氮肥運籌對蘇打鹽堿地水稻養(yǎng)分積累、轉(zhuǎn)運及產(chǎn)量的影響

呂艷東，徐令旗，姜紅芳，蘭宇辰，安懿亮，崔致遠，張佳檸，趙海紅，李紅宇，錢永德，郭曉紅

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學院/黑龍江省教育廳寒地作物種質(zhì)改良與栽培重點實驗室，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154007)

耕地作為糧食生產(chǎn)的物質(zhì)基礎，是不可復制的農(nóng)業(yè)自然資源。目前，面對穩(wěn)定糧食種植面積的壓力，日顯稀缺的耕地資源已成為中國糧食安全的瓶頸[1]。據(jù)估計2025年前中國需要在較少的耕地上增收50%以上的優(yōu)質(zhì)稻米，才可以確保糧食安全[2]。蘇打鹽堿土以碳酸鹽(Na2CO3和NaHCO3)為主要鹽分，其土壤堿性較強，物理性狀惡劣，是一種退化的逆境土壤環(huán)境。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(qū)，且有逐年擴大的趨勢[3]。該區(qū)擁有為國家增產(chǎn)5千萬噸糧食能力的后備土地資源。水稻作為中國乃至世界主要的糧食作物之一[4]，常常被視為鹽堿地改良的先鋒作物。氮素是水稻生長發(fā)育過程中所必需的大量元素之一，且由于“養(yǎng)分的不可替代性”[5]，它的豐缺程度直接影響水稻的生化代謝、生理特征、養(yǎng)分間的協(xié)同吸收利用及最終產(chǎn)量的形成。因此，研究氮肥運籌方式對蘇打鹽堿地水稻養(yǎng)分積累轉(zhuǎn)運及生產(chǎn)效率的影響，對鹽堿地水稻生產(chǎn)具有重要的指導意義。諸多學者展開了肥料種類[6-8]、耕作方式[9]以及水氮互作[10]等影響水稻氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收的研究。朱啟東等[5]和陳新紅等[11]研究表明，合理的施用氮肥可保證作物體內(nèi)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。雋英華等[12]研究認為后期二次追施氮肥能提高水稻的光合速率和根系活力，促進了水稻養(yǎng)分的吸收。但針對中低產(chǎn)田尤其是蘇打鹽堿土稻田氮肥管理及植株對養(yǎng)分吸收利用的研究相對較少。本研究在黑龍江省西部蘇打鹽堿地，于2017—2018年，以墾粳7號和墾粳8號為試驗材料，設置5種氮肥運籌方式：不施氮肥、農(nóng)民習慣施氮、平衡施氮、減氮施肥和氮肥后移，開展大田試驗研究，試圖揭示氮肥運籌對水稻氮磷鉀養(yǎng)分吸收、轉(zhuǎn)運以及生產(chǎn)效率的影響。通過合理的施用氮肥來提高水稻養(yǎng)分利用效率，實現(xiàn)鹽堿地水稻的可持續(xù)發(fā)展。

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(46°40′ N，125°07′ E)大田條件下進行。該地區(qū)屬北溫帶大陸性季風氣候區(qū)，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3.1 g·kg-1。2017—2018年試驗地0～20 cm土層土壤養(yǎng)分狀況見表1。

