水氮組合模式對雙季稻氮肥利用效率的影響

傅志強 龍攀 劉依依 謝天洋 鐘娟 龍文飛

摘要：為給雙季稻水肥高效利用調控技術提供支撐，采用水肥耦合方式，設置間歇灌溉和淹水灌溉2種灌溉方式，高氮、中氮、低氮和不施氮4種施肥方式，開展大田試驗研究不同水氮組合對雙季稻氮積累量和氮肥利用效率的影響。結果表明，淹水灌溉下，以施高氮處理的植株氮積累量最高，早稻分別比施中氮、低氮和不施氮高20.8%、22.7%和59.4%，晚稻分別高出13.9%、27.0%、58.6%；間歇灌溉下，早稻以施中氮處理的植株氮積累量最高，分別比施高氮、低氮和不施氮高5.2%、15.8%和59.5%，晚稻以施高氮處理最高，依次比施中氮、低氮和不施氮高1.9%、15.4%、56.3%。水稻植株氮積累量總體隨著施氮量的增加而增加。同一灌溉條件下，氮素農學利用率、氮素干物質生產率、氮素稻谷生產率、氮素偏生產力和氮素生理利用率均隨施氮量的增加而減少；相同施氮水平下，間歇灌溉的水稻植株氮積累量、氮素農學利用率、氮素生理利用率均要高于淹水灌溉。間歇灌溉有利于提高氮素利用率，促進雙季稻節(jié)水節(jié)肥生產。

關鍵詞：雙季稻；灌溉；施肥方式；氮肥利用率

中圖分類號：S3 文獻標志碼：A 論文編號：2014-0847

0 引言

水分利用率低下是當前農業(yè)生產面臨的重大問題。目前中國灌溉水利用率為30%-40%，作物水分生產效率不足1.0 kg/m。水稻是中國最主要的糧食作物之一，也是耗水量最多的作物，其灌溉用水量占農業(yè)總用水量的65%以上。提高水稻尤其是雙季稻的水分利用效率是節(jié)水農業(yè)的重要組成部分。另外，氮肥利用率低也是當前作物生產中的突出問題。據(jù)統(tǒng)計，目前中國水稻氮肥吸收利用率介于30%～35%，氮肥農學利用率為15～20 kg/kg，低于世界平均水平。傳統(tǒng)的“大水大肥”管理模式不僅造成水肥資源利用率低，生產成本高，而且引起一系列環(huán)境污染問題。因此提高水稻水分和肥料利用率，發(fā)展節(jié)水節(jié)肥農業(yè)，成為中國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大課題。

在農田生態(tài)系統(tǒng)中，水肥之間、肥肥之間以及作物與水肥間存在相互促進又相互制約的動態(tài)平衡關系。合理的施肥措施必須與水分管理相結合，才能發(fā)揮最大的增產效果。近年來，針對區(qū)域降雨分布不均導致水稻季節(jié)性干旱而嚴重減產的實際情況，越來越多的研究旨在探討節(jié)水灌溉對水稻生長發(fā)育及產量形成的影響。有關水稻生產中肥料利用率的提高、面源污染防控等方面的研究也見諸報道，殷春淵等研究表明，高產基因型的水稻在各個生育階段的氮素積累量及氮素利用效率均較低產基因型的水稻高。劉立軍等同樣有研究表明實地氮肥管理（SSNM）的氮肥利用效率較常規(guī)施肥方法（FFP）提高了31.4%～56.8%和143.6%～166.0%，同時根系活力、水稻根系重量及各種酶的活性均高于FFP。但已有研究中單純針對水稻節(jié)水或節(jié)肥生產的較多，針對南方雙季稻既節(jié)水又節(jié)肥生產的較少。基于此，筆者綜合水和氮肥2個因素進行試驗設計，構建不同水肥組合模式，探討各組合模式對水稻生長與產量的協(xié)同激勵作用，以期為南方雙季稻水肥高效利用調控技術與水肥一體化管理技術的更進一步研究提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概述

試驗于2012年在湖南長沙縣干杉鎮(zhèn)干杉村上大屋組試驗基地（28°08′18″E，113°12′0″N）進行，該地海拔42m，年平均溫度為17.1℃，年降水量1500mm，年≥10℃積溫5300～6500℃，為湖南典型的雙季稻生產區(qū)。稻田土壤類型為第四紀紅壤發(fā)育而成的紅黃泥土。供試土壤理化性狀為pH 6.1，有機碳15.37 g/kg，全氮1.55 g/kg，堿解氮147 mg/kg，有效磷7.1 mg/kg，速效鉀54mg/kg。

