控釋尿素側深施對機械精量穴直播水稻產量形成與氮肥利用效率的影響

褚光，徐冉，陳松，徐春梅，王丹英，章秀福

（中國水稻研究所水稻生物學國家重點實驗室，浙江杭州 311400）

水稻（Oryza sativa L.）是我國主要糧食作物之一，穩定水稻產量，對保障糧食安全具有重要戰略意義。改革開放特別是本世紀以來，隨著農村城鎮化的推進和發展，糧食生產的比較效益日趨降低。農村勞動力，尤其是青壯年勞動力加速向城鎮轉移，我國農村非農就業人口從1978年的2 320萬人增長到2016年的15 153萬人。目前，人們對優質稻米需求增長和農村勞動力短缺的矛盾，使我國水稻生產模式從傳統的散戶種植向規模化、機械化、輕簡化轉變［1，2］。

水稻直播是近年來在我國迅速擴大的一種輕簡栽培技術。該技術省去了育秧、拔秧、運秧、栽秧等主要作業環節，整地后直接播撒稻種，有顯著的省工、省力、高效優勢［3，4］。但農業主管部門內部對直播稻的爭論較大。持肯定態度者認為，伴隨農村產業結構調整的持續深入，發展直播稻符合當前農村的實際情況；但不可盲目、粗獷、無序的發展，需制定合理的發展目標與方向，良種良法相配套，推動直播稻生產健康、穩定發展。持否定態度者則認為，直播稻是一種原始的生產方式，是一種“懶田”行為，對我國糧食安全和農業可持續發展具有嚴重威脅。盡管存在較大的爭論，但我國直播稻仍在質疑聲中不斷前行，種植面積逐年攀升。

近年，華南農業大學羅錫文院士團隊研制了水稻精量穴直播機，并與中國水稻研究所栽培團隊合作研發了配套栽培技術體系。水稻精量穴直播機及其配套栽培技術基于農機、農藝融合，在技術創新、機具發明和農藝創建三方面取得了顯著成效［5］。目前，該項技術發明已在國內26個省、市、自治區以及泰國、老撾、緬甸、越南、柬埔寨和意大利等國推廣，為水稻機械化、輕簡化種植提供了先進的技術，引領了全國水稻機械化直播技術的發展。

氮素是影響水稻產量形成最關鍵的栽培因素。近年來，隨著品種改良與氮肥投入的持續增加，我國水稻單產已超過6.6 t／hm2，高出世界平均水平55%，這對于我國糧食安全與社會穩定起到了十分重要的作用［6］。但目前我國稻田單季氮肥用量平均為185 kg／hm2，比世界平均用量高約75%［7］。過高的氮肥投入，不僅降低了氮肥利用率，還會造成一系列不良的環境反應。因此，如何通過合理的氮肥投入與氮肥運籌，提高水稻單產與氮素利用效率，是農業生產需要解決的重大課題。側深施肥技術與緩／控釋肥的應用是實現肥料利用率和稻谷產量協同提高的有效途徑［8-10］。截至目前，控釋尿素側深施對機械精量穴直播水稻產量形成與氮肥利用效率的影響尚不清楚。為此，本研究以尿素和控釋尿素為氮源，開展機械側深施氮試驗，以期明確側深施肥技術對水稻產量以及氮肥利用效率的影響，為水稻輕簡高效生產提供理論依據與技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗于2018—2019年在中國水稻研究所富陽基地試驗農場進行（119°55′E，30°04′N）。土壤為黏性水稻土，2年水稻移栽前土壤含有機質50.20 g／kg、全氮2.42 g／kg、全磷0.68 g／kg、全鉀19.70 g／kg、堿解氮260.00 mg／kg、銨態氮9.26 mg／kg、有效磷25.20 mg／kg、速效鉀51.00 mg／kg。水稻移栽至成熟期的氣象數據如表1所示。

表1 2018-2019年試驗區水稻生長期降水量、日照以及平均氣溫Table 1 Monthly totals precipitation and sunshine hours，and averages temperatures during the growing seasons for rice from 2018 to 2019

