氮肥水平與栽植密度互作對不同生育期水稻生長及產量的影響

李思平，丁效東，向 丹，曾路生，張玉曉，解軍蕊，黃信誠，高發瑞

(1.青島農業大學 資源與環境學院，山東 青島 266109；2.濟寧市農業科學研究院，山東 濟寧 272009)

水稻作為世界上種植歷史最悠久的糧食作物，全球近一半人口都以水稻為食。由于基礎產量較高，所以水稻對糧食安全起著至關重要的作用[1-2]。濟寧市地處山東省西南部，氣候屬暖溫帶季風氣候，四季分明，光溫充足，土質為肥力水平中等的砂姜黑土，適合水稻生長，目前水稻種植面積可達4.77 hm2。濟寧水稻種植歷史悠久，品質優良，選育了圣稻18等一批生育期適宜且適應性較強的優良品種在魯西南地區推廣使用[3]。近年來，由于農田水利設施基礎的薄弱以及高產水稻品種不斷培育推廣，我國水稻種植出現氮肥用量不斷增加、栽植密度越來越低等一系列問題[4-6]。一方面，大量的氮肥投入會增加水稻的無效分蘗、延遲水稻生育期，加劇硝態氮肥的淋失和銨態氮肥的揮發，以至于造成地表水或地下水的硝酸鹽含量嚴重超標，導致環境污染和生態破壞[7-9]。另一方面，水稻播種密度越來越低，雖然可以省工節本，但基本苗數不足，分蘗數過少，不利于光能與地力的充分利用。故只有合理的施氮量和栽植密度才能在促進水稻生長、提高產量的基礎上，提高氮肥利用率，為個體發育與群體成長奠定堅實的基礎，保證單位面積水稻產量的提高[10-11]。另外，合理施肥可以改善土壤環境，培肥土壤[12]，合理的栽植密度還能增強水稻抗倒伏性，提高水稻產量與質量[13]。本試驗通過田間設置氮肥水平與種植密度互作，深入探究水稻氮肥水平和栽植密度的互作效應對水稻生長、養分吸收和產量的影響，以期探究水稻施氮量與種植密度的最佳組合，為減少施氮、制定合理的水稻種植措施，實現水稻高效增產提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究以山東省濟寧市任城區水稻試驗田為研究區域，試驗時間為2017年6月-2018年10月。土壤類型為肥力中等的砂姜黑土，試驗對象是第2季水稻，品種為圣稻18號。供試肥料包括尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O516%)和氯化鉀(含K2O 60%)。

1.2 試驗設計

試驗設雙因素處理，即施氮量與栽植密度。施氮量設4個水平：無氮(N1)0 kg/hm2；低氮(N2)216 kg/hm2；中氮(N3)288 kg/hm2；高氮(N4)360 kg/hm2。其中中氮(N3)為農民常規施氮量。栽植密度設3個梯度：低密度24萬穴/hm2；中密度27萬穴/hm2；高密度30萬穴/hm2。其中，低密度為當地常規栽培密度。共12個處理，3次重復。小區面積為30.24 m2(3.6 m×8.4 m)，區組隨機排列，各小區之間用塑料薄膜隔開，嵌入土層以下40 cm，地面以上保留60 cm。區組之間設置60 cm寬的排灌溝，排灌溝中央開挖寬度和深度為25～30 cm的走水溝，全部小區實行單排單灌。本試驗氮肥分4次施用，其中基肥、返青肥、分蘗肥、穗肥施用量各占總施氮量的30%，25%，35%，10%。磷肥按照P2O5112.5 kg/hm2施用，全部作基肥；鉀肥按照K2O 112.5 kg/hm2施用，全部作基肥。各處理均基施硫酸鋅15 kg/hm2。

1.3 測定項目及方法

分別于水稻分蘗期、拔節期、抽穗期、灌漿期以及成熟期時采集水稻樣品，每個處理隨機采集12株水稻，用以分析測定生長指標。

1.3.1 水稻生長指標的測定 株高、根長用直尺進行測量；根體積用排水法測量；葉面積用打孔儀法測定；分蘗數直接數出；鮮質量由電子天平稱量。

1.3.2 水稻養分吸收的測定 水稻全氮采用凱氏定氮法測定；全磷采用濃硫酸消煮，釩鉬黃比色法測定；全鉀采用濃硫酸消煮，火焰光度計法測定。

1.3.3 水稻葉綠素的測定 葉綠素是在試驗田使用葉綠素測定儀SPAD-502進行測定，多次測定取平均值。

1.3.4 水稻產量的測定 每小區選擇1 m2計算水稻產量，收獲時連同秸稈一并帶回實驗室進行脫粒烘干。

1.4 統計分析

采用SPSS 進行方差分析，采用Microsoft Office Excel工作表對各指標數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 氮肥水平與栽植密度互作對水稻不同生育期生長指標的影響

