栽培模式對(duì)寒地粳稻產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收積累的影響

呂艷東，胡 月，李 猛，姜紅芳，蘭宇辰，王鶴瓔，郭曉紅*

（1．黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)/黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163319；2．牡丹江市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，黑龍江 牡丹江 157000）

水稻是我國(guó)最重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量的高低直接影響到國(guó)家的糧食安全。氮、磷、鉀是水稻生長(zhǎng)發(fā)育過程中必需的三大營(yíng)養(yǎng)元素，其豐缺程度直接影響水稻最終產(chǎn)量的形成。然而隨著我國(guó)水稻產(chǎn)量的不斷提升，氮肥的施用量也在持續(xù)增加。目前中國(guó)是世界氮肥消費(fèi)的第一大國(guó)，其中水稻生產(chǎn)中的氮肥用量占全球氮肥用量的30%［1］。而中國(guó)稻田氮肥利用率僅為30%～35%，磷肥利用率為10%～20%，鉀肥利用率為35%～50%［2-3］。因此，在獲得水稻高產(chǎn)的同時(shí)，提高養(yǎng)分利用效率是目前農(nóng)業(yè)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

提高水稻氮、磷、鉀等養(yǎng)分的吸收、利用、降低污染是現(xiàn)代水稻生產(chǎn)發(fā)展的迫切需要。迄今為止，關(guān)于栽培模式對(duì)水稻氮、磷、鉀吸收特性影響的研究報(bào)道較少。氮肥方面，水稻植株在成熟期的穗部氮素積累量依靠于氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)，合理的氮肥施用量可以提高水稻在各生育時(shí)期養(yǎng)分吸收總量，同時(shí)在水稻生育后期提高秸稈中氮、磷、鉀向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)量［4］。磷肥方面，有研究認(rèn)為水稻在成熟期穗部的磷素積累量較高時(shí)，有利于水稻后期形成高產(chǎn)［5-6］。鉀肥方面，王強(qiáng)盛等［7］研究認(rèn)為增施鉀肥可以提高水稻成熟期葉片、莖鞘和穗部的鉀素分配比例，且可以提高植株鉀素積累量。缽苗擺栽方面，有研究報(bào)道缽苗稀植高產(chǎn)栽培條件下氮素吸收利用與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，水稻不同生育時(shí)期氮素吸收量，抽穗至成熟期葉、莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量與產(chǎn)量均呈顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系［8］。密度方面，已有研究表明不同的移栽密度對(duì)水稻氮素吸收利用具有較大影響［9-11］。然而，關(guān)于對(duì)水稻養(yǎng)分吸收利用的影響多集中在上述某單一因素的研究［12-13］，而通過多項(xiàng)栽培技術(shù)的集成與優(yōu)化使水稻達(dá)到高產(chǎn)高效的栽培模式研究卻鮮有報(bào)道。

黑龍江省是中國(guó)最北部的寒地稻作區(qū)，也是中國(guó)最大的、最重要的粳稻生產(chǎn)區(qū)，2017年黑龍江省水稻種植面積達(dá)到330萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)到2 377.4萬t［14］。為此，本試驗(yàn)比較了不同栽培模式下水稻產(chǎn)量、氮、磷和鉀素積累、分配及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，為構(gòu)建寒地水稻高產(chǎn)高效栽培技術(shù)體系提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)于2017～2018年在黑龍江省綏化市綏棱縣上集鎮(zhèn)水稻試驗(yàn)站（E127°18′48.91″，N47°09′31.64″）進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤為黑土，土壤pH值為6.3，有機(jī)質(zhì)含量為44.5 g/kg，堿解氮含量為155.4 mg/kg，有效磷含量為10.6 mg/kg，速效鉀含量為229 mg/kg。供試品種為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)品種龍慶稻3號(hào)（主莖為11片葉）。播種時(shí)間分別為2017年4月11日和2018年4月9日，移栽時(shí)間分別為2017年5月15日和2018年5月13日，基本苗數(shù)每穴4株，收獲時(shí)間分別為2017年9月28日和2018年9月27日。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)置4個(gè)處理，即：未施氮空白處理（N0）、當(dāng)?shù)剞r(nóng)民高產(chǎn)栽培模式（對(duì)照，F(xiàn)P）、高產(chǎn)高效栽培模式（HYHE）和超高產(chǎn)栽培模式（SHY），各處理重復(fù)3次。其中HYHE模式的氮肥、磷肥和鉀肥總量投入分別較SHY模式減少12.5%、12.5%和38%?；瘜W(xué)肥料分別為尿素（N 46%）、磷酸二銨（N 18%，P2O546%）、硫酸鉀（K2O 50%），復(fù)合肥為納米硅肥（有效硅≥55%），有機(jī)肥料為生物有機(jī)肥（N+P+K≥5%，有機(jī)質(zhì)≥40%）。N肥以基肥∶分蘗肥∶調(diào)節(jié)肥∶穗肥=4∶3∶1∶2的比例施入，P肥作為基肥一次性施入，K肥以基肥∶穗肥=6∶4的比例施入?；?、分蘗肥、調(diào)節(jié)肥、穗肥分別于移栽前12 d（2017年5月3日和2018年5月1日）、返青期（2017年5月20日和2018年5月19日）、8.5葉幼穗分化期（2017年6月30日和2018年7月2日）和10.5葉拔節(jié)期（2017年7月8日和2018年7月6日）施用。試驗(yàn)期間各處理水分管理采用單排單灌，防止相互影響。各處理間肥料運(yùn)籌和主要栽培措施如表1所示。

