施肥方式和施氮量對寒地水稻產量、品質及氮肥利用的影響

劉夢紅 王志君 李紅宇 趙海成 呂艷東

（黑龍江八一農墾大學農學院/黑龍江省現代農業栽培技術與作物種質改良重點實驗室，163319，黑龍江大慶）

當前水稻栽培過程中由于施肥均勻性差、缺乏配套施肥機械和偏施氮肥，導致易倒伏、產量低和氮肥利用效率低等問題，其主要原因是隨著水稻規模化生產，經營者為降低用工成本，在水稻生產季僅施肥1～2次，忽視了追肥和穗肥[1-2]；氮肥以尿素和硫酸銨等速效肥為主，氮素主要通過徑流、揮發和滲透等途徑損失[3]；施肥主要依靠人力或機械進行表面撒施，勞作強度較大，生產效率低，施肥深度和單位面積施肥量很難精確控制，造成肥料浪費。近年來，黑龍江省水稻種植面積已經超過433.3萬hm2（6500萬畝），生產中普遍存在化肥施用過量導致稻米品質下降及氮肥利用效率低的問題。彭顯龍等[4]對黑龍江省稻田施肥情況的研究顯示，近60%的稻田氮素施用量過高，稻田氮素有17.2%的盈余，氮肥利用率較低。張福鎖等[5]統計了 2001-2005年全國糧食主產區的肥料利用率，水稻的氮肥利用率僅28.3%，其中黑龍江省寒地水稻的氮肥利用率29.8%，略高于全國平均水平，但遠低于國際平均水平。因此，研究氮肥深施對提高水稻產量和氮肥利用率具有重要意義。

“育苗移栽”是當前寒地水稻的主要栽培模式[6-7]，基肥采用全層施肥，分蘗肥為表施，易造成肥料的淋溶、揮發和排水損失。圍繞提高水稻氮肥利用率和稻谷產量，國內外主要從施氮量[8]、氮肥深施[9-10]和氮肥運籌[11]等方面開展研究，其中側深施肥（施于苗側3cm、深5cm的土壤中，線條狀分布）是實現肥料利用率和稻谷產量協同提高的有效途徑。目前，氮肥減量深施是降低氮素損失的一種施肥方式，該方式將氮肥深施，通過深層土壤強烈的還原環境和帶有負電荷的土壤膠體減緩尿素水解，使水解后的銨態氮被周圍的土壤顆粒迅速吸附，降低田面水銨態氮濃度，減少環境污染和養分流失[12]，淺層施肥促進表層根系生長，有利于秧苗生長[13]，而氮肥深施將養分進一步精確送達根區，可減少氮素養分損失，提高氮肥利用率和稻谷產量[14]。鄭桂萍等[15]研究表明，水稻壟上苗帶雙側雙深分層施肥可減少施肥量5%～10%，增產5%以上，肥料利用率顯著提高。李金峰等[16]對水稻條帶旋耕、苗帶集中施肥的研究表明，苗帶不同耕層土壤的速效養分含量均高于常規栽培，且中下層更為明顯，肥料利用率和稻谷產量顯著提高，穗數與穗粒數協同增加是獲得高產的主要原因。氮肥深施可減少稻田N2O和NO的釋放量[17]，減少氮素徑流損失，增加養分在土壤中的貯存時間，提高氮肥利用率和稻谷產量[18]。莫釗文等[19]通過大田試驗研究認為，肥料深施能明顯提高作物對養分的吸收量，改善稻米品質。朱從樺等[20]研究了側深施氮對機插水稻產量形成及氮素利用的影響，與傳統撒施相比，機械側深施肥處理的產量、氮肥吸收利用率和氮肥農學利用率分別提高 4.46%～8.11%、17.91%～54.10%和 19.61%～37.39%。因此，優化施肥方式和施肥量對寒地水稻高產優質及氮肥利用率提高具有重要意義。

本研究設計了一種肥料高效施用方法，即施肥與移栽作業同步進行，縮小肥料在土壤中的分布空間，實現集中深施肥，增加局部肥料濃度，減少肥料淋溶、揮發和插秧前的排水損失，并比較全層施肥、側深施肥和點深施肥的水稻產量、品質及氮肥利用的差異，為寒地水稻高效施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年5-12月在黑龍江八一農墾大學校內試驗基地進行。該地區年日照時數2726h，無霜期 143d，年平均氣溫 4.2℃，夏季平均氣溫23.3℃，年降水量427.5mm，年蒸發量1635mm。

