水肥“三勻”技術(shù)對水稻水、氮利用效率的影響

楊志遠(yuǎn) 李 娜 馬 鵬 嚴(yán)田蓉 何 艷 蔣明金 呂騰飛 李 郁 郭 翔 胡 蓉 郭長春 孫永健 馬 均,*

水肥“三勻”技術(shù)對水稻水、氮利用效率的影響

楊志遠(yuǎn)1李 娜1馬 鵬1嚴(yán)田蓉1何 艷1蔣明金1呂騰飛1李 郁1郭 翔2胡 蓉3郭長春1孫永健1馬 均1,*

1四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所 / 作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室,四川成都 611130;2四川省農(nóng)業(yè)氣象中心, 四川成都 610072;3四川省原良種試驗站, 四川成都 610210

本研究通過3個裂區(qū)試驗探究水肥“三勻”技術(shù)對水稻水、氮利用效率的影響。試驗1和試驗2土壤基礎(chǔ)肥力不同, 處理一致, 主區(qū)為氮高效品種德香4103和氮低效品種宜香3724, 副區(qū)為農(nóng)民習(xí)慣施肥模式(farmer’s usual management, FU)、水肥耦合模式(nitrogen-water coupling management, NWC)、水肥“三勻”模式(methodical nitrogen- water distribution management, MNWD, 采用灌溉水和氮肥投入增頻減量一體化的方式), 以各自不施氮肥為對照; 試驗3主區(qū)為氮高效品種德香4103、F優(yōu)498及氮低效品種宜香3724、川優(yōu)6203, 副區(qū)為FU、NWC及MNWD。結(jié)果表明, MNWD施氮量較NMC和FU降低20%, 灌溉水較NMC減少20%~25%, 較FU減少42%~48%。MNWD莖蘗緩升緩降, 成穗率較高, 與NWC和FU相比, 其花前物質(zhì)轉(zhuǎn)運量較低, 但花后光合產(chǎn)物積累多, 與NWC產(chǎn)量差異不顯著, 較FU平均增產(chǎn)8.77%~14.18%。相關(guān)分析顯示, 10~20cm及20~30cm土層稻株根干重與氮肥回收率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、灌溉水生產(chǎn)效率及水分生產(chǎn)效率顯著正相關(guān), MNWD水稻根量大, 分布于10 cm以下土層的根系發(fā)達(dá), 利于水氮利用效率提高。與NWC和FU相比, MNWD氮肥回收率平均提高8.07%~11.99%和20.72%~30.78%, 農(nóng)學(xué)利用率平均提高17.44%~27.38%和96.47%~101.42%, 灌溉水生產(chǎn)效率平均提高23.34%~36.67%和76.54%~117.38%, 水分生產(chǎn)效率平均提高8.41%~17.66%和32.23%~65.29%。