表1 土壤基礎養(yǎng)分狀況Table 1 Basic nutrient status of soil

1.2 試驗設計和田間管理

試驗采用隨機區(qū)組設計，通過實地農(nóng)戶調(diào)研確定當?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施氮量以及施氮時期，設置5種氮肥運籌，即：不施氮肥(N0)、農(nóng)民習慣施氮(N1,CK)、平衡施氮(N2)、減氮施肥(N3)、氮肥后移(N4)。氮肥為尿素，含N 46.4%。N1(CK)氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=6∶4∶0比例施入；N2和N3氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3比例施入，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∶分蘗肥∶穗肥=5∶3∶2比例施入，穗肥以保花肥一次施入；基肥于移栽前7 d左右(2017年5月10日，2018年5月9日)施入，N1分蘗肥于移栽后20 d左右(2017年6月7日，2018年6月6日)施入，N2、N3、N4分蘗肥在返青期(2017年5月24日，2018年5月21日)施入，促花肥在倒4葉長出一半時(2017年6月25日，2018年6月20日)施入，保花肥在倒2葉長出一半時(2017年7月10日，2018年7月10日)施入，具體施氮量見表2。各處理磷肥為重過磷酸鈣，含P2O546%，總量為70 kg·hm-2，作基肥一次施入。鉀肥為硫酸鉀，含K2O 50%，總量為90 kg·hm-2，按基肥∶保花肥=7∶3的比例施入。各小區(qū)面積為126 m2，3次重復。

表2 氮肥運籌試驗設計/(kg·hm-2)Table 2 Experimental design of nitrogen fertilization managements

供試品種為粳稻品種墾粳7號和墾粳8號，由黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)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(qū)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。插秧及本田管理按常規(guī)進行。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 產(chǎn)量測定 各小區(qū)選擇長勢均勻的4點，割取5 m2水稻，脫谷、曬干、風選后測定實際產(chǎn)量。

1.3.2 植株氮、磷和鉀含量測定 各小區(qū)分別于齊穗期和成熟期按平均莖蘗數(shù)取有代表性植株4穴，去根后將所有樣品置于105℃烘箱殺青30 min，80℃烘干至恒重后，用LG-50型粉碎機(瑞安市百信制藥機械有限公司)將其分別粉碎，并過0.20 mm孔徑篩，供分析用。采用KjeltecTM8400全自動凱氏定氮儀(丹麥FOSS公司)測定氮，用釩鉬黃比色法測定磷，用火焰光度法測定鉀。

1.4 指標計算方法

采用吳文革等[13]的方法進行氮、磷、鉀素吸收與生產(chǎn)效率的計算。

(1)氮(磷、鉀)素積累量(kg·hm-2)=地上部植株干物質(zhì)量×地上部植株含氮(磷、鉀)率

(2)氮(磷、鉀)素轉(zhuǎn)運量(kg·hm-2)=齊穗期地上部植株氮(磷、鉀)素積累量-成熟期地上部植株氮(磷、鉀)素積累量

(3)氮(磷、鉀)素轉(zhuǎn)運率(%)=氮(磷、鉀)素轉(zhuǎn)運量/齊穗期氮(磷、鉀)素積累量×100

(4)氮(磷、鉀)素稻谷生產(chǎn)效率(kg·kg-1)=產(chǎn)量(t·hm-2)/地上部氮(磷、鉀)素總積累量(kg·hm-2)/1000

(5)氮(磷、鉀)素收獲指數(shù)(%)=成熟期穗部氮(磷、鉀)素積累量/植株地上部氮(磷、鉀)素積累總量×100

(6)100 kg籽粒吸氮(磷、鉀)量=成熟期植株氮(磷、鉀)積累量(kg·hm-2)/水稻產(chǎn)量(t·hm-2)/10

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

應用 Microsoft Excel 2016 進行數(shù)據(jù)處理，采用DPS 7.05進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用LSD法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥運籌對蘇打鹽堿地水稻氮素積累與轉(zhuǎn)運的影響

2.1.1 氮素積累量 氮肥運籌對水稻齊穗期和成熟期地上部植株氮素積累量有顯著影響(圖1)。N2處理下齊穗期和成熟期的氮素積累量最高，平均分別達到168.40 kg·hm-2和187.01 kg·hm-2，較N1處理分別提高了43.56%和35.38%(P<0.05)；其次是N3，齊穗期和成熟期的氮素積累量平均分別達到139.18 kg·hm-2和156.05 kg·hm-2，較N1平均分別提高了18.65%和12.97%，差異均達顯著水平；而N4處理下齊穗期和成熟期植株氮素積累量較N1平均分別降低了17.05%和15.60%(P<0.05)。此外，齊穗期植株的氮素積累量低于成熟期氮素積累量。

