氮肥运筹下不同种植方式水稻对氮素的吸收、转运和利用

乔 月，朱建强，吴启侠，黄思情，李明辉

（长江大学农学院，湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北 荆州 434025）

水稻是我国主要的粮食作物之一，在我国粮食生产中占有重要地位［1-2］。其种植面积分别约占我国粮食作物播种面积和世界水稻种植面积的25%和20%［3-4］。氮素养分是影响水稻产量的主要因子之一，农民常常为了获得作物高产，施用大量氮肥，致使我国氮肥用量和稻田氮肥用量分别约占全球该用量的30%和37%，我国已成为世界第一氮肥消费国［5-6］。然而，过量和不合理地施用氮肥不但不利于水稻增产和氮肥利用率的提高，还会引发一系列的环境污染问题，如湖泊水体富营养化、地下水中硝酸盐污染等［7］，进而严重影响农业、社会和生态的可持续发展。我国目前氮素当季利用率仅为30%～35%［8］，因此，提高氮素利用效率，降低氮素损失是农业可持续发展的关键［9］。目前，关于氮肥运筹的研究主要集中在传统的人工移栽和机插稻，但是基于直播稻田的氮素增产效果及提高养分利用率等方面还缺少研究。近年来，直播水稻因省工、省力、省成本、生育期短且有利于机械化推广等特点而倍受人们青睐［10-12］，在我国部分地区发展迅速，特别是长江中下游平原地区。上海直播水稻面积在2008年就已达83.18%，江苏地区2012年直播水稻种植面积已达到了40%，其面积仍然表现出增大的趋势［13］，据不完全统计2018年湖北省直播水稻面积已超过50%。现有研究表明，直播稻因减去了育秧环节，导致其具有营养生长期缩短，前中期物质积累量相对偏低，中后期生长量大，群体发育快等特点［14-18］。因此，本文按照不同生育期取样对比研究机插稻与直播稻等量施用不同肥源氮对水稻氮素吸收、转运及利用率的影响，以期为江汉平原地区直播稻的施肥技术提供理论基础和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在长江大学农学院基地标准径流小区进行，属北亚热带农业气候带，2019年水稻生育期平均气温27.5℃，水稻生育期降水量为333.5 mm，日照时数719.8 h。耕作层（0～20 cm）土壤基本性状为：pH 7.15、有机质28.25 g/kg、全氮2.13 g/kg、全磷1.15 g/kg、碱解氮113.05 mg/kg、有效磷12.89 mg/kg和速效钾219.65 mg/kg。供试品种为深两优332，属杂交稻，在湖北省作一季中稻栽培，全生育期114 d左右，株高126 cm左右，5月30日播种，8月下旬孕穗，9月中下旬成熟。整个生育期按常规田间管理。

稻田进行旋耕、泡田，泡好后再次旋耕，根据氮肥管理模式安排施入底肥。机插稻于5月28日施入基肥，于5月29日进行插秧，移栽所用秧苗为工厂化育秧秧苗，秧龄20 d，采用人工模拟机插秧方式移栽，移栽密度为25 cm×25 cm，每穴2苗，移栽后保持田间3～5 cm水层；直播稻于5月29日施入基肥，5月30日播种，播种前进行田间排水，保持田间湿润无水层，将小区整成沟厢模式（小区中间开沟），厢宽1.5 m，沟宽0.3 m，沟深0.1～0.2 m。播种前均对种子进行浸泡和催芽，在种子芽长为3 mm左右时，适当摊开晾干。播种时进行人工划行均匀播种，播种量折干种为22.5 kg/hm2。播种后3 d内进行化学除草，三叶一心期前采用厢面无水、厢沟有水的水分管理模式，三叶一心期后采用相应的水分管理模式。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主区为不同种植方式水稻（直播稻、机插稻），副区为4种氮肥管理，共计8个处理，每处理3个重复，共24个试验小区，小区面积均为50 m2，小区之间用薄膜和土埂隔开，防止小区之间窜水窜肥，每小区均有独立的灌溉系统和径流池。4种氮肥管理为：当地常规施肥（FFP），机插稻氮素施用比例为基肥∶分蘖肥=7∶3，基于直播稻生长规律及前人研究结果［19］，直播稻氮素施用比例调整为基肥∶分蘖肥=4∶6，基肥、分蘖肥氮素分别由普通复合肥、尿素（N 46%）提供；缓控释肥与尿素配施（CRF），机插稻、直播稻氮素施用比例均为基肥∶分蘖肥=7∶3，基肥、分蘖肥氮素分别由缓控释肥、尿素提供；海藻多糖氮肥替代（HTN），机插稻、直播稻氮素施用比例分别与FFP一致，氮素均由海藻多糖氮肥提供；不施氮肥的空白对照（CK），磷、钾肥用量与FFP一致。除CK不施氮肥外，所有处理施肥量以有效养分N、P2O5、K2O计均为180、75、105 kg/hm2，各处理磷肥、钾肥不够部分分别用过磷酸钙（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%）补充，磷肥和钾肥均作基肥施入。试验用普通复合肥养分含量为41%（N-P2O5-K2O=18-8-15），由湖北中化东方肥料有限公司提供；缓控释肥（CRF）由中化化肥有限公司提供，其养分含量为48%（N-P2O5-K2O=24-12-12），氮素采用包膜技术控制养分释放，耕作层平均地温25℃时养分释放期为60 d；海藻多糖氮肥（HTN）由中化化肥有限公司提供，其N≥46%，海藻多糖≥500 mg/kg。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 干物质量

