氮肥減量后移對華南雙季稻產量和氮肥利用率的影響

劉彥卓，胡香玉，黃農榮，梁開明，潘俊峰，田 卡，鐘旭華

（廣東省農業科學院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術重點實驗室/廣東省水稻工程實驗室，廣東 廣州 510640）

【研究意義】水稻是我國最重要的糧食作物之一，年均稻谷產量和消費量均占世界近30%［1］。水稻也是廣東最主要的糧食作物，稻谷產量占糧食作物總產量的80%左右［1］。隨著世界人口的增加，直至2035 年世界水稻總產每年需新增1.2 億t 才能滿足糧食需求［2］。隨著工業化和城鎮化的發展，水稻播種面積呈現逐年縮減的趨勢，進一步提高水稻單產是保證我國糧食安全的必由之路。我國是世界氮肥消耗大國，氮肥的過量投入以及不合理施用導致了肥料利用率低、種稻效益下降和環境污染等諸多問題［3］。在保障糧食安全前提下，合理降低氮肥用量對水稻生產可持續發展具有重要意義。

【前人研究進展】為提高水稻產量和降低肥料消耗，目前國內外已發展多種水稻栽培技術，如實地養分管理［4］、實時氮肥管理［5］、三控施肥［6-8］、精確定量栽培［9］、超級稻三定栽培［10］、超級稻強源活庫優米栽培［11］等。在氮肥運籌方面，這些技術普遍采用了氮肥后移策略。為降低氮肥投入和減輕環境污染，通常還采用增加種植密度和減少氮肥投入總量等措施［12-17］。通過氮肥減量和后移，這些技術措施一般增產5%～10%，節省氮肥10%～20%，氮肥利用率達到40%左右。

【本研究切入點】氮肥后移是近十幾年來水稻優化施肥的發展趨勢［18-22］。傳統的水稻栽培法中，氮肥主要作為基肥和分蘗肥施用，其施用量占總施氮量的80%以上甚至100%［23］。氮肥后移模式下，基蘗期施用比例一般在60%～70%，穗粒肥為30%～40%，氮肥利用率大幅提高。如三控施肥技術氮肥的基蘗肥比例約為60%～70%，可少施氮肥20%，增產10%左右［7-8］。該技術已成為廣東省農業主推技術和農業部主推技術，在廣東、江西和廣西等省（自治區）大面積推廣應用［24］。在三控施肥法的基礎上，本研究進一步提高穗粒肥比例，將其占比由30%～40%提高至70%，以進一步提高水稻產量和氮肥利用率。日本曾經在粳稻上通過大幅提高穗粒肥占比而獲得增產效果［25］，但國內尚未見在秈稻上應用成功的報道。【擬解決的關鍵問題】通過氮肥減量后移提高華南雙季稻產量和氮肥利用率，并闡明其機理。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2014 年早、晚季在廣東省農業科學院白云基地進行。早季供試品種為黃廣油占，晚季為固豐占，均為常規稻品種。土壤為輕壤土，pH 5.95，有機質22.5 g/kg，全氮1.29 g/kg，全磷0.42 g/kg，全鉀8.43 g/kg，堿解氮58.0 mg/kg，有效磷6.49 mg/kg，速效鉀47.0 mg/kg。

1.2 試驗方法

試驗設不施氮肥（T1）、習慣施肥法（對照，T2）和2 個氮肥減量后移處理（三控施肥法，T3；氮肥重度后移，T4）共4 個處理，3 次重復，隨機區組排列。各處理氮肥施用時間和施用量見表1，所施氮肥為尿素。T2、T3、T4 處理預設的氮肥基蘗肥與穗粒肥比例分別為10∶0、6∶4 和3∶7，早晚季相同。抽穗期根據葉色和天氣情況，T4 處理早晚兩季和T3 處理晚季未施粒肥。各處理的磷肥和鉀肥作為基肥一次性施入，分別施入過磷酸鈣（P2O5含量12%）375 kg/hm2和氯化鉀（K2O 含 量60%）250 kg/hm2。犁耙田后插秧前施入基肥。小區面積28 m2，田埂高約20 cm，塑料膜包埋至田面下30 cm 深以防側滲。

表1 早季、晚季各處理氮肥施用量和施肥時期Table 1 Amount and timing of nitrogen application for different treatments in early and late seasons

