶）与穗（拔节期除外），先将分解后的植株置于烘箱中105℃杀青30 min，再将烘箱温度调至70℃，恒温72 h烘干称重，按照文献［12］的方法计算作物生长速率（Crop growth rate，CGR）。

（3）叶面积指数与光合势。与上述相同时期，用Li-Cor 3050型叶面积仪测定植株叶面积，并根据文献［11］的方法计算光合势（Leaf area duration，LAD）。

（4）剑叶净光合速率。在齐穗后12、24、36 d，于9∶00采用Li-Cor 6400便携式光合测定仪测定剑叶光合速率，期间天气晴朗无风。叶室CO2浓度为380μmol／mol，使用红蓝光源，光量子通量密度（PFD）为1 400μmol／m2·s，温度28～30℃。各处理重复测定6张叶片。

（5）根系氧化力。与测定剑叶净光合速率的相同时期，挖取3穴水稻根系用于测定根系氧化力。根系取样与根系氧化力测定均参照文献［12］的方法。

（6）考种与计产。成熟期各小区考察50穴植株的有效穗数，并按平均有效穗数取10穴用于测定结实率和千粒质量，各小区实收计产。

1.4 数据处理

采用以下公式计算各参数：

茎蘖成穗率（%）＝成熟期有效穗数／拔节期茎蘖数×100

氮肥农学利用效率（kg／kg）＝（施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量）／施氮量

氮肥吸收利用率（%）＝（成熟期施氮区地上部氮素积累量-成熟期不施氮区地上部氮素积累量）／施氮量×100

氮素稻谷生产效率（kg／kg）＝籽粒产量／成熟期地上部氮素积累量

式中：L1和L2为前后两次测定的叶面积（m2／m2）；T1和T2为前后测定的时间（d）。

式中：W1和W2为前后两次测定的地上部干物质量（g／m2）；T1和T2为前后测定的时间（d）。

用SAS／STAT统计软件（Version 6.12，SAS Institute，Cary，NC，USA）进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 产量及其构成要素

施氮方式能显著影响水稻产量及产量构成因素。与UB相比，CDP处理显著增加水稻产量，增幅为5.1%～5.7%。CDP的总颖花量较UB显著降低，主要是单位面积穗数的降低导致总颖花量的降低，每穗粒数在CDP与UB间没有显著差异（表2）。CDP的结实率与千粒质量均较UB有大幅提升，这是其产量增加的主要原因。

表2 不同施氮方式的水稻产量及其构成因素比较Table 2 Comparison of grain yield and its yield components under different N managements

2.2 植株吸氮量与氮素利用效率

与N0相比，UB与CDP植株吸氮量显著提高，但UB与CDP间并没有显著差异（表3）。与UB相比，CDP的氮肥农学利用效率、氮肥吸收利用率以及氮素稻谷生产效率均显著提高。

表3 2018-2019年不同施氮方式的水稻氮肥利用效率比较Table 3 Comparison of nitrogen use efficiency of rice under different N managements from 2018 to 2019

2.3 茎蘖数与茎蘖成穗率

与N0相比，UB与CDP显著增加了水稻生育期的茎蘖数，但茎蘖成穗率却显著降低。CDP的茎蘖数在拔节期、齐穗期与成熟期均显著低于UB，而茎蘖成穗率则较UB显著提高（表4）。说明CDP可以在生育前期将有限的氮素资源更多的集中到有效分蘖上，进而获得较高的产量与氮肥利用效率。

表4 2018-2019年不同施氮方式处理的水稻茎蘖数与茎蘖成穗率比较Table 4 Comparison of number of tillers and percentage of productive tillers under different N managements from 2018 to 2019

2.4 干物质量与作物生长速率

施氮方式对水稻主要生育期的地上部干物质量与作物生长速率均有影响（表5）。与N0相比，UB与CDP能显著提高整个生育期的地上部干物质量与作物生长速率。CDP处理拔节期的地上部干物质量及拔节前的作物生长速率均显著低于UB，齐穗期与成熟期的地上部干物质量及拔节—齐穗和齐穗—成熟的作物生长速率与UB无显著差异。

表5 2018-2019年不同施氮方式处理的水稻干物质量与作物生长速率（CGR）比较Table 5 Comparison of shoot dry weight and crop growth rate（CGR）of rice under different N managements from 2018 to 2019

2.5 叶面积指数与光合势

施氮方式对水稻主要生育期的叶面积指数及光合势均有影响（表6）。与N0相比，UB与CDP显著提高了整个生育期的叶面积指数与光合势。CDP处理拔节期的叶面积指数、拔节前的光合势均显著低于UB，齐穗期的叶面积指数、拔节—齐穗的光合势与UB无显著差异，而成熟期的叶面积指数以及齐穗—成熟的光合势则显著高于UB。

