不同施氮水平對(duì)太湖流域水稻生長(zhǎng)發(fā)育和氮素利用效率的影響

楊海龍,雷錦超,蔡金洋

(1浙江省嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,嘉興 314016;2浙江省龍泉市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,龍泉 323700)

水稻是我國(guó)最主要的糧食作物[1],氮肥作為水稻的主要“糧食”在其生產(chǎn)管理中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著耕地面積的減少和人口數(shù)量的增加,如何科學(xué)的提高田間氮肥利用效率和保障水稻穩(wěn)定增產(chǎn)是目前研究的重要方向之一[2]。目前我國(guó)的氮肥利用率僅為30%—35%[3],過(guò)度的施用氮肥會(huì)造成水稻產(chǎn)量下降,同時(shí)也會(huì)帶來(lái)水體富營(yíng)養(yǎng)化、地下水硝態(tài)氮含量超標(biāo)等環(huán)境問(wèn)題,并且降低了氮素利用效率[4]。

太湖流域地區(qū)光溫條件優(yōu)良,土壤肥沃,水稻產(chǎn)量潛力較高?，F(xiàn)階段太湖流域水稻種植面積為43.7萬(wàn)hm2,占總耕地面積的39%,‘秀水134’作為太湖流域的主推品種,自1982年以來(lái)累計(jì)推廣面積約1 146 hm2,該地區(qū)的土壤耕地平均氮肥施用量約為570—600 kg∕hm2,導(dǎo)致氮肥利用效率較低[5-6]。在生產(chǎn)實(shí)踐中‘秀水134’干物質(zhì)變化動(dòng)態(tài)、氮素積累的轉(zhuǎn)運(yùn)和氮素利用率對(duì)不同氮肥濃度施用響應(yīng)的研究較少,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在“十三五”規(guī)劃中指出將實(shí)現(xiàn)化肥施用量零增長(zhǎng)作為田間管理的目標(biāo)[7]。因此針對(duì)太湖流域稻區(qū)施肥現(xiàn)狀,本研究在嘉興地區(qū)開(kāi)展不同施氮水平對(duì)‘秀水134’生長(zhǎng)發(fā)育影響的田間試驗(yàn),對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育、干物質(zhì)積累和分配、氮素積累、轉(zhuǎn)運(yùn)和氮素利用效率等方面進(jìn)行分析,旨在為該地區(qū)的水稻栽培管理和氮肥施用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年5—11月在浙江省嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院(120°42′42″E,30°50′20″N)試驗(yàn)田進(jìn)行,前茬作物為水稻,選取太湖流域主推品種‘秀水134’作為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì),每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),小區(qū)面積9 m2,每個(gè)小區(qū)四周做成高30 cm、寬30 cm的田埂,使用農(nóng)用PC膜覆蓋田埂,保證各小區(qū)單獨(dú)排灌,供試水稻材料于2019年6月2日播種育秧,7月1日移栽,每穴兩株苗,株行距20 cm×17 cm,田間水分、病蟲(chóng)害管理與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培相同。于施肥前1周采集土壤樣品分析土壤相關(guān)特征,用土壤采集器從每個(gè)小區(qū)(四角和中心)取0—15 cm土壤樣品5個(gè),混合均勻后室內(nèi)風(fēng)干,選取風(fēng)干樣品1 kg錘碎后過(guò)2 mm篩獲得細(xì)土,從中取樣200 g進(jìn)行土壤分析,結(jié)果為:耕作層土壤有機(jī)質(zhì)29.18 g∕kg,速效磷13.42 mg∕kg,速效鉀55.17 mg∕kg,pH 6.55。

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)施氮水平,施肥量分別為0 kg∕hm2、200 kg∕hm2、400 kg∕hm2;分別簡(jiǎn)記為L(zhǎng)N、MN和HN。氮肥折合成尿素(含純氮46.4%)按基肥∶蘗肥∶追肥=4∶3∶3來(lái)施用。在施用基肥時(shí),磷肥(P2O5)、鉀肥(KCl)一次性施用,施用量分別為42 kg∕hm2和150 kg∕hm2。具體施肥方案如表1所示。

表1 不同處理肥料施用量及施肥時(shí)間Table 1 Amount and time of fertilizer application in different treatments

