減氮和機械側深施肥對機插雜交稻產量及氮素吸收利用的影響

伍雜日曲 郭長春 李飛杰 呂 旭 舒川海 孫永健 楊志遠 馬 均

(四川農業大學水稻研究所/作物生理生態及栽培四川省重點實驗室，四川 成都 611130)

水稻是我國主要的糧食作物之一，約有60%以上的人口以稻米為主要食物[1]。我國所有作物中，水稻氮肥用量較多，氮肥對水稻產量的貢獻率可達40%[2-3]，但在水稻生產中氮肥過量施用現象普遍。據統計，我國水稻生產中氮肥平均施用量為180 kg·hm-2，江蘇省部分高產農田氮肥施用量高達300 kg·hm-2[4-5]。過量施用氮肥會導致肥料利用率下降，我國水稻生產氮素利用率僅為30%～35%，遠低于世界平均水平，氮肥過量、不合理施用造成的肥料利用率下降和環境污染等問題也日益受到關注[6-11]。目前在農業生產上，施肥方式主要以人工表面撒施為主，該方法不僅增加了氮素流失風險，也降低了水稻種植作業效率。水稻機插同步側深施肥技術是在水稻種植時將肥料集中施于秧苗一側、深度3～5 cm土壤中的施肥方法，減少了肥料的揮發和流失，實現了插秧與施肥同步，從而減少作業次數與施肥量[12-14]。Liu等[15]研究表明，側深施肥減少了氮素損失，促進了水稻對氮素的吸收，提高了水稻的氮肥利用率和產量。劉曉偉等[16]的研究也表明，氮肥深施可以較大程度減少氮素的損失，使肥料氮存留在土壤中供水稻吸收利用。前人已有較多關于側深施肥的研究，但側深施緩釋肥是否可以改善氮肥減量施用對雜交水稻產量和稻田土壤肥力的影響尚鮮見報道。基于此，本研究以2個優質雜交稻品種為材料，采用大田試驗方法，探究機械側施緩釋肥技術在機插雜交稻上的減氮效應，以期為雜交水稻的優質綠色高效生產，進而促進農業生產可持續發展和保障國家糧食安全提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗于2020年在成都市溫江區四川農業大學水稻研究所試驗田(30°71′N、103°87′E)進行，水稻生長期3—10月份月平均氣溫20.5℃，降雨量1 144 mm。試驗田土壤質地為砂壤土，0～20 cm土層有機質含量為14.82 g·kg-1，全氮1.88 g·kg-1，堿解氮108.5 mg·kg-1，速效磷24.78 mg·kg-1，速效鉀113.84 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

采用兩因素裂區設計，主區為2個品種，兩系優質雜交稻晶兩優534(C1)和三系優質雜交稻宜香優2115(C2)；副區為5種肥料管理方式，即5個處理(詳見表1)，緩釋肥為煙臺龍燈肥料有限公司生產的摻混緩控釋肥，其中N、P2O5和K2O質量分數分別為27%、11%和12%。各處理中磷(P2O5)和鉀(K2O)用量分別為75和150 kg·hm-2，P、K肥不足部分分別使用過磷酸鈣和氯化鉀代替，磷肥全部作基肥一次性施用，鉀肥分基肥與穗肥(倒三葉時期)2次施用，各占50%。選用缽體毯狀秧盤育秧，于3月19日播種育苗，4月21日機插秧，行、株距分別為30、15.5 cm。機插(YR60D，洋馬農機中國有限公司)時，同步采用側深施肥器，將底肥施于稻株根側3 cm、深度5 cm處。田間各小區面積38 m2，3次重復，小區間筑埂(寬40 cm，高30 cm)并用塑料薄膜包裹，以防肥水互滲，其他田間管理措施按當地大面積生產田進行。

表1 不同處理施氮量和施肥方法

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生育期及莖蘗動態的記錄 記載水稻生長發育時期。自栽插7 d后，每小區隨機選擇水稻20穴標記，每隔7 d統計分蘗數至齊穗期，記錄高峰苗、有效穗。

1.3.2 氮素吸收利用特征 于拔節期、齊穗期、成熟期，每小區取代表性植株3穴，莖鞘、葉片、穗分別單獨裝袋，于105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重，再將樣品粉碎過60目篩，用凱氏定氮儀(FOSS-8400，美國福斯公司)測定各器官的全氮含量，根據以下公式計算各指標：

氮素干物質生產效率=成熟期單位面積植株干物質量/地上部分氮積累量

(1)

氮素籽粒生產效率=水稻籽粒產量/成熟期氮素積累量

(2)

氮肥吸收利用率=(施氮區地上部吸氮量-空白區地上部含氮量)/氮肥施用量×100%

(3)