表6 2018-2019年不同施氮方式处理的水稻叶面积指数（LAI）与光合势（LAD）比较Table 6 Comparison of leaf area index（LAI）and leaf area duration（LAD）of rice under different N managements from 2018 to 2019

2.6 根系氧化力与剑叶净光合速率

施氮方式对水稻灌浆期的根系氧化力与剑叶净光合速率均有影响（表7）。灌浆早期3种施氮方式的根系氧化力无显著差异。与N0相比，UB与CDP显著提高了灌浆中期与后期水稻根系氧化力。CDP的根系氧化力在灌浆中期与UB无显著差异，但灌浆后期显著高于UB。同期还测定了剑叶净光合速率，其变化规律与根系氧化力一致。

表7 2018-2019年不同施氮方式处理的灌浆期水稻根系氧化力与剑叶净光合速率比较Table 7 Comparison of ROA and flag leaf photosynthetic rate of rice after heading under different N managements from 2018 to 2019

3 讨论

当前我国水稻生产中肥料的施用方式以速效肥料表面撒施为主，养分流失严重。机械侧深施肥技术，通过机械将养分精准送达水稻根区，减少了养分损失，促进植株对根际氮素的吸收，进而提高产量与氮肥利用效率。朱从桦等［8］发现，机械侧深施肥替代传统撒施能够显著增加机插水稻干物质积累量，增加有效穗数，提高水稻氮素吸收量，提高灌浆结实期茎叶氮素表观转移量和干物质转移量，同步提高水稻产量和氮肥吸收利用率。近年来，缓／控肥料的研发与推广迅速展开。缓／控肥料利用多种调控机制使养分按照设定的释放速率和周期缓慢或控制释放，以满足作物在一定生长季内对养分的需求，可有效降低施肥劳动强度、提高肥料利用率。很多研究指出，施用缓／控释肥料可显著降低稻田表层水中铵态氮的含量，减少氮素因氨挥发而损失，提高叶片氮代谢酶活性，改善根系构型，延缓根系衰老，协同提高水稻产量与氮肥利用效率［13-16］。本研究表明，与UB相比，CDP处理可显著提高水稻产量与氮肥利用效率。

有效穗数是水稻高产形成的重要因素。有效穗的多寡，取决于水稻分蘖的多少和茎蘖成穗率。前人研究表明，控制无效分蘖，提高茎蘖成穗率，是塑造高质量水稻群体的有效途径［17-19］。本研究中，与UB相比，CDP处理显著降低了水稻拔节期与齐穗期的茎蘖数和成熟期的有效穗数，从而显著提高了茎蘖成穗率。控释肥料机械侧深施可以减少无效分蘖的发生，将更多的养分集中到有效穗上去。无效分蘖的减少有利于改善群体的通风透光条件，有利于抽穗后物质的生产与积累，进而提高产量与氮肥利用效率。

每穗颖花数是水稻产量构成的另一重要因素。一般认为，在长江中下游稻区实现超高产的主要途径是主攻大穗［20，21］。生产实践中，主要通过采取施用速效氮肥调控水稻颖花的形成，即在穗轴分化期、雌雄蕊分化期至减数分裂前期分2次施用尿素，前者为促花肥，促进颖花多分化，后者为保花肥，可减少颖花退化，从而利于大穗形成。在本研究中，UB处理的氮肥运筹方式按基肥∶分蘖肥∶促花肥∶保花肥＝4∶2∶2∶2比例施用，其每穗粒数高达315粒以上。CDP处理则是将控释尿素在移栽前1次深施，但UB与CDP处理水稻每穗颖花数之间并无显著差异。说明控释尿素深施尽管减少了氮肥的施用次数，但在颖花形成方面却可以达到相似的效果，从而实现省工节本增效。

籽粒灌浆是水稻产量形成的最后阶段，是粒重、产量及稻米品质的决定性阶段［22］。水稻籽粒灌浆所需的光合同化产物来源于两方面：花后功能叶片的光合作用以及花前储存在茎和其他器官（主要为叶鞘）中的非结构性碳水化合物［23］。其中，灌浆物质有近90%来源于叶片的光合作用。因此，维持灌浆期较高的叶片光合作用能力，延缓植株衰老，对于水稻籽粒充实具有重要的影响。本研究中，与UB相比，CDP处理显著提高了齐穗至成熟期的LAD与CGR，提高地上部叶片净光合速率并延长叶片光合作用时间，提升花后干物质生产能力，促进籽粒灌浆。此外，CDP处理可显著提高灌浆期根系氧化力，延缓根系衰老。健壮的根系不仅可以从土壤中汲取更多的水分与养分，而且可以合成并向地上部输送植物内源激素，调控地上部生长发育；另一方面，地上部植株又可以保证充足的碳水化合物输送至根部，从而维持根系强大的生理活性［24，25］。因此，推测控释尿素机械侧深施可以改善灌浆期植株生长发育，延缓根系衰老，促进籽粒灌浆。