分别于分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期和成熟期，取具有代表性样品，按根、茎、叶及穗部分开收集，随后将各部位器官105℃杀青30 min后80℃烘干至恒重，测定各部分的干物质量。

1.3.2 氮素积累量

将植株干样粉碎后用H2SO4-H2O2消化，再用Alliance-Futura II连续流动分析仪（法国），测定各部分氮含量。

1.4 数据计算与统计分析

方差分析用DPS 18.1软件完成，处理间多重比较采用LSD法，数据一般分析和作图用Excel 2010软件。按文献［20］给出的方法计算氮素积累量（kg/hm2）、茎叶氮素转运量（kg/hm2）、茎叶氮素转运率（%）、氮素贡献率（%）、氮肥表观利用率（%）和氮肥农学利用率（kg/kg）等指标。

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹下不同种植方式水稻地上部干物质积累

表1 给出了不同施氮处理下机插稻和直播稻地上部分干物质积累。在施分蘖肥前，机插稻FFP处理地上部干物质积累量显著高于其他处理，比CRF、HTN处理分别高41.83%、19.89%，可能原因是在基肥施氮量相同的情况下，普通尿素养分释放较快，可满足机插稻较快生长对氮素的需求，因此在该阶段FFP处理的干物质积累量较高。对于直播稻，尽管CRF处理氮基施量（70%）远大于FFP、HTN两处理（均为40%），但干物质积累量CRF处理仅仅比FFP处理高4.84%，说明对于直播稻基肥施较多的氮肥并不会显著促进苗期生物量的积累。分蘖盛期-成熟期各处理的干物质积累量具有显著差异，在分蘖盛期各处理的干物质积累量表现为CRF>FFP>HTN，机插稻、直播稻CRF处理分别比FFP处理增加8.06%和6.35%；拔节期-成熟期各处理的干物质积累量均表现为CRF>HTN>FFP，机插稻、直播稻CRF处理分别比FFP处理增加16.88%～22.22%、4.59%～18.56%。机插稻、直播稻HTN处理分别比FFP处理增加6.61%～15.03%、0.29%～8.47%。分蘖盛期-拔节期机插稻干物质积累量高于直播稻，机插稻在此阶段的干物质积累量占总干物质积累量的比例比直播稻高12.58%～17.21%；拔节期-成熟期直播稻的干物质积累量显著高于机插稻，直播稻在此阶段的干物质积累量占总干物质积累量的比例比机插稻高12.72%～17.61%，可见，氮肥适当后移更符合直播稻干物质生长规律。

表1 氮肥运筹下不同种植方式水稻地上部净干物质积累量 （t/hm2）

机插稻、直播稻各生育期不同器官干物质积累量见图1。叶片在分蘖盛期和拔节期占整株干物质积累量的比例较大，机插稻、直播稻叶片干物质积累量分别占分蘖盛期和拔节期整株干物质积累量的31.53%～45.71%、33.74%～48.29%；茎在拔节期-齐穗期占整株干物质积累量的比