1.2 供試材料與試驗設計

水稻品種為超大穗型秈／粳雜交稻品種甬優1540，播種至成熟生育期為155 d。氮肥類型為尿素（N含量≥46.7%，中化化肥控股有限公司生產）和控釋尿素（N含量≥41.6%，金正大生態工程集團股份有限公司生產，25℃釋放期為60 d）。試驗采用完全隨機區組設計，小區面積12 m×10 m，3次重復。相鄰小區之間筑田埂并用黑色塑料薄膜覆蓋，以防肥水串灌。設置3種施氮方式，即：N0.不施用氮肥；UB.氮源為尿素，施用量折合純氮200 kg／hm2，按基肥∶分蘗肥∶促花肥∶保花肥＝4∶2∶2∶2比例施用，均為人工撒施；CDP.氮源為控釋尿素，施用量折合純氮180 kg／hm2，在播種時作基肥1次機械側深施。不同處理磷、鉀肥施用量相同，基施過磷酸鈣（含P2O513.5%，浙江江山塔峰化肥廠生產）445 kg／hm2；氯化鉀（含K2O 62.5%，中農集團控股有限公司生產）120 kg／hm2，在移栽前1 d和拔節期分2次施用，2次用量相等。2年試驗，水稻生育期較接近。水稻經催芽露白后于6月1日采用上海世達爾公司生產的2-BD型水稻機械精量穴直播機直播，株行距為33 cm×16.5 cm，每穴3～5粒稻種，播種量為22.5 kg／hm2，8月28-29日齊穗，10月30日收獲。按照文獻［11］的方法，全生育期嚴格控制病蟲草害。

1.3 取樣與測定

（1）莖蘗動態與莖蘗成穗率。分別于拔節期、齊穗期、成熟期調查各小區莖蘗數，每小區考察100穴植株，并按照文獻［11］的方法計算莖蘗成穗率。

（2）干物質量與作物生長速率。與上述相同時期，按平均莖蘗數取6穴植株，分成莖鞘、葉片（綠葉與枯葉）與穗（拔節期除外），先將分解后的植株置于烘箱中105℃殺青30 min，再將烘箱溫度調至70℃，恒溫72 h烘干稱重，按照文獻［12］的方法計算作物生長速率（Crop growth rate，CGR）。

（3）葉面積指數與光合勢。與上述相同時期，用Li-Cor 3050型葉面積儀測定植株葉面積，并根據文獻［11］的方法計算光合勢（Leaf area duration，LAD）。

（4）劍葉凈光合速率。在齊穗后12、24、36 d，于9∶00采用Li-Cor 6400便攜式光合測定儀測定劍葉光合速率，期間天氣晴朗無風。葉室CO2濃度為380μmol／mol，使用紅藍光源，光量子通量密度（PFD）為1 400μmol／m2·s，溫度28～30℃。各處理重復測定6張葉片。

（5）根系氧化力。與測定劍葉凈光合速率的相同時期，挖取3穴水稻根系用于測定根系氧化力。根系取樣與根系氧化力測定均參照文獻［12］的方法。

（6）考種與計產。成熟期各小區考察50穴植株的有效穗數，并按平均有效穗數取10穴用于測定結實率和千粒質量，各小區實收計產。

1.4 數據處理

采用以下公式計算各參數：

莖蘗成穗率（%）＝成熟期有效穗數／拔節期莖蘗數×100

氮肥農學利用效率（kg／kg）＝（施氮區籽粒產量-不施氮區籽粒產量）／施氮量

氮肥吸收利用率（%）＝（成熟期施氮區地上部氮素積累量-成熟期不施氮區地上部氮素積累量）／施氮量×100

氮素稻谷生產效率（kg／kg）＝籽粒產量／成熟期地上部氮素積累量

式中：L1和L2為前后兩次測定的葉面積（m2／m2）；T1和T2為前后測定的時間（d）。

式中：W1和W2為前后兩次測定的地上部干物質量（g／m2）；T1和T2為前后測定的時間（d）。

用SAS／STAT統計軟件（Version 6.12，SAS Institute，Cary，NC，USA）進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 產量及其構成要素

