钵苗机插密度对杂交籼稻新品种氮肥利用效率的影响

江学海, 罗德强, 李敏, 姬广梅, 蒋明金, 李立江,李刚华, 周维佳, 张佳凤

(1.贵州省水稻研究所, 贵阳 550006; 2.南京农业大学农学院, 南京 210095)

随着我国农村劳动力减少、人工成本增加、农业结构调整及生产技术的发展，近年来水稻机械化进程明显加快[1]。因地形、气候等因素，南方地区机插面积低于全国平均水平[2]，特别在我国西南地区的喀斯特山区，水稻生产机械化发展受地理气候限制尤为突出。为解决山地农业春季低温、茬口紧张和秧龄弹性差等问题，2013年引进了钵苗机插技术[3]。与毯苗机插技术等相比，钵苗机插技术有利于高产品种育成适龄壮秧、改善群体质量，进而提高产量[4-5]。机插密度、氮肥及其运筹方式等是钵苗机插的关键技术，密度是高产群体构建的基础，产量与密度呈抛物线关系[6-7]。超级稻品种因其穗数与穗粒数自我调节功能，产量受密度影响不大[8]。围绕密度与栽插方式、特定品种的产量及氮肥效率关系，前人已做了大量研究，但多以手插、毯苗机插方式为主[9-10]，通过增加移栽密度可大幅度增加有效穗，显著提高产量和氮肥利用效率。徐新朋等[11]研究氮肥用量和密度两因素对双季稻氮肥利用率影响，结果表明，随移栽密度增大，水稻植株氮积累量增加，氮素吸收利用率(recovery efficiency，RE)、氮素偏生产力(partial factor productivity, PFP)、氮素生理利用率(physiological efficiency, PE)、氮素内在养分效率(internal efficiency, IE)和氮素收获指数(nitrogen harvest index, NHI)均降低，而氮素农学效率(agronomic efficiency, AE)则先升高后降低。不同栽插方式对水稻的氮肥利用效率影响显著，毯苗机插方式下水稻的氮肥回收率显著高于手插方式，但手插方式下水稻植株各生育阶段的氮积累和转运量高于毯苗机插[12]。此外，筛选氮高效品种也是提高水稻氮肥利用效率的主要途径[13]，不同穗型的品种随着穗型的减小,氮肥PEP和NHI也随之降低[14]。

品种类型、栽插方式和密度等均影响水稻氮肥吸收利用效率，“十三五”以来，西南地区选育了一批具有高光效、优质、多抗特征的水稻新品种[15]，其株型、光效利用、肥料效率和穗粒结构等农艺、营养等生理性状与老品种有较大差异[16-19]，亟需与之配套的钵苗机插栽培技术，以提高水稻产量和氮肥利用效率，达到减肥增产的目的。为此，本研究在新品种适应性和高产高效兼顾最佳施氮量的基础上，通过调节钵苗机插密度进一步研究西南地区选育的优质多抗高光效不同粒重品种的氮肥吸收利用能力及其与密度的关系，阐明钵苗机插下密度对不同粒重类型品种的氮肥吸收积累、转运特性和氮肥利用效率影响，以期为西南稻区品种选育、材料创制及配套高产高效栽培技术提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

根据前期对36个西南区新选育适应性筛选结果，按照粒重选择具代表性的不同粒重类型中籼杂交稻新品种为试验材料：内6优107(2018年国审稻，大粒型，区试千粒重31.9 g)和旌优华珍(2017年国审稻，中粒型，区试千粒重27.8 g)，生育期均为160 d左右,种子由四川省农业科学院水稻高粱研究所提供。

1.2 试验地点概况

试验于2018—2019年在贵州省黔西南州兴义市万峰林社区贵州超高产试验示范基地(25°1′5.8″N、104°55′7.8″E)进行。试验地海拔1 150 m，属亚热带山地季风湿润气候，年均气温16.5 ℃左右，年降水量1 450 mm左右，无霜期280 d左右。试验田块为黄壤土，0—20 cm耕层的有机质55.370 g·kg-1、全氮3.449 g·kg-1、碱解氮245.000 mg·kg-1、全磷1.592 g·kg-1、速效磷15.810 mg·kg-1、全钾11.946 g·kg-1、速效钾245.800 mg·kg-1、pH 6.49。

