施肥方式和施氮量对寒地水稻产量、品质及氮肥利用的影响

刘梦红 王志君 李红宇 赵海成 吕艳东

（黑龙江八一农垦大学农学院/黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，163319，黑龙江大庆）

当前水稻栽培过程中由于施肥均匀性差、缺乏配套施肥机械和偏施氮肥，导致易倒伏、产量低和氮肥利用效率低等问题，其主要原因是随着水稻规模化生产，经营者为降低用工成本，在水稻生产季仅施肥1～2次，忽视了追肥和穗肥[1-2]；氮肥以尿素和硫酸铵等速效肥为主，氮素主要通过径流、挥发和渗透等途径损失[3]；施肥主要依靠人力或机械进行表面撒施，劳作强度较大，生产效率低，施肥深度和单位面积施肥量很难精确控制，造成肥料浪费。近年来，黑龙江省水稻种植面积已经超过433.3万hm2（6500万亩），生产中普遍存在化肥施用过量导致稻米品质下降及氮肥利用效率低的问题。彭显龙等[4]对黑龙江省稻田施肥情况的研究显示，近60%的稻田氮素施用量过高，稻田氮素有17.2%的盈余，氮肥利用率较低。张福锁等[5]统计了 2001-2005年全国粮食主产区的肥料利用率，水稻的氮肥利用率仅28.3%，其中黑龙江省寒地水稻的氮肥利用率29.8%，略高于全国平均水平，但远低于国际平均水平。因此，研究氮肥深施对提高水稻产量和氮肥利用率具有重要意义。

“育苗移栽”是当前寒地水稻的主要栽培模式[6-7]，基肥采用全层施肥，分蘖肥为表施，易造成肥料的淋溶、挥发和排水损失。围绕提高水稻氮肥利用率和稻谷产量，国内外主要从施氮量[8]、氮肥深施[9-10]和氮肥运筹[11]等方面开展研究，其中侧深施肥（施于苗侧3cm、深5cm的土壤中，线条状分布）是实现肥料利用率和稻谷产量协同提高的有效途径。目前，氮肥减量深施是降低氮素损失的一种施肥方式，该方式将氮肥深施，通过深层土壤强烈的还原环境和带有负电荷的土壤胶体减缓尿素水解，使水解后的铵态氮被周围的土壤颗粒迅速吸附，降低田面水铵态氮浓度，减少环境污染和养分流失[12]，浅层施肥促进表层根系生长，有利于秧苗生长[13]，而氮肥深施将养分进一步精确送达根区，可减少氮素养分损失，提高氮肥利用率和稻谷产量[14]。郑桂萍等[15]研究表明，水稻垄上苗带双侧双深分层施肥可减少施肥量5%～10%，增产5%以上，肥料利用率显著提高。李金峰等[16]对水稻条带旋耕、苗带集中施肥的研究表明，苗带不同耕层土壤的速效养分含量均高于常规栽培，且中下层更为明显，肥料利用率和稻谷产量显著提高，穗数与穗粒数协同增加是获得高产的主要原因。氮肥深施可减少稻田N2O和NO的释放量[17]，减少氮素径流损失，增加养分在土壤中的贮存时间，提高氮肥利用率和稻谷产量[18]。莫钊文等[19]通过大田试验研究认为，肥料深施能明显提高作物对养分的吸收量，改善稻米品质。朱从桦等[20]研究了侧深施氮对机插水稻产量形成及氮素利用的影响，与传统撒施相比，机械侧深施肥处理的产量、氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率分别提高 4.46%～8.11%、17.91%～54.10%和 19.61%～37.39%。因此，优化施肥方式和施肥量对寒地水稻高产优质及氮肥利用率提高具有重要意义。

本研究设计了一种肥料高效施用方法，即施肥与移栽作业同步进行，缩小肥料在土壤中的分布空间，实现集中深施肥，增加局部肥料浓度，减少肥料淋溶、挥发和插秧前的排水损失，并比较全层施肥、侧深施肥和点深施肥的水稻产量、品质及氮肥利用的差异，为寒地水稻高效施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年5-12月在黑龙江八一农垦大学校内试验基地进行。该地区年日照时数2726h，无霜期 143d，年平均气温 4.2℃，夏季平均气温23.3℃，年降水量427.5mm，年蒸发量1635mm。