水稻;水肥“三勻”技術(shù);產(chǎn)量;水分生產(chǎn)效率;氮肥利用效率

中國耕地面積少, 人口數(shù)量多, 高產(chǎn)一直是作物生產(chǎn)研究的首要目標(biāo)[1]。在過去近二十年里, 代表中國作物生產(chǎn)較高研究水平的水稻栽培取得了較多的研究成果, 農(nóng)業(yè)科技工作者依據(jù)不同稻區(qū)生態(tài)條件特點, 提出了各具特色的高產(chǎn)栽培技術(shù), 如群體質(zhì)量栽培[2]、“旺壯重”栽培[3]、“三定”栽培[4]、有序擺拋栽[5]及“三角形”栽培[6]等。這些高產(chǎn)栽培技術(shù)保證了中國單位面積稻田氮肥投入量在過去近二十年里基本保持穩(wěn)定, 但產(chǎn)量有了較大幅度提高, 基本實現(xiàn)了中國稻米自給。經(jīng)過多年的高速增長, 中國水稻持續(xù)增產(chǎn)難度越來越大, 而持續(xù)高水肥投入帶來的成本壓力已經(jīng)開始挫傷農(nóng)民的水稻生產(chǎn)積極性, 愈演愈烈的水資源短缺[7]和氮面源污染[8]問題更是引發(fā)了公眾對水稻生產(chǎn)如何發(fā)展的關(guān)注。目前, 中國政府正引導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由單純追求高產(chǎn)向以資源節(jié)約、環(huán)境友好為前提的穩(wěn)產(chǎn)方向發(fā)展, 水稻生產(chǎn)發(fā)展要符合國家政策導(dǎo)向、滿足農(nóng)民生產(chǎn)需求, 必須加強節(jié)水減氮技術(shù)研究[9]。以水肥耦合為核心的節(jié)水節(jié)氮技術(shù)前人已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究, 在大田試驗中取得了較好的節(jié)水節(jié)氮效果[10-12], 但由于該技術(shù)對水分控制要求較高, 在實際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用存在一定困難。國際水稻研究所提出的SPAD指導(dǎo)施氮技術(shù), 氮肥投入總量較少, 但施用次數(shù)多, 且施氮時間依據(jù)葉片氮素狀態(tài)差異變化較大[13-14]; 中國廣泛應(yīng)用的依據(jù)葉齡分次施氮技術(shù), 氮肥投入總量稍多, 但次數(shù)少, 且施氮時間依據(jù)稻株生育時期推進(jìn)相對固定[15]; 我們?nèi)诤蟂PAD指導(dǎo)施氮少量多次利用率高及依據(jù)葉齡分次施氮時間固定操作簡單的優(yōu)點, 并結(jié)合水肥一體化思路, 提出水肥“三勻”技術(shù)。該技術(shù)首先將播栽前、分蘗期及孕穗期等施氮關(guān)鍵時間節(jié)點分別向前后適度延伸, 拓展出新的氮肥投入時間節(jié)點, 在水肥一體化前提下, 使水氮投入頻率趨于均勻; 其次從總量減少的基肥、蘗肥和穗肥中分別抽出一部分, 投入到新的時間節(jié)點, 并將可見水層(3~5 cm)的高強度漫水灌溉分散為土壤飽和即止的低強度勻水灌溉, 以滿足新時間節(jié)點的需求, 使水氮投入數(shù)量趨于均勻; 最后結(jié)合水肥一體化高效灌溉設(shè)備, 實現(xiàn)以水帶肥, 在土壤恰好飽和的灌溉前提下, 一體化投入的水氮在土壤耕層中的分布趨于均勻。與目前常見的水肥耦合模式(干濕交替灌溉結(jié)合基、蘗、穗肥分次施氮)相比, 該技術(shù)以減基肥、控蘗肥、調(diào)穗肥和增粒肥為核心, 變低頻高強度的大水大肥漫灌為高頻低強度的勻水勻肥滲透, 但新時間節(jié)點上投入的氮肥能否更高效地行使原來基、蘗、穗肥的部分功能, 能否更好地滿足水稻不同生育時期對氮素的差異性需求, 以及“三勻”技術(shù)采用的灌溉模式能否實現(xiàn)節(jié)水目標(biāo)等尚缺乏系統(tǒng)研究。本文以農(nóng)民習(xí)慣模式及由葉齡分次施氮技術(shù)發(fā)展而來的水肥耦合技術(shù)為對照, 比較水肥“三勻”技術(shù)在水稻產(chǎn)量、氮肥利用效率及水分生產(chǎn)效率三方面的表現(xiàn), 分析其莖蘗消長動態(tài)、根系生長分布及干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運特征, 探求水肥“三勻”技術(shù)促進(jìn)水稻水肥高效利用的部分理論支撐, 為水稻綠色高產(chǎn)高效栽培提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

四川省成都市溫江區(qū)四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所試驗農(nóng)場(30°43￠N, 103°47￠E)和四川省綿陽市涪城區(qū)西南科技大學(xué)試驗農(nóng)場(31°32￠N, 104°41￠E), 前者地處成都平原, 屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候, 雨量充沛, 但光溫資源較差; 后者地處川中丘嶺, 屬亞熱帶山地濕潤季風(fēng)氣候, 伏旱頻發(fā), 但光溫資源較優(yōu)。2015年和2017年水稻季氣象數(shù)據(jù)均來自四川省氣象局(表1)。2015年進(jìn)行2個大田試驗(試驗1和試驗2), 前茬均為油菜, 土壤質(zhì)地為沙壤土, 4月7日播種, 5月8日移栽, 9月10日收獲; 2017年進(jìn)行1個大田試驗(試驗3), 前茬為小麥, 土壤質(zhì)地為黏壤土, 4月28日播種, 5月26日移栽, 9月26日收獲; 試驗田塊耕層土壤養(yǎng)分含量見表2。

表1 兩個試驗點水稻生長期間氣象條件

WGS: 全生育期。WGS: whole growth stage.

表2 2015年和2017年耕層土壤養(yǎng)分含量表

1.2 供試材料

以前期大田試驗篩選出的在氮肥利用效率上有顯著差異的品種為供試材料[10]。2015年2個雜交稻品種, 即氮高效品種德香4103 (D4103)和氮低效品種宜香3724 (Y3724)。2017年4個雜交稻品種, 即氮高效品種德香4103、F優(yōu)498 (F498)及氮低效品種宜香3724、川優(yōu)6203 (C6203)。4個品種均為中秈遲熟雜交稻, 生育期差異小于3 d。

1.3 試驗設(shè)計

2015年進(jìn)行的試驗1和試驗2土壤基礎(chǔ)肥力存在較大差異, 試驗處理完全一致, 為水稻品種×水氮處理二因素隨機區(qū)組試驗。6種水氮處理分別為農(nóng)民習(xí)慣模式、水肥耦合模式和水肥“三勻”模式3種水氮管理模式及各自水分管理相同但不施氮肥的對照處理(表3), 共計12個處理, 3 次重復(fù), 單個小區(qū)面積為3.5 m × 4.0 m ＝ 14.0 m2。

