氮肥用量和密度對雙季稻產量及氮肥利用率的影響

徐新朋， 周 衛*， 梁國慶， 孫靜文， 王秀斌，何 萍， 徐芳森， 余喜初

(1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所， 北京 100081； 2 華中農業大學資源與環境學院，湖北武漢 430070； 3 江西省紅壤研究所， 江西進賢 331717)

氮肥用量和密度對雙季稻產量及氮肥利用率的影響

徐新朋1， 周 衛1*， 梁國慶1， 孫靜文1， 王秀斌1，何 萍1， 徐芳森2， 余喜初3

(1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所， 北京 100081； 2 華中農業大學資源與環境學院，湖北武漢 430070； 3 江西省紅壤研究所， 江西進賢 331717)

【目的】高量化肥投入不僅不能使作物產量進一步增加，相反還會造成肥料資源的浪費并威脅到生態環境安全，同時導致肥料吸收利用率、農學效率等不斷降低。為了明確氮肥用量和移栽密度的相互作用，在田間試驗條件下研究了不同氮肥用量和移栽密度組合對江西雙季稻產量、產量構成要素及氮肥利用率的影響，以期為雙季稻的高產高效栽培技術提供理論基礎?！痉椒ā坎捎昧褏^試驗設計，以氮肥施用量為主區，密度為副區，設4個施氮水平(N 0、135、180和225 kg/hm2，以N0、N135、N180和N225表示)和4種移栽密度(21×104、27×104、33×104、39×104hole/hm2，以D21、D27、D33和D39表示)組合，在水稻成熟期對產量以及產量構成要素進行測定，并分析其吸氮量和氮肥利用率、氮收獲指數等指標。【結果】施氮水平和移栽密度對水稻產量具有顯著影響；增加移栽密度有助于提高單位面積水稻的有效穗數、稻谷產量和地上部吸氮量；在高施氮量下，水稻氮素積累總量增加，而氮素吸收利用率(REN)、氮素偏生產力(PFPN)、氮素生理利用率(PEN)、氮素內在養分效率(IEN)和氮素收獲指數(NHI)降低；氮素農學效率(AEN)則是先升高后降低，而產量并未增加。與其它處理組合相比，施氮量為180 kg/hm2和39×104hole/hm2密度的組合產量最高，早稻和晚稻分別為9823.0和11354.7 kg/hm2，此時早稻和晚稻的氮素吸收率分別為42.4%和47.5%。當施氮量超過180 kg/hm2時產量則不再增加，但產量隨著移栽密度的增加而顯著增加?！窘Y論】合理氮肥用量和移栽密度可以顯著增加水稻單位面積的有效穗數和氮累積量，進而增加水稻產量和氮肥利用率，建議在江西雙季稻栽培中采用施氮量為N 180 kg/hm2，栽培密度39×104hole/hm2的組合。

水稻； 氮肥用量； 移栽密度； 產量； 氮肥利用率

水稻作為我國主要糧食作物之一，對我國糧食安全起著至關重要的作用。在“高投入、高回報”的傳統耕作理念的驅使下，化肥的施用量不斷增加，導致過量施肥和不合理施肥的嚴重問題。然而，高量的化肥投入不僅不能帶來作物產量的進一步增加，相反還會威脅到生態環境的安全[1-5]，造成地表水或地下水體硝酸鹽含量超標，同時導致肥料利用率以及農學效率等不斷降低。因此在水稻栽培的生產實踐中提高肥料利用率和產量已成為重要的目標之一。要同時兼顧產量、經濟、環境及農學效益，則需要重點對氮肥施用量和移栽密度進行重點研究。隨著水稻品種的不斷更新和生產基礎條件的不斷改進，合理的氮肥施用量及管理方式不僅能促進作物生長、提高產量，而且能夠提高氮肥利用率[6-8]?？茖W的移栽密度能夠保證水稻個體及群體有效的發揮潛能，從而獲得高產。研究表明，合理的氮肥用量、施用時期和密度對水稻分蘗及產量有顯著影響[9]，同時可以增強水稻的抗倒伏性能[10]，最終達到提高產量和氮肥利用率的效果[11]，施氮量和移栽密度也影響著水稻的氮素吸收、轉運及利用。在施氮量和栽培密度方面以往的研究多集中在單季水稻上，對雙季稻的研究還比較少，為此，本試驗在綜合前人研究的基礎上，系統研究了施氮量和移栽密度對雙季稻產量、經濟性狀、氮肥吸收轉運及氮素利用率的影響，以期為雙季稻的高產高效栽培技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2013年在江西省南昌市進賢縣張公鎮江西省紅壤研究所試驗基地的紅壤性水稻田塊上進行(東經116°20′24″，北緯28°15′30″)。供試土壤為水稻土，耕層土壤(0—20 cm)有機質含量22.82 g/kg、全氮1.50 g/kg、全磷0.63 g/kg、全鉀16.80 g/kg、有效磷 15.96 mg/kg、速效鉀 167.73 mg/kg、pH 5.15。供試的早稻品種為贛早秈54號，晚稻品種為正成456，試驗采用裂區設計，以施氮量為主區(面積120 m2)，密度為副區(面積為30 m2)，早稻和晚稻施氮量和密度設置相同，施氮量設N0、135、180和225 kg/hm24個水平，以N0、N135、N180和N225表示。移栽密度設每公項21×104穴(20 cm × 23.8 cm)、27×104穴(20 cm × 18.5 cm)、33×104穴(20 cm × 15.2 cm)和39×104穴(20 cm × 12.8 cm)4種，以D21、D27、D33和D39表示。每處理3次重復，隨機區組排列。