试验地2018—2019年的降雨量差异较大(图1)。在苗期(5月)和分蘖后至拔节前(7月)，2019年试验期间降雨量分别较2018年增加367.1和126.8 mm；而在扬花至灌浆初期(8月)，2019年试验期间降雨量则较2018年减少161.8 mm；2018和2019年试验期间在分蘖期到成熟期(6—9月)总降雨量基本一致，分别为576.1和592.4 mm。两年试验期间日均温在苗期和分蘖初期略有差异，从有效分蘖临界期至成熟期基本一致，平均日均温分别为22.2和22.3 ℃。

1.3 试验设计

试验采用两因素裂区设计，以品种为主区：大粒型品种内6优107和中粒型品种旌优华珍；以机插密度为副区：在行距33 cm的前提下，根据插秧机固有株距设置株距为24、16和12 cm，机插密度分别为12.6×104、18.9×104和25.2×104穴·hm-2，分别记为LD、MD和HD，同时以当地常用人工手插宽行窄株栽培模式为对照(行距30 cm，株距26.4 cm，密度12.6×104穴·hm-2)，记为CK；小区面积30 m2，3 次重复，共计24个小区。均于2018—2019年4月9日播种，采用塑料钵体硬盘旱育秧方式，5月12日移栽，秧龄33 d，用钵苗乘坐式高速插秧机亚美柯2ZB-6A(RXA-60T，常州亚美柯机械设备有限公司)进行机插，密度按试验设计进行，人工手插处理每穴移栽2苗。总施纯氮165 kg·hm-2，纯磷72 kg·hm-2，纯钾 108 kg·hm-2。其中，氮肥分别作基肥、蘖肥和穗肥三次施用，比例为3∶3∶4，钾肥作基肥和穗肥两次施用，磷肥全作基肥，穗肥于倒3.5叶期(拔节前)施用。移栽后返青至有效分蘖期保持水层，分蘖高峰期排水晒田，拔节至扬花期建立水层，灌浆期干湿交替灌溉至成熟，2018和2019年分别于9月18日和9月16日收获。移栽后根据田间实际防治病虫害3次，其余田间管理与当地农户生产相同。

1.4 测定项目与方法

1.4.1氮素积累、转运与利用 于拔节期、抽穗期和成熟期按照平均茎蘖数法取水稻植株地上部分5穴，并按叶、茎鞘、穗分样后分别装袋进行烘干，经105 ℃杀青30 min后，75 ℃烘干至恒重，称取干物质质量。将烘干样品按器官粉碎经80目筛用塑封袋密封防潮，用以测量样品含氮率。含氮率测定采用凯氏定氮法，粉碎样品经浓H2SO4加催化剂消煮后，采用Hanon-K9860全自动定氮仪测定含氮率后计算植株吸氮量。阶段吸氮量、叶茎鞘氮素转运量、氮素表观转运率、氮素贡献率、氮肥偏生产力、氮肥干物质生产效率、氮肥收获指数按以下公式计算。

阶段吸氮量(kg·hm-2)=后一生育时期单位面积植株吸氮量-前一生育时期单位面积植株吸氮量

(1)

叶茎鞘氮素转运量(kg)=抽穗期叶茎鞘吸氮量-成熟期叶茎鞘吸氮量

(2)

叶茎鞘氮素转运率=(叶茎鞘氮素转运量/抽穗期叶茎鞘吸氮量)×100%

(3)

氮素表观贡献率=(叶茎鞘氮素转运量/成熟期籽粒吸氮量)×100%

(4)

氮肥偏生产力(kg·kg-1)=施氮区产量/施氮量

(5)

氮肥干物质生产效率(kg·kg-1)=成熟期植株干物质积累量/成熟期植株吸氮量

(6)

氮肥收获指数=(成熟期穗部吸氮量/成熟期植株总吸氮量)

(7)

1.4.2产量及其构成 成熟期每个小区调查植株50穴，计算有效穗数，根据有效穗数平均值取整，在每个小区取同数量穗数的正常植株5穴，考察穗粒数和结实率，将籽粒烘干至恒重后，按照13.5%水分计算千粒重。各小区去除边行后实割实收测定实际产量。

1.5 数据分析

使用Microsoft Excel 2013处理数据，SPSS 16.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 主要指标方差分析

对2018—2019年试验的产量、地上部分植株含氮率、成熟期植株氮素积累量和氮素表观转运率进行方差分析，结果(表1)表明：重复的品种与机插密度处理下，不同年份间各主要指标的差异整体上均不显著，由于2年试验结果趋势一致,除产量及产量构成要素外，本文主要针对2019年数据进行分析。

表1 2018—2019年水稻产量及氮素积累与转运指标的方差分析Table 1 Analysis of variance for grain yield, N accumulation and N translocation of rice from 2018 to 2019