2.1.1 氮肥水平與栽植密度互作對分蘗期生長指標的影響 由表1可知，在分蘗期，隨著氮肥處理水平的提高，低密度和高密度下，水稻株高有逐漸增高的趨勢，而中密度下水稻株高隨氮肥增加先增高后降低。其中，30N4的處理株高最高，24N1處理的株高最低，且差異顯著。中、高密度下，根長有逐漸降低的趨勢，鮮質量則有先增加后減少的趨勢，其中，不同栽培密度的處理中，傳統施肥的N3 都具有較高的鮮質量。分蘗數隨氮肥處理水平的增加，中低密度有先增加后減少再增加的波動趨勢，而高密度則有先增加后減少的趨勢。

2.1.2 氮肥水平與栽植密度互作對拔節期生長指標的影響 由表2可以看出，與分蘗期相比，拔節期水稻的鮮質量和葉面積增加了3～4倍，株高與根體積增加了2倍多，根長與分蘗數有一定量的增加。其中，拔節期水稻的30N3處理株高最高，為81.6 cm，對比常規處理24N3增長了8.9%，且各處理之間無顯著差異。30N1的根長最長，對比常規處理增長了51.5%，且差異顯著。比較鮮質量發現，30N3與27N3處理最重，24N2處理最輕。總體來說，在拔節期30N3處理的水稻生長指標較好。

表1 氮肥水平與栽植密度互作對水稻分蘗期生長指標的影響Tab.1 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on growth index of rice at tillering stage

注：每行數據后不同小寫字母表示在P<0.05差異顯著。表2-8同。

Note：Different lowercase letters after each line of data indicate a significant difference atP< 0.05.The same as Tab.2-8.

表2 氮肥水平與栽植密度互作對水稻拔節期生長指標的影響Tab.2 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on growth index of rice at jointing stage

分析表3數據可知，抽穗期中等密度的27N4處理株高最高，對比常規處理24N3增長了9.7%，而高密度的30N4株高最低，且差異顯著。24N4處理的鮮質量最高，27N1處理的鮮質量最低，且差異顯著。常規處理24N3的分蘗數最多，27N4處理分蘗最少。總體來說，到了抽穗期，低密度高氮處理的24N4具有較好的生長指標。

2.1.3 氮肥水平與栽植密度互作對灌漿期生長指標的影響 由表4可知，到了灌漿期，不同處理的水稻生長指標與拔節期比較差異不大，甚至略有減少，說明水稻開始衰老。低密度和高密度下，隨著氮處理水平增加，水稻的株高出現先增加后下降的趨勢，而中密度的水稻株高呈先降低后增加的趨勢。水稻根長整體呈下降趨勢。常規施肥的N3水平下，隨著栽植密度的增加，水稻根體積、葉面積和分蘗數都呈現先減少后增加的趨勢。總體來看，灌漿期30N1處理的生長指標相對較好。

表3 氮肥水平與栽植密度互作對水稻抽穗期生長指標的影響Tab.3 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on growth index of rice at heading stage

表4 氮肥水平與栽植密度互作對水稻灌漿期生長指標的影響Tab.4 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on growth index of rice at filling stage

2.1.4 氮肥水平與栽植密度互作對成熟期生長指標的影響 分析表5數據可知，到了成熟期，中低密度處理的水稻鮮質量有一定量的增加，而高密度處理水稻鮮質量卻有一定量的減少。各個處理的水稻葉面積都有一定量的增加，根體積有一定量的減少。其他生長指標與灌漿期比較差異不大。其中，30N3處理株高最高，對比常規處理24N3增長了8.1%，差異不顯著。根長24N1最長，對比常規處理24N3增長了61.8%，且差異顯著。常規處理24N3的鮮質量、根體積、葉面積和分蘗數均為最大，且差異性顯著。分析成熟期生長指標發現，24N3處理的生長指標相對較好。

