減氮對甬優秈粳雜交稻產量和氮肥利用率的影響

汪 峰，諶江華，陳若霞，*，史 駿，任少鵬，金樹權，姚紅燕，朱德峰，戴瑤璐

(1.寧波市農業科學研究院 生態環境研究所，浙江 寧波 315040； 2.中國水稻研究所，浙江 杭州 310006)

在我國水稻生產上，農民過量施氮的現象較為普遍，導致耕地基礎地力對產量的貢獻率不足60%[1]，氮肥表觀利用率僅為39%，遠低于歐美等發達國家[2]。稻田長期過量施氮不僅提高了種植成本，還會導致土壤質量下降和農業面源污染[3]。因此，需要在保障水稻產量和耕地地力的基礎上優化氮肥管理模式，減少氮素過程損耗，提高水稻氮肥利用率。

2015年，我國提出“到2020年化肥使用量零增長行動方案”。在此背景下，針對不同耕作制度的水稻氮肥減量已成為研究關注的熱點。在華南稻區，氮肥減量28%有利于早晚兼用型水稻增產和穩產[4]；在長江中下游的太湖稻區，基肥機械深施配合秸稈還田條件下，氮肥減量10%可保證水稻產量，并能改善土壤養分，增加土壤碳庫，降低稻田氮素流失率[5-6]。不同水稻品種對氮肥減量的響應不同，早期(1983年前育成)和中期(1983—1993年育成)的雜交秈稻品種對氮肥的反應比近期(1993年后育成)的品種敏感[7]。基于浙西紅壤地區1 a的大田研究表明，甬優1540減肥15%以上即導致產量顯著下降，而兩優1號減肥20%仍對產量無顯著影響[8]。

甬優秈粳雜交稻作為國內首個秈粳亞種間雜交品種，充分利用秈粳亞種間的雜種優勢大幅提高水稻產量，多個品種相繼在長江中下游創造13.5 t·hm-2以上的高產紀錄[9-10]，年種植面積超33萬hm2。然而，農戶對甬優秈粳雜交稻需通過大水大肥方式獲得高產的偏見還一直存在。現階段，關于甬優秈粳雜交稻的研究多集中在品種特性、超高產栽培措施等方面[11-13]，缺乏在植物-土壤系統中對不同甬優秈粳雜交稻品種氮素利用規律的全面考查，特別是關于氮肥減量施用對其產量和氮素利用中長期影響的研究還鮮見報道。本研究以應用推廣面積較大的4個甬優秈粳雜交稻為試材，在浙東地區不同肥力水平土壤上開展定位試驗，探討甬優系列秈粳雜交稻產量和肥料利用率對氮肥減量的響應，以期為甬優系列秈粳雜交稻的氮素管理提供理論與實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

于2017—2019年在浙江省寧波市象山縣西周鎮和鄞州區邱隘鎮同時開展氮肥減量定位試驗。試驗開始前2個試驗點均有5 a以上的稻-麥輪作種植歷史，試驗開始后均改為單季稻種植。象山試驗點土壤類型為淡塘泥田，由海相沉積物發育而成；鄞州試驗點土壤類型為青紫泥田，由淺海湖沼沉積物發育而成。象山和鄞州試驗點分別代表區域內中等肥力和高肥力水平的土壤，試驗開始前表層(0～20 cm)土壤的基本理化性質詳見表1。

表1 不同試驗點的土壤理化性質

選擇當前推廣面積較大的4個甬優秈粳雜交水稻品種——甬優1540(YY1540)、甬優7850(YY7850)、甬優12(YY12)、甬優538(YY538)作為試驗材料，以當地主栽常規粳稻寧84(N84)和秀水134(XS134)為對照品種。每年的5月20日左右播種，穴盤育秧，四葉一心期(6月10日左右)采用機插方式移栽，秧齡20 d左右。雜交稻大田栽插密度為15.1萬穴·hm-2，常規稻大田栽插密度為23.8萬穴·hm-2，雜交稻每穴2本栽插，常規稻每穴4本栽插，每年的11月2日左右收獲。

