減氮增鋅對水稻產(chǎn)量、氮素吸收及土壤無機氮的影響

尹彩俠，李 前，孔麗麗，侯云鵬，秦裕波，王 蒙，劉志全

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 東北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室/吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,吉林 長春 130033)

水稻是我國的主要糧食作物,全國有近60%的人口以稻米為主食,因此水稻在我國糧食安全中占有重要的地位[1]。近年來,隨著水稻高產(chǎn)栽培技術(shù)的應(yīng)用與完善,水稻產(chǎn)量呈逐年增加的趨勢,其中化肥養(yǎng)分投入為水稻持續(xù)增產(chǎn)做出了重要貢獻。但是近幾年來,農(nóng)民為了追求高產(chǎn)不斷地增加氮肥的投入量,而氮肥的過量施用已造成了糧食生產(chǎn)成本增高、氮肥利用率降低、田地微量元素缺乏、土壤質(zhì)量退化、農(nóng)業(yè)面源污染等一系列不良的反應(yīng)[2，3]。如何在保持水稻穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)上降低氮肥的施用量,充分發(fā)揮氮肥的作用效率是目前需要解決的問題。鋅是許多酶的組成成分,對蛋白質(zhì)合成、碳水化合物代謝等具有重要的意義。鋅也是作物生長發(fā)育所必需的微量營養(yǎng)元素[4，5]。胡時友等[6，7]的研究結(jié)果表明中微量元素配合施用既能提高水稻的產(chǎn)量,又能降低氮磷肥的用量,提高肥料利用率。魏義長等[8-11]研究發(fā)現(xiàn),施鋅可以增加水稻的成穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重,產(chǎn)量較對照有極顯著的增加。彭文勇等[12，13]的研究表明平衡施用氮、磷、鋅肥可有效緩解水稻幼苗養(yǎng)分缺乏等環(huán)境脅迫,促進水稻根系和地上部生長,還可以調(diào)節(jié)礦質(zhì)營養(yǎng)在水稻籽粒中的積累,提高稻米品質(zhì)。我們在較常規(guī)施肥大幅度降低氮肥用量的條件下系統(tǒng)地研究了氮鋅互作對水稻產(chǎn)量、氮肥效率、氮素吸收與轉(zhuǎn)運以及土壤無機氮的影響,旨在為水稻減肥增效工程提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018～2019年在吉林省梅河口市海龍鎮(zhèn)進行,該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,位于吉林省東南部。試驗田為水稻連作區(qū),供試土壤為白漿土,0～20 cm耕層土壤的基礎(chǔ)肥力狀況為:堿解氮138.1 mg/kg,速效磷33.4 mg/kg,速效鉀145 mg/kg,有機質(zhì)33.5 g/kg, pH 6.8,有效鋅0.89 mg/kg。

1.2 試驗材料與設(shè)計

試驗設(shè)4個處理,分別為不施氮肥(CK)、常規(guī)施肥(FP)、推薦施氮(OPT,較FP減氮20%)、在推薦施氮的基礎(chǔ)上增施鋅肥(OPT+Zn,施氮量同OPT)。每個處理3次重復(fù),小區(qū)隨機排列，小區(qū)面積30 m2。供試水稻品種為東稻3,其種植密度為17萬穴/hm2。試驗用氮肥為普通尿素(N 46%),磷肥為重過磷酸鈣(P2O546%),鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%),鋅肥為農(nóng)用硫酸鋅(ZnO 22%)。

常規(guī)施肥處理(FP)的氮肥施用比例為基肥∶分蘗肥∶抽穗肥=60%∶30%∶10%,磷、鉀肥全部于整地時一次性施入。推薦施肥各處理的氮肥施用比例為基肥∶分蘗肥∶抽穗肥=50%∶40%∶10%,鉀肥的施用比例為基肥∶抽穗肥=70%∶30%,所有磷肥、鋅肥全部于整地時一次性施入。具體施肥量見表1。

表1 試驗處理及其各肥料的施用量

1.3 樣品采集與分析方法

分別于水稻返青期、分蘗期、抽穗期、灌漿期和成熟期采取植株樣品,每小區(qū)選取有代表性的植株3穴(返青期30穴),并將灌漿期和成熟期的植株樣品分為莖葉和籽粒兩部分。將樣品于105 ℃下殺青30 min后,再在80 ℃下烘干至恒重；將烘干的樣品粉碎后,采用凱氏定氮法測定植株的全氮含量。在成熟期每個小區(qū)選取5穴水稻，對產(chǎn)量構(gòu)成因素(有效穗數(shù)、實粒數(shù)、千粒重、結(jié)實率)進行調(diào)查,并且各小區(qū)均收獲10 m2水稻進行測產(chǎn),按14.5%水分折算產(chǎn)量。