2017年進(jìn)行的試驗3亦為水稻品種×水氮處理2因素隨機區(qū)組試驗。水稻品種數(shù)量增為4個, 水氮處理減為3種, 分別為優(yōu)化施氮模式、水肥耦合模式和水肥“三勻”模式, 共計12個處理, 3 次重復(fù), 單個小區(qū)面積為4.5 m × 5.0 m = 22.5 m2。

4個試驗小區(qū)內(nèi)水稻移栽密度均為33.3 cm × 16.7 cm, 田間灌溉水量用水表計量。除氮肥外, 75 kg hm–2P2O5和150 kg hm–2K2O均作基肥施用。試驗所用氮、磷、鉀肥分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)。試驗期間進(jìn)行合理的田間管理, 整個生育期沒有明顯的澇害、旱害和病蟲草害。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 莖蘗動態(tài)變化 試驗1、2和3均于移栽后1周開始,每7d從每小區(qū)選擇長勢均勻水稻15株記錄莖蘗數(shù), 至抽穗后停止。

1.4.2 根系生長分布測定 于拔節(jié)期和抽穗期, 按平均莖蘗數(shù)標(biāo)記每小區(qū)3株具有代表性稻株, 采用原狀土柱法, 用鐵鍬以稻株為中心掘取長等于行距, 寬等于株距, 深30 cm的土柱, 將挖出的根系土層按0~10cm、10~20cm和20~30cm分為3個部分, 用高壓霧化洗根器洗去泥土雜質(zhì)后于80℃下烘干至恒重, 測得各土層根干重。

1.4.3 干物質(zhì)及氮素積累測定 將抽穗期根系形態(tài)指標(biāo)測定剩余的地上部烘干后稱質(zhì)量; 成熟期從每小區(qū)按平均有效穗數(shù)標(biāo)記3株, 取地上部分烘干、稱質(zhì)量、粉碎并過篩, 用凱氏定氮儀(FOSS-8400)測定全氮含量。

1.4.4 考種與計產(chǎn) 成熟期從每小區(qū)按平均有效穗數(shù)取樣5株, 考察穗粒結(jié)構(gòu); 剩余部分單獨收割, 按實收株數(shù)計產(chǎn)。

表3 水氮管理模式

FU: 農(nóng)民習(xí)慣模式; CTF:農(nóng)民習(xí)慣模式對照; NWC: 水肥耦合模式; CTN: 水肥耦合模式對照; MNWD:水肥“三勻”模式; CTM: 水肥“三勻”模式對照。

FU: farmer’s usual management; CTF:control treatment of FU; NWC: nitrogen-water coupling management; CTN: control treatment of NWC; MNWD: methodical nitrogen-water distribution management; CTM: control treatment of MNWD.

1.5 數(shù)據(jù)處理及指標(biāo)計算

用Microsoft Excel和SPSS 20統(tǒng)計分析數(shù)據(jù), 用Origin 9作圖。

氮素積累總量(total nitrogen accumulation,TNA) = 成熟期單位面積稻株地上部氮積累量

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(nitrogen agronomy efficiency,NAE)=(施氮區(qū)產(chǎn)量–對照處理產(chǎn)量)/施氮量

氮肥回收利用率(nitrogen recovery efficiency, NRE) = (施氮區(qū)氮素積累總量–對照處理氮素積累總量)/施氮量 × 100%

灌溉水生產(chǎn)效率(irrigation water production efficiency, IWPE) = 稻谷產(chǎn)量/灌溉水量

水分生產(chǎn)效率(water production efficiency, WPE) = 水稻產(chǎn)量/(生育期降雨量+灌溉水用量)

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮管理對不同氮效率水稻產(chǎn)量及物質(zhì)生產(chǎn)轉(zhuǎn)運的影響

由表4可見, 不同氮效率水稻品種產(chǎn)量存在顯著差異, 氮高效品種德香4103 (D4103)較氮低效品種宜香3724 (Y3724)有15.56% (低肥力土壤)和13.20% (高肥力土壤)的產(chǎn)量優(yōu)勢。水肥“三勻”模式(MNWD)和水肥耦合模式(NWC)水稻產(chǎn)量相近, 均顯著高于農(nóng)民習(xí)慣模式(FU); 低肥力條件下, 采用淹水管理的農(nóng)民習(xí)慣模式對照(CTF)產(chǎn)量最高, 采用控制性灌水管理的水肥耦合模式對照(CTN)次之, 采用“勻水”管理的水肥“三勻”模式對照(CTM)最低, 顯著低于CTF (5.04%); 高肥力條件下, 則以CTM產(chǎn)量最高, CTF最低, 差異顯著(4.89%)。與產(chǎn)量差異不顯著的NWC相比, MNWD花前物質(zhì)積累量低, 籽粒灌漿期向穗部轉(zhuǎn)運亦少, 導(dǎo)致其收獲指數(shù)不高, 但MNWD花后光合生產(chǎn)優(yōu)勢顯著, 確保其在減氮20% (120 kg hm–2與150 kg hm–2)條件下產(chǎn)量不降低。

