氮肥運籌對蘇打鹽堿地水稻養分積累、轉運及分配的影響

姜紅芳，蘭宇辰，王鶴瓔，徐令旗，李 猛，趙 洋，李曉蕾，劉旭瑩，呂艷東，郭曉紅*

（1．黑龍江八一農墾大學農學院，黑龍江省現代農業栽培技術與作物種質改良重點實驗室，黑龍江 大慶 163319；2．牡丹江市農業技術推廣總站，黑龍江 牡丹江 157000；3．北大荒墾豐種業股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090）

糧食安全是事關國計和社會穩定的首要問題，隨著社會發展和城市化進程的加快，耕地面積正逐漸逼近耕地紅線，耕地資源的日顯稀缺已成為我國糧食安全的瓶頸［1］。我國現有鹽堿地面積約為9 913 萬hm2，松嫩平原作為中國第二大平原，其蘇打鹽堿地面積高達342 萬hm2，主要分布在吉林省和黑龍江省西部地區，且有逐年擴大的趨勢［2-3］。該區具備為國家增產千億斤糧食能力的后備土地資源。水稻作為中國三大糧食作物之一，其高產、穩產對保障國家糧食安全至關重要。多年農業生產實踐證明，鹽堿地種稻是一項土壤改良與利用的有效措施，也是提高糧食產量的重要途經［4-6］。因此，鹽堿地種稻不僅擴大水稻種植面積，而且提高水稻總產量，是當前和今后一段時間農業研究的一個熱點問題。

氮、磷、鉀是水稻生長發育中必不可少的三大營養元素，其豐缺程度直接影響水稻的生化代謝、生理特征、養分間的協同吸收利用及最終產量的形成［7］。為此，針對水稻氮、磷、鉀養分吸收利用的研究，諸多學者在肥料種類［8-9］，耕作方式［10-11］，水氮互作［12］等方面開展了大量工作，姚單君等［13］研究發現腐殖酸尿素可有效促進水稻秸稈氮、磷、鉀的吸收與積累，同時提高了氮、磷、鉀的吸收利用效率，減少土壤中養分流失；唐海明等［10］研究表明土壤翻耕、旋耕結合秸稈還田措施有利于水稻植株群體養分的積累與轉運。可見，適宜的農藝調控措施可促進水稻植株氮、磷、鉀養分的累積及協同吸收。此外，Sun 等［14］、Li 等［15］在不同氮效率水稻品種間養分吸收差異的研究認為，增加齊穗至成熟期稻株氮、磷、鉀的積累量可充分發揮氮高效品種的優勢，利于水稻產量的提高。關于氮肥運籌對水稻養分吸收利用的研究多集中于氮素的吸收、積累與利用方面［16-18］，且研究表明通過合理氮肥運籌可提高稻株氮素積累量，促進水稻產量提高。但在蘇打鹽堿地條件下氮肥運籌對水稻氮、磷、鉀養分吸收與利用的研究鮮有報道。鑒于此，本研究針對黑龍江省蘇打鹽堿地區，農民在水稻實際生產管理中傾向于氮肥的前重型分配的問題。通過改變施氮量、施氮比例及施氮時期，深入研究氮肥運籌下蘇打鹽堿地水稻齊穗期和成熟期各器官氮、磷、鉀養分積累特點以及齊穗至成熟期營養器官養分轉運、分配規律以及各養分間轉運的關系，以期完善蘇打鹽堿地水稻氮肥施用方式，為提高水稻產量及養分的高效利用提供理論基礎和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017 ～2018 年在黑龍江省大慶市王家圍子水稻試驗基地（125°07′E，46°40′N）大田條件下進行。該地區屬北溫帶大陸性季風氣候區，水稻種植以連作為主，一年一熟制。供試稻田土壤為蘇打鹽堿土，可溶性鹽含量為0.31%。2017 ～2018年試驗地0 ～20 cm 耕層土壤性狀如表1 所示。

