“早秈晚粳”雙季機插周年氮肥高效運籌研究

李陽，楊曉龍，汪本福，張枝盛，李進蘭，程建平

1.湖北省農業科學院糧食作物研究所/糧食作物種質與遺傳改良湖北省重點實驗室，武漢 430064； 2．湖北省黃岡市農業科學院，黃岡 438000

雙季稻種植模式是我國水稻種植模式中非常重要的模式之一，是保障我國糧食安全的重要措施。然而，隨著我國經濟的不斷發展，農村勞動力逐漸向城市轉移，農村勞動力短缺嚴重，且成本逐漸升高[1]，加上生產物資價格的不斷上漲，導致雙季稻的種植面積逐漸萎縮[2]。在保障糧食安全且無法增加耕地面積的客觀前提下，前人創新和優化了很多水稻種植技術，如再生稻技術[3-4]、雙季機械直播技術[5]、“早秈晚粳”模式等。

雙季稻種植對溫度的要求較高，而處于長江中游的湖北省正處于一個過渡地帶，每年早稻收獲、晚稻種植的時候就會出現“雙搶”的現象，所以優化該地區種植雙季稻模式的某個環節，提高對該地區的環境適應能力，是保障糧食安全生產的重要措施。“早秈晚粳”模式主要指早稻秈稻和晚稻粳稻的雙季機插模式。粳稻的優勢在于有較強的抗寒能力，在較低的溫度下仍然可以灌漿，提高全生育期溫光資源積累量[6]，而秈稻的抗寒能力則顯著低于粳稻。所以，“早秈晚粳”模式的安全收獲能力高于雙季秈稻，前人對雙季秈稻的密度、施氮[7-8]、栽插方式[9]、溫室氣體排放[10]以及耕作模式[11]等方面都有較深入的研究。對粳稻的研究多集中在中稻[12-14]，有少數的研究在雙季晚粳稻上，如許柯等[15]認為基蘗肥∶穗肥為(6∶4)～(7∶3)的氮肥運籌方案，可使雙季晚粳稻高產、優質、高效能夠較好地協調統一,不同栽培方式應配套適宜晚粳稻品種類型[16]，以及雜交晚粳稻超高產的特征[17]。本研究以長江中游地區為基點，綜合考慮”早秈晚粳”全年的產量形成特點和氮肥利用效率，以期為該地區雙季稻的高產高效種植提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

早稻：兩優287，由湖北大學生命科學學院以自育的早秈溫敏核不育系HD9802S為母本，與自育的早秈新品系R287配組育成的兩系雜交早稻新組合；晚稻：鄂粳403，是由湖北省農業科學院糧食作物研究所用“武大99155”作母本、“(閔恢128/3402)F8”作父本雜交，經系譜法選擇育成的常規粳稻品種。

1.2 試驗設計

試驗在湖北省農業科學院南湖核心試驗基地進行。試驗田冬季為冬閑田，土壤pH 7.23，有機質27.5 g/kg，堿解氮110.0 mg/kg，速效磷8.0 mg/kg，速效鉀 120.4 mg/kg。

早晚稻均采用機械插秧，早稻播種時間為3月20日，晚稻為7月5日，采用硬質秧盤育秧。插秧規格為30 cm×12 cm。

早、晚稻氮肥均設置基肥、分蘗肥、穗肥3次施肥比例，構建6種氮肥周年運籌模式，同時以不施氮肥處理為對照(CK，N0)，見表1。

表1 試驗設計及施肥比例 Table 1 Experimental design and fertilizer application proportion

施氮肥(以純氮計):早稻為180 kg/hm2，晚稻為210 kg/hm2。P2O575 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2。磷肥作底肥一次施用，鉀肥的底肥與追肥比例為5∶5。氮肥選用尿素(含純N46%)，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。