早季于3 月5 日播種、4 月8 日移栽，晚季于7 月21 日播種、8 月7 日移栽，每穴3 粒谷苗。習慣栽培處理插植密度為21.5 萬穴/hm2，其他3個處理插植密度為25.0 萬穴/hm2。早季抽穗期為6 月15 日，成熟期為7 月18 日，晚季抽穗期為10 月1 日，成熟期為11 月13 日。水分管理采用中期輕度曬田的方法［26］，其他管理按一般高產栽培要求統一進行。

1.3 測定項目及方法

1.3.1莖蘗動態和成穗率 移栽后每小區定點調查10 穴的莖蘗數，每周調查1 次，成熟期每小區調查有效穗數。成穗率為有效穗數與最高莖蘗數的比值（%）。

1.3.2產量和產量構成 成熟期每小區收割5 m2，取100 g 稻谷105℃烘干后測定含水量，換算成含水量為14%的產量。每小區取12 穴稻株樣品考種，計算每穗粒數、結實率和千粒重。生物產量為地上部的總干物質質量。

1.3.3葉面積指數和作物生長率 晚季分別在水稻分蘗期、穗分化始期和抽穗期取樣12 穴，用葉面積儀（LI-3000,Li-Cor）測量葉面積。作物生長率為地上部總干物重的增長量除以期間的生長天數。

1.3.4植株含氮量和氮肥利用率 植株樣品烘干后用植物粉碎機將樣品磨成粉。用硫酸-雙氧水消煮后，采用蒸餾滴定法［27］測定全氮含量。氮肥吸收速率為某時期內稻株地上部吸收的總氮量除以期間天數。氮肥利用率計算公式如下：

用Excel 2007 處理數據和制作圖表。用Statistix 9.0 進行統計分析，多重比較采用Duncan LSD0.05檢驗法，早季、晚季分別進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 產量和產量構成

由表2 可知，與習慣栽培（T2 處理）相比，氮肥減量后移處理顯著提高了水稻產量，早季、晚季一致。其中，T3 處理早季、晚季分別增產8.8%和12.7%，T4 處理早季、晚季分別增產12.0%和18.4%。2 個減氮后移處理（T3 和T4）之間的產量差異在早季、晚季均未達到顯著水平。早季3個施氮處理中T4 處理有效穗數較T2 處理顯著增加，而3 者的每穗粒數無顯著差異，單位面積總粒數（庫容）差異與有效穗數相同。晚季3 個施氮處理的有效穗數、每穗粒數和庫容表現為T4 ＞T3 ＞T2，其中每穗粒數和庫容的差異達到顯著水平。與T2 處理相比，T3 處理的結實率和千粒質量無顯著差異，而T4 處理早季、晚季的結實率和早季的千粒質量卻顯著下降。相比于T3 處理，T4處理同樣降低了早季、晚季的結實率和早季的千粒質量。

表2 早季、晚季各處理產量和產量構成比較Table 2 Grain yield and yield components under different treatments in early and late seasons

與T2 處理相比，T3、T4 處理成熟期地上部總生物量在早季分別增加14.3%和7%，在晚季分別增加12.1%和22.0%（表2）。T3 與T4 處理二者地上部總生物量無顯著差異。早季和晚季收獲指數均以T4 處理最高，且顯著高于T2、T3 處理，增幅分別為3.4%～5.3%、2.6%～5.8%。與T2處理相比，T3 處理提高了晚季的收獲指數，增幅為3.9%。

2.2 莖蘗動態和成穗率

早季、晚季4 個處理的水稻莖蘗動態見圖1。早季分蘗中期（16 d）前T3、T4 處理莖蘗數大于T2 處理，穗分化始期（30 d）后T2 處理莖蘗數最多。T2、T3、T4 處理分別在37、37、62 d 時莖蘗數最多，但3 個施氮處理間最高莖蘗數并無顯著差異（表3）。晚季28 d 前，3 個施氮處理莖蘗數表現為T3 ＞T2 ＞T4，49 d 后表現為T4＞T3 ＞T2；T2、T3、T4 處理分別在35、35、49 d 時達到苗峰，三者間最高莖蘗數無顯著差異（表3）。早晚季T3 和T4 處理有效穗數大于T2處理，但T3 與T2 處理間差異未達顯著水平。成穗率是衡量群體質量優劣的重要指標。早季T3和T4 處理成穗率分別比T2 處理提高6.8、18.3個百分點，晚季則分別提高5.5、19.4 個百分點。早季、晚季穗分化始期前T4 處理莖蘗數低于T3處理；穗分化后T4 處理趕上或超過T3 處理。

表3 早季、晚季各處理最高莖蘗數、有效穗數和成穗率比較Table 3 Maximum number of stem tillers,productive tillers and productive tiller rate under different treatments in early and late seasons