1.2 測(cè)定項(xiàng)目

1.2.1 物候期

分蘗期:50%以上水稻出現(xiàn)分蘗的日期。

拔節(jié)期:50%的水稻地上第一節(jié)間長(zhǎng)1—2 cm的時(shí)期。

抽穗期:50%的水稻稻穗的頂小穗露出劍葉葉鞘的時(shí)期。

成熟期:90%的水稻谷粒硬度硬到用指甲不易壓碎的程度。

1.2.2 分蘗、株高、葉面積指數(shù)和地上部分生物量

每個(gè)小區(qū)定點(diǎn)6穴作為觀測(cè)點(diǎn),統(tǒng)計(jì)水稻分蘗末期的分蘗;在水稻分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期量取水稻分蘗、葉面積指數(shù)。其中葉面積指數(shù)采用長(zhǎng)×寬×系數(shù)法計(jì)算獲取[8]。地上部分干物重取自物候期內(nèi)各小區(qū)取具有代表性水稻3穴,將植物樣品裝信封袋于烘箱中105℃殺青30 min,然后于80℃烘干至恒重,干燥冷卻至室溫稱量地上部分干重。

1.2.3 含氮量測(cè)定

在水稻各生育期植株樣品磨碎,經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后,用凱氏定氮法測(cè)定各器官氮含量。

1.2.4 計(jì)算公式

氮轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg∕hm2)=抽穗期水稻營(yíng)養(yǎng)器官氮積累量-成熟期營(yíng)養(yǎng)器官氮積累量;

氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率=[(抽穗期水稻營(yíng)養(yǎng)器官氮積累量-成熟期營(yíng)養(yǎng)器官氮積累量)÷抽穗期水稻營(yíng)養(yǎng)器官氮積累量]×100%;

氮生理利用效率=(水稻成熟期干物質(zhì)積累量÷水稻植株總吸氮量)×100%;

氮素收獲指數(shù)=(籽粒氮積累量÷水稻地上部分氮積累量)×100%;

氮肥偏生產(chǎn)力(kg∕kg)=水稻產(chǎn)量÷施氮量;

氮吸收利用率=[(施氮處理下水稻吸氮量-空白區(qū)水稻吸氮量)÷施氮量]×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

利用DPS 7.0軟件對(duì)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素?cái)?shù)據(jù)分析,采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行方差分析,用Excel 2007軟件進(jìn)行作圖制表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平對(duì)水稻生育期的影響

由表2可見(jiàn),‘秀水134’的生育期會(huì)隨著施氮水平的增加而延遲,施氮水平的遞增對(duì)播種期至拔節(jié)期時(shí)間影響較小,但會(huì)增加拔節(jié)期至抽穗期、抽穗期至成熟期的天數(shù)。MN(200 kg∕hm2)和HN(400 kg∕hm2)分別比LN(0 kg∕hm2)拔節(jié)期至抽穗期的天數(shù)增加2 d和3 d,抽穗期至成熟期的天數(shù)增加1 d和2 d,整個(gè)生育期天數(shù)會(huì)增加3 d和6 d。

表2 不同施氮水平對(duì)水稻生育期的影響Table 2 Effects of different nitrogen application levels on rice growth period d

2.2 不同施氮水平對(duì)水稻分蘗和葉面積指數(shù)的影響

施氮水平的提高會(huì)增加水稻分蘗和葉面積指數(shù)(圖1)。對(duì)分蘗來(lái)說(shuō),與LN相比,MN和HN的最高苗分別增加了10.68%和69.63%;有效分蘗分別增加了17.39%和42.86%,其中HN的最高苗和有效分蘗會(huì)比LN顯著增加(P<0.05)。對(duì)葉面積指數(shù)來(lái)說(shuō),與LN相比,MN和HN顯著增加(P<0.05)拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期和灌漿期的LAI,分別增加了41.3%和55.9%、46.8%和87.7%、47.2%和77.4%、29.6%和62.3%。

圖1 不同施氮水平對(duì)水稻分蘗和各生育期葉面積指數(shù)(LAI)的影響Fig.1 Effects of different nitrogen application levels on tillering and leaf area index(LAI)in different growth stages of rice

2.3 不同施氮水平對(duì)水稻地上部分干物質(zhì)積累與分配的影響

由圖2可知,施氮水平的提高對(duì)水稻地上部分干物質(zhì)積累有顯著的正效應(yīng)(P<0.05),與LN相比,MN和HN在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、灌漿期和成熟期干物質(zhì)積累量增加了29.51%和69.9%、15.52%和60.58%、21.07%和46.23%、20.61%和43.6%、17.32%和40.05%。施氮水平的提高會(huì)增加水稻葉片在孕穗期至成熟期的分配指數(shù)。與LN相比,MN和HN在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、灌漿期和成熟期葉分配指數(shù)分別增加0和8%、9.6%和9.6%、22.63%和33.11%、10.19%和15.14%、19.47%和31.96%,數(shù)據(jù)表明MN和HN會(huì)顯著增加孕穗期、抽穗期和成熟期的葉分配指數(shù)(P<0.05),但在孕穗期至灌漿期葉分配指數(shù)差異并不明顯。施氮水平的提高會(huì)減少拔節(jié)期至抽穗期莖分配指數(shù)、增加灌漿期至成熟期莖分配指數(shù)。與LN相比,MN和HN在拔節(jié)期至抽穗期莖分配指數(shù)分別減少了0.9%和7.78%、5.47%和7.3%、2.61%和2.76%;在灌漿期和成熟期分別增加了4.16%和11.91%、9.62%和17.04%。HN下莖分配指數(shù)在拔節(jié)期和成熟期比MN、LN都有顯著性的減少和增加(P<0.05),孕穗期和抽穗期MN和HN比LN葉分配指數(shù)顯著性降低,但MN和HN之間效果差異不明顯。施氮水平的提高會(huì)顯著降低抽穗期至成熟期的穗分配指數(shù)。MN和HN在抽穗期、灌漿期和成熟期穗分配指數(shù)分別降低12.16%和15.54%、8.75%和18.32%、8.47%和14.54%。在抽穗期和成熟期MN和HN穗分配指數(shù)下降明顯。

