氮肥后移和栽插規格對華南晚稻產量和氮肥利用率的影響

劉彥卓，梁開明，潘俊峰，黃農榮，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/農業農村部華南優質稻遺傳育種重點實驗室，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］。由于高產品種選育和栽培技術的改進，近幾十年來稻谷產量大幅增加，然而2035 年前世界水稻總產每年需新增1.2 億t 才能滿足人口不斷增長的需求［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，通常采用了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】氮肥后移是水稻優化施肥的發展趨勢［18-21］。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%［22］。氮肥后移模式下，基蘗期施用的比例一般在60%～70%之間，穗粒肥為30%～40%，氮肥利用率大幅提高。如“三控”施肥技術，其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［23］。在“三控”施肥法的基礎上，我們嘗試進一步提高穗粒肥比例，將其占比由30%～40%提高至70%，以探討進一步提高水稻產量和氮肥利用率的可能性。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［24-25］。但少見在秈稻上應用的報道。我們報道過氮肥減量后移對秈型常規稻產量和氮肥利用率的影響［26］。本研究以雜交稻為試驗材料，并增設種植密度和栽插規格兩個因子。【擬解決的關鍵問題】通過氮肥減量后移、增密和改變栽插規格，進一步提高華南水稻的產量和氮肥利用率，并探討其機理。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2013 年和2014 年晚稻在廣東省農業科學院白云基地進行種植。2013 年供試品種為天優3618，2014 年為聚兩優751，均為雜交稻品種。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 試驗設計與栽培管理

試驗采用隨機區組設計，設不施氮肥（T1）、習慣施肥法（對照，T2）、3 個氮肥中度后移處理（T3～T5）和3 個重度氮肥后移并減量處理（T6～T8）），共8 個處理，3 次重復。各處理氮肥施用時間和施用量見表1，所施氮肥為尿素。T2 處理氮肥施用量4 次的比例為3 ∶2 ∶3 ∶2，T3～T5 處理的比例為4 ∶2 ∶3 ∶1，T6～T8 處理的比例為3 ∶3 ∶3 ∶1。T2、T3～T5、T6～T8 處理氮肥基蘗肥與穗粒肥比例分別為10 ∶0、6 ∶4和3 ∶7。T3～T5 處理中，與T3 比較，T4 增施氮肥并改變株行距，T5 加大種植密度。T6～T8 處理間在栽植規格和種植密度上有差異。與T3 比較，T6 處理4 次氮肥施肥比例不同，且氮肥追肥時間進一步后延。T7 與T6 的插植規格不同，T8與T6 的種植密度不同。各處理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24.4 m2，田埂高約20 cm，塑料膜包埋至田面下30 cm 以防止側滲。

表1 不同處理氮肥施用量和施肥時期Table 1 Amount and time of nitrogen application for various treatments

2013 年于7 月18 日播種，8 月4 日移栽；2014 年于7 月20 日播種，8 月4 日移栽。習慣栽培處理插植密度為21.5 萬穴/hm2，其他處理插植密度為25.0 萬穴/hm2或30.0 萬穴/hm2，每穴1～2 粒谷苗。2013 年和2014 年抽穗期分別為9 月29 日和10 月4 日，抽穗35 d 后收割。水分管理采用中期輕度曬田的方法［27］，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 2013 年移栽后每小區定點調查10 穴的莖蘗數，每周調查1 次。2014 年在分蘗期、穗分化始期和抽穗期，結合取樣調查12 穴的莖蘗數。

1.3.2 產量及產量構成 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%的標準產量。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 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=地上部總干物重的增長量/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，采用蒸餾滴定法測定全氮含量［28］。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：

氮素積累量=含氮量×干物質質量

氮收獲指數=籽粒中氮積累量/植株地上部氮積累總量

氮肥吸收利用率=（處理區氮積累總量-無氮區氮積累總量）/施氮量

氮肥農學利用率=（處理區稻谷產量-無氮區稻谷產量）/施氮量

氮肥生理利用率=（處理區稻谷產量-無氮區稻谷產量）/（處理區氮積累總量-無氮區氮積累總量）

氮肥偏肥生產力=稻谷產量/施氮量

1.4 數據處理和統計分析

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 LSD檢驗法，兩年分別進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 產量及產量構成的表現和分析

