缽苗機(jī)插水稻氮素吸收與利用特征

胡雅杰 吳培 朱明 邢志鵬 戴其根 霍中洋 許軻 魏海燕 郭保衛(wèi) 張洪程

追求水稻高產(chǎn)對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要作用[1]。氮素是影響水稻生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成和稻米品質(zhì)形成的重要因子。生產(chǎn)上獲得水稻高產(chǎn)，往往通過(guò)增加施肥量來(lái)實(shí)現(xiàn)，特別是增施氮肥，但增施不當(dāng)將造成水稻結(jié)實(shí)率低、植株倒伏、稻米品質(zhì)變劣、貪青晚熟、病蟲(chóng)害加重和氮肥利用率低等問(wèn)題[2-4]。如何在高產(chǎn)條件下提高水稻氮肥吸收與利用？前人從品種篩選[5-6]、種植方式[7-8]、栽插密度[9-10]、肥水運(yùn)籌[11-15]、緩控釋肥[16-17]等方面做了大量研究。如魏海燕等[6]通過(guò)篩選不同氮素利用效率水稻品種，認(rèn)為氮高效基因型水稻抽穗期及抽穗后具有較強(qiáng)的氮素積累量。Singh等[12]研究認(rèn)為在稻麥兩熟制下優(yōu)化氮肥管理能增加水稻氮素吸收積累量，進(jìn)而提高氮素利用效率。Deng等[17]研究指出定量施用緩控釋肥能促進(jìn)水稻需氮量與供氮量平衡，減少氮量投入，提高氮素利用效率。綜合前人研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)于水稻氮素吸收利用的研究多數(shù)在傳統(tǒng)大苗手栽和毯狀小苗機(jī)插條件下進(jìn)行，且研究品種類型或穗型較為單一。而以不同穗型品種為試驗(yàn)材料，研究缽苗機(jī)插水稻氮素積累、轉(zhuǎn)運(yùn)與利用特征鮮有報(bào)道。缽苗機(jī)插水稻是通過(guò)特定硬盤培育30～35 d壯秧，將缽育壯秧按一定的行距和株距均勻地、幾乎無(wú)植傷地移植于大田的先進(jìn)栽培技術(shù)。本課題組自2010年以來(lái)開(kāi)展缽苗機(jī)插栽培研究，經(jīng)多地多年試驗(yàn)證明，缽苗機(jī)插水稻較毯苗機(jī)插具有秧齡彈性大、秧苗素質(zhì)高、栽后分蘗早生快發(fā)、低位分蘗成穗多、生育中后期干物質(zhì)積累多等優(yōu)勢(shì)，平均增產(chǎn)5.3%～11.1%，同時(shí)還兼有毯苗機(jī)插水稻輕簡(jiǎn)化、省工省力等特點(diǎn)[18-20]。本研究選用3種穗型水稻品種，采用缽苗機(jī)插和毯苗機(jī)插，測(cè)定分析植株含氮率、吸氮量、階段氮素積累量和吸氮速率、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)和氮素利用率等指標(biāo)，闡明不同機(jī)插方式水稻氮素吸收與利用特性差異，以期為大面積機(jī)插水稻高產(chǎn)氮高效提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2013年和2014年在揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院校外試驗(yàn)基地江蘇省興化市釣魚(yú)鎮(zhèn)(33°05′N，119°58′E)進(jìn)行。該區(qū)位于江蘇里下河腹地，屬北亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均溫度15℃左右，年降水量1024.8 mm左右，全年日照時(shí)數(shù)2305.6 h左右，無(wú)霜期227 d左右。試驗(yàn)地前茬為小麥(產(chǎn)量約6.7 t hm-2)，土壤類型勤泥土，質(zhì)地黏性。兩年0－20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量分別為24.8 g/kg和24.9 g/kg、全氮1.6 g/kg和 1.6 g/kg、速效磷 12.8 mg/kg和13.1 mg/kg、速效鉀141.5 mg/kg和136.8 mg/kg。

