氮肥與移栽密度互作對低產田水稻群體結構及產量的影響

陳海飛， 馮 洋， 蔡紅梅， 徐芳森*， 周 衛， 劉 芳， 龐再明， 李登榮

(1 華中農業大學農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，湖北武漢 430070；2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所， 北京 100081； 3 湖北省崇陽縣土壤肥料工作站， 湖北崇陽 437500)

水稻是我國重要的糧食作物，水稻生產在保障我國糧食安全中占有極其重要的戰略地位。在當前我國耕地面積有限的前提下，提高中低產田產量是我國實現糧食產量穩定或者提高總產的重要途徑。目前，有很多關于水稻超高產栽培模式的研究，其中水稻高產群體研究重點已從群體數量轉移到群體質量上[1-5]，而“穗數適宜”和“成穗率高”是高產水稻群體的共同特征[3-8]。但是增加穗數不一定增產，甚至有可能減產[7]。因此，合理利用分蘗，達到穗數與粒數的協調發展，是水稻高產栽培的基本環節也是難點所在[5, 12-15]。高產水稻群體的產量，主要取決于抽穗以后的群體物質生產能力，后者與群體成穗率緊密相關[2, 6]。并且水稻合理的群體結構是抽穗后群體高光合生產能力的關鍵[9, 10]，適宜的葉面積和合理的冠層配置是高光合的基礎[2, 9-10]。進入本世紀以來，在理解高產優質群體形成規律和栽培調控機理上，面對“高產、 優質、 高效、 生態、 安全”的綜合目標，有專家學者提出了水稻高產精確定量栽培[11]，從播栽期、 培育壯秧、 合理基本苗、 行株距、 施肥、 水分等方面進行水稻栽培技術的精確定量。雖然目前已有很多關于水稻群體指標的研究，但是大多只關注其中一個指標與產量形成的關系，少有研究將氮肥與移栽密度統一起來，研究其互作對水稻田間群體結構的影響。而且，以低產田作為對象研究氮肥與密度互作對水稻群體結構和產量的影響更少。

據2006年湖北省國土資源廳統計， 湖北省中低產田的面積占耕地總面積的71.1%，糧食主產區的基本農田中，中低產田比重為52.56%，達154.01×104公頃。因此，研究湖北省低產田合理施肥及其配套技術，對提高湖北省糧食單產和總產、 提高氮肥利用率、 降低肥料成本、 減少環境風險等具有重要的理論和實踐意義。氮肥與移栽密度是影響水稻產量的重要因素，本試驗擬通過氮肥與密度的互作試驗，探究兩個因子對低產田水稻產量及其群體指標的影響，進而得出適合低產田的群體指標，為湖北省中低產田地區提供合理施氮量與移栽密度，優化群體結構和生態效應，提高產量提供理論和技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

2013年，在湖北省咸寧市崇陽縣選擇產量水平較低的田塊開展小區試驗。在試驗之前，根據當地農業局劃分的高中低產田區域選取幾個試驗點作為候選，然后實際調查農戶往年產量，結合實地氣候環境選擇試驗田。與此同時，取基礎土樣進行理化性狀的分析，測得土壤有機質為17.1 g/kg、 全氮為1.6 g/kg、 堿解氮為159 g/kg、 速效磷(Olsen-P)為11.8 mg/kg、 速效鉀為43.1 mg/kg、 pH值為5.8。

試驗設置4個施氮量，分別為N0、 135、 180、 225 kg/hm2，用N0、 N135、 N180、 N225表示。設3個栽插密度12×104、 16.5×104、 21×104holes/hm2，分別用D1、D2、D3表示。共12個處理組合。每小區20 m2，小區重復3次，單株栽插，移栽時間為6月5日。

