不同有機肥替代比例施肥模式對水稻產量形成及氮肥利用的影響

摘要：以雜交中熟晚稻隆香優(yōu)130為材料，在田間試驗條件下，探討不同有機肥替代比施肥模式對水稻產量形成及氮肥利用的影響。結果表明：（1）有機肥替代比為40%時，水稻的理論產量、實際產量較高；（2）有機肥替代比為40%時，水稻的千粒重、總粒數、結實率、有效穗數較高；（3）有機肥替代比為0時，灌漿期與成熟期的莖干物質量、孕穗期與灌漿期的葉干物質量、灌漿期與成熟期的穗干物質量、孕穗期灌漿期和成熟期的整株干物質量較高；有機肥替代比為20%時，分蘗期與齊穗期的莖干物質量、齊穗期的葉干物質量、齊穗期的穗干物質量、分蘗期與齊穗期的整株干物質量較高；有機肥替代比為60%時，孕穗期的莖干物質量、分蘗期與成熟期的葉干物質量較高；（4）有機肥替代比為60%時，孕穗期的葉綠素相對含量較高；（5）有機肥替代比為40%時，氮肥貢獻率較高；（6）有機肥替代比為40%時，氮肥農學利用率、氮肥偏生產力較高。

關鍵詞：水稻；有機肥替代；氮肥貢獻率；干物質量；水稻產量形成

中圖分類號：S511.06文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）11-0094-07

小麥、水稻、玉米、大豆和薯類作為我國重要的產糧作物，水稻的產量占到了糧食總產量的1/2，是我國產量最高的糧食作物，年種植面積達2 900萬～3 300萬hm2，占我國糧食作物種植面積的30%左右，所以確保水稻產量的穩(wěn)定對我國糧食安全意義重大［1］。隨著我國人口的增加以及人們對更高生活水平的追求，市場對更高產量和質量的水稻需求逐漸增加。水稻高產、優(yōu)質的主要栽培方式之一是施肥，因此，在水稻生產管理過程中，普遍存在施肥不合理的現象，不僅使水稻養(yǎng)分利用率和產量減少，還會對生態(tài)環(huán)境造成污染［2］。

湖南省是我國重要的水稻生產省份之一，水稻種植面積和總產量位居全國前列。水稻作為湖南特色優(yōu)勢作物成為了當地農業(yè)經濟產業(yè)的中堅力量，在地區(qū)農業(yè)經濟發(fā)展過程中扮演著重要角色。近幾年湖南地區(qū)的水稻種植面積約460萬hm2，產量超3 000萬t。湖南稻有高產、高效、優(yōu)質等優(yōu)點。湖南地理環(huán)境比較特殊（如多江河、湖泊），其他作物無法取代水稻的優(yōu)勢地位，此外，水稻種植需要保持田間水分，可以有效補充地下水，改善當地生態(tài)環(huán)境與田間小氣候［3］。然而，由于田間管理和氮肥施用配比不合理，會導致水稻生產低產、低效，同時也導致當地生態(tài)環(huán)境遭受破壞［4］。

氮對水稻生長發(fā)育和產量形成有顯著影響。然而，氮肥施用不合理會導致氮素吸收利用率降低，經濟、生態(tài)效益降低［5］。地上部干物質積累量與水稻產量有顯著關系，地上部干物質積累量受施肥配比影響較大［6］。呂偉生等的研究表明，適宜的施肥配比會促進雙季機械化水稻穗數增加，使葉面積指數和干物積累量在水稻生長中后期保持較高的水平，使穗數、穗粒數、千粒重增加，最終使產量提高［7］。嚴奉君等的研究表明，合理控制雜交水稻重要生育期的地下部生長，可顯著促進水稻抽穗至成熟期地上部干物質積累與轉運，顯著提高了水稻重要生育時期的氮素積累轉運和成熟期產量［8］。葉面光合效率會顯著影響水稻產量，并且氮是形成植物光合相關細胞與光合色素分子的基本元素，所以水稻葉片中氮含量顯著影響水稻生長，葉片光合作用為水稻灌漿期提供了60%～80%的養(yǎng)分來源［9-10］。因此，調控氮肥施用配比可以影響水稻葉片在生育后期的氮素積累量，進而影響水稻葉片光合作用強度，最終影響產量。

