氮肥運(yùn)籌對(duì)蘇打鹽堿地水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響

郭曉紅 姜紅芳 蘭宇辰 王鶴瓔 胡月 徐令旗 劉付佳 呂艷東

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院/黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163319)

鹽堿地是一種廣泛存在的土壤類型，是土地資源中的一個(gè)重要組成部分。 目前，世界有鹽堿地約9.55億hm2，占全球總耕地面積的20%[1]。 松嫩平原是世界三大蘇打鹽堿地集中分布地區(qū)之一，現(xiàn)有鹽堿化土地面積約342 萬hm2，主要分布在吉林省和黑龍江省西部地區(qū)[2]。 研究表明，水稻生長(zhǎng)的水環(huán)境對(duì)土壤的可溶性鹽堿起到淋溶作用，水稻自身特有的生物作用也能減少鹽堿危害[3-4]。 可見，鹽堿地種植水稻對(duì)改良鹽堿地和保障我國糧食安全具有重大意義。

氮肥是影響水稻產(chǎn)量形成最敏感的營養(yǎng)因素，其在肥料投入中的比重達(dá)60%以上，科學(xué)的氮肥管理是實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要措施，也是提高氮肥利用率、降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵[5-6]。 然而，氮肥的過量投入導(dǎo)致其利用效率普遍較低，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國稻田的氮肥利用率平均在30%～35%之間[7]，其余的氮素通過氨揮發(fā)、硝化與反硝化作用以及硝酸鹽淋溶等途徑損失[8]。 前人在高產(chǎn)地塊有關(guān)氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率的研究表明，合理的氮肥施用量及分配比例可促進(jìn)水稻對(duì)氮肥的吸收與累積，顯著提高產(chǎn)量和氮肥利用率[9-12]。 然而針對(duì)松嫩平原鹽堿土低產(chǎn)地塊，關(guān)于氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻產(chǎn)量和氮肥利用率等方面的研究報(bào)道較少。 為此，本研究以農(nóng)民常規(guī)施氮方式為對(duì)照，探討施氮量、施氮比例及施氮時(shí)期對(duì)蘇打鹽堿地水稻產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素、植株地上部分含氮量、穗部氮素積累量以及氮肥利用率的影響，旨在優(yōu)化蘇打鹽堿土稻田氮肥管理的措施，為提高蘇打鹽堿地水稻產(chǎn)量和氮肥利用率，以及改良蘇打鹽堿土壤提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

供試品種為粳稻品種:墾粳7 號(hào)和墾粳8 號(hào)，由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院水稻研究中心選育。 試驗(yàn)于2017-2018年在黑龍江省大慶市王家圍子水稻試驗(yàn)基地(46°40′N，125°07′E)大田條件下進(jìn)行。 該地區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，水稻種植以連作為主，一年一熟制。 供試稻田土壤為蘇打鹽堿土，可溶性鹽含量為0.31%。 2017-2018年試驗(yàn)地0～20 cm 土層養(yǎng)分狀況如表1 所示。

表1 土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況Table 1 Basic nutrient status of soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，通過實(shí)地農(nóng)戶調(diào)研確定當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施氮量以及施氮時(shí)期，根據(jù)徐一戎等[13]提出的“前重、中輕、后補(bǔ)”的施氮原則，設(shè)置5 種氮肥運(yùn)籌，即:N0:不施氮肥；N1:農(nóng)民常規(guī)施氮；N2:平衡施氮；N3:平衡減氮施肥；N4:氮肥前移。 其中，N0 用于計(jì)算氮肥利用效率，N1 為對(duì)照。 N1 氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥=6 ∶3 ∶1比例施入，穗肥以促花肥一次施入；N2和N3 氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥=4 ∶3 ∶3比例施入，N3 在N2 基礎(chǔ)上減少10%施氮量，穗肥分成促花肥和?；ǚ室? ∶2比例施入；N4 氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥=5 ∶3 ∶2比例施入，穗肥以?；ǚ室淮问┤?，具體施氮時(shí)期及施氮量見表2。 各處理磷肥為重過磷酸鈣，含46% P2O5，總量為70 kg·hm-2，作基肥一次施入。 鉀肥為硫酸鉀，含50% K2O，總量為90 kg·hm-2，按基肥∶?；ǚ?7 ∶3比例施入。 基肥在移栽前7 d(2017年5月10 日，2018年5月9 日)施入；N1 蘗肥和促花肥分別在移栽后20 d(2017年6月7 日，2018年6月6 日)和移栽后40 d(2017年6月27 日，2018年6月26 日)施入；N2、N3、N4 蘗肥在返青期(2017年5月24 日，2018年5月21 日)施入，促花肥在倒4 葉長(zhǎng)出一半時(shí)(2017年6月25 日，2018年6月20 日)施入，?；ǚ试诘? 葉長(zhǎng)出一半時(shí)(2017年7月10 日，2018年7月10 日)施入。各小區(qū)面積為126 m2，3 次重復(fù)。