2.2 产量及产量构成因素

从表2可以看出，旌优华珍产量均高于内6优107，在2018和2019年分别增产4.35%和4.86%。从不同密度处理来看，2018和2019年钵苗机插方式下内6优107和旌优华珍的产量均随机插密度的增加表现为先增加后降低的趋势，且均显著高于当地惯用人工手插宽行窄株栽培模式(CK)。2018年MD处理下内6优107和旌优华珍产量分别较LD、HD、CK增加16.05%、5.36%、27.99%和7.72%、6.49%、25.42%；而2019年MD处理下内6优107和旌优华珍产量分别较LD、HD、CK增加15.55%、3.20%、30.21%和9.88%、3.60%、30.09%。

表2 不同钵苗机插密度下不同粒重品种的产量及产量构成因子Table 2 Yield and its components of different grain-weight rice cultivars under bowl-seedling-mechanically densities

就产量构成因素来看，旌优华珍的有效穗数、穗粒数和结实率均高于内6优107，但千粒重相对较小。不同机插密度处理下，除穗粒数外，两个品种的产量构成因素趋势一致。随着密度的增加，有效穗数增加，结实率先增加后降低，千粒重变化相对较小；旌优华珍的穗粒数逐渐减少，而内6优107则表现为先增加后减少。不同机插密度处理下，2018和2019年内6优107的穗粒数变幅为2.11%～9.37%和3.54%～10.23%，而旌优华珍为0.45%～5.59%和1.45%～8.31%，变化幅度小于前者，说明旌优华珍的穗粒数受密度的影响整体上低于内6优107。

2.3 各生育时期植株含氮率

由表3可知，内6优107和旌优华珍植株含氮率在拔节期、抽穗期和成熟期整体差异较小。在不同机插密度下，两品种主要生育时期植株的含氮率整体均表现为HD>MD>LD，且均略高于CK。以品种内6优107来看，拔节期和抽穗期植株的含氮率在不同机插密度处理下差异均不显著，但成熟期HD处理下植株的含氮率分别较MD和LD提高4.50%和18.37%，差异达到显著水平。而就品种旌优华珍来看，仅拔节期植株的含氮率在不同机插密度处理下差异未达到显著水平，抽穗期HD处理下植株的含氮率显著高于MD和LD，而在成熟期HD与MD处理间植株的含氮率相当，且均显著高于LD处理。结果说明，在拔节前，钵苗机插密度对杂交籼稻植株含氮率的影响小，至抽穗期、成熟期，植株含氮率随着密度增加而增加。成熟期大粒型品种内6优107植株含氮率对密度的响应较中粒型品种旌优华珍敏感。

表3 2019年不同钵苗机插密度下不同粒重品种主要生育时期的植株含氮率Table 3 N content of plants at the main stage of different grain-weight rice cultivars under bowl-seeding-mechanically densities in 2019

2.4 各生育时期地上部分植株吸氮量

两个品种主要生育时期地上部分植株吸氮量见图2。在不同生育时期，旌优华珍地上部分植株吸氮量整体上均高于内6优107，说明中粒型品种旌优华珍的吸氮能力相对较强。从机插密度来看，两个品种主要生育时期地上部分植株吸氮量表现基本一致，即随机插密度的增加，拔节期、抽穗期和成熟期两品种地上部分植株吸氮量均表现为HD>MD>LD，且HD处理下高于或显著高于CK。可见，相同密度条件下，钵苗机插可能更有利于水稻植株地上部分氮素吸收。

2.5 植株阶段氮素吸收量及比例

从表4可见，拔节期前、拔节期至抽穗期以及抽穗期至成熟期，旌优华珍植株的阶段吸氮量分别较内6优107提高了7.36%、16.50%和14.35%。同时，除拔节期前外，旌优华珍植株阶段吸氮量比例均高于内6优107，说明与大粒型品种相比，中粒型品种旌优华珍在拔节期后也能保持较强的氮素吸收能力。机插密度对不同粒重类型品种植株阶段吸氮量及比例整体表现一致，但也略有差异。随着机插密度的增加，拔节期前内6优107和旌优华珍植株吸氮量均表现为逐渐增加，且此阶段吸氮量比例均在HD处理下最大，分别较LD、MD处理提高了11.00%、15.96%和22.80%、14.81%，差异达到显著水平；拔节期至抽穗期阶段，内6优107植株吸氮量表现为先增加后降低，而旌优华珍则表现为一直增加，但此阶段两品种吸氮量的比例则均表现为MD>LD>HD>CK；抽穗期至成熟期阶段，内6优107植株吸氮量表现为先增加后降低，而旌优华珍则表现为一直下降，但各机插密度处理间差异未达到显著水平，此阶段两品种吸氮量的比例均逐渐减小。