當前，栽培技術創(chuàng)新和選育新品種是我國水稻研究的主要方向，對水稻主產區(qū)化肥施用與產量關系的研究不多。本研究通過比較不同有機肥替代比例施肥模式對水稻產量、干物質量、葉綠素相對含量的影響，分析其中的影響機制，提出提高水稻產量及干物質量等的有機肥替代比例，一定程度上彌補當前研究的不足，以期為稻田大面積應用有機肥比例實施提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2022年在湖南省益陽市赫山區(qū)紅勝水稻種植專業(yè)合作社（112°37′28.74″E，28°30′0.03″N）試驗田進行。該地區(qū)屬亞熱帶向北亞熱帶過渡的季風濕潤性氣候，其特點為四季分明，光熱豐富，降水量充足。試驗年0～20 cm土壤基本理化性質為：pH值5.4，堿解氮含量168.90 mg/kg，速效磷含量1147 mg/kg，速效鉀含量240.06 mg/kg，全氮含量1.89 g/kg，全鉀含量19.08 g/kg，全磷含量 0.65 g/kg，有機質含量34.74 g/kg。

1.2 供試材料

供試水稻品種為雜交中熟晚稻隆香優(yōu)130，在湖南省作雙季晚稻栽培，種植密度為22.2萬株/hm2，全生育期110.2 d。供試無機氮肥為尿素（N含量46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O5含量12%），鉀肥為氯化鉀（K2O含量60%）。有機肥為菜枯肥（N、P2O5、K2O含量分別為2%、1%、2%），由長沙綠豐源生物有機肥料有限公司提供。

1.3 試驗設計

試驗設計5個處理：有機肥替代比為（100%，F1）、有機肥替代20%尿素（F2）、有機肥替代40%尿素（F3）、有機肥替代60%尿素（F4）、空白對照不施肥（CK）。F1～F4處理的無機養(yǎng)分用量保持一致，氮肥、磷肥、鉀肥具體比例為1 ∶0.5 ∶1，其中氮肥的基肥、蘗肥、穗肥比例為5 ∶3 ∶2。

整個試驗從2022年7月6日持續(xù)到10月10日，7月6—8日施基肥，7月8—16日插秧，7月16日至8月10日施蘗肥，8月10—22日分蘗盛期，8月22日施穗肥，8月22日至9月8日孕穗期，9月8—23日齊穗期，9月23日至10月10日灌漿期，10月10日之后進入成熟期。

1.4 測定內容與方法

1.4.1 水稻產量及產量構成

成熟期每個小區(qū)隨機取50穴連續(xù)的水稻植株，統計每穴有效穗數，推算單位面積有效穗數，按每穴平均穗數取樣5穴，考察穗總粒數、結實率、千粒重，計算理論產量；每個小區(qū)分收分曬，計算實際產量。

1.4.2 干物質量

水稻各生育期田間取樣并測定葉面積后，將水稻樣品按不同部位（莖鞘、葉、穗）分開，放置于烘箱中殺青（烘箱設置105 ℃、30 min），然后在恒溫（80 ℃）下烘干至恒重，等待冷卻至室溫后稱重。

1.4.3 葉綠素相對含量

于分蘗盛期、孕穗期、齊穗期、灌漿期和成熟期，選取植株最上部全展葉，用SPAD 502葉綠素儀測定葉片中部位置的SPAD值，每個小區(qū)隨機測定5張葉片，取其中3個最接近的值求平均值作為該小區(qū)的葉片SPAD值。