表1 土壤pH 值、有機質及養分狀況

1.2 試驗設計和田間管理

采用隨機區組試驗設計，通過實地農戶調研確定當地農民常規施氮量以及施氮時期，根據徐一戎等［19］提出的“前重、中輕、后補”施氮原則，設置5 種氮肥運籌，即:不施氮肥（N0）、農民常規施氮（N1）、平衡施氮（N2）、減氮處理（N3）、平衡氮肥前移（N4），其中N0 用于計算氮肥利用效率，以N1 作為對照，氮肥為尿素，含N 46.4%，氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥=6∶3∶1 施入，其中穗肥以促花肥一次施入；N2 和N3 氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥=4∶3∶3 施入，N3 在N2 基礎上減少10%施氮量，穗肥分成促花肥和保花肥以1∶2 的比例施入；N4 氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥=5∶3∶2 比例施入，穗肥以保花肥一次施入。各處理基肥于移栽前7 d 施入；N1 蘗肥和促花肥分別于移栽后20 d 和移栽后40 d 施入；N2、N3、N4 蘗肥在返青期施入，促花肥在倒四葉長出一半時施入，保花肥在倒二葉長出一半時施入。具體施氮時期及施氮量見表2。各處理磷肥為重過磷酸鈣，含P2O546%，總量為70 kg/hm2，作基肥一次施入。鉀肥為硫酸鉀，含K2O 50%；總量為90 kg/hm2，按基肥∶保花肥以7∶3 施入。各小區面積為126 m2，3 次重復。

供試品種為粳稻品種，墾粳7 號，由黑龍江八一農墾大學農學院水稻研究中心選育。秧齡3.1進行人工均行插秧，行距30 cm，穴距13.3 cm，每穴4 苗，各試驗小區做埂隔離，水分管理采用單排單灌方式，防止各處理間相互影響。播種日期分別為2017 年4 月17 日和2018 年4 月20 日，移栽日期 分 別 為2017 年5 月18 日 和2018 年5 月17 日，收獲日期分別為2017 年9 月27 日和2018 年9 月20 日。插秧及大田管理按常規進行。

表2 氮肥運籌試驗設計 （kg/hm2）

1.3 測定指標與方法

1.3.1 產量測定

各小區選擇長勢均勻的4 點，割取1 m2水稻，脫谷、曬干、風選后測定實際產量。

1.3.2 植株氮、磷和鉀含量測定

各小區分別于齊穗期和成熟期按平均莖蘗數取有代表性植株4 穴，去根后將植株分葉片、莖鞘和穗，在105 ℃殺青30 min 后，80 ℃烘干至恒重。用LG-50 型粉碎機將水稻地上部各器官分別粉碎，并過0.25 mm 篩，采用KjeltecTM8400 全自動凱氏定氮儀（丹麥）測定氮；用釩鉬黃比色法測定磷；用火焰光度法測定鉀。

1.3.3 相關計算公式

采用吳文革等［20］的方法進行氮、磷、鉀養分積累與轉運的計算。

1.4 數據處理與統計方法

應用 Excel 2016 進行數據處理，用DPS 7.05進行數據統計分析，采用LSD 法進行多重比較（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 氮肥運籌對蘇打鹽堿地水稻產量的影響

氮肥運籌和年份及其互作效應對蘇打鹽堿地水稻實際產量均有顯著影響（表3）。N1、N2、N3 和N4 連續兩年的平均產量分別為8.15 、9.31、8.61和7.50 t/hm2。與N1 相比，N2 和N3 水稻產量得到提高，尤其是N2 平均顯著提高了14.23%；N3 平均提高了5.64%，但差異不顯著；而N4 產量平均顯著下降了7.98%。此外，N2 水稻產量顯著高于N3，高出8.13%。

表3 不同氮肥運籌下蘇打鹽堿地水稻產量的變化

2.2 氮肥運籌對蘇打鹽堿地水稻氮素積累與轉運的影響

2.2.1 水稻各器官氮素積累量的變化

氮肥運籌對齊穗期和成熟期葉片、莖鞘和穗部的氮素積累量有顯著影響（圖1）。齊穗期，氮素在植株體內分配表現為莖鞘最高，葉片次之，穗部最低。與N1 相比，N2 和N3 的葉片、莖鞘、穗部氮素積累量均提高，其中N2 平均分別顯著提高了51.82%、35.53%和55.94%，N3 平均分別提高了25.76%、9.22%和19.57%，葉片和穗部與N1 間差異顯著；而N4 降低了地上部各器官氮素積累量。成熟期，葉片和莖鞘氮積累量不同程度下降，穗部氮積累量大幅度增加，且在成熟期地上部各營養器官的氮素積累量低于穗部氮素積累量，與N1 相比，N2、N3 提高了葉片、莖鞘和穗部氮積累量，尤其是N2 莖鞘和穗氮積累量分別顯著提高了19.86%和37.09%；N4 顯著降低了葉片和穗部氮積累量，莖鞘略有降低，但差異未達顯著水平，表明N2和N3 均具有氮素積累的優勢，且N2 影響效果優于N3。