1.2 供試材料

選取具有不同穗重的24個(gè)品種或組合進(jìn)行預(yù)備試驗(yàn)，在統(tǒng)一高產(chǎn)栽培管理?xiàng)l件下，充分發(fā)揮其產(chǎn)量潛力，成熟期按平均單穗重進(jìn)行聚類分析，即按歐式距離劃分為大穗型(平均單穗重≥5 g)、中穗型(3 g＜平均單穗重＜5 g)和小穗型(平均單穗重≤3 g)三類。每穗型各選取2個(gè)代表性品種或組合進(jìn)行正式試驗(yàn)，大穗型品種為甬優(yōu)2640和甬優(yōu)8號(hào)，中穗型品種為武運(yùn)粳24號(hào)和寧粳3號(hào)，小穗型品種為淮稻5號(hào)和淮稻10號(hào)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，品種為主區(qū)，機(jī)插方式為裂區(qū)，重復(fù)3次，共36個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積20 m2。試驗(yàn)設(shè)置水稻缽苗機(jī)插和水稻毯苗機(jī)插2種機(jī)插方式，栽插密度相同。2013年和2014年，缽苗機(jī)插采用塑料缽體硬盤旱育秧，5月18日和5月20日播種，6月17日和6月19日模擬機(jī)插，秧齡均為30 d；毯苗機(jī)插采用塑料軟盤旱育秧，5月30日和6月2日播種，6月17日和6月19日模擬機(jī)插，秧齡均為18 d。根據(jù)錢銀飛等[21]關(guān)于不同穗型水稻品種每穴適宜苗數(shù)的研究結(jié)果，確定大穗型品種每穴栽插2苗，中穗型品種每穴栽插3苗，小穗型品種每穴栽插 4 苗(表 1)。

前茬麥稈機(jī)械粉碎全量還田(秸稈還田量約為6200 kg/hm2)，翻耕后灌水泡田2 d，再次翻耕，小區(qū)間筑埂包膜，保證水肥獨(dú)立排灌?？偸┘兊?00 kg/hm2，m基蘗肥∶m穗肥=6∶4，其中，基肥和分蘗肥各占50%，穗肥分兩次等量施用；氮磷鉀配比為mN∶mP2O5∶mK2O=5∶2∶3，磷肥全作基肥一次施用，鉀肥分兩次施用，其中，基肥和促花肥各占50%。薄水移栽活棵，分蘗期穩(wěn)定的淺水層灌溉；在有效分蘗臨界葉齡的前一個(gè)葉齡(N－n－1)，莖蘗數(shù)達(dá)到預(yù)期穗數(shù)的80%時(shí)，開(kāi)始排水?dāng)R田；拔節(jié)至成熟期實(shí)行濕潤(rùn)灌溉，干干濕濕，直至收獲前5～7 d。病蟲(chóng)草害防治，按當(dāng)?shù)卮竺娣e生產(chǎn)統(tǒng)一實(shí)施。

1.4 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.4.1 干物質(zhì)量測(cè)定

分別于分蘗中期(栽后20 d)、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期，按小區(qū)莖蘗數(shù)的平均數(shù)取代表性植株3穴，105℃下殺青30 min，80℃下烘干至恒重，測(cè)定各器官干物質(zhì)量。

表1 不同機(jī)插方式水稻基本苗構(gòu)成情況Table 1.Basic seedlings of rice under different mechanical transplanting patterns.

表2 不同機(jī)插方式下不同穗型水稻品種植株含氮率Table 2.Nitrogen content of different panicle type rice under different mechanical transplanting patterns. %

1.4.2 植株全氮的測(cè)定

將分蘗中期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期各器官(莖鞘、葉片和穗)烘干后粉碎，采用濃H2SO4碳化，H2O2高溫消煮，以半微量凱氏定氮法測(cè)定各器官含氮率，并計(jì)算植株全氮量。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

氮素吸收量(kg/hm2)=該時(shí)期地上部干物質(zhì)量×含氮率；

氮素階段吸收量(kg/hm2)=后一時(shí)期氮素吸收量?前一時(shí)期氮素吸收量；

氮素階段積累比例(%)=氮素階段積累量/成熟期氮素積累量×100；

氮素階段吸收速率(kg·hm-2d-1)=氮素階段吸收量/前后兩時(shí)期間隔天數(shù)；

葉(莖鞘)氮素輸出量(kg/hm2)=抽穗期葉(莖鞘)含氮量?成熟期葉(莖鞘)含氮量；

氮素表觀轉(zhuǎn)運(yùn)率(%)=葉(莖鞘)氮素輸出量/抽穗期葉(莖鞘)含氮量×100；

氮素表觀貢獻(xiàn)率(%)=葉(莖鞘)氮素輸出量/成熟期籽粒含氮量×100；

氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=水稻產(chǎn)量/施氮量；

氮素收獲指數(shù)=成熟期籽粒含氮量/成熟期植株地上部氮素積累量。

使用Microsoft Excel 2003處理數(shù)據(jù)，SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。兩年結(jié)果趨勢(shì)一致，以2013年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植株含氮率