由表2 可知，與習慣栽培（T2）相比，T3～T8 各處理水稻產量都增加，兩年結果一致。T3～T8 各處理與T2 差異大多達到顯著水平，但T3～T8 處理間差異不顯著。與T2 比較，2013年和2014 年3 個中度氮肥后移處理（T3～T5）分別顯著增產29.7%和15.9%，兩年平均增產23.0%；3 個重度氮肥后移處理（T6～T8）分別增產26.4%和18.6%，平均增產23.3%；T6～T8 比T3～T5 分別略低和略高，兩年平均持平。

表2 不同處理產量和產量構成Table 2 Grain yields and yield components of various treatments

2013 年和2014 年T3～T8 各處理每公頃穗數比T2 都增加，但差異顯著性不穩定。T3～T5 比T2 分別增加15.2%和13.8%，平均增加14.5%；T6～T8 分別增加14.7% 和15.6%，平均增加15.2%；T6～T8 比T3～T5 分別略低和略高，兩年平均持平。兩年T3～T5 各處理每穗粒數與T2 差異不顯著。2013 年T6～T8 各處理與T2 差異不顯著；2014 年，T6～T8 處理比T2 顯著增加24.4%；兩年平均增加12.4%。每公頃總粒數可作為水稻庫容的大小指標。2013 年和2014 年T3～T8 各處理庫容比T2 都增加，但差異顯著性不穩定。T3～T5 處理比T2 分別增加7.6%和19.5%，平均增加13.6%；T6～T8 處理比T2 增加14.9%和顯著增加43.7%，平均增加29.3%；T6～T8 處理比T3～T5 處理增加6.7%和顯著增加20.3%，平均增加13.5%。

2013 年，T3～T8 各處理結實率比T2 都增加，T3～T5 處理和T6～T8 處理分別相對增加18.5%和13.2%。2014 年，T2～T5 處理間差異不顯著，T6～T8 處理比T2 相對下降12.5%。兩年均值，T3～T5 處理和T6～T8 處理結實率相對提高9.0%或持平。兩年T3～T8 各處理千粒重與T2 差異顯著性不穩定。2013 年，千粒重大小順序為T3～T5＞T2＞T6～T8，但三組間差距很小，約2%。2014 年，千粒重大小順序為T2＞T3～T5 ＞ T6～T8，T6～T8 處理比T2 顯著下降17.4%。

2013 年和2014 年T3～T8 各處理生物學產量比T2 都增加，但差異顯著性不穩定。T3～T5 處理分別增加20.3%和9.3%，平均增加14.8%；T6～T8 處理分別增加17.4%和13.6%，平均增加15.5%，T6～T8 處理與T3～T5 處理基本持平。2013 年和2014 年T3～T8 各處理收獲指數比T2 都增加，其差異極大部分顯著。T3～T5 處理比T2分別相對增加8.3%和6.0%，平均增加7.2%；T6～T8 處理比T2 分別增加8.3%和4.4%，平均增加6.4%。

2.2 莖蘗動態的表現和分析

2013 年8 個處理的莖蘗動態見表3。分蘗中后期（移栽后15～23 d），因為插植密度和規格以及此前氮肥施用量的差異，莖蘗數在各處理間無明顯變化規律。穗分化始期（移栽后29 d）因為T2 肥料已全部施用完畢，其莖蘗數最多，此時T2＞T3～T5＞T6～T8。此后T3～T8 各處理逐漸追趕和超越T2 處理。T3～T8 處理在穗分化中期（移栽后43 d）莖蘗數最多，此時T3～T5 ≈T6～T8＞T2，此后各處理都逐步下降。抽穗前（移栽后49 d）T3～T5 ≈T6～T8 ＞T2。

表3 不同處理莖蘗動態變化Table 3 Changes in the number of stems and tillers of various treatments

2014 年，在分蘗中期（移栽后14 d）和穗分化始期（移栽后34 d），T3～T8 各處理莖蘗數與T2 無顯著差異。抽穗時（移栽后60 d）T3～T8 莖蘗數比T2 增加，但T3 與T2 無顯著差異。T3～T5處理和T6～T8 處理比T2 增加16.2%和46.3%，T6～T8 處理比T3～T5 處理增加25.8%。

2.3 葉面積指數和葉片含氮量的表現和分析

在分蘗中期，T3～T8 各處理葉面積指數與T2無顯著差異（表4）。在穗分化始期，T3～T8 各處理莖蘗數＜ T2，但差異顯著性不穩定，T3～T5 處理葉面積指數比T2 分別下降10.5%和7.7%，平均下降9.1%；T6～T8 處理比T2 分別下降31.9%和10.8%，平均下降21.4%；T6～T8 處理比T3～T5處理下降20.0%或持平，平均下降9.8%。2013 年抽穗期，T3～T8 各處理大于T2，但差異顯著性不穩定；2014 年抽穗期，T3～T8 各處理與T2 無顯著差異。2013 年和2014 年T3～T5 處理比T2 分別提高16.2%或持平，平均提高8.5%；T6～T8 處理比T2 分別提高16.0%和7.3%，平均提高11.8%。

