油菜-水稻輪作模式下油菜季氮肥投入與水稻季氮肥運籌對雜交秈稻光合生產(chǎn)力及產(chǎn)量的影響

馬 鵬，楊志遠(yuǎn)，李 娜，李 郁，呂 旭，孫永健，馬 均

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水稻研究所/作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室，四川 成都 611130)

人口基數(shù)大、耕地資源少是我國的基本國情，預(yù)計在2030 年我國人口將達(dá)到14.73 億[1]，農(nóng)作物產(chǎn)量只有在現(xiàn)有基礎(chǔ)上繼續(xù)提升才能實現(xiàn)糧食的安全供給，提高糧食作物產(chǎn)量是解決我國人多地少問題的主要途徑。水稻作為我國四大糧食作物之一，單產(chǎn)高出世界水平的65%以上，保證水稻的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)對我國乃至世界糧食安全有重要作用[2]。合理施用氮肥是保證水稻穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的栽培技術(shù)之一[3-5]。氮素是植株體內(nèi)核酸、輔酶以及光合色素分子等的重要組成成分，植株含氮量與光合速率密切相關(guān)，在一定的施氮量范圍內(nèi)水稻葉片含氮量和凈光合速率隨施氮量的增加而增加，葉片含氮量過高光合速率降低[6-7]。水稻生育后期適當(dāng)施用氮肥可以延緩葉片衰老、延長光合作用時間[8-11]。四川成都是長江上游的主要稻作區(qū)，水旱輪作是成都平原的主要種植模式，油菜季氮肥施用和水稻季氮肥管理的栽培技術(shù)能否滿足資源高效利用和實現(xiàn)水稻高產(chǎn)尚不明確，前人的研究主要集中在水稻季的氮肥管理對雜交稻光合特性的影響[8，10]，油菜季氮肥投入及水稻季氮肥運籌對雜交稻光合生產(chǎn)力及氮素利用的影響少有研究。因此，本研究以‘F 優(yōu)498’為試驗材料，采用大田小區(qū)試驗，在150 kg·hm-2施氮量基礎(chǔ)上，研究油菜季2 種氮肥投入和水稻季3 種氮肥配比運籌條件下雜交稻光合特性、物質(zhì)生產(chǎn)能力以及氮素利用規(guī)律，明確油菜季氮肥投入及水稻季氮肥運籌對雜交秈稻物質(zhì)轉(zhuǎn)運及氮素吸收利用的影響，為探索成都平原油菜-水稻輪作模式下適宜的水稻氮肥運籌方式提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地情況

試驗于2017—2018 年在四川省成都市溫江區(qū)四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所試驗田(103.87°E，30.71°N) 進行，供試土壤為砂壤土，種植油菜前0～20 cm 土層有機質(zhì)24.21 g·kg-1、全氮1.52 g·kg-1、堿解氮116.93 mg·kg-1、速效磷23.79 mg·kg-1、速效鉀49.61 mg·kg-1、pH 6.19。

1.2 試驗設(shè)計與實施

試驗采用兩因素裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為油菜季常規(guī)施氮(180 kg·hm-2)和減量施氮(150 kg·hm-2)2 種氮肥投入量，副區(qū)為水稻季在150 kg·hm-2施氮量的基礎(chǔ)上設(shè)置3 種運籌模式：m(基肥)︰m(分蘗肥)︰m(穗肥)=2︰2︰6(M1)、m(基肥)︰m(分蘗肥)︰m(穗肥)=3︰3︰4(M2)、m(基肥)︰m(分蘗肥)︰m(穗肥)=4︰4︰2(M3)。以副區(qū)不施氮處理(M0)為對照，共8 個處理，3 次重復(fù)。小區(qū)面積12.9 m2，小區(qū)間筑埂(寬30 cm、高40 cm)并用塑料薄膜包裹，以防串水串肥。油菜季氮、磷、鉀質(zhì)量配比為2︰1︰2，氮肥按基肥與追肥各占50%的比例配施，磷、鉀肥全部作為基肥施用。水稻季氮、磷、鉀質(zhì)量配比為2︰1︰2，磷肥(P2O5)75 kg·hm-2、鉀肥(K2O)150 kg·hm-2全部作基肥施用，基肥在移栽前1 天施入，分蘗肥于移栽后第7 天施用，穗肥分促花肥和保花肥，相同施用量，分別于倒4 葉和倒2 葉期施用。油菜收獲后水稻田土壤理化性質(zhì)如表1 所示。