圖2 不同施氮水平對(duì)地上部分干物質(zhì)積累和分配的影響Fig.2 Effects of different nitrogen application levels on aboveground dry matter accumulation and distribution

2.4 不同施氮水平下對(duì)水稻氮積累量、氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率、氮素生理利用率和氮肥利用率的影響

由表3可見(jiàn),氮積累量和氮轉(zhuǎn)運(yùn)量隨著施氮水平的增加而顯著增加(P<0.05)。與LN相比,MN和HN氮積累量和氮轉(zhuǎn)運(yùn)量增加了86.97%和167.23%、35.94%和81.71%。但氮的轉(zhuǎn)運(yùn)效率并沒(méi)有隨著施氮水平的增加而提高,相反呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)(P<0.05)。數(shù)據(jù)表明,MN和HN的氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率分別比LN降低了6.76%和7.28%,MN和HN之間的差異并不明顯。不同施氮水平對(duì)氮收獲指數(shù)的影響沒(méi)有明顯的趨勢(shì)。LN、MN和HN的氮收獲指數(shù)分別為68.27%、71.11%和66.86%。高氮條件下氮收獲指數(shù)并沒(méi)增加,反而比低氮和中氮低。有趣的是氮素生理利用效率隨著施氮水平的增加而顯著降低(P<0.05)。與LN相比,MN和HN氮素生理利用效率分別下降了36.9%和47.2%。

表3 不同施氮水平對(duì)水稻氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率和氮收獲指數(shù)的影響Table 3 Effects of different nitrogen application levels on nitrogen transport capacity,nitrogen transport efficiency and nitrogen harvest index of rice

MN的氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥吸收利用率高于HN(圖3),其中氮肥偏生產(chǎn)力MN顯著高于HN(P<0.05),氮肥吸收利用率差異并不顯著。

圖3 不同施氮水平對(duì)水稻氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥吸收利用率的影響Fig.3 Effects of different nitrogen application levels on NPP and NUE of rice

2.5 不同施氮水平下水稻各指數(shù)間的相關(guān)性

如表4所示,地上部分干物質(zhì)積累與拔節(jié)期氮積累、抽穗期氮積累、成熟期氮積累、氮轉(zhuǎn)運(yùn)量和氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)。由此可見(jiàn),增加上述指標(biāo)的量均對(duì)干物質(zhì)的形成有正效應(yīng)。各生育期的氮積累量與氮轉(zhuǎn)運(yùn)量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)、氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。氮生理利用率各生育期氮積累和氮轉(zhuǎn)運(yùn)量呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);與氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)。氮收獲指數(shù)與其他指標(biāo)沒(méi)有顯著性的關(guān)系。

表4 不同施氮水平下水稻產(chǎn)量、干物質(zhì)、氮積累、氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率、氮收獲指數(shù)和氮生理利用率間的相關(guān)性Table 4 Correlation among rice yield,dry matter,nitrogen accumulation,nitrogen transport capacity,nitrogen transport efficiency,nitrogen harvest index and nitrogen physiological utilization efficiency under different nitrogen application levels