氮肥農學利用率=(施氮區產量-空白區產量)/施氮量

(4)

氮肥偏生產力=施氮區實際產量/施氮量

(5)。

1.3.3 土壤速效氮含量 于水稻拔節期、齊穗期和成熟期，按對角線取樣法在各小區選擇3個取樣點，取0～20 cm土樣，自然風干后用堿解擴散法測定速效氮含量。

1.3.4 考種與計產 成熟期每小區調查60穴的有效穗數，按平均穗數每小區取5穴，考查空癟粒數、實粒數、千粒重，計算結實率等性狀。各小區產量單收單曬，按實收穴數計產。

1.4 數據分析

采用Origin軟件作圖；采用DPS7.05軟件進行差異顯著性統計檢驗，各處理的比較采用最小顯著差數(least significant difference, LSD)法。

2 結果與分析

2.1 側深減氮施肥對機插稻產量及其構成因子的影響

由表2可知，機械側深施肥方式對機插稻產量及其構成因素有顯著影響。側深施常規施氮量緩釋肥處理(R150)比人工撒施常規施氮量尿素處理(N150)顯著增產，晶兩優534(C1)和宜香2115(C2)分別增產13.2%和12.9%，其增產的主要原因可能是顯著提高了有效穗數和每穗粒數。2個品種減氮20%處理(R96N24)的產量均顯著高于N150，R120和N150的產量無顯著差異，R96N24增產的原因仍然是有效穗的提高和每穂粒數的增加。說明與人工撒施常規施氮量尿素(N150)相比，通過機械側深一次性施緩控釋肥(R120)，雖然減少了20%的氮肥施用量，但產量差異不顯著，而減氮20%的“基緩追速”處理(R96N24)的產量顯著高于人工撒施常規施氮量尿素處理(N150)，也高于相同施氮量的機械側深一次性施緩釋肥處理(R120)，達到了節本增效的目的。

表2 側深減氮施肥對機插稻產量及其構成因子的影響

2.2 機械側深減氮施肥對機插稻分蘗及成穂率的影響

由圖1可知，不同肥料管理方式會影響機插稻的分蘗數，C1和C2的高峰苗均出現在返青后35 d左右。不同肥料管理方式下，群體分蘗數最終(返青后80 d)均表現為R150>R96N24>R120>N150>N0，表明側深施緩釋肥能提高水稻分蘗數。結合2.1中的結果，R150的分蘗成穗率顯著低于其他處理，但增加了有效穗數，R96N24的分蘗成穗率高于R120，最終有效穗數也高于R120，N150與R96N24的分蘗成穗率差異不顯著，但有效穗低于R96N24，表明減氮20%的“基緩追速”處理(R96N24)更能均衡整個生育期的氮素供應，提高成穗率，保證適宜的有效穗數。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.3 側深減氮施肥對機插稻氮素積累的影響

由表3可知，在水稻生育過程中2個品種的氮素累積量均以R150最高，成熟期莖、葉和穗氮素積累的兩品種均值分別達到50.86、40.41和121.98 kg·hm-2，且在不同生育階段R150均顯著高于N150。拔節期R96N24的氮素積累低于R120，但齊穗期和成熟期R96N24的氮素積累均高于R120，而R120與N150水稻莖葉穗的氮素累積量大致相當。說明與人工撒施尿素處理相比，通過根側深施專用緩釋肥，即使減少20%的氮肥施用量，也能夠保證稻株有較高的氮素積累量。

表3 側深減氮施肥對機插稻氮素積累的影響

2.4 側深減氮施肥對機插稻氮肥利用率的影響

側深施緩釋肥對水稻氮肥吸收利用率的影響如表4所示，2個品種水稻氮素干物質生產效率和氮素稻谷生產效率均以不施肥處理(N0)最高，R150最低，減氮20%的R120和R96N24與常規施氮的N150水稻氮素干物質生產效率差異不大。側深施緩釋肥總體顯著提高了水稻的氮肥農學利用率、氮肥偏生產力和氮肥吸收利用率，與N150相比，R150、R120、R96N24的氮肥農學利用率分別平均提高了74.72%、35.13%、49.81%；氮肥偏生產力分別平均提高了13.23%、26.80%、29.40%。氮肥吸收利用率分別平均提高了26.42個百分點、1.46個百分點和17.42個百分點。表明與人工撒施常規尿素相比，采用側深施緩釋肥明顯提高氮肥吸收利用率。