1.3 測定項目與方法

1)莖蘗動態。選擇連續15穴植株，標記位置，自返青后，每隔7 d調查分蘗狀況，直至分蘗穩定。

2)葉面積指數(LAI)。單位面積土地上植株葉片的總面積。

3)葉片SPAD值。早、晚稻齊穗期開始，每7 d測1次劍葉SPAD值，每個葉片測上中下3個部位。

4)養分吸收。每季作物在開花期、成熟期取樣，測定地上部植株干物質質量、植株氮等養分含量。同時，長期保存部分植株樣品(烘干粉碎樣)。

5)土壤氮素含量。取空白區和處理區土壤(0～20 cm)土壤，風干，研磨，過篩，采用半微量開式法測定土壤全氮，土壤速效氮采用堿解擴散法測定。

6)產量及產量構成。每個小區選擇有代表性的5 m2區域進行人工收割，人工脫粒，去除雜草及空癟粒，晾曬；樣品收入室內后，間隔1 d再稱質量并測定含水量，測定籽粒含水量用PM-8188型谷物水分測定儀。考種樣品取樣：按平均分蘗數取植株，考察飽粒、空粒和千粒重。

7)氮肥偏生產力(partial factor productivity of applied fertilizer nitrogen，PFP)。為作物產量與氮肥施用量的比值。

8)氮肥農學利用率(agronomic nitrogen use efficiency，AE)。作物因施用氮肥所增加的籽粒產量與氮肥施用量的比值。

1.4 數據統計與分析

試驗數據采用Statistix 9.0軟件進行統計分析，Microsoft Excel進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 分蘗動態

由圖1可見，早晚稻不同氮肥處理，分蘗動態呈現顯著的差異。

對于早稻，N1/N2分蘗高峰出現在6月8日，而其余處理則出現在6月15日，說明增加穗肥的施用推遲了分蘗高峰出現的時間。隨著前氮后移，其莖蘗穩定時的數值也提高，即有效穗數增多。前氮后移后，N5/N6的成穗率達到95.5%，顯著高于其他2個處理(圖1A)。

對于晚稻，晚粳季氮肥后移未能增加分蘗數，且受到早稻季施肥的影響呈現不同的分蘗動態。N2、N3和N4在9月2日分蘗達到高峰值，而其余3個處理則在9月9日才達到分蘗高峰。N3穩定期分蘗數最高，而N4最低。N1和N2成穗率較低，分別為92.6%和93.3%，其余處理均在95%以上(圖1B)。

圖1 不同氮肥運籌模式下早稻(A)、晚稻(B)的莖蘗動態Fig.1 Tiller dynamics of early rice(A) and late rice (B) under different nitrogen fertilizer management modes

2.2 葉面積指數

1)早稻。隨前氮后移，齊穗期葉面積指數先增后降，其中N3/N4最高，較N1/N2提高42.6%(圖2A)。可見，適當降低分蘗肥而增加穗肥能夠提高齊穗期的葉面積指數，但繼續減少分蘗肥而增加穗肥的用量，則齊穗期葉面積指數反而降低。灌漿期N3/N4和N5/N6葉面積指數未見明顯差異，但均顯著高于N1/N2(圖2A)，說明前氮后移有利于灌漿期早稻群體維持一定的光合面積，利于水稻后期的灌漿。

2)晚稻。葉面積指數受到兩季周年施氮模式的綜合影響。齊穗期，N3、N5、N6葉面積指數較高，灌漿期也呈現這種趨勢。而前茬相同施肥模式下，晚稻氮肥后移降低了水稻的葉面積指數(圖2B)。

圖2 不同氮肥運籌模式早稻(A)、晚稻(B)的葉面積指數Fig.2 LAI of early rice (A) and late rice (B) under different nitrogen fertilizer management modes

2.3 齊穗后劍葉SPAD值

齊穗后早稻功能葉SPAD值隨時間推移逐漸降低，齊穗后0～10 d下降明顯。處理間比較，N1/N2下降斜率明顯較其余處理大，但較N0處理小。說明前氮后移后，功能葉葉綠素含量此階段下降幅度相對變小。齊穗后20 d，N1/N2較N3/N4、N5/N6功能葉葉綠素SPAD值分別低13.2%和14.7%。不施氮處理(N0)下降幅度更大(圖3A)。由此可見，通過前氮后移模式可以提高灌漿期功能葉葉綠素含量。