表4 2019年不同钵苗机插密度不同粒重品种的植株阶段吸氮量及其比例Table 4 N uptake during period stage and its ratio of different grain-weight rice cultivars under bowl-seedling-mechanically densities in 2019

2.6 抽穗后叶茎鞘氮素转运能力

钵苗机插密度对不同粒重品种抽穗后叶茎鞘氮素转运能力的影响见表5。两品种抽穗后叶茎鞘氮转运量基本一致，但旌优华珍的叶茎鞘氮素表观转运率和氮素贡献率均低于内6优107。从机插密度来看，随着机插密度的增加，内6优107的叶茎鞘氮素转运量先增加后降低，而旌优华珍则逐渐增加；两品种的茎叶鞘氮素表观转运率则均表现为降低；内6优107的叶茎鞘氮素贡献率先降低后增加，但差异未达到显著水平，而旌优华珍则逐渐增加。此外，钵苗机插各密度处理下两品种的叶茎鞘氮素转运量均高于或显著高于CK，但不同密度处理下氮素表观转运率和氮素贡献率则与CK差异不尽一致。

表5 2019年不同钵苗机插密度下不同粒重品种抽穗后植株氮素转运能力Table 5 N translocation and conversion rate after heading of different grain-weight rice cultivars under bowl-seedling-mechanically densities in 2019

2.7 氮素利用效率

从图3可见，两品种的氮肥利用效率存在一定差异，尽管内6优107的氮肥偏生产力低于旌优华珍，但其氮肥干物质生产效率和氮肥收获指数均相对较高。就机插密度来看，两品种的氮肥利用效率随机插密度的变化表现一致，即：随着机插密度增加，两品种的氮肥偏生产力均表现为MD>HD>LD，且钵苗机插条件下氮肥偏生产力均高于CK；氮肥干物质生产效率和氮肥收获指数均表现为LD>MD>HD，差异大多达到显著水平。同时，两品种钵苗机插LD处理氮肥干物质生产效率和氮肥收获指数均低于CK，但差异未达到显著水平。说明钵苗机插能适当提高氮肥偏生产力，但会降低氮肥干物质生产效率和氮肥收获指数；适宜提高机插密度可提高氮肥偏生产能力，但不利于提高氮肥干物质生产效率和氮肥收获指数。

3 讨论

减少氮肥投入、提高氮肥利用效率是可持续绿色农业的重要技术支撑[20]。水稻氮肥利用效率受品种[13]、种植方式[14]、栽培密度和肥水调控[21]等多种因素影响。近年来，随着新株型、高产、氮高效杂交水稻品种的生产应用，水稻植株氮肥吸收、转运特征表现不尽相同。研究表明，适当降低氮肥施用量，增加种植密度是提高水稻氮肥利用效率和产量的重要措施[10-11,22]。朱相成等[23]研究表明，氮肥施用减少20%、基本苗数增加33%的条件下，虽然群体的有效穗数减少、总生物量降低，但结实率和收获指数有所提高，最终增产稳产。本文选用两个不同粒重类型杂交籼稻品种为研究对象，在其高产需求总氮225 kg·hm-2的基础上，减少氮用量26.7%进行研究，结果表明，两个不同粒重类型品种在有效穗数上差异较小，但中粒型品种旌优华珍的穗粒数较多，最终总颖花量较大，同时结实率较高，产量优于大粒型品种内6优107，说明减氮栽培模式下选用分蘖能力较强、穗大、粒多，且结实率相对较高的中粒型杂交籼稻品种易达到稳产增产的效果，这与姜元华等[24]研究结论基本一致。同时，本研究结果也发现，两个不同粒重类型品种的主要生育时期植株含氮率以及抽穗期至成熟期氮素转运量差异不显著，但中粒型品种旌优华珍在主要阶段时期氮素积累量均较大粒型品种内6优107高，由此说明中粒型品种旌优华珍在减氮栽培模式下仍能有较强的氮肥吸收能力，但其氮肥干物质生产效率和收获指数相对较低。与胡雅杰等[14]认为钵苗机插小、中穗型粳稻品种氮吸收量低于大穗型品种有所差异，这可能是本研究选择材料为杂交籼稻品种，与其根冠比、氮肥响应能力等性状有关，这有待进一步研究。