水稻播種日期分別為2017年4月17 日和2018年4月20 日，秧齡3.1 葉時(shí)進(jìn)行人工均行插秧，行距30 cm，穴距13.3 cm，每穴4 苗，移栽日期分別為2017年5月18 日和2018年5月17 日。 各試驗(yàn)小區(qū)水分管理采用單排單灌方式，防止各處理間相互影響。 收獲日期分別為2017年9月27 日和2018年9月20日。 插秧及本田管理按常規(guī)進(jìn)行。

表2 氮肥運(yùn)籌試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design of nitrogen fertilizer operation /(kg·hm-2)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素 水稻成熟時(shí)每處理選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的3 點(diǎn)，調(diào)查連續(xù)10 穴穗數(shù)，計(jì)算平均穗數(shù)，每點(diǎn)按照平均穗數(shù)取樣2 穴，共計(jì)6 穴進(jìn)行考種，測(cè)定每穗粒數(shù)、實(shí)粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率，并計(jì)算理論產(chǎn)量。 每小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的4 點(diǎn)，割取1 m2水稻，脫谷、曬干、風(fēng)選后測(cè)定實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.2 植株氮素含量的測(cè)定 在水稻齊穗期和成熟期選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的4 穴植株帶回室內(nèi)，切去根部，將植株分葉片、鞘莖和穗三部分，105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重，冷卻后稱量各部分干物重。 用LG-50 型粉碎機(jī)(中國瑞安市百信制藥機(jī)械有限公司)將水稻各部分分別粉碎，并過60 目篩，采用KjeltecTM8400 全自動(dòng)凱氏定氮儀(丹麥FOSS 公司)測(cè)定氮素含量。 按照公式分別計(jì)算穗部氮素積累量、植株含氮量[14]、氮肥吸收利用率(nitrogen recovery efficiency，NRE)、氮肥農(nóng)學(xué)利用率(nitrogen agronomic efficiency，NAE)、氮肥貢獻(xiàn)率(nitrogen fertilization contribution rate，NCR)、氮肥偏生產(chǎn)力(nitrogen partial factor productivity，NFP)、土壤氮素依存率(soil nitrogen dependent rate，SNDR)[15]:

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用DPS 7.05 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD 法進(jìn)行多重比較(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥運(yùn)籌對(duì)蘇打鹽堿地水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表3 可知，氮肥、品種、年份以及氮肥×年份、品種×年份的互作效應(yīng)對(duì)理論產(chǎn)量的影響均達(dá)顯著或極顯著水平，氮肥×品種、氮肥×品種×年份的互作效應(yīng)對(duì)理論產(chǎn)量無顯著影響。 兩品種在兩年間產(chǎn)量變化趨勢(shì)較為一致，與N1 相比，N2 和N3 的理論產(chǎn)量分別顯著增加了17.39%和8.72%(除2017年墾粳7 號(hào)N3 與N1 差異不顯著)，實(shí)際產(chǎn)量產(chǎn)分別增加了11.45%和5.71%，N2 與N1 差異達(dá)顯著水平。 而N4 的理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量分別較N1 降低了9.74%和10.43%。 此外，N2 的理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量分別較N3 提高了7.98%和5.38%。

對(duì)兩年產(chǎn)量構(gòu)成因素的分析表明，與N1 相比，N2增產(chǎn)的主要原因在于顯著提高了兩品種的穗數(shù)；而N3增產(chǎn)的原因在于較N1 提高了兩品種的穗數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重，其中墾粳7 號(hào)的結(jié)實(shí)率顯著提高，而墾粳8號(hào)的千粒重顯著提高，且2018年兩品種的穗數(shù)均顯著提高。 N4 的穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重均低于N1，從而導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