2.2.2 水稻氮素轉運的變化

圖1 不同氮肥運籌下2017 年和2018 年蘇打鹽堿地水稻各器官氮素積累量的變化

表4 不同氮肥運籌下蘇打鹽堿地水稻氮素轉運的變化

由表4 可知，與N1 相比，N2 和N3 提高了齊穗至成熟期水稻葉片、莖鞘氮素轉運量和轉運率及轉運貢獻率，從而提高了穗部氮素積累量。其中，N2 葉片和莖鞘氮素轉運量、葉片氮素轉運率、氮素轉運貢獻率平均分別顯著提高了83.27%、55.06%、20.26%和21.81%，N3 葉片轉運量平均顯著提高了43.24%。N2 和N3 穗部氮積累量平均分別顯著提高了32.81%和12.18%（除2017 年N2與N1 間差異不顯著）；N4 表現結果則與N2、N3相反，N4 穗部氮積累量平均顯著降低26.43%。此外，葉片氮素轉運率高于莖鞘氮素轉運率，且氮肥運籌對葉片氮轉運率影響大于莖鞘氮轉運率。

2.3 氮肥運籌對蘇打鹽堿地水稻磷素積累與轉運的影響

2.3.1 水稻各器官磷素積累量的變化

氮肥運籌下水稻植株地上部各器官磷素積累量的變化規律與氮素趨于一致（圖2）。在齊穗期前植株吸收的磷素集中于莖鞘和葉片中，齊穗期后開始向穗部轉運，至成熟期穗中磷素積累量表現最高，莖鞘次之，葉片最低。與N1 相比，N2、N3 提高了齊穗期和成熟期地上部各器官的磷素積累量，其中在齊穗期，N2 葉片、莖鞘和穗部平均分別顯著提高了47.32%、36.74%和45.75%，N3 葉片磷素積累量平均顯著提高了22.40%，在成熟期，N2 和N3 穗部磷素積累量平均分別顯著提高了29.60%和18.09%。而N4 在齊穗期和成熟期葉片、莖鞘和穗部磷素積累量均顯著降低（除2017 年成熟期莖鞘）。

圖2 不同氮肥運籌下2017 年和2018 年蘇打鹽堿地水稻各器官磷素積累量的變化

2.3.2 水稻各器官磷素轉運的變化

由表5 可知，氮肥運籌下水稻齊穗至成熟期葉片和莖鞘磷素的轉運以及轉運貢獻率變化與氮素的影響趨勢基本一致，N2 和N3 促進齊穗至成熟期葉片和莖鞘中磷素向穗部中轉運，提高了穗部磷素積累量。與N1 相比，N2 葉片和莖鞘磷素轉運量平均分別顯著提高了71.33%和68.55%，磷轉運貢獻率和穗部磷積累量僅在2018 年顯著提高；N3 葉片磷素轉運量平均顯著提高了38.44%，穗部磷素增加量在2018 年顯著提高了16.80%；N4 葉片和莖鞘磷素轉運量、轉運率、轉運貢獻率以及穗部磷素增加量較N1 相比表現出不同程度的降低。

表5 不同氮肥運籌下蘇打鹽堿地水稻磷素轉運的變化

2.4 氮肥運籌對水稻鉀素積累與轉運的影響

2.4.1 水稻各器官鉀素積累量的變化

由圖3 可知，在齊穗期，地上部各器官鉀素積累量的變化與氮、磷的趨勢較為一致。莖鞘中鉀的積累量明顯高于葉片和穗部，N2 和N3 莖鞘中鉀積累量均高于N1，尤其是N2 平均顯著提高了26.78%，而N4 莖鞘中鉀積累量顯著降低。在成熟期，鉀素的積累在地上部各器官的分配不同于氮、磷，表現為莖鞘中鉀積累量仍維持在較高水平，穗部次之，葉片最低；與N1 相比，N2 和N3提高了地上部各器官磷積累量，尤其是N2 葉片、莖鞘和穗部鉀積累量平均分別顯著提高了35.30%、21.02%和23.85%（除2017 年莖鞘增幅不顯著），說明N2 和N3 利于莖鞘中鉀素的積累，對提高蘇打鹽堿地水稻的抗倒伏性是必要的。