1.2 试验材料

试验水稻品种为垦粳8号，主茎13片叶，株高约90cm，穗长约17.9cm，千粒重23.8g，生育期约142d，需≥10℃活动积温约2650℃。

供试土壤为草甸白浆土，试验前0～25cm耕层土壤碱解氮92.8mg/kg、有效磷36.2mg/kg、速效钾156.0mg/kg、有机质27.4g/kg，pH 7.2。供试肥料包括尿素（N 46%）、重过磷酸钙（P2O543%）和硫酸钾（K2O 50%）。

1.3 试验设计

采用施肥方式和施氮量二因素完全随机设计，设置全层施肥（S1）、侧深施肥（S2）和点深施肥（S3）3种施肥方式，设置常规施氮（N1）和氮肥减量15%（N2）2种施氮量水平，同时设置无氮区。盆栽试验，每个处理种植5盆，花盆的长×宽×高为80cm×60cm×28cm，每盆装混拌均匀土壤78kg，面积0.48m2，每盆移栽2行，每行8穴，每穴4株苗，插秧规格为行距30cm、穴距10cm。4月12日浸种，4月20日播种，5月22日移栽，9月25日收获，模拟大田生产进行病虫和杂草防控管理。

全层施肥的基肥在水整地前撒施，然后使用电动搅浆机将肥料混拌入15cm耕层；侧深施肥随移栽作业同步施用，肥料在苗带一侧3cm、深5cm处呈线条状分布。施肥前通过人工开沟施肥，用土壤覆盖实现侧深施肥；点深施肥随移栽作业同步进行，将预先制作好的肥丸施于苗带一侧沿水平面垂直苗带方向3cm、深度5cm处，肥料分布于土壤中直径1cm的球体空间，施肥作业方向平行于苗带延伸方向，每穴秧苗侧面分布1粒肥丸。

氮、磷、钾肥用量按N:P2O5:K2O=2:1:1施用。磷肥作基肥一次性施用，氮肥按基肥:分蘖肥:调节肥:穗肥=4:3:1:2施用，钾肥按基肥:穗肥=6:4施用。分蘖肥于返青期施用，调节肥于倒4叶伸长期施用，穗肥于倒2叶长出一半后施用，具体施肥量及施用时期见表1。

表1 施肥量及施肥时期Table 1 Fertilization rate and fertilization period g/盆g/pot

1.4 测定项目与方法

1.4.1 产量及其构成因素 成熟期每个处理调查4行，每行连续调查8穴植株的穗数，然后按平均穗数各取植株2穴，在阴凉通风处风干后，分为茎鞘和穗，称量穗重和茎鞘重。穗部用于考种，包括穗数、穗粒数、结实率和千粒重，计算理论产量。

1.4.2 干物质积累量及叶面积 每个处理取分蘖期、齐穗期和灌浆期长势均匀植株4穴，4次重复。带回实验室，分蘖期植株样品分为叶片、茎鞘和根系3个部分，齐穗期和灌浆期植株样品分为上3叶、余叶、穗和茎鞘4个部分，分别包装，于105℃杀青30min，80℃烘干至恒重。用直尺量取上3叶的长度和宽度，采用长宽系数（0.75）法计算高效叶面积，采用干重法计算总叶面积。分蘖期取长势一致的植株4穴，尽量保持根系完整。带回实验室用清水冲洗干净根系表面附着物，将根系完整切下，用根系形态专用扫描仪（Microtek Scan Maker i800）进行数字化扫描，利用LA-S植物根系分析系统分析总根长、总根表面积、总根体积和根系平均直径等根系参数，每个处理4次重复。

1.4.3 生理指标 在分蘖期、齐穗期和灌浆期采用MINOLTA公司生产的叶绿素仪SPAD-502测定15片功能叶的相对叶绿素含量（SPAD值），分蘖期功能叶为倒3叶，齐穗期和灌浆期功能叶为剑叶。测定时注意避开叶脉和有损伤的叶片。于分蘖期、齐穗期和灌浆期在晴朗无风的上午09:00-11:00，用便携式光合测定系统（CIRAS-3，PPSYSTEMS公司）测定每个处理4片功能叶的净光合速率（Pn）。叶室 CO2浓度为 380μmol/mol，光强设置为1500μmol/(m2·s)的固定红蓝光源，为避免测定时环境CO2浓度变化对测定结果产生干扰，将仪器的进气口与装有恒定CO2浓度的塑料瓶相接。