由表2可知，不同機(jī)插方式下3種穗型水稻品種植株含氮率隨著生育進(jìn)程推移而遞減。不同穗型品種的缽苗機(jī)插分蘗中期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期植株含氮率略高于毯苗機(jī)插，但差異不顯著。

2.2 植株吸氮量

由表3可知，不同穗型品種分蘗中期和拔節(jié)期植株吸氮量缽苗機(jī)插高于毯苗機(jī)插，但差異不顯著。抽穗期和成熟期，缽苗機(jī)插水稻植株吸氮量較毯苗機(jī)插分別高出6.13%～9.52%和7.60%～10.44%，機(jī)插方式間差異達(dá)顯著水平。就不同穗型品種而言，成熟期植株吸氮量表現(xiàn)為大穗型＞中穗型＞小穗型。

表3 不同機(jī)插方式下不同穗型水稻品種植株吸氮量Table 3.Nitrogen uptake of different panicle type rice under different mechanical transplanting patterns. kg/hm2

表4 不同機(jī)插方式下不同穗型水稻品種氮素階段吸收量及其比例Table 4. Nitrogen uptake at a specific stage and its ratio of different panicle type rice under different mechanical transplanting patterns.

2.3 氮素階段吸收量及其比例

由表4可知，移栽至分蘗中期，缽苗機(jī)插氮素吸收量較毯苗機(jī)插高出5.13%～8.61%，機(jī)插方式間差異顯著；此階段氮素積累比例缽苗機(jī)插低于毯苗機(jī)插。分蘗中期至拔節(jié)期，缽苗機(jī)插吸氮量及其比例均低于毯苗機(jī)插。拔節(jié)至抽穗期，吸氮量缽苗機(jī)插較毯苗機(jī)插高出9.85%～15.26%，差異達(dá)顯著水平；此階段氮素積累比例亦高。抽穗至成熟期，缽苗機(jī)插吸氮量及其比例高于毯苗機(jī)插，除甬優(yōu)8號(hào)和武運(yùn)粳24號(hào)外氮素吸收量機(jī)插方式間差異達(dá)顯著水平。就不同穗型品種而言，生育中期氮素吸收量表現(xiàn)為大穗型＞中穗型＞小穗型。

2.4 氮素吸收速率

由表5可知，不同穗型水稻品種移栽至分蘗中期缽苗機(jī)插氮素吸收速率較毯苗機(jī)插高出5.26%～8.54%，差異達(dá)顯著水平。分蘗中期至拔節(jié)期，缽苗機(jī)插氮素吸收速率較毯苗機(jī)插高出1.34%～11.06%，除淮稻5號(hào)外差異達(dá)顯著水平。拔節(jié)至抽穗期，缽苗機(jī)插氮素吸收速率較毯苗機(jī)插高出13.11%～20.98%，差異達(dá)顯著水平。抽穗至成熟期，缽苗機(jī)插氮素吸收速率較毯苗機(jī)插高出3.85%～31.37%，除甬優(yōu)8號(hào)外差異達(dá)顯著水平。

表5 不同機(jī)插方式下不同穗型水稻品種氮素吸收速率Table 5. Nitrogen uptake rate of different panicle type rice under different mechanical transplanting patterns. kg/(hm2·d)

表6 不同機(jī)插方式和密度下大穗型水稻品種抽穗后氮素輸出與轉(zhuǎn)運(yùn)Table 6. Nitrogen output and translocation after heading for different panicle type rice under different mechanical transplanting patterns.

2.5 氮素輸出與轉(zhuǎn)運(yùn)

由表6可知，不同穗型品種葉的氮素輸出量缽苗機(jī)插顯著高于毯苗機(jī)插，而莖鞘氮素輸出量機(jī)插方式間互有高低，但差異未達(dá)顯著水平。對(duì)氮素表觀轉(zhuǎn)運(yùn)率而言，缽苗機(jī)插水稻葉片氮素表觀轉(zhuǎn)運(yùn)率顯著高于毯苗機(jī)插，而莖鞘氮素表觀轉(zhuǎn)運(yùn)率缽苗機(jī)插低于毯苗機(jī)插。氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率，葉片表現(xiàn)為缽苗機(jī)插高于毯苗機(jī)插，而莖鞘呈相反趨勢(shì)。

2.6 氮素利用效率

圖1顯示，不同穗型品種缽苗機(jī)插水稻氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于毯苗機(jī)插，大穗型品種高出9.92%～10.52%，中穗型品種高出6.95%～8.35%，小穗型品種高出5.49%～6.03%。對(duì)氮素收獲指數(shù)而言(圖2)，大穗型品種缽苗機(jī)插水稻氮素收獲指數(shù)顯著高于毯苗機(jī)插，而中小穗型品種氮素收獲指數(shù)缽苗機(jī)插高于或相當(dāng)于毯苗機(jī)插。

圖1 不同機(jī)插方式下不同穗型水稻品種氮素利用效率Fig.1. Nitrogen use efficiency of different panicle type rice under different mechanical transplanting patterns.

