氮肥運籌對機械栽植早稻兩優287根系特征和產量的影響

趙鋒　程建平　汪本福等

摘要：為了明確氮肥運籌對早稻兩優287機械栽植產量形成的作用機制，在總施氮量（純氮）為150 kg/hm2條件下，設置基肥、分蘗肥、穗肥比例分別為7∶3∶0（N1）、6∶3∶1（N2）、5∶3∶2（N3）、4∶3∶3（N4）和3∶3∶4（N5）5個氮肥運籌模式，分析水稻根系形態與傷流量、葉綠素、莖鞘干物質轉運和產量構成因素等狀況。結果表明，①各處理間產量及氮肥農學利用率均以N3最高，與其他處理間差異達顯著水平；以N5最低，與其他處理間差異也均達顯著水平。②隨著氮肥的后移，水稻總根長和根比表面積呈降低趨勢，根數和根干重以N3最大，其根系傷流量也最大。③N5水稻葉片SPAD值灌漿期和收獲期相對較高，出現貪青現象。④N3和N4的莖鞘物質輸出率和莖鞘物質轉換率較低，葉片干物質輸出率為負值。從而得知，早稻兩優287機械栽植，在基肥、分蘗肥、穗肥中氮比例為5∶3∶2時有利于提高生育后期的根系活力、形成有效利用養分的根系特征、促進葉片光合能力的發揮，最終取得較高產量。

關鍵詞：氮肥運籌；早稻；機械栽植；根系特征；產量

中圖分類號：S511.3+1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）07-1505-05

氮素是蛋白質形成的基礎，施用氮肥能夠提高水稻株高、葉綠素含量、蛋白質水平，最終提高水稻產量[1]。然而，氮肥施用過量會導致氮肥利用率（Nitrogen use efficiency，NUE）降低以及水污染[2]。在現代水稻栽培體系中，合理的氮肥運籌對促進水稻大面積均衡增產至關重要。

氮肥運籌對水稻產量及品質作用效果受水稻品種、種植制度、土壤肥力等因素的影響[3-7]。由于植物根系是水分和養分吸收的主要器官，其形態和生理特性與地上部的生長發育和產量的形成密切相關，根系形態和活力一定程度上限定了氮肥的利用狀況[8，9]。機械栽植與傳統手插在苗齡和傷根狀況上不同，機械栽植一般采用小苗移栽，傷根現象較手插嚴重。因此，根系發育進程與傳統移栽差異較大，其吸收功能也不盡相同。前人的研究表明，根系性狀與水稻品種的氮吸收量關系密切[10]。通過氮肥調控可以促進水稻地上、地下協調發展，進而提高產量[11]。水稻中后期光合效率和莖葉干物質輸出量與其產量關系密切[12]，氮肥適當后移能夠提高群體光合勢、產量以及氮肥當季利用率[13]。

水稻機械栽植通過定行、定穴、定苗栽插有利于合理調控水稻群體質量。目前，中國水稻機械化栽植面積占全國水稻種植面積的13%，2010年新增面積預計達100萬hm2，占全國水稻種植面積的16%[14]。本研究采用湖北省早稻機械栽植氮肥運籌的幾種常見模式，以主推品種兩優287為研究對象[15]，以明確不同氮肥運籌模式對水稻產量形成的生物學機制，旨在為水稻機械化高產栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗地點設置在湖北省農業科學院南湖試驗站和湖北省京山縣（112°43′-113°39′ E，30°42′-31°27′ N），屬中亞熱帶季風氣候區。年日照時數1 978.8～2 012.8 h，年太陽輻射總量452.2～460.5 kJ/m2，年平均氣溫16.1 ℃，無霜期230 d左右，年均降雨量1 020～1 150 mm，41%～45%的雨量集中在夏季。光熱豐富、降雨充沛、雨熱同期，具有發展農業的優越氣候條件。所選試驗田塊連續多年種植水稻，土地平整，肥力均一，交通方便，灌排條件完善。土壤類型為黃棕壤瀦育型水稻土，土壤有機質含量為25.2 g/kg、堿解氮含量為137.9 mg/kg、速效磷含量為10.2 mg/kg、速效鉀含量為54.4 mg/kg、pH為5.3。