1.2 試驗設計

試驗共設4個施氮處理：(1)雜交稻和常規稻施氮量(折純，以N計)分別為240 kg·hm-2和200 kg·hm-2(HN，當地農民習慣施氮量)；(2)在當地農民習慣施氮量水平上減氮17%(MN)；(3)在當地農民習慣施氮量水平上減氮34%(LN)；(4)不施氮肥的空白對照(N0)。各處理均施用P2O572 kg·hm-2和K2O 135 kg·hm-2。氮肥按基肥、分蘗肥、穗肥4∶3∶3的比例施用，磷肥作基肥一次性施用，鉀肥分為基肥和穗肥，按各50%的比例施用。試驗用氮肥為尿素(N 46%)，由安徽昊源化工集團有限公司生產；磷肥為過磷酸鈣(P2O516%)，由云南省個舊市大通磷化工有限公司生產；鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)，由中化化肥有限公司提供。采用裂區試驗設計，以施肥處理為主區，品種為裂區，每個處理面積65 m2，設3次重復。不同處理間以田埂和塑料隔板分隔，保證單獨排灌，不同水稻品種間留60 cm距離間隔。

采用淺水插秧的方式，移栽后建立淺水層，在分蘗達到預計穗數的80%時，排水曬田，拔節長穗期至灌漿結實期采用干濕交替的灌溉方式，成熟期收獲前10 d排水以便于收獲。其他田間管理措施按當地常規生產進行。

1.3 測定項目與方法

莖蘗動態調查：移栽后各小區去除邊行，連續選取10穴水稻，每5 d調查1次分蘗數，并標記1次主莖葉齡，直至主莖劍葉抽出，記錄主莖總葉片數、莖蘗數，直至齊穗期。

考種與測產：于成熟期在每個小區非邊行取30叢記錄穗數，根據平均有效穗數計算成穗率。根據平均有效穗數，每個處理選4叢，采用水浮法進行考種，考查每穗粒數、實粒數、癟粒數和千粒重，計算結實率、成穗率。于成熟期各小區全部單打單收，用PM-8188-A型谷物水分儀(日本凱特)測定籽粒含水量，計算標準含水量(13.5%)下的產量，折算氮肥農學利用率。

土壤樣品采集與分析[14]：分別于水稻移栽前和收獲后，用不銹鋼土鉆(2 cm)按“S”形多點采集0～20 cm耕層土壤，混勻后用四分法留取1 kg左右，裝入密封塑料袋中帶回實驗室。風干后的土壤用于理化性質分析。土壤pH值采用玻璃電極測定，浸提液中的水土體積質量比為2.5∶1；電導率采用電導法測定，浸提液中的水土體積質量比為5∶1；有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定；全氮含量采用半微量開氏法測定；有效磷含量采用Olsen-P、鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量用醋酸銨浸提、火焰光度法測定；堿解氮含量采用擴散法測定；陽離子交換量采用三氯化六氨合鈷浸提、分光光度法測定。

1.4 數據分析與統計

在SPSS 16.0軟件上進行方差分析(ANOVA)和皮爾遜(Pearson)相關性分析，對有顯著(P<0.05)差異的，采用Duncan新復極差法進行檢驗。數據整理、計算和圖表制作均在Excel 2013軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻莖蘗數和成穗率的影響

多因素方差分析表明：不同地點水稻的高峰苗和成穗率均有顯著性差異(P<0.05)。對于中等肥力土壤(象山)，品種和施氮量對水稻高峰苗的影響達極顯著水平(P<0.01)，但對成穗率無顯著影響；對于高肥力土壤(鄞州)，成穗率在不同品種和施氮量間均呈極顯著(P<0.01)差異，高峰苗僅在不同品種間存在顯著性(P<0.05)差異，施氮量對高峰苗無顯著影響。