表4 不同處理分蘗中期、幼穗分化始期和抽穗期的葉面積指數Table 4 Leaf area index of various treatments at mid-tillering,panicle initiation,and heading stages

在分蘗中期，T3～T8 各處理葉片含氮量低于T2，極大部分差異為顯著（表5），T3～T5 處理葉片含氮量比T2 分別下降4.9%和10.1%，平均下降7.5%；T6～T8 處理比T2 分別下降6.5%和9.6%，平均下降8.1%。穗分化始期，差異顯著性不穩定，T6～T8 ＞T2＞T3～T5，T3～T5 處理比T2下降11.2%和4.9%，平均下降8.1%；T6～T8處理比T2提高5.7%和21.8%，平均提高13.8%；T6～T8 處理比T3～T5處理提高19.3%和28.0%，平均提高23.7%。抽穗期，差異顯著性不穩定，T6～T8＞T3～T5＞T2，T3～T5處理比T2 分別提高16.5%和17.0%，平均提高16.8%；T6～T8 處理比T2 提高17.8%和29.1%，平均提高23.5%；T6～T8 處理比T3～T5 處理提高9.6%和10.3%，平均提高10.0%。

表5 不同處理分蘗中期、幼穗分化始期和抽穗期的葉片含氮量Table 5 Leaf nitrogen contents (g/kg) of various treatments at mid-tillering,panicle initiation and heading stages（g/kg）

2.4 作物生長率的表現和分析

兩年從移栽到穗分化始期，T2～T8 各處理間作物生長率差異顯著性不穩定（表6），大小順序為T2 ≥T3～T5 ＞T6～T8，T3～T5 處理作物生長率比T2 分別下降12.3%和持平，平均下降12.1%；T6～T8 處理比T2 下降27.0%和17.5%，平均下降22.3%；T6～T8 處理比T3～T5 處理下降16.4%和17.5%，平均下降17.0%。從穗分化始期到抽穗期，2013 年T2～T8 各處理間差異顯著性不穩定，T3～T5 ≈T6～T8 ＞T2，前兩者比T2 提高18.5%；2014 年三組間無顯著差異；T3～T5 處理和T6～T8 處理兩年平均提高9.2%和9.4%。兩年從抽穗期到成熟期，T2～T8 各處理間差異顯著性不穩定，T6～T8 ≥T3～T5＞T2；T3～T5 處理比T2 分別提高55.1%和65.9%，平均提高60.5%；T6～T8 處理比T2 分別提高55.1%和100.0%，平均提高77.6%；T6～T8 處理比T3～T5 處理持平和提高21.0%，平均提高10.6%。

表6 不同處理主要生長時期的作物生長率Table 6 Crop growth rates of various treatment during major growth periods (kg/hm2·d)

2.5 氮肥吸收動態和氮肥利用率的表現和分析

從移栽到穗分化始期，2013 年T3～T8 各處理吸氮量顯著小于T2，2014 年T3～T8 各處理與T2無顯著差異（表7）。2013 年和2014 年T3～T5處理吸氮量比T2 分別減少27.3%和11.6%，平均減少19.5%；T6～T8 處理比T2 減少24.2%或增加12.4%，平均減少5.9%；T6～T8 處理比T3～T5 處理持平或增加27.1%，兩年平均增加13.7%。兩年從穗分化始期到抽穗期，T3～T8 各處理吸氮量都遠大于T2，T3～T5 處理比T2 分別增加2.5 倍和43.3%，平均增加146.7%；T6～T8 處理比T2 分別增加3.2 倍和52.1%，平均增加186.0%；T6～T8處理比T3～T5 處理增加20.5%和6.1%，平均增加13.3%。

表7 不同處理主要生長時期的稻株總吸氮量Table 7 Total amounts of nitrogen uptake during two major growth periods (kg/hm2)