1.2 育秧與栽插

供試水稻品種為感溫性早秈稻品種兩優287。2011年3月15日育秧。開溝做秧床，秧床寬1.4 m，溝寬0.4 m，溝深0.15 m。要求廂面平整，灌透底水。采用小拱棚旱育秧，竹片起拱，竹拱間距60～100 cm，拱高40～45 cm，覆蓋地膜，四周蓋嚴、捂實。播種到出苗前一般不灌水，出苗到2葉期前膜內溫度應控制在25 ℃以內，2葉期開始應看天氣通風煉苗，并于3葉期左右徹底揭膜。育秧前期均勻澆水，盤邊可略重；后期主要澆盤邊。秧盤直徑為58 cm×28 cm，播種量80～100 g/盤。4月18日移栽。采用手扶式插秧機，插秧規格為13.3 cm×30.0 cm。每穴取苗量為2～3株。每公頃基本苗為24.0萬～25.5萬穴。試驗所用插秧機型號為東洋PF355S。

1.3 試驗處理與田間管理

氮肥按基肥、分蘗肥和穗肥不同施用比例設置5個氮肥運籌模式，即基肥、分蘗肥、穗肥中氮肥比例分別為7∶3∶0（N1）、6∶3∶1（N2）、5∶3∶2（N3）、4∶3∶3（N4）和3∶3∶4（N5），同時另設無氮處理（N0）以考察氮肥農學利用率。施氮（N）、磷（P2O5）、鉀 （K2O）總量分別為150、94、131 kg/hm2。磷肥作為基肥一次施入，鉀肥分別以基肥和穗肥平均施入。基肥于移栽前2 d施入，分蘗肥移栽后10 d施用，穗肥于倒三葉期施入。各處理均設3次重復，小區面積為12 m×15 m。同時施入“大粒鋅”3 kg/hm2、“大粒硅”60 kg/hm2。其余田間管理按當地習慣操作。

1.4 研究項目與方法

1.4.1 根系形態 于分蘗期和齊穗期分別按小區平均莖蘗數選擇2穴水稻，利用地面半徑為10 cm的圓柱形不銹鋼取樣器（兩半圓弧面相扣構成），以水稻根基部為中心，打入土面以下40 cm深，移出取樣器，打開取出土柱（包括根），裝入塑料網袋后，依次用自來水、去離子水沖洗干凈，采用WinRHIZO Pro根系分析系統（型號為LA2400，加拿大產）獲取根系總長度、根直徑、根表面積、根體積和根尖數等相關參數，同時采用直尺量取根系最長根長。

1.4.2 根系傷流量 分別于齊穗期和收獲期按小區平均莖蘗選擇2穴，用剪刀在根基部以上15 cm處平齊剪斷，傷口擦拭后，用預先稱重的脫脂棉包裹，上面用塑料薄膜覆蓋后用皮筋固定。傷流吸收時間段保持在下午6∶00至次日上午8∶00之間，保證吸收時間在14 h左右。吸收傷流后的脫脂棉稱重。兩次稱重之差為吸取傷流的重量。同時調查傷流所在水稻的分蘗數。

1.4.3 葉綠素 利用葉片SPAD值指示葉綠素含量，分別于分蘗期、齊穗期、灌漿期和收獲期采用SPAD儀測定主莖倒一葉和倒二葉葉片的SPAD值，測定部位為上部、中部、下部，取平均值，連續測定10穴植株。

1.4.4 干物質轉運 莖鞘物質輸出率（EPMSS，Exporting percentage of matter of stem and sheath）、莖鞘物質轉換率（TPMSS，Transporting percentage of matter of stem and sheath）和葉片物質輸出率（EPML，Exporting percentage of matter of leaves）的計算參照趙步洪等[16]的方法，具體計算公式為：

EPMSS=（A1-A2）/A1×100%

TPMSS=（A1-A2）/C2×100%

EPML=（B1-B2）/B1×100%

式中，A1、B1分別為齊穗期莖鞘、葉片的干物質量；A2、B2和C2分別為收獲期莖鞘、葉片和穗的干物質量，取樣方法同1.4.1。

1.4.5 產量及其構成因素 谷粒成熟時去邊行后，以5點取樣法取樣，各小區樣點連續取10穴，共50穴，統計有效穗數。根據其平均值選取有代表性的植株10穴，測定水稻各經濟性狀，包括有效穗數、每穗穎花數、結實率、千粒重。同時，在每小區實收單打計算實際產量。