2.1.2 氮素轉(zhuǎn)運及稻谷生產(chǎn)效率、氮素收獲指數(shù) 由表3可知，兩品種產(chǎn)量均以N2處理最高，平均達到9.03 kg·hm-2，較N1處理提高了11.11%，N3次之，產(chǎn)量較N1提高了5.54%，而N4產(chǎn)量較N1平均降低了10.19%(P<0.05)。氮素轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率和氮素收獲指數(shù)均呈現(xiàn)出N2>N3>N1>N4>N0，但氮素稻谷生產(chǎn)效率則呈相反的趨勢。從氮素轉(zhuǎn)運來看，N2和N3的氮素轉(zhuǎn)運量較N1平均分別提高了55.54%和23.51%(P<0.05)，氮素轉(zhuǎn)運效率分別提高了12.75%和5.17%，氮素收獲指數(shù)分別提高了6.04%和1.88%；N4的氮素轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運效率和氮素收獲指數(shù)較N1平均分別降低了28.92%、15.29%和3.42%，且兩處理的氮素轉(zhuǎn)運率差異達顯著水平。從氮素稻谷生產(chǎn)效率來看，N2和N3處理的氮素稻谷生產(chǎn)效率較N1降低了13.12%和3.92%。

表3 不同氮肥運籌下水稻氮素積累與轉(zhuǎn)運效率Table 3 Nitrogen accumulation and transport efficiency of rice under different nitrogen fertilization managements

2.1.3 100 kg籽粒吸氮量 由圖2可以看出，氮肥運籌下兩年兩品種的100 kg籽粒吸氮量的變化趨勢較為一致，均在N2處理下值最大，墾粳7號和墾粳8號的100 kg籽粒吸氮量平均分別為1.84 kg和1.92 kg，較N1分別提高了9.85%和20.44%，其中墾粳8號兩處理間差異達顯著水平；N3的100 kg籽粒吸氮量較N1略有提高，但差異不顯著，而N4 100 kg籽粒吸氮量較N1平均降低了6.74%。

2.2 氮肥運籌對蘇打鹽堿地水稻磷素積累與轉(zhuǎn)運的影響

2.2.1 磷素積累量 由圖3可知，氮肥運籌對水稻齊穗期和成熟期地上部植株磷素積累量有顯著的影響。與N1相比，N2和N3處理顯著提高了齊穗期和灌漿盛期的磷素積累量，其中，N2齊穗期和成熟期的磷素積累量平均分別提高了38.52%和27.38%，N3提高了13.28%和12.67%。N4的齊穗期和成熟期的磷素積累量較N1平均分別降低了11.34%和17.42%，在成熟期差異均達顯著水平。

2.2.2 磷素轉(zhuǎn)運及稻谷生產(chǎn)效率、磷素收獲指數(shù) 氮肥運籌下水稻磷素轉(zhuǎn)運及生產(chǎn)效率的變化如表4所示。從磷素轉(zhuǎn)運來看，N2的磷素轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運效率最大，較N1平均分別提高了60.03%和19.72%(P<0.05)；其次是N3，磷素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率較N1分別提高了26.17%和11.01%，但僅在2017年間兩處理差異達顯著水平；而N4的磷素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率均低于N1。從磷素稻谷生產(chǎn)效率來看，N2和N3處理磷素稻谷生產(chǎn)效率較N1平均分別降低了7.61%和3.71%，N4則提高了9.71%，但差異均未達顯著水平。從磷素收獲指數(shù)來看，N2和N3處理的磷素收獲指數(shù)較N1平均分別提高了5.13%和3.57%，N4的磷素收獲指數(shù)則降低了4.88%。

表4 氮肥運籌下蘇打鹽堿地水稻磷素積累與轉(zhuǎn)運效率Table 4 Phosphorus accumulation and transport efficiency of rice under different nitrogen fertilization managements

2.2.3 100 kg籽粒吸磷量 氮肥運籌下水稻100 kg籽粒吸磷量的變化如圖4所示，N2處理下100 kg籽粒吸磷量最高，較N1平均提高了8.49%，尤其是在2018年兩處理差異達顯著水平；其次是N3，較N1平均提高了3.67%，但差異未達顯著水平；N4的100 kg籽粒吸磷量低于N1，平均降低了8.72%，差異未達顯著水平。

