節水灌溉下減施氮肥對水稻分蘗動態和產量的影響

邢素麗，鄒拓，楊軍芳，楊云馬，黃少輝，賈良良，翟麗梅

（1.河北省農林科學院農業資源環境研究所，河北省肥料技術創新中心，河北 石家莊 050051；2.河北省農林科學院濱海農業研究所，河北 唐山 063000；3.中國農業科學院農業資源與區劃研究所，北京 100081）

水稻是耗水量最多的大田作物[1～3]，在淹水栽培條件下80%的稻田灌溉水通過蒸發和淋失途徑而損失[4]；同時，生產中氮肥管理粗放、施用過量，氮素利用率不斷降低，導致水肥資源大量浪費。尤其在我國北方地區，水資源短缺與水肥管理不協調的矛盾始終是制約北方優質水稻生產的關鍵因素[5～7]。研究表明，科學控水管理能夠增加水稻分蘗、提高產量[8，9]，適量控水配合科學施肥可以有效調節水稻生長。近年來，人們開始對水稻干濕交替耦合施氮和水氮互作機制進行研究[12～17]，但是有關優化干濕交替耦合施氮配置對水稻分蘗動態的影響研究還不多見，尚未形成指導生產的實用性技術。通過田間試驗進一步探索北方稻區優化干濕交替節水灌溉下氮肥減施后的適宜用量以及對水稻分蘗動態和產量的影響，旨為北方水稻生產上合理運籌水肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019年在河北省唐山市曹妃甸區河北省農林科學院濱海農業試驗站進行。試驗區地理位置北緯 39°17′44″、東經 118°27′23″，屬東部季風區溫帶半濕潤氣候，年平均氣溫11.7℃，年≥10℃積溫4 488.8℃，年降水量540.8 mm；土壤類型為砂壤質鹽漬水稻土，0～20 cm耕層土壤pH值7.89，基礎土壤養分含量為有機質13.11 g/kg、全氮1.04 g/kg、有效磷39.6 mg/kg、速效鉀243.0 mg/kg。

1.2 試驗材料

試驗水稻品種為濱稻959，由河北省農林科學院濱海農業研究所選育。

氮肥選用尿素（N含量46%），磷肥選用過磷酸鈣（P2O5含量16%），鉀肥選用硫酸鉀（K2O含量50%）。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 試驗水稻水肥管理措施設6個處理（表1）。其中，常規灌溉方式是在插秧后保持水層7～10 cm，全生育期共灌溉18次，合計灌水量13 800 m3/hm2；節水灌溉方式采用優化干濕交替灌溉，是依據水稻不同生育階段對水分的需求而供水，以調節分蘗與生長，全生育期共灌溉19次，合計灌水量10 800 m3/hm2。優化干濕交替灌溉的水層具體管理方法為：移栽時保持2～3 cm水層，移栽后保持3～5 cm水層，分蘗始期保持2～3 cm水層，分蘗后期晾田或曬田見干，以控制營養生長；幼穗分化期保持2～3 cm水層，幼穗分化后晾田或曬田，灌漿始期保持2～3 cm水層，灌漿后期晾田曬田，以促根防早衰。磷肥和鉀肥全部底施；氮肥分5次平均施用，分別是底肥1次、返青期1次、分蘗—拔節孕穗期2次、抽穗期1次。小區面積48 m2，隨機排列，3次重復，小區之間打埂并做防滲處理。

2019年6月6日移栽水稻，平均行距29.6 cm、穴距18.5 cm，秧苗苗齡40 d；10月31日收獲。試驗年度水稻生育期降水量為440.9 mm，全年降水量為542.9 mm（圖 1），其中7～9月降水量為 421.3 mm，占生育期降水量的95.55%，占全年降水量的77.6%。

1.3.2 測定項目與方法

1.3.2.1 基礎土壤指標。水稻移栽前，采用“S”型取樣法采集0～20 cm耕層基礎土樣，測定土壤pH值以及有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量。其中，pH值測定采用PH計法；有機質含量測定采用重鉻酸鉀容量法；全氮含量測定采用凱氏法；有效磷含量測定采用alson法；速效鉀含量測定采用火焰光度法[18]。

表1 不同處理的水肥管理方案Table 1 Designs of irrigation and fertilization of different treatments

圖1 2019年的日降水量Fig.1 Daily precipitation of 2019

1.3.2.2 水稻指標。水稻生長季，記錄灌溉水量。移栽后第4天每小區均選擇長勢均勻的稻株20穴進行標記，定點、定期調查莖蘗（穗）數量，直至成熟前。計算成穗率（穗數/最大分蘗數×100%）和無效分蘗率（100%-成穗率）。