1.4.6 氮肥農學利用率 采用氮肥農學利用率（Nitrogen agronomic efficiency， NAE）作為衡量氮肥利用的指標，其計算公式為：氮肥農學利用率（NAE）=（施氮區稻谷產量-不施氮區稻谷產量）/施氮量。

1.5 數據處理與統計

采集的數據采用EXCEL和SPSS 11.5軟件進行統計分析，處理間差異采用LSD檢驗或Duncans新復極差檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥運籌模式對根系特征的影響

早稻兩優287根系形態特征隨氮肥在水稻不同生育時期施用的比例不同呈現規律性的變化（表1）。隨氮肥后移，總根長和根表面積降低，與N1相比，N2、N3、N4和N5總根長分別減少3.1%、9.2%、19.0%和34.8%，而根表面積分別減少17.3%、18.8%、22.3%和35.6%。水稻最長根長隨氮肥后移而伸長。根數和根干重以N3最大，與其他處理間差異顯著；與N3比較，氮肥前移或后移根數和根干重均逐漸減少。

2.2 不同氮肥運籌模式對根系傷流量的影響

由圖1可見，不同氮肥運籌模式下，機插早稻兩優287根系傷流強度齊穗期和成熟期均存在差異。齊穗期N3根系傷流量最大，其中與N4和N5差異達顯著水平，分別較二者上升了23.8%和24.6%。成熟期水稻根系傷流量均顯著降低，其中N2和N5下降幅度最大。成熟期，N3根系傷流量依舊最大，顯著高于N1、N2和N5。N4由于降低幅度較小，其傷流量與N3差異未達到顯著水平，N5此時僅為N3的51.0%。

2.3 不同氮肥運籌模式對葉片SPAD值的影響

由表2可知，不同氮肥運籌對機插早稻兩優287葉片SPAD值在不同生育時期的影響不同。在分蘗期，N3倒一葉SPAD值顯著高于N1和N2，倒二葉僅顯著高于N2，與其余處理間差異不顯著。齊穗期水稻此兩個葉位SPAD值在處理間均無顯著性差異。灌漿期，N5倒一葉SPAD值顯著高于N1，但與其余處理間差異不顯著；而倒二葉除與N4差異不顯著外，均顯著高于其余處理。當氮肥后移時，水稻灌漿期葉片SPAD值有上升的趨勢，而在收獲期這一趨勢表現的更為明顯。N5的倒一葉和倒二葉SPAD值在收獲期顯著高于其余處理，水稻群體表現明顯的貪青現象。

2.4 不同氮肥運籌模式對光合物質轉運的影響

齊穗期早稻兩優287干物質總量不同氮肥運籌處理間均無顯著差異，但收獲期差異顯著，其中N3和N4顯著高于其余處理（表3）。N3和N4的EPMSS和TPMSS較低，與N1相比，N3的EPMSS和TPMSS降低了55.5%和67.3%，N4降低了92.5%和94.9%，差異均達顯著水平。N5的TPMSS較N1也顯著降低。由此可見，N3和N4相對其余處理，穗部干物質的增加對齊穗前干物質積累量的依賴程度較小。從EPML上看，N3、N4兩處理均為負值，說明齊穗后葉片干物質積累量有所增加。綜上可知，齊穗后N3和N4葉片依然保持較強的光合能力，增加了對穗部干物質的輸送比例。

2.5 不同氮肥運籌模式對氮肥農學利用率的影響

由圖2可見，水稻氮肥農學利用率以N3最高，與其他處理間差異均達顯著水平；N5最低，與其他處理間也均達顯著水平；其余3個處理間差異不顯著。

2.6 不同氮肥運籌模式對產量及其構成因素的影響

隨氮肥后移，水稻產量呈現先增加后減少的趨勢（表4）。與N1相比，N2、N3和N4實際產量分別提高了1.6%、3.7%和1.2%，而N5降低了10.3%。當穗肥中追施氮肥比例過大時，水稻明顯出現貪青的現象，顯著降低水稻產量。理論產量也呈類似規律。有效穗數以N4最高，N1最低，N1顯著低于其余處理。每穗總粒數和千粒重各處理間差異不顯著。結實率N4顯著低于N1、N2和N3，但與N5差異不顯著。