2.2 氮肥運(yùn)籌對(duì)蘇打鹽堿地水稻植株含氮量的影響

不同氮肥運(yùn)籌下水稻全株含氮量變化如圖1 所示，兩品種植株含氮量在齊穗期高于成熟期。 與N1相比，N2 和N3 顯著提高了齊穗期和成熟期的植株含氮量，其中，在齊穗期兩品種平均值分別提高了16.51%和10.43%，在成熟期分別提高了19.78%和7.93%；而N4 在齊穗期和成熟期的植株含氮量平均值分別較N1 顯著降低13.48%和8.67%。 此外，N2 在齊穗期和成熟期的植株含氮量均顯著高于N3(除2018年墾粳7 號(hào)差異不顯著)。

根據(jù)水稻植株含氮量與理論產(chǎn)量的線性回歸分析(圖2)可知，氮肥運(yùn)籌下水稻產(chǎn)量與水稻齊穗期、成熟期植株含氮量均呈極顯著線性正相關(guān)，說明在齊穗期和成熟期保證植株較高的含氮量有利于提高水稻產(chǎn)量。

2.3 氮肥運(yùn)籌對(duì)蘇打鹽堿地水稻穗部氮素積累量的影響

氮肥運(yùn)籌下兩品種穗部氮素積累量如圖3 所示，與N1 相比，N2、N3 提高了齊穗期和成熟期的穗部氮素積累量，其中，N2 分別平均提高了57.00% 和36.90%；N3 分別平均提高了23.42%和14.62%(除2017年墾粳7 號(hào)在成熟期差異不顯著外)；而N4 的穗部氮素積累量不同程度地降低。 綜合兩年結(jié)果表明，N2 和N3 均能促進(jìn)水稻穗對(duì)氮素的吸收積累，且N2顯著優(yōu)于N3。

2.4 氮肥運(yùn)籌對(duì)蘇打鹽堿地水稻氮肥利用率的影響

氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻氮肥利用率有顯著影響，且兩品種在兩年間的趨勢(shì)一致(表4)。 與N1 相比，N2 和N3提高了NRE、NAE、NCR 和NFP，降低了SNDR。 其中，N2 的NRE、NCR 分別較N1 平均提高了27.85、8.20個(gè)百分點(diǎn)，NAE、NFP 分別較N1 平均提高了42.48%和17.51%，且差異均達(dá)顯著水平；N3 的NRE 較N1 平均提高了16.78 個(gè)百分點(diǎn)，NAE、NF 分別較N1 平均提高了34.02%、20.93%，差異均達(dá)顯著水平；N2 和N3的SNDR 分別較N1 平均降低了11.73 和5.24 個(gè)百分點(diǎn)。 而N4 的NRE、NAE、NCR 和NFP 均低于N1，但其SNDR 顯著高于N1。 說明N2 和N3 促進(jìn)了水稻對(duì)氮素的吸收與利用，同時(shí)降低了土壤氮素依存率，且N2的NRE、NAE、NCR 和SNDR 均表現(xiàn)為優(yōu)于N3，NFP則相反。

表3 不同氮肥運(yùn)籌下水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的比較Table 3 Comparison of rice yield and its components under different nitrogen fertilizer application

進(jìn)一步分析氮肥運(yùn)籌下水稻產(chǎn)量與氮肥利用率的相關(guān)性，產(chǎn)量與NRE、NFP 呈極顯著正相關(guān)；與SNDR呈顯著負(fù)相關(guān)。 此外，SNDR 與NRE、NAE、NCR 以及NFP 均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)(表5)。 說明水稻植株對(duì)氮肥的吸收利用率低會(huì)導(dǎo)致SNDR 增加，不利于水稻增產(chǎn)。

表4 氮肥運(yùn)籌下水稻氮肥利用率的比較Table 4 Comparison of nitrogen fertilizer utilization rate of rice under different nitrogen fertilizer application

表5 產(chǎn)量與氮肥利用率的相關(guān)關(guān)系Table 5 Relationships between yield and nitrogen fertilizer utilization rate

圖1 氮肥運(yùn)籌下水稻齊穗期和成熟期全株含氮量的變化Fig.1 Changes of nitrogen content in rice plants at full heading and maturity stages under nitrogen fertilizer management