表 1 油菜收獲后水稻田土壤理化性質(zhì)1)Table 1 Physical and chemical properties of paddy soil after harvesting rape

供試水稻品種為‘F 優(yōu)498’，該品種屬秈型三系雜交水稻，抗逆性強，耐熱性較弱，產(chǎn)量較高。采用旱育秧，于2018 年4 月17 日播種，5 月23 日人工移栽，單株種植，株行距為33.3 cm×16.7 cm，其他田間管理措施與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培技術(shù)相同。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì) 油菜收獲后利用五點采樣法收集土壤樣品，取0～20 cm 耕層土壤帶回實驗室于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，磨細(xì)過篩后置于干燥處保存。土壤pH 用電位法測定，水土質(zhì)量比為2.5∶1；有機質(zhì)含量采用K2Cr2O7-H2SO4稀釋熱法測定；全氮含量采用FOSS-8400 凱氏定氮儀測定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度法測定。

1.3.2 光合特性和葉綠素含量 分別于齊穗期、齊穗后15 d 的 09：00—11：00 使用便攜式光合測定系統(tǒng)LI-6400(美國LI-COR 公司生產(chǎn))測定劍葉凈光合速率、氣孔導(dǎo)度以及蒸騰速率，每個處理取5 片生長基本一致的葉片進行測定，重復(fù)3 次。

1.3.3 葉面積 各小區(qū)分別于拔節(jié)期和齊穗期選擇生長基本一致的植株3 株，用葉面積儀CI-203 測定拔節(jié)期葉面積和齊穗期高效葉面積，并計算葉面積指數(shù)，其中高效葉面積為有效莖蘗上3 葉的總面積。

1.3.4 雜交稻植株干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運 于拔節(jié)期、齊穗期和成熟期取田間長勢基本一致的植株3 株，分莖、葉片和穗3 部分于105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干72 h 至恒質(zhì)量，稱取各部分干質(zhì)量，計算莖鞘物質(zhì)輸出率和轉(zhuǎn)化率。

1.3.5 測產(chǎn)與考種 雜交稻成熟時，每個小區(qū)除去邊行保護行，其余雜交稻植株均單打單收，曬干后折算成容許含水量13.5%記為實收產(chǎn)量。

1.4 相關(guān)參數(shù)計算

式中，S1、S2分別為拔節(jié)期及齊穗期測定的葉面積；t1、t2分別為拔節(jié)期及齊穗期測定葉面積的時間。

莖鞘物質(zhì)輸出率=(齊穗期莖鞘干質(zhì)量-成熟期莖鞘干質(zhì)量)/齊穗期莖鞘干質(zhì)量×100%，

莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)換率=(齊穗期莖鞘干質(zhì)量-成熟期莖鞘干質(zhì)量)/籽粒干質(zhì)量×100%。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016 統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用DPS 7.05 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用LSD 法分析不同處理在P＜0.05 水平的差異顯著性，采用Origin 9.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 油菜季減量施氮對油菜產(chǎn)量的影響

常規(guī)施氮處理油菜的平均產(chǎn)量為2.59 t·hm-2，減量施氮處理油菜的平均產(chǎn)量為2.22 t·hm-2，比常規(guī)施氮處理顯著減產(chǎn)14.28%，說明減量施氮會降低油菜產(chǎn)量。

2.2 油菜季減量施氮與水稻季氮肥運籌對雜交秈稻葉面積指數(shù)及光合勢的影響

由表2 可知，油菜季施氮量對雜交稻拔節(jié)期和齊穗期葉面積指數(shù)和光合勢的影響不顯著，水稻季氮肥運籌影響顯著，二者交互效應(yīng)的影響也達(dá)到顯著水平。相對于常規(guī)施氮，減量施氮處理雜交稻拔節(jié)期葉面積指數(shù)增加5.61%，齊穗期葉面積指數(shù)和拔節(jié)期至齊穗期光合勢分別增加8.57%和2.90%。常規(guī)施氮和減量施氮條件下，水稻季M1、M2、M3 處理雜交稻拔節(jié)期、齊穗期葉面積指數(shù)及齊穗期至拔節(jié)期光合勢均較M0 處理增加，其中均以M3 處理的增幅最大，分別增加34.52%、37.83%、41.88%和55.55%、45.57%、47.95%。油菜季減量施氮和水稻季M3 運籌模式更有利于提高拔節(jié)期和齊穗期葉面積指數(shù)及拔節(jié)期至齊穗期光合勢。