1.2 試驗設計

早稻品種為‘株兩優(yōu)90，晚稻為‘岳優(yōu)9113。試驗設置灌溉方式（W）和施氮量（N）2個處理因素，采用裂區(qū)設計，灌溉方式為主區(qū)，隨機區(qū)組排列。灌溉方式設2個水平，施肥因素設4個水平，以其中的不施肥為對照，共計8個處理，進行3次重復。早稻小區(qū)面積為20 m²，3月29日播種，4月29日移栽，7月17日收獲。大田株行距為16.5 cm×20 cm，栽插密度為3.0×10⁵穴/hm²，每穴插2苗；晚稻小區(qū)面積為15 m²，6月23日播種，7月19日移栽。大田栽插密度為2.5×10⁵穴/hm²，株行距為20 cm×20 cm，每穴插2苗。每個小區(qū)之間筑埂并用塑料薄膜包埂，兩邊設保護行。其他管理措施與一般高產稻田相同。

1.2.1 灌水因素淹水灌溉（W1）——大田自移栽返青后直至成熟前一周，稻田長期維持一定水層（3～5 cm水層）；間歇灌溉（W₂）——前期淹水灌溉，分蘗后期曬田，孕穗前回水后干濕交替灌溉，至收獲前1周排水。

1.2.2 施肥因素施肥處理共設零、低、中、高4個氮肥水平，即早稻施純N：0、90、120、150 kg/hm²，晚稻施純N：0、105、135、165 kg/hm²，分別記為NO、N1、N2、N3。每季N肥施用比例均為基肥：拔節(jié)：孕穗=5：1：4；鉀肥（KO₂）施用量為240 kg/hm²，磷肥（PO₅）用量為120 kg/hm²，均作基肥一次性施用。

1.3 觀測指標

在水稻拔節(jié)期、抽穗期、成熟期，以平均莖蘗數(shù)為標準，每個小區(qū)取代表性植株5穴，植株連根拔起，清洗后去根。將葉片、莖鞘、穗分開，105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重，稱干重。將粉碎后的樣品裝入密封袋，采用凱氏法消化，K-370自動定氮儀蒸餾測定各部位氮素含量。

1.4 氮肥利用率的計算

（1）氮素積累總量（Total N accumulation，TNA）：成熟期單位面積植株（莖葉和穗）氮積累量的總和；（2）氮素干物質生產效率（N dry matter production efficiency，NDMPE）：單位面積植株干物質積累量與單位面積植株氮積累量的比值；（3）氮素稻谷生產效率（N grainproduction efficiency，NGPE）：單位面積籽粒產量與單位面積植株氮積累量之比；（4）氮素農學利用率（kg/kg）（N agronomic efficiency，NAE）=（施氮區(qū)產量一無氮區(qū)產量）/施氮量；（5）氮素吸收利用率（N recoveryefficiency，NRE）=[（施氮區(qū)植株氮素積累量一無氮區(qū)植株氮素積累量）/施氮量]×100%；（6）氮素偏生產力（kg/kg）（N partial factor productivity，NPF）=施氮區(qū)產量/施氮量。（7）氮素生理利用率（kg/kg）（N physiologicalefficiency，NPE）=（施氮區(qū)產量一空白區(qū)產量）/（施氮區(qū)地上部分含氮量一空白區(qū)地上部分含氮量）；（8）形成100kg籽粒所需氮量（kg）（N amount per 100 kg nice yield）（NPY）=（收獲時植物體內養(yǎng)分積累量×100）/稻谷產量。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)結果采用Excel 2003進行整理。

2 結果與分析

2.1 水氮組合對雙季稻氮含量的影響

由表1可知，相同灌溉模式下，不同生育期早稻各器官氮含量總體上隨著施氮量增加而增加。拔節(jié)期的水稻莖鞘、葉片氮含量最高，隨著水稻植株的生長發(fā)育，氮含量呈下降趨勢。與拔節(jié)期的含量比較，成熟期葉片中氮含量降幅較大，平均下降了2.03%，其中以間歇灌溉施高氮降幅最大，達2.93%。莖鞘的平均降幅為0.87%，最大降幅同樣出現(xiàn)在間歇灌溉施高氮處理，達到1.11%。穗部含N量總體變化不大，到成熟期高于莖鞘和葉的N含量。

對于晚稻，由表2可知，在相同灌溉模式下各器官的氮含量同樣表現(xiàn)為隨著施氮量增加而增加。植株莖鞘、葉片含氮量在拔節(jié)期最高，隨著水稻植株的生長發(fā)育，氮含量呈下降趨勢。與拔節(jié)期的含量相比，成熟期葉片中的氮含量在淹水灌溉和間歇灌溉條件下分別平均下降了1.58%和1.61%。莖鞘氮含量的下降幅度小于葉片，淹水灌溉和間歇灌溉條件下分別平均下降了0.48%和0.64%。到成熟期植株各器官中以穗部氮素含量最高，明顯要高于葉和莖鞘，葉和莖鞘氮素含量大體相當。