表1 不同栽培模式下肥料運(yùn)籌及栽培措施

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 產(chǎn)量測(cè)定

水稻成熟時(shí)每小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的4點(diǎn)，調(diào)查連續(xù)10 穴穗數(shù)，計(jì)算平均穗數(shù)，每點(diǎn)按照平均穗數(shù)取樣2穴，帶回室內(nèi)考種。記錄每穴穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)、空粃粒數(shù)等，計(jì)算理論產(chǎn)量。

1.3.2 植株氮、磷和鉀含量測(cè)定

用LG-50型粉碎機(jī)（瑞安某公司）將水稻全株及各器官分別粉碎，并過0.25 mm篩，采用全自動(dòng)凱氏定氮儀（KjeltecTM8400，丹麥）測(cè)定氮，用釩鉬黃比色法測(cè)定磷，用火焰光度法測(cè)定鉀。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)方法

采用吳文革等［15］的方法進(jìn)行氮素、磷素和鉀素吸收與利用效率的計(jì)算。

（1）植株含氮（磷、鉀）量（g/kg）=［葉片干物重×葉片含氮（磷、鉀）量+莖鞘干物重×莖鞘含氮（磷、鉀）率+穗部干物重×穗部含氮（磷、鉀）率］/植株地上部干物重×1 000

（2）氮（磷、鉀）素積累量（kg/hm2）=地上部（葉片、莖鞘、穗）干物重×地上部（葉片、莖鞘、穗）含氮（磷、鉀）量

（3）氮（磷、鉀）素總積累量（kg/hm2）=成熟期植株地上部氮（磷、鉀）素積累量的總和

（4）氮（磷、鉀）素轉(zhuǎn)運(yùn)量（kg/hm2）=抽穗期某器官氮（磷、鉀）素積累量-成熟期該器官氮（磷、鉀）素積累量

（5）氮（磷、鉀）素表觀轉(zhuǎn)運(yùn)率（%）=葉片（莖鞘）氮（磷、鉀）素轉(zhuǎn)運(yùn)量/抽穗期葉片（莖鞘）氮（磷、鉀）素積累量×100

（6）氮（磷、鉀）素表觀轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率（%）=氮（磷、鉀）素轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期穗部氮（磷、鉀）素積累量×100

（7）氮（磷、鉀）素干物質(zhì)生產(chǎn)效率（kg/kg）=成熟期地上部干物重/地上部氮（磷、鉀）素總積累量

（8）氮（磷、鉀）素稻谷生產(chǎn)效率（kg/kg）=產(chǎn)量/地上部氮（磷、鉀）素總積累量

（9）氮（磷、鉀）素收獲指數(shù)（%）=成熟期穗部氮（磷、鉀）素積累量/植株地上部氮（磷、鉀）素積累總量×100

由于兩年試驗(yàn)結(jié)果基本一致，故除產(chǎn)量用兩年數(shù)據(jù)外其他數(shù)據(jù)取2017年測(cè)定值，采用Excel 2003軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和相關(guān)分析，DPS 7.05 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