表 2 油菜季氮肥投入與水稻季氮肥運籌對雜交秈稻葉面積指數(shù)及光合勢的影響1)Table 2 Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on leaf area index and photosynthetic potential of hybrid jayonica rice

2.3 油菜季氮肥投入與水稻季氮肥運籌對雜交秈稻光合特性的影響

由表3 可知，油菜季施氮量對雜交稻齊穗期、齊穗后15 d 光合特性的影響不顯著，水稻季氮肥運籌對雜交稻齊穗期光合速率、蒸騰速率和齊穗后15 d的光合速率影響顯著，對其他光合指標(biāo)影響不顯著，二者的交互效應(yīng)對齊穗期氣孔導(dǎo)度影響不顯著，對其他光合指標(biāo)影響顯著。相對于常規(guī)施氮，減量施氮降低了齊穗期光合速率，但差異不明顯。油菜季常規(guī)施氮和減量施氮條件下，水稻季M1、M2、M3 處理雜交稻齊穗期和齊穗后15 d 的光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均比M0 處理增加，其中光合速率均以M3 增幅最大。油菜季減量施氮和水稻季M3 運籌方式的光合速率增幅最大，有利于提高雜交稻劍葉的光合速率。

2.4 油菜季氮肥投入與水稻季氮肥運籌對雜交秈稻物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運及產(chǎn)量的影響

2.4.1 油菜季氮肥投入與水稻季氮肥運籌對雜交秈稻物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運的影響 水稻季氮肥運籌對雜交稻干物質(zhì)質(zhì)量的影響在油菜季常規(guī)施氮和減量施氮處理中存在一定差異(圖1)。在油菜季常規(guī)施氮條件下，相對于M0 處理，M1、M2 和M3 處理主

要生育期干物質(zhì)積累增加，拔節(jié)期干物質(zhì)積累表現(xiàn)為M3＞M1＞M2＞M0，齊穗期和成熟期表現(xiàn)為M3＞M2＞M1＞M0，M1、M2、M3 間多差異顯著，且均顯著高于M0(圖1A)。在油菜季減量施氮條件下，相對于M0 處理，M1、M2 和M3 處理干物質(zhì)積累增加，均表現(xiàn)為M3＞M1＞M2＞M0，M1、M2 和M3 處理間的干物質(zhì)積累在拔節(jié)期和抽穗期差異顯著，成熟期差異不顯著，均顯著高于M0(圖1B)。相對于常規(guī)施氮，減量施氮成熟期M0、M1、M3 處理干物質(zhì)積累分別降低4.84%、1.15%、5.08%，說明油菜季常規(guī)施氮和水稻季M3 運籌方式是提高雜交稻干物質(zhì)積累量的優(yōu)勢組合。

表 3 油菜季氮肥投入與水稻季氮肥運籌對雜交秈稻光合特性的影響Table 3 Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on photosynthetic traits of hybrid japonica rice

圖 1 油菜季氮肥投入與水稻季氮肥運籌對雜交秈稻干物質(zhì)積累的影響Fig. 1 Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on dry matter accumulation of hybrid japonica rice

由表4 可知，油菜季施氮量、水稻季氮肥運籌方式及二者的交互效應(yīng)對雜交稻物質(zhì)轉(zhuǎn)運的影響大多達(dá)到顯著或極顯著水平。相對于常規(guī)施氮，減量施氮處理齊穗期莖鞘干物質(zhì)質(zhì)量、成熟期莖鞘干物質(zhì)質(zhì)量、莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)化率分別增加了7.98%、8.60%、10.29%。油菜季常規(guī)施氮和減量施氮條件下，相對于M0 處理，M1、M2、M3 處理齊穗期和成熟期莖鞘干物質(zhì)質(zhì)量均增加，且均以M3 處理的增幅最大，分別增加31.10%、16.54% 和34.54%、15.55%。從整體上看，油菜季減量施氮和水稻季M3 運籌模式的干物質(zhì)積累量更大，更有利于促進雜交稻物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運。