1.4.4 植株氮含量及氮肥利用率 在成熟期按照平均穗数取代表性植株 3穴，去除根系，105℃下杀青30min，80℃下烘干至恒重，称取整株干重。整株磨碎过 80目筛，用于测定植株氮含量。用H2SO4-H2O2消煮法，用全自动凯氏定氮仪（KjeltecTM 8400，FOSS公司）测定氮含量。依据公式计算氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力。氮肥农学利用率（NAE，g/g）=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量；氮肥吸收利用率（NRE，%）=（施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量）/施氮量×100；氮肥生理利用率（NPE，g/g）=（施氮区产量-不施氮区产量）/（施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量）；氮肥偏生产力（NPEP，g/g）=施氮区产量/施氮量。

1.4.5 稻米品质 成熟期适时收获，脱粒后储存3个月，每个处理取4次重复，每次200g稻谷，按照GB/T 17891-2017测定加工品质、外观品质、营养品质及食味品质。采用米饭食味计（STA1A）测定食味值。

1.5 数据分析

利用 Microsoft Excel 2003进行数据录入和整理，利用DPS 7.05软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 产量及其构成因素的比较

表2表明，施肥方式间穗粒数、千粒重和产量差异显著或极显著，穗数和结实率差异不显著。S3处理产量极显著高于S1和S2处理，分别增产14.18%和12.17%，S1和S2处理产量差异不显著。S3处理穗粒数显著高于S2处理7.55%，与S1处理差异不显著；S3处理千粒重极显著或显著高于 S1和S2处理，分别提高7.57%和5.10%。除千粒重外，其他产量及其构成因素在不同施氮量间差异不显著。N1处理千粒重显著高于N2处理，提高了4.37%。

表2 不同处理产量及其构成因素的比较Table 2 Comparison of yield and its components of different treatments

施肥方式和施氮量二因素互作对结实率影响极显著。

S1和S2施肥方式处理下，N1与N2处理的结实率差异不显著，而S3施肥方式处理下，N1处理结实率极显著高于N2处理（图1）。

图1 结实率的施肥方式和施氮量二因素互作效应分析Fig.1 Effects of interaction of fertilization mode and nitrogen application rates on seed-setting rate

2.2 干物质及叶面积的比较

由表3可知，施肥方式间分蘖期和灌浆期地上部干物质积累量差异极显著，齐穗期差异不显著。S3与S2处理的分蘖期和灌浆期地上部干物质积累量差异不显著，二者的分蘖期和灌浆期地上部干物质积累量极显著高于 S1处理，分蘖期分别提高 44.64%和39.45%，灌浆期分别提高14.64%和10.23%。

表3 地上部干物质积累量的比较Table 3 Comparison of accumulation of aboveground dry matter g/穴 g/hole

施氮量处理间分蘖期和灌浆期的地上部干物质积累量差异极显著，齐穗期差异不显著。N1处理的分蘖期和灌浆期地上部干物质积累量与N2处理相比分别提高7.58%和6.05%。分蘖期施肥方式和施氮量二因素互作对地上部干物质积累量影响极显著，齐穗期和灌浆期则不显著。

由图2可知，在S1和S2施肥方式下，N1处理的分蘖期地上部干物质积累量显著或极显著高于N2处理，分别高出12.34%和31.61%，而在S3施肥方式下，N1和N2处理差异不显著。

图2 分蘖期施肥方式和施氮量二因素互作的地上部干物质积累量效应分析Fig.2 Effects of the interaction of fertilization and nitrogen application rate on aboveground dry matter accumulation at tillering stage

表4结果表明，分蘖期叶面积、灌浆期高效叶面积和叶面积在施肥方式间差异极显著，齐穗期高效叶面积和叶面积在施肥方式间差异不显著。S2和S3处理分蘖期叶面积极显著高于S1处理，分别高出26.15%和23.47%。S2处理灌浆期高效叶面积和叶面积极显著高于S1和S3处理，其中高效叶面积分别提高 11.21%和 15.20%，叶面积分别提高12.44%和18.97%。N1处理分蘖期叶面积显著高于N2处理，齐穗期和灌浆期高效叶面积和叶面积差异不显著。

表4 各生育时期叶面积的比较Table 4 Comparison of leaf area in each reproductive period cm2/穴cm2/hole