如表5所示, 在光溫條件優(yōu)越的涪城試驗點, 氮高效品種產(chǎn)量仍顯著高于氮低效品種(14.08%~ 14.80%)。MNWD產(chǎn)量與NWC差異不顯著, 分別較FU提高13.95%和12.94%。MNWD花前物質(zhì)積累及轉(zhuǎn)運均顯著低于NWC, 但其花后光合生產(chǎn)強勁, 推動總干物質(zhì)積累表現(xiàn)出較大優(yōu)勢, 在收獲指數(shù)偏低的情況下, 產(chǎn)量不低于NWC。

3個試驗中, 品種類型與水肥管理模式互作均未顯著影響水稻產(chǎn)量, 表明減氮穩(wěn)產(chǎn)的MNWD模式效果較穩(wěn)定, 通用性較強。

表4 水氮管理對不同氮效率水稻產(chǎn)量及物質(zhì)生產(chǎn)轉(zhuǎn)運的影響(溫江, 2015)

(續(xù)表4)

D4103: 德香4103; Y3724: 宜香3724; CTF: 農(nóng)民習(xí)慣模式對照; FU: 農(nóng)民習(xí)慣模式; CTN: 水肥耦合模式對照; NWC: 水肥耦合模式; CTM: 水肥“三勻”模式對照; MNWD: 水肥“三勻”模式; DMBF: 花前干物質(zhì)積累; DMAF: 花后干物質(zhì)積累; TDM: 總干物質(zhì)積累; TDMBF: 花前物質(zhì)轉(zhuǎn)運; HI: 收獲指數(shù)。同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同品種間或不同施肥處理間在0.05水平差異顯著。

Y3724: Yixiang 3724; D4103: Dexiang 4103; DMBF: dry matter before flowering; DMAF: dry matter after flowering; TDM: total dry matter; TDMBF: transportation of dry matter before flowering; HI: harvest index. FU: farmer’s usual management; CTF:control treatment of FU; NWC: nitrogen-water coupling management; CTN: control treatment of NWC; MNWD: methodical nitrogen-water distribution management; CTM: control treatment of MNWD. Values within a column followed by different letters are significantly different at< 0.05 between cultivars or treatments.NS≥ 0.05;**< 0.01;*< 0.05.

表5 水氮管理對不同氮效率水稻產(chǎn)量及物質(zhì)生產(chǎn)轉(zhuǎn)運的影響(試驗3: 涪城,2017)

F498: F優(yōu)498; C6203: 川優(yōu)6203?？s寫同表4。同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同品種間或不同施肥處理間在0.05水平差異顯著。

F498: Fyou 498; C6203: Chuanyou 6203. Abbreviations are the same as those given in Table 4.Values within a column followed by different letters are significantly different at< 0.05 between cultivars or treatments.NS≥ 0.05;**< 0.01;*< 0.05.

2.2 水氮管理對不同氮效率水稻莖蘗消長的影響

如圖1和圖2所示, 氮高效品種高峰苗數(shù)量多, 最終有效穗數(shù)也較氮低效品種有較大優(yōu)勢。2015年試驗中的3類空白對照, CTM高峰苗數(shù)量較多, 且出現(xiàn)時間較遲, CTF高峰苗出現(xiàn)最早, 但數(shù)量較少; 低肥力條件下, CTN高峰苗出現(xiàn)時間段與CTF相近, 而高肥力條件下, 則與CTM較一致。施氮處理中, FU高峰苗出現(xiàn)時間最早, 數(shù)量最多, 隨后無效分蘗快速消亡, 最終成穗數(shù)量較少, 速升速降特征明顯; MNWD高峰苗出現(xiàn)時間最遲, 數(shù)量最少(試驗1的D4103除外), 且高峰苗所處的移栽后35~49 d時間段內(nèi), 莖蘗消長較慢, 分蘗數(shù)量變化平穩(wěn), 緩升緩降特點突出; NWC莖蘗消長特點介于FU和MNWD之間, 分蘗發(fā)生速度慢于FU, 但消亡速度快于MNWD, 其有效穗數(shù)量顯著高于FU, 與MNWD接近。

2.3 水氮管理對不同氮效率水稻根系生長和分布的影響

抽穗期不同土層根干重較拔節(jié)期均有較大幅度增長, 尤其是20~30 cm土層, 表明根系下扎程度加深(圖3和圖4)。不施氮處理中, “勻水”灌溉的CTM在20~30 cm土層中根系最發(fā)達(dá), 控制性灌溉的CTN次之, 淹水灌溉的CTF最少; 施氮處理中, FU各個土層根干重均較低, NWC表層土壤根干重與MNWD差異較小, 但其10 cm以下土層根系, 特別是20~30 cm土層根系不如MNWD發(fā)達(dá); 在3個試驗中, 水稻根系在各個土層的分布均以MNWD最發(fā)達(dá), 且以20~30 cm土層最為明顯, 表現(xiàn)出根量大、扎根深的特點。