1.4 相關(guān)指標(biāo)的計算及數(shù)據(jù)分析

氮肥農(nóng)學(xué)利用率=(施氮肥處理的籽粒產(chǎn)量-不施氮肥處理的籽粒產(chǎn)量)/施氮量;

氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量;

氮肥利用率=(施氮肥區(qū)地上部總吸氮量-不施氮肥區(qū)地上部總吸氮量)/施氮量×100;

氮素轉(zhuǎn)運量=抽穗期氮素累積量-成熟期營養(yǎng)體氮素累積量;

氮素轉(zhuǎn)運率=氮素轉(zhuǎn)運量/抽穗期營養(yǎng)體氮素累積量×100%;

氮素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率=氮素轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒氮素累積量×100%。

采用Microsoft Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理和作圖,采用SAS 9.0軟件進行方差分析和差異多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

氮肥是影響水稻產(chǎn)量構(gòu)成的主要因素。表2表明,與不施氮肥(CK)相比,施用氮肥可顯著地提高水稻的產(chǎn)量、有效穗數(shù)和穗粒數(shù),且水稻產(chǎn)量在年際和處理間的差異均達到了顯著水平,水稻產(chǎn)量的年際和處理的交互作用也達到了顯著水平,這表明產(chǎn)量的變異主要是由年際和施氮處理間的差異造成的。CK的結(jié)實率顯著高于施氮各處理,這可能是由于不施氮肥造成了有效穗數(shù)和穗粒數(shù)的減少。推薦施肥各處理的有效穗數(shù)均高于常規(guī)施肥處理(FP)。與FP處理相比,OPT+Zn處理顯著地增加了水稻產(chǎn)量,2018年和2019年的增產(chǎn)率分別為8.6%和6.7%,達顯著水平；OPT處理的水稻產(chǎn)量次之。可見,在較常規(guī)施肥減少氮肥用量20%的基礎(chǔ)上適當(dāng)增施鋅肥不僅節(jié)省了投入成本,還顯著地增加了水稻產(chǎn)量。

表2 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

變異來源差異顯著性產(chǎn)量有效穗數(shù)穗粒數(shù)結(jié)實率千粒重施氮方式??????NS年際??NSNSNS?施氮方式×年際??????

2.2 不同施肥處理對水稻氮肥利用效率的影響

從表3可以看出,OPT和OPT+Zn處理的水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥利用率均顯著高于FP處理的(P<0.05),其中以O(shè)PT+Zn處理的提高幅度最顯著。2018年和2019年OPT+Zn處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率分別較FP處理提高了8.7 kg/kg (87.9%)和6.7 kg/kg (56.8%),氮肥偏生產(chǎn)力較FP處理分別提高了14.9 kg/kg (35.8%)和14.6 kg/kg (33.5%),氮肥利用率較FP處理分別提高了13.2和11.5個百分點。可見,減氮增鋅可以顯著地提高氮肥的利用效率。

表3 不同施肥處理對氮肥利用效率的影響

2.3 不同施肥處理對水稻氮素累積的影響

隨著水稻生育時期的推移,水稻氮素積累量逐漸增加。圖1結(jié)果表明,施肥各處理水稻的氮素積累量顯著高于不施氮肥對照(CK)。從分蘗期至抽穗期氮素的積累量呈快速增長趨勢,隨后緩慢上升,直至成熟期；在年際間各生育期的氮素積累量差異不顯著。2年結(jié)果表明,各生育時期OPT+Zn處理的氮素積累量趨勢一致,均呈現(xiàn)出最高值,其中在成熟期的氮素積累量為174.6 kg/hm2,較FP處理增加了4.3%；其次為OPT處理。說明在推薦施氮量的基礎(chǔ)上適量增施鋅肥能夠促進水稻對氮素的吸收與轉(zhuǎn)化,有利于籽粒的形成。