圖2 不同機(jī)插方式下不同穗型水稻品種氮素收獲指數(shù)Fig.2. Nitrogen harvest index of different panicle type rice under different mechanical transplanting patterns.

3 討論

氮素吸收與積累是水稻產(chǎn)量形成重要的生理過(guò)程，籽粒氮素來(lái)自抽穗前貯藏于植株的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)和穗后的氮素吸收。氮素吸收積累主要受水稻自身遺傳基因調(diào)控，而種植方式、栽插密度、氮肥運(yùn)籌、水分管理等栽培措施也是影響水稻氮素吸收與積累的重要因素。霍中洋等[7]研究認(rèn)為抽穗期和成熟期吸氮量、拔節(jié)至抽穗期和抽穗至成熟期的氮素積累量和氮素吸收速率均表現(xiàn)為手栽稻＞機(jī)插稻＞直播稻。本研究結(jié)果表明，與毯苗機(jī)插相比，缽苗機(jī)插水稻抽穗期和成熟期吸氮量顯著提高，移栽至分蘗中期、拔節(jié)至抽穗期和抽穗至成熟期的氮素積累量和氮素吸收速率較高。這與霍中洋等[7]研究手栽稻氮素吸收積累的部分結(jié)果一致。缽苗機(jī)插水稻栽后幾乎無(wú)植傷、無(wú)緩苗期，根系和分蘗發(fā)生快，移栽至分蘗中期吸氮能力強(qiáng)，從而提高栽后20 d內(nèi)的氮素積累量，這是缽苗機(jī)插氮素吸收積累區(qū)別于毯苗機(jī)插和手栽稻的重要特征。缽苗機(jī)插水稻和手栽稻兩者在秧齡大小、播栽期、生育時(shí)期相近，均能培育帶蘗壯秧，利于形成壯稈大穗和生育中后期高光效群體，從而使得缽苗機(jī)插類似于手栽稻在生育中、后期具有較強(qiáng)的氮素吸收積累能力。許軻等[22]研究認(rèn)為水稻抽穗至成熟期葉片、莖鞘的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量與產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)，且不同生育期葉片的氮素吸收量與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)高于對(duì)應(yīng)時(shí)期莖鞘的相關(guān)系數(shù)。本研究結(jié)果表明，缽苗機(jī)插水稻葉片氮素輸出量、葉片氮素表觀轉(zhuǎn)運(yùn)率和葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率顯著高于毯苗機(jī)插，而莖鞘氮素表觀轉(zhuǎn)運(yùn)率和莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率低于毯苗機(jī)插。說(shuō)明缽苗機(jī)插水稻生育后期葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量大，對(duì)籽粒氮素積累貢獻(xiàn)率高，而莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量小，籽粒氮素貢獻(xiàn)率低。這與缽苗機(jī)插水稻葉片和莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)密切相關(guān)。

水稻氮素利用效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括氮素農(nóng)學(xué)利用率、氮素吸收利用率、氮素生理利用率、氮素偏肥生產(chǎn)力、氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率、氮素籽粒生產(chǎn)效率和氮收獲指數(shù)等[22]。關(guān)于提高水稻氮素利用率的栽培措施，前人側(cè)重于氮肥用量和氮肥運(yùn)籌等方面研究[23-24]，而關(guān)于栽培方式提高水稻氮素利用率的研究也逐漸增多[7,25-26]?；糁醒蟮萚7]研究認(rèn)為手栽稻、機(jī)插稻與直播稻的氮素利用率平均分別為44.49%、39.00%、31.41%，手栽稻較機(jī)插稻和直播稻分別高14.08%和41.63%。而Liu等[25]研究認(rèn)為，與移栽稻相比，旱直播水稻籽粒氮利用效率提高了11.2%～20.3%。本研究結(jié)果表明，不同穗型品種的水稻氮肥偏生產(chǎn)力缽苗機(jī)插(33.26～43.66 kg/kg)顯著高于毯苗機(jī)插(31.53～39.50 kg/kg)，氮素收獲指數(shù)缽苗機(jī)插(0.60～0.67)略高于毯苗機(jī)插(0.59～0.65)。說(shuō)明在相同栽插密度條件下水稻缽苗機(jī)插較毯苗機(jī)插在氮素利用效率方面具有一定優(yōu)勢(shì)，這與缽苗機(jī)插生育中、后期具有較強(qiáng)光合物質(zhì)生產(chǎn)能力和較強(qiáng)的氮素吸收能力密切相關(guān)。李敏等[27]研究認(rèn)為氮肥偏生產(chǎn)力、氮素生理利用率、氮素農(nóng)學(xué)利用率隨著氮肥群體生產(chǎn)力提高而顯著增加，說(shuō)明相同氮肥投入，高產(chǎn)類型品種產(chǎn)量越高，氮素利用效率亦高。本研究結(jié)果表明，在缽苗機(jī)插或毯苗機(jī)插栽培條件下，不同穗型水稻品種的氮肥偏生產(chǎn)力和氮素收獲指數(shù)表現(xiàn)為大穗型＞中穗型＞小穗型?？梢?jiàn)，隨著水稻品種穗型增大、產(chǎn)量的增加，水稻的氮素利用率得到協(xié)同提高。

