水稻前控后促施氮技术增产机理研究

夏琼梅，胡家权，董林波，钱文娟，李贵勇，龙瑞平，朱海平，杨从党*

（1．云南省农业科学院粮食作物研究所，云南 昆明 650200； 2．云南省曲靖市麒麟区农业技术推广中心，云南 曲靖 655000）

云南水稻生产中水旱轮作田块比例较大，且旱季多种植蔬菜等经济作物，而经济作物总体施肥水平较高，目前是水稻的1.5～3.0倍，长期大量施肥造成土壤养分大量积累，对作物品质和环境造成一定影响[1］。近年来，多点肥料试验研究显示，此类田块水稻种植施用基肥和分蘖肥后，无效分蘖期叶色不能正常落黄，促花肥不能按时施用、分蘖成穗率低，特殊田块施用肥料后甚至出现倒伏、减产的现象，导致氮肥利用率低，产投比不高（数据尚未发表）。针对上述问题，结合氮肥后移优化管理措施，研究水稻前控后促施氮技术，对提高水稻氮肥利用效率，实现水稻减氮增效的绿色生产目标具有重要意义。21世纪水稻栽培科学的发展目标已经由追求高产的单一目标，发展成为追求高产、优质、高效、生态、安全的综合目标[2］。稻田不仅氮肥施用量最大，而且对群体的调控作用最为明显[3］。国内对水稻栽培中氮肥的施用由重前期施肥法逐渐改进，开始重视中、后期氮肥的施用，提出了以50%作基肥，25%～35%作分蘖肥，其余作穗肥的“三定”栽培技术[4-5］；基蘖肥由80%降低到60%，穗肥增加到40%的“三控”栽培技术[6］等。还有结合我国水稻生产，从国际水稻所引进创建的水稻实地氮肥管理技术[7］。但更具有普遍指导意义的是水稻精确定量栽培理论与技术体系，该技术将系统工程方法论引入作物栽培学领域，以斯坦福方程为理论基础，实现了水稻精确定量施氮[2-3］。前人研究表明，基蘖肥、穗肥不同施氮比例及穗肥不同施氮时期对水稻氮素利用率均有显著的影响[8］。适宜的基蘖氮肥是水稻高产的关键[9-10］，穗肥最适宜施用时期为倒4叶和倒2叶抽出时[11-12］，并得出了根据顶4叶和顶3叶叶色差值计算促花、保花肥施用量的方法，使穗肥施用更为精确[13-15］。氮肥精确后移在大面积生产上应用增产增效表现显 著[16］。然而，为更有效地控制水稻无效分蘖的发生，避免群体过大，在减少氮肥施用总量的前提下，不施基蘖肥，全部后移至穗肥对水稻生长发育及产量形成的影响鲜见报道。此外，云南水旱轮作面积较大，随着旱季经济作物种植规模扩大，且施肥量较高，稻田冗余肥料较多，水稻减肥增效具有较大潜力。本研究利用水稻精确定量栽培技术体系水稻叶龄模式、高产群体质量指标和优化控制原理，结合云南稻田前作栽培条件及土壤基础地力，采用前控后促的施氮技术，减少氮肥施用总量，精确控制施用时期，与农户常规施氮技术和均衡施氮技术进行比较研究，明确前控后促施氮技术对水稻生长发育进程、群体质量、产量及其构成因素等的影响，为云南水稻绿色生产和水旱轮作区水稻对耕地保护的生态意义提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2016和2017年在云南省曲靖市麒麟区越州镇（103°42′N，25°27′E）进行，亚热带高原季风气候，年平均气温15℃，年无霜期265 d，年降水量980～1100 mm，年日照时数1967.4 h。试验地土壤类型为赤红壤，主要为壤土，有机质、全氮、有效磷、速效钾含量丰富。2016年试验地耕层土壤（0～20 cm）pH值6.5，有机质含量42.4 g/kg，全氮含量2.495 g/kg，全磷含量1.357 g/kg，全钾含量12.29 g/kg，有效磷含量37.0 mg/kg，速效钾含量402 mg/kg；2017年为pH值7.2，有机质含量34.8 g/kg，全氮含量2.754 g/kg，全磷含量0.952 g/kg，全钾含量19.62 g/kg，有效磷含量20.5 mg/kg，速效钾含量243 mg/kg。