由圖1可知，兩年試驗(yàn)產(chǎn)量變化趨勢(shì)基本一致，N0、FP、HYHE和SHY兩年（2017、2018年）的平均產(chǎn)量分別為5.16、7.58、8.58和11.73 t/hm2。HYHE和SHY的產(chǎn)量分別較FP高出13.19%和54.74%。

圖1 不同栽培模式下水稻的產(chǎn)量變化

2.2 不同栽培模式對(duì)水稻氮素積累及氮素生產(chǎn)效率的影響

2.2.1 不同栽培模式下全株含氮量的變化

由圖2可知，全株含氮量在齊穗期和成熟期均呈現(xiàn)SHY＞HYHE＞FP＞N0的趨勢(shì)。在齊穗期，HYHE和SHY的全株含氮量分別較FP顯著提高24.87%和38.05%，SHY與HYHE相比提高10.55%，但差異不顯著；在成熟期，HYHE和SHY的全株含氮量分別較FP顯著提高10.19%和14.94%，SHY較HYHE顯著提高4.75%。可見，在齊穗期和成熟期，HYHE和SHY均能顯著提高全株含氮量，其中，SHY對(duì)全株含氮量的影響大于HYHE。

圖2 不同栽培模式下水稻全株在齊穗期和成熟期的含氮量變化

2.2.2 不同栽培模式下全株及各器官氮素積累量的變化

由表2可知，在齊穗期，除HYHE穗部氮素積累量外，HYHE葉片、莖鞘、穗部氮素積累量分別較FP顯著提高24.87%、26.19%、10.89%；SHY分別較FP顯著提高58.75%、43.83%、33.40%。氮素積累量表現(xiàn)為葉片＞莖鞘＞穗。在成熟期，除HYHE莖鞘氮素積累量外，HYHE葉片、莖鞘、穗部氮素積累量分別較FP顯著提高32.35%、22.77%、11.32%，SHY分別較FP顯著提高100.20%、30.08%、20.32%。全株氮素總積累量HYHE和SHY分別較FP顯著提高50.99%和71.58%。氮素積累量表現(xiàn)為穗＞莖鞘＞葉片，全株氮素總積累量均呈現(xiàn)SHY＞HYHE＞FP＞N0的趨勢(shì)。由此可見，水稻從齊穗期到成熟期的過程中，葉片和莖鞘中的氮素積累逐漸減少，穗部的氮素積累逐漸增多。

2.2.3 不同栽培模式下全株及各器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)比較

由表3可知，葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和氮素表觀轉(zhuǎn)運(yùn)率均高于莖鞘，葉片和莖鞘的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮素表觀轉(zhuǎn)運(yùn)率、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率和氮素收獲指數(shù)均呈現(xiàn)出SHY＞HYHE＞FP＞N0的趨勢(shì)，但氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率則呈現(xiàn)N0＞FP＞HYHE＞SHY的趨勢(shì)，稻谷氮素生產(chǎn)效率并未呈現(xiàn)一致的規(guī)律。從氮素轉(zhuǎn)運(yùn)情況來看，HYHE和SHY的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率分別較FP顯著提高5.96%、17.30%。HYHE和SHY的穗部氮增加量分別較FP顯著提高12.71%和39.40%。HYHE和SHY的氮素干物質(zhì)效率和稻谷氮素生產(chǎn)效率均顯著低于FP。氮素收獲指數(shù)維持在50%～65%之間。HYHE的氮素收獲指數(shù)較FP均有所提高，但差異不顯著，SHY較FP提高9.75%，差異達(dá)到顯著水平。

表2 不同栽培模式下水稻全株及各器官氮素積累量的比較 （kg/hm2）

表3 不同栽培模式下水稻全株及各器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的比較

2.3 不同栽培模式對(duì)水稻磷素積累及磷素生產(chǎn)效率的影響

2.3.1 不同栽培模式下對(duì)全株含磷量的變化

圖3 不同栽培模式下水稻全株在成熟期的含磷量變化

不同栽培模式下水稻全株含磷量在成熟期的變化如圖3所示，全株含磷量呈現(xiàn)SHY＞HYHE＞FP＞N0的趨勢(shì)。HYHE和SHY的全株含磷量分別較FP顯著提高4.58%和12.17%。而SHY全株含磷量較HYHE進(jìn)一步提高10.68%?？梢?，SHY對(duì)水稻全株含磷量的影響要顯著高于HYHE。

