“稻-再-油/肥”轮作和施氮对水稻产量及籽粒灌浆特性的影响

田贵生, 王志宾, 李小坤, 朱丹丹, 张江林, 刘秋霞

(华中农业大学资源与环境学院, 微量元素研究中心, 农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室, 武汉 430070)

水稻是我国乃至世界上最主要的粮食作物之一，为了缓解世界人口不断激增和耕地面积不断减少的矛盾，提高水稻产量，保障粮食安全至关重要[1]。目前，水稻增产主要是通过提高单产和增加种植面积来实现。随着农村劳动力日趋紧张和劳动力价格上升，大面积农田撂荒或者多熟制改为单熟制，造成我国水稻和油菜种植面积和总产量均减少[2]。

在我国耕地面积有限的前提下，合理轮作和施用氮肥是提高群体产量的有力措施[3]。再生稻是水稻“一种两收”的种植模式，即头季稻收割后，利用稻桩重新发苗长穗，实现稻田一次耕整、育秧和栽插，收获两季稻谷，有利于增加单位面积有效产量，促进农民增产增收[4]。高菊生等[5]研究表明，与冬闲处理相比，冬季种植绿肥油菜的早、晚稻产量均有提高。张江林等[6]应用Richards模型研究不同施氮量和移栽密度对水稻产量及灌浆特性的影响，结果表明，不同施氮量和移栽密度不仅影响水稻产量，而且还影响籽粒灌浆起始势、灌浆速率和灌浆时间等灌浆特征参数。籽粒灌浆是影响水稻产量和最终粒重的另外一个重要因子。Mohapatra等[7]和朱庆森等[8]均认为,不同部位籽粒灌浆存在差异，对最终产量的影响机制不一致，位于顶部一次枝梗上早开花的强势粒灌浆快、粒重高、充实度好；而位于稻穗基部二次枝梗上迟开花的弱势粒，灌浆慢、粒重低、充实度差，成为限制水稻进一步增产的重要因子，群体结构中水稻弱势粒的灌浆速率对产量限制更大。

稻-油轮作、稻-稻-油轮作和稻-再-油轮作是长江流域最典型的大田轮作模式。在合理施氮条件下，选择何种轮作模式，既能高效地利用周年温光资源，又能有效地提高三熟制作物群体产量，从而实现周年水稻产量提高是一个值得研究的问题。本研究通过三熟制轮作定位试验，探究稻-再-油/肥轮作和施氮对水稻产量及灌浆特性的影响，进一步研究稻-再-油/肥轮作和施氮对群体产量的影响，以期为三熟轮作制的建立及合理施用氮肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2015年4月，在湖北省武穴市梅川镇从政村进行稻-再-油/肥三熟制轮作定位试验。供试水稻品种为岳优9113，油菜品种为华油杂9号。2015—2017年,水稻、油菜均采用移栽种植方式，密度分别为22.50万穴·hm-2和11.25万株·hm-2。供试土壤为花岗片麻岩发育的水稻土，质地是壤土，耕层0～20 cm土壤基础理化性质为pH 5.7、有机质32.1 g·kg-1、全氮1.6 g·kg-1、有效磷27.3 mg·kg-1、速效钾84.5 mg·kg-1。

1.2 试验设计

水稻籽粒灌浆特性试验在2017年头季稻和再生稻上进行,共设4个处理。T1：稻-再-油轮作，三季中除了不施氮肥外，均施用了磷肥、钾肥，三季施磷(P2O5)量分别为75、0和60 kg·hm-2，三季施钾(K2O)量分别为75、45和90 kg·hm-2；T2：稻-再-油轮作，三季施氮(N)量为165、120和180 kg·hm-2，三季磷肥、钾肥用量与T1处理相同；T3：稻-再-肥(油菜蕾薹期翻压还田作绿肥)轮作，三季施氮(N)量为165、120和180 kg·hm-2，三季磷肥、钾肥用量与T1处理相同；T4：稻-再-闲轮作，前两季施氮(N)量为165和120 kg·hm-2，前两季磷肥、钾肥用量与T1处理相同，冬闲季既不种作物，又不施任何肥料。头季稻氮肥运筹模式为基肥:分蘖肥:穗肥=5∶2.5∶2.5，磷肥全部作基肥施用，钾肥的70%作基肥、30%作穗肥；再生稻氮肥运筹模式为催芽肥:促苗肥=5∶5，不施磷肥，钾肥同促苗肥一起施用。供试氮肥为尿素(含N 46%),磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。各处理3次重复，小区面积20 m2(5 m×4 m)，采用随机区组排列。

