施氮量對四川省同緯度不同海拔地區超級雜交稻產量及氮肥利用率的影響

蔣鵬 羅曉蓮 夜明登 肖洪 李金榮 周興兵 張林 朱永川 郭曉藝劉茂 郭長春 熊洪 徐富賢*

（1 四川省農業科學院水稻高粱研究所/農業農村部西南水稻生物學與遺傳育種重點實驗室，四川 德陽 618000；2 漢源縣農業農村局，四川 漢源 625300；3 四川省作物生理生態及栽培重點實驗室，四川 德陽 618000；*通信作者：xu6501@163.com）

水稻是我國重要的糧食作物，全國超過60%人口以稻米為主食，確保水稻持續增產對保障我國糧食安全具有重要意義。在我國人地矛盾日益突出、農業資源緊缺的嚴峻形勢下，持續提高作物單產是保障我國糧食安全的重要途徑。為此，我國于1996 年啟動實施了“中國超級稻育種計劃”[1]。截至目前，已有129 個水稻新品種被認定為超級稻[2]，超級稻百畝示范的產量已達到16.0 t/hm2[3]。超級稻產量潛力的發揮受種植區域海拔等環境因子影響[4]。已有研究表明，高海拔有利于超級稻源庫優勢的形成，進而促進超級稻產量潛力的發揮[5-6]。ZHANG 等[7]和HUANG 等[8]研究發現，與低海拔（海拔高度100 m 以下）地區相比，中高海拔（海拔高度700~800 m）地區超級雜交稻產量達13.0 t/hm2，增產20%以上。LI 等[9]和KATSURA 等[10]研究表明，云南濤源（海拔高度1 170 m）超級稻產量達16.0 t/hm2以上，較低海拔（海拔高度低于100 m 以下）地區增產50.0%以上。最近作者的研究結果也顯示，與高產水稻相比，超級雜交稻的增產優勢隨著海拔高度的上升呈增加趨勢[5]。但上述研究所在生態區的緯度差異很大，緯度不同也可能是造成超級稻產量差異的主要因素之一。朱大偉等[11]研究發現，隨著種植區域緯度的升高，水稻產量表現為先增加后下降的趨勢。相同品種在不同緯度地區種植產量差異的主要原因是有效穗數和每穗粒數的改變，高緯度地區水稻有效穗數顯著多于低緯度，但其每穗粒數少于低緯度地區[12-13]。可見，不同緯度和海拔高度下超級稻產量差異并未消除緯度差異帶來的干擾，即超級稻產量差異的原因可能與種植區域海拔、緯度，又或海拔與緯度的互作有關。

氮素是限制水稻生長和產量潛力發揮的關鍵養分之一，受“高投入等于高產出”等觀念驅使，農民不合理和盲目過量施肥現象在各水稻產區相當普遍[14-15]。據統計，我國氮肥用量約占全球氮肥總用量的29.0%[16]。過量施用氮肥，一方面造成氮素以氨揮發、地表徑流、滲漏等方式損失[17-18]，帶來一系列環境問題（土壤酸化、水體污染和溫室氣體排放等[19-21]）；另一方面還會導致稻田氮肥利用率顯著降低（當前中國稻田氮肥利用率僅有30.0%~35.0%[22]），遠低于世界平均水平（46.0%）[23-24]。已有研究表明，水稻的表觀氮損失量、氮損失比例隨施氮量增加呈線性增加趨勢，氮素損失量占氮素總輸入量的14.0%~52.0%，稻田氨揮發總量也隨施氮量的增加而增加[25]。因此，如何在確保超級稻高產生產前提下，減少氮肥施用量的同時大幅度提高氮肥利用率是當前及今后很長時期內水稻栽培學研究的熱點和焦點。在確保水稻高產、穩產的前提下，合理的減少氮肥施用量及科學的氮肥運籌是大幅度提高水稻氮肥利用率重要途徑。PENG 等[22]研究發現，在南方不同生態稻區減少30.0%的施氮量，水稻產量不但沒有下降，氮肥農學利用率還成倍提高。實際生產中，超級稻對氮肥的響應隨種植區域海拔的變化而改變[26-27]。為此，本研究在四川省選擇緯度相同海拔差異較大的3 個水稻生態區，研究同緯度不同海拔條件下施氮量對超級雜交稻產量形成和氮肥利用率的影響，消除緯度差異對不同海拔地區超級雜交稻產量和氮肥利用率差異的影響，為不同海拔地區超級雜交稻氮肥科學施用、產量與氮肥利用率協同提高提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以超級雜交稻瀘優727、高產雜交稻內6 優107 為試驗材料，種子均由四川省農業科學院水稻高粱研究所提供。