1.2 試驗材料

試驗水稻品種為墾粳8號，主莖13片葉，株高約90cm，穗長約17.9cm，千粒重23.8g，生育期約142d，需≥10℃活動積溫約2650℃。

供試土壤為草甸白漿土，試驗前0～25cm耕層土壤堿解氮92.8mg/kg、有效磷36.2mg/kg、速效鉀156.0mg/kg、有機質27.4g/kg，pH 7.2。供試肥料包括尿素（N 46%）、重過磷酸鈣（P2O543%）和硫酸鉀（K2O 50%）。

1.3 試驗設計

采用施肥方式和施氮量二因素完全隨機設計，設置全層施肥（S1）、側深施肥（S2）和點深施肥（S3）3種施肥方式，設置常規施氮（N1）和氮肥減量15%（N2）2種施氮量水平，同時設置無氮區。盆栽試驗，每個處理種植5盆，花盆的長×寬×高為80cm×60cm×28cm，每盆裝混拌均勻土壤78kg，面積0.48m2，每盆移栽2行，每行8穴，每穴4株苗，插秧規格為行距30cm、穴距10cm。4月12日浸種，4月20日播種，5月22日移栽，9月25日收獲，模擬大田生產進行病蟲和雜草防控管理。

全層施肥的基肥在水整地前撒施，然后使用電動攪漿機將肥料混拌入15cm耕層；側深施肥隨移栽作業同步施用，肥料在苗帶一側3cm、深5cm處呈線條狀分布。施肥前通過人工開溝施肥，用土壤覆蓋實現側深施肥；點深施肥隨移栽作業同步進行，將預先制作好的肥丸施于苗帶一側沿水平面垂直苗帶方向3cm、深度5cm處，肥料分布于土壤中直徑1cm的球體空間，施肥作業方向平行于苗帶延伸方向，每穴秧苗側面分布1粒肥丸。

氮、磷、鉀肥用量按N:P2O5:K2O=2:1:1施用。磷肥作基肥一次性施用，氮肥按基肥:分蘗肥:調節肥:穗肥=4:3:1:2施用，鉀肥按基肥:穗肥=6:4施用。分蘗肥于返青期施用，調節肥于倒4葉伸長期施用，穗肥于倒2葉長出一半后施用，具體施肥量及施用時期見表1。

表1 施肥量及施肥時期Table 1 Fertilization rate and fertilization period g/盆g/pot

1.4 測定項目與方法

1.4.1 產量及其構成因素 成熟期每個處理調查4行，每行連續調查8穴植株的穗數，然后按平均穗數各取植株2穴，在陰涼通風處風干后，分為莖鞘和穗，稱量穗重和莖鞘重。穗部用于考種，包括穗數、穗粒數、結實率和千粒重，計算理論產量。

1.4.2 干物質積累量及葉面積 每個處理取分蘗期、齊穗期和灌漿期長勢均勻植株4穴，4次重復。帶回實驗室，分蘗期植株樣品分為葉片、莖鞘和根系3個部分，齊穗期和灌漿期植株樣品分為上3葉、余葉、穗和莖鞘4個部分，分別包裝，于105℃殺青30min，80℃烘干至恒重。用直尺量取上3葉的長度和寬度，采用長寬系數（0.75）法計算高效葉面積，采用干重法計算總葉面積。分蘗期取長勢一致的植株4穴，盡量保持根系完整。帶回實驗室用清水沖洗干凈根系表面附著物，將根系完整切下，用根系形態專用掃描儀（Microtek Scan Maker i800）進行數字化掃描，利用LA-S植物根系分析系統分析總根長、總根表面積、總根體積和根系平均直徑等根系參數，每個處理4次重復。

1.4.3 生理指標 在分蘗期、齊穗期和灌漿期采用MINOLTA公司生產的葉綠素儀SPAD-502測定15片功能葉的相對葉綠素含量（SPAD值），分蘗期功能葉為倒3葉，齊穗期和灌漿期功能葉為劍葉。測定時注意避開葉脈和有損傷的葉片。于分蘗期、齊穗期和灌漿期在晴朗無風的上午09:00-11:00，用便攜式光合測定系統（CIRAS-3，PPSYSTEMS公司）測定每個處理4片功能葉的凈光合速率（Pn）。葉室 CO2濃度為 380μmol/mol，光強設置為1500μmol/(m2·s)的固定紅藍光源，為避免測定時環境CO2濃度變化對測定結果產生干擾，將儀器的進氣口與裝有恒定CO2濃度的塑料瓶相接。