早稻于3月28日播種，4月25日移栽，7月16日收獲；晚稻6月25日播種， 7月26日移栽， 10月27日收獲。 氮肥用尿素(含N 46%)，分基肥、分蘗肥、穗肥3次施用，基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥為4 ∶3 ∶3。磷肥用鈣鎂磷肥(含P2O512.5%)，全部作基肥；鉀肥用氯化鉀(含K2O 60%)，基肥 ∶穗肥為5 ∶5。各處理磷肥施用量為450 kg/hm2，鉀肥用量225 kg/hm2。試驗小區間作埂隔離，并用塑料膜覆蓋埂體，以保證各小區單獨排灌并防止水肥滲出。

圖1 不同處理對產量的影響Fig.1 Effects of different treatments on grain yields of rice[注(Note)： N—氮肥 N fertilizer；D—種植密度 Planting density；柱上不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Different letters above the bars for different treatments are significantly different at the 5% probability level.]

1.2 測定項目及方法

水稻成熟后，每個小區單獨收割測定子粒產量，采集有代表性的植株5兜，對水稻產量構成要素進行考察，包括株高、穗數、穗長、穗粒數、結實率、千粒重，并分別稱量莖、葉和籽粒的重量。

用凱氏定氮法測定莖鞘、葉片和子粒氮含量。

相關計算方法：

氮素吸收利用率(N recovery efficiency，REN)=(施氮區植株地上部氮累積量-空白區地上部植株氮累積量)/施氮量×100%；

氮素農學利用率(agronomic efficiency of applied N，AEN)=(施氮區產量-空白區產量)/施氮量；

氮素偏生產力(partial factor productivity of applied N，PFPN)=施氮區產量/施氮量；

氮素生理利用率(physiological efficiency of applied N，PEN)=(施氮區產量-空白區產量)/(施氮區地上部氮累積量-空白區地上部氮累積量)；

氮素內在養分效率(internal efficiency of applied N，IEN)=施氮區產量/施氮區地上部氮累積量；

氮素收獲指數(N harvest index，NHI) = 子粒氮累積量/植株地上部氮累積量。

試驗數據采用Excel 2007 和SAS進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 氮肥和密度對水稻產量的影響

試驗結果表明，氮肥用量及移栽密度對水稻產量具有顯著的影響(圖1)。無論是早稻還是晚稻均以N180D39處理組合的產量最高，分別為9823.0和11354.7 kg/hm2(表1和表2)。從密度看，增加水稻的移栽密度可以顯著增加水稻產量，所有處理中都以D39的產量最高，N180與N0、N135 和N225相比，早稻產量分別提高了40.0%、15.6%和4.1%，晚稻產量分別提高了57.3%、5.3%和6.5%。而從施氮水平看，在施氮水平達到180 kg/hm2時，早稻和晚稻的產量達到最大，施氮量與水稻產量呈拋物線關系，移栽密度與水稻產量在本試驗設置中呈線性關系。