1.2 試驗設計

于2022 年在高海拔的漢源縣（北緯29.5°，東經102.6°，海拔1 000 m）、中海拔的沐川縣（北緯29.5°，東經104.1°，海拔700 m）、低海拔的瀘縣（北緯29.5°，東經105.4°，海拔300 m）進行大田試驗。設5 個施氮量：分別為225、180、150、105、0 kg/hm2，分別記作N1、N2、N3、N4、N0，各處理氮肥均按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3 的比例施用。磷肥（P2O5）、鉀肥（K2O）施用量分別為75.0 kg/hm2和157.5 kg/hm2，磷肥全部作基肥施用，鉀肥按基肥、穗肥各占50% 2 次施用。試驗采用裂區設計，施氮量為主區，品種為副區，副區面積為30 m2，3 次重復。移栽規格為26.4 cm×20.0 cm。其他措施按當地高產栽培要求實施。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 地上部干物質量

于齊穗期、成熟期每小區取6 叢生長均勻的植株，用水沖洗干凈后，剪去根系。齊穗期植株樣品分成莖葉和穗，成熟期植株人工計數穗數后，手工脫粒，將樣品分成稻草、實粒和秕粒，置于70 ℃烘箱，烘至恒質量后稱重；并計成熟期總干物質量和收獲指數：成熟期總干物質量=稻草干物質量+實粒干物質量+秕粒干物質量，收獲指數=實粒干物質量÷成熟期總干物質量×100%。

1.3.2 產量構成

于成熟期各小區調查20 叢植株穗數，用于計算有效穗數，同時結合成熟期干物質植株取樣考察每穗粒數、結實率和千粒重。

1.3.3 產量

于成熟期，每個小區收割中心5.0 m2進行測產，并換算成13.5%標準含水量的產量。

1.3.4 氮素利用率

氮肥農學利用率（kg/kg）=（施氮區產量-無氮區產量）/施氮量；

氮肥偏生產力（kg/kg）=施氮區產量/施氮量。

1.4 數據分析

采用Excel 2003 整理數據，Statistix 8.0 進行方差分析，LSD0.05進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 對超級雜交稻產量的影響

由表1 可知，地點、施氮量、品種基因型及地點與施氮量互作對超級雜交稻產量影響顯著。與瀘縣點和沐川點相比，漢源點超級雜交稻產量分別增加62.1%和84.1%。超級雜交稻產量對施氮量的響應隨海拔變化而變化。與N0處理相比，施氮處理（N1、N2、N3、N4）超級雜交稻產量增加25.2%~32.0%（漢源點）、47.5%~74.0%（瀘縣點）和22.7%~25.7%（沐川點），說明施氮可顯著提高超級雜交稻產量。漢源點和沐川點4 個施氮處理間超級雜交稻產量差異不顯著，而瀘縣點差異顯著。漢源點、沐川點N2、N3、N4超級雜交稻產量與N1相當，或更高；瀘縣點N2處理超級雜交稻產量與N1相當，N3、N4超級雜交稻產量較N1分別顯著降低6.7%和18.0%。說明在漢源點、沐川點減施20.0%~33.3%氮肥超級雜交稻產量不會顯著下降，瀘縣點氮肥減施量超過33.3%造成超級雜交稻產量顯著下降。與內6 優107相比，超級雜交稻瀘優727 產量高2.8%（漢源點）、11.6%（瀘縣點）和7.4%（沐川點）。

表1 同緯度不同海拔條件下施氮量對超級雜交稻產量和氮肥利用率的影響

2.2 對超級雜交稻產量構成的影響

由表2 可知，地點、施氮量和品種基因型對超級雜交稻有效穗數、每穗粒數、結實率和千粒重有顯著影響。與瀘縣點相比，漢源點超級雜交稻有效穗數、每穗粒數分別增加41.7%和19.3%，結實率和千粒重分別降低7.5%和6.6%。漢源點超級雜交稻有效穗數、每穗粒數、結實率較沐川點分別增加45.0%、28.5%和3.6%。隨施氮量的增加，漢源點和瀘縣點超級雜交稻有效穗數呈先增加后下降趨勢，以N2處理最高；沐川點超級雜交稻有效穗數呈增加趨勢。超級雜交稻每穗粒數和結實率對施氮量的響應隨海拔變化而變化，其中漢源點施氮量對超級雜交稻每穗粒數和結實率影響不顯著，瀘縣點超級雜交稻每穗粒數和結實率以N0處理最低，沐川點超級雜交稻每穗粒數和結實率則是以N0處理最高。除漢源點外，施氮量對超級雜交稻千粒重影響較小。不同基因型超級雜交稻品種間有效穗數差異不顯著。與內6 優107 相比，瀘優727 每穗粒數增加5.1%~18.2%，結實率增加4.3%~5.0%（漢源點除外），千粒重下降4.6%~9.4%。