從圖3B可知，晚粳功能葉SPAD值齊穗后灌漿初期下降速率較快，中期有所緩和，但后期下降速率又增加。粳稻灌漿期較長，前期灌漿速率較大，葉中氮素向籽粒轉移較多，中期隨灌漿速率減小，葉中葉綠素下降速率也減小，后期受低溫影響，葉綠素降解速率加大。各氮肥處理葉綠素SPAD值差異并不顯著，從平均數值上看，N4>N3、N6>N5，說明晚稻氮肥后移齊穗后葉綠素SPAD值有提高的趨勢。

2.4 干物質積累

1)早秈。各處理灌漿期和收獲期有顯著差異。灌漿期N3/N4較N1/N2提高21.5%，且差異達到顯著水平(P<0.05)，其余處理間未見顯著差異。收獲期各處理差異與灌漿期相似。N1/N2、N3/N4、N5/N6齊穗后干物質積累量分別占收獲期干物質總量的36.0%、39.3%、41.1%(圖4A)。可見，隨前氮后移，齊穗后早稻干物質積累量增加。

圖3 不同氮肥運籌模式早稻(A)、晚稻(B)稻齊穗后劍葉SPAD值Fig.3 SPAD value of top leaf after heading in early rice (A) and late rice (B) under different nitrogen fertilizer management modes

2)晚粳。不同氮肥處理晚稻干物質積累各個時期呈現顯著差異。其中收獲期N3顯著高于其余處理。在相同早稻施氮模式下，晚稻增加分蘗肥中氮肥的施用量明顯提高晚粳干物質積累，在幾個生育時期均呈現明顯趨勢。N1、N2、N3、N4、N5和N6齊穗后干物質積累量分別占收獲期干物質總量的32.0%、27.5%、40.0%、27.9%、28.3%和28.4%(圖4B)。可見，晚粳稻齊穗后干物質積累沒有隨前氮后移而增多。但其中N3干物質積累量顯著提高，表現出氮肥運籌的兩季疊加效應明顯。

柱子上不同字母表示處理間具有顯著差異。下同。Different letters on the column indicate significant differences among treatments.The same as follows.

2.5 產量及其構成

從表2看出，對于早稻，N3/N4和N5/N6產量較N1/N2顯著提高，增產分別達到17.3%、14.6%。隨前氮后移，早稻的有效穗數逐漸增加，但每穗粒數則是先增后降，說明過多的提高穗肥的比例而降低分蘗肥的施氮量，不利于提高每穗粒數，也會降低結實率。

對于晚稻，從產量上看，N1>N2、N3>N4、N5>N6，可見，單就晚稻季而言，氮肥后移產量反而降低。從產量構成上看，水稻產量主要受有效穗數的影響，晚稻氮肥后移有效穗數呈下降的趨勢。受兩季施氮疊加效應的影響，N3有效穗數顯著高于N4和N6，但與其他處理差異不顯著(表3)。可見，兩季氮肥運籌對晚稻產量的形成具有顯著的疊加效應。

不同氮肥處理周年水稻產量差異顯著(圖5)。N3和N5周年產量最高，顯著高于N1和N2。其中，N5較N2產量提高23.2%。說明，采用周年氮肥運籌對提高”早秈晚粳”雙季稻產量的影響十分顯著。

表2 不同氮肥運籌模式早稻的產量及其構成 Table 2 The yield and yield components in early rice under different nitrogen fertilizer management modes

表3 不同氮肥運籌模式晚粳稻的產量及其構成 Table 3 The yield and yield components in late rice under different nitrogen fertilizer management modes

圖5 不同氮肥運籌下的周年水稻產量Fig.5 Annual yield under different nitrogen fertilizer management modes