施氮水平和移栽密度對一些產量構成要素的影響達到了顯著水平。施氮水平和移栽密度對早稻和晚稻穗粒數的影響達到了顯著水平，而氮肥水平對晚稻結實率的影響也達到了顯著水平，而對早稻的結實率則無影響。在同一施氮水平下有效穗數隨著移栽密度的增加而增加，均以D39的有效穗數最高，而單個穗子的穗粒數卻相反，穗粒數與施氮量間呈拋物線關系，在相同氮水平中均以D21的穗粒數最多，在本研究中當施氮量超過180 kg/hm2時，穗粒數則開始降低。因此，增加施氮量和移栽密度主要通過增加有效分蘗而提高水稻有效穗數及總穗粒數增加水稻產量。除此之外，施氮對水稻的株高和穗長具有顯著影響。移栽密度對早稻穗長的影響達到了顯著水平，同施氮量水平下早稻穗長隨移栽密度增加而降低。

2.2 氮肥和密度對水稻氮素利用效率的影響

表1 不同處理下早稻產量及其構成因子

注(Note): N—N fertilizer; D—Planting density. 數值后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters for different treatments are significantly different at the 5% probability level. ns 表示不顯著Indicates no significant; *和**分別表示達到5%和1%顯著水平 Mean significant at the 5% and 1% levels, respectively.

表2 不同處理下晚稻產量及其構成因子

注(Note): N—N fertilizer; D—Planting density. 數值后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters for different treatments are significantly different at the 5% probability level. ns 表示不顯著Indicates no significant; *和**分別表示達到5%和1%顯著水平 Mean significant at the 5% and 1% levels, respectively.

表3 早稻不同處理的氮素利用效率

注(Note): N—N fertilizer; D—Planting density. REN—N recovery efficiency; AEN—Agronomic efficiency of applied N; PFP —Partial factor productivity of applied N; PEN—Physiological efficiency of applied N; IEN—Internal efficiency of applied N; NHI—N harvest index. 數值后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters for different treatments are significantly different at the 5% probability level. ns 表示不顯著Indicates no significant; *和**分別表示達到5%和1%顯著水平 Mean significant at the 5% and 1% levels, respectively.

圖2 不同處理對氮素累積的影響Fig.2 Effects of different treatments on N accumulation[注(Note)： N—氮肥 N fertilizer; D—種植密度 Planting density. 柱上不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Different letters above the bars for different treatments are significantly different at the 5% probability level.]

處理Treatment氮素吸收利用率REN(%)氮素農學效率AEN(kg/kg)氮素偏生產力PFPN(kg/kg)氮素生理利用率PEN(kg/kg)氮素內在養分效率IEN(kg/kg)氮收獲指數NHIN135D2142.8abc16.5bc57.3bc38.5bcd66.0bcd0.72aN135D2743.7abc16.7bc62.7b38.2bcd67.5bc0.72aN135D3343.2abc14.9c62.3b34.0cd65.2cd0.72aN135D3950.8a29.8a79.9a58.8a75.2a0.72aN180D2138.1c14.5c45.1efg37.1bcd63.2de0.72aN180D2741.2bc16.3bc50.8cde39.5bcd65.1cd0.70abN180D3342.1bc18.2bc53.8cd43.2bc66.2bc0.70abN180D3947.5ab22.6b63.1b47.2b68.6b0.70abN225D2136.0c14.3c38.8g39.0bcd62.2e0.72aN225D2737.8c11.7c39.3g30.9d58.4f0.68bN225D3340.0bc15.1c43.5fg36.9bcd60.9ef0.70abN225D3943.2abc13.6c47.4def29.5d59.0f0.68b氮肥N**********密度D********nsN×Dns*ns****ns

注(Note): N—N fertilizer; D—Planting density. REN—N recovery efficiency; AEN—Agronomic efficiency of applied N; PFP —Partial factor productivity of applied N; PEN—Physiological efficiency of applied N; IEN—Internal efficiency of applied N; NHI—N harvest index. 數值后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters for different treatments are significantly different at the 5% probability level. ns 表示不顯著Indicates no significant; *和**分別表示達到5%和1%顯著水平 Mean significant at the 5% and 1% levels, respectively.