施氮方式能顯著影響水稻產量及產量構成因素。與UB相比，CDP處理顯著增加水稻產量，增幅為5.1%～5.7%。CDP的總穎花量較UB顯著降低，主要是單位面積穗數的降低導致總穎花量的降低，每穗粒數在CDP與UB間沒有顯著差異（表2）。CDP的結實率與千粒質量均較UB有大幅提升，這是其產量增加的主要原因。

表2 不同施氮方式的水稻產量及其構成因素比較Table 2 Comparison of grain yield and its yield components under different N managements

2.2 植株吸氮量與氮素利用效率

與N0相比，UB與CDP植株吸氮量顯著提高，但UB與CDP間并沒有顯著差異（表3）。與UB相比，CDP的氮肥農學利用效率、氮肥吸收利用率以及氮素稻谷生產效率均顯著提高。

表3 2018-2019年不同施氮方式的水稻氮肥利用效率比較Table 3 Comparison of nitrogen use efficiency of rice under different N managements from 2018 to 2019

2.3 莖蘗數與莖蘗成穗率

與N0相比，UB與CDP顯著增加了水稻生育期的莖蘗數，但莖蘗成穗率卻顯著降低。CDP的莖蘗數在拔節期、齊穗期與成熟期均顯著低于UB，而莖蘗成穗率則較UB顯著提高（表4）。說明CDP可以在生育前期將有限的氮素資源更多的集中到有效分蘗上，進而獲得較高的產量與氮肥利用效率。

表4 2018-2019年不同施氮方式處理的水稻莖蘗數與莖蘗成穗率比較Table 4 Comparison of number of tillers and percentage of productive tillers under different N managements from 2018 to 2019

2.4 干物質量與作物生長速率

施氮方式對水稻主要生育期的地上部干物質量與作物生長速率均有影響（表5）。與N0相比，UB與CDP能顯著提高整個生育期的地上部干物質量與作物生長速率。CDP處理拔節期的地上部干物質量及拔節前的作物生長速率均顯著低于UB，齊穗期與成熟期的地上部干物質量及拔節—齊穗和齊穗—成熟的作物生長速率與UB無顯著差異。

表5 2018-2019年不同施氮方式處理的水稻干物質量與作物生長速率（CGR）比較Table 5 Comparison of shoot dry weight and crop growth rate（CGR）of rice under different N managements from 2018 to 2019

2.5 葉面積指數與光合勢

施氮方式對水稻主要生育期的葉面積指數及光合勢均有影響（表6）。與N0相比，UB與CDP顯著提高了整個生育期的葉面積指數與光合勢。CDP處理拔節期的葉面積指數、拔節前的光合勢均顯著低于UB，齊穗期的葉面積指數、拔節—齊穗的光合勢與UB無顯著差異，而成熟期的葉面積指數以及齊穗—成熟的光合勢則顯著高于UB。

表6 2018-2019年不同施氮方式處理的水稻葉面積指數（LAI）與光合勢（LAD）比較Table 6 Comparison of leaf area index（LAI）and leaf area duration（LAD）of rice under different N managements from 2018 to 2019

2.6 根系氧化力與劍葉凈光合速率

施氮方式對水稻灌漿期的根系氧化力與劍葉凈光合速率均有影響（表7）。灌漿早期3種施氮方式的根系氧化力無顯著差異。與N0相比，UB與CDP顯著提高了灌漿中期與后期水稻根系氧化力。CDP的根系氧化力在灌漿中期與UB無顯著差異，但灌漿后期顯著高于UB。同期還測定了劍葉凈光合速率，其變化規律與根系氧化力一致。

表7 2018-2019年不同施氮方式處理的灌漿期水稻根系氧化力與劍葉凈光合速率比較Table 7 Comparison of ROA and flag leaf photosynthetic rate of rice after heading under different N managements from 2018 to 2019

