不同施氮水平對太湖流域水稻生長發育和氮素利用效率的影響

楊海龍,雷錦超,蔡金洋

(1浙江省嘉興市農業科學研究院,嘉興 314016;2浙江省龍泉市農業農村局,龍泉 323700)

水稻是我國最主要的糧食作物[1],氮肥作為水稻的主要“糧食”在其生產管理中發揮著不可替代的作用。隨著耕地面積的減少和人口數量的增加,如何科學的提高田間氮肥利用效率和保障水稻穩定增產是目前研究的重要方向之一[2]。目前我國的氮肥利用率僅為30%—35%[3],過度的施用氮肥會造成水稻產量下降,同時也會帶來水體富營養化、地下水硝態氮含量超標等環境問題,并且降低了氮素利用效率[4]。

太湖流域地區光溫條件優良,土壤肥沃,水稻產量潛力較高。現階段太湖流域水稻種植面積為43.7萬hm2,占總耕地面積的39%,‘秀水134’作為太湖流域的主推品種,自1982年以來累計推廣面積約1 146 hm2,該地區的土壤耕地平均氮肥施用量約為570—600 kg∕hm2,導致氮肥利用效率較低[5-6]。在生產實踐中‘秀水134’干物質變化動態、氮素積累的轉運和氮素利用率對不同氮肥濃度施用響應的研究較少,農業農村部在“十三五”規劃中指出將實現化肥施用量零增長作為田間管理的目標[7]。因此針對太湖流域稻區施肥現狀,本研究在嘉興地區開展不同施氮水平對‘秀水134’生長發育影響的田間試驗,對其生長發育、干物質積累和分配、氮素積累、轉運和氮素利用效率等方面進行分析,旨在為該地區的水稻栽培管理和氮肥施用提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019年5—11月在浙江省嘉興市農業科學研究院(120°42′42″E,30°50′20″N)試驗田進行,前茬作物為水稻,選取太湖流域主推品種‘秀水134’作為試驗材料。試驗采用裂區試驗設計,每個處理設置3個重復,小區面積9 m2,每個小區四周做成高30 cm、寬30 cm的田埂,使用農用PC膜覆蓋田埂,保證各小區單獨排灌,供試水稻材料于2019年6月2日播種育秧,7月1日移栽,每穴兩株苗,株行距20 cm×17 cm,田間水分、病蟲害管理與當地常規栽培相同。于施肥前1周采集土壤樣品分析土壤相關特征,用土壤采集器從每個小區(四角和中心)取0—15 cm土壤樣品5個,混合均勻后室內風干,選取風干樣品1 kg錘碎后過2 mm篩獲得細土,從中取樣200 g進行土壤分析,結果為:耕作層土壤有機質29.18 g∕kg,速效磷13.42 mg∕kg,速效鉀55.17 mg∕kg,pH 6.55。

試驗設置3個施氮水平,施肥量分別為0 kg∕hm2、200 kg∕hm2、400 kg∕hm2;分別簡記為LN、MN和HN。氮肥折合成尿素(含純氮46.4%)按基肥∶蘗肥∶追肥=4∶3∶3來施用。在施用基肥時,磷肥(P2O5)、鉀肥(KCl)一次性施用,施用量分別為42 kg∕hm2和150 kg∕hm2。具體施肥方案如表1所示。

表1 不同處理肥料施用量及施肥時間Table 1 Amount and time of fertilizer application in different treatments

1.2 測定項目

1.2.1 物候期

分蘗期:50%以上水稻出現分蘗的日期。

拔節期:50%的水稻地上第一節間長1—2 cm的時期。

抽穗期:50%的水稻稻穗的頂小穗露出劍葉葉鞘的時期。

成熟期:90%的水稻谷粒硬度硬到用指甲不易壓碎的程度。

1.2.2 分蘗、株高、葉面積指數和地上部分生物量

每個小區定點6穴作為觀測點,統計水稻分蘗末期的分蘗;在水稻分蘗期、拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期量取水稻分蘗、葉面積指數。其中葉面積指數采用長×寬×系數法計算獲取[8]。地上部分干物重取自物候期內各小區取具有代表性水稻3穴,將植物樣品裝信封袋于烘箱中105℃殺青30 min,然后于80℃烘干至恒重,干燥冷卻至室溫稱量地上部分干重。