取同一處理2017—2019年的平均值作為該處理的值，對比可知：在象山試驗點，與HN處理相比，N0處理顯著(P<0.05)降低了甬優秈粳雜交稻和常規稻的高峰苗；在鄞州試驗點，除YY538和XS134外，與HN處理相比，N0處理顯著(P<0.05)降低了其他甬優秈粳雜交稻和常規稻的高峰苗。兩相對比，甬優秈粳雜交稻高峰苗在中肥力土壤上的下降幅度要大于在高肥力土壤上，如象山試驗點的高峰苗平均減少34%，而鄞州試驗點僅減少16%。另外，除YY1540和YY7850在中等肥力土壤的高峰苗在MN處理中最高外，水稻高峰苗在兩地大體表現為隨著施氮量的減少而逐漸下降，但減氮處理(MN和LN)未導致高峰苗數量顯著下降。同時，減氮處理下的水稻成穗率與HN相比亦無顯著差異。象山試驗點，甬優秈粳雜交稻在不施氮條件下成穗率增加；但在鄞州試驗點，不施氮導致其成穗率降低。

2.2 不同處理對水稻產量及其構成因子的影響

不同年度間水稻結實率和產量有顯著差異(P<0.05)，但有效穗、每穗粒數和千粒重差異不顯著。為了明確不同施氮量下的產量及其構成的變化規律，以下利用3 a平均值進行分析。在不同試驗點，水稻品種與施氮量對水稻產量的影響均達極顯著水平(P<0.01)。施氮量顯著(P<0.05)影響水稻有效穗、千粒重和每穗粒數；品種除顯著(P<0.05)影響2個試驗點水稻的有效穗和千粒重外，還顯著(P<0.05)影響象山試驗點的每穗粒數和鄞州試驗點的結實率。

MNTS，高峰苗；PBTR，成穗率。*和**分別表示與HN處理相比差異顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)。MNTS，Maximum number of tillers and stems; PBTR，Panicle-bearing tiller rate. * and ** indicated significant difference as compared with HN treatment at P<0.05 and P<0.01，respectively.圖1 不同處理對水稻高峰苗和成穗率的影響Fig.1 Effects of different treatments on maximum number of tillers and stems and panicle-bearing tiller rate of rice

甬優秈粳雜交稻產量在2個試驗點均表現為隨著施氮量的減少而下降的趨勢(表2)。與HN處理相比，MN處理在象山和鄞州的平均產量分別降低1.2%和2.6%，但差異不顯著；LN處理在象山和鄞州的平均產量分別降低4.9%和7.2%，且后者的差異達顯著水平(P<0.05)。

表2 不同處理對水稻產量及其構成因素的影響

與甬優秈粳雜交稻類似，常規粳稻的產量也隨著施氮量的減少而下降，與HN處理相比，MN處理在象山和鄞州的平均產量分別降低1.2%和3.5%，LN處理分別降低5.1%和11.6%，但差異均未達顯著水平。

從不同處理對產量構成因子的影響來看，甬優秈粳雜交稻和常規粳稻的有效穗數均隨著施氮量的減少而下降，LN處理的有效穗數較HN處理顯著(P<0.05)減少，但MN與HN處理間無顯著差異。在象山試驗點，隨著施氮量的減少，不同類型水稻的結實率和千粒重反而逐漸增加，與HN處理相比，甬優秈粳雜交稻在MN和LN處理下的千粒重顯著(P<0.05)提高。在鄞州試驗點，與HN處理相比，氮肥減量(MN、LN處理)對不同類型水稻每穗粒數、結實率和千粒重均無顯著影響。

不同甬優秈粳雜交稻品種間的產量構成因子對不同施氮量的響應呈現一定差異。在相同施肥處理下，在2個試驗點均發現：長生育期品種(YY12和YY538)較短生育期品種(YY1540和YY7850)每穗粒數顯著(P<0.05)增加，但結實率顯著(P<0.05)下降。