2.4.2 水稻各器官鉀素轉運的變化

氮肥運籌下水稻齊穗-成熟期葉片及莖鞘鉀素轉運如表6 所示。與N1 相比，N2 和N3 提高了葉片、莖鞘鉀素的轉運量，尤其是葉片鉀素轉運量平均分別顯著提高了74.54%和27.24%（除2017 年N3 與N1 間差異不顯著），而N4 顯著降低了葉片和莖鞘鉀素轉運量。從鉀素轉運率來看，N2 和N3葉片和莖鞘轉運率、轉運貢獻率以及穗部鉀積累量均高于N1，與氮和磷表現不同的是，N3 莖鞘鉀素轉運率增幅高于N2，且在2018 年較N1 和N2 平均分別顯著提高了19.37%和13.78%。穗部鉀增加量在N2 處理下平均顯著提高了16.43%，在N3 處理下平均提高了6.61%，在N4 處理下平均顯著降低了15.12%。

2.5 氮肥運籌下蘇打鹽堿地水稻產量與養分積累、轉運的關系

從水稻實際產量與成熟期地上部各器官氮、磷、鉀積累量的線性回歸分析可知（圖4），蘇打鹽堿地水稻實際產量與葉片、莖鞘以及穗部的氮、磷、鉀養分積累量均呈線性正相關，且達到極顯著水平。從葉片養分積累來看，氮素積累量最高，鉀素次之，磷素最低；氮、磷和鉀養分積累與產量間的相關系數分別為0.90、0.92 和0.78。從莖鞘來看，鉀素積累量明顯高于氮和磷；相關系數表現為鉀最高，磷次之，氮最低，說明成熟期莖鞘中鉀積累量維持較高水平與產量有著重要的關系。穗部養分積累量表現氮＞鉀＞磷，而與產量間的相關性表現為鉀＞氮＞磷。

由表7 可知，產量與氮、磷、鉀素轉運貢獻率均呈現正相關關系，其中與鉀素轉運貢獻率的相關性達顯著水平，說明提高氮、磷、鉀養分轉運貢獻率有利于水稻產量的增加。進一步分析氮、磷、鉀養分轉運貢獻率間的關系可知，氮、磷、鉀各養分轉運貢獻率間表現為正相關關系，且氮、磷素轉運貢獻率間的相關性高于氮、鉀素間的相關性，其相關系數為0.95，相關性達極顯著水平。

圖3 不同氮肥運籌下2017 年和2018 年蘇打鹽堿地水稻各器官鉀素積累量的變化

表6 不同氮肥運籌下蘇打鹽堿地水稻鉀素轉運的變化

圖4 氮肥運籌下蘇打鹽堿地水稻產量與成熟期各器官氮、磷、鉀積累量的關系

表7 氮肥運籌下蘇打鹽堿地水稻產量與齊穗至成熟期養分轉運貢獻率的相關分析

3 討論

氮肥運籌作為調控水稻群體發育的重要措施，其均衡施用是實現水稻高效生產的關鍵。黑龍江省蘇打鹽堿地區，農民在水稻的實際生產管理中施氮量過高，且氮肥施用時期不合理是產量普遍偏低的主要原因。而該地區稻田土壤的養分含量變化規律表現為插秧前和小暑至大暑期間土壤養分含量多，插秧至幼穗分化期、孕穗至成熟期間，土壤氮素含量下降，其土壤養分釋放規律與水稻的需肥規律相比，表現為前期不足，中期相差不大，后期略顯不足［21］。而農民的這種傳統施氮方式導致水稻生育后期發生脫肥而早衰，不利于水稻增產。本研究為了平衡該地區土壤養分的釋放規律，設置了“前重、中輕、后補”的平衡施氮方式、基于平衡施氮的減氮處理、氮肥前移的施氮方式，與農民常規施氮方式進行比較研究來明確合理的施氮量、施氮時期及其比例。連續兩年的研究結果表明，平衡施氮和減氮處理均達到增產效果，尤以平衡施氮方式增產最高，而平衡氮肥前移處理降低了水稻產量。平衡施氮和減氮處理降低了基肥施氮量，早施蘗肥，使水稻前期的營養生長早生快發；且穗氮肥于倒四葉施用促花肥為倒三葉和倒二葉時期枝梗和穎花分化提供了養分，同時在倒二葉施用的保花肥防止了穎花的退化。由此可知，穗氮肥分兩次施用與土壤養分的釋放形成互補，延長了水稻生育后期的養分有效供應，從而為水稻獲得高產奠定了基礎。此外，本研究中減氮處理下水稻產量顯著低于平衡施氮，可見，在蘇打鹽堿地條件下，保證氮肥施用量更利于充分發揮耐鹽堿水稻品種的增產優勢。