2.3 氮肥運籌對水稻鉀素積累與生產(chǎn)效率的影響

2.3.1 鉀素積累量 由圖5可知，N2處理下齊穗期和成熟期的鉀素積累量最高，平均分別達到240.30 kg·hm-2和243.81 kg·hm-2，較N1分別提高了38.39%和26.21%，差異達顯著水平；其次是N3，齊穗期和成熟期的鉀素積累量平均分別達到193.37 kg·hm-2和213.25 kg·hm-2，較N1平均分別提高了11.36%和10.39%(P<0.05)；而N4的齊穗期和成熟期植株鉀素積累量較N1平均分別降低了13.0%和11.76%，差異達顯著水平。

2.3.2 鉀素轉(zhuǎn)運及稻谷生產(chǎn)效率、鉀素收獲指數(shù) 氮肥運籌下水稻鉀素轉(zhuǎn)運及生產(chǎn)效率見表5。從鉀素轉(zhuǎn)運來看，與N1相比，N2和N3提高了鉀素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率，尤其是N2鉀轉(zhuǎn)運量較N1平均提高了43.07%(P<0.05)；而N4降低了鉀素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率。從鉀素稻谷生產(chǎn)效率來看，N2和N3鉀素稻谷生產(chǎn)效率均低于N1，平均分別降低了6.77%和1.48%，N4則提高了2.46%，但差異均未達顯著水平。從鉀素收獲指數(shù)來看，N2和N3鉀素收獲指數(shù)較N1略有提高，但差異未達顯著水平，而N4鉀素收獲指數(shù)低于N1。

表5 不同氮肥運籌下水稻鉀素積累與生產(chǎn)效率Table 5 Potassium accumulation and productivity of rice under different nitrogen fertilization managements

2.3.3 100 kg籽粒吸鉀量 由圖6可知，兩年兩品種的100 kg籽粒吸鉀量變化趨勢較為一致，表現(xiàn)出N2>N3>N1>N4>N0，N2處理下墾粳7號和墾粳8號100 kg籽粒吸氮量平均分別為2.31 kg和2.79 kg，較N1分別提高了4.76%和14.65%，其中墾粳8號兩處理間差異達顯著水平；N3處理下墾粳7號和墾粳8號100 kg籽粒吸氮量較N1分別提高了2.04%和3.24%，且墾粳8號N3和N1間差異達顯著水平；N4與N1處理間差異未達顯著水平。

3 討 論

氮肥運籌作為調(diào)控水稻群體發(fā)育的重要措施，其均衡施用是實現(xiàn)水稻高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。林晶晶等[14]研究表明，水稻的分蘗數(shù)取決于前期的氮素吸收量，而成穗數(shù)的差異與穗氮肥的施用量相關(guān)，增施穗氮肥有助于鞏固前期有效分蘗，提高成穗率，并減少和防止穎花的退化。本研究結(jié)果表明，平衡施氮和減氮施肥較農(nóng)民習慣施氮均有明顯的增產(chǎn)效果，而氮肥后移施氮方式顯著降低了水稻產(chǎn)量。這與沈淳等[15]研究得出適當提高后期穗肥施氮量，維持了一定數(shù)量的有效穗數(shù)，提高水稻成穗率以及結(jié)實率，進而提高產(chǎn)量這一結(jié)果較為一致。說明適當降低基肥施氮量，早施分蘗肥，利于水稻前期的營養(yǎng)生長早生快發(fā)，且穗氮肥分兩次施用與土壤養(yǎng)分的釋放形成互補，延長了水稻生育后期的養(yǎng)分有效供應，促進了水稻枝梗和穎花的分化，同時防止穎化的退化，為水稻獲得高產(chǎn)奠定了基礎。而農(nóng)民習慣施氮方式過量地施用基肥雖然利于水稻前期分蘗的增加，但忽視后期穗氮肥的施用，降低了穗粒結(jié)構(gòu)的發(fā)育，不利于水稻增產(chǎn)。此外，平衡施氮的增產(chǎn)效果優(yōu)于減氮施肥，推測在蘇打鹽堿地條件下，保證一定的氮肥施用量更利于充分發(fā)揮耐鹽堿水稻品種的增產(chǎn)優(yōu)勢。

氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收積累與分配對水稻產(chǎn)量的形成至關(guān)重要。前人研究表明，合理的氮肥運籌[16-17]和實地氮肥管理(SSNM)技術(shù)[18-20]均能夠促進成熟期水稻氮、磷、鉀素總累積量及產(chǎn)量的顯著增加。白志剛等[21]研究發(fā)現(xiàn)，通過氮肥后移能夠促進水稻體內(nèi)氮素的積累與轉(zhuǎn)運，實現(xiàn)氮素養(yǎng)分供應與植株氮需求的同步。本研究進一步表明，平衡施氮和減氮施肥不但顯著提高了水稻齊穗期與成熟期的氮素積累量，而且還提高了植株對磷素和鉀素的積累，同時促進齊穗至成熟養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運效率以及氮、磷、鉀素收獲指數(shù)，這是氮肥的適當后移、穗肥分兩次施用共同作用的結(jié)果，有效保障了水稻整個生育期的養(yǎng)分需求，促進養(yǎng)分的吸收利用，這也是水稻高產(chǎn)的關(guān)鍵所在。尤其平衡施氮方式影響效果更為顯著，可進一步發(fā)揮耐鹽堿品種的優(yōu)勢。孫永健等[22]研究表明，協(xié)調(diào)氮素基蘗肥與穗肥比例可促進水稻氮、磷、鉀各養(yǎng)分在抽穗前的協(xié)同吸收效應，促進結(jié)實期養(yǎng)分向籽粒中轉(zhuǎn)運，并促進增產(chǎn)。本研究中各施氮方式的施磷、鉀量一致，平衡施氮和減氮施肥的磷、鉀積累量則均高于農(nóng)民習慣施氮，推測合理的氮肥運籌可促進蘇打鹽堿地水稻氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收利用的協(xié)同提高。

產(chǎn)量的差異不僅與養(yǎng)分積累有關(guān)，與生產(chǎn)單位產(chǎn)量植株養(yǎng)分吸收能力即100 kg籽粒吸氮、磷、鉀量也密切相關(guān)。100 kg籽粒吸氮、磷、鉀量是衡量養(yǎng)分生產(chǎn)效率的一個重要參數(shù)[23]，且有研究表明，100 kg籽粒吸氮量與氮素稻谷生產(chǎn)效率極顯著負相關(guān)[24-25]。本研究中，與農(nóng)民習慣施氮相比，平衡施氮和減氮施肥雖降低了稻谷養(yǎng)分生產(chǎn)效率，而100 kg籽粒吸氮、磷、鉀量卻有所提高；而氮肥后移的100 kg籽粒吸養(yǎng)分量和養(yǎng)分稻谷生產(chǎn)效率變化呈相反的趨勢。在一定范圍內(nèi)，產(chǎn)量隨養(yǎng)分積累量的增加而增加，而平衡施氮和減氮施肥增加了穗肥的施氮比例，提高了水稻對養(yǎng)分的吸收能力，使產(chǎn)量增加的速率低于養(yǎng)分積累的速率，從而導致稻谷養(yǎng)分生產(chǎn)效率降低,這與Liu等[26]研究結(jié)果較為一致。

4 結(jié) 論

與農(nóng)民習慣施氮相比，平衡施氮和減氮施肥通過合理的施氮時期與施氮量相結(jié)合，促進蘇打鹽堿地水稻植株對氮、磷和鉀的積累，提高了水稻100 kg籽粒吸氮、磷、鉀量以及養(yǎng)分收獲指數(shù)，尤其是平衡施氮更能充分發(fā)揮耐鹽堿品種的優(yōu)勢，實現(xiàn)蘇打鹽堿地水稻對養(yǎng)分的吸收與積累，達到增產(chǎn)高效的目的。