基本苗密度和氮肥管理措施对水稻产量和品质形成的影响综述

黄志成, 姚 宇, 付第慧, 程 爽, 邢志鹏

(扬州大学江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/水稻产业工程技术研究院,江苏扬州 225009)

水稻是我国重要的粮食作物,其种植面积和产量均位居国内粮食作物首位[1]。2021年全国稻谷产量达2.128 4亿t,占粮食总产量的31.2%;种植面积为2 992.12万hm2,占粮食总种植面积的25.4%[2],为保障国家粮食安全作出了重大贡献。近年来,随着农业供给侧结构性改革和经济社会的高速发展,人们的生活质量不断提高,对稻米的需求不再是满足温饱,而是要讲品质、讲安全、讲健康。因此,在稳定水稻产量的同时兼顾“优质、绿色、高效”,对我国的口粮作物安全产出及农民增收具有重要意义[3]。

基本苗密度和氮肥管理是水稻生产最直接有效的调控手段[4],通过优化水稻群体的起点质量,协调植株个体发育,优化群体组成、结构和功能,实现足穗、壮株、大穗、充实,充分挖掘水稻生产潜力,达到增产、增质、增效、增收的目标。密植少肥、稀植多肥是生产上常用调控思路,在此基础上,“因候、因地、因种、因种植方式”等集成创新以基本苗和氮肥管理为重要内容的栽培技术,在各区域应用获得了大面积平衡丰产。然而,生产上仍存在基本苗密度大、氮肥用量高、氮肥运筹不配套等负向调控水稻产量和品质的方式,导致水稻产量不高不稳、品质不优、氮肥利用率低等现象,既不利于经济效益的提高,也不利于绿色生态生产的发展[5-7]。有研究认为,稀植促大穗是水稻稳产高产与高效利用氮肥的重要措施;也有研究认为,适当提高基本苗数,配以合理减氮手段,能够有效实现水稻的稳产高产并提升氮肥利用率;还有研究认为,增加基本苗密度,以主茎成穗为主,配套减氮措施,有利于实现大面积直播水稻丰产优质[8-9]。本文综述氮肥管理和基本苗密度对水稻产量和品质形成的影响,深入了解氮密管理措施在水稻高产优质生产中的作用,以期为深化氮密管理技术集成创新、实现大面积水稻绿色优质丰产高效栽培提供参考。

1 基本苗密度和氮肥管理对水稻产量的影响

1.1 基本苗密度对水稻产量的影响

基本苗密度是水稻种植中用于调节群体结构、提升产量的一种常见措施。赵宏伟等研究表明,适宜的基本苗密度能够使水稻强弱势粒灌浆趋于同步,灌浆速率得到显著提升,并使最大灌浆速率出现的时间提前,籽粒灌浆充实度上升,千粒质量和结实率均得到提升[10]。基本苗密度过高或过低,可能会导致单位面积穗数、总颖花数减少,或高峰苗、有效穗数过多,群体与个体之间矛盾加剧,水稻叶片遮阴严重,均可能导致产量降低[11]。因此,选择适宜的基本苗密度十分重要。赵黎明等以垦稻24为研究材料,结果表明寒地水稻移栽行株距 30 cm×10 cm时水稻粒叶比高,有利于干物质积累,有效穗数和结实率较高,稻谷产量得到提升[12]。严凯等研究表明,在盐碱地条件下适当提高南粳9108基本苗密度,能够提升单位面积有效穗数和穗粒数,以栽插穴数为33.3万穴/hm2时产量最高[13]。邹江石等研究表明,在(22.5～31.5)×104穴/hm2这一范围内,基本苗密度对水稻产量及其构成因素影响较小[14]。这与黄梅燕等的研究结果一致,即在一定范围内基本苗密度对水稻最终产量影响不显著[15-16]。这可能是因为,在一定范围内,基本苗密度对结实率和千粒质量影响较小,对单位面积有效穗数和穗粒数影响较大,穗粒数与有效穗数之间形成互补,最终导致产量变化不大。因此,水稻的最适基本苗密度存在一个范围值。