2.3.2 不同栽培模式下全株及各器官磷素積累及生產(chǎn)效率的變化

成熟期葉片、莖鞘、穗部和全株磷素積累量的變化如表4所示，均呈現(xiàn)SHY＞HYHE＞FP＞N0的趨勢(shì)，水稻全株各器官磷素積累量表現(xiàn)為穗部＞莖鞘＞葉片。而HYHE和SHY磷素生產(chǎn)效率較FP相比，均有所降低。磷素收獲指數(shù)維持在50%～65%，且呈現(xiàn)出SHY＞HYHE＞FP＞N0的趨勢(shì)。除N0外的其它3個(gè)處理間的磷素收獲指數(shù)并無顯著差異?？梢?，HYHE和SHY對(duì)水稻全株磷素收獲指數(shù)的影響增幅較小，且不顯著。

表4 不同栽培模式下成熟期水稻全株及各器官磷素積累量及生產(chǎn)效率的比較

2.4 不同栽培模式對(duì)水稻鉀素積累及鉀素生產(chǎn)效率的影響

2.4.1 不同栽培模式下全株含鉀量的變化

由圖4可知，全株含鉀量在成熟期呈現(xiàn)SHY＞HYHE＞FP＞N0的趨勢(shì)。HYHE和SHY的全株含鉀量得到極顯著提高，分別是FP的2.6和4.7倍。SHY全株含鉀量是HYHE的1.8倍。

圖4 不同栽培模式下水稻全株在成熟期的含鉀量變化

2.4.2 不同栽培模式下全株及各器官鉀素積累及生產(chǎn)效率比較

由表5可知，成熟期葉片、莖鞘、穗部和全株鉀素積累量的變化均呈現(xiàn)SHY＞HYHE＞FP＞N0的趨勢(shì)。水稻全株各器官鉀素積累量表現(xiàn)為穗部＞莖鞘＞葉片。從葉片的鉀素積累量來看，HYHE和SHY較FP均有極顯著提高；從莖鞘鉀素積累量來看，只有SHY較FP顯著提高；從穗部鉀素積累量來看，HYHE和SHY均顯著或極顯著高于FP。HYHE和SHY的鉀素生產(chǎn)效率較FP均顯著降低。鉀素收獲指數(shù)維持在60%～75%之間，且呈現(xiàn)出SHY＞HYHE＞FP＞N0的趨勢(shì)，只有SHY的收獲指數(shù)較FP顯著提高7.27%。

表5 不同栽培模式下成熟期水稻全株及各器官鉀素積累量的比較

3 討論

水稻產(chǎn)量受到品種、溫光環(huán)境、栽培模式，或三者間交互作用的影響［16］。在不同的溫光環(huán)境下，不同的水稻品種需要采用相應(yīng)的栽培模式才能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。研究已表明，單一因素栽培管理方式的優(yōu)化不能有效地提高水稻產(chǎn)量［17］。水稻產(chǎn)量的提高需要更多地依靠多因素集成的超高產(chǎn)栽培模式［17-18］。本研究中為了獲得更高的水稻產(chǎn)量，采取了高產(chǎn)高效和超高產(chǎn)栽培模式，其中高產(chǎn)高效栽培模式較當(dāng)?shù)剞r(nóng)民栽培模式增加了氮、磷、鉀肥的用量及增施了生物有機(jī)肥，而超高產(chǎn)栽培模式又在高產(chǎn)高效栽培模式基礎(chǔ)上，增施了納米硅肥，且采用了缽苗擺栽及寬窄行栽培技術(shù)，這些措施的綜合運(yùn)用是水稻獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)。因此，高產(chǎn)高效和超高產(chǎn)栽培模式增產(chǎn)效果最明顯，尤以超高產(chǎn)栽培模式增產(chǎn)最高。