1.2 供试材料

水稻品种2016年为会粳17号，2017年为楚粳28号，均为常规粳稻品种。氮肥类型均为尿素（N≥46.4%，云南云天化股份有限公司生产）。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，设置4种氮肥处理方式，分别为N0：空白处理，不施用氮肥；CK：对照，当地习惯施肥方法，N总量270 kg/hm2，按基肥∶分蘖肥∶促花肥∶保花肥=5∶5∶0∶0施用；BNF：均衡施氮技术，氮肥总量为CK处理的80%，N总量216 kg/hm2，基肥∶分蘖肥∶促花肥∶保花肥= 2.5∶2.5∶2.5∶2.5；FCBP：前控后促施氮技术，N总量162 kg/hm2，按基肥∶分蘖肥∶促花肥∶保花肥=0∶0∶6∶4施用。根据多年调查当地水稻品种特性多为14叶，4个伸长节间的品种设计：促花肥于第10叶抽出3～5 cm时施用，保花肥于第12叶抽出3～5 cm时施用。磷钾肥均采用相同的施用方法，其中磷肥为过磷酸钙（P2O512%），用量（折合P2O5）150 kg/hm2，一次性作基肥施用；钾肥为氯化钾（K2O 60%），用量（折合K2O）150 kg/hm2，按基肥∶促花肥=5∶5施用。3次重复，小区面积15 m2，各小区之间用塑料隔水s板隔开，具体施肥量按小区的实际面积计算。

播种前进行晒种、药剂浸种催芽至露白均匀播种，采用薄膜育秧。2016年3月20日播种，4月26日移栽，4月25日施基肥，5月9日施分蘖肥，6月20日施促花肥，6月28日施保花肥。2017年3月13日播种，5月9日移栽，5月8日施基肥，5月22日施分蘖肥，6月20日施促花肥，7月3日施保花肥。移栽密度均为37.5万丛/hm2，移栽行株距27 cm×10 cm，2～3苗移栽。浅水插秧，移栽后建立浅水层，在分蘖达到预计穗数的80%时，排水晒田，控制无效分蘖；拔节长穗期至灌浆结实期采用浅湿交替灌溉，成熟期收获前7 d排干，便于收获。

田间病虫害统一管理，在水稻破口5%时用吡虫啉、三环唑、井冈霉素等防稻飞虱、稻瘟病、稻曲病。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土样采集

基肥施用5 d前进行土壤采样，采用取样器取田间表层0～20 cm处的土壤。采用对角取样法取5个点的土样，然后混合，3次重复。采集后的土样于室内自然风干，然后碾碎，从中称取200 g粉样进行土壤分析。测定项目包括土壤有机质含量、pH值、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量。

1.4.2 叶龄、茎蘖动态调查

移栽后各小区去除边行连续选取10穴水稻，每7 d标记1次主茎叶龄，并调查分蘖数、叶龄直至主茎剑叶抽出，记录主茎总叶数、茎蘖数直至齐穗期。

1.4.3 干物质重

分别于齐穗期、成熟期取样。每小区非边行选取60丛调查有效穗数，按平均有效穗数取3丛，在室内测定齐穗期叶面积（叶面积仪： LICOR-3100）、倒1叶至倒4叶叶长、SPAD值（叶 绿素仪：SPAD-502），并将其分割为茎鞘、叶、穗器官，分别装于牛皮纸袋，然后在烘箱中105℃杀青0.5 h，再80℃烘干至恒重，并用百分位电子秤称量，计算地上部分干物重、抽穗后干物质积累量、叶面积指数、群体生长率、净同化率、氮肥农学利用率等指标。

群体生长率[g/（m2·d）］＝（W2-Wl）/（t2-t1）。式中，W1和W2为前后2次测定的干物质重，t1和t2为前后2次测定的时间。

净 同 化 率[g/（m2·d）］＝[（lnL2-lnL1）/（L2-L1）］×[（W2-W1）/（t2-t1）］。式中，L1和L2为前后两次测定的叶面积，W1和W2为前后2次测定的干物质重，t1和t2为前后2次测定的时间。