3 討論

3.1 氮肥運(yùn)籌對(duì)蘇打鹽堿地水稻產(chǎn)量形成的影響

氮素是水稻養(yǎng)分管理中需求量最大而且較難控制的必要營養(yǎng)元素，合理施用氮肥是水稻生產(chǎn)研究的長(zhǎng)期任務(wù)。 目前，農(nóng)戶在蘇打鹽堿地區(qū)水稻的實(shí)際生產(chǎn)管理中施氮量過高，且氮肥施用時(shí)期不合理是產(chǎn)量普遍偏低的主要原因。 黑龍江省稻作種植方式為一年一熟制且以連作為主，由于地處寒地，生長(zhǎng)季節(jié)短，溫光資源較為緊張，農(nóng)民一般習(xí)慣采用“大頭肥”的施氮方式，將氮肥集中于水稻生長(zhǎng)前期施用而不施穗肥。 稻區(qū)稻田土壤表現(xiàn)為插秧前土壤養(yǎng)分含量多，插秧至幼穗分化期、孕穗至成熟期間，土壤氮素含量下降，這種土壤養(yǎng)分釋放規(guī)律與寒地水稻的需肥規(guī)律相比，表現(xiàn)為前期不足，中期相差不大，后期略顯不足[16]。 而農(nóng)民的這種傳統(tǒng)施氮方式導(dǎo)致水稻生長(zhǎng)后期發(fā)生脫肥而早衰，不利于水稻增產(chǎn)。 本研究結(jié)果表明，N2 和N3的水稻實(shí)際產(chǎn)量較N1 分別提高了11.45%和5.71%，而N4 降低了水稻產(chǎn)量，表明在蘇打鹽堿條件下，N2和N3 兩種方式于倒4 葉施用促花肥為倒3 葉和倒2葉時(shí)期枝梗和穎花分化的養(yǎng)分需求提供了保障，在倒2 葉施用的保花肥則可防止穎花退化，從而為水稻獲得高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。 這一結(jié)果與凌啟鴻等[17]的研究較為一致。 此外，本研究中N3 水稻產(chǎn)量雖然低于N2，但氮肥的分次施用仍使鹽堿地水稻達(dá)到增產(chǎn)的效果，既節(jié)省了氮肥，又符合當(dāng)前國家“兩減”的要求。

圖2 水稻齊穗期和成熟期全株含氮量與產(chǎn)量的相關(guān)性Fig.2 Correlation between nitrogen content and yield of whole plant at rice heading stage and maturity stage

有研究表明，氮肥對(duì)水稻的增產(chǎn)效果主要體現(xiàn)在增加有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)以及提高結(jié)實(shí)率[18-19]。 這與本研究中N2 和N3 較N1 能提高水稻的穗數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重較為一致，且N2 穗數(shù)的提高幅度高于N3，而N3 結(jié)實(shí)率和千粒重的提高幅度較大；此外，N2 對(duì)水稻穗粒數(shù)的增加也有促進(jìn)作用，表明N2 和N3 不僅有利于光合產(chǎn)物向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)(結(jié)果另文發(fā)表)，而且促進(jìn)了庫容(穗粒數(shù))和充實(shí)度(千粒重)增加，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量。 林晶晶等[7]研究指出，水稻的分蘗數(shù)取決于分蘗期氮肥的施用量以及植株吸氮量，施用穗肥有利于鞏固前期的有效分蘗，減少穎花退化，提高成穗率并促進(jìn)群體穗數(shù)的形成。 而本研究結(jié)果表明，在蘇打鹽堿地條件下，N1 前期過量施用氮肥促進(jìn)了分蘗的增加，但忽略了穗肥的施用，最終導(dǎo)致穗數(shù)下降。 另外，N1結(jié)實(shí)率和千粒重較低的原因，一方面可能是生育前期過多的施用氮肥導(dǎo)致植株吸收氮素消耗了大量光合產(chǎn)物，降低了碳水化合物向穗部的轉(zhuǎn)運(yùn)量和在營養(yǎng)器官的累積；另一方面忽略了促花肥與?；ǚ实氖┯茫焕邴}堿地水稻不定根的形成，不發(fā)達(dá)的根系進(jìn)而制約后期干物質(zhì)的生產(chǎn)和體內(nèi)物質(zhì)的再轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