1.2 氮肥管理对水稻产量构成的影响

1.2.1 氮肥用量对水稻产量构成的影响 已有研究表明,在一定范围内,随着氮肥施用量的增加,水稻产量逐渐增加,这主要是由于适量施用氮肥促进水稻分蘖的发生,并提高分蘖成穗率,增加颖花分化数,减少颖花退化数,并通过增加灌浆期叶绿素含量而延长灌浆时间,提升灌浆期光合物质生产能力,从而提升水稻产量[17-18]。当氮肥施用过量时,无效分蘖增加,茎蘖成穗率降低,壮秆大穗优势遭到削弱,且过量施用氮素特别是过量施用穗肥,导致水稻贪青迟熟,降低籽粒中脱落酸含量,抑制茎秆中非结构性碳水化合物向籽粒转运,籽粒灌浆不充分,群体颖花量的增加也无法弥补结实率和千粒质量降低带来的影响,从而导致产量下降[7]。促进水稻高产的适宜氮肥用量,因水稻品种特性、地域环境等不同而有所差异。严凯等研究表明,南粳9108在江苏盐城地区的最适施氮量为 300 kg/hm2[13]。刘红江等研究表明,太湖地区水稻高产的适宜施氮量为324 kg/hm2[19]。董士琦等研究认为,苏北盐碱滩涂种植水稻的适宜施氮量为 300 kg/hm2[20]。因地制宜制定氮肥施用量,对水稻产量的提高至关重要。

1.2.2 氮肥运筹对水稻产量的影响 在确定氮肥最佳用量的基础上,根据水稻生长发育过程不同时期的需肥规律,进一步明确氮肥的合理运筹比例,有利于更好地实现氮素合理供应,从而促进产量进一步提升。张洪程等提出氮肥精确后移模式,该模式在巩固有效穗数的同时,能够有效控制无效分蘖的发生,提高分蘖成穗率,形成足量的群体有效茎蘖数,攻大穗,提高干物质积累量,保证源库活性,促进产量提升[21]。然而在秸秆全量还田、稻田耕种因劳动力和换茬时间紧张而呈半粗犷或粗犷耕整地的趋势下,适当增加水稻基蘖肥的运筹比例,有利于缓解水稻生育前期秸秆腐解过程中微生物与水稻争氮,促进低蘖位分蘖的发生,有利于水稻茎蘖成穗率和每穗粒数提高,同时根据倒三叶、倒四叶的叶色差,确定穗肥的施用时间,能够进一步实现产量的提升[21-22]。

近年来,以缓控释氮肥为主要原材料的简化施肥(基肥+分蘖肥)或一次性基施氮肥方案在水稻生产中逐渐应用,为现代水稻生产降低施肥频率、提高施肥轻简化程度提供了新的方案。前人从缓控释氮肥的施用量、施用方式、类型与运筹及缓控释氮肥组配等方面展开了大量研究。刘红江等研究发现,与农户传统施肥相比,减氮10%施用缓控释肥,水稻产量提升,这与许仙菊等的研究结果基本一致;但当减氮18.2%时,水稻产量显著降低,分析是由于氮肥用量减幅过大,有效穗数减少[23-24]。何荣川研究发现,硫包衣尿素等采用撒施方式难以满足水稻生育期对养分的需求,穗数与常规分次施肥方式无显著差异,但总颖花量和结实率显著降低,最终导致产量显著低于常规分次施肥;而采用侧深施用方式,水稻产量显著提升5.9%[25]。魏海燕等研究认为,基施缓控释肥后于分蘖期施用尿素,能够促进水稻分蘖,提升水稻分蘖成穗率和有效穗数,各生育期的光合势和干物质积累量增加,易获得高产[26]。