氮肥农学利用率（kg/kg）=（施氮区水稻产量-无氮区水稻产量）/总施氮量

氮肥贡献率（%）=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮区产量×100

收获指数=单位面积稻谷产量/生物产量

1.4.4 产量及其构成因素的测定

每小区全部实割测产，用谷物水分仪（M-3G/M-20P）测定籽粒含水量，然后称量，按14.5%的含水量换算成实际产量。成熟期每小区选取非边行60丛调查平均有效穗数，计算成穗率。按照平均有效穗数取样，每个小区取3丛，将稻穗剪下后按小区分别装于网袋，稻穗样品手工脱粒后去除籽粒中混杂的枝梗，风干后按小区采用水选法将实粒和瘪粒分开。用自动数粒仪（SLY-E）进行考种，考查每穗总粒数、实粒数、瘪粒数、结实率和千 粒重。

1.5 数据处理及分析

生育进程、主茎总叶片数、茎蘖动态和产量及其构成因素为2016和2017年2年数据，其余调查指标为2017年数据。文中数据除茎蘖动态图和成穗率为原始数据外，其余数据均为CK处理与其余处理相比的增减效应值（%）。运用Excel 2010和SPSS 19.0进行数据作图和统计分析，用LSD法进行处理间多重比较和差异显著性检验（P=0.05），利用Pearson相关系数进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮技术对水稻生育进程的影响

从生育阶段来看，不同施氮技术对幼穗分化始期至齐穗期天数影响较大，与CK处理相比，N0处理缩短了2～3 d，BNF和FCBP处理分别延长5和10 d，为大穗形成奠定了基础（表1）。在施用促花肥之前，不同施氮技术生育进程一致，随后氮素穗肥越多，全生育期越长，延长了5～8 d，表明FCBP处理并没有因为氮肥用量的减少而出现早衰，通过氮肥后移反而适当延长了水稻生育期。FCBP处理齐穗期至成熟期的天数缩短了2～3 d，表明FCBP处理可以适当促进水稻提前完成 灌浆。

表1 不同施氮技术对水稻生育进程天数的增减效应（d）

2.2 不同施氮技术对水稻茎蘖动态及成穗率的影响

从2年的茎蘖动态来看，在N-n-1叶抽出之前，各处理间茎蘖数差异较小，茎蘖数的差异主要出现在第10叶期，施基蘖肥的CK和BNF处理，茎蘖数开始增加，而无基蘖肥的N0和FCBP处理茎蘖数差异较小（图1）。施用了促花肥后，BNF和FCBP处理的水稻分蘖持续发生，FCBP处理的茎蘖数继续增加，但茎蘖数仍低于CK和BNF。2016年N0和CK处理的高峰苗尽管出现在拔节（第13/0叶）的前一个叶龄期（第12叶期），但随后茎蘖数开始下降，因后期肥料不足，分蘖消亡过多；而BNF和FCBP处理的高峰苗出现在拔节期，主要是促花肥的施用促进了动摇分蘖成活，延缓了分蘖的消亡。CK处理的高峰苗数最高，BNF、FCBP处理次之，N0处理最少。2017年所有处理的高峰苗均出现在N-n+1叶龄期（第12叶期）， BNF＞CK＞FCBP＞N0。从茎蘖动态消亡情况来看，上一季经济作物余留的肥料能够满足水稻前期生长所需，采用前控后促施氮技术的FCBP处理有效分蘖临界叶龄期茎蘖数仍能达到预计穗数；而不施氮肥的N0处理后期茎蘖数不足，CK处理因前期基蘖肥过多导致茎蘖数过高，均不利于群体合理发展。表明氮素基蘖肥对分蘖的发生具有促进作用，是水稻生长不可或缺的一部分，但水稻季投入用量的多少应根据旱作季土壤肥力状况合理施用；适宜时期施用穗肥可促进动摇分蘖向有效分蘖发展，但对分蘖的发生作用不如基蘖肥。

图1 不同氮肥处理水稻茎蘖动态变化

2016年BNF和FCBP处理的茎蘖成穗率最高（图2），均超过90%，其次是N0处理，CK处理最低；2017年N0和FCBP处理较高，其次是BNF处理，CK处理最低。总体来看，采用前控后促施氮技术的FCBP处理不施基蘖肥后移至穗肥，茎蘖动态合理，施用促花肥后对分蘖的发生有一定的促进作用，高峰苗数适中，成穗率较高。