2.4 水氮管理對不同氮效率水稻水、氮吸收利用的影響

由表6可見, 氮高效品種總吸氮量顯著高于氮低效品種, 氮肥回收率和農(nóng)學(xué)利用率雖在統(tǒng)計學(xué)上不存在顯著差異, 但前者仍較后者平均提高7.62%~13.18%。NWC總吸氮量最高, MNWD次之, 農(nóng)民習(xí)慣施肥模式氮積累最少。就氮肥利用效率而言, MNWD氮肥回收率和農(nóng)學(xué)利用率最高, 顯著高于NWC和FU, MNWD的農(nóng)學(xué)利用率較FU高出1倍左右。無論氮素積累還是氮肥利用效率, 均不受品種和水氮管理措施的互作效應(yīng)影響, 表明MNWD在提高氮肥增產(chǎn)效果, 減少氮肥損失方面的優(yōu)勢較穩(wěn)定, 不易受其他因素干擾。

圖1 不同氮效率水稻差異型水氮管理條件下莖蘗動態(tài)(溫江, 2015)

縮寫同表4。Abbreviations are the same as those given in Table 4.

圖2 不同氮效率水稻差異型水氮管理條件下莖蘗動態(tài)(涪城, 2017)

F498: F優(yōu)498; C6203: 川優(yōu)6203。縮寫同表4。

F498: Fyou 498; C6203: Chuanyou 6203. Abbreviations are the same as those given in Table 4.

圖3 不同氮效率水稻差異型水氮管理條件下根系生長及分布(溫江,2015)

Fig. 3 Root growth and distribution of hybrid rice with different N use efficiencies under varied nitrogen-water management modes (Wenjiang, 2015)

縮寫同表4和圖2。Abbreviations are the same as those given in Table 4 and Fig. 2.

圖4 不同氮效率水稻差異型水氮管理條件下根系生長及分布(涪城, 2017)

縮寫同表4和圖2。Abbreviations are the same as those given in Table 4 and Figure 2.

表6 水氮管理對不同氮效率水稻氮素積累及氮肥利用的影響

F498: F優(yōu)498; C6203: 川優(yōu)6203。TNA: 總吸氮量; NAE: 氮肥農(nóng)學(xué)利用率; NRE: 氮肥回收率。縮寫同表4。同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同品種間或不同施肥處理間在0.05水平差異顯著。

F498: Fyou 498; C6203: Chuanyou 6203. TNA: total nitrogen accumulation; NAE: nitrogen agronomy efficiency; NRE: nitrogen recovery efficiency. Abbreviations are the same as those given in Table 4.Values within a column followed by different letters are significantly different at< 0.05 between cultivars or treatments.NS≥ 0.05;**< 0.01;*< 0.05.

2015年試驗, 水稻移栽至收獲期間降雨量為538.8 mm, 2017年降水量為426.0 mm。如圖5所示, 由于水分管理一致, 各水氮管理模式與各自對應(yīng)的空白對照灌水量幾乎完全一致。采用“勻水”管理的CTM和NMWD灌水量最少, 平均約為3600 m3hm–2(試驗1和試驗2)和4200 m3hm–2(試驗3), 較采用控制性灌溉的CTN和NWC (4500 m3hm–2和5600 m3hm–2)節(jié)約20%~25%灌溉水, 較采用淹水灌溉的CTF和FU (6200 m3hm–2和8000 m3hm–2)減少42%~48%灌溉水, 節(jié)水效果顯著。

圖5 不同氮效率水稻差異型水氮管理條件下灌水量及水分利用(溫江,2015)

縮寫同表4和圖2。Abbreviations are the same as those given in Table 4 and Fig. 2.

綜合3個試驗來看, 就灌溉水生產(chǎn)效率而言, 施氮條件下FU最低(1.00~1.66 kg m–3), NWC居中(1.62~2.57 kg m–3), NMWD最高(2.19~3.16 kg m–3), NMWD的灌溉水生產(chǎn)效率較FU高出約1倍; 水分生產(chǎn)效率規(guī)律與灌溉水生產(chǎn)效率基本一致。

2.5 水稻根系生長、分布與水、氮吸收利用的關(guān)系

水稻根系生長、分布與水、氮吸收利用的相關(guān)關(guān)系見表7。低肥力條件下, 無論拔節(jié)期還是抽穗期, 各土層根干重與總吸氮量關(guān)系并不密切, 表層土壤(0~10 cm)根系亦對稻株氮肥和水分生產(chǎn)效率影響較小。隨著根系下扎, 10~20 cm土層根系與氮肥和水分生產(chǎn)效率相關(guān)系數(shù)普遍達(dá)到顯著水平, 到了20~30 cm土層, 根系與水、肥利用關(guān)系更加密切, 拔節(jié)期20~30 cm土層根干重與水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率和灌溉水生產(chǎn)效率的相關(guān)系數(shù)甚至達(dá)到0.96。