1.4.4 植株氮含量及氮肥利用率 在成熟期按照平均穗數取代表性植株 3穴，去除根系，105℃下殺青30min，80℃下烘干至恒重，稱取整株干重。整株磨碎過 80目篩，用于測定植株氮含量。用H2SO4-H2O2消煮法，用全自動凱氏定氮儀（KjeltecTM 8400，FOSS公司）測定氮含量。依據公式計算氮肥農學利用率、氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率和氮肥偏生產力。氮肥農學利用率（NAE，g/g）=（施氮區產量-不施氮區產量）/施氮量；氮肥吸收利用率（NRE，%）=（施氮區地上部吸氮量-不施氮區地上部吸氮量）/施氮量×100；氮肥生理利用率（NPE，g/g）=（施氮區產量-不施氮區產量）/（施氮區地上部吸氮量-不施氮區地上部吸氮量）；氮肥偏生產力（NPEP，g/g）=施氮區產量/施氮量。

1.4.5 稻米品質 成熟期適時收獲，脫粒后儲存3個月，每個處理取4次重復，每次200g稻谷，按照GB/T 17891-2017測定加工品質、外觀品質、營養品質及食味品質。采用米飯食味計（STA1A）測定食味值。

1.5 數據分析

利用 Microsoft Excel 2003進行數據錄入和整理，利用DPS 7.05軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 產量及其構成因素的比較

表2表明，施肥方式間穗粒數、千粒重和產量差異顯著或極顯著，穗數和結實率差異不顯著。S3處理產量極顯著高于S1和S2處理，分別增產14.18%和12.17%，S1和S2處理產量差異不顯著。S3處理穗粒數顯著高于S2處理7.55%，與S1處理差異不顯著；S3處理千粒重極顯著或顯著高于 S1和S2處理，分別提高7.57%和5.10%。除千粒重外，其他產量及其構成因素在不同施氮量間差異不顯著。N1處理千粒重顯著高于N2處理，提高了4.37%。

表2 不同處理產量及其構成因素的比較Table 2 Comparison of yield and its components of different treatments

施肥方式和施氮量二因素互作對結實率影響極顯著。

S1和S2施肥方式處理下，N1與N2處理的結實率差異不顯著，而S3施肥方式處理下，N1處理結實率極顯著高于N2處理（圖1）。

圖1 結實率的施肥方式和施氮量二因素互作效應分析Fig.1 Effects of interaction of fertilization mode and nitrogen application rates on seed-setting rate

2.2 干物質及葉面積的比較

由表3可知，施肥方式間分蘗期和灌漿期地上部干物質積累量差異極顯著，齊穗期差異不顯著。S3與S2處理的分蘗期和灌漿期地上部干物質積累量差異不顯著，二者的分蘗期和灌漿期地上部干物質積累量極顯著高于 S1處理，分蘗期分別提高 44.64%和39.45%，灌漿期分別提高14.64%和10.23%。

表3 地上部干物質積累量的比較Table 3 Comparison of accumulation of aboveground dry matter g/穴 g/hole

施氮量處理間分蘗期和灌漿期的地上部干物質積累量差異極顯著，齊穗期差異不顯著。N1處理的分蘗期和灌漿期地上部干物質積累量與N2處理相比分別提高7.58%和6.05%。分蘗期施肥方式和施氮量二因素互作對地上部干物質積累量影響極顯著，齊穗期和灌漿期則不顯著。

由圖2可知，在S1和S2施肥方式下，N1處理的分蘗期地上部干物質積累量顯著或極顯著高于N2處理，分別高出12.34%和31.61%，而在S3施肥方式下，N1和N2處理差異不顯著。

圖2 分蘗期施肥方式和施氮量二因素互作的地上部干物質積累量效應分析Fig.2 Effects of the interaction of fertilization and nitrogen application rate on aboveground dry matter accumulation at tillering stage

表4結果表明，分蘗期葉面積、灌漿期高效葉面積和葉面積在施肥方式間差異極顯著，齊穗期高效葉面積和葉面積在施肥方式間差異不顯著。S2和S3處理分蘗期葉面積極顯著高于S1處理，分別高出26.15%和23.47%。S2處理灌漿期高效葉面積和葉面積極顯著高于S1和S3處理，其中高效葉面積分別提高 11.21%和 15.20%，葉面積分別提高12.44%和18.97%。N1處理分蘗期葉面積顯著高于N2處理，齊穗期和灌漿期高效葉面積和葉面積差異不顯著。

表4 各生育時期葉面積的比較Table 4 Comparison of leaf area in each reproductive period cm2/穴cm2/hole