3 討論

3.1 氮肥運籌對早稻機械栽植根系特征的影響

根系形態結構與活性及其與產量的關系一直是水稻根系研究的一個熱點[8]，而氮素高效吸收取決于水稻根系的生物學特征。張岳芳等[10]研究表明，改良抽穗期單株根系性狀（根數、根干重、總根長、總吸收面積、根系活力）有利于提高氮的吸收量，也有利于提高產量。本研究發現，水稻齊穗期總根長和根表面積隨氮肥后移而逐漸減小，而最長根長逐漸增加（表1）。說明隨后期氮肥用量增加，水稻扎根更深，而前期多施氮量有利于提高根數。N3產量最高，其根系傷流量、根數和根干重等指標均較其余處理大。潘曉華等[17]研究認為，根系活力和根干重與水稻產量正相關，這一研究結果與本研究結果是一致的。但也有研究認為根干重和根系傷流量不一定能反映水稻的高產性狀[18，19]。但更多觀點認為，根干重和根系傷流量與產量有很密切的相關性[20-22]。造成判斷根系指標與產量相關性結論差異的原因可能與品種和種植制度有關。氮素養分的吸收對根系活力有重要影響，合理的氮肥配比有利于根系傷流量的提高[22]。本研究結果表明，當基肥、分蘗肥、穗肥比例為5∶3∶2（即N3）時的氮肥配比有利于根系傷流量的提高，與之前研究結果一致。

3.2 氮肥運籌對早稻機械栽植光合物質積累與轉運及產量的影響

水稻產量的高低主要決定于抽穗至成熟期的光合生產能力，子粒產量的絕大部分來源于抽穗后的光合產物，一般占子粒產量的70%～90%[23]。本研究表明，氮肥運籌模式是影響機插早稻中后期光合物質積累、轉運的重要原因。通過氮肥后移可以提高灌漿期水稻葉片的SPAD值，能較好地提高此階段品種光合潛力的發揮（表2）。N5的SPAD值雖然最高，從光合物質的轉運情況看，其EPMSS和TPMSS依然很高，其主要原因是后期氮肥施用較多導致貪青，光合物質不能順利向庫（穎果）中充實。因此，在總施氮量適宜的情況下，適當減少生育前期施氮量，控制群體物質生長量，在保證苗夠的基礎上，適當增加生育后期施氮量，提高后期葉片光合能力，可使抽穗至成熟階段有較大的光合物質生產能力，顯著提高作物的氮肥農學利用率（圖2）和產量（表4），這與我們前期對秈型中稻機械栽插的研究結果是一致的[24]。Li等[25]研究認為分蘗期氮肥用量過大，而CO2相對不足，會抑制水稻光合能力的發揮，最終導致氮肥利用率的下降，這可能是氮肥適當后移水稻增產的原因。

4 結論

提高群體有效穗數是氮肥后移在早稻兩優287機械栽植中產量提高的主要原因。在施用純氮總量為150 kg/hm2條件下，氮肥在基肥、分蘗肥、穗肥中比例分別為5∶3∶2時，機械栽插水稻兩優287產量和氮肥農學利用率最高。在此氮肥運籌模式下，水稻具有較多的根數、適宜的根長和表面積以及較強的根系活力，可為水稻齊穗后地上部養分吸收提供根系形態和功能支持，進而提高其齊穗后葉片光合功能和干物質的積累和轉運。

參考文獻：

[1] DING L， WANG K J， JIANG G M， et al. Effects of nitrogen deficiency on photosynthetic traits of maize hybrids released in different years [J]. Ann Bot，2005，96（5）：925-930.

[2] JING Q， BOUMAN B A M， HENGSDIJK H， et al. Exploring options to combine high yields with high nitrogen rise efficiencies in irrigated rice in China[J]. Eur J Agron，2007，26：166-177.