2.3 不同處理對水稻氮肥農學利用率的影響

計算氮肥農學利用率，表征不同處理下不同類型水稻的氮肥利用效率。

在象山試驗點，不同氮肥處理對甬優秈粳雜交稻的氮肥農學利用率無顯著影響，但隨著試驗年限的增加，各處理的氮肥農學利用率逐年提升，如甬優秈粳雜交稻2017年不同處理的氮肥農學利用率僅為2.0～3.2 kg·kg-1，到試驗第3年(2019年)已提升至12.0～12.7 kg·kg-1(圖2)。這表明，在類似的中等肥力土壤上，不施氮肥能夠快速消耗基礎地力，導致化學氮肥對水稻產量的貢獻率升高。

A，象山試驗點甬優秈粳雜交稻；B，鄞州試驗點甬優秈粳雜交稻；C，象山試驗點常規粳稻；D，鄞州試驗點常規粳稻。柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。A，Yongyou hybrid rice in Xiangshan; B，Yongyou hybrid rice in Yinzhou; C，Conventional japonica rice in Xiangshan; D，Conventional japonica rice in Yinzhou. Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.圖2 不同處理對水稻氮肥農學利用率的影響Fig.2 Effects of different treatments on nitrogen agronomic efficiency of rice

在鄞州試驗點，不同施氮處理對水稻的氮肥農學利用率有顯著(P<0.05)影響，試驗第3年，甬優秈粳雜交稻和常規粳稻的氮肥農學利用率均在LN處理下最低，且顯著(P<0.05)低于MN和HM處理。2019年，甬優秈粳雜交稻不同處理下的氮肥農學利用率與初始年份相比無顯著差異，且氮肥農學利用率維持在較低水平(<8 kg·kg-1)。這表明，在高肥力土壤條件下，由于土壤供氮充足，化學氮肥對水稻產量的貢獻率偏低。

2.4 相關性分析

皮爾遜相關性分析結果(表3)表明：在象山試驗點，甬優秈粳雜交稻的實測產量(GY)與有效穗(EP)、每穗粒數(NSP)和高峰苗(MNTS)呈顯著(P<0.05)正相關，與千粒重(GW)呈顯著(P<0.05)負相關，而常規粳稻產量僅與結實率(SSR)和千粒重呈顯著(P<0.05)正相關。在鄞州試驗點，甬優秈粳雜交稻的實測產量與有效穗、結實率、成穗率(PBTR)呈顯著(P<0.05)正相關，與高峰苗和千粒重呈顯著(P<0.05)負相關，而常規粳稻產量僅與有效穗呈顯著(P<0.05)正相關。另外，鄞州試驗點甬優秈粳雜交稻的有效穗與成穗率呈顯著(P<0.05)正相關，但與高峰苗的相關性不顯著。這表明，甬優秈粳雜交稻在高肥力土壤上的無效分蘗較多，控蘗促穗是其獲得高產的關鍵。

表3 水稻產量與群體質量的相關性

3 討論

本研究利用在浙東地區連續3 a的定位試驗研究了減氮對甬優秈粳雜交稻產量和氮肥利用率的影響。結果表明，在當地農民習慣施氮量水平上減氮17%，可以實現水稻穩產，象山和鄞州2地的平均產量分別達10.8 t·hm-2和9.9 t·hm-2。在中等肥力水平土壤上，水稻的氮肥農學利用率隨著試驗年限的增加而快速升高。據此，我們認為，持續減少氮肥投入存在一定的風險，氮肥減量要綜合考慮耕地基礎地力、品種特性和肥料利用率。

