减氮增密提高寒地水稻产量与氮素吸收利用

2022-12-01尹彩侠刘志全孔丽丽李前张磊侯云鹏郝彩环

农业资源与环境学报 2022年6期

尹彩侠，刘志全，孔丽丽，李前，张磊，侯云鹏*，郝彩环

（1.吉林省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部东北植物营养与农业环境重点实验室，长春 130033；2.吉林省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，长春 130033）

水稻是我国主要的粮食作物，其种植面积约为3 007.6 万hm2，占粮食种植面积的25.8%[1]，水稻作为60%人口的口粮，对国家的生存和发展具有重要作用。随着我国人口数量持续增加和耕地资源日益紧张，水稻产量必须逐年提高才能满足我国对稻米的需求，并且面对农业生产中日趋严峻的环境问题，更需要提高养分资源利用效率，减少化肥对环境的影响。

适宜增加移栽密度、加强养分管理是实现水稻高产及养分资源高效利用的关键[2-3]，大量研究表明，移栽密度对水稻的分蘖、群体光合能力和产量均有显著影响[4-6]，科学的群体密度可以提高光合利用效率，发挥群体的增产潜力[7]；移栽密度过大，会增加群体内部个体的竞争，导致个体产量下降，从而增加病虫害和倒伏风险，造成不增产，甚至减产的后果[8-9]。氮是影响水稻生长发育的主要营养元素，参与碳氮代谢、蛋白质合成，更是植物激素、氨基酸和叶绿体的重要组成成分[10-11]，施用氮肥可以促进水稻根系生长[12]，增加冠层面积，提高光合作用[11]，从而增加水稻有效穗数、穗粒数和籽粒质量，提高水稻产量[12]。但若氮素供应过量，不仅不会提高水稻产量[13]，而且会造成氮素资源浪费，并产生环境风险[14-15]。

吉林省是我国粮食主产省，水稻作为该区域第二大粮食作物，产量较高，稻米品质优良，水稻产业在保障省域农业发展及农民增收中发挥了重要作用[16]。但是吉林省在水稻栽培中存在着施肥过量和养分不平衡等问题，特别是氮肥用量远高于当前产量水平对氮素的需求量（213～270 kg·hm-2，平均235 kg·hm-2）。在水稻移栽时，农户普遍试图通过增施氮肥来增强水稻的分蘖能力，而忽略了通过提高移栽密度调控水稻分蘖的措施，致使移栽密度过低，当地农户的移栽密度在1.60×105～2.00×105穴·hm-2，平均密度仅为1.80×105穴·hm-2。因此，研究水稻合理的施氮量与适宜的移栽密度，对提高水稻产量与氮肥利用效率具有重要意义。前人研究中虽然已较多关注移栽密度与氮肥用量对水稻产量、光合特性、根系生长和养分吸收的影响，但这些研究多在南方稻区开展，而针对东北寒地减施氮肥结合密度变化对水稻产量和氮素吸收利用的研究相对较少。因此，本研究探讨在吉林省当地传统栽培模式下，减施氮肥20%的同时增加水稻移栽密度对水稻产量、干物质积累与分配特征、氮素吸收利用的影响，为寒地水稻合理密植与减氮增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2019—2020 年在吉林省前郭县白依拉嘎乡红光农场村（123°08′32″E，44°38′16″N）开展田间试验，该区域位于吉林省中西部，年均日照时数为2 879 h，年积温约为3 100 ℃，无霜期130～140 d，2019—2020年水稻生育期气象数据（平均温度、降雨量）通过试验点气象站自动获取（图1）。试验区为水稻连作区，土壤类型为草甸土，2019 年和2020 年0～20 cm 土壤的基础养分状况：水解性氮135.2 mg·kg-1和143.6 mg·kg-1，有效磷29.4 mg·kg-1和30.1 mg·kg-1，速效钾113.5 mg·kg-1和115.7 mg·kg-1，有机质29.1 g·kg-1和29.4 g·kg-1，pH为7.2和7.1。

图1 水稻生育期平均气温及降雨量Figure 1 Average temperature and rainfall during rice growth period