縱觀水稻整個生長周期，發現水稻在分蘗期和拔節期，30N3處理的生長指標較高。在抽穗期時，24N4與27N4的生長指標較高，灌漿期則是30N1處理的生長標相對較高。由此可知，氮肥用量的增加對水稻分蘗數、株高及葉面積的增加有一定促進作用，而水稻生長指標為中等栽植密度的較好。

2.2 氮肥水平與栽植密度互作對水稻不同生育期養分吸收的影響

2.2.1 氮肥水平與栽植密度互作對水稻不同時期全氮吸收的影響 分析表6數據可知，水稻從分蘗期到成熟期，所有處理的全氮含量總體呈下降趨勢，下降最多的27N2處理全氮含量下降了63.7%。下降最少的24N1處理全氮含量也下降了19.6%。可以看出，中密度處理的全氮含量指標較好，其中27N2處理在抽穗期比24N2處理高出20.2%，27N3處理在灌漿期比27N1處理高出1.30%。氮肥處理中N3處理的全氮含量指標較好，其中27N3處理在灌漿期比27N1處理高出106.6%。

表5 氮肥水平與栽植密度互作對水稻成熟期生長指標的影響Tab.5 Effects of Interaction between nitrogen application levels and planting density on growth indicators of rice at mature stage

表6 氮肥水平與栽植密度互作對水稻不同時期全氮吸收的影響Tab.6 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on total nitrogen absorption in different stages of rice g/kg

分析還可知，水稻體內吸收的氮量，在分蘗期差異更明顯，到了成熟期各處理間的差異已不太明顯。在分蘗期，水稻體內的氮含量低密度時隨氮處理水平的增加而增加，中密度時先增加后減少，而高密度時表現為先減少后增加，說明氮的變化非常復雜。

2.2.2 氮肥水平與栽植密度互作對水稻不同時期全磷吸收的影響 根據表7數據可知，水稻整個生長周期的全磷含量總體表現出先下降后上升的趨勢。從分蘗期-抽穗期，所有處理全磷含量持續下降，到抽穗期下降至最低值，然后逐漸回升。下降最多的是24N1處理，全磷含量下降了93.0%。回升最多是30N1處理，全磷含量從2.3 g/kg增高至17.3 g/kg。同一栽植密度下，隨著氮肥用量的增加，水稻全磷含量整體有一定的上升；同一氮肥水平下，隨著栽植密度的增加，全磷含量在灌漿期以前有一定程度的下降，至成熟期反而增加。

2.2.3 氮肥水平與栽植密度互作對水稻不同時期全鉀吸收的影響 由表8可知，隨著水稻不斷生長，水稻全鉀含量整體呈現先上升后下降的趨勢。分蘗期-拔節期，大部分處理的全鉀含量都有小幅度升高，但24N2、30N1和30N2 3個處理的全鉀含量略微下降。拔節期-灌漿期，所有處理的全鉀含量持續下降，下降較多的24N4、30N4處理分別下降了53.8%，70.3%。從灌漿期-成熟期，大部分處理的全鉀含量出現一定程度的回升，小部分處理繼續下降，但程度不大。伴隨著氮肥用量的增加，水稻全鉀含量在拔節期表現為持續略微升高，而在灌漿期則呈現先升高后降低的趨勢。

表7 氮肥水平與栽植密度互作對水稻不同時期全磷吸收的影響Tab.7 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on total phosphorus absorption in different stages of rice g/kg

表8 氮肥水平與栽植密度互作對水稻不同時期全鉀吸收的影響Tab.8 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on total potassium absorption in different stages of rice g/kg

2.3 氮肥水平與栽植密度互作對水稻不同時期葉綠素含量的影響

由圖1可知，從分蘗期-灌漿期，水稻葉綠素含量整體呈現先上升后下降的趨勢。隨著氮肥水平的增加，葉綠素平均含量呈增加趨勢。隨著栽植密度的增大，葉綠素含量變化差異不明顯。

在水稻分蘗期，24N2的葉綠素含量相對較高，各處理之間的差異不顯著。拔節期，24N2處理的葉綠素含量相對較高，24N1處理最低。在抽穗期時，30N3處理的葉綠素含量最高。在灌漿期時，30N4的處理葉綠素含量較高，27N1處理最低，且差異顯著。總體來講，對于水稻的整個生長周期而言，30N4處理的葉綠素含量相對較高，說明葉綠素含量受氮的影響較大。