例较高，机插稻、直播稻茎分别占拔节期-齐穗期整株干物质积累量的54.21%～68.47%、53.48%～69.09%。穗部干物质积累量占整株的比例随着生育进程逐渐上升，在成熟期达最高。地上部分器官干物质积累量在孕穗期和齐穗期均表现为茎>叶>穗，在灌浆期表现为茎>穗>叶，在成熟期表现为穗>茎>叶，说明随着生育进程干物质逐渐由茎、叶转向穗部。机插稻的穗部干物质积累量CRF、HTN处理比FFP处理分别增加了19.71%和13.10%，直播稻分别增加了14.82%和3.93%，说明基施缓释氮和海藻多糖对增加穗部干物质积累量有一定作用。

2.2 氮肥运筹下不同种植方式水稻地上部氮素吸收

表2 给出了不同施氮处理下机插稻和直播稻地上部分氮素吸收。在施分蘖肥前，机插稻FFP处理地上部氮素吸收显著高于其他处理，比CRF、HTN处理分别高29.42%、88.52%，可能原因是在基肥施氮量相同的情况下，普通尿素养分释放较快，可满足机插稻较快生长对氮素的需求，因此在该阶段FFP处理的氮素吸收积累量较高。对于直播稻，尽管CRF处理氮基施量（70%）远大于FFP、HTN两处理（均为40%），但氮素积累量CRF处理仅仅比FFP处理高20.97%，说明对于直播稻基肥施较多的氮肥并不会显著促进苗期氮素吸收的积累。随着生育期的进程，机插稻和直播稻的氮素积累显著增加。分蘖盛期-成熟期各处理的氮素积累量具有显著差异，在分蘖盛期各处理的氮素积累量表现为CRF>FFP>HTN，与FFP相比，机插稻和直播稻CRF处理分别增加19.55%和5.51%；拔节期-成熟期各处理的氮素积累量表现为CRF>HTN>FFP，与FFP相比，机插稻、直播稻CRF处理分别增加18.68%～24.08%、17.37%～21.07%。机 插稻、直播稻HTN处理分别增加5.80%～9.05%、4.44%～8.12%。从分蘖盛期-拔节期机插稻的氮素积累量比直播稻高15.24%～67.24%；从拔节期-成熟期直播稻的氮素积累趋近于机插稻，说明氮肥适当后移可提高直播稻孕穗期之后的氮素积累量。

表2 氮肥运筹下不同种植方式水稻地上部分氮素吸收 （kg/hm2）

机插稻、直播稻各生育期不同器官的氮素积累量见图2，由图2可知，拔节期至成熟期各处理的氮素积累量表现为CRF>HTN>FFP。可见，缓控释肥与普通尿素配施能显著提高水稻中后期的氮素积累量，尤其是提高拔节后氮素积累量。由图3可以看出，茎和叶氮素积累量随着生育进程呈现先增后减的趋势，穗部氮素积累量从孕穗期开始呈上升趋势，成熟期CRF处理的穗部氮积累量显著高于其他处理。试验结果分析表明，分蘖盛期至孕穗期水稻地上部分的氮素积累量叶片占56.91%～66.80%，茎占29.87%～43.91%；从分蘖前期至分蘖盛期的氮素积累占总量的比例看，机插稻为30.47%～41.95%，直播稻为17.99%～28.89%；从孕穗期至成熟期，机插稻和直播稻的氮素积累量分别占总量的12.13%～24.59%和24.80%～40.81%，说 明 氮肥适当后移可提高直播稻孕穗期之后的氮素积累量。

2.3 不同氮肥运筹下水稻的氮素转运量、转运率和贡献率

根据试验结果分析整理，表3给出了不同施氮处理下氮素积累、转运率及贡献率，可见，氮素的积累量和转运量与施氮处理关系密切，均呈现CRF>HTN>FFP的总趋势。从氮素的转运率和贡献率来看，无论机插稻还是直播稻，均以CRF为优。说明在有效养分相同的情况下，适当基施缓释氮可提高水稻的氮素转运量、转运率和贡献率。氮素转运率和贡献率，对于机插稻表现为CRF>HTN>FFP和CRF>HTN>FFP，对于直播稻表现为CRF>FFP>HTN。就不同处理之间在氮素转运率和贡献率方面的差异看，机插稻FFP与HTN之间、直播稻CRF与HTN之间差异不显著。