同时,为进一步促进水稻施肥的轻简高效化,提高一次性基施氮肥技术在高产优质食味水稻上的应用效果,前人将长效和短效控释尿素相互掺混,以控释尿素配方的形式与常规尿素相配合一次性基施,以进一步满足水稻分蘖期对氮素营养的需求。蒋伟勤等研究表明,100 d+80 d、100 d+120 d混施的缓控释肥方式下,养分释放速率与南粳9108的养分吸收最匹配,能够有效促进水稻产量的提高[27]。付正豪等研究认为,10%40 d+40%100 d+50%速效氮肥的肥料配比,更符合迟熟中粳稻生长发育期间对养分的需求,有助于构建水稻优质高产群体,在提高氮肥利用率的同时获得高产[28]。因此,因地制宜选择缓控释氮肥类型、施用方式和控释氮肥间的组配方式,才能最大程度地发挥简化施肥或一次性施肥技术的效果,实现水稻稳产和高产。

1.3 密氮互作对水稻产量的影响

适宜的施氮量和基本苗密度组合,有助于有效协调水稻田间群体与个体的关系,促进光合效率提高,从而实现水稻高产。适宜的基本苗密度配合氮肥用量和氮肥运筹比例,是实现水稻高产的主要方式,即低密高氮模式。张洪程等研究表明,常规粳稻的毯苗机插以每穴4苗、株行距10 cm×30 cm的规格,配以氮肥精确定量后移技术,能够实现常规机插粳稻的高产和超高产[21]。吴培等的研究表明,在精细整地及精量直播保证全苗的前提下,机直播稻在300 kg/hm2的高氮水平下配合90×104株/hm2的直播密度,可获得最高产量[18]。而随着农业生产逐渐向资源节约高效利用、环境友好的绿色生产方向发展,水稻生产中大量施用氮素等方式需要加以改进。前人从减密增氮的角度开展了大量研究。徐一兰等通过增苗减氮措施研究,发现在减少氮肥用量的同时,合理密植增加基本苗数,能够有效弥补因氮肥用量降低所造成的产量损失,从而实现稳产或高产[29]。这与前人的研究结果[13,30-31]相一致。张江林等的研究表明,在21×104株/hm2的低密度条件下,水稻产量随氮肥用量的增加而增加,而在27×104株/hm2的高密度条件下,水稻产量随着氮肥用量的增加呈先增后降的趋势[32]。石爱龙等的研究表明,随着施氮量和基本苗密度的增加,产量均先升后降,密肥互作效应显著,施氮量为 120 kg/hm2、栽插行株距为13.3 cm×20.0 cm时,能有效协调产量构成因素之间的关系,使杂交早稻获得高产量与较优的经济和生态效益[6]。此外,学者通过建立回归模型确定最佳氮密组合模式,以期为水稻的高产高效栽培提供支持[7,33-34]。

2 基本苗密度和氮肥管理对稻米品质的影响

2.1 基本苗密度对稻米品质的影响

基本苗密度对稻米的加工和外观品质影响较大。受不同水稻品种特性以及试验地点之间不同温光条件的影响,前人的研究结果不尽相同。吴子帅等研究表明,基本苗密度过大,水稻田间群体郁闭,个体植株的光照面积、营养面积减小,光合作用下降,下部籽粒灌浆不充分,稻米垩白度和垩白粒率增加,精米率下降,外观、加工品质下降[35-36]。徐春梅等研究发现,随着基本苗密度的增加,整精米率上升,加工品质得到改善[37]。潘圣刚等研究表明,稻米的外观品质随基本苗密度降低呈现下降趋势,这与兰宇辰等的研究结果[38-39]相一致。分析原因是水稻基本苗密度下降,次生分蘖数增加,抽穗时间不一,收获时稻谷成熟度差异大,过熟、未熟谷粒比例增加,从而导致垩白粒率和垩白度增加。因此,基本苗密度主要通过影响水稻群体有效穗数来影响稻米的外观品质。殷春渊等研究表明,稻米的外观品质与基本苗密度呈开口朝上的抛物线形式,即随着密度的增加,外观品质先降低后逐渐得到改善,以中密度(27.75万穴/hm2)下稻米的外观、食味品质最好[40]。在减氮栽培的形势下,通过增密实现稳定的产量已成为普遍的做法。尽管这一方式可能有助于降低水稻灌浆期的氮素供应量从而提高稻米的蒸煮食味品质,但如何在保持稳产高产的前提下,降低增密所产生的稻米外观品质劣化程度,有待于进一步研究[41]。