2.4 氮肥水平與栽植密度互作對水稻產量的影響

由圖2可知，氮肥用量與栽植密度互作對水稻產量有明顯影響。27N3處理的產量最高，可達14 615.3 kg/hm2，比同密度下不施氮肥的27N1處理產量提高了12.1%，比相同氮肥水平下低密度的常規處理24N3產量提高了18.5%。而30N1處理的產量最少，僅有8 221.1 kg/hm2。從氮肥水平來看，中等栽植密度的氮肥用量與水稻產量呈拋物線性關系，288 kg/hm2的氮肥用量為最佳。從栽植密度看，27萬穴/hm2的栽植密度為最佳，24萬穴/hm2次之，30萬穴/hm2種植效果最差。分析原因可能為密度過小會導致有效穗數過少從而無法獲得預期產量，密度過大則會影響水稻對光照的吸收和對土壤養分的利用，導致產量過低。

圖2 氮肥水平與栽植密度互作對水稻產量的影響Fig.2 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on rice yield

3 結論與討論

氮肥施用與控制栽植密度作為水稻種植過程中的主要栽培手段，對水稻的生長起關鍵性作用。大量的研究表明，合理的氮肥用量搭配適宜的栽植密度能夠有效地提高水稻的產量[14]。水稻產量是品種遺傳特性和環境條件綜合作用的結果[15]。氮肥用量達到一定程度以后，水稻產量將不再提高，相反還會有所降低[4]。張耀鴻等[16]認為，超過一定施肥量隨著氮肥用量的增加，水稻的總吸氮量及氮肥利用率都會下降。鄧中華等[17]根據模型分析來研究不同密度和氮肥對水稻產量、構成因子及氮肥利用率的影響，并得出其試驗條件下氮肥密度的最優組合為194.9 kg/hm2和22.1萬蔸/hm2。本試驗研究發現，隨著氮肥用量的增加，拔節期水稻的株高、鮮質量、葉面積及分蘗數均以施氮量288 kg/hm2、栽植密度30萬穴/hm2為最佳。

氮素是葉綠素的組成成分，葉綠素a和葉綠素b都是含氮化合物[18]。氮素的增加能促進葉綠素的合成，本試驗條件下，拔節期的24N2處理與抽穗期的30N3處理葉綠素含量較高。氮肥用量增加還可以促進水稻的養分吸收，隨著施氮量的增加，水稻植株的全氮、全磷及全鉀的含量均有不同程度的升高。合理優化施肥是水稻高產穩產的關鍵環節[19-20]，所以施氮水平要與追求的產量水平相一致[21]。蘭艷等[22]研究表明，成都平原稻作區施氮量為225 kg/hm2，栽插密度為2.667×105穴/hm2時，能夠促進粳稻D46高產并提高氮肥利用率。本研究發現，中等密度下氮肥用量與水稻產量呈一定的拋物線性關系，且當氮肥水平按照288 kg/hm2施用，栽植密度為27萬穴/hm2時產量最高，可達14 615.3 kg/hm2。

有研究認為，中密度時有效穗數、實粒數均不是最優，但產量最高[23]，這與本試驗結果相似。對于低密度植株而言，個體生長數據較好。比如24N4處理在抽穗期的葉面積、鮮質量最高，24N1處理根體積最大。但由于低密度基本苗少，有效穗數有限，故總體產量較低。而密度過高時，田間過于蔭蔽相互遮擋，個體之間競爭激烈，不僅個體生長數據較差，而且總體產量也不容樂觀。所以只有合理的密度才能充分協調穗、粒結構，滿足個體與群體的發展，改善田間結構，有效地提高水稻產量[24-25]。

本試驗研究表明，相同的栽植密度下，288 kg/hm2的施氮水平可以有效提高水稻產量。在中密度條件下，288 kg/hm2的施氮處理比不施氮肥產量提高12.1%；相同的施氮水平下，27萬穴/hm2的栽植密度可以有效提高水稻產量。在常規施肥，即中氮條件下，27萬穴/hm2的栽植密度比常規的低密度處理產量提高18.5%。

綜上所述，氮肥水平與栽培密度的最優組合為288 kg/hm2和27萬穴/hm2，該組合在降低氮肥用量，控制合理密度的同時，實現了產量的最大化。