[3] 張均華，劉建立，張佳寶，等.施氮量對稻麥干物質轉運與氮肥利用的影響[J].作物學報，2010，36（10）：1736-1742.

[4] NAKANO H， MORITA S. Effects of time of first harvest ， total amount of nitrogen，and nitrogen application method on total dry matter yield in twice harvesting of rice[J]. Field Crops Research，2008，105：40-47.

[5] NTANOS D A， KOUTROUBAS S D. Dry matter and N accumulation and translocation for indica and japonica rice under Mediterranean condition[J]. Field Crops Reasearch，2002，74（1）：93-101.

[6] 江立庚，曹衛星，甘秀芹，等.不同施氮水平對南方早稻氮素吸收利用及其產量和品質的影響[J].中國農業科學，2004，37（4）：490-496.

[7] 潘興書，馮躍華，趙田徑，等.不同施氮條件下2個超級雜交稻干物質生產特性[J].江蘇農業學報，2009，25（4）：726-730.

[8] 楊建昌.水稻根系形態生理與產量、品質形成及養分吸收利用的關系[J].中國農業科學，2011，44（1）：36-46.

[9] 張傳勝，王余龍，龍銀成，等.影響秈稻品種產量水平的主要根系性狀[J].作物學報，2005，31（2）：137-143.

[10] 張岳芳，王余龍，張傳勝，等.秈稻品種的氮素累積量與根系性狀的關系[J].作物學報，2006，32（8）：1121-1129.

[11] 丁能飛，郭 彬，林義成，等.集約化稻田養分均衡調控研究[J].浙江農業學報，2010，22（3）：349-353.

[12] 劉建豐，袁隆平，鄧啟云，等.超高產雜交稻的光合特征研究[J].中國農業科學，2005，38（2）：258-264.

[13] 張洪程， 吳桂成，戴其根，等.水稻氮肥精確后移及其機制[J].作物學報，2011，37（10）：1837-1851.

[14] 張漢夫.我國水稻育插秧機械化呈現加速發展勢頭[J].現代農業裝備，2010（1）：95-96.

[15] 吳和明，張忠元，盧開陽，等.早熟優質高產雜交早稻兩優287等品種的鑒定[J].湖北農業科學，2005（6）：26-29.

[16] 趙步洪， 奚嶺林， 楊建昌.兩系雜交稻莖鞘物質轉運與籽粒充實特征研究[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2004，32（10）：9-14.

[17] 潘曉華，王永銳，傅家銳.水稻根系生長生理的研究進展[J].植物學通報，1996，13（2）：13-20.

[18] SAMEJIMA H， KONDO M， ITO O， et al. Root-shoot interaction as a limiting factor of biomass productivity in new tropical rice lines[J]. Soil Science and Plant Nutrition，2004，50（4）：545-554.

[19] 楊建昌，徐國偉，仇 明，等.新株型水稻生育特性及產量形成特點的研究[J].揚州大學學報（農業與生命科學版），2002， 23（1）：45-50.

[20] YANG C M， YANG L Z， YANG Y X， et al. Rice root growth and nutrient uptake as influenced by organic manure in continuously and alternately flooded paddy soils [J]. Agric Water Manag，2004，70：67-81.

[21] LADHA J K， KIRK G J D， BENNETT J， et al. Opportunities for increased nitrogen-use efficiency from improved lowland rice germplasm [J]. Field Crops Res，1998，56：41-71.

[22] 樊劍波，張亞麗，萬小羽，等.水稻根系與氮素吸收利用之研究進展[J].中國農學通報，2007，23（2）：236-240.

[23] 薛亞光，楊建昌.水稻超高產生理特性與栽培技術[J].作物雜志，2009（6）：8-11.

[24] 程建平，張再君，趙 鋒，等.機械插秧密度和氮肥運籌對兩優1528群體動態和產量的影響[J].雜交水稻，2011，26（6）：69-73.

[25] LI Y， YANG X X， REN B B， et al. Why nitrogen use efficiency decreases under high nitrogen supply in rice （Oryza sativa L.） seedlings[J]. J Plant Growth Regul，2012，31：47-52.