3 討論與結(jié)論

3.1 不同施氮水平對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響

增加施氮量可以延緩水稻生育期已經(jīng)得到廣大研究者的認(rèn)證[9-10]。本研究通過(guò)分析不同施氮水平下對(duì)太湖流域水稻品種‘秀水134’生育期的影響再次驗(yàn)證了此結(jié)論。另外施氮水平的提高會(huì)促進(jìn)水稻分蘗產(chǎn)生,但過(guò)度施氮會(huì)增加水稻的無(wú)效分蘗,生育后期成苗率低[11]。氮肥水平過(guò)低也會(huì)限制水稻分蘗的產(chǎn)生,這可能是因?yàn)榈蔬^(guò)低不能滿足水稻生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)所引起的[12]。在本次試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象,在低氮、中氮和高氮水平下水稻成苗率分別為66%、71%和64%。前人研究發(fā)現(xiàn),水稻葉面積指數(shù)(LAI)隨著施氮量的增加而提高,且LAI與施氮量呈線性正相關(guān)[13]。這與本研究LAI與施氮量的變化趨勢(shì)相似。Yin等[14-15]認(rèn)為L(zhǎng)AI與冠層葉片氮積累量高度相關(guān),這種LAI和冠層葉片氮積累量的量化關(guān)系為L(zhǎng)AI=(1∕kn)ln(1+knN∕nbot),其中kn是葉片的消氮系數(shù),nbot是冠層底部葉片氮積累量(g∕m2)。本次研究分別對(duì)所有施氮水平下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)、LN、MN和HN獲得的數(shù)據(jù)根據(jù)上述量化關(guān)系公式數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合,kn和nbot的擬合結(jié)果依次是0.13 m2∕m2和0.95 g∕m2、0.55 m2∕m2和0.34 g∕m2、0.19 m2∕m2和0.75 g∕m2、0.06 m2∕m2和1.27 g∕m2(圖4)。研究發(fā)現(xiàn)不同施氮水平不會(huì)改變水稻葉面積指數(shù)與冠層葉片氮積累量的這種量化關(guān)系,有趣的是當(dāng)冠層葉片氮積累量大于3 g∕m2,MN的LAI比LN和HN都要大。由此推測(cè),合理施用氮肥會(huì)提高水稻提高葉面積指數(shù)并且改善水稻群體結(jié)構(gòu)。鄒應(yīng)斌等[16]研究結(jié)果指出,提高施氮水平會(huì)增加水稻地上部分總干物質(zhì)的積累,但也會(huì)改變各器官干物質(zhì)的分配比例。抽穗前莖稈干物質(zhì)積累比例減少、葉片積累比例增加;抽穗后莖稈積累比例增加,葉片和穗積累比例減少。本研究也證實(shí)了在高施氮水平下這種干物質(zhì)分配的趨勢(shì)。

圖4 不同施氮水平水稻葉面積指數(shù)與冠層葉片氮積累量的關(guān)系的影響Fig.4 The relationship between leaf area index(LAI)and nitrogen accumulation in canopy leavesunder different nitrogen application levels

3.2 不同施氮水平對(duì)水稻氮素利用效率的影響

氮素收獲指數(shù)和氮素利用效率反映了氮素對(duì)水稻產(chǎn)量的供應(yīng)特性以及水稻對(duì)氮素生理利用特性[17-18]。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)水稻成熟期的氮累積量與氮生理利用效率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,陳貴等[19]認(rèn)為氮累積量大的水稻品種可能氮利用效率較低。本研究在不同施氮水平下發(fā)現(xiàn)中氮條件下的氮收獲指數(shù)顯著高于低氮和高氮,其中氮素利用效率高氮比低氮和中氮都顯著降低。這說(shuō)明施氮水平的增加會(huì)增加水稻氮積累量,但其利用效率可能存在下降風(fēng)險(xiǎn),即單位氮量生產(chǎn)的水稻干物質(zhì)量很可能下降。水稻營(yíng)養(yǎng)器官向生殖器官氮轉(zhuǎn)運(yùn)的能力、抽穗期后干物質(zhì)積累的能力也影響著水稻氮素生理利用效率[20-21]。本研究發(fā)現(xiàn)拔節(jié)期、抽穗期的氮積累量和氮生理利用效率都呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與前人研究結(jié)果相一致。有學(xué)者認(rèn)為水稻各生育期的氮積累量高不利于氮素水平的提高[19]。本研究結(jié)果指出施氮水平的提高會(huì)增加水稻轉(zhuǎn)運(yùn)量,但會(huì)降低氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率,潘俊峰等[22]也發(fā)現(xiàn)了類似的趨勢(shì)。本研究認(rèn)為一味追施氮肥會(huì)降低氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥利用效率,在帶來(lái)農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的同時(shí)也與國(guó)家倡導(dǎo)實(shí)現(xiàn)化肥施用量零增長(zhǎng)和綠色高產(chǎn)高效水稻栽培的目標(biāo)背道而馳。

綜上所述,提高施氮水平能提高水稻分蘗、葉面積指數(shù)、地上部分干物質(zhì)積累和氮積累量,但水稻生育期、氮轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)效率、氮收獲指數(shù)和生理利用率對(duì)高氮肥施用的響應(yīng)較低,這會(huì)導(dǎo)致氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥利用效率降低,氮素?fù)p失提高。氮肥利用效率的提高可以作為合理施用氮肥施以保障地上部分干物質(zhì)生產(chǎn)和發(fā)展科學(xué)環(huán)保型農(nóng)業(yè)具有重要依據(jù)。