成熟期，每小區均選取10穴，調查穗粒數、結實率和千粒重；其余未破壞性取樣的部分去掉邊行后收獲，測定實際產量。

1.3.3 數據統計分析 利用Excel軟件進行統計和數據作圖處理，利用DPS軟件進行重復間數據的顯著度比較分析。

2 結果與分析

2.1 節水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻分蘗動態及成穗的影響

2.1.1 對水稻分蘗動態的影響 氮肥不足影響水稻的分蘗數量（圖2）。與不施用氮肥的CK0相比，5個施氮處理各時期的分蘗數均顯著增多。

圖2 節水灌溉下不同減施氮肥處理的水稻群體分蘗動態Fig.2 Tillers development dynamics of rice population of different treatments of reducing nitrogen application rate under water saving irrigation

適量水氮配合能夠促進水稻分蘗的發生。與常規水肥管理的CK2相比，節水灌溉條件下，在分蘗高峰期之前水稻分蘗數隨施氮量的增大而增多。而施氮量與CK1相同、水量為常規灌溉量的CK2，相同時期下水稻分蘗數均低于CK1。表明適量的水氮配合促進了水稻分蘗的發生，而過量水分會抑制水稻分蘗。

氮肥不足或過量還影響水稻分蘗高峰的到達時間和分蘗數量。各處理均在6月19日進入快速分蘗盛期，但不同處理分蘗高峰的到達時間和分蘗數量不盡相同。CK0的分蘗高峰出現在7月1日，最高分蘗數為162.89萬個/hm2；7月1日之后分蘗數開始衰減。T1和T2處理的分蘗高峰均出現在7月8日，最高分蘗數分別為224.62萬和235.57萬個/hm2；7月8日之后分蘗數開始衰減。而氮肥用量較高的3個處理（T3、CK1、CK2）均在7月15日達到分蘗高峰，最高分蘗數分別為248.36萬、273.12萬和266.25萬個/hm2；7月15日之后分蘗數開始衰減。自7月1日開始，CK1的分蘗數均顯著＞CK2，表明氮肥過量時過多水分在一定程度上會抑制水稻分蘗的發生。

2.1.2 對水稻成穗和無效分蘗的影響 氮肥不足和過量均會影響水稻的單位面積穗數、成穗率和無效分蘗率（圖3）。不同處理的總莖數和單位面積穗數順序均為 T2＞T3＞CK1＞T1＞CK2＞CK0，成穗率順序為 CK0＞T2＞T1＞T3＞CK1＞CK2，無效分蘗率順序為 CK2＞CK1＞T3＞T1＞T2＞CK0，基本趨勢表現為，節水灌溉條件下，在一定的施氮量范圍內，單位面積穗數隨著施氮量的增大而逐漸增多，氮肥過量后群體穗數和成穗率均隨施氮量的增大而降低；無效分蘗率隨著氮肥用量的增多而逐漸增大。CK1的成穗率＞CK2，表明水分過量由于抑制了分蘗的發生，進而影響到單位面積穗數的增多。所有處理中，CK0的成穗率（97.68%）最高，且無效分蘗率（2.32%）最低，與該處理單位面積穗數最少有關。施肥條件下，T2處理成穗率（93.20%）最高且與CK0差異不顯著，無效分蘗率（6.80%）最低，因此認為是比較科學的水氮組合。可以看出，優化干濕交替灌溉氮肥用量減少30%的處理可以促進水稻植株分蘗，增加有效分蘗成穗率，減少無效分蘗。

圖3 節水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻成穗率和無效分蘗率的影響Fig.3 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on panicle rate and invalidtiller rate of rice under water saving irrigation

2.2 節水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻產量及產量性狀的影響

2.2.1 對水稻產量的影響 施氮處理的水稻產量均顯著＞CK0（圖4），表明不施氮肥會導致產量明顯降低。

圖4 節水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻產量的影響Fig.4 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on yield of rice under water saving irrigation

不同施氮處理的產量差異較大。節水灌溉條件下，隨著施氮量的增大，水稻產量呈先增加后降低的變化，其中T2處理產量最高，達到了11 439.10 kg/hm2，分別較CK0、CK1增產36.11%和7.52%，差異均達到了顯著水平；分別較T1、T3處理增產3.63%和4.10%，但差異均不顯著。表明節水灌溉下水稻最高產量的氮肥用量是較農民習慣用量減少30%，但該產量水平下仍具有一定的減氮潛力。CK1較CK2增產1.11%，但差異不顯著，表明在農民習慣施氮量條件下采用優化干濕交替節水灌溉的產量水平能夠達到農民習慣灌溉的產量水平，即優化干濕交替節水灌溉具有節水、穩產的效果。

2.2.2 對水稻產量構成因子的影響 施氮處理的水稻單位面積穗數和穗粒數均顯著＞CK0；結實率均＞CK0，其中減施氮肥的3個處理與CK0差異均達到了顯著水平；千粒重均＜CK0（表2）。表明施用氮肥可明顯促進水稻群體穗數和穗粒數增多，提高結實率，但不利于千粒重的提高。