1.2 试验设计

试验设4 个处理：①不施氮肥，移栽密度为1.80×105穴·hm-2（N0）；②当地传统施氮，氮肥用量235 kg·hm-2，移栽密度为1.80×105穴·hm-2（FP）；③氮肥较当地传统施氮减量20%，氮肥用量188 kg·hm-2，移栽密度为2.40×105穴·hm-2（SNHD1）；④氮肥较当地传统施氮减量20%，氮肥用量188 kg·hm-2，移栽密度为3.00×105穴·hm-2（SNHD2）。各处理的磷肥和钾肥用量相同，分别为90 kg·hm-2和110 kg·hm-2。试验小区所用的氮肥为尿素（N 46%），磷肥为重过磷酸钙（P2O546%），钾肥为硫酸钾（K2O 50%）。氮肥分4 次施入（基肥∶返青∶分蘖∶抽穗=30%∶10%∶45%∶15%）；磷肥作为基肥一次性施入；钾肥分2 次施入（基肥∶穗肥=70%∶30%）。其中基肥施用方法为在水稻移栽前将肥料施于地面，通过旋耕机作业将肥料翻埋于地下10～15 cm；追肥采用抛撒方式施用。供试水稻品种为吉粳302，水稻移栽日期分别为2019 年5 月16 日和2020年5月18日，收获日期分别为9月27日和9月30日。小区面积40 m2，重复3 次，随机排列。各小区间用45 cm 高的塑料挡板隔断，塑料挡板埋地深度15 cm，防止各小区间窜水窜肥。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 水稻干物质积累与植株全氮测定

水稻在返青、分蘖、齐穗、灌浆和成熟5 个时期分别采集植株样品，每个试验小区采集有代表性的水稻3穴（返青期20穴），于105 ℃烘干箱中杀青30 min，再用80 ℃烘干至质量恒定，测定干物质量，再将烘干后的样品粉碎，用H2SO4-H2O2消化，凯氏定氮法测定植株全氮含量。具体计算公式[3，17]如下：

1.3.2 产量及产量构成

成熟期在每个试验小区内收获5 m2水稻进行测产，按14.5%的含水量计算水稻产量。每个试验小区选取10 穴水稻用于调查有效穗数、穗粒数、实粒数与千粒重。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2016 整理汇总，年份与处理的主效应及两因素间交互作用应用SPSS 19.0 软件一般线性模型（GLM）多因素方差分析检验，处理间差异采用Duncan 多重比较法检验，显著性水平α=0.05。用Sigma Plot 14.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理水稻产量与构成因素

表1 结果表明，不同处理对水稻产量、有效穗数、每穗粒数、千粒重和结实率影响达显著水平，年份对水稻产量和每穗粒数影响显著，但有效穗数、千粒重和结实率未达到显著水平，年份和处理间的交互作用未达显著水平。施氮处理的水稻产量较不施氮处理均有显著提高。SNHD1 和SNHD2 处理水稻产量均高于FP 处理，两年平均增幅分别为7.8%和3.6%，造成产量差异的主要原因是SNHD1 和SNHD2处理有效穗数均高于FP 处理，两年平均增幅分别为5.6%和10.6%，其中SNHD2 处理的增幅达显著水平，虽然SNHD2 有效穗数较SNHD1 平均提高4.7%，但是其穗粒数、结实率和千粒重均低于SNHD1 处理，降幅分别为5.0%、3.2%和9.7%，使其产量低于SNHD1 处理。

表1 不同处理水稻产量与产量构成因素Table 1 Rice yield and its components under different treatments

2.2 不同处理水稻干物质积累特征

2.2.1 水稻干物质积累动态

各处理水稻的地上部干物质积累量随着生育进程的延续呈增加趋势（图2）。与N0 处理相比，施氮各处理在不同生育时期的干物质积累量增幅均达显著水平。在不同施氮处理中，SNHD1 和SNHD2 处理在返青期、分蘖期、齐穗期、灌浆期和成熟期的两年平均干物质量较FP 处理分别提高4.5%、21.6%、8.3%、10.8%、13.1%和3.6%、11.2%、4.3%、6.1%、6.1%。其中SNHD1 处理水稻各生育时期干物质积累量与FP处理差异达显著水平。

图2 不同处理水稻各生育时期地上部干物质积累量动态变化Figure 2 Dynamic change of shoot dry matter accumulation amount at each growth stage of rice under different treatments