T3～T8 各處理氮素吸收總量、氮肥吸收利用率、氮肥農學利用率和氮肥偏肥生產力都顯著大于T2（表8）。2013 年和2014 年氮素吸收總量，T3～T5 處理比T2 分別增加33.5%和21.7%，兩年平均增加27.6%；T6～T8 處理比T2 分別增加37.0%和44.4%，平均增加40.7%；T6～T8 處理比T3～T5 處理持平或增加18.6%，平均增加9.5%。氮肥吸收利用率兩年T3～T5 處理比T2 分別相對提高115.9%和55.8%，平均相對提高85.9%；T6～T8 處理比T2 提高135.5%和112.9%，平均相對提高124.2%；T6～T8 處理比T3～T5 處理分別相對提高9.1%和36.7%，平均相對提高22.9%。氮肥農學利用率兩年T3～T5 處理比T2 分別提高142.5% 和55.7%，平均提高99.1%；T6～T8處理比T2 分別提高135.7%和69.2%，平均提高102.5%。氮肥偏肥生產力兩年T3～T5 處理比T2 分別提高39.6%和24.5%，平均提高32.1%；T6～T8 處理比T2 分別提高40.7%和31.7%，平均提高36.2%。

表8 不同處理的吸氮量和氮肥利用率Table 8 Nitrogen uptake and nitrogen use efficiency of various treatments

兩年T3～T8 各處理氮收獲指數都大于T2，但三組處理間差異都較小，相差0.1%～5.7%。除2014 年的T7 處理以外，兩年T2～T8 其他處理的氮肥生理利用率都無顯著差異。

相關分析結果顯示，兩年產量和庫容與成熟期氮吸收總量間存在極顯著正相關，相關系數2013 年分別為0.939 和0.879，2014 年分別為0.914和0.935。

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，中度和重度氮肥后移都可以顯著提高雜交稻的產量和氮肥利用率，兩者產量增幅接近，與以往的研究結果相一致［12-21,25］。與習慣施肥法相比，在總施氮量減少10%的情況下，兩個氮肥減量后移處理的產量和氮肥利用率都得到了大幅提高，但兩年間表現略有不同。2014 年早、晚兩季，我們還進行了氮肥減量后移對兩個常規稻品種產量和氮肥利用率影響的試驗，在總施氮量減少20%的情況下，兩個氮肥減量后移處理的產量和氮肥利用率都得到了大幅提高，重度氮肥后移可進一步提高產量約5%，但與中度氮肥后移處理的差異不顯著［25］。此外，我們同時在廣東省韶關市曲江區樟市和馬壩鎮開展了對比示范，兩個氮肥減量后移處理的產量都比習慣施肥法增產10%以上，重度氮肥后移也可進一步提高約產量5%（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雜交稻和常規稻品種的產量及氮肥利用率。在兩個氮肥減量后移模式中，中度氮肥后移的穗粒肥占比為30%～40%，重度氮肥后移達到60%～70%。橋川潮［24］的研究表明，重度氮肥后移可以顯著提高一季粳稻的產量。我們的研究表明，華南雙季稻區也可采用重度氮肥后移模式。在重度氮肥后移模式下，抽穗期葉面積和氮肥含量以及庫容都進一步增加，但總體上產量增幅有限或增加不穩定。為了提高水稻的產量和氮肥利用率，通常還采用了增加種植密度和栽插規格等措施，但其效果和表現不完全一致［12-17］。在本試驗中，這兩種措施的作用都不明顯。

3.2 氮肥后移模式水稻生長的特點和增產原理

20 世紀八九十年代，廣東省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，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可達50%以上。2 個氮肥減量后移模式的穗粒肥占比分別為40%和60%。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。重度氮肥后移模式下，這些優勢可能得到進一步增強。

氮肥減量后移模式下，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。與習慣施肥法相比，在總施氮量減少的情況下，2 個氮肥減量后移模式下雜交稻抽穗期葉面積（源大小）兩年平均分別增加8.5%和11.8%，葉片含氮量分別提高16.8%和23.5%。庫容兩年平均分別擴大13.6%和29.3%。常規稻的源庫同步擴大幅度更高，且其庫容擴大主要以每穗粒數增加為主［25］。本試驗中，雜交稻庫容擴大主要以增加穗數為主，而每穗粒數變化不大。重度氮肥后移模式下，源庫進一步擴大，為進一步實現高產提供了空間，但要設法減輕其負面效應。

4 結論

試驗結果表明，中度和重度氮肥后移處理均可以提高稻谷產量和氮肥利用率，兩年比習慣施肥法平均增產23.0%和23.3%，氮肥農學利用率分別提高99.1%和102.5%。兩個氮肥減量后移模式下，水稻生長前期的氮素吸收和生長較慢，穗分化后則顯著加快，源和庫同步擴大。