3 討論

3.1 施氮水平和移栽密度與水稻產量的關系

3.2 施氮水平和移栽密度與氮素利用效率的關系

3.3 氮肥用量和密度的協同優化

移栽密度和氮肥施用量對水稻的群體動態和產量構成具有顯著的影響[29]，同時影響水稻的葉面積指數、凈光合速率及葉綠素含量等[30]，進而影響水稻產量。在本研究中，早稻N180D39處理組合具有最高的產量、氮素吸收率和農學效率，對于晚稻而言， N180D39處理組合的氮素吸收率(47.5%)略低于N135D39處理組合(50.8%)且無顯著差異，但前者具有較高的產量，增加了5.3%。在水稻栽培中不能一味地追求高氮素吸收率，同時要考慮產量及經濟效益等因素。施氮有助于提高產量和養分吸收，增加移栽密度通過提高有效分蘗數而提高產量，但也增加了葉片和莖鞘中的氮累積量，當施氮量達到一定水平時(本試驗條件下為180 kg/hm2)，雖然能夠繼續促進作物對氮素的吸收，但并不利于氮素向子粒中轉移。因此，協調施氮量和移栽密度是實現高產及高氮肥利用率的關鍵。統計分析結果表明，本研究設計中N180D39組合產量最高，并具有較高的氮素農學效率、氮素吸收率、氮素內在養分效率等，因此是適宜當地的施氮量和移栽密度。但在合理的氮肥用量下使用更高的移栽密度(大于39×104hole/hm2)是否能夠進一步增加本研究區域的水稻產量還有待進一步研究。

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Effects of nitrogen and density interactions on grain yield and nitrogen use efficiency of double-rice systems

XU Xin-peng1, ZHOU Wei1*, LIANG Guo-qing1, SUN Jing-wen1, WANG Xiu-bin1,HE Ping1, XU Fang-sen2, YU Xi-chu3

(1InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China;2CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China;3JiangxiInstituteofRedSoil,Jiangxi,Jinxian331717,China)

【Objectives】 Over-fertilization by farmers driven by desire for higher yields does not always contribute to increase yield, however, the over-fertilization causes fertilizer waste and negative effects on environment, meanwhile leads to low nutrient recovery efficiency and agronomic efficiency. In order to determine effects of nitrogen(N) application and transplanting density(D) on double-rice systems, a field experiment was conducted to study yield, yield components and nitrogen use efficiency of double-rice in Jiangxi province. 【Methods】 A split-plot experimental design was used with different nitrogen application amounts in the main plots and transplanting density in the sub-plots to study grain yield and N use efficiency under four N rates(N 0, 135, 180 and 225 kg/hm2, and express as N0, N135, N180 and N225) and four transplanting densities(21×104, 27×104, 33×104and 39×104hole/hm2, and express as D21, D27, D33 and D39) for double-rice systems, the grain yield and its components were measured, and N uptake, N use efficiency and N harvest index were analyzed at rice maturity. 【Results】 The results show that there are significant effects of the N levels and planting density on the rice yield separately. The high transplanting density contributes to increase effective panicle number per unit area, grain yield and total N uptake of shoot. The high N rate increases total N accumulation of rice, but decreases the N recovery efficiency, N partial factor productivity, N internal efficiency, N physiological efficiency and N harvest index. The agronomic efficiency of N is increased with increasing of N application rate at first and decreased after N application rate exceeding 180 kg/hm2. Compared to other treatments, there are the highest yields under the 180 kg/hm2and 39×104hole/hm2treatment combination, the yields are 9823.0 and 11354.7 kg/hm2for early and late rice, and the N recovery efficiencies are 42.4% and 47.5% for early rice and late rice, respectively. The grain yield is not increased when N application rate exceeding 180 kg/hm2, while the yield is increased with increasing transplanting density in our study. 【Conclusions】 The rational combination of nitrogen application and transplanting density can indeed significantly increase the effective panicle number per unit area and total N uptake of rice shoot, which further increases the rice yield and nitrogen use efficiency. The N180D39 treatment combination is recommended for double-rice systems in Jiangxi province.

rice; N fertilizer rate; planting density; grain yield; N use efficiency

2014-02-18 接受日期： 2014-07-16

現代農業產業技術體系建設專項資金(CARS-01-31)； 農業部公益性行業(農業)科研專項(201003016)； 國家重點基礎研究發展計劃(2013CB127405)資助。

徐新朋(1984—)， 男， 河北承德人， 博士研究生， 主要從事高效施肥方面的研究。 E-mail: xinpengxu@163.com * 通信作者 E-mail: wzhou@caas.ac.cn

S511.4+2.062

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1008-505X(2015)03-0763-10