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[18]胡雅杰,邢志鵬,龔金龍,劉國(guó)濤,張洪程,戴其根,霍中洋,許軻,魏海燕,郭保衛(wèi),沙安勤,周有炎,羅學(xué)超,劉國(guó)林.缽苗機(jī)插水稻群體動(dòng)態(tài)特征及高產(chǎn)形成機(jī)制的探討.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,47(5):865-879 Hu Y J,Xing Z P,Gong Ji L,Liu G T,Zhang H C,Dai Q G,Huo Z Y,Xu K,Wei H Y,Guo B W,Sha A Q,Zhou Y Y,Luo X C,Liu G L.Study on population characteristics and formation mechanisms for high yield of pot-seedling mechanical transplanting rice.Sci Agric Sin,2014,47(5):865-879.(in Chinese with English abstract)

[19]胡雅杰,曹偉偉,錢海軍,邢志鵬,張洪程,戴其根,霍中洋,許軻,魏海燕,郭保衛(wèi),高輝,沙安勤,周有炎,劉國(guó)林.缽苗機(jī)插密度對(duì)不同穗型水稻品種產(chǎn)量、株型和抗倒伏能力的影響.作物學(xué)報(bào),2015,41(5):743-757 Hu Y J,Cao W W,Qian H J,Xing Z P,Zhang H C,Dai Q G,Huo Z Y,Xu K,Wei H Y,Guo B W,Gao H,Sha A Q,Zhou Y Y,Liu G L.Effect of planting density of mechanically transplanted pot seedlings on yield,plant type and lodging resistance in rice with different panicle types,Acta Agron Sin,2015,41(5):743-757.(in Chinese with English abstract)

[20]張洪程,朱聰聰,霍中洋,許 軻,蔣曉鴻,陳厚存,高尚勤,李德劍,趙成美,戴其根,魏海燕,郭保衛(wèi).缽苗機(jī)插水稻產(chǎn)量形成優(yōu)勢(shì)及主要生理生態(tài)特點(diǎn).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(21):50-59.Zhang H C,Zhu C C,Huo Z Y,Xu K,Jiang X H,Chen H C,Gao S Q,Li D J,Zhao C M,Dai Q G,Wei H Y,Guo B W. Advantages of yield formation and main characteristics of physiological and ecological in rice with nutrition bowl mechanical transplanting.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(21):50-59.(in Chinese with English abstract)

[21]錢銀飛,張洪程,吳文革,陳燁,李杰,郭振華,張強(qiáng),戴其根,霍中洋,許軻,魏海燕.機(jī)插穴苗數(shù)對(duì)不同穗型粳稻品種產(chǎn)量及品質(zhì)的影響.作物學(xué)報(bào),2009,35(9):1698-1707.Qian Y F,Zhang H C,Wu W G,Chen Y,Li J,Guo Z H,Zhang Q,Dai Q G,Huo Z Y,Xu K,Wei H Y.Effects of seedlings number per hill on grain yield and quality in differentpanicle types of mechanicaltransplanted japonica rice.Acta Agron Sin,2009,35(9):1698-1707.(in Chinese with English abstract)

[22]李敏,張洪程,李國(guó)業(yè),魏海燕,殷春淵,馬群,楊雄.水稻氮效率基因型差異及其機(jī)理研究進(jìn)展.核農(nóng)學(xué)報(bào),2011,25(5):1057-1063.Li M,Zhang H C,Li G Y,Wei H Y,Yin C Y,MA Q,Yang X.Genotypic difference of nitrogen use efficiency in rice its morphological and physiological mechanisms.J Nuc Agric Sci,2011,25(5):1057-1063.(in Chinese with English abstract)

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