图2 不同氮肥处理水稻成穗率

2.3 不同施氮技术对水稻产量及其构成因素、氮肥农学利用率、氮肥贡献率的影响

与CK处理相比，稻谷产量N0处理显著减产，BNF和FCBP处理显著增产，N0处理减产17%～ 18%，2016年BNF和FCBP处理分别增产19.23%和21.93%，2017年分别增产11.70%和27.04%（表2）。与CK处理相比，随着氮肥减量的后移，氮肥农学利用率大幅度提高，2016年BNF和FCBP处理分别提高165.20%和280.45%，2017年分别提高105.02%和313.42%。氮肥贡献率2016年BNF和FCBP处理比CK分别提高113.07%和128.98%，2017年分别提高64.04%和84.01%。说明氮肥对稻谷产量的贡献显著，随着氮肥施用的后移，农学利用率增加，贡献作用更大。

表2 不同施氮技术对产量及其构成因素、氮肥农学利用率和氮肥贡献率的增减效应（%）

从两年产量构成因素看，与CK处理相比，N0处理有效穗和颖花量受影响较大，两年有效穗分别减少19.20%和22.59%，颖花量分别减少18.81%和33.76%，重施基蘖肥对总粒数没有明显的促进作用。与CK处理相比，有效穗2016年BNF和FCBP处理均增加10%左右，2017年分别增加7.23%和0.90%；施用氮肥后有效穗显著高于不施氮肥处理，但不同施氮技术有效穗差异不显著。表明FCBP处理虽然没有施用基蘖肥，但土壤中余留的氮肥能够满足有效分蘖发生的需要，穗肥的施用保证了分蘖成穗，通过降低高峰苗，提高茎蘖成穗率，优化了群体质量，有效穗数高于仅施用基肥和分蘖肥的CK处理，但低于BNF处理。每穗总粒数2016年BNF和FCBP处理比CK分别增加23.15%和32.42%，2017年分别增加6.18%和13.82%，其中FCBP两年均达显著水平。表明FCBP处理能显著促进幼穗分化，提高每穗总粒数，形成大穗。颖花量2016年BNF和FCBP处理比CK处理显著增加，分别增加35.64%和44.89%；2017年均增加14%左右，且差异不显著。施用氮肥能明显提高单位面积的颖花量，尤其是穗肥促进颖花量增加的效果更明显。结实率2016年BNF和FCBP处理与CK处理相比显著下降，降低8%左右，可能是由于颖花量的增加而引起，2017年FCBP处理提高7.78%，但差异不显著。千粒重2016年不同施氮技术处理间差异显著；2017年不同处理间差异较小。

2.4 不同施氮技术对水稻抽穗后群体干物重及群体质量的影响

与CK处理相比，不施肥的N0处理抽穗后群体干物重及群体质量均显著降低，收获指数因生物产量显著降低反而较高，但差异不显著 （表3）。

表3 不同施氮技术对水稻抽穗后群体干物重及群体质量的增减效应（%）

与CK处理相比，BNF和FCBP处理齐穗期和成熟期茎、叶干物重均降低，BNF处理降低10%以下，FCBP处理降低10%～20%，齐穗期FCBP处理与CK处理差异显著，成熟期差异不显著；穗干重BNF和FCBP处理齐穗期和成熟期均增加，齐穗期不同施氮技术处理间差异不显著，成熟期差异显著。施用氮肥可以促进水稻干物质量的增加，重施基蘖肥的CK处理，其肥效集中在生育前期，表现在抽穗期较高的干物质量，主要是水稻茎和叶重量的增加；而FCBP处理在幼穗分化期施用，齐穗期干物质积累量较低，但是穗部干物质显著增加，使得抽穗至成熟期干物质积累量显著增加，从而实现增产。抽穗后氮肥后移的两个处理群体生长率分别比CK处理增加了8.05%和28.09%，差异达显著水平。齐穗期到成熟期干物质积累量高是水稻高产的核心。