2015—2017年,水稻撒施基肥耙平后插秧的时间分别为4月26日、4月28日、4月30日，撒施头季稻分蘖肥的时间分别为5月3日、5月5日、5月7日，撒施头季稻穗肥的时间分别为6月29日、6月30日、7月1日，撒施再生稻催芽肥的时间分别为8月6日、8月7日、8月8日，头季稻产量构成因子调查和取样的时间分别为8月13日、8月14日、8月15日，头季稻收割测产的时间分别为8月14日、8月15日、8月16日，撒施再生稻促苗肥的时间分别为8月21日、8月22日、8月23日，再生稻产量构成因子调查和取样的时间分别为11月13日、11月14日、11月15日，再生稻收割测产的时间分别为11月14日、11月15日、11月16日，其他田间管理与当地农户习惯一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1土壤样品采集与测定 试验开展前，采集0—20 cm耕层土壤，风干磨细过筛，按照实验室常规方法测定pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾含量[9]。

1.3.2产量构成因子调查和产量收获 水稻收割前1 d，每个小区选取有代表性的8蔸水稻，带回实验室进行考种，计算有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒重，剩下的各小区实收核产。

1.3.3分蘖动态调查 头季稻移栽后和头季稻收获后第4 d分别选择有代表性植株10株，连续调查分蘖动态10次。分蘖数量以分蘖叶片是否伸出母叶叶鞘为准。

1.3.4灌浆期取样及考种 对生育期较早且穗型相对一致的单茎在穗顶部强势颖花开花当日挂牌，标记开花日期。每次随机取10穗，平均分成2个样本，以观察误差。开花当天的样本取直接着生于穗顶部4个一次枝梗上的颖果(顶部第二粒除外，总数约20粒·穗-1)作为强势粒(superior grains，SG)样本，其余均作中间类型，手工脱粒后计数并高温杀青和初步烘干。在弱势粒开花日(强势粒开花后3 d)取基部5个一次枝梗上直接着生于二次枝梗的颖果(去除枝梗顶端颖果，总数约20粒·穗-1)作为弱势粒((inferior grains，IG)[7]。以后统一每隔4 d进行强势粒和弱势粒同步取样，直至成熟(花后36 d)。非受精籽粒在计数并计算空粒率后剔除。在所有的取样结束后，对杀青和初步烘干的籽粒在60 ℃烘箱中连续烘干3 d后统一称重。利用SC-G型考种仪(杭州万深监测科技有限公司)测定总粒数，计算每粒平均粒重。

1.3.5方程拟合方法 以花后天数为自变量，籽粒均重为因变量，采用Richards方程按照顾世梁等[10]的方法对籽粒灌浆过程进行拟合，并计算导出相应的灌浆特征参数，对籽粒灌浆进行生长分析。Richards方程如下。

W=A/(1+Be-Kt)1/N

式中，W为各时期籽粒重量；A为终极生长量；t为开花后的时间(开花当日为0 d)；B、K、N为方程参数。

1.4 数据统计

采用Excel 2013整理试验数据，采用SPSS 20进行数据统计分析，采用Origin 2017进行灌浆方程的拟合和图表绘制。

2 结果与分析

2.1 水稻产量及产量构成因子

2.1.1水稻产量 表1显示，2015—2017年各处理的周年水稻产量均表现为：T3>T2>T4>T1。与T4 相比，T2能显著提高头季稻和再生稻产量，2016—2017年增产分别为621和466 kg·hm-2、1 542和539 kg·hm-2，增幅分别为8.4%和14.4%、22.2%和17.7%；T3也能显著提高头季稻和再生稻产量，2016—2017年增产分别为941和576 kg·hm-2、1 747和743 kg·hm-2，增幅分别为12.7%和17.9%、25.1%和24.4%；而T2与T3的头季稻和再生稻产量差异并不显著。表明，与冬闲两熟制相比，稻-再-油/肥三熟制可以显著提高水稻产量。与不施氮处理T1相比，施氮处理T2能显著提高头季稻和再生稻产量，2015—2017年增幅分别为35.1%和22.0%，36.4%和30.3%，65.1%和65.6%。