1.4.4 氮肥貢獻率

Ny=（Y1-Y2）/ Y1×100%。

式中：Ny為氮肥貢獻率；Y1為施氮區(qū)產量；Y2為不施氮區(qū)產量。

1.4.5 氮肥農學利用率及氮肥偏生產力

Nf=（Yn1-Yn2）/ Nn×100%；

Np=Y1/Nn×100%。

式中：Nf為氮肥農學利用率；Yn1為施氮區(qū)作物地上部吸氮量；Yn2為不施氮區(qū)作物地上部吸氮量；Nn為施氮量；Np為氮肥偏生產力。

2 結果與分析

2.1 不同有機肥替代比施肥模式對水稻產量的影響

2.1.1 不同有機肥替代比施肥模式對理論及實際產量的影響

通過圖1分析可知，不同施肥模式下水稻實際產量呈現一定差異，從大到小排序為F3＞F1＞F2＞CK＞F4。F1、F3處理的實際產量高于F2、F4、CK組；F2處理的實際產量顯著高于F4、CK組；CK的實際產量顯著高于F4組。由此可見，當有機肥替代比為40%時，水稻的實際產量較高。但與實際生產相比，本試驗的實際產量是偏低的，是由于試驗期間降雨較少，連續(xù)干旱導致的。

不同施肥模式下水稻理論產量也呈現一定差異，理論產量從大到小排序為F3＞F1＞F2＞F4＞CK。F1、F3處理的理論產量高于F2、F4、CK組；F2、F4處理的理論產量顯著高于CK組。由此可見，當有機肥替代比為40%時，水稻的理論產量較高。

2.1.2 不同有機肥替代比施肥模式對水稻經濟性狀的影響

通過表1分析可知，不同施肥模式下，千粒重大小表現為F3＞F4＞F2＞F1＞CK，即有機肥替代比為40%時，千粒重最高，但不同施肥模式下的千粒重差異并不顯著。穗粒數表現為F1＞F3＞F2＞CK＞F4，F1、F3組穗粒數顯著高于F2、F4、CK組，F2、CK組穗粒數顯著高于F4組，說明當有機肥替代比為0或40%時，穗粒數較高。結實率表現為F3＞F1＞F2＞F4＞CK，F1、F2、F3組結實率顯著高于F4、CK組，說明當有機肥替代比為0、20%、40%時，結實率較高；有效穗數方面，表現為F3＞F4＞CK＞F2＞F1，可見有機肥替代比為40%時水稻的有效穗數最高，但不同施肥模式處理下的有效穗數差異并不顯著。

綜上來看，不同施肥模式對水稻經濟性狀的影響方面，F3處理普遍表現較好，即有機肥替代比為40%時，水稻的經濟性狀較優(yōu)。

2.2 不同有機肥替代比施肥模式對干物質量的影響

2.2.1 不同有機肥替代比施肥模式對莖干物質量的影響

由表2可知，在分蘗期，莖干物質量表現為F2＞F1＞F4＞CK＞F3，F1、F2、F4組顯著高于F3、CK組，CK組顯著高于F3組。孕穗期的莖干物質量表現為F4＞CK＞F3＞F1＞F2，F1、F3、F4、CK組顯著高于F2組。齊穗期的莖干物質量表現為F2＞F1＞F4＞F3＞CK，F2組顯著高于F3、F4、CK組，F1、F3、F4組顯著高于CK組。灌漿期的莖干物質量表現為F1＞CK＞F2＞F3＞F4，F1組顯著高于F2、F3、F4組，CK顯著高于F3、F4組。成熟期的莖干物質量表現為F1＞F3＞F2＞CK＞F4，F1組顯著高于F2、F3、F4、CK組，F3組顯著高于F2、F4、CK組，F2、CK組顯著高于F4組。

可見，在分蘗期與齊穗期，當有機肥替代比為20%時，水稻莖的干物質量較高；在孕穗期，當有機肥替代比為60%時，水稻莖的干物質量較高；在灌漿期與成熟期，當有機肥替代比為0時，水稻莖的干物質量較高。