2.5 不同施氮技术对叶面积指数、高效叶面积率和实粒叶比的影响

齐穗期叶面积是保证抽穗至成熟期干物质积累的基础，因此需要建立较高叶面积指数（LAI）的群体。与CK处理相比，BNF处理齐穗期总LAI增加8.00%，FCBP处理降低8.06%，而高效LAI氮肥后移后分别增加10.54%和3.97%（表4）。高效叶面积率FCBP处理最高，显著高于其余处理。颖花叶比、实粒叶比和粒重叶比均为FCBP处理最高，分别比CK处理高24.80%、34.59%和37.67%。N0处理因不施用氮肥，齐穗期总LAI显著降低，因此实粒叶比反而较高，CK处理由于施用了氮肥，促进了叶片的伸长和叶面积的增加，但重施基蘖肥对分蘖和叶片伸长的促进作用较大，对幼穗分化的促进作用较小，因此实粒叶比均最小；而BNF处理采用均衡施氮技术，既促进了叶片的生长，也促进了颖花量的增加，在本试验中对叶片的促进效果更大，因此实粒叶比高于CK处理。FCBP处理尽管氮肥用量最少，但施用了促花肥和保花肥，在促进叶片伸长的同时也促进了幼穗分化，对幼穗分化促进作用更大，因此，其实粒叶比均最高。

表4 不同施氮技术对齐穗期叶面积指数、高效叶面积率和实粒叶比的增减效应（%）

2.6 不同施氮技术对齐穗期倒1叶至倒4叶叶长和SPAD值的影响

N0处理齐穗期倒1叶至倒4叶叶长及SPAD值均低于CK处理，其中倒2叶至倒4叶叶长、倒4叶SPAD值差异显著。与CK相比，BNF和FCBP处理的倒1叶和倒2叶显著增长，倒3叶和倒4叶缩短，倒3叶3个处理间差异显著，倒4叶CK和FCBP处理差异显著（表5）。表明氮肥后移抑制了倒4叶和倒3叶的伸长，促进了倒2叶和剑叶的伸长，前控后促施氮技术作用更明显。与CK相比氮肥后移齐穗期倒1叶至倒4叶SPAD值显著增加，表明前控后促施肥技术氮肥用量减少，前期无基蘖肥，但通过后移至穗肥，显著提高了叶片的氮含量。

表5 不同施氮技术对齐穗期倒1叶至倒4叶叶长和SPAD值的增减效应（%）

3 讨论

3.1 水稻前控后促施氮技术的可行性分析

超高产水稻氮肥运筹的原则是根据土壤肥力定量施用基蘖肥，促早发够苗，穗肥适当后移（总氮量的40%～50%），保证水稻生育期“黑黄”节奏变化，建立抽穗期适宜LAI的群体，保持超高产株型特征[17］，并在全国多地创造了水稻超高 产[18-23］，但对于大面积水稻生产而言，如何降低农户常规施氮量并适当提高当地水稻平均单产具有更广泛的指导意义。研究表明，基肥氮素流失率显著高于分蘖肥和穗肥[24］，氮肥减量增产重点在于减少前期用肥，即基蘖肥的用量[25-27］，同时适当增施穗肥能增加每穗颖花数，提高结实率和千粒重[28-30］， 且适宜的穗肥能明显提高弱势小穗灌浆期的平均灌浆速度、最大灌浆速度和粒重，进而提高产 量[31］。应用前氮后移的氮肥管理技术可以节约氮肥用量30%左右，并能提高水稻产量10%以上，显著提高了氮肥利用率[32-36］；氮肥后移减少了穗肥的损失，同时对下一季作物的氮肥利用率影响不显著[37］。另外，与籼稻相比，粳稻分蘖能力略弱，前期吸氮能力较差，通过适当降低基蘖肥施用比例以使生育中后期氮素供应充足，从而获得高产[38］。

基于前人在氮肥后移增效机制方面的大量研究，本研究结合多年的栽培技术试验及示范，根据当地土壤基础地力条件，提出前控后促施氮技术。结果表明，采用该技术后，氮肥对产量的贡献率和氮肥农学利用率大幅度提高，比农户常规施氮技术增产20%以上，比均衡施氮技术增产2%以上，说明前控后促施氮技术可以为云南水稻绿色生产提供技术支撑。