分蘖期施肥方式和施氮量二因素互作对叶面积影响极显著，齐穗期和灌浆期高效叶面积和叶面积差异不显著。

由图3可知，S1施肥方式下N2处理叶面积显著高于N1处理，S2施肥方式下N1处理极显著高于N2处理，S3施肥方式下N1和N2处理差异不显著。

2.3 分蘖期根部性状的比较

表5结果表明，分蘖期不同施肥方式间总根长、根表面积和根体积差异极显著或显著，根平均直径差异不显著。S2处理总根长与S3处理差异不显著，极显著高于S1处理，较S1处理提高30.65%；S2与S3处理的根表面积和根体积差异不显著，二者显著或极显著高于 S1处理，根表面积分别提高28.48%和 23.06%，根体积分别提高 25.72%和28.47%。施氮量间总根长、根平均直径、根表面积和根体积差异均不显著。

施肥方式与施氮量二因素互作极显著影响总根长、根表面积和根体积。

由图4可知，S1施肥方式下，N2处理的总根长、根表面积和根体积极显著高于N1处理，分别提高71.20%、86.88%和98.73%；S2施肥方式下，N2处理的总根长和根表面积显著或极显著低于N1处理，分别降低25.63%和23.18%，根体积差异不显著；S3施肥方式下，N1和N2处理差异不显著。

图4 分蘖期施肥方式和施氮量二因素互作的总根长、根表面积和根体积效应分析Fig.4 Effects of interaction of fertilization method and nitrogen application rate on total root length, root surface area and root volume at tillering stage

2.4 功能叶片SPAD值及Pn的比较

表6结果表明，不同施肥方式间分蘖期和齐穗期功能叶片SPAD值差异极显著，灌浆期差异不显著。S2处理的分蘖期和齐穗期功能叶 SPAD值与S3处理差异不显著，分蘖期S2和S3处理的SPAD值极显著高于 S1处理，齐穗期极显著低于 S1处理。分蘖期、齐穗期和灌浆期功能叶片SPAD值在不同施氮量处理间差异不显著，并且其与施肥方式互作的影响也不显著。

表6 功能叶片SPAD值的比较Table 6 Comparison of SPAD values of function leaves

施肥方式和施氮量二因素互作对灌浆期功能叶Pn影响极显著（表7），不同施肥方式间灌浆期功能叶Pn差异极显著，表现为S1＞S3＞S2，分蘖期和齐穗期差异不显著。分蘖期和灌浆期 N1处理的功能叶Pn显著或极显著高于N2处理，齐穗期差异不显著。

表7 功能叶片Pn的比较Table 7 Comparison of Pn of functional leaves μmol/(m2·s)

由图5可知，S1和S2施肥方式下，N1处理的灌浆期功能叶Pn极显著高于N2处理，分别高出13.42%和34.91%；S3施肥方式，N1和N2处理灌浆期功能叶Pn差异不显著。

图5 灌浆期施肥方式和施氮量二因素互作的Pn效应分析Fig.5 Effects of the interaction of fertilization method and nitrogen application rate on Pn at filling stage

2.5 稻米主要品质指标的比较

表8结果表明，不同施肥方式间糙米率、蛋白质和直链淀粉含量差异极显著，整精米率、垩白粒率和垩白度差异不显著。S3处理蛋白质含量极显著低于S1和S2处理，分别降低5.41%和5.83%；S3处理直链淀粉含量显著或极显著高于 S1和 S2处理，分别高出1.26%和2.23%。S3处理食味值与S2处理差异不显著，与S1处理相比显著提高1.72%。施氮量及其与施肥方式的互作对各品质指标的影响均不显著。

表8 主要品质指标的比较Table 8 Comparison of main quality indexes

2.6 氮肥利用效率的比较

表9结果表明，地上部含氮量、氮肥农学利用率、吸收利用率、生理利用率和偏生产力均呈S3＞S2＞S1的趋势，其中氮肥吸收利用率、生理利用率和偏生产力在施肥方式间差异极显著。S3处理氮肥吸收利用率和偏生产力显著或极显著高于S1和S2处理，氮肥吸收利用率分别高出20.14%和10.48%，氮肥偏生产力分别高出13.08%和9.55%。S2处理氮肥生理利用率与S3处理差异不显著，二者分别显著或极显著高于S1处理37.63%和67.57%。N2处理地上部含氮量显著低于N1处理5.88%，氮肥农学利用率、吸收利用率、生理利用率和偏生产力在施氮量间差异不显著。施肥方式与施氮量二因素互作对地上部含氮量和各氮肥利用率指标的影响不显著。