表3 水稻的氮素转运量、转运率和对籽粒的贡献率

2.4 氮肥运筹对不同种植方式水稻氮肥利用率的影响

氮肥利用率是评价水稻对氮素吸收、利用效果的重要指标，不同施氮处理下机插稻和直播稻的氮肥利用率如表4。从各处理的产量水平、氮素的累积总量、表观利用率和农学利用率来看，无论是机插稻还是直播稻，均表现为CRF>HTN>FFP，且CRF与FFP之间的差异显著（P<5%）。对于机插稻，CRF与HTN之间在氮素累积总量和表观利用率上的差异显著（P<5%），在氮素农学利用率和产量上差异未达到显著水平；对于直播稻，CRF与FFP和HTN在氮素累积总量和产量上差异显著（P<5%），在氮肥表观利用率和农学利用率上CRF与FFP之间差异显著、CRF与HTN之间差异不显著。此外，比较几种施氮处理下水稻产量可以看出，CRF和HTN与FFP相比，机插稻的产量分别提高9.31%和4.70%，直播稻的分别提高9.25%和4.91%。以上结果表明，基施缓释氮和海藻多糖，有利提高氮素利用率和水稻产量。

表4 氮肥运筹对不同种植方式水稻氮肥利用率

3 讨论

3.1 氮肥运筹对水稻干物质的影响

已有研究表明，直播稻营养生长期缩短，前中期物质积累量相对偏低，中后期生长量大［14-18］。分蘖盛期-拔节期机插稻干物质积累量显著高于直播稻，机插稻在此阶段的干物质积累量占总干物质积累量的比例比直播稻高12.58%～17.21%；拔节期-成熟期直播稻的干物质积累量显著高于机插稻，直播稻在此阶段的干物质积累量占总干物质积累量的比例比机插稻高12.72%～17.61%。本文研究结果与前人研究结果一致。作物干物质量积累及在各器官中的积累分配，不仅会受到生育进程的影响，还会受到施肥水平、肥料种类等的影响［21］。本研究结果表明：施氮显著影响水稻地上部干物质积累总量，CRF和HTN与FFP相比，机插稻的地上部干物质积累分别增加22.22%和14.58%，直播稻的分别增加22.20%和12.44%。从水稻穗部干物质量看，机插稻和直播稻均以CRF处理最高，相比FFP机插稻增加了19.70%、直播稻增加了14.81%，相比HTN机插稻增加了13.12%、直播稻增加了8.13%。

江立庚等［22］研究表明，水稻在灌浆期前干物质量主要积累在茎中，成熟期干物质积累量主要分布在穗部。本试验结果表明，水稻的干物质积累量在分蘖盛期至拔节期茎>叶，在孕穗期至齐穗期茎>叶>穗，在灌浆期茎>穗>叶，成熟期穗>茎>叶，这与晏娟等［23］的研究结果一致。

张小翠等［24］和谢春生等［25］研究表明，缓释氮肥能显著提高水稻干物质积累量，尤其是在拔节之后的干物质积累量。本研究表明，FFP能显著提高移栽至分蘖盛期和播种至分蘖盛期水稻的群体干物质量，CRF更有利于提高水稻后期的群体干物质积累，主要原因是FFP处理氮素能迅速溶于水，可满足水稻分蘖前期对氮肥的需求，而缓释氮肥能缓慢释放氮素以满足水稻中后期氮肥需求，促进水稻干物质的积累。前人研究表明，基肥多施和少施对干物质无显著差异，所以少施基肥不会显著影响前期生长，同时直播稻多施肥可能会产生较大的农业面源污染［26］，综合多方面考虑建议直播稻基肥少施。