3.2 氮肥運(yùn)籌對(duì)蘇打鹽堿地水稻氮素吸收積累以及氮肥利用效率的影響

本試驗(yàn)結(jié)果表明，N2 和N3 顯著提高了鹽堿地水稻植株齊穗期和成熟期的植株含氮量，為成熟期水稻穗部的氮素積累奠定了基礎(chǔ)，且與產(chǎn)量間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。 水稻在開花后進(jìn)入灌漿期，水稻吸收的養(yǎng)分主要供給穗部，同時(shí)貯藏器官中的養(yǎng)分也大量向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)[20]。 本研究連續(xù)兩年在蘇打鹽堿地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果表明，N2 和N3 顯著提高了水稻穗部的氮素積累量，且N2 的促進(jìn)作用優(yōu)于N3，而調(diào)節(jié)氮肥前移(N4)不利于水稻穗部氮素含量的積累。 說明N2 和N3 能夠兼顧促花肥和?；ǚ蕝f(xié)同作用，在提高蘇打鹽堿地水稻產(chǎn)量的同時(shí)維持水稻生長(zhǎng)中后期較高的根系活力，增強(qiáng)植株對(duì)氮素的吸收。

在水稻生育前期過多施用氮肥導(dǎo)致肥料利用率低，浪費(fèi)有限的農(nóng)業(yè)資源，并增加生產(chǎn)成本[21-22]。 大量研究表明，分期施肥、前氮后移有利于同步提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用率，但適宜的施氮比例及時(shí)期與氣候條件、品種特性及栽培方式等因素密切相關(guān)[23-25]。 本試驗(yàn)連續(xù)兩年研究結(jié)果表明，施氮量、施氮比例及追氮時(shí)期等氮肥運(yùn)籌對(duì)鹽堿地水稻的氮素吸收利用具有顯著影響。 N2 和N3 的NRE、NAE 和NFP 均得到顯著提高，SNDR 顯著下降，且產(chǎn)量均有不同程度地增加；而促花氮肥前移施氮(N4)不利于水稻植株對(duì)氮素的吸收與利用，且其SNDR 達(dá)到52.45%，顯著高于其他施氮方式，表明于倒4 葉和倒2 葉同時(shí)施用促花肥和保花肥可以實(shí)現(xiàn)鹽堿地區(qū)水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的協(xié)同提高，這與前人研究結(jié)果也較為一致[26-28]。 此外，本研究結(jié)果中氮肥吸收利用率較非鹽堿土壤條件下高30～35 個(gè)百分點(diǎn)，這一現(xiàn)象與蘇打鹽堿土有一定的關(guān)系。 推測(cè)原因，其一，本試驗(yàn)的供試土壤為蘇打鹽堿土，該土壤嚴(yán)重制約了無氮區(qū)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育，不利于地上部植株的干物質(zhì)積累以及地下部根系的生長(zhǎng)，導(dǎo)致無氮區(qū)水稻對(duì)氮素的收收和積累過低，使得計(jì)算出的NRE 數(shù)值偏高；其二，各施氮處理除施入氮肥外，也施入了磷肥和鉀肥，而氮肥與其他肥料(尤其是磷肥和鉀肥)的配施能有效提高水稻產(chǎn)量和NRE[29]；另外，氮磷鉀的配施提高了水稻的耐鹽堿能力，促進(jìn)了植株對(duì)氮素的吸收和積累，尤其是在N2 和N3 的氮肥運(yùn)籌條件下更利于提高水稻的NRE，使蘇打鹽堿土壤的NRE 平均分別達(dá)到78.97%和67.90%，并在提高NRE的同時(shí)減少了土壤中殘留氮素的污染，對(duì)改善蘇打鹽堿土也具有重要意義。

4 結(jié)論

N2 和N3 通過對(duì)施氮時(shí)期、施氮比例及施氮量的調(diào)控，提高了鹽堿地水稻齊穗期和成熟期地上部植株含氮量，且植株含氮量與產(chǎn)量間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，并促進(jìn)了成熟期穗部氮素積累量，有效提高了氮肥利用率，合理優(yōu)化產(chǎn)量構(gòu)成因素，增加了實(shí)際產(chǎn)量，且N2 的增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)高于N3。 因此，N2 和N3 實(shí)現(xiàn)了氮素養(yǎng)分供應(yīng)與作物需求同步，最終協(xié)同提高蘇打鹽堿地區(qū)水稻產(chǎn)量和氮肥利用率。

圖3 不同氮肥運(yùn)籌下水稻穗部氮素積累量的比較Fig.3 Comparison of nitrogen accumulation in panicle of rice under different nitrogen fertilizer applications