與低肥力土壤不同, 高肥力土壤條件下, 各土層根干重與總吸氮量關(guān)系密切, 且表層土壤根系對氮肥和水分生產(chǎn)效率影響增強, 尤其與氮肥回收率關(guān)系密切。到了抽穗期, 0~10 cm土層根系已能夠?qū)Φ局旯喔人退稚a(chǎn)效率發(fā)揮顯著影響, 但與10 cm以下土層根系相比, 影響程度仍存在差距, 越是深層土壤根系越與稻株水、氮吸收利用關(guān)系密切, 這與低肥力土壤規(guī)律一致。

在溫光條件優(yōu)越, 但降水較少的涪城試驗點, 根系與稻株氮素積累及水分高效利用關(guān)系更加密切。各個土層根干重?zé)o一例外均與稻株氮素積累和灌溉水生產(chǎn)效率及水分生產(chǎn)效率極顯著正相關(guān), 且越是深層次根系, 與植株水、氮吸收利用關(guān)系越密切。

圖6 不同氮效率水稻差異型水氮管理條件下灌水量及水分利用(涪城, 2017)

縮寫同表4和圖2。Abbreviations are the same as those given in Table 4 and Fig. 2.

表7 各土層根干重與氮素積累及水、氮利用的相關(guān)性

DS: 土層深度; TNA: 總吸氮量; NRE: 氮肥回收率; NAE: 氮肥農(nóng)學(xué)利用率; IWPE: 灌溉水生產(chǎn)效率; WPE: 水分生產(chǎn)效率。

DS: depth of soillayers; TNA: total nitrogen accumulation; NRE: nitrogen recovery efficiency; NAE: nitrogen agronomy efficiency; IWPE: irrigation water production efficiency; WPE: water production efficiency.NS≥ 0.05;**< 0.01;*< 0.05.

3 討論

3.1 水肥“三勻”技術(shù)提高水稻產(chǎn)量

目前研究普遍認(rèn)為, 水稻高產(chǎn)群體必是花后高光效群體, 水稻花后光合生產(chǎn)能力是影響水稻產(chǎn)量的首要因素[16-18]。在寡日高濕的四川盆地稻區(qū), 水稻花后群體蔭閉、通風(fēng)透光不佳的狀況較常見, 導(dǎo)致水稻群體花后光合產(chǎn)物積累較少, 不同產(chǎn)量水平水稻群體間花后光合產(chǎn)物積累差異亦較小, 花前物質(zhì)轉(zhuǎn)運成為引起產(chǎn)量變化的決定性因素[19]。在產(chǎn)量較低的試驗1中, D4103依靠花前物質(zhì)轉(zhuǎn)運多和花后光合生產(chǎn)旺的雙重支撐保證了其對Y3724的產(chǎn)量優(yōu)勢; 而在產(chǎn)量較高的試驗2中, D4103幾乎僅憑借花后光合生產(chǎn)優(yōu)勢就實現(xiàn)了對Y3724的產(chǎn)量超越; 在光溫條件優(yōu)越的試驗3, 高產(chǎn)品種的產(chǎn)量優(yōu)勢大部分依靠花后光合生產(chǎn), 少部分通過更多花前物質(zhì)轉(zhuǎn)運實現(xiàn)。試驗1和試驗2比較而言, 在光溫資源較差的稻區(qū), 要打破水稻產(chǎn)量潛力天花板, 實現(xiàn)水稻產(chǎn)量進(jìn)一步增長, 獲取更多的花后光合產(chǎn)物是重中之重。綜合試驗2和試驗3來說, 光溫資源較差地區(qū)水稻生產(chǎn)亦能如光溫資源優(yōu)越地區(qū)一樣, 通過塑造花后光合生產(chǎn)能力強的高質(zhì)量水稻群體來尋求產(chǎn)量突破, 在這個過程中, 針對性地配套栽培措施, 更好地發(fā)揮高產(chǎn)品種花后干物質(zhì)積累多的優(yōu)勢, 更高水平地激發(fā)良種良法的協(xié)同效應(yīng)是核心步驟。