表1 不同处理对水稻产量的影响Table 1 Effect of different treatments on the rice yield

2.1.2水稻产量构成因子 从表2可以看出，与T4相比，T2和T3头季稻和再生稻的分蘖成穗率、每穗粒数显著增多，T2分别增加1.5%、13粒和2.2%、18粒，T3分别增加1.5%、10粒和2.8%、13粒。与T1相比，T2头季稻和再生稻的每平方米穗数、每穗粒数均显著增多，但分蘖成穗率显著减少，分别减少2.8%和6.2%。千粒重和结实率在各处理间均没有显著差异。

表2 不同处理对2017年头季稻和再生稻产量构成因子的影响Table 2 Effect of different treatments on the yield component of the first-season rice and ratoon rice in 2017

2.2 水稻群体分蘖动态

图1显示，在头季稻前期，各处理分蘖速度变化不大，中、后期分蘖速度加快，分蘖数增加，最终以T3分蘖数最多，其次为T2和T4，T1分蘖数最少。可见，不同的轮作方式和氮肥的施用均会影响水稻的分蘖能力。与不施氮处理T1相比，在头季稻最高分蘖期施氮处理T2的单株平均分蘖数增多，增幅为49.5%。在头季稻收获后，各处理再生芽生长速度变化均呈快-慢-平的增长趋势，最终以T3的再生芽数量最多，其次为T2和T4，和T1最少。可见，不同的轮作方式和氮肥的施用均会影响水稻的再生能力。与不施氮处理T1相比，在再生稻最高芽蘖期施氮处理T2的单株平均再生芽数增多，增幅为69.3%。表明，施氮能影响头季稻的分蘖能力和再生稻的再生能力。

2.3 水稻个体籽粒均重

表3显示，强、弱势粒的拟合度(回归平方和占总平方和的比值)全都在0.96以上，这说明灌浆过程符合Richards模型。T2、T3的水稻籽粒最终粒重(A)明显大于T1、T4。与T4相比，T2和T3明显提高头季稻、再生稻强和弱势粒的最终粒重，头季稻每粒分别增加0.68、0.50和1.06、1.38 mg，再生稻每粒增加0.31、1.27和0.46、0.89 mg；与T1相比，T2显著提高头季稻和再生稻强、弱势粒的最终粒重，每粒分别增加0.45、1.06和1.86、3.62 mg。可见，稻-再-油/肥三熟制轮作和施氮均能显著提高水稻籽粒最终粒重。

表3 水稻灌浆过程的Richards方程参数Table 3 Richards equation parameter of rice filling process

2.4 水稻个体籽粒灌浆速率

从表4可以看出，与T4相比，T2、T3均降低头季稻和再生稻弱势粒的最大灌浆速率、平均灌浆速率，头季稻降幅分别为9.1%、19.0%和4.8%、9.3%，再生稻降幅分别为5.9%、12.5%和2.9%、5.9%；与T4相比，T2、T3均提高头季稻和再生稻强势粒起始势、弱势粒到达最大灌浆速率的干物质量，头季稻增幅分别为40.9%、20.4%和48.5%、22.9%，再生稻增幅分别为27.1%、0.3%和32.2%、1.1%；与T4相比，T2、T3均延长头季稻和再生稻灌浆活跃期和有效灌浆时间，分别延长头季稻强势粒0.31、0.99和1.42、1.47 d，分别延长弱势粒7.02、10.98和8.35、10.25 d，分别延长再生稻强势粒0.45、0.19和1.44、1.69 d，分别延长弱势粒0.28、0.88和7.75、8.86 d。与T1相比，T2降低头季稻和再生稻弱势粒起始势、强势粒到达最大灌浆速率的干物质量，头季稻降幅为26.7%、4.6%，再生稻降幅为2.7%、1.0%；但是提高头季稻和再生稻强势粒的最大灌浆速率、平均灌浆速率，头季稻增幅分别为4.5%、13.6%，再生稻增幅分别为21.2%、11.4%；且T2可延长头季稻和再生稻灌浆活跃期、有效灌浆期，分别延长头季稻强势粒0.49、1.78 d，分别延长弱势粒8.86、8.76 d，再生稻强势粒延长分别为5.78、2.08 d，分别延长弱势粒2.05、8.32 d。从而达到延长水稻籽粒有效的灌浆时间和提高平均灌浆速率的目的。