1.2.3 含氮量測定

在水稻各生育期植株樣品磨碎,經H2SO4-H2O2消煮后,用凱氏定氮法測定各器官氮含量。

1.2.4 計算公式

氮轉運量(kg∕hm2)=抽穗期水稻營養器官氮積累量-成熟期營養器官氮積累量;

氮轉運效率=[(抽穗期水稻營養器官氮積累量-成熟期營養器官氮積累量)÷抽穗期水稻營養器官氮積累量]×100%;

氮生理利用效率=(水稻成熟期干物質積累量÷水稻植株總吸氮量)×100%;

氮素收獲指數=(籽粒氮積累量÷水稻地上部分氮積累量)×100%;

氮肥偏生產力(kg∕kg)=水稻產量÷施氮量;

氮吸收利用率=[(施氮處理下水稻吸氮量-空白區水稻吸氮量)÷施氮量]×100%。

1.3 數據處理和分析

利用DPS 7.0軟件對田間試驗數據進行單因素數據分析,采用Duncan新復極差法進行方差分析,用Excel 2007軟件進行作圖制表。

2 結果與分析

2.1 不同施氮水平對水稻生育期的影響

由表2可見,‘秀水134’的生育期會隨著施氮水平的增加而延遲,施氮水平的遞增對播種期至拔節期時間影響較小,但會增加拔節期至抽穗期、抽穗期至成熟期的天數。MN(200 kg∕hm2)和HN(400 kg∕hm2)分別比LN(0 kg∕hm2)拔節期至抽穗期的天數增加2 d和3 d,抽穗期至成熟期的天數增加1 d和2 d,整個生育期天數會增加3 d和6 d。

表2 不同施氮水平對水稻生育期的影響Table 2 Effects of different nitrogen application levels on rice growth period d

2.2 不同施氮水平對水稻分蘗和葉面積指數的影響

施氮水平的提高會增加水稻分蘗和葉面積指數(圖1)。對分蘗來說,與LN相比,MN和HN的最高苗分別增加了10.68%和69.63%;有效分蘗分別增加了17.39%和42.86%,其中HN的最高苗和有效分蘗會比LN顯著增加(P<0.05)。對葉面積指數來說,與LN相比,MN和HN顯著增加(P<0.05)拔節期、孕穗期、抽穗期和灌漿期的LAI,分別增加了41.3%和55.9%、46.8%和87.7%、47.2%和77.4%、29.6%和62.3%。

圖1 不同施氮水平對水稻分蘗和各生育期葉面積指數(LAI)的影響Fig.1 Effects of different nitrogen application levels on tillering and leaf area index(LAI)in different growth stages of rice

2.3 不同施氮水平對水稻地上部分干物質積累與分配的影響

由圖2可知,施氮水平的提高對水稻地上部分干物質積累有顯著的正效應(P<0.05),與LN相比,MN和HN在拔節期、孕穗期、抽穗期、灌漿期和成熟期干物質積累量增加了29.51%和69.9%、15.52%和60.58%、21.07%和46.23%、20.61%和43.6%、17.32%和40.05%。施氮水平的提高會增加水稻葉片在孕穗期至成熟期的分配指數。與LN相比,MN和HN在拔節期、孕穗期、抽穗期、灌漿期和成熟期葉分配指數分別增加0和8%、9.6%和9.6%、22.63%和33.11%、10.19%和15.14%、19.47%和31.96%,數據表明MN和HN會顯著增加孕穗期、抽穗期和成熟期的葉分配指數(P<0.05),但在孕穗期至灌漿期葉分配指數差異并不明顯。施氮水平的提高會減少拔節期至抽穗期莖分配指數、增加灌漿期至成熟期莖分配指數。與LN相比,MN和HN在拔節期至抽穗期莖分配指數分別減少了0.9%和7.78%、5.47%和7.3%、2.61%和2.76%;在灌漿期和成熟期分別增加了4.16%和11.91%、9.62%和17.04%。HN下莖分配指數在拔節期和成熟期比MN、LN都有顯著性的減少和增加(P<0.05),孕穗期和抽穗期MN和HN比LN葉分配指數顯著性降低,但MN和HN之間效果差異不明顯。施氮水平的提高會顯著降低抽穗期至成熟期的穗分配指數。MN和HN在抽穗期、灌漿期和成熟期穗分配指數分別降低12.16%和15.54%、8.75%和18.32%、8.47%和14.54%。在抽穗期和成熟期MN和HN穗分配指數下降明顯。