2.2.2 不同有機肥替代比施肥模式對葉干物質量的影響

由表3可知，在分蘗期，葉干物質量表現為F4＞F2＞F1＞F3＞CK，F1、F2、F4組顯著高于F3、CK組。孕穗期的葉干物質量表現為F1＞F2＞F4＞F3＞CK，F1、F2、F4組顯著高于CK組。齊穗期的葉干物質量表現為F2＞F4＞F1＞F3＞CK，F2組顯著高于F1、F3、CK組。灌漿期的葉干物質量表現為F1＞F3＞F2＞F4＞CK，F1組顯著高于CK組。成熟期的葉干物質量表現為F4＞F1＞F3＞F2＞CK，F4顯著高于F2、F3、CK組，F1顯著高于CK組。可見，在分蘗期與成熟期，當有機肥替代比為60%時，水稻的葉干物質量較高；在孕穗期與灌漿期，當有機肥替代比為0時，水稻葉片的干物質量較高；在齊穗期，當有機肥替代比為20%時，水稻葉片的干物質量較高。5個時期中，不施肥處理下的葉片干物質量均顯著最低。

2.2.3 不同有機肥替代比施肥模式對穗干物質量的影響

由表4可知，在齊穗期，穗干物質量表現為F2＞F4＞F1＞F3＞CK，F1、F2、F4組顯著高于F3、CK組。灌漿期，穗干物質量表現為F1＞F2＞F3＞CK＞F4，F1組顯著高于F2、F3、F4、CK組。成熟期的穗干物質量表現為F1＞F3＞F2＞CK＞F4，F1、F3顯著高于F2、F4、CK組。

可見，在齊穗期，當有機肥替代比為20%時，水稻穗的穗干物質量較高，不施肥處理下的穗干物質量較低。在灌漿期與成熟期，當有機肥替代比為0時，水稻穗的干物質量較高，有機肥替代比為60%處理下的穗干物質量較低。

2.2.4 不同有機肥替代比施肥模式對整株干物質量的影響

由表5可知，在分蘗期，整株干物質量表現為F2＞F4＞F1＞F3＞CK，F1、F2、F4組顯著高于F3、CK組。孕穗期的整株干物質量表現為F4＞F1＞F3＞CK＞F2，F1、F4組顯著高于F2、CK組，F2顯著低于CK組。齊穗期的整株干物質量表現為 F2＞F4＞F1＞F3＞CK，F1、F2、F4組顯著高于F3、CK組，F3組顯著高于CK組。灌漿期的整株干物質量表現為F1＞F2＞CK＞F3＞F4，F1顯著高于F2、F3、F4、CK組。成熟期的整株干物質量表現為F1＞F2＞CK＞F3＞F4，F1顯著高于F2、F3、F4、CK組。

可見，在分蘗期與齊穗期，當有機肥替代比為20%時，水稻的整株干物質量較高；在孕穗期、灌漿期和成熟期，當有機肥替代比為0時，水稻整株干物質量較高。此外，在分蘗期、齊穗期和孕穗期，不作施肥處理的水稻整株干物質量較低；灌漿期和成熟期則表現為有機肥替代比為60%時，水稻的整株干物質量較低。

2.3 不同有機肥替代比施肥模式對葉綠素相對含量的影響

由表6可知，分蘗期葉綠素相對含量表現為F1＞F3＞F2＞CK＞F4，各處理下葉綠素相對含量無顯著差異。孕穗期葉綠素相對含量表現為F4＞F1＞F3＞F2＞CK，F1、F3、F4組顯著高于CK組。齊穗期葉綠素相對含量表現為F2＞CK＞F4＞F1＞F3，各處理下葉綠素相對含量無顯著差異。灌漿期葉綠素相對含量表現為F2＞CK＞F4＞F3＞F1，各處理下葉綠素相對含量差異不顯著。

可見，在分蘗期、齊穗期和灌漿期有機肥各個替代比例下，葉綠素相對含量均無顯著差異。在孕穗期，當有機肥替代比為60%時，葉綠素相對含量較高。

2.4 不同有機肥替代比施肥模式下氮肥貢獻率分析

由表7可知，氮肥貢獻率表現為F3＞F1＞F2＞F4，F1、F3組顯著高于F2組，F2組顯著高于F4組。即有機肥替代比為40%時，氮肥貢獻率最高；有機肥替代比為60%時，氮肥貢獻率呈現負值，表現為抑制作用。