表4 水稻灌浆速率特征参数Table 4 Characteristic parameters of grain-filling rate

3 讨论

3.1 稻-再-油/肥三熟制轮作对水稻籽粒产量及其灌浆特性的影响

水旱轮作是指在同一田块上有序地轮换种植水稻和旱地作物的种植方式。在水旱轮作系统中，由于季节间的干湿交替，土壤氧化还原过程交替进行，导致土壤中的物质存在形态和有效性的变化。万晟杰等[11]则通过水稻-再生稻-油菜三熟制油菜品种的筛选发现，冬闲田因长期不能换茬，稻田年年处于泡水、冬板状态，造成土壤理化性状变劣，水、肥、气、热失调，供肥能力下降，次生潜育化日趋严重，已成为长江中、下游地区水稻进一步提高产量的限制因子。本研究表明，两种轮作体系下水稻的分蘖数也存在差异，单株平均有效分蘖数为：稻-再-肥>稻-再-油>稻-再-闲轮作。表明在相同施氮量下，水稻-油菜轮作作为一种用地与养地相结合的轮作方式，由于油菜落叶归还大量氮素，也能起到一定培肥土壤的作用，而油菜作绿肥翻压还田既能增加土壤有机质和全氮含量，还能提高氮肥利用率，因而与冬闲相比，冬季种植油菜或绿肥油菜还田都能增加头季稻单株有效分蘖数和分蘖成穗率，进而提升水稻群体的质量。研究表明，油菜作为直根系作物，与水稻进行水旱轮作有利于改善土壤结构，且油菜含有丰富的硫甙，有利于克服稻田连作障碍和清洁生产，可实现水稻可持续超高产[12]。

在南方三熟稻区双季稻超高产栽培研究进展中，提出南方水田冬种绿肥，不仅能充分利用长江流域第二雨季的水热资源，还可以在高产稳产的同时改善和提高土壤肥力，因为绿肥具有更新土壤腐殖质、提高土壤有机质、改善土壤理化性状和提高土壤磷有效性等作用[13]。本研究表明，与稻-再-闲相比，稻-再-油/肥轮作，头季稻和再生稻产量连续两年显著增产。在整个周年水旱轮作中，冬季种植油菜或者绿肥油菜不仅能增加水稻每平方穗数和每穗粒数，而且提高水稻个体灌浆速率，延长有效灌浆时间，从而为后茬水稻高产奠定基础。

3.2 施氮对水稻籽粒产量及其灌浆特性的影响

水稻分蘖消长是水稻基本生长发育特性之一，是形成高产水稻群体的前提。水稻分蘖受到多种环境条件的影响，氮是影响水稻分蘖的重要因子。本研究表明，施氮与不施氮处理间水稻的分蘖数差异显著。水稻籽粒的灌浆过程决定了最终的粒重和产量，而籽粒的产量又与灌浆过程中的粒重、灌浆时间和灌浆速率密切相关。与不施氮相比，施氮不仅能提高了水稻强势粒最大灌浆速率、平均灌浆速率，而且延长强、弱势粒灌浆活跃期和有效灌浆期，从而显著促进头季稻和再生稻增产，与前人研究结果一致[14]。

长期以来，土壤地力是在多种因素综合作用下逐渐形成差异的。其中不同轮作模式也是影响土壤地力的重要因素之一，从而影响作物产量。李宗云等[15]研究认为，通过长期养分管理的调控可以提高籽粒灌浆速率，延长强、弱势粒的灌浆时间，增加籽粒的重量。朱芸等[14]通过评估1990—2017年长江流域不同轮作体系周年养分收支平衡，比较油-稻与麦-稻轮作体系养分收支差异，水旱轮作体系在秸秆不还田时，油-稻体系氮盈余，麦-稻体系氮持平或略有亏缺。秸秆还田时，两种轮作体系氮均表现为盈余，说明秸秆还田能够增加氮养分输入，维持土壤氮养分的平衡。因此，油-稻轮作可考虑降低氮肥的施用。薛斌等[16]在湖北省2个秸秆还田长期定位试验(武穴市8年和荆州市3年)的基础上，研究了武穴和荆州土壤肥力的变化，结果表明，两地耕层(0—20 cm)土壤中各养分(全氮、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾)的含量均显著高于20—40 cm土层，秸秆还田能有效提高耕层土壤中有机质和全氮的含量。本研究结果也表明，在相同施氮量下，经过3年不同轮作方式和绿肥翻压还田对水稻的籽粒灌浆速率也产生显著影响。因此，根据不同轮作模式下土壤有机氮库转化特点，优化氮肥施用对于提高水稻产量和籽粒灌浆速率具有重要意义。

致谢：田间试验得到了湖北省武穴市农业局的支持，特别感谢吴海亚、游秋香、王少华、周雄、陈少卿、张少楠等专家在试验管理上的大力帮助。