表2 同緯度不同海拔條件下施氮量對超級雜交稻產量構成的影響

2.3 對超級雜交稻氮肥利用率的影響

由表1 還可以看出，地點和施氮量對超級雜交稻氮肥農學利用率和氮肥偏生產力影響顯著。與沐川點相比，漢源點和瀘縣點超級雜交稻氮肥農學利用率分別增加107.2%和123.4%，氮肥偏生產力分別增加84.4%和16.0%。隨著施氮量的增加，超級雜交稻氮肥農學利用率和氮肥偏生產力呈顯著下降趨勢。與N1相比，N2、N3、N4超級雜交稻氮肥農學利用率分別增加6.8%、63.0%、98.8%（漢源點），21.6%、27.9%、37.3%（瀘縣點）和27.1%、70.0%、138.6%（沐川點），氮肥偏生產力分別增加20.9%、52.3%、110.8%（漢源點），23.6%、40.5%、81.6%（瀘縣點）和25.5%、53.6%、118.8%（沐川點）。除沐川點外，漢源點和瀘縣點超級雜交稻間氮肥農學利用率差異不顯著。與內6 優107 相比，超級雜交稻瀘優727 氮肥偏生產力增加2.4%（漢源點）、11.1%（瀘縣點）和7.7%（沐川點）。

2.4 對超級雜交稻產量干物質的影響

由表3 可知，不同地點間超級雜交稻齊穗前干物質量、齊穗后干物質量、總干物質量和收獲指數差異較大。與瀘縣點和沐川點相比，漢源點超級雜交稻齊穗前干物質量、齊穗后干物質量、總干物質量和收獲指數分別增加55.9%~61.0%、3.5%~21.6%、38.0%~48.7%和5.1%~23.0%。超級雜交稻齊穗前干物質量、齊穗后干物質量、總干物質量和收獲指數對施氮量的響應隨海拔變化而變化。減施20%氮肥（N2）超級雜交稻齊穗前和總干物質量與N1處理相當，或更高。與N1處理相比，N3處理超級雜交稻齊穗前和總干物質量平均分別降低4.0%和1.4%，齊穗后干物質量和收獲指數平均分別增加4.6%和1.4%；而N4處理超級雜交稻齊穗前、齊穗后和總干物質量平均分別降低7.6%、5.5%和7.0%，收獲指數平均增加1.4%。除漢源點齊穗前干物質量外，不同基因型超級雜交稻間齊穗前干物質量、齊穗后干物質量、總干物質量和收獲指數差異不顯著。

表3 同緯度不同海拔條件下施氮量對超級雜交稻干物質生產的影響

3 討論

超級雜交稻產量不僅受品種基因型影響，還受種植地海拔等環境因子的影響。一般而言，高海拔有利于超級雜交稻源和庫形成，進而促使超級雜交稻的增產優勢隨海拔上升呈增加趨勢。與低海拔地區相比，中高海拔地區超級雜交稻產量可達13.0 t/hm2，增產20.0%以上[7-8]，高海拔地區云南濤源超級稻產量達16.0 t/hm2，較低海拔地區增產50.0%以上[9-10]。中海拔、高海拔高產或超高產水稻具有以下主要特點：庫容量大（有效穗數與每穗粒數協調，即穗足粒多）、結實率高、總生物量大、花后干物質積累量多、收獲指數相對較高[7-10]。JIANG 等[5]分析了不同產量水平下超級雜交稻產量特點后，發現超級雜交稻由低中產到高產擴“庫”和增“源”是主要增產途徑，高產到超高產“源”足、“庫”大、“流”暢是關鍵。本研究結果表明，不同海拔地區間超級雜交稻產量差異較大。與瀘縣點（低海拔）和沐川點（中海拔）相比，漢源點（高海拔）超級雜交稻產量平均達15.2 t/hm2，分別增加62.1%、84.1%。由此可見，本試驗條件下不同生態地區超級雜交稻產量差異主要與其海拔高度差異有關。從產量構成來看，漢源點超級雜交稻有效穗數和每穗粒數顯著高于瀘縣點和沐川點，結實率和千粒重則低于瀘縣點和沐川點（除沐川點結實率外）。從干物質生產來看，漢源點超級雜交稻齊穗前干物質量、齊穗后干物質量、總干物質量和收獲指數均高于瀘縣點和沐川點。此外，沐川點（中海拔）超級雜交稻產量較瀘縣點（低海拔）平均下降12.0%，有效穗數、每穗粒數、結實率、千粒重、齊穗前干物質量、齊穗后干物質量、總干物質量和收獲指數減少是其減產的主要原因。說明較小的總庫容量和較低的生物量和收獲指數是限制低、中海拔地區超級雜交稻高產的主要原因，即“庫”小、“源”不足是低、中海拔地區超級雜交稻減產的關鍵所在。在制定栽培技術方案時，應充分考慮可能獲得目標產量的源庫結構，因地因種高產栽培是關鍵。