在减氮栽培模式下，适当增加密度可保证水稻稳产高产[25-26]，而密度过高或过低都不利于形成高产[27]。朱聪聪等[26]研究表明，株距14 cm时钵苗机插下粳稻产量最高，而本研究认为株距16 cm时钵苗机插杂交籼稻产量最高，这主要是因为杂交籼稻自身分蘖能力强、根多根壮、高密度(株距12 cm)下虽然有效穗数有所提高，但穗粒数显著下降，导致总颖花量过低，加之结实率有所降低，最终难以获得高产；而低密度(株距24 cm)下虽然穗粒数和结实率均能保持较高水平，但由于基本苗数过低，有效穗数严重不足，亦难以获得高产。因此，减氮栽培模式下，适当提高钵苗机插株距(16 cm)能够保证杂交籼稻稳产、增产。另外，本研究也发现，大粒型品种产量构成中有效穗数对钵苗机插密度响应高于中粒型品种，而结实率的响应却较中粒型品种低，这可能与杂交籼稻品种的库源、个体群体平衡关系[28]有关，大粒型品种因库较大，茎蘖发生弱于中粒型品种，群体有效穗数的提高更依靠密度的增加，而中粒型品种适宜密度大小范围宽，易提高库容和群体质量。减氮模式下，适当增加密度能够提高植株对氮素的吸收，提高氮肥利用效率[23]。

本研究结果表明，钵苗机插下不同密度处理间拔节期吸氮量、抽穗期吸氮量以及成熟期吸氮量差异均达到显著水平，但抽穗期至成熟期阶段吸氮量差异不大，说明机插密度在调节水稻群体的同时也对水稻植株吸氮量有一定调控，增密能够显著提高对氮素基蘖肥的吸收(拔节期吸氮量)，而在水稻生育后期增密难以显著提高阶段吸氮量。这可能是因为增加密度主要是提高了群体数量，而并未改变植株本身的吸氮能力(植株含氮率差异在抽穗期前差异较小)，当超过杂交籼稻适宜密度后，水稻生育后期群体差异逐渐减小，最终导致拔节期至抽穗期、抽穗期至成熟期阶段吸氮量差异不大。同时，水稻生育中后期是植株发挥调节功能提高水稻氮素吸收效率的重要时期。本研究也发现，虽然两个品种抽穗后茎叶鞘氮素转运量随着机插密度的增加有增加的趋势，但其表观转运率均降低。整体来看，钵苗机插株距16 cm更有利于水稻植株对穗肥的吸收和抽穗后氮肥的输出量和转运效率，这与王海月等[21]研究结果有所差别，氮素的输出量跟产量显著相关，伴随于叶茎鞘干物质转运的过程[29-30]，氮素的转运率与拔节至孕穗氮素积累相关，还与群体成穗率相关，当成穗率因移栽密度过低而减小[31]，反而促进了无效茎蘖的氮输出的比例，提高了氮素表观转运率、氮素表观贡献率，但因其个体弱、库容小，产量并不高。

氮肥利用效率评价指标很多[32]，适宜的密度更有利于提高水稻氮肥效率，这与李思平等[33]研究一致，合理密植更利于形成高光效群体，发挥新品种的根冠、库源等株型优势。Huang等[30]发现，超高产水稻品种的产量与较高的氮肥偏生产力和氮收获指数有关，且后两者呈正相关，本研究却发现氮肥干物质生产效率和氮肥收获指数与产量并非正相关，进一步说明合理的密度更容易形成源库协调、群体动态大小平衡，干物质积累分配与氮储存转运匹配的生理基础；而不同粒重的新品种采用钵苗机插方式，虽然在产量性状、氮肥吸收转运上存在差异，但通过适宜密度进行自我调节，也能提高产量和氮肥利用效率。钵苗机插方式下，通过适量增加密度能够显著的提高两种粒重类型杂交籼稻新品种的产量和氮肥利用效率。

钵苗机插株距16 cm配置，有利于在各生育时期积累氮素，提高齐穗期至成熟期的氮肥转运量，实现产量和氮肥利用效率最佳调谐。增加密度能够提高对氮素基蘖肥的吸收量，中粒型的品种表现更甚；而拔节期至成熟期的氮肥吸收量是提高水稻产量和氮肥利用效率主要时期，因此，中粒型品种可通过增加密度，减小氮素基蘖肥所占比例，增加穗肥比例；而大粒型品种可选择在适当密度下，增加氮素基蘖肥比例的高产高效技术措施。