小區磷肥施用量均為P2O590 kg/hm2，鉀肥施用量為 K2O 120 kg/hm2。磷鉀肥均在基肥一次施入，氮肥按基-蘗-穗肥比例40-30-30施用，在移栽15 d 時施入分蘗肥，移栽45 d時施入穗肥。氮肥采用尿素(含N 46.4%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 測產與考種 水稻成熟期從每個小區隨機取5株水稻作為考種材料，調查單株地上部干重、 產量、 穗數，每穗粒數、 結實率和千粒重。然后將每個小區單打單收，田間直接測定產量，取1 kg水稻籽粒樣品，烘干后計算含水量，再通過含水量折算出實際產量。

1.2.2 莖蘗動態調查 分蘗期與拔節期每小區取第三行作為動態調查對象；在成熟期，每個小區隨機取5株水稻作為調查對象。

1.2.3 灌漿期劍葉葉面積調查 每小區取5株水稻，然后每株隨機取5片劍葉共25片測量葉長、 葉寬，并計算葉面積，重復3次。劍葉葉面積指數計算公式根據葉面積公式計算而來，葉面積指數=0.75×葉面積/單位土地面積。

1.2.4 計算方法 收獲指數 (HI)=產量/地上部總干重；氮肥農學利用率=(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮量；氮肥偏生產力=施氮區產量/施氮量；氮肥吸收利用率=(施氮區地上部分吸氮量-不施氮區地上部吸氮量)/施氮量×100%；氮肥生理利用率=(施氮區產量-不施氮區產量)/(施氮區地上部吸氮量-不施氮區地上部吸氮量)

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2007軟件和SPSS 17.0數據處理系統進行數據統計分析。

2 結果

2.1 施氮水平與移栽密度互作對水稻產量及收獲指數的影響

經多因素方差分析，施氮水平與移栽密度均對產量有顯著影響 (FN=331>F0.01=4.72,FD=86>F0.01=5.61)，且存在交互作用 (FN*D=6>F0.01=3.67)。表1所示，在4個施氮水平下，產量均是隨著密度增加而增加，特別是在施氮水平0、 135和180 kg/hm2時，提高密度增產效果明顯。比較12個處理的產量結果，密度為21×104holes/hm2施N量為 180 kg/hm2的組合產量最高，達到8220 kg/hm2；其次為同樣密度下的N135、 N225，產量分別是8055 kg/hm2、 7965 kg/hm2，但是三者之間無顯著差異 (P>0.05)。

同一施氮水平下，地上部干物重與產量都隨著密度增大而增大，收獲指數 (HI) 則正好相反。在高施氮量、 高密度時收獲指數最低，只有27.1%，但施氮量為N 180、 135 kg/hm2時，收獲指數隨密度提高降幅較小，無顯著差異 (P>0.05)。不施氮時，收獲指數 (HI) 反而還會升高 (表1)。

表2所示，單獨比較施氮量與密度對產量、 地上部干物重、 收獲指數的影響，發現除了N225與N180之間無差異外，隨著施氮量提高產量也顯著提高 (P<0.05)。同時隨著移栽密度的增加，產量也顯著增加 (P<0.05)。隨著施氮水平與移栽密度的提高，除N225與N180之間地上部干物重差異不顯著外，其它處理間均顯著提高。而收獲指數在N180時最高，為41.9%；在不施氮和施氮量為225 kg/hm2時均較低。收獲指數隨移栽密度增加而顯著增大 (P<0.05)。

2.2 施氮水平與移栽密度互作對水稻產量構成因素的影響

比較各處理間的產量構成因素 (表3)，同一施氮水平下，每平方米穗數 (PN) 隨著移栽密度增加而增加；施氮水平越高密度越大，PN也越大。每穗粒數 (SPP) 在所有的施氮處理中均沒有顯著差異 (P<0.05)。結實率(FP)在施氮少或者不施氮的處理中較高，施氮量為225 kg/hm2處理最低，平均只有58%；施氮量為180與135 kg/hm2的處理中，FP都隨移栽密度升高而降低，D3