與高產(chǎn)品種產(chǎn)量優(yōu)勢發(fā)揮尚需花前物質(zhì)轉(zhuǎn)運多這一條件支撐不同, 不同水氮管理模式間產(chǎn)量的差異則由花后光合生產(chǎn)主導(dǎo)。即較優(yōu)的水氮管理模式塑造的高質(zhì)量水稻群體, 花前物質(zhì)轉(zhuǎn)運量較少, 但其花后光合生產(chǎn)性能強勁; 在補償了花前物質(zhì)轉(zhuǎn)運的虧缺后, 剩余部分仍能持平或領(lǐng)先采用了其他水氮管理模式的水稻群體的花后光合產(chǎn)物積累; 持平者如MNWD與NWC, 領(lǐng)先者如MNWD與FU, 這表明花后光合生產(chǎn)能力強是MNWD較突出的特點。在奠定中國現(xiàn)代水稻栽培基礎(chǔ)的水稻群體質(zhì)量理論中, 成穗率是最核心的群體質(zhì)量指標(biāo), 適宜穗數(shù)基礎(chǔ)上的高成穗率水稻群體必是高產(chǎn)群體[20-21]。減氮20%的MNWD水稻群體莖蘗數(shù)量緩升緩降, 高峰苗數(shù)量少, 但成穗數(shù)量多, 成穗率與NWC相近, 較FU有較大優(yōu)勢。已有研究普遍認(rèn)為高產(chǎn)水稻群體高峰苗宜出現(xiàn)在拔節(jié)期[22-23], 對四川盆地稻區(qū)而言, 高峰苗出現(xiàn)時間尤其關(guān)鍵, 高峰苗若出現(xiàn)過早需提前且深度曬田控蘗, 這對寡日高濕的盆地氣候而言較難實現(xiàn), 導(dǎo)致孕穗期水稻群體包含較多無效分蘗, 有效分蘗穗分化所需營養(yǎng)因競爭加劇而得不到保證, 大穗難以形成; 高峰苗若出現(xiàn)過遲, 拔節(jié)后稻株養(yǎng)分供給向穗分化傾斜, 后發(fā)分蘗因營養(yǎng)供給不足難以成穗, 導(dǎo)致群體有效穗數(shù)不足。四川盆地由于寡照高濕的氣候特點, 水稻高產(chǎn)一直圍繞攻取大穗展開, 有效穗數(shù)較其余稻區(qū)有較大差距, 在此情況下, 有效穗數(shù)減少無疑會帶來更大的產(chǎn)量損失。MNWD與NWC高峰苗出現(xiàn)時間均為移栽后42 d左右, 與拔節(jié)期基本重合, 且成穗率較高, 符合高產(chǎn)群體要求, 最終均獲得較高產(chǎn)量。比較而言, MNWD氮肥投入更少且花后光合生產(chǎn)性能占據(jù)較大優(yōu)勢, 從養(yǎng)分高效利用及技術(shù)通用性而言更具優(yōu)勢。

3.2 水肥“三勻”技術(shù)提高水稻水氮利用效率

土壤適度干旱有利于作物根系下扎汲取營養(yǎng)和水分, 長期淹水稻株根系活力弱, 對水、肥吸收能力差, 限制水稻產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率提高, 干濕交替灌溉被認(rèn)為是較合理的稻田水分管理方式[24-26]。就目前常見的干濕交替灌溉結(jié)合基、蘗、穗氮撒施的水氮耦合模式而言, 水氮耦合的緊密程度受到較大局限, 原因在于灌水后撒施的氮肥更多地存在于表層土壤, 下部耕層獲得氮肥較少, 導(dǎo)致這部分土壤水分的變化對氮肥的影響有限。水、氮一體化可實現(xiàn)氮隨水走, 解決水氮脫節(jié)的難題, 也意味著耕層水分較細(xì)微的變化也可能對水氮耦合效果產(chǎn)生較大影響。當(dāng)土壤適度干旱時, 水、氮一體化施用, 能加速氮肥溶解, 促進(jìn)氮肥向稻株根部移動, 提高氮肥利用率; 當(dāng)土壤過度干旱時, 水、氮一體化施用, 氮肥易隨灌溉水滲漏至下部非耕層土壤而損失, 導(dǎo)致水、氮利用效率同時降低; 當(dāng)土壤干后灌水未至飽和狀態(tài)時, 氮肥會隨水更多進(jìn)入耕層下部土壤, 導(dǎo)致供應(yīng)數(shù)量最為龐大的上層土壤根系的水、氮不足, 于水稻群體生長發(fā)育不利; 當(dāng)土壤干后灌水過量時, 稻田長時間處于淹水狀態(tài), 不但不利于稻株根系活力保持, 還會加速干旱過程中形成的硝態(tài)氮的反硝化過程, 加劇氮肥損失[27-28]。故水氮一體化模式下干濕轉(zhuǎn)換臨界值的確定需統(tǒng)籌考慮水分和氮肥投入的數(shù)量、時間及相互比例的協(xié)調(diào)關(guān)系, 以最大化彰顯水氮耦合的協(xié)同而非拮抗效應(yīng)。水肥“三勻”技術(shù)通過減基、控蘗、調(diào)穗和增粒肥的思路將氮肥投入時間由2~4次擴展為7~8次, 單次氮肥施用量由30~105 kg hm–2降至15~30 kg hm–2, 實現(xiàn)氮肥投入頻率和施用量的逐步均勻化, 較氮肥集中大量投入的農(nóng)民模式和干濕交替結(jié)合基、蘗、穗肥撒施的水氮耦合模式提高了回收率。水肥“三勻”技術(shù)采用的勻水管理模式不建立可見水層, 減少了田面水蒸發(fā), 節(jié)約了灌溉用水。水肥“三勻”技術(shù)于地下30 cm土壤水勢約為0 kPa時灌溉至土壤飽和為止, 水氮同步在耕層土壤中趨于均勻分布, 與表層撒肥相比, 水氮空間均勻的特點改善了下部耕層的氮素環(huán)境, 有效引導(dǎo)了稻株根系下扎汲取水分和營養(yǎng), 提高了水稻群體的水、氮利用效率。從各土層根系與水稻水氮利用效率的關(guān)系看, 水肥“三勻”技術(shù)下部土層根系發(fā)達(dá)的特點極可能是其水、氮利用優(yōu)勢的關(guān)鍵所在。