圖1 早季、晚季各處理莖蘗動態Fig.1 Variation in the number of stems and tillers under different treatments in early and late seasons

2.3 葉面積指數和葉片含氮量

在分蘗中期和穗分化始期，T3、T4 處理葉面積指數小于T2 處理（圖2A），但T3 與T2 處理間差異不顯著。在抽穗期，T3、T4 處理葉面積指數比T2 處理分別提高11.5%和35.4%，且后者達到顯著水平。在分蘗中期和穗分化始期，T3 與T4 處理間葉面積指數均無顯著差異，而在抽穗期，T4 處理葉面積指數顯著高于T3 處理。

在分蘗中期，T3、T4 處理葉片含氮量顯著低于T2 處理（圖2B）。在穗分化始期，T4 處理葉片含氮量較T2、T3 處理顯著提高。在抽穗期，3個施氮處理葉片含氮量表現為T4 ＞T3 ＞T2，且差異都達到顯著水平。與T2 處理相比，T3、T4處理葉片含氮量分別提高27.7%和50.8%（相對值）。就2 個減氮后移處理而言，分蘗中期T3、T4 處理葉片含氮量無顯著差異（圖2B），而在穗分化始期和抽穗期，T4 處理較T3 處理葉片含氮量分別提高37.1%和18.1%（相對值）。

圖2 晚季各處理葉面積指數和葉片含氮量Fig.2 Leaf area index and leaf nitrogen content under different treatments in late season

2.4 作物生長率

在分蘗中期前，T3、T4 處理氮肥投入分別為T2 處理的38%和29%。從移栽到分蘗中期（TRMT），3 個施氮處理地上部作物生長率無顯著差異（圖3）。在穗分化始期前，T3、T4 處理累計氮肥投入為T2 處理的51%（但T4 處理第1 次追肥時間比T3 處理晚10 d）。從分蘗中期到穗分化始期（MT-PI），T3、T4 處理作物生長率比T2處理分別小3.9%和15.3%。抽穗前，T3、T4 處理累計氮肥投入為T2 處理的77%。從穗分化始期到抽穗期（PI-HD），T3、T4 處理作物生長率分別比T2 處理提高13.4%和33.1%，從抽穗期到成熟期（HD-MA）分別提高32.9%和63.4%。在TR-MT 和MT-PI 階段，T4 處理作物生長率比T3處理低，而在PI-HD 和HD-MA 階段，T4 處理的作物生長率則比T3 處理高，但兩者的差異均未達到顯著水平。

圖3 晚季水稻不同時期作物生長率Fig.3 Crop growth rate at different growth stages in late season rice

2.5 氮肥吸收動態和氮肥利用率

從移栽期到分蘗中期（TR-MT），T2、T3 處理的氮吸收速率差異不顯著，而T4 處理小于T2處理（圖4）。在MT-PI 階段，T3、T4 處理與T2 處理的氮吸收速率差異不顯著。在PI-HD 階段，T3、T4 處理的氮吸收速率比T2 處理分別提高166.3% 和251.9%。TR-MT 階段，T4 處理的氮吸收速率比T3 處理減小17.3%；在TR-MT 和PI-HD 階段，T4 處理的氮吸收速率比T3 處理分別提高34.1%和 32.1%。

圖4 晚季水稻不同時期稻株總吸氮速率Fig.4 Total nitrogen uptake rate of plants at different growth stages in late season rice

T3、T4 處理的氮素吸收總量、氮肥吸收利用率、氮肥農學利用率和氮肥偏肥生產力4 項氮肥利用率指標都顯著大于T2 處理，早季、晚季表現一致（表4）。早季、晚季的氮收獲指數在3 個施氮處理間均無顯著差異。早季T3、T4 處理的氮素生理利用率小于T2 處理；晚季3 個施氮處理間無顯著差異。早季T3、T4 處理的氮肥農學利用率比T2 處理分別提高84.1%和98.8%，晚季分別提高100.2%和154.1%。早季T4 處理的各項氮肥利用率指標與T3 處理均無顯著差異。晚季T4 處理的氮素吸收總量、氮肥吸收利用率、氮肥農學利用率和氮肥偏肥生產力4 項指標都顯著提高。早季、晚季T4 處理的氮肥農學利用率比T3處理分別提高8.0%和26.0%。相關分析顯示，早季、晚季庫容與氮吸收總量間存在極顯著正相關，相關系數分別為0.903 和0.978。

表4 早季、晚季各處理氮肥吸收利用參數比較Table 4 Parameters for nitrogen uptake and utilization under different treatments in early and late seasons