表1 不同氮水平與密度互作條件下水稻地上部干重、 收獲指數及增產率

表2 不同氮水平和不同密度條件下水稻產量與收獲指數

2.3 施氮水平與移栽密度互作對灌漿期水稻劍葉葉面積指數的影響

經多因素方差分析，施氮水平與移栽密度對劍葉葉面積指數有顯著影響 (FN=99>F0.01=4.72,FD=13>F0.01=5.61)，且存在交互作用 (FN*D=6>F0.01=3.67)。不同氮水平與密度對水稻的葉長、 葉寬和葉面積均有顯著影響。如表4所示，比較處理間葉長、 葉寬和葉面積發現，在N135D1處理中的葉片長最高，為36.8 cm，N0D3處理的最低，為28.9 cm；各施氮處理除了N135D1、 N1180D1之外，其余處理之間葉長均無顯著差異。葉寬在各施氮水平下，均是D3顯著小于D1、 D2 (P<0.05)，而且隨著施氮量越高，葉寬也相對提高。葉面積除在施N量為180 kg/hm2時，三個密度處理間無差異外，其它施氮水平下，也均是D3顯著小于D1和D2 (P<0.05)。葉面積指數 (LAI) 最高的為N225D3，最低的為N0D3；在高氮處理N225和中氮處理N180的情況下，葉面積指數隨著移栽密度增加而顯著增加 (P<0.05)；低氮處理N135與對照N0時，葉面積指數 (LAI) 是D2>D1>D3，密度大的處理葉面積指數反而小 (表4)。

表3 不同氮水平與密度互作條件下水稻產量及其構成因素

表4 不同氮水平與密度互作條件下的水稻灌漿期劍葉葉長、 葉寬和葉面積

單獨分析氮水平與移栽密度對水稻的葉長、 葉寬、 葉面積和葉面積指數的影響。如表5所示，施氮水平對葉長、 葉寬、 葉面積和葉面積指數影響一致，均隨施氮量升高而增加，表現為N135>N225>N180>N0。移栽密度對葉片長無顯著影響，葉寬與葉面積均隨移栽密度增大而減小，但是葉面積指數卻隨密度提高而增加。

表5 不同氮水平與密度條件下水稻灌漿期劍葉葉長、 葉寬和葉面積

2.4 施氮水平與移栽密度互作對氮肥利用率的影響

經多因素方差分析，施氮水平與移栽密度均對氮肥農學利用率 (FN=30>F0.01=6.01，FD=66>F0.01=6.01)、 偏生產力 (FN=3.6>F0.01,FD=76>F0.01)和氮肥吸收利用率 (FN=9.7>F0.01,FD=38>F0.01) 有顯著影響，而氮肥生理利用率 (FN=24>F0.01,FD=1.3F0.01=5.09)、 PFPN(FN*D=18>F0.01)、 NAE (FN*D=5>F0.05)和NPE (FN*D=11>F0.01) 交互作用極顯著。

氮肥農學利用率 (NAE)、 偏生產力 (PFPN)、 氮肥吸收利用率 (NRE) 和生理利用率 (NPE) 在各處理中變化趨勢一致(表6)，均是N135D3處理最高，NAE、 PFPN、 NRE與NPE分別為30.3 kg/kg、 59.0 kg/kg、 46.8%、 65.6%；NAE最低的是N135D1，為14.9 kg/kg；而PFPN與NRE最低的均是N225D1。在同一施氮水平下，隨著密度提高，NAE、 PFPN與NRE均提高，相反氮肥生理利用率 (NPE) 卻在施氮量225 kg/hm2時隨密度提高而降低。

隨著施氮量提高，氮肥農學利用率、 偏生產力、 氮肥吸收利用率與氮肥生理利用率均降低，N135>N180>N225。氮肥農學利用率、 偏生產力和氮肥吸收利用率均隨移栽密度的增大而顯著增大 (P<0.05)，D3>D2>D1 (表6)，只有氮肥生理利用率基本保持不變。

2.5 產量影響因子之間的相互關系及產量與部分因子之間的回歸模型

產量及產量影響因素之間的相關性分析(表7)顯示，產量與灌漿期劍葉葉面積指數 (LAI)、 每平方米穗數呈顯著正相關，與結實率呈顯著負相關 (P<0.05)，其中與每平方米穗數的決定系數 (R2) 達到了0.93。葉面積指數與每平方米穗數也呈顯著正相關。而結實率與產量、 LAI、 每平方米穗數均呈顯著負相關 (P<0.05)。其他因素之間相關性不顯著 (P>0.05)。