2.6 氮肥利用效率

由圖6可見，不同周年氮肥運籌下，氮肥農學利用率(AE)和氮肥偏生產率(PFP)差異顯著。N3處理下的AE和PFP均表現最高，表現最低的是N1和N2，說明在早稻氮素后移、晚稻不后移時，氮肥利用效率均以N3處理最高，而當晚稻氮素也后移時，氮肥利用率整體呈現下降趨勢，以N4的下降幅度最大。

圖6 不同氮肥運籌下水稻氮肥農學利用率(A)和氮肥偏生產效率(B)Fig.6 AE(A) and PFP(B) under different nitrogenfertilizer management modes

2.7 土壤氮養分變化

從圖7可見，土壤全氮受不同周年氮肥運籌影響不顯著，而速效氮差異顯著。其中N0速效氮含量最低，顯然是兩季未施氮肥導致速效氮的消耗。除N0外，N4和N2的速效氮含量低；而N5和N6速效氮含量較高，分別較N4高132.6%和111.1%。可見，晚稻收獲后，N5和N6處理下土壤未被植株吸收的有效氮較多，其余幾個氮肥處理，有效氮殘余較少，說明當季利用得較為充分且不會有流失的風險。土壤速效氮的變化趨勢主要與早稻季施肥模式相關。

圖7 不同周年氮肥運籌下土壤全氮(A)和速效氮(B)含量 Fig.7 Soil total nitrogen(A) and available nitrogen(B) under different nitrogen fertilizer management modes

3 討 論

3.1 氮肥運籌對雙季機插”早秈晚粳”周年生長發育影響顯著

長江中游處于種植雙季稻的邊緣地帶，溫光資源緊張，合理的種植模式成為緩解問題的首要方法，“早秈晚粳”雙季機插模式是延長晚稻灌漿時間的有效措施[6]。前人研究證實雙季稻氮肥的施用量[18]對周年產量影響顯著，本研究中N3(早稻季基肥、分蘗肥、穗肥中純氮量為6∶3∶1，晚稻季基肥、分蘗肥、穗肥中純氮量為5∶3∶2)最佳，其次為N5(早稻：5∶3∶2；晚稻：5∶3∶2)，周年產量分別為15.66和15.01 t/hm2。而吳文革等[20]在雙季稻北緣試驗，認為早晚稻均以基肥∶蘗肥∶穗肥=5∶2.5∶2.5的運籌模式產量最高，說明不同地區因土壤和氣候條件差異，產量對氮肥的響應也有很大差異。本研究中早稻季氮肥后移能夠顯著提高有效穗數(表2)，早稻季減少基肥(N5/N6)使水稻前期分蘗數明顯減少，但是氮肥后移后推遲了分蘗高峰出現的時間，提高了成穗率，這與曾勇軍等[21]追加穗肥的研究結果類似，可顯著提高產量。

3.2 “早秈晚粳”模式的氮肥利用效率和應用前期

氮肥是水稻獲得高產的重要養分，我國水稻生產消耗的氮肥占世界水稻氮肥總消耗量的37%[22]。所以，提高氮肥利用效率是我國當前水稻種植乃至整個農業系統的重要任務[23]。雙季稻也是消耗氮肥的主要水稻種植模式，許柯等[15]認為隨基蘗肥占總施氮量比例降低，成熟期氮素積累總量、氮肥表觀利用率、氮肥農學利用率及氮肥偏生產力均呈先增加后減少的趨勢，本研究中N3處理下的氮肥農學利用效率和氮肥偏生產效率均表現最高(圖6)，說明早稻氮肥后移不僅有利早稻產量的提高，而且能夠提高后茬氮肥水平，提高晚稻對氮素的吸收和利用。所以N3處理周年氮肥運籌對提高全年的氮肥利用率有顯著的促進作用，對提高“早秈晚粳”模式在長江流域雙季稻區的推廣應用、降低氮肥流失、保護環境等方面具有重要意義。