江立庚等［19］研究認(rèn)為水稻植株在齊穗前氮素大部分積累在葉片，而在成熟期則大部分積累在穗部。本研究中水稻植株從齊穗期到成熟期的過程中，葉片和莖鞘的氮素積累量逐漸減少，穗部的氮素積累量隨之增加，說明水稻植株在齊穗期后，葉片和莖鞘中的氮素逐漸轉(zhuǎn)向穗部積累，這與前人研究結(jié)果一致。Zhang等［9］研究認(rèn)為隨著施氮量的增加，水稻植株的氮素吸收量和氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量得到顯著提高。此外，張小平等［10］還認(rèn)為使用水稻寬窄行栽培技術(shù)可以提高植株氮素積累量和氮素利用效率，但氮素收獲指數(shù)會(huì)顯著降低，本研究中，高產(chǎn)高效和超高產(chǎn)栽培模式均能在不同程度上提高水稻植株含氮量、氮素積累量和氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量，且能有效調(diào)節(jié)植株中氮素在各器官的分配比例，各器官氮素積累量也有顯著優(yōu)勢(shì)。高產(chǎn)高效和超高產(chǎn)栽培模式顯著提高了水稻植株含氮量，為成熟期水稻各器官氮素積累能力加強(qiáng)奠定了基礎(chǔ)，這也是水稻高產(chǎn)的關(guān)鍵所在，這與前人研究基本一致。但在本研究中使用寬窄行栽培技術(shù)的超高產(chǎn)栽培模式中，氮素收獲指數(shù)并未下降，反而得到顯著提高，與張小平等［10］研究結(jié)果不一致。本研究中超高產(chǎn)栽培模式還采用缽育苗方式，而胡雅杰等［11］研究發(fā)現(xiàn)：缽育苗會(huì)提高水稻氮素收獲指數(shù)。此外，氮素收獲指數(shù)還受生態(tài)條件、品種自身遺傳特性等因素制約。因此，此結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

磷素是水稻生產(chǎn)上必不可少，也是需求量較大的營(yíng)養(yǎng)元素之一［20］。李前等［20］研究表明，施磷量與水稻植株磷素積累量呈正比。有研究認(rèn)為［5-6］水稻在成熟期穗部的磷素積累量較高時(shí)，有利于水稻后期形成高產(chǎn)。本研究中，高產(chǎn)高效和超高產(chǎn)兩種栽培模式的植株磷素總積累量和穗部磷素積累量均有不同程度的提高，且與產(chǎn)量呈現(xiàn)一致的趨勢(shì)，這與前人研究結(jié)果基本一致。本研究中超高產(chǎn)栽培模式的氮、磷、鉀肥施入量均高于高產(chǎn)高效栽培模式，且各器官的磷素積累量均高于高產(chǎn)高效栽培模式，推測(cè)原因?yàn)槌弋a(chǎn)栽培模式除氮、磷、鉀肥施入量最高外，還增施了納米硅肥。硅肥對(duì)植株磷素吸收有促進(jìn)作用，提高水稻根系氧化力，促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育［21］，從而促進(jìn)植株對(duì)磷素的吸收。

鉀素在水稻產(chǎn)量形成的過程中起著重要作用，它也是實(shí)現(xiàn)水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要營(yíng)養(yǎng)元素［22］。劉國(guó)棟等［23］認(rèn)為不同品種在吸鉀量方面有著顯著差異。水稻植株中的鉀素多在莖鞘當(dāng)中積累［24］。王強(qiáng)盛等［7］認(rèn)為增施鉀肥可以提高水稻成熟期葉片、莖鞘和穗部的鉀素分配比例，且可以提高植株鉀素積累量。韋還和等［25］認(rèn)為增施鉀肥可以促進(jìn)水稻的光合利用，增強(qiáng)抗逆性的同時(shí)提高植株鉀素積累量。本研究中，高產(chǎn)高效和超高產(chǎn)栽培模式的含鉀量、各器官的鉀素積累量顯著提高，且超高產(chǎn)栽培模式更優(yōu)于高產(chǎn)高效栽培模式，這可能是由于超高產(chǎn)栽培模式在4種栽培模式中施鉀量最高，且采用的寬窄行栽培技術(shù)可通過增加行間距離有效改善水稻植株群體冠層結(jié)構(gòu)，提高水稻植株的光合能力和群體通風(fēng)透光性，顯著提高了植株鉀素積累量，這與前人研究結(jié)果相一致。由此可見，整合的栽培技術(shù)措施對(duì)提高水稻養(yǎng)分利用效率以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

4 結(jié)論

綜上所述，高產(chǎn)高效栽培、超高產(chǎn)栽培模式通

過合理的施肥，與高產(chǎn)栽培技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)寒地水稻植株對(duì)氮、磷和鉀素的吸收，從而提高植株氮、磷和鉀素的積累能力，實(shí)現(xiàn)寒地水稻對(duì)養(yǎng)分的高效吸收與利用，從而獲得高產(chǎn)高效，并為寒地水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培模式提供理論支持。