2.2 水氮組合對雙季稻吸氮量的影響

早稻地上部氮素積累量隨著生育進程而逐漸增加，到成熟期植株氮素積累量達到最大值（表3）。在相同的灌溉條件下，植株氮積累量總體隨著施氮量的增加而增加。在淹水灌溉條件下，以施高氮植株氮積累量最高，分別比施中氮、施低氮和不施氮處理高37.12、40.61、106.05 kg/hm²，增幅達20.8%、22.7%和59.4%；在間歇灌溉條件下，以施中氮植株氮素積累量最高，分別比施高氮、施低氮和不施氮高出8.93、27.40、102.90 kg/hm²，提高幅度為5.2%、15.8%和59.5%；相同施氮水平下，間歇灌溉植株氮積累量總體高于淹水灌溉。

植株吸收的氮素在莖鞘中的分布比例從拔節(jié)期到成熟期呈現(xiàn)先上升后下降趨勢；在葉片中的分布比例表現(xiàn)為下降的趨勢；在植株穗部的分布比例則隨穗部N素積累量的上升而呈上升趨勢，在成熟期達到最大。成熟期，氮素主要分布在穗部，占80%以上，其次是莖鞘占10%～15%，葉片占的比例最低，占10%以下。在相同灌溉條件下，穗部氮素分配比例以不施氮最高，總體隨著施氮量增加而減少，尤其在間歇灌溉條件下表現(xiàn)明顯。

對于晚稻，植株地上部氮素積累量同樣隨著生育進程而逐漸增加，成熟期達到最大值（表4）。與早稻相似，在相同的灌溉條件下，植株氮積累量隨著施氮量的增加而增加。在淹水灌溉條件下，以施高氮植株氮積累量最高，分別較施中氮、施低氮和不施氮處理高22.19、43.27、93.91 kg/hm²，增幅為13.9%、27.0%和58.6%；在間歇灌溉條件下，還是以施高氮植株氮素積累量最高，分別比施中氮、施低氮和不施氮高出3.14、25.09、91.54 kg/hm²，分別超出1.9%、15.4%和56.3%；相同施氮水平下，間歇灌溉植株氮積累量總體要高于淹水灌溉。

晚稻季，植株吸收氮素在莖鞘、葉片以及穗部的分布比例變化趨勢同早稻一致，即莖鞘的分布比例呈現(xiàn)先上升后下降趨勢；葉片的比例表現(xiàn)為下降的趨勢；而植株穗部的比例呈上升趨勢。成熟期，植株吸收氮素主要分配在穗部，占75%以上，其次是莖鞘占10%-20%，葉片占的比例最低，占15%以下。在相同灌溉條件下，穗部氮素的分配比例以不施氮最高，總體表現(xiàn)為隨著施氮量增加而減少。

2.3 水肥組合對水稻氮肥利用率的影響

在相同的灌溉條件下，早晚稻氮素干物質生產率、氮素稻谷生產率、氮素農學利用率、氮素偏生產力和氮素生理利用率均隨著施氮量的增加而減少；而100 kg籽粒所需氮量隨著施氮量的增加而增加（表5、表6）。早稻季，在淹水灌溉條件下，氮素干物質生產率、氮素稻谷生產率、氮素農學利用率、氮素偏生產率力和氮素生理利用率最大變化量分別為72.5、42.7、7.8、27.4、15.9 kg/kg，而100 kg籽粒所需氮量的最大變化量為0.78 kg；間歇灌溉條件下，氮素干物質生產率、氮素稻谷生產率、氮素農學利用率、氮素偏生產率力和氮素生理利用率最大變化量分別為64.5、40.2、8.5、27.3、7.13 kg/kg，而100 kg籽粒所需氮量的最大變化量為0.61 kg（表5）。晚稻季，在淹水灌溉條件下，氮素干物質生產率、氮素稻谷生產率、氮素農學利用率、氮素偏生產力和氮素生理利用率最大變化量對應為40.6、54.3、4.6、28.6、9.6 kg/kg，而100 kg籽粒所需氮量的最大變化量為0.45 kg；間歇灌溉條件下，氮素干物質生產率、氮素稻谷生產率、氮素農學利用率、氮素偏生產力和氮素生理利用率最大變化量分別為46.9、38.1、6.0、32.8、9.2 kg/kg，100 kg籽粒所需氮量最大變化量為0.48 kg（表6）。

3 討論

前人研究報道，中國稻田氮肥平均吸收利用率為30%～35%。本研究結果表明早、晚稻氮肥吸收利用率分別在40%-53%和35%～48%，均高于平均水平。不同水稻品種氮肥吸收能力存在差異，可能是本研究所選用的品種具有較強的氮吸收能力。氮肥農學利用率表征施用的每千克純氮增產稻谷的能力，而氮肥生理利用率反映了作物對所吸收的氮素肥料在作物體內的利用率。由于水稻的主要收獲部分是籽粒，因此，用氮肥的農學利用率和生理利用率指標來評價氮肥利用水平可能更為科學合理。