表9 不同处理氮肥利用效率的比较Table 9 Comparison of nitrogen utilization efficiency in different treatments

3 讨论

3.1 不同处理对水稻产量、干物质积累量、叶面积和生理指标的影响

氮肥施用方式和施氮量影响有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重等产量构成因素，进而影响水稻产量[21-23]。水稻生育前期充足的干物质积累量是水稻获得高产的关键，齐穗期积累充足的干物质是高产水稻群体的重要特征；生育后期适当延长叶片功能期可以进一步提高水稻产量。侧深施氮能明显提高水稻生育前期地上部干物质积累量，提高单位面积有效穗数、结实率和稻谷产量[24]。本研究结果表明，S3处理较S1处理增产14.18%，其穗数、穗粒数和结实率与S1处理差异不显著，千粒重的显著提高是其增产的主要原因。S3处理分蘖期和灌浆期地上部干物质积累量分别较S1处理提高44.64%和14.64%，分蘖期根表面积和根体积分别较S1处理提高23.06%和28.47%，但其灌浆期高效叶面积、灌浆期总叶面积和灌浆期功能叶SPAD值与S1处理差异不显著，灌浆期功能叶Pn显著低于S1处理。可见，茎鞘干物质转运和灌浆期保持高质量的根源很可能是S3处理获得较高千粒重的原因，需要进一步研究。

3.2 不同处理对稻米品质的影响

稻米品质主要受品种自身遗传、栽培措施及环境条件等因素的影响[25-26]，而氮素调控是影响水稻生长发育的重要措施[27]。一般认为，稻米加工品质和外观品质随施氮量增加呈变劣的趋势[28]。蛋白质含量随施氮量的增加而增加，并且对垩白度、直链淀粉含量和蒸煮食味等主要品质指标有负面效应[29]。陈莹莹[30]关于江苏早熟晚粳品种稻米品质对氮肥的响应及其类型的研究表明，稻米食味值与蛋白质含量呈负相关，蛋白质含量提高对稻米蒸煮食味品质有负效应，表明对于相似品种，蛋白质含量较低的稻米其食味品质更佳。本研究结果表明，施肥方式对加工品质的影响主要表现在糙米率和精米率，对重要的加工品质整精米率无显著影响；外观品质中垩白粒率和垩白度差异不显著。不同施肥方式间直链淀粉含量存在极显著差异，但不同水平间直链淀粉含量的绝对数值较小，S3处理稻米蛋白质含量极显著低于S1处理5.41%，故点深施肥的食味值显著高于全层施肥。S2处理的各品质指标与S1处理无显著差异。

3.3 不同处理对氮肥利用效率的比较

水稻生产中氮肥以尿素和硫酸铵等速效氮肥为主，施肥方式通常为人工撒施和表层浅施，施入稻田的氮肥很快溶入水体，具有很强的流动性[31-32]，极容易通过挥发、渗漏和径流等途径损失。侧深施肥和点深施肥可明显提高施肥点周围土壤中铵态氮含量，增强根区土壤氮素供应能力，提高水稻氮肥利用效率。此外，也有研究[33]证实，氮肥深施能够减弱氮素损失途径，提高氮素利用效率。本研究结果显示，相对于S1处理，S3处理的氮肥吸收利用率、生理利用率和偏生产力分别提高 20.14%、67.57%和13.08%，S2处理的氮肥生理利用率提高37.63%。可见，采用集中深施肥可显著提高氮肥利用率，并且肥料利用率随肥料在土壤中的集中程度增加而升高。S3处理肥料利用率提高的深层次原因，如氮肥在土壤中的转化迁移途径和水稻根系吸氮量效率等尚需进一步研究。

4 结论

S3较S1处理增产14.18%，S2与S1处理的产量无显著差异，千粒重显著提高是S3处理增产的主要原因。相对于S2处理，S3处理在分蘖期和灌浆期地上部干物质积累量、分蘖期根表面积和根体积方面表现出明显优势，而齐穗期和灌浆期的功能叶SPAD值、Pn、高效叶面积和总叶面积多处于劣势。S3处理的稻米食味评分显著优于S1处理，较低的蛋白质含量是其食味评分提高的主要原因。S3处理的肥料利用率提高主要表现在氮肥吸收利用率、生理利用率和偏生产力。综上，采用点深施肥配合减氮15%处理为最优组合。