2.2 氮肥管理对稻米品质的影响

2.2.1 氮肥用量对稻米品质的影响 氮肥是影响水稻品质的重要因素之一。较多研究表明,在低氮水平下,随着氮肥用量的增加,水稻整精米率和蛋白质含量呈上升的趋势,稻米的加工品质和营养品质得到改善,分析原因是增施氮肥,水稻植株的含氮量增加,促进营养物质向穗部运输,稻谷硬度和氮素含量增加,从而提升抗碾磨能力和蛋白质含量[37,43-44]。稻米的外观品质对氮肥用量的响应机制因水稻品种差异而不同,粳稻的垩白粒率与垩白度随氮肥用量的增加而增加,籼稻则与之相反[44]。分析原因是垩白度和垩白粒率对抽穗期后的温度变化较为敏感,而各试验地点之间的温光条件不一致。抽穗后温度过高导致籽粒灌浆速率加快,从而使淀粉粒在籽粒中分布不均匀,且淀粉粒间空隙增大,可能会增加光的折射,从而降低稻米的外观品质[45]。侯红燕等研究认为,常规粳稻胶稠度和米饭黏度随着氮肥用量的增加而显著降低,食味值下降[46]。刘秋员等的研究表明,随着氮肥用量的提升,南粳9108的直链淀粉含量、米饭黏度、平衡度均呈现下降的趋势,而硬度增加,从而影响稻米的食味品质[47]。稻米不同品质对氮肥的响应不同,如何通过氮肥协调稻米的各品质指标,是当前的一大难点。

2.2.2 氮肥运筹对稻米品质的影响 合理的氮肥运筹能够有效改善稻米品质。前人研究表明,杂交籼稻的加工品质随着穗肥用量的增加而显著提升,分析原因是随着穗肥用量增加,稻米蛋白质含量增加,从而提升了稻米的抗碾磨能力[48-51]。同时部分研究表明,相较于前期重施基蘖肥,后期增施穗肥的氮肥运筹方式能够显著提升稻米的蛋白质含量,有利于改善稻米的营养品质,但直链淀粉含量降低,胶稠度变短,可能是由于前氮后移,水稻植株内氮素含量较高,叶片光合速率上升,延长了籽粒灌浆时期,增加了籽粒的质量和充实度[38,50,52-53]。而稻米较高的蛋白质含量往往会导致米饭质地更硬、黏度更低[54]。因此,部分研究人员认为,氮肥适当前移能够协调蛋白质和淀粉合成之间的平衡,从而提升稻米的蒸煮食味品质[38,53]。与常规分次施肥方式相比,后期增施氮肥在显著提升粳稻胶稠度的同时,能够有效降低糊化温度,有利于蒸煮食味品质的改善[55]。不同研究结果中,增施穗肥对稻米蒸煮食味品质的影响结果不一,这可能是由于不同品种水稻的吸氮能力不同,导致籽粒中氮素含量不同。相较于中低吸氮能力的水稻品种,高吸氮能力的水稻品种籽粒中氮素含量可能越多,导致蛋白质含量更高,从而引起蒸煮食味品质的显著下降[56-58]。

Wei等研究表明,相较于分次施肥,一次性施肥并未提高稻米的加工品质[54]。部分研究结果表明,在等氮条件下,相较于传统分次施肥,施用缓控释肥能够降低垩白度和垩白粒率[59-60],这可能归因于与分次施肥下穗肥的短期集中施用相比,一次性基施氮肥处理中控释尿素配方的氮素释放较为平缓,且随着抽穗—成熟期氮素吸收的降低,进一步促进灌浆期氮素的合理供应,促进淀粉和蛋白质等灌浆物质在籽粒中的合理分布,减少填充间隙和光的反射,从而降低籽粒垩白率[61-62]。而居静等研究则认为,施用缓控释肥在一定程度上会增加垩白度和垩白粒率[63]。付正豪等研究表明,施用缓控释肥能够改善稻米的食味、加工品质[28]。