2.5 不同有機肥替代比施肥模式下氮肥農學利用率及氮肥偏生產力分析

由表8可知，氮肥農學利用率及氮肥偏生產力總體表現均為F3＞F1＞F2＞F4，當有機肥替代比為40%時，氮肥農學利用率及氮肥偏生產力均最大，其次為有機肥替代比為0、20%、60%。當有機肥替代比上升到60%時，氮肥農學利用率及氮肥偏生產力均表現出下降的趨勢，表明有機肥替代比例過低或過高都不利于氮素利用效率的提升。

2.6 不同有機肥替代比施肥模式對水稻實際產量構成的影響

由表9可知，不同施肥模式下，實際產量呈現F3＞F1＞F2＞CK＞F4，F3組顯著高于F2、F4、CK組，F1、F2、CK組顯著高于F4組。其中有機肥替代比為40%時，實際產量值最高，達 6.827 t/hm2，實際產量值最低為F4組。從不同有機肥替代比施肥模式來看對產量構成因素的影響方面，無論是不施肥還是不同有機肥替代比施肥模式下，對穗粒數、結實率等均呈現出顯著性差異。有效穗數以F3處理最高，但不同施肥模式處理下的有效穗數差異并不顯著。穗粒數呈F1＞F2＞F3＞F4＞CK，各處理相較于CK增幅達10.35%～42.35%。結實率以F3處理最高，最低為CK，最大增幅9.35%。千粒重以F3處理最高，其次為F4處理，并且F3與F4處理之間差異不顯著。

3 討論

在水稻產量方面，有研究表明，有效穗數在一定范圍內隨氮肥施用量的增加而逐漸增加［11］。本研究觀察到，在有機肥替代比例為40%時，氮肥貢獻率較高且顯著提高穗數，說明有機替代40%處理有效降低了無效分蘗，提高了有效穗數和氮肥農學利用率。提高水稻產量的方法之一是提高總穎花數，當水稻穗數增加到一定限度時，可以通過增加穗粒數提高產量［12-13］。水稻分蘗分為有效分蘗和無效分蘗，能成穗最終結實的分蘗是有效分蘗，不能結實或最終消亡的分蘗為無效分蘗，無效分蘗會爭奪植株養(yǎng)分導致產量降低，降低群體無效分蘗，使養(yǎng)分主要供給有效分蘗，提高群體穗數，可以顯著增加水稻產量［14-16］。穗數、穗粒數和千粒重受氮肥施用配比影響顯著［17-18］。低有機肥替代比例雖然提高了穗數和穗粒數，但由于水稻生長過快，導致群體結構構建失衡，千粒重和結實率下降，造成低產；高有機肥替代比例雖然提高了結實率和千粒重，但由于群體穗數降低，也使產量降低［19-20］。穗數和穗粒數受施肥配比影響顯著，但結實率受其影響不顯著［21］。低有機肥替代比例，顯著減小了水稻千粒重和結實率，導致產量減少［22］。但有些學者認為，低有機肥替代比例會使千粒重和結實率提高，導致增產［23-24］。本研究發(fā)現，不同有機肥替代比例對水稻千粒重無顯著影響；結實率與總粒數均表現為在有機肥替代比為40%時顯著最高，可見，此處理方式對水稻的千粒重、總粒數、有效穗數和結實率均起到優(yōu)良作用，進而獲得高產與氮肥高效利用的效果。

對于氮在水稻植株中的含量，前人認為不使用氮肥的水稻分蘗至孕穗期、孕穗至灌漿期氮素利用率大致相同；灌漿之前施氮處理的水稻氮素利用率高于未施氮處理。施氮后孕穗期氮素利用率顯著增加［25］。在本研究中，干物質量積累在不同有機肥替代比下水稻莖、葉的干物質量都在不斷向穗轉移，這說明灌漿期水稻莖葉中貯存的養(yǎng)分迅速供應給穗，促進子粒灌漿飽滿，增加了穗的干物質量。