氮肥是水稻生長發育所需的重要營養元素之一，科學施用氮肥既可提高超級雜交稻產量，降低肥料成本，還可減少因過量施肥引起的農業面源污染。關于施氮量與超級雜交稻產量的關系前人進行了大量研究。劉宇等[28]研究發現，超級雜交稻Y 兩優900 在中產區的適宜施氮量為180 kg/hm2。龍瑞平等[29]研究發現，高海拔地區機插粳稻的適宜施氮量為240 kg/hm2，過高或過低的施氮量均不利于機插粳稻產量的提高。曾研華等[30]和張穎睿[31]研究認為，采用秸稈或翻壓紫云英還田，減少30.0%~60.0%化學肥料養分投入不會造成水稻產量下降。蔣鵬等[26]研究發現，在常規施氮量的基礎上減少46.0%氮肥施用量并不會造成中產水平稻區雜交稻產量顯著下降，而高產稻區雜交稻產量則顯著下降。因此，氮肥施用策略需根據稻區產量水平進行調整。本研究結果表明，超級雜交稻產量對施氮量的響應隨海拔變化而變化。漢源點和沐川點4 個施氮處理間超級雜交稻產量差異不顯著；瀘縣點N2處理超級雜交稻產量與N1處理相當，N3和N4處理超級雜交稻產量較N1處理分別降低6.7%和18.0%，差異達顯著水平，說明在漢源點、沐川點減施20.0%~33.3%氮肥超級雜交稻產量不會顯著下降，而瀘縣點氮肥減施量超過33.3%則造成產量顯著下降。

在保證超級雜交稻高產、穩產的前提下，適宜減少氮肥施用量并使氮素供應與超級雜交稻對氮素的需求相匹配是提高氮肥利用效率和減少氮肥損失的重要栽培管理措施。黃巧義等[32]研究發現，氮肥減施20.0%~40.0%可維持雜交稻產量處于較高水平，氮肥農學利用率、氮肥偏生產力和氮肥生理利用率較常規施氮顯著提高。另外，通過優化氮肥管理可減少14.0%~28.0%的氮肥施用量，雜交稻產量增加4.0%~8.0%，氮肥農學利用率、氮肥偏生產力和氮肥吸收利用率大幅度提高[33]。本研究條件下，超級雜交稻氮肥農學利用率和氮肥偏生產力隨著氮肥減施量的增加呈顯著增加的趨勢。與N1處理相比，N2、N3和N4處理超級雜交稻氮肥農學利用率分別增加6.8%~98.8%（漢源點）、21.6%~37.3%（瀘縣點）和27.1%~138.6%（沐川點），氮肥偏生產力分別增加20.9%~110.8%（漢源點）、23.6%~81.6%（瀘縣點）和25.5%~118.8%（沐川點），說明減少氮肥施用量可大幅度提高同緯度不同海拔地區超級雜交稻氮肥農學利用率和氮肥偏生產力。

4 結論

本試驗條件下，高海拔（漢源點）地區超級雜交稻產量較低海拔（瀘縣點）和中海拔（沐川點）分別增加62.1%和84.1%，其增產優勢主要表現在有效穗數、每穗粒數、齊穗前干物質量、齊穗后干物質量、總干物質量和收獲指數增加上。超級雜交稻產量對施氮量的響應隨海拔變化而變化。高海拔和中海拔地區4 個施氮處理間超級雜交稻產量差異不顯著；低海拔地區N2處理超級雜交稻產量與N1處理相當，N3、N4處理超級雜交稻產量較N1處理分別顯著降低6.7%和18.0%。超級雜交稻氮肥農學利用率和氮肥偏生產力隨著氮肥減施量的增加呈顯著增加的趨勢。綜合考慮超級雜交稻產量和氮肥利用率，高海拔和中海拔地區超級雜交稻氮肥適宜減施量為20.0%~33.3%，低海拔地區氮肥適宜減施量為20.0%。