不同施氮量對臨沂地區水稻光合速率、氮肥轉化效率及產量的影響

馮尚宗,丁效東,王世偉,李重陽,程冬冬,張士榮,周 偉

(1 臨沂市農業技術推廣服務中心,臨沂276000;2 青島農業大學,青島266109;3 山東農業大學,泰安271018)

水稻是我國重要的糧食作物之一,據報道,水稻產量達到我國糧食總產量的50%[1]。 氮素是水稻生長的必需大量元素,是水稻體內有機化合物的重要組成部分[2],參與作物對其他養分的吸收與平衡等[3-5],可顯著促進水稻分蘗,提高產量。 過量施用氮肥會導致氮肥利用率降低,水稻抗逆性能下降[6],出現貪青晚熟[7],葉片光合作用降低等現象,影響水稻的產量[8-11]。

臨沂稻區是山東省主要稻區,主要種植麥茬稻,水稻生長前中期雨熱同步,生長后期光照充足,晝夜溫差大,適于優質、高產水稻生產。 本研究通過探究不同施氮水平下水稻生長特點和產量表現,旨在為臨沂及周邊稻區水稻生產合理施用氮肥提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

品種為‘臨稻16’。 2017 年于山東省臨沂市河東區合勝水稻種植合作社試驗地進行播種,播種量110 g∕盤,5 月25 日機械育秧,7 月7 日機械插秧,行距30 cm,穴距12.5 cm,3—4 苗∕穴,510 盤∕hm2,10 月26 日收獲。 7 月20 日,每667 m2試驗地噴施5%井崗霉素200 mL+1.8%阿維菌素乳劑40 mL+天達牌“2116”1 包;8 月15 日,每667 m2噴施40%稻瘟靈乳油80 mL+430 g∕L 戊唑醇懸浮劑10 mL+10%氯苯蟲酰胺懸浮劑20 mL+天達牌“2116”1 包。 試驗期間灌溉7 次,每次均澆至水面8 cm。

1.2 試驗設計

試驗肥料選用尿素、硫酸鉀、過磷酸鈣。 采用隨機區組試驗,按施氮量不同,設N0(0 kg∕hm2,空白對照)、N1(120 kg∕hm2)、N2(240 kg∕hm2)、N3(360 kg∕hm2)4 個處理;機插,每個處理小區面積為600 m2(30 m×20 m)。 各小區間作田埂分開,田埂覆膜以防肥水串灌,各處理單排單灌,重復3 次。 磷(P2O5)和鉀(K2O)施用量分別為120 kg∕hm2和150 kg∕hm2。 氮肥運籌按照基肥∶分蘗肥∶穗肥為5∶2∶3的比例施用,磷肥全部作為基肥施用,鉀肥分基肥和穗肥施用,施用量各占50%。 其他管理措施按常規栽培要求實施。

1.3 指標測定

光合指標:采用LI6400 光合儀測定,每個小區選取代表性植株最頂層全展葉2 個,在乳熟期的晴天上午9:00—11:30 測定水稻植株葉片中部的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率等。

產量:收獲前每小區調查30 穴(按照平均數法取5 穴進行考種),計算單位面積穗數、成穗率、穗粒數、結實率、千粒重和產量。 每小區收割100 穴,曬干后稱重,測定干稻谷的水分含量。

植株氮素含量:采用凱氏定氮法測定。 吸收氮素含量按照農學利用率計算,測定莖、葉、穗干重,粉碎后測定莖、葉、穗含氮量。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對水稻產量及其構成因素的影響

由表1 可知,不同處理水稻穗長差異不顯著,在14.4—14.8 cm;隨著施氮量的增加,千粒重呈現先升高后下降的趨勢,N1 處理千粒重最高,達到32.7 g,但與N2 處理無顯著差異。 隨著施氮量提高,有效穗數從293.3 萬∕hm2增加到386.9 萬∕hm2。 不同處理水稻結實率差異顯著,且隨著施氮量的增高,結實率顯著下降。 N2 處理單穗粒重最高,低氮處理(N1)次之,高氮處理(N3)比空白對照(CK)單穗粒重低0.11 g。 施肥處理產量顯著高于空白處理,以施氮量N2 處理最有利于水稻增產,相對于空白對照,增產率達到48.1%。 N1 和N3 產量處理間無顯著性差異,分別比對照增產33.1%和31.9%。

表1 不同施氮量處理對水稻產量及其構成因素的影響Table 1 Effects of different nitrogen application rates on rice yield and its components

2.2 不同施氮量對水稻產量、地上部生物產量及氮濃度的影響

在低氮條件下,隨著施氮量的增加,水稻籽粒產量和秸稈生物量逐漸增加,N2 處理水稻籽粒產量和秸稈生物量最高,分別為10 805.1 kg∕hm2、11 509.725 kg∕hm2(圖1a)。 N3 處理籽粒含氮量最高,達8.06 g∕kg,N1、N2、N3 處理籽粒含氮量顯著高于N0 處理,N1、N2 處理間差異不顯著。 隨著施氮水平的增加,秸稈含氮量逐漸增加,N1、N2、N3 處理顯著高于N0 處理,但N1、N2、N3 處理間差異不顯著(圖1b)。