水稻品種優勢是發揮水稻高產和養分高效利用特性的關鍵因子。近期的大量研究結果已闡明，不同水稻品種在產量和氮素利用等方面存在顯著差異[13，15-16]。由于水稻育種策略的原因，近期育成的水稻高產品種對氮肥的反應沒有早期育成的品種敏感[7]。為了發揮品種的高產潛力，育種家一般會在肥沃的育種田定向選擇抗倒、耐肥品種，這些品種植株利用氮素生產干物質的能力強，往往具有根系發達、秸稈粗壯的特性。本研究結果表明，在當地農民習慣施氮量水平上減氮17%時，甬優秈粳雜交稻在象山和鄞州2地的產量平均僅降低1.9%，減氮34%時，產量降低了6.1%，由氮肥減施導致的減產幅度低于2個常規粳稻品種。由此可知，農業實踐上將甬優秈粳雜交稻的高產特性與大量化肥投入相聯系具有一定的主觀偏見。本試驗結果在一定程度上證明，甬優秈粳雜交稻的產量對氮肥的反應敏感性較弱，實現減肥增效是可行的。甬優秈粳雜交稻具有根冠協調水平高、群體根量大、分支結構優、根系深扎性好，以及中、后期生理活性強等優勢[17]，這種根系特征能夠更好地利用土壤中的氮素，為其在氮肥投入較低時實現高產提供了重要保障。另外，盡管甬優秈粳雜交稻較其他類型水稻的生物量更大，但在秸稈基本實現全量還田的浙東地區，土壤養分并沒有大量消耗[6]，因此氮肥適當減量仍可以保證甬優秈粳雜交稻的產量。

在制定水稻氮肥的減施策略時，要充分考慮目標區域的土壤肥力水平。本研究結果表明，在高肥力土壤上，不同年份水稻氮肥農學利用率均維持在較低水平，而在中等肥力土壤上，水稻的氮肥農學利用率隨著試驗年限的增加而快速提升。這說明，在類似的中低肥力土壤上，不施氮肥能夠快速消耗基礎地力，從而導致化學氮肥對水稻產量的貢獻率逐年增高。因此，在不通過其他技術措施減少氮肥損失的條件下，如果只是簡單地減少氮肥投入，在長時間尺度下是存在地力下降和減產風險的。姜彩霞等[8]在中等肥力水平的浙西紅壤上的研究也表明，甬優1540在習慣施氮量(225 kg·hm-2)水平上減氮15%以上即導致產量顯著下降，而緩控肥減量施肥的肥料效率較常規施肥提高5.09%。在中低肥力土壤上要實現高產水稻的化肥減量增效，除了應用緩控釋肥料等新型肥料外，還需要在肥料施用方法上進行創新和實踐[18]，如機插側深施肥技術就能夠將緩釋肥料和深施結合起來。本研究團隊近期研究也證實，采用機插側深施肥可以有效降低施肥初期田面水銨態氮的峰值濃度，從而減少氨揮發，降低徑流流失風險，在氮肥總施用量減少30%的條件下，可以保證水稻實現穩產[19]。

關于不同生育期氮肥減量對水稻群體質量和產量的影響，目前學界還沒有一致性的結論。仇景濤等[20]研究表明，集中于某個時期的減肥措施會導致水稻群體生長量大幅減少，產量顯著下降，而均衡減氮處理下減產不顯著。薛利紅等[21]認為，氮肥減量的重點在于減少前期基蘗肥的用量，在同等施氮量下，水稻適宜基蘗肥比例隨肥力水平的增加而下降，低肥力下以60%最佳，中肥力下以50%為宜，高肥力下可降低至40%。本研究是在農民習慣施肥的基礎上采用均衡減氮處理，基蘗肥比例較高(70%)，因此在鄞州高肥力土壤上，減氮處理對甬優秈粳雜交水稻高峰苗無顯著影響，產量反而與高峰苗呈負相關。這說明，氮肥減量要綜合考慮品種特性和土壤肥力水平。甬優秈粳雜交稻分蘗能力強，為典型的穗大粒多型高產品種，因此前期要通過肥水管理合理控制群體數量，提早擱田控苗，保證后期穗部生長發育。在高肥力地區，可以適當降低基蘗肥比例，特別是分蘗肥比例，以進一步提升氮肥減量的空間。

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