分蘗期施肥方式和施氮量二因素互作對葉面積影響極顯著，齊穗期和灌漿期高效葉面積和葉面積差異不顯著。

由圖3可知，S1施肥方式下N2處理葉面積顯著高于N1處理，S2施肥方式下N1處理極顯著高于N2處理，S3施肥方式下N1和N2處理差異不顯著。

2.3 分蘗期根部性狀的比較

表5結果表明，分蘗期不同施肥方式間總根長、根表面積和根體積差異極顯著或顯著，根平均直徑差異不顯著。S2處理總根長與S3處理差異不顯著，極顯著高于S1處理，較S1處理提高30.65%；S2與S3處理的根表面積和根體積差異不顯著，二者顯著或極顯著高于 S1處理，根表面積分別提高28.48%和 23.06%，根體積分別提高 25.72%和28.47%。施氮量間總根長、根平均直徑、根表面積和根體積差異均不顯著。

施肥方式與施氮量二因素互作極顯著影響總根長、根表面積和根體積。

由圖4可知，S1施肥方式下，N2處理的總根長、根表面積和根體積極顯著高于N1處理，分別提高71.20%、86.88%和98.73%；S2施肥方式下，N2處理的總根長和根表面積顯著或極顯著低于N1處理，分別降低25.63%和23.18%，根體積差異不顯著；S3施肥方式下，N1和N2處理差異不顯著。

圖4 分蘗期施肥方式和施氮量二因素互作的總根長、根表面積和根體積效應分析Fig.4 Effects of interaction of fertilization method and nitrogen application rate on total root length, root surface area and root volume at tillering stage

2.4 功能葉片SPAD值及Pn的比較

表6結果表明，不同施肥方式間分蘗期和齊穗期功能葉片SPAD值差異極顯著，灌漿期差異不顯著。S2處理的分蘗期和齊穗期功能葉 SPAD值與S3處理差異不顯著，分蘗期S2和S3處理的SPAD值極顯著高于 S1處理，齊穗期極顯著低于 S1處理。分蘗期、齊穗期和灌漿期功能葉片SPAD值在不同施氮量處理間差異不顯著，并且其與施肥方式互作的影響也不顯著。

表6 功能葉片SPAD值的比較Table 6 Comparison of SPAD values of function leaves

施肥方式和施氮量二因素互作對灌漿期功能葉Pn影響極顯著（表7），不同施肥方式間灌漿期功能葉Pn差異極顯著，表現為S1＞S3＞S2，分蘗期和齊穗期差異不顯著。分蘗期和灌漿期 N1處理的功能葉Pn顯著或極顯著高于N2處理，齊穗期差異不顯著。

表7 功能葉片Pn的比較Table 7 Comparison of Pn of functional leaves μmol/(m2·s)

由圖5可知，S1和S2施肥方式下，N1處理的灌漿期功能葉Pn極顯著高于N2處理，分別高出13.42%和34.91%；S3施肥方式，N1和N2處理灌漿期功能葉Pn差異不顯著。

圖5 灌漿期施肥方式和施氮量二因素互作的Pn效應分析Fig.5 Effects of the interaction of fertilization method and nitrogen application rate on Pn at filling stage

2.5 稻米主要品質指標的比較

表8結果表明，不同施肥方式間糙米率、蛋白質和直鏈淀粉含量差異極顯著，整精米率、堊白粒率和堊白度差異不顯著。S3處理蛋白質含量極顯著低于S1和S2處理，分別降低5.41%和5.83%；S3處理直鏈淀粉含量顯著或極顯著高于 S1和 S2處理，分別高出1.26%和2.23%。S3處理食味值與S2處理差異不顯著，與S1處理相比顯著提高1.72%。施氮量及其與施肥方式的互作對各品質指標的影響均不顯著。

表8 主要品質指標的比較Table 8 Comparison of main quality indexes

2.6 氮肥利用效率的比較

表9結果表明，地上部含氮量、氮肥農學利用率、吸收利用率、生理利用率和偏生產力均呈S3＞S2＞S1的趨勢，其中氮肥吸收利用率、生理利用率和偏生產力在施肥方式間差異極顯著。S3處理氮肥吸收利用率和偏生產力顯著或極顯著高于S1和S2處理，氮肥吸收利用率分別高出20.14%和10.48%，氮肥偏生產力分別高出13.08%和9.55%。S2處理氮肥生理利用率與S3處理差異不顯著，二者分別顯著或極顯著高于S1處理37.63%和67.57%。N2處理地上部含氮量顯著低于N1處理5.88%，氮肥農學利用率、吸收利用率、生理利用率和偏生產力在施氮量間差異不顯著。施肥方式與施氮量二因素互作對地上部含氮量和各氮肥利用率指標的影響不顯著。