圖1 不同施氮量對‘臨稻16’產量、地上部生物量及氮濃度的影響Fig.1 Effects of different nitrogen application rates on yield,above-ground biomass and nitrogen concentration of‘Lin Rice 16’

2.3 不同施氮量對水稻氮肥利用效率的影響

由表2 可知,隨著施氮量增加,氮素利用率顯著下降,N1 處理氮素利用率最高,達到78.32%,其次為N2 處理,N3 處理氮素利用率僅為23.70%。 氮肥吸收效率以N3 處理與未施氮肥處理最大,為1.40 kg∕kg,分別較N1 和N2 處理提高了91.8%和211.1%。 籽粒需氮量從高到低依次為N1 處理、N3 處理、N2 處理、未施氮肥處理。

表2 不同施氮量處理對‘臨稻16’氮肥利用效率的影響Table 2 Effects of different nitrogen application treatments on nitrogen use efficiency of ‘Lin Rice 16’

2.4 不同施氮量對水稻旗葉光合參數變化的影響

隨著氮肥施用量的增加,光合速率顯著升高,說明氮肥的施用對水稻光合速率的促進作用較大,但氮肥施用量到達240 kg∕hm2之后,光合速率無明顯增加(圖2a);胞間二氧化碳濃度(Ci)與光合速率呈現負相關的變化,胞間二氧化碳濃度越高光合速率越低。 隨著氮肥的施用量增加,胞間二氧化碳濃度逐漸降低(圖2b);氣孔導度和蒸騰速率的變化與光合速率的變化趨勢一致(圖2c 和d)。

圖2 不同施氮量處理對水稻旗葉光合參數的影響Fig.2 Changes of photosynthetic parameters in flag leaves of rice under different nitrogen application rates

3 討論

氮素是植物生長所需的三大營養元素之一,在土壤-植物-動物生態系統中起著不可替代的作用[12]。增施氮肥是水稻增產的重要措施,但過量施用不僅會影響水稻的產量和品質,還會對環境造成污染。 本研究表明,不同施氮量對水稻千粒重影響較大;不同處理間水稻結實率差異顯著,且隨著施氮量的增高,結實率顯著下降,這與林洪鑫等[13]研究結果相似;施氮量120 kg∕hm2和240 kg∕hm2時,水稻單穗粒重顯著高于空白處理,施氮量240 kg∕hm2時水稻單穗粒重相對較高,高氮處理(360 kg∕hm2)比低氮處理(120 kg∕hm2)水稻單穗粒重小,表明水稻單穗粒重隨著施氮量增加呈現先增加后降低的趨勢[14]。 水稻在一定范圍內增施氮肥具有明顯的增產作用,但超過一定范圍就會產生負效應,導致減產[15],其原因可能是高氮條件下植株葉鞘和莖稈內儲藏的氮素較高,植株出現貪青和倒伏所致[16]。 隨著施氮量的增加,水稻植株含氮量也增加,高氮處理的植株氮素從營養器官向谷粒的轉移率降低[17]。 本試驗條件下,隨著施氮量的增加,植株地上部生物量先增加后降低,這與水稻產量變化趨勢相同。

優化氮肥施用對我國農業生產的可持續發展起著至關重要的作用。 本研究中,‘臨稻16’氮素利用率在23.70%—78.32%,而中國稻田氮肥平均吸收利用率為30%—35%,這可能是由品種間差異所致。

氮肥在一定范圍內的施用可以提高水稻的光合作用,進而提高水稻的產量[18]。 光合速率表示碳同化能力的強弱。 本研究表明,隨著施氮量的增加,水稻旗葉光合速率顯著升高,但是施氮量達到240 kg∕hm2之后光合速率上升不明顯,說明超過一定范圍后氮肥的增加對水稻光合速率影響不大;胞間二氧化碳濃度與光合速率呈負相關,隨著施氮量增加,胞間二氧化碳濃度逐漸降低。 氣孔導度和蒸騰速率的變化與光合速率的變化一致。

4 結論

4.1 在本試驗條件下,施氮量處理120 kg∕hm2和240 kg∕hm2能顯著提高水稻的穗長、結實率、千粒重、單穗粒重,施氮量240 kg∕hm2處理產量最高,為10 805.1 kg∕hm2。

4.2 施用氮肥可以顯著提高籽粒和秸稈的含氮量,施氮量120 kg∕hm2和240 kg∕hm2處理間籽粒含氮量差異不顯著,施氮量360 kg∕hm2處理與120 kg∕hm2處理、240 kg∕hm2處理相比差異顯著;施氮量120 kg∕hm2、240 kg∕hm2、360 kg∕hm2處理與未施氮肥處理秸稈含氮量差異顯著,但三個施氮處理間差異不顯著。

4.3 施氮量120 kg∕hm2時氮素利用率最高,為78.32%,100 kg 籽粒需氮量最高;未施氮肥處理和施氮量360 kg∕hm2時氮素吸收效率最低。

4.4 水稻旗葉灌漿后期隨著施氮量的增加,光合速率逐漸上升,但施氮量超過240 kg∕hm2之后光合速率比較穩定;胞間二氧化碳濃度與光合速率呈現負相關變化,隨著施氮量的增加,胞間二氧化碳濃度逐漸降低;氣孔導度和蒸騰速率的變化與光合速率的變化一致。 氮肥在一定范圍內施用可以提高水稻的光合作用,從而提高水稻的產量。