圖1 不同施肥處理水稻各生育期氮素積累的動態(tài)變化

2.4 不同施肥處理對水稻營養(yǎng)器官養(yǎng)分轉(zhuǎn)運的影響

養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率是營養(yǎng)體養(yǎng)分向籽粒轉(zhuǎn)移量的重要指標(biāo)。表4結(jié)果表明,施氮各處理水稻的氮素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率均顯著高于不施氮肥對照，其中2018年OPT+Zn處理的氮素轉(zhuǎn)運量及其對籽粒氮的貢獻率均最高,分別較FP處理提高了20.9%和13.5個百分點,差異達到顯著水平(P<0.05)；其次為OPT處理,但與FP處理間的差異不顯著。可見,減氮增鋅可以促進氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移,起到增加水稻產(chǎn)量的作用。

表4 不同施氮處理水稻植株的氮素轉(zhuǎn)運特征

2.5 不同施肥處理對土壤無機氮含量的影響

由圖2可知,在水稻收獲期,稻田土壤無機氮含量因不同施肥方式而存在差異,各處理均以60～90 cm土層土壤的無機氮含量最低,以0～30 cm土層的含量最高,其中OPT和OPT+Zn處理土壤的無機氮含量均較FP處理有所降低,在2018、2019年,0～30 cm土層土壤的無機氮含量分別降低了16.3%、19.8%和8.1%、18.2%;30～60 cm土層土壤的無機氮含量分別降低了11.9%、28.2%和9.4%、28.6%;60～90 cm土層土壤的無機氮含量分別降低了12.5%、24.8%和20.5%、35.4%。OPT+Zn處理各土層土壤的無機氮含量均為最低,說明降低氮肥用量并適量配施鋅肥可以促進水稻對土壤氮素的吸收利用,減少無機氮向土壤下層的淋溶遷移,有利于控制農(nóng)業(yè)的面源污染。

圖2 不同施肥處理稻田土壤無機氮含量的動態(tài)變化

3 小結(jié)

氮是影響水稻產(chǎn)量的主要養(yǎng)分限制因子,鋅也是潛在的養(yǎng)分限制因子[14-17]。因此,在鋅有效含量較低的土壤上合理地增施鋅肥可以促進水稻對氮、磷等大量元素的吸收利用,有效地增加水稻產(chǎn)量。王曉波[18-20]等研究發(fā)現(xiàn),鋅對水稻的生長發(fā)育起著至關(guān)重要的作用,它與氮磷配施可以增強水稻的光合作用,增加株高、單株分蘗數(shù)和葉片數(shù),顯著地提高水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)。本試驗結(jié)果表明：推薦施肥各處理水稻的有效穗數(shù)均高于常規(guī)施肥(FP)處理；水稻產(chǎn)量在年際和處理間的差異均達到了顯著水平；與FP相比,OPT+Zn處理顯著增加了水稻產(chǎn)量(平均增產(chǎn)7.7%),氮肥農(nóng)學(xué)利用率提高72.4%,氮肥偏生產(chǎn)力提高34.7%,氮肥利用率提高12.4個百分點；與常規(guī)施肥相比,在推薦施氮量的基礎(chǔ)上適量地增施鋅肥增加了水稻的氮素積累量,促進了水稻對氮素的吸收與轉(zhuǎn)化,有利于水稻籽粒的形成。

土壤養(yǎng)分含量是評價土壤供肥能力的主要指標(biāo),其在很大程度上決定著作物對養(yǎng)分的吸收情況以及作物的產(chǎn)量和品質(zhì),但過量施用某種養(yǎng)分也會引發(fā)水體富營養(yǎng)化等農(nóng)業(yè)面源污染,從而給生態(tài)環(huán)境帶來安全隱患[21-23],因此更應(yīng)該關(guān)注肥料養(yǎng)分在土壤中的殘留。本研究結(jié)果顯示,氮肥與鋅肥合理配施能有效降低0～90 cm土壤無機氮的含量,相較于常規(guī)施氮,0～30 cm、30～60 cm、60～90 cm土層土壤的無機氮含量分別降低了28.2%、28.6%和35.4%,大大降低了無機氮向下層淋溶的風(fēng)險。

綜上所述,在本試驗條件下,在較常規(guī)施肥減少氮肥用量20%的基礎(chǔ)上適量地配施鋅肥,不僅可以增加水稻產(chǎn)量，提高氮肥利用效率,還可以增強水稻的氮素積累與轉(zhuǎn)運效率,減輕水稻收獲后的土壤氮殘留污染。