氮、磷、鉀養分的吸收積累與分配對水稻產量的形成至關重要。江立庚等［22］研究認為水稻植株在齊穗期前氮素積累量大部分集中在葉片，而在成熟期則大部分積累在穗部。本研究進一步表明，從齊穗期到成熟期的過程中，水稻葉片和莖鞘的氮、磷、鉀養分積累量逐漸減少，穗部的氮、磷、鉀養分積累量隨之增加，說明水稻植株在齊穗期后，地上部營養器官中所積累的養分逐漸轉向穗部。孫永健等［23］研究表明，協調氮素基蘗肥與穗肥比例有利于提高氮、磷、鉀各養分在齊穗前的積累，并促進結實期養分向籽粒中轉運，從而提高結實期各營養器官氮、磷、鉀的轉運貢獻率。本研究結果表明，平衡施氮和減氮處理能調控水稻齊穗期與成熟期的養分積累，促進齊穗至成熟期養分的轉運，可實現蘇打鹽堿地水稻高產以及氮、磷、鉀養分吸收利用的協同提高，且能進一步發揮耐鹽堿品種的優勢，尤其平衡施氮方式影響效果更為顯著；同時結合前期的研究報道，平衡施氮和減氮處理養分高效利用的生理基礎可能是由于齊穗至成熟期保持較高的高效葉面積，以及水稻群體的干物質積累量表現為齊穗至成熟期穩定增長；葉、莖和鞘物質積累量以及輸出量、輸出率、轉化率高的群體特征，達到了穗足、庫容（穗粒數）、充實度（千粒重）以及結實率高的產量構成特征，這可能是導致最終不同氮肥運籌下水稻地上部各器官養分積累轉運和產量差異的重要依據；也間接證實了穗肥分促花肥和保花肥兩次施用有效保障了幼穗分化期以后氮素的供應，進而利于穗部養分積累量的提高，充分發揮了氮、磷、鉀協同吸收與利用的耦合效應。這是蘇打鹽堿地水稻高產、養分高效吸收利用的關鍵所在，由于供試土壤為蘇打鹽堿土，因此平衡施氮較減氮處理更能突出優勢。此外，平衡施氮、減氮處理在明顯提高齊穗至成熟期莖鞘鉀素轉運量以及轉運率的基礎上，保證了成熟期水稻植株莖鞘中鉀素積累量仍維持在較高水平，這有利于提高蘇打鹽堿地水稻的抗倒伏性；但平衡施氮下莖鞘鉀素轉運率低于減氮處理，這一結果與李木英等［24］研究中認為莖中鉀素下降不利于植株后期的抗倒伏，增施氮肥能抑制水稻莖中鉀的輸出率較為相似。

氮素是植物體內多種化合物的物質基礎，其供應狀況與植物體內各種物質及能量的轉化密切相關。閆湘等［25］研究表明，缺乏某種養分會限制其他養分發揮作用而影響產量，保證作物生長期間所需的各種養分均衡供給可以避免此種狀況發生。前人通過分析水稻氮、磷、鉀養分間的協同性一致認為［26-27］，合理的施用氮肥可保證作物體內積累充足的氮素，使作物更好地進行各種代謝過程，進而促進對磷、鉀素的吸收利用。田秀英等［28］研究也證實氮、鉀間，磷、鉀間呈現正交互作用。本研究通過與農民常規施氮方式比較發現，平衡施氮和減氮處理在促進水稻對氮素的吸收積累與轉運的同時水稻對磷、鉀的吸收積累與轉運能力也得到提高。孫永健等［29］研究表明水稻氮、磷、鉀積累量與產量間表現極顯著正相關。本研究結果表明，水稻實際產量與成熟期葉片、莖鞘以及穗部的氮、磷、鉀養分積累量呈極顯著正相關，同時，水稻齊穗至成熟期植株氮、磷、鉀養分轉運貢獻率間存在協同性，且與產量間存在正相關關系，利于獲得高產。但氮和磷間協同性高于氮和鉀間的相關性，因此，分析本試驗蘇打鹽堿地氮肥運籌條件下的養分吸收利用的特點，在生產實踐中應注重于后期的養分供應，并考慮氮肥與磷肥間的配施。

4 結論

綜上所述，氮肥運籌對蘇打鹽堿地水稻產量以及氮、磷、鉀吸收和利用有顯著影響。平衡施氮和減氮處理通過合理的施氮時期與施氮量相結合，充分發揮了耐鹽堿品種的優勢，促進蘇打鹽堿地水稻植株對氮、磷和鉀的吸收，從而提高水稻各器官對氮、磷和鉀的積累能力，實現蘇打鹽堿地水稻對養分的高效吸收與利用，達到增產高效的目的。為提高水稻產量及養分的高效利用提供理論支持。