表4 側深減氮施肥對機插稻氮素利用率的影響

2.5 側深減氮施肥對機插稻土壤速效氮含量的影響

側深施緩肥對稻田土壤速效氮含量的影響如圖2所示，2個品種在不同時期稻田土壤中的速效氮含量均以R150最高，在拔節期、齊穗期和成熟期，平均分別比N150顯著提高了7.25%、6.06%和3.95%；R120和R96N24的土壤速效氮含量在齊穗期和成熟期均與N150差異不顯著，但均顯著高于N0。說明與人工撒施處理相比，通過側深施基肥，在減氮20%的條件下也能夠保持稻田的土壤肥力不減。

圖2 側深減氮施肥對機插稻土壤速效氮含量的影響

2.6 土壤速效氮含量、氮素積累與氮素利用特征及產量的相關性

由表5可知，不同生育時期土壤速效氮含量與氮素積累總量、氮肥農學利用率和產量均呈顯著或極顯著正相關，拔節期和齊穗期的土壤速效氮含量與氮肥吸收利用率呈顯著正相關。成熟期的氮素積累量與氮肥吸收利用率、氮肥農學利用率、產量均呈顯著或極顯著正相關。

表5 土壤速效氮含量、氮素積累與氮素利用特征及產量的相關性

3 討論

將整個水稻生產季的肥料作為基肥一次性施用，同時利用緩釋肥、側深施肥技術是提高稻谷產量最有效且簡便的途徑[17-20]。前人研究表明，根區側深施肥能提高水稻生育前期的供氮能力，促進水稻分蘗早生快發，顯著提高水稻有效穗數和穗粒數，進而提高水稻產量[21-23]。本研究結果與之一致，等量施肥條件下，機械側深施緩釋肥處理(R150)的水稻產量結構性狀優于常規施肥處理(N150)，顯著提高了群體的有效穗數，更利于水稻增產。減氮20%的“基緩追速”處理(R96N24)與人工撒施尿素常規施氮量處理(N150)相比，由于側深施用緩釋肥將養分精確送達根區，整個生育期的養分釋放與植株對養分的吸收基本同步，明顯改善了水稻群體質量，其有效穗數和每穗粒數無顯著差異，在減氮20%條件下產量保持不減。本研究結果還表明，與一次性側深施基肥處理(R120)相比，由于R96N24后期追施穗肥，氮肥的分解釋放與機插稻需肥關鍵期相契合，有利于防止葉片的早衰[24]，提高了分蘗成穗率和后期光合性能，更利于提高水稻產量，并可以替換20%的緩釋肥，起到節本增效的作用。

不同施肥方式對水稻的氮素吸收有顯著影響[25-26]，在作物產量大幅度提高的同時，簡單、粗放的施肥方法也帶來肥料浪費、肥力下降、環境污染等一系列問題[27-28]。丁艷鋒等[29]研究表明，前期基蘗肥比例較大處理的氮肥利用率低于其他處理，隨著基蘗肥在總施氮量中所占比例的增大，機插稻拔節前氮素基蘗肥利用效率增加，但氮肥利用率下降。這與本研究結果總體一致，前期基肥占比80%處理(R96N24)的氮肥利用效率顯著高于前期基肥占比100%的處理(R120)。彭術等[30]指出，長期減施氮肥結合深施可維持土壤肥力穩定，顯著提高氮肥偏生產力。前人研究也表明，側深施肥可降低氮的損失，增加水稻對氮素的吸收利用，顯著提高氮肥利用率[31-32]。本研究表明，減氮20%的“基緩追速”處理(R96N24)與常規施氮量撒施處理(N150)相比，水稻氮素干物質生產效率差異不大，氮肥農學利用率、氮肥偏生產力分別平均提高了49.81%和29.40%，氮肥吸收利用率平均提高17.42個百分點，這與前人研究結果基本一致。側深施緩釋肥保證了稻田土壤在關鍵時期的肥力水平，能夠保證其氮素累積量不減，滿足植株生長所需的養分供應需求，從而保障水稻產量。而與一次性側深施緩釋肥處理(R120)相比，減氮20%的“基緩追速”處理(R96N24)更有利于植株后期氮素的積累，灌漿結實期莖葉氮素轉移量增加，提高了氮肥農學利用率和吸收利用率。綜上可知，通過機械側深施緩釋肥，直接將肥料埋入土壤，減少了氮素的損失風險，同時可使氮素供應與稻株吸氮保持同步，增加稻株氮素積累量，提高稻株氮素利用效率，穩定水稻產量。

4 結論

本研究表明，與人工撒施尿素相比，通過緩釋肥側深施用，能夠顯著提高機插稻有效穗數、穗粒數，提高水稻產量。基緩追速施肥(R96N24)在減少20%氮肥施用量的情況下，其水稻產量、氮素累積量、氮素干物質生產效率、稻谷生產效率與人工撒施常規施氮基本相當，可在減少肥料施用量的同時，降低氮素損失，滿足水稻生長的養分需求，有利于實現水稻綠色高效生產。