3 討論

3.1 氮肥減量后移提高了水稻的產量和氮肥利用率

本研究結果表明，氮肥減量后移可以顯著提高水稻的產量和氮肥利用率，與前人研究結果一致［12-21］。與習慣施肥法相比，在總施氮量減少20%以上的情況下，2 個氮肥減量后移處理（T3和T4）的產量和氮肥利用率都得到了大幅提高，早季、晚季表現一致。2014 年晚季，同時在廣東省韶關市曲江區樟市鎮和馬壩鎮開展對比試驗，兩個氮肥減量后移處理產量都比習慣施肥法增產10%以上（數據未列出）。可見，在華南雙季稻區，氮肥減量后移可以穩定提高水稻產量及氮肥利用率。在2 個氮肥減量后移模式中，氮肥重度后移模式的穗粒肥占比達到70%，其增產幅度更大，氮肥利用率也更高。日本橋川潮［24］研究表明，氮肥重度后移可以顯著提高一季粳稻的產量。本研究結果表明，華南雙季稻也可采用氮肥重度后移模式。早季T4 處理施氮量較T3 處理減少10%，而晚季兩者總施氮量相同，但水稻生育中后期T4 處理的葉片含氮量和吸氮速率均高于T3處理，且成熟期總吸氮量更高。可見，氮肥減量后移是協同提高華南雙季稻產量和氮肥利用率的重要技術途徑。

3.2 氮肥減量后移模式的增產增效原理

20 世紀八九十年代，廣東和國內許多稻作區的氮肥運籌側重于在營養生長期投入大量氮肥，強調生長前期的早生快發。本試驗中的習慣栽培法，氮肥全部被作為基蘗肥施入。此模式下，生產前期生長過旺，導致無效分蘗增加；而穗分化后，植株氮含量下降，導致源庫都擴張不足，產量不高。從穗分化始期到抽穗期，稻株根系發達，吸肥能力強，是水稻物質生產的高峰期，此階段干物質生產的占比高達51%～65%。2 個氮肥減量后移模式的穗粒肥占比分別為40%和70%。高比例的穗粒肥正好與稻株的生長高峰期吻合，促進了源與庫的擴大。抽穗后仍保持較高的氮含量，進一步保障了籽粒灌漿成熟期的物質生產。氮肥重度后移模式下，這些優勢得到進一步增強。

氮肥減量后移模式水稻的生長表現出兩個顯著特征：一是作物生長和氮吸收前慢后快。綜合莖蘗動態、作物生長率、葉面積指數和植株含氮量的變化，在穗分化前，氮肥減量后移模式下的作物生長總體相對緩慢，幼穗分化后生長速率迅速加快。二是源庫同時擴大。在比習慣施肥法的總施氮量減少20%以上的情況下，2 個氮肥減量后移模式晚季抽穗時的葉面積（源大小）分別增加11.5%和35.4%，葉片含氮量分別提高27.7%和50.8%。早季庫容分別擴大12.7%和19.4%，晚季擴大18.3%和47.6%。氮肥重度后移模式下，源庫進一步擴大，而且成穗率大幅提高，為實現高產和氮高效奠定了基礎。

3.3 氮肥重度后移模式下籽粒充實度下降的原因和改進

氮肥重度后移模式的水稻結實率和千粒質量都下降，但其下降原因并非擴庫導致源不足。本試驗中，氮肥重度后移模式下源和庫的擴增幅度基本相當，抽穗時源在數量（葉面積）和質量（葉片含氮量）上都未顯不足。有研究表明孕穗期含氮量過高會導致結實率下降［28-29］。氮肥重度后移模式孕穗期氮含量大幅提高可能是其結實率下降的重要原因。因此，可考慮將穗肥用量適當減少，使得其穗分化期和抽穗期的植株氮含量與三控施肥法接近，促進籽粒灌漿，提高籽粒充實度和稻谷產量。

4 結論

與習慣施肥法相比，兩個氮肥減量后移處理的稻谷產量和氮肥利用率均顯著提高。早季三控施肥法（T3 處理）和氮肥重度后移（T4 處理）比習慣施肥分別增產8.8%和12.7%；晚季分別增產12.0%和18.4%。早季氮肥農學利用率分別提高84.1%和100.2%，晚季分別提高98.8%和154.1%。兩個氮肥減量后移模式水稻生長前期的氮素吸收和生長緩慢，穗分化后則顯著加快，源和庫同時擴大。氮肥重度后移模式上述特點更加明顯。根據田塊的肥力水平，生產上可在兩個氮肥減量后移模式中采用更能適應當地條件的模式。