3 討論

當前我國水稻生產中肥料的施用方式以速效肥料表面撒施為主，養分流失嚴重。機械側深施肥技術，通過機械將養分精準送達水稻根區，減少了養分損失，促進植株對根際氮素的吸收，進而提高產量與氮肥利用效率。朱從樺等［8］發現，機械側深施肥替代傳統撒施能夠顯著增加機插水稻干物質積累量，增加有效穗數，提高水稻氮素吸收量，提高灌漿結實期莖葉氮素表觀轉移量和干物質轉移量，同步提高水稻產量和氮肥吸收利用率。近年來，緩／控肥料的研發與推廣迅速展開。緩／控肥料利用多種調控機制使養分按照設定的釋放速率和周期緩慢或控制釋放，以滿足作物在一定生長季內對養分的需求，可有效降低施肥勞動強度、提高肥料利用率。很多研究指出，施用緩／控釋肥料可顯著降低稻田表層水中銨態氮的含量，減少氮素因氨揮發而損失，提高葉片氮代謝酶活性，改善根系構型，延緩根系衰老，協同提高水稻產量與氮肥利用效率［13-16］。本研究表明，與UB相比，CDP處理可顯著提高水稻產量與氮肥利用效率。

有效穗數是水稻高產形成的重要因素。有效穗的多寡，取決于水稻分蘗的多少和莖蘗成穗率。前人研究表明，控制無效分蘗，提高莖蘗成穗率，是塑造高質量水稻群體的有效途徑［17-19］。本研究中，與UB相比，CDP處理顯著降低了水稻拔節期與齊穗期的莖蘗數和成熟期的有效穗數，從而顯著提高了莖蘗成穗率。控釋肥料機械側深施可以減少無效分蘗的發生，將更多的養分集中到有效穗上去。無效分蘗的減少有利于改善群體的通風透光條件，有利于抽穗后物質的生產與積累，進而提高產量與氮肥利用效率。

每穗穎花數是水稻產量構成的另一重要因素。一般認為，在長江中下游稻區實現超高產的主要途徑是主攻大穗［20，21］。生產實踐中，主要通過采取施用速效氮肥調控水稻穎花的形成，即在穗軸分化期、雌雄蕊分化期至減數分裂前期分2次施用尿素，前者為促花肥，促進穎花多分化，后者為保花肥，可減少穎花退化，從而利于大穗形成。在本研究中，UB處理的氮肥運籌方式按基肥∶分蘗肥∶促花肥∶保花肥＝4∶2∶2∶2比例施用，其每穗粒數高達315粒以上。CDP處理則是將控釋尿素在移栽前1次深施，但UB與CDP處理水稻每穗穎花數之間并無顯著差異。說明控釋尿素深施盡管減少了氮肥的施用次數，但在穎花形成方面卻可以達到相似的效果，從而實現省工節本增效。

籽粒灌漿是水稻產量形成的最后階段，是粒重、產量及稻米品質的決定性階段［22］。水稻籽粒灌漿所需的光合同化產物來源于兩方面：花后功能葉片的光合作用以及花前儲存在莖和其他器官（主要為葉鞘）中的非結構性碳水化合物［23］。其中，灌漿物質有近90%來源于葉片的光合作用。因此，維持灌漿期較高的葉片光合作用能力，延緩植株衰老，對于水稻籽粒充實具有重要的影響。本研究中，與UB相比，CDP處理顯著提高了齊穗至成熟期的LAD與CGR，提高地上部葉片凈光合速率并延長葉片光合作用時間，提升花后干物質生產能力，促進籽粒灌漿。此外，CDP處理可顯著提高灌漿期根系氧化力，延緩根系衰老。健壯的根系不僅可以從土壤中汲取更多的水分與養分，而且可以合成并向地上部輸送植物內源激素，調控地上部生長發育；另一方面，地上部植株又可以保證充足的碳水化合物輸送至根部，從而維持根系強大的生理活性［24，25］。因此，推測控釋尿素機械側深施可以改善灌漿期植株生長發育，延緩根系衰老，促進籽粒灌漿。

4 結論

與尿素面施相比，控釋尿素機械側深施可抑制生育前期無效分蘗的發生，提高莖蘗成穗率；提高生育中后期水稻光合勢與作物生長速率，促進干物質積累；提高灌漿期劍葉凈光合速率與根系活性，延緩植株衰老，促進籽粒灌漿。控釋尿素機械側深施是提高機械精量穴直播水稻產量和氮素利用的有效施肥方法。