2.2.2 水稻齐穗前后干物质分配比例

图3 为各处理水稻齐穗前和齐穗后的干物质量占整个植株干物质总量的比例。相较于N0 处理，施氮各处理水稻齐穗后的干物质分配比例均有所提高；在不同施氮处理中，SNHD1 处理水稻齐穗后的干物质分配比例较FP 处理两年平均提高6.1%，达显著水平，SNHD2 处理水稻齐穗后的干物质分配比例较FP处理两年平均提高2.5%。

图3 不同处理水稻齐穗前后干物质分配比例Figure 3 Distribution proportion of dry matter before and after full heading of rice under different treatments

2.3 不同处理水稻氮素积累特征

2.3.1 水稻各生育期氮素积累动态

不同处理水稻各生育期氮素积累动态与干物质积累动态趋势相一致（图4），除返青期外，SNHD1 和SNHD2处理的水稻氮素积累量在整个生育期均显著高于FP处理，水稻在分蘖期、齐穗期、灌浆期和成熟期，SNHD1处理两年平均氮素积累量较FP处理增加9.1%、15.7%、12.5%和12.4%，SNHD2处理两年平均氮素积累量较FP处理增加6.3%、6.1%、9.9%和7.4%。

图4 不同处理水稻各生育时期地上部氮积累量动态变化Figure 4 Dynamic changes of aboveground nitrogen accumulation amount of rice under different treatments at each growth stage

2.3.2 水稻齐穗前后氮素分配比例

不同处理水稻齐穗前和齐穗后的氮素积累占整个植株氮素积累结果（图5）表明，与N0 处理相比，施氮各处理水稻齐穗后的氮素分配比例均显著提高；在不同施氮处理中，SNHD1 和SNHD2 处理水稻齐穗后氮素分配比例均高于FP 处理，两年平均提高15.2%和6.7%，其中SNHD1 处理齐穗后氮素分配比例与FP处理差异达显著水平。

图5 不同处理水稻齐穗前后氮素积累分配比例Figure 5 Distribution proportion of nitrogen accumulation before and after full heading of rice under different treatments

2.4 水稻产量与齐穗前后的干物质积累量和氮素积累量的相关性

水稻齐穗前、齐穗后的地上部干物质量和氮素积累量与产量的回归分析（图6）表明，水稻齐穗前、齐穗后的干物质积累量和氮素积累量与产量间均呈显著的正相关，但水稻齐穗后干物质积累和氮素积累量线性方程的相关系数（R2=0.665 7、R2=0.773 5，P＜0.01）高于齐穗前（R2=0.480 3、R2=0.738 1，P＜0.01），说明水稻齐穗后的干物质积累量和氮素积累量与水稻产量密切相关。

图6 水稻产量与水稻齐穗前后干物质量和氮积累量的相关性Figure 6 Correlation of rice yield with dry matter mass and nitrogen accumulation before and after full heading

2.5 不同处理水稻氮肥利用效率

表2 结果表明，不同处理对水稻氮素吸收率、氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和氮肥吸收利用率影响显著，而不同年份间仅氮肥偏生产力差异显著，且年份与处理间的交互作用均未达显著水平。与FP处理相比，SNHD1和SNHD2处理的水稻氮素吸收率、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力和氮肥吸收利用率均显著提高，其中两年平均氮素吸收率分别提高0.3 kg·kg-1和0.3 kg·kg-1，氮肥农学利用率分别提高6.2 kg·kg-1和4.0 kg·kg-1，氮肥偏生产力分别提高14.4 kg·kg-1和12.2 kg·kg-1，氮肥吸收利用率分别提高16.4个百分点和12.1个百分点。

表2 不同处理肥料利用效率Table 2 Fertilizer utilization efficiency of different treatments

2.6 不同处理水稻氮素表观收支平衡

表3 结果表明，不同处理和年份对作物氮素吸收量、表观平衡和盈余率均影响显著，且年际与处理间的交互作用均达显著水平。在不同施肥模式下，由于FP处理氮投入量远高于水稻氮素吸收量，导致两年平均氮素盈余率高达44.1%；而SNHD1 和SNHD2 处理两年平均氮素盈余率分别为2.6%和7.3%，且SNHD1 处理的氮投入量与作物氮素吸收相近，氮素盈余率最低。由此可见，SNHD1 处理的氮肥投入量和移栽密度较为适宜，可以大幅降低氮素盈余。