水肥“三勻”技術(shù)較多的施肥、灌水次數(shù)無疑會提高勞動力成本投入, 削弱其實際價值。對此, 可利用水肥一體化設(shè)備(以水壓差、燃油或電力為動力)將肥料與灌溉水混合均勻, 灌水施肥同步完成, 操作簡單, 有利于該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

水肥“三勻”技術(shù)依靠頻度均勻、數(shù)量均勻和空間分布均勻?qū)崿F(xiàn)水稻生產(chǎn)中的勻水勻肥管理, 較干濕交替灌溉結(jié)合基、蘗、穗肥撒施的水氮耦合管理減少20%氮肥投入的同時, 產(chǎn)量保持穩(wěn)定, 較農(nóng)民習(xí)慣模式平均增產(chǎn)8.77%~14.18%。采用水肥“三勻”技術(shù)稻株根量大, 分布于下部土層的根系發(fā)達(dá), 提高了水稻水、氮利用效率。與農(nóng)民習(xí)慣模式相比, 水肥“三勻”技術(shù)氮肥回收率平均提高20.72%~30.78%, 農(nóng)學(xué)利用率平均提高96.47%~101.42%, 灌溉水生產(chǎn)效率平均提高76.54%~117.38%。

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Effects of methodical nitrogen-water distribution management on water and nitrogen use efficiency of rice

YANG Zhi-Yuan1, LI Na1, MA Peng1,YAN Tian-Rong1, HE Yan1, JIANG Ming-Jin1, LYU Teng-Fei1, LI Yu1, GUO Xiang2, HU Rong3, GUO Chang-Chun1, SUN Yong-Jian1, and MA Jun1,*

1Rice Research Institute, Sichuan Agricultural University / Crop Ecophysiology and Cultivation Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu611130, Sichuan, China;2Sichuan Agro-meteorological Center, Chengdu610072, Sichuan, China;3High Quality Seed Production Station of Sichuan Province, Chengdu610210, Sichuan, China

This study included three split-plot designed experiments. Experiments1 and 2 were conducted in two fields with varied soil fertility and consistent treatment. Two rice varieties (Dexiang 4103, high NUE; Yixiang3724, low NUE) were set as main plot. The sub-plot contained six nitrogen-water management modes (farmer’s usual management, FU; nitrogen-water coupling management, NWC; methodical nitrogen-water distribution management, MNWD; and their respective nitrogen-free controls). The main plot of Exp.3 was two high NUE varieties (Dexiang 4103, Fyou 498) and two low NUE varieties (Yixiang 3724, Chuanyou 6203); FU, NWC, and MNWD assembled the sub-plot. MNWD adopted the method of increasing frequency and reducing quantity, thus the nitrogen application rate was reduced by 20% compared with NWC and FU, the irrigation water amount was reduced by 20% to 25% compared with NWC, and 42% to 48% compared with FU. The stemnumber of MNWD changed smoothly and its ear bearing tiller percentage was higher. Compared with NWC and FU, the photo assimilation before anthesis MNWD had less, dry matter transportation before anthesis and high accumulation of assimilate after anthesis. The grain yield of MNWD was similar to that of NWC, while 8.77%–14.18% higher than that of FU. Correlation analysis showed that the dry weight of roots in 10–20cm and 20–30cm soil layers were significantly and positively correlated with nitrogen recovery efficiency (NRE), nitrogen agronomy efficiency (NAE), irrigation water production efficiency (IWPE) and water production efficiency (WPE). MNWD had a large amount of root system distributed in the soil layer below 10cm, which was conducive to the improvement of water and nitrogen utilization efficiency. Compared with NWC and FU, MNWD increased NRE by 8.07%–11.99% and 20.72%–30.78%, NAE by 17.44%–27.38% and 96.47%–101.42%, IWPE by 23.34%–36.67% and 76.54%–117.38%, WPE by 8.41%–17.66% and 32.23%–65.29%, respectively.

rice; methodical nitrogen-water distribution management; grain yield; water use efficiency; nitrogen use efficiency

2019-05-10;

2019-09-26;

2019-10-11.

10.3724/SP.J.1006.2020.92027

馬均, E-mail: majunp2002@163.com, Tel: 028-86290303

E-mail: dreamislasting@163.com, Tel: 028-86290303

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0301701,2017YFD0301706)和四川省教育廳重點項目(18ZA0390)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0301701, 2017YFD0301706)and the Key Research Fund of the Education Department of Sichuan Province (18ZA0390).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20191010.1721.006.html