不同施氮處理的單位面積穗數、穗粒數、結實率和千粒重差異較大。節水灌溉條件下，隨著施氮量的增大，單位面積穗數、穗粒數和結實率均呈先增加后降低的變化，其中，T2處理的指標值均為最高，與T3處理差異均不顯著，但均顯著＞CK2和T1處理，且穗粒數和結實率均顯著＞CK1；千粒重變化規律不明顯，其中T2處理的指標值與CK0差異不顯著。表明氮肥不足或過量均會影響水稻群體穗數、穗粒數和結實率，適量水氮配合會促進水稻群體穗數和穗粒數增加，提高結實率，保證千粒重，其中T2處理效果最好。節水灌溉下施氮量較農民習慣用量減少30%處理的各項產量構成指標均最好，與CK0相比，單位面積穗數、穗粒數和結實率均顯著提高，而千粒重降低不明；與CK2相比，明顯增加群體穗數（7.37%）、穗粒數（6.77%）和結實率（6.89%），千粒重略有提高。

表2 節水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻產量構成因子的影響Table 2 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on yield components of rice under water saving irrigation

CK1的群體穗數、穗粒數、結實率和千粒重與CK2差異均不顯著，表明在農民習慣施氮量條件下采用優化干濕交替節水灌溉的產量構成因子水平能夠達到農民習慣灌溉的產量構成因子水平，即優化干濕交替節水灌溉具有節水、穩定產量構成因子的效果。

2.3 節水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻經濟效益的影響

經濟效益是反映肥料配方效果的重要指標之一。不施用氮肥的CK0雖然投入成本最低，但由于產量最低致使產值最低，最終經濟效益為-2 348.58元/hm2，遠遠低于5個施肥處理（表3）。常規水氮處理的CK2，由于投入成本最高，最終經濟效益僅為786元/hm2，明顯低于節水灌溉方式的各施肥處理。節水灌溉條件下，隨著施氮量的增加，水稻經濟效益呈先增加后降低的變化，其中，T2處理的經濟效益最高，達到了4 932.32元/hm2。與農民習慣水氮管理（CK2）相比，T2處理水稻產值增加2 384.78元/hm2，且減少氮肥用量30%、節省灌溉水21.74%，最終節本增效總收益為4 146.14元/hm2，具有良好的經濟效益和生態效益。

表3 節水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻經濟效益的影響Table 3 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on economic beneficial of rice

3 結論與討論

有資料顯示，水稻全生育期的需水量為2310m3/hm2，蒸發量為3 735 m3/hm2，分別占全生育期總用水量的11%和17%；而滲漏量多達15 660 m3/hm2，占全生育期總用水量的72%。由此可見，水稻生產中大量的灌溉水是消耗在蒸發和滲漏上[19～21]。與此同時，伴隨著灌溉水的大量損失，肥料過量特別是氮肥過量損失的問題亦十分突出。本研究區域農民習慣施氮量高達360～450 kg/hm2，但從養分吸收角度來看，實現水稻產量水平10 500～11 250 kg/hm2的氮素需求量約為255 kg/hm2。研究實證與優化干濕交替節水栽培相匹配的科學減氮量，綜合調控水稻的水氮需求，對改變北方水稻水氮過量的生產現狀具有現實意義。

水分和養分是影響水稻分蘗的2個重要因素。分蘗早生快發，爭取低位蘗有利于增產[22～25]。水稻分蘗期對水分比較敏感，淺灌有利于分蘗。在溫度26～33℃、土壤持水量為80%時分蘗最多，溫度低于20℃且土壤持水量達100%時分蘗最少[26]。優化干濕交替灌溉的水層管理是依據不同時期水稻對水分的需求進行的，可以促進分蘗（CK1的分蘗數和收獲穗數均多于CK2），對促進水稻有效分蘗具有顯著作用。此外，養分也是影響水稻分蘗的重要因素，水稻施氮量對群體分蘗數和有效分蘗影響較大。水稻施氮量過大時分蘗高峰期延遲，且隨著施氮量的增大，無效分蘗數增加，有效分蘗成穗率下降。減少前期氮肥用量有利于提高水稻的有效穗數，同時，施用粒肥能夠促進水稻灌漿，提高千粒重[27，28]。水稻無效分蘗死亡時會將其體內的碳、氮同化物轉移至有效分蘗。

水氮過量均會使有效分蘗成穗率降低；合理水氮配置能夠增加穗粒數，提高結實率以及水稻產量和效益。與當前研究區農民習慣水氮管理相比，優化干濕交替節水灌溉下，施氮量較農民習慣用量減少30%處理的有效分蘗成穗率為93.20%，群體穗數、穗粒數、結實率分別提高7.37%、6.77%和6.89%，增產8.72%，經濟效益提升4 146.14元/hm2，且氮肥用量減少30%，肥料投入節省261.36元/hm2，灌溉水節約21.7%，具有良好的經濟和生態效益，是當前合理的水氮管理方法，可用于指導相似類型區水稻生態栽培。