表3 不同处理氮素表观平衡Table 3 N apparent balance under different treatments

3 讨论

3.1 减氮增密对水稻产量与构成因素的影响

单位面积有效穗数、穗粒数、结实率及千粒重是产量构成的主要因素[18]，有研究[19-21]表明，有效穗数是影响水稻产量的主要因素，孙长占等[22]的研究指出，提高水稻的有效穗数和穗粒数是实现水稻高产的关键。本研究结果表明，与FP 处理相比，SNHD1 处理将氮肥用量减少20%，同时将水稻移栽密度提高至2.40×105穴·hm-2，水稻产量显著提高，其原因在于FP处理的水稻移栽密度过低，导致群体生长不足，影响水稻成穗率，同时氮素的过量供应导致水稻生长过旺[14]，无效分蘖增多[23]，并且水稻后期贪青晚熟，导致水稻有效穗数、结实率降低，影响水稻产量。而SNHD1 处理由于移栽密度和氮肥用量较为适宜，个体与群体协调发展，在增加有效穗数的同时，稳定了结实率，提高了千粒重，从而使水稻产量得到了显著提高；SNHD2 处理将移栽密度提高至3.00×105穴·hm-2，使水稻群体生长量过大，遮蔽严重。虽然成穗数较多，但由于个体生长受抑制[24]，群体质量下降，易产生较多的小分蘖，穗型较小，导致穗粒数、结实率和千粒重均有所下降，使水稻产量提高不明显。可见，在水稻生产中，需要通过合理移栽密度与适宜施氮量的协同调控，增加有效分蘖数，避免过多的无效分蘖争水争肥，形成壮个体和高质量的水稻群体，获得合理的叶面积指数，提高光合物质生产效率，增加干物质量，促进水稻高产。

3.2 减氮增密对水稻物质生产与氮素积累的影响

干物质与养分积累作为水稻产量形成的基础[25-26]，受移栽密度与氮肥用量影响显著。水稻产量形成的过程就是物质生产与再分配的过程。有研究[9，27]指出，水稻籽粒产量的90%来自花后光合物质的积累，水稻产量随着水稻中后期干物质和氮素净积累量的增加而提高[27-28]。然而拔节至齐穗阶段是水稻营养生长的重要时期，该阶段氮素与物质积累直接影响穗分化质量[29]。因此，提高水稻生育后期的干物质与氮素积累比例，对水稻产量的提高至关重要。本研究中，FP 处理移栽密度过低（1.80×105穴·hm-2），使群体物质和氮素积累量相对较少，同时氮肥供应过量，导致水稻生育前期氮素代谢过旺，生育后期叶片早衰及光合能力下降，不利于水稻生育后期的氮素积累与物质生产[30]。而SNHD1 处理提高了移栽密度，使群体物质与氮素积累维持了较高水平，同时氮肥用量较为适宜，在水稻营养生长阶段构建了高效的群体结构，从而提高水稻齐穗后植株光合能力，提高水稻生育后期养分吸收比例[3]。而SNHD2 处理由于移栽密度过大，引起水稻群体养分竞争加剧，影响叶片的光合生产能力[28]，导致干物质与氮素积累下降。

3.3 减氮增密对水稻氮素利用效率的影响

养分利用率是衡量栽培措施合理性最直接的指标[31]，因此提高氮肥利用率是实现水稻高产高效的主要途径之一。刘红江等[32]的研究指出，氮素利用率与施氮量呈负相关，而与移栽密度呈正相关。本研究中，氮素利用效率在各年际间变异性不大，而且趋势一致，SNHD1和SNHD2处理肥料利用率均高于FP 处理，这说明移栽密度过低和过量施氮是造成当地传统施肥模式氮肥利用效率低下的主要原因。SNHD1 和SNHD2 两处理相比，SNHD1 氮素利用效率的各项指标均高于SNHD2 处理，说明适宜的群体结构通过增加养分积累和籽粒产量促进了肥料利用效率的提高。因此，水稻在生产过程中应适当控制移栽密度，科学施用氮肥，以促进水稻对氮素的吸收利用，从而增加水稻产量，提高氮肥利用效率，实现水稻高产高效和环境友好的目标。