良好的養(yǎng)分管理可使水稻的氮肥農學利用率達到20 kg/kg以上。本研究結果表明，早晚稻植株氮素農學利用率分別為12.3～1.7 kg/kg和15.1～2.4 kg/kg，普遍低于此標準。可能的原因是在成熟期水稻秸稈積累的氮素較多，沒有形成經濟產量。間歇灌溉中氮組合的早晚稻成熟期莖鞘和葉的含N量所占比例分別為0.46%和0.57%、0.88%和0.78%，而農學利用率高的間歇灌溉低氮組合的早晚稻成熟期莖鞘和葉含N量分別是0.39%和0.48%、0.74%和0.68%，含氮量均高于高農學利用率的組合，表明秸稈積累的N素過多而導致利用率低。同時，本研究發(fā)現(xiàn)在相同的灌溉條件下，氮肥農學利用率和生理利用率隨施氮量的增加而下降；在相同的施氮水平下，氮素農學利用率和生理利用率均表現(xiàn)為間歇灌溉高于淹水灌溉。導致此結果的原因一方面是水稻產量隨施氮量增加而增加，但產量增幅明顯低于施N的增幅；另一方面是與淹水灌溉相比，間歇灌溉存在顯著的節(jié)水增產效果。

在本研究中，隨著生育進程，莖鞘和葉片中氮素含量下降，而籽粒中氮素含量增加；而隨著施氮量增加，穗部氮素積累量占總吸收量的比例降低。通過該結果，首先進一步驗證了在水稻齊穗后，莖鞘和葉片中的光合產物和氮大量向生殖器官轉移的現(xiàn)象。第二，表明了由于氮肥施用量高，水稻生育期相對延長，延遲了籽粒的灌漿，也延遲了葉片和莖鞘中貯存的氮素向穗部轉移，而植株吸收的多余的氮素累積在莖稈和葉中，沒有形成經濟產量，可能造成吸收氮素的浪費。在低氮條件下，籽粒是最重要的代謝庫，而過量施氮則降低了籽粒吸收、利用氮素的能力。在相同施氮水平下，間歇灌溉的氮素積累量要高于淹水灌溉，這也與前人研究結果相一致。可見，合理地減少灌水量并不會減少水稻的吸氮量，甚至對氮素吸收及利用有一定的促進作用。這是由于長期淹灌不利于根系活力的提高，造成根系過早衰老，使根系對養(yǎng)分的吸收能力降低，導致功能葉氮含量、植株氮累積量增幅降低。

本研究僅分析了水氮組合模式對水稻氮素利用率的影響，而水與氮存在明顯互作作用，水分過多或過少都會影響水稻氮素的吸收及氮素的利用率，只有在水分適度時，水稻氮素吸收能保持不變，而且可以更好地調控并利用營養(yǎng)器官中的貯備氮，提高產谷效率和氮素利用率。對于三者之間的影響機理還需進一步研究。其次，合理的施肥方式是提高水稻產量及氮素吸收利用率的重要保障，最佳的水氮組合模式能夠充分發(fā)揮水氮耦合的優(yōu)勢，達到提高氮代謝酶活性、促進產量的增加、提高氮利用效率的目的。然而本研究僅采用了一種氮肥施用方法，在水氮組合模式中究竟哪種施肥方法最為合適，能更有效提高氮素利用率，也值得進一步研究。因此，本研究僅為南方雙季稻水肥高效利用調控技術體系中的一部分，相關部分內容還有待深入研究。

4 結論

（1）本研究中，隨著水稻生育進程發(fā)展，葉片氮素占植株氮積累量的比例呈下降趨勢，而莖鞘氮素所占比例先升后降，穗所占比例呈上升趨勢，說明水稻吸收N的轉運存在優(yōu)先序，拔節(jié)期以葉為優(yōu)先轉運器官，抽穗期和成熟期則分別以莖、穗為優(yōu)先轉運器官。

（2）與淹水灌溉相比，間歇灌溉具有更高的植株氮積累量、氮素農學利用率、氮素吸收利用率和氮素偏生產力，說明間歇灌溉能促進作物對N的吸收利用，提高N肥利用效率。間歇灌溉有助于水稻的節(jié)水節(jié)肥生產。

（3）隨著施氮量的增加，植株氮積累量總體呈上升趨勢，但氮素農學利用率、氮素干物質生產率、氮素偏生產力和氮素生理利用率均呈下降趨勢。合理的施氮量需要結合氮素的吸收量和氮素的利用效率進行綜合考慮。