如圖1，對其中四個因素與產量之間的關系進行線性擬合，經回歸分析得出產量與灌漿期劍葉葉面積指數、 成熟期地上部干物重、 每穗粒數及每平米穗數都有極顯著的二次線性關系。產量與灌漿期劍葉葉面積指數的一元二次線性回歸方程為y=-4777x2+12983x-839，R2=0.691；產量與成熟期地上部干物重的回歸方程為y=-3.02E-5x2+1.472x-9314，R2=0.748；產量與每平米穗數的一元二次線性回歸方程為y=-0.106x2+71.55x-3842，R2=0.896；產量與每穗粒數的一元二次線性回歸方程為y=-13.96x2+5456x-525176，R2=0.925。

表6 不同氮水平與密度下水稻氮肥利用率

表7 產量與產量影響因子的相關性

根據擬合方程計算求得在灌漿期劍葉葉面積指數為1.36時，產量達到最高7982 kg/hm2；在成熟期地上部干重達到24371 kg/hm2時，產量達到最高8623 kg/hm2；在每平米穗數為338時，產量達到最高為8232 kg/hm2；在平均每穗粒數為195時，產量達到最高為7917 kg/hm2。

圖1 產量與葉面積指數、 干重、 每穗粒數和每平米穗數的回歸曲線Fig.1 The curvilinear regression of yield along with LAI, TAB, SPP and PN

3 討論

3.1 氮肥施用量與移栽密度對水稻產量及構成因素的影響

在本試驗中，不同的氮肥施用量與移栽密度組合對產量均有顯著影響，而產量較高的處理分別是N225D3、 N225D2、 N180D3、 N135D3，其中最高的為N180D3。增加施氮量與提高移栽密度都能顯著增加水稻產量，因為這兩條途徑都能極大的提高每平方米穗數，而適當、 足量的基本苗是優質稻高產的基礎[12-14], 目前的很多研究都將產量構成因素中的每平方米有效穗數作為影響產量的主要因素[15-18]。特別是在氮肥投入少的時候，提高移栽密度增產效果明顯，如本試驗中施氮量為135 kg/hm2時。通過提高移栽密度，大大增加了群體莖蘗數量和群體干物質積累量，而抽穗以后的干物質累積量是高產的重要基礎[5-6]。但施氮量進一步提高時，在群體數量已經很高的基礎上進一步增加移栽密度，不同個體的競爭加劇，使無效分蘗增多，特別是結實率降低 (表3)，從而導致產量不能顯著提高。當施氮量從180 kg/hm2增加到225 kg/hm2時，產量從7635 kg變化為7742 kg (表2)，增產不明顯。說明在低產田中通過高施氮量增產效果不佳；而在中低氮水平下，通過提高移栽密度增產是可行的方法。

我們經過分析發現，產量隨著粒數增加先上升后下降(圖1)呈現駝峰型，而產量與每平方米穗數的關系在數據范圍內平緩上升。這是因為每平方米穗數與粒數一直是相互制約的兩個因素，本試驗中也發現穗數高的處理粒數往往較低，二者很難兼顧。在本試驗中，每平方米穗數才是影響產量的主要因素。

3.2 群體指標之間的相互關系及對產量的影響

地上部干重和有效穗數隨著施氮量、 與移栽密度提高而增加，產量也隨之增加。但是收獲指數 (HI) 在施氮量為N180與N135高于N225和N0 (P<0.05)。這是因為一定范圍內增加施氮量，可以促進水稻生長，增加庫容。當施氮量繼續增加時，干物重雖然提高，有效穗數與粒數并沒顯著增加 (表3)，產量不能成比例增加，導致收獲指數下降(表2)。提高移栽密度可以提高地上部干物重，減少分蘗峰值與無效分蘗，雖然收獲指數降低，但是產量隨之升高。如在施氮量為225 kg/hm2時，提高移栽密度顯著增加了成穗率與總穗數，進而提高了產量。移栽密度低時，前期往往分蘗過多，導致單莖重小，個體進入穗分化期后的碳水化合物供求矛盾加劇，大量分蘗死亡，成穗率下降并且不利于大穗形成[[6, 12-14]，提高移栽密度以后，雖然單株的分蘗數會有減少，但是群體分蘗數得到了增強，并且弱化了單株分蘗之間的競爭, 促進分蘗成穗和大穗形成[4-6]。