圖2 不同施氮水平對地上部分干物質積累和分配的影響Fig.2 Effects of different nitrogen application levels on aboveground dry matter accumulation and distribution

2.4 不同施氮水平下對水稻氮積累量、氮轉運量、轉運效率、氮素生理利用率和氮肥利用率的影響

由表3可見,氮積累量和氮轉運量隨著施氮水平的增加而顯著增加(P<0.05)。與LN相比,MN和HN氮積累量和氮轉運量增加了86.97%和167.23%、35.94%和81.71%。但氮的轉運效率并沒有隨著施氮水平的增加而提高,相反呈現顯著下降趨勢(P<0.05)。數據表明,MN和HN的氮轉運效率分別比LN降低了6.76%和7.28%,MN和HN之間的差異并不明顯。不同施氮水平對氮收獲指數的影響沒有明顯的趨勢。LN、MN和HN的氮收獲指數分別為68.27%、71.11%和66.86%。高氮條件下氮收獲指數并沒增加,反而比低氮和中氮低。有趣的是氮素生理利用效率隨著施氮水平的增加而顯著降低(P<0.05)。與LN相比,MN和HN氮素生理利用效率分別下降了36.9%和47.2%。

表3 不同施氮水平對水稻氮轉運量、氮轉運效率和氮收獲指數的影響Table 3 Effects of different nitrogen application levels on nitrogen transport capacity,nitrogen transport efficiency and nitrogen harvest index of rice

MN的氮肥偏生產力和氮肥吸收利用率高于HN(圖3),其中氮肥偏生產力MN顯著高于HN(P<0.05),氮肥吸收利用率差異并不顯著。

圖3 不同施氮水平對水稻氮肥偏生產力、氮肥吸收利用率的影響Fig.3 Effects of different nitrogen application levels on NPP and NUE of rice

2.5 不同施氮水平下水稻各指數間的相關性

如表4所示,地上部分干物質積累與拔節期氮積累、抽穗期氮積累、成熟期氮積累、氮轉運量和氮轉運效率之間呈現極顯著正相關(P<0.01)。由此可見,增加上述指標的量均對干物質的形成有正效應。各生育期的氮積累量與氮轉運量呈現極顯著正相關關系(P<0.05)、氮轉運效率呈現顯著正相關關系(P<0.05)。氮生理利用率各生育期氮積累和氮轉運量呈現極顯著負相關(P<0.01);與氮轉運效率之間呈現顯著正相關(P<0.05)。氮收獲指數與其他指標沒有顯著性的關系。

表4 不同施氮水平下水稻產量、干物質、氮積累、氮轉運量、氮轉運效率、氮收獲指數和氮生理利用率間的相關性Table 4 Correlation among rice yield,dry matter,nitrogen accumulation,nitrogen transport capacity,nitrogen transport efficiency,nitrogen harvest index and nitrogen physiological utilization efficiency under different nitrogen application levels