不同研究中一次性施肥技术对稻米品质影响存在差异,可能是由于供试的缓控释氮肥不同。在相同施氮量下,释放周期较短的缓控释氮肥在水稻灌浆期的氮素释放较少,降低了灌浆期的氮素供应,从而可能降低籽粒中的垩白和蛋白质含量,而提高食味品质。释放周期较长的缓控释氮肥在抽穗至成熟期释放的氮素可能大于分次施肥下的穗肥施用量,从而导致稻米的垩白和蛋白质含量增加,外观和食味品质降低。

2.3 密氮互作对稻米品质形成的影响

在高产的同时实现稻米生产的优质化,是我国当前稻作科学发展的主要目标之一。寻求稻米优质高产的密肥运筹组合至关重要。殷春渊等研究表明,在低密度以及高密度条件下,稻米垩白粒率均随氮肥施用量的增加而增加,综合氮肥和密度2个因素,在基本苗密度27.75万穴/hm2、氮肥用量262.5 kg/hm2时,稻米产量和品质协同最优[40]。吴子帅等研究发现,影响稻米品质评价的各项指标在不同的氮密组合下高低排序不同,在某一组合下某种指标优良并不能保证其他指标也良好;施氮量150 kg/hm2、基本苗密度30万穴/hm2时,产量和品质能得到较好的协调[35]。兰宇辰等研究发现,稻米的外观品质随基本苗密度和氮肥用量的上升均呈先升后降的趋势,增加氮肥用量的同时降低基本苗密度,可以改善稻米的外观品质和提升稻米的产量,实现稻米的产质协同提升[39,64]。程效义等研究发现,在降低氮肥用量的同时适当密植,可以显著改善粳稻的营养和食味品质[65]。

3 存在问题与展望

关于密氮栽培措施对水稻产量和品质的影响已有较多研究,一些栽培技术已应用到生产实践中,但仍有很大的研究发展空间。基本苗密度、氮肥用量与运筹在调控水稻产量品质效率协同提升的机理和技术措施方面尚缺乏系统的比较研究。比如在增密减氮措施下,实现水稻稳产的同时,难以兼顾稻米品质的各指标协同提升,特别是难以兼顾稻米的外观和食味品质协同提升;增密减氮的栽培措施也往往造成水稻壮秆优势削弱,增加倒伏风险,显著降低水稻的产量和品质。肖楠等研究认为,随着氮肥用量的增加,水稻节间变长、变细,倒伏指数显著提升[66]。许俊伟等研究表明,随着基本苗密度的增加,水稻群体生长量增大,田间群体郁闭,同时水稻倒伏指数增加,抗倒伏能力降低,不利于产量的形成[67]。

近年来,缓控释肥已逐步应用到水稻生产上,可减少田间追肥次数,提高肥料利用率,实现种稻省工省力。施用技术也随农机装备的转型升级在向深施、侧深施、水肥一体化、一次性施用等更加精准节肥的方式发展。在调控水稻产量和品质形成上,缓控释肥与基本苗密度呈现显著的互作效应。因此,从栽培实用性角度看,还需加强研究不同稻区、不同稻作方式、不同水稻品种下适宜的缓控释氮肥类型及其与尿素的掺混比例,以进一步适应不同吸氮特性的水稻。在基本苗密度调控下,寻求在不同地域、土类、品种上有较强普适性的缓控释肥掺混肥料,以提高缓控释氮密栽培技术的实用性和适用性。应用缓控释肥的一次性施肥新技术的示范区,在减少田间施肥次数、减少机力人工投入、提高肥料利用上有明显效果,且水稻产量可实现与对照田相当或略增,但产量、品质和效率如何协同尚不清楚。真正适用于大面积生产、年度间稳定重演的一次性施用肥料配方与施肥技术,亟待进一步攻关研究。