前人研究表明，生育后期功能葉對水稻產量貢獻大小為劍葉>倒二葉>倒三葉[18]。灌漿期劍葉對水稻光合作用，灌漿有重要的作用，適宜的葉面積和合理的葉面積組成是抽穗后高光合的基礎[19-21]。提高移栽密度與增加施氮量都能夠提高水稻群體分蘗數，提高水稻群體光合葉面積，而單片葉面積卻隨著密度升高下降。在施氮量為N180D3的組合中，無論是單片葉面積還是總體葉面積指數 (LAI) 都較高，最終產量也高，說明一定范圍內通過增施氮肥和提高移栽密度，有利于群體葉面積與個體葉面積的協調發展。而群體葉面積指數與單片葉面積在不同情況下如何影響產量還需要作進一步研究。

在本試驗條件下，根據結果2.3所示，當灌漿期劍葉葉面積指數 (LAI) 為1.36，每平方米有效穗數 (PN) 為338，每穗粒數 (SPP) 為195，地上部干重為24371 kg/hm2時，預測產量達到最高，而這與本試驗處理的N225D3、 N180D3結果一致。

3.3 氮肥施用量與移栽密度對氮肥利用率指標的影響

目前對氮肥利用率考察的指標主要有氮肥農學利用率 (NAE)、 偏生產力 (PFPN)、 氮肥吸收利用率 (NRE)和氮肥生理利用率 (NPE)。氮肥農學利用率與偏生產力主要考慮氮肥對產量的貢獻大小，氮肥吸收利用率主要考慮植物吸收的氮占總施氮量的比例，而生理利用率則側重于吸氮量與產量的關系。氮肥吸收利用率(NRE)在施氮量為180 kg/hm2和135 kg/hm2時保持不變，在施氮量為225 kg/hm2時最低，其它指標均是隨施氮量提高降低。而在氮肥施用量的試驗中發現NRE是隨施氮量先增加后降低的[22]，這是因為一定范圍內增加施氮量會促進水稻生長，加強對氮素的吸收。在施氮量為225 kg/hm2時，提高移栽密度NRE增加，但是NPE卻降低。這是因為在高施氮量時，提高移栽密度對產量增長的貢獻小，但是地上部累計的氮素增幅較大，因此NPE降低。

4 結論

施氮量與移栽密度對產量有顯著影響，且存在交互作用，而增加有效穗數是產量提高的主要影響因素。產量最高的處理為N180D3并且該處理的的氮肥農學利用率(NAE)與偏生產力(PFPN)也最高。在低產田中通過高施氮量(N225)增產效果不佳；但是在中、 低氮水平(N180、 N135)下，適當提高移栽密度對提高產量，增加氮肥利用率有重要作用。

施氮量與移栽密度影響水稻群體結構，適度增加施氮量與提高移栽密度可以提高水稻群體莖蘗數，減少無效分蘗，優化水稻群體結構，在灌漿期達到高的群體葉面積指數，并且在保證莖蘗數的前提下提高成穗率。

在本試驗條件下，根據模型估算高質量的群體應至少達到以下幾個目標:灌漿期劍葉葉面積指數達到1.36，成熟期地上部干重達到24371 kg/hm2，每平米穗數達到338，平均每穗粒數達到195。綜合考慮，施氮量為180 kg/hm2和移栽密度為21×104holes/hm2的處理各項群體指標與模型估計指標最為接近，因此N180D3的處理為本試驗的最優處理。

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