表9 不同處理氮肥利用效率的比較Table 9 Comparison of nitrogen utilization efficiency in different treatments

3 討論

3.1 不同處理對水稻產量、干物質積累量、葉面積和生理指標的影響

氮肥施用方式和施氮量影響有效穗數、穗粒數、結實率和千粒重等產量構成因素，進而影響水稻產量[21-23]。水稻生育前期充足的干物質積累量是水稻獲得高產的關鍵，齊穗期積累充足的干物質是高產水稻群體的重要特征；生育后期適當延長葉片功能期可以進一步提高水稻產量。側深施氮能明顯提高水稻生育前期地上部干物質積累量，提高單位面積有效穗數、結實率和稻谷產量[24]。本研究結果表明，S3處理較S1處理增產14.18%，其穗數、穗粒數和結實率與S1處理差異不顯著，千粒重的顯著提高是其增產的主要原因。S3處理分蘗期和灌漿期地上部干物質積累量分別較S1處理提高44.64%和14.64%，分蘗期根表面積和根體積分別較S1處理提高23.06%和28.47%，但其灌漿期高效葉面積、灌漿期總葉面積和灌漿期功能葉SPAD值與S1處理差異不顯著，灌漿期功能葉Pn顯著低于S1處理。可見，莖鞘干物質轉運和灌漿期保持高質量的根源很可能是S3處理獲得較高千粒重的原因，需要進一步研究。

3.2 不同處理對稻米品質的影響

稻米品質主要受品種自身遺傳、栽培措施及環境條件等因素的影響[25-26]，而氮素調控是影響水稻生長發育的重要措施[27]。一般認為，稻米加工品質和外觀品質隨施氮量增加呈變劣的趨勢[28]。蛋白質含量隨施氮量的增加而增加，并且對堊白度、直鏈淀粉含量和蒸煮食味等主要品質指標有負面效應[29]。陳瑩瑩[30]關于江蘇早熟晚粳品種稻米品質對氮肥的響應及其類型的研究表明，稻米食味值與蛋白質含量呈負相關，蛋白質含量提高對稻米蒸煮食味品質有負效應，表明對于相似品種，蛋白質含量較低的稻米其食味品質更佳。本研究結果表明，施肥方式對加工品質的影響主要表現在糙米率和精米率，對重要的加工品質整精米率無顯著影響；外觀品質中堊白粒率和堊白度差異不顯著。不同施肥方式間直鏈淀粉含量存在極顯著差異，但不同水平間直鏈淀粉含量的絕對數值較小，S3處理稻米蛋白質含量極顯著低于S1處理5.41%，故點深施肥的食味值顯著高于全層施肥。S2處理的各品質指標與S1處理無顯著差異。

3.3 不同處理對氮肥利用效率的比較

水稻生產中氮肥以尿素和硫酸銨等速效氮肥為主，施肥方式通常為人工撒施和表層淺施，施入稻田的氮肥很快溶入水體，具有很強的流動性[31-32]，極容易通過揮發、滲漏和徑流等途徑損失。側深施肥和點深施肥可明顯提高施肥點周圍土壤中銨態氮含量，增強根區土壤氮素供應能力，提高水稻氮肥利用效率。此外，也有研究[33]證實，氮肥深施能夠減弱氮素損失途徑，提高氮素利用效率。本研究結果顯示，相對于S1處理，S3處理的氮肥吸收利用率、生理利用率和偏生產力分別提高 20.14%、67.57%和13.08%，S2處理的氮肥生理利用率提高37.63%。可見，采用集中深施肥可顯著提高氮肥利用率，并且肥料利用率隨肥料在土壤中的集中程度增加而升高。S3處理肥料利用率提高的深層次原因，如氮肥在土壤中的轉化遷移途徑和水稻根系吸氮量效率等尚需進一步研究。

4 結論

S3較S1處理增產14.18%，S2與S1處理的產量無顯著差異，千粒重顯著提高是S3處理增產的主要原因。相對于S2處理，S3處理在分蘗期和灌漿期地上部干物質積累量、分蘗期根表面積和根體積方面表現出明顯優勢，而齊穗期和灌漿期的功能葉SPAD值、Pn、高效葉面積和總葉面積多處于劣勢。S3處理的稻米食味評分顯著優于S1處理，較低的蛋白質含量是其食味評分提高的主要原因。S3處理的肥料利用率提高主要表現在氮肥吸收利用率、生理利用率和偏生產力。綜上，采用點深施肥配合減氮15%處理為最優組合。