當有機肥替代比為60%時，分蘗期與成熟期的葉片干物質量、孕穗期的莖干物質量較高，表明這些階段的水稻葉片與莖受到高濃度有機肥的影響，干物質積累較多。當有機肥替代比為20%時，分蘗期的莖與齊穗期所有部位都呈現出干物質量較高。而在灌漿期與成熟期，基本不需要有機肥替代，可能是因為此階段前期所需的氮含量及干物質等已經積累到一定程度，已經可以滿足水稻發(fā)育所需。

從干物質積累量和干物質轉運上來看，50%～70%的干物質積累發(fā)生在抽穗期之前，不做施肥處理下的干物質積累量最少，僅為56%，其余處理的干物質積累均較高，尤其在有機肥替代比例為60%的處理下，在齊穗期之前就已處理完成了90%的干物質積累，這表明有機肥替代處理下，使水稻干物質的積累量在營養(yǎng)生長期增加，為水稻的高產、穩(wěn)產奠定了物質基礎。在灌漿期之前，水稻整株的干物質的積累隨著有機肥替代比例的上升而增加，為后期生殖生長提供了充足的養(yǎng)分。但在灌漿期及之后，水稻整株的干物質量則表現為先上升后下降的趨勢，可見過量的施氮導致水稻灌漿期及成熟期的干物質累積量下降，從而影響水稻產量。

開花前儲存在莖鞘的非結構性碳水化合物為水稻產量形成貢獻了10%～40%的有機物質，并且其能促進籽粒的灌漿速率，所以籽粒灌漿速率、千粒重以及產量的形成受儲存在莖鞘的非結構性碳水化合物的轉運速率影響［26］。同時，水稻植株進行光合作用吸收光能的主要色素之一是葉綠素，而葉綠素相對含量的高低取決于其受到光照、溫度、營養(yǎng)元素、氧氣、水分等環(huán)境因素的影響，在營養(yǎng)元素中，氮素是葉綠素的重要組成部分，葉片含氮量與葉片葉綠素相對含量之間有顯著關系，作物光合產物的供應能力與葉片葉綠素相對含量有顯著正相關關系，所以水稻產量與葉片含氮量關系顯著［27-29］。本研究觀察到，在孕穗期，有機肥替代比為40%與60%時，均可顯著提高植株葉片中的葉綠素相對含量，作物光合產物的供應能力增強，抽穗前有機物的積累量提高，促進了灌漿期非結構性碳水化合物向籽粒轉運，提高了灌漿期籽粒的灌漿速率。

葉片葉綠素相對含量與葉片含氮量密切相關。較高的葉片葉綠素相對含量可以使作物光合產物的供應能力增加，對增加水稻產量具有重要作用。

光合作用是水稻生產干物質的主要方式，光合作用在葉肉細胞中的葉綠體進行，不同的有機替代比例會影響葉片葉綠素相對含量進而影響光合作用強度，水稻生產和積累干物質能力的衡量指標之一是凈光合速率。本研究中分蘗期和孕穗期葉片葉綠素相對含量較其他生育期高，這是因為水稻生長最活躍的時期是分蘗期，干物質合成需要生產大量有機物，同時這一時期水稻地下部生理活動活躍，這也導致地上部代謝活躍并增強了光合作用。

4 結論

本研究結果顯示，當有機肥替代比例為20%時，分蘗期的莖、葉片與齊穗期的莖、葉、穗的干物質量較高；當有機肥替代比例為60%時，分蘗期的葉、孕穗期的莖、成熟期的葉的干物質量較高；當有機肥替代比例為0時，孕穗期的葉與灌漿期的莖、葉、穗與成熟期的莖、穗的干物質量較高。分蘗期、齊穗期和灌漿期有機肥各個替代比例下，葉綠素相對含量均無顯著差異。在孕穗期，當有機肥替代比為60%時，孕穗期的葉綠素相對含量較高。在有機肥替代比為40%時，田間氮肥貢獻率、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力最高；水稻的理論及實際產量顯著最高，在千粒重、總粒數、結實率、有效穗數等方面也普遍表現優(yōu)良。

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