另外，土壤基础供氮能力对水稻氮肥肥效的发挥具有显著影响，土壤基础供氮量越高，水稻对土壤氮的依赖性越高，相应对肥料氮的依赖性越 低[39］。本研究中水稻季没有施入基蘖肥，且氮肥总用量减少40%的基础上稻谷仍增产，说明土壤基础供氮能力较高。空白区高峰苗前的茎蘖动态及N-n期茎蘖数可作为水稻绿色生产中土壤基础供氮能力的参考依据之一。

3.2 水稻前控后促施氮技术的节本增效特性

3.2.1 前控后促施氮技术调控和建成合理的群体茎蘖动态

在群体起点基本茎蘖苗数相同的情况下，控制倒n-2叶龄期之前的生长量，特别是控制N-n期茎蘖生长量，降低高峰苗，形成合理的茎蘖动态，这是高成穗率高产群体的基础[40］。适宜的氮素基蘖肥用量是优化群体质量获得高产的关键，但过多易导致群体过大，无效生长多，有效茎蘖个体小，因此现在生产上的氮素基蘖肥用量完全可以调整下 来[41］。栽培途径上适当减少基蘖肥用量有利于提高成穗率，而高成穗率有利于大穗形成，协调穗数与大穗的关系，进一步提高产量[42］。同时，分蘖率可作为作物需氮量的指标，不同穗型水稻品种的分蘖率达到一定数值后前期可以不施用氮 肥[43］，因此，本研究中农民常规施氮技术仅在前期施用基蘖肥，导致N-n期至倒n-2叶龄期茎蘖生长量过大，无效分蘖过多，成穗率降低；均衡施氮技术尽管氮肥总量减少，且进行了后移，但因前期仍施用一定比例的基蘖肥，所以N-n期至倒n-2叶龄期茎蘖生长量没有得到有效控制，高峰苗较多。不施用肥料的空白处理N-n期已经够苗，采用前控后促施氮技术施用穗肥后，促进了其动摇分蘖成穗，利于改善中后期群体质量。

3.2.2 前控后促施氮通过优化管理措施培育水稻高产优质群体

水稻超高产群体抽穗期叶面积指数、有效和高效叶面积率、粒叶比、干物质积累量高（占生物学产量的40.0%以上），且抽穗期至成熟期的干物重与产量呈极显著正相关[44］。在贵州各个生态区精确定量施肥模式之所以能够实现高产超高产，主要是通过降低基蘖氮肥、增加保花肥等措施，在前期适宜群体的基础上，促进中期（拔节期至抽穗期）叶面积指数扩大，实现后期（抽穗期至成熟期）群体干物质的高积累[45］。提高抽穗期至成熟期氮累积量，促进叶片与茎鞘氮运转量，尤其应提高茎鞘氮素运转率，可实现高产与氮高效利用的同步提 高[46］。随着穗肥使用比例的加大，齐穗期水稻高效叶面积率逐渐增大[47］。本研究采用前控后促施氮技术优化管理措施后，生长发育中期物质积累相对较少，抽穗期至成熟期干物重积累显著提高，齐穗期高效叶面积指数适宜，高效叶面积率达80%以上，促进了倒1叶和倒2叶的生长，抑制了倒4叶的生长，培育了水稻高产优质群体。

4 结论

在云南旱季种植蔬菜等经济作物的田块，水稻季采用前控后促施氮技术，前期不施基肥和分蘖肥，土壤基础供氮总量能够满足有效分蘖临界叶龄期前两张叶片（N-n-2）抽出时分蘖发生的需氮量，控制了无效分蘖发生，高峰苗数降低，成穗率提高，在幼穗分化期补充适宜的氮肥，促进了幼穗的分化和高效叶片的伸长，齐穗期保持适宜LAI的同时具有较高的高效叶面积率，促进抽穗期到成熟期的干物质积累，实现了减肥高产，提高了氮肥利用率。与农户常规施氮技术相比，减少氮肥用量40%，增产20%以上，氮肥农学利用率提高2.5倍以上。因此，前控后促施氮技术能实现水稻减肥增产的目标，可以为云南水稻绿色生产提供技术支撑，大面积推广应用后将对水旱轮作区耕地保护具有重要的生态意义。

致谢：感谢凌启鸿教授的审阅，并提出中肯的修改意见。