3.2 氮肥运筹对水稻氮素吸收及利用率的影响

已有研究表明，直播稻前中期物质积累量相对偏低，中后期生长量大，对作物的营养需求不同［14-18］。机插稻、直播稻HTN处理分别增加5.80%～9.05%、4.44%～8.12%。分蘖盛期-拔节期机插稻的氮素积累量显著高于直播稻，机插稻在此阶段的氮素积累量比直播稻高15.24%～67.24%；拔节期-成熟期直播稻的氮素积累趋近于机插稻，本文研究结果与前人研究一致。缓释氮肥作为新型肥料可显著提升水稻的氮素吸收利用效率［24，27］，缓释氮肥与普通尿素配施对机插稻氮素吸收的影响有较多研究［28］，直播稻这方面研究较少。李云春等［29］研究了控释氮肥对水稻产量和养分吸收的影响，指出施用控释氮肥较普通复合肥均能显著提高水稻地上部分氮积累量，氮素利用率增幅达17.10%～34.11%。本试验结果表明，分蘖前期FFP处理的氮吸收量明显高于CRF；分蘖盛期至成熟期CRF处理显著高于FFP，说明FFP处理可以提高作物分蘖期的氮吸收量，CRF处理可以满足作物较长时期对氮素的需求，有利提高作物氮素吸收。

氮肥利用率是衡量氮肥施用是否合理的重要指标之一，直接反映作物对氮肥的吸收及利用效果。一般认为，氮肥利用率随着施氮量的增加会呈现显著降低的趋势，不合理氮肥也会导致田间生产力和氮肥利用率降低［30］，我国主要粮食作物的氮肥利用率为28%～41%，平均为35%。张福锁等［31］通过分析全国179个试验点数据得出，我国主要粮食作物的氮肥利用率为10.8%～40.5%，缓释肥料和普通尿素的合理配比施用不仅能提高水稻产量，还能提高经济效益和肥料利用率、保持土壤养分平衡［24］。本试验结果显示，CRF处理的氮肥表观利用率和氮肥农学利用率均明显高于FFP，这与钱银飞等［32］所做的类似研究结果一致。范立慧等［26］研究表明，基肥多施和少施对氮素吸收无显著差异，所以少施基肥不会显著影响前期生长，同时直播稻多施肥可能会产生较大的农业面源污染。综合多方面考虑建议直播稻基肥少施。

4 结论

水稻分蘖前期干物质积累量、氮素吸收量与水稻播栽方式有关。机插稻的干物质积累量FFP处理比CRF、HTN处理分别高41.83%、19.89%，直播稻CRF处理比FFP处理高4.84%；氮吸收量机插稻呈现FFP>HTN>CRF，直播稻表现为CRF>FFP>HTN。

分蘖盛期各处理的干物质积累量、氮素积累量表现为CRF>FFP>HTN，机插稻、直播稻CRF处理干物质积累量、氮素积累量分别比FFP处理增加7.91%和6.72%、19.55%和5.54%；拔节期-成熟期各处理的干物质积累量表现为CRF> HTN>FFP，机插稻、直播稻CRF处理干物质积累量、氮素积累量分别比FFP处理增加16.88%～22.22%和4.59%～18.56%、18.68%～24.08%和17.37%～21.07%。

分蘖盛期-拔节期机插稻干物质积累量、氮素积累量占总干物质积累量、氮素积累量的比例比直播稻分别高12.58%～17.21%、15.24%～67.24%；从拔节期-成熟期直播稻的干物质积累量占总干物质积累量的比例比机插稻高12.72%～17.61%，直播稻的氮素积累趋近于机插稻。

在氮素的积累、转运上，机插稻与直播稻具有相似性，均表现为CRF>HTN>FFP。无论机插稻还是直播稻，氮素的转运率和贡献率均以CRF为优，即在有效养分相同的情况下适当基施缓释氮可提高水稻的氮素转运量、转运率和贡献率。

氮肥的表观利用率和农学利用率，机插稻和直播稻均表现为CRF>HTN>FFP。与FFP相比，CRF和HTN处理的氮素表观利用率对于机插稻分别提高38.02%和11.82%，对于直播稻分别提高34.56%和13.33%；CRF和HTN处理的氮肥农学利用率对于机插稻分别提高了18.51%和9.33%，对于直播稻分别提高了17.39%和9.25%。表明在氮肥运筹上，缓控释肥与普通尿素配施、海藻多糖氮肥等都有利于提高氮素的表观利用率和农学利用率。