3 討論與結論

3.1 不同施氮水平對水稻生長發育的影響

增加施氮量可以延緩水稻生育期已經得到廣大研究者的認證[9-10]。本研究通過分析不同施氮水平下對太湖流域水稻品種‘秀水134’生育期的影響再次驗證了此結論。另外施氮水平的提高會促進水稻分蘗產生,但過度施氮會增加水稻的無效分蘗,生育后期成苗率低[11]。氮肥水平過低也會限制水稻分蘗的產生,這可能是因為氮肥過低不能滿足水稻生長所需的營養所引起的[12]。在本次試驗中也發現類似的現象,在低氮、中氮和高氮水平下水稻成苗率分別為66%、71%和64%。前人研究發現,水稻葉面積指數(LAI)隨著施氮量的增加而提高,且LAI與施氮量呈線性正相關[13]。這與本研究LAI與施氮量的變化趨勢相似。Yin等[14-15]認為LAI與冠層葉片氮積累量高度相關,這種LAI和冠層葉片氮積累量的量化關系為LAI=(1∕kn)ln(1+knN∕nbot),其中kn是葉片的消氮系數,nbot是冠層底部葉片氮積累量(g∕m2)。本次研究分別對所有施氮水平下的試驗數據點、LN、MN和HN獲得的數據根據上述量化關系公式數據分別進行擬合,kn和nbot的擬合結果依次是0.13 m2∕m2和0.95 g∕m2、0.55 m2∕m2和0.34 g∕m2、0.19 m2∕m2和0.75 g∕m2、0.06 m2∕m2和1.27 g∕m2(圖4)。研究發現不同施氮水平不會改變水稻葉面積指數與冠層葉片氮積累量的這種量化關系,有趣的是當冠層葉片氮積累量大于3 g∕m2,MN的LAI比LN和HN都要大。由此推測,合理施用氮肥會提高水稻提高葉面積指數并且改善水稻群體結構。鄒應斌等[16]研究結果指出,提高施氮水平會增加水稻地上部分總干物質的積累,但也會改變各器官干物質的分配比例。抽穗前莖稈干物質積累比例減少、葉片積累比例增加;抽穗后莖稈積累比例增加,葉片和穗積累比例減少。本研究也證實了在高施氮水平下這種干物質分配的趨勢。

圖4 不同施氮水平水稻葉面積指數與冠層葉片氮積累量的關系的影響Fig.4 The relationship between leaf area index(LAI)and nitrogen accumulation in canopy leavesunder different nitrogen application levels

3.2 不同施氮水平對水稻氮素利用效率的影響

氮素收獲指數和氮素利用效率反映了氮素對水稻產量的供應特性以及水稻對氮素生理利用特性[17-18]。試驗結果發現水稻成熟期的氮累積量與氮生理利用效率呈顯著負相關關系,陳貴等[19]認為氮累積量大的水稻品種可能氮利用效率較低。本研究在不同施氮水平下發現中氮條件下的氮收獲指數顯著高于低氮和高氮,其中氮素利用效率高氮比低氮和中氮都顯著降低。這說明施氮水平的增加會增加水稻氮積累量,但其利用效率可能存在下降風險,即單位氮量生產的水稻干物質量很可能下降。水稻營養器官向生殖器官氮轉運的能力、抽穗期后干物質積累的能力也影響著水稻氮素生理利用效率[20-21]。本研究發現拔節期、抽穗期的氮積累量和氮生理利用效率都呈現顯著的負相關關系,這與前人研究結果相一致。有學者認為水稻各生育期的氮積累量高不利于氮素水平的提高[19]。本研究結果指出施氮水平的提高會增加水稻轉運量,但會降低氮轉運效率,潘俊峰等[22]也發現了類似的趨勢。本研究認為一味追施氮肥會降低氮肥偏生產力和氮肥利用效率,在帶來農業環境污染的同時也與國家倡導實現化肥施用量零增長和綠色高產高效水稻栽培的目標背道而馳。

綜上所述,提高施氮水平能提高水稻分蘗、葉面積指數、地上部分干物質積累和氮積累量,但水稻生育期、氮轉運量和轉運效率、氮收獲指數和生理利用率對高氮肥施用的響應較低,這會導致氮肥偏生產力和氮肥利用效率降低,氮素損失提高。氮肥利用效率的提高可以作為合理施用氮肥施以保障地上部分干物質生產和發展科學環保型農業具有重要依據。