2.4.2 油菜季氮肥投入與水稻季氮肥運籌對雜交秈稻產(chǎn)量的影響 由表5 可知，油菜季施氮量、水稻季氮肥運籌方式及二者的交互效應(yīng)對雜交稻產(chǎn)量構(gòu)成因素影響不顯著，但水稻季氮肥運籌模式及二者的交互效應(yīng)對實收產(chǎn)量的影響達(dá)顯著或極顯著水平。相對于常規(guī)施氮，減量施氮處理每穗粒數(shù)、結(jié)實率、實收產(chǎn)量分別增加了3.95%、0.04%、0.47%。在油菜季常規(guī)施氮和減量施氮條件下，相對于M0 處理，M1、M2、M3 處理的有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和實收產(chǎn)量均有增加，均以M3 處理增幅最大，分別增加20.66%、9.55%、46.04%和21.10%、10.03%、48.39%。由此可知，油菜季減量施氮和水稻季M3 運籌方式雜交稻有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)增加的幅度更大，更有利于提高雜交稻產(chǎn)量。

表 4 油菜季氮肥投入與水稻季氮肥運籌對雜交秈稻物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運的影響Table 4 Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on accumulation and transport of hybrid japonica rice

3 討論與結(jié)論

3.1 油菜季氮肥投入與水稻季氮肥運籌對雜交秈稻光合生理特性的影響

水稻生育后期的光合作用會直接影響產(chǎn)量，合理的氮肥運籌方式可以調(diào)控水稻生育后期的生長及光合作用[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，在油菜-水稻輪作模式下，油菜季減量施氮和水稻季M3 運籌方式提高了水稻光合性能、葉面積指數(shù)及拔節(jié)期至齊穗期光合勢，進而提高水稻產(chǎn)量，其主要原因可能是油菜根系比較發(fā)達(dá)，吸收和富集養(yǎng)分的能力比較強，根系分泌的有機酸可以溶解土壤中難溶的營養(yǎng)元素，提高其有效性。油菜季氮素大部分殘留在土壤中導(dǎo)致水稻季土壤氮素含量比較高，水稻季合理的氮肥運籌增加了前期氮肥供應(yīng)，彌補了前期土壤肥力的不足，塑造了良好的前期群體，水稻生育中后期葉面積指數(shù)和高效葉面積指數(shù)增加，具有較強的光捕獲能力，改善水稻的光合性能，減緩光合速率下降的幅度，為籽粒分配更多的同化物質(zhì)[13]。合理的氮肥運籌可以協(xié)調(diào)水稻生長期的吸氮特性，增加同化物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，提高葉綠素含量，增強光系統(tǒng)電子傳遞能力，延緩水稻植株衰老，有效調(diào)節(jié)光合性能，進而增產(chǎn)[14]。同時合理的氮肥運籌延長水稻葉面積指數(shù)高值持續(xù)期，保持較高的光合面積，對提高產(chǎn)量具有重要意義。

3.2 油菜季氮肥投入與水稻季氮肥運籌對雜交秈稻物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運、產(chǎn)量的影響

水稻干物質(zhì)生產(chǎn)能力和分配方式直接影響最終產(chǎn)量。作物生產(chǎn)能力和同化物向器官轉(zhuǎn)運能力是作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)，受基因和栽培條件調(diào)控[15-17]。本研究表明，油菜季減量施氮和水稻季M3 運籌方式具有較高的干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量，原因可能是水稻分蘗期至拔節(jié)期生長速度比較快，對氮素的需求較多，適宜的氮肥運籌與水稻對氮素的需求時期相吻合[18]，從而保證水稻生育后期具有較強的同化物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力，促進其向籽粒中分配，提高千粒質(zhì)量。相關(guān)研究表明，合理的施氮水平和氮肥運籌方式可以顯著提高水稻產(chǎn)量[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，相對于常規(guī)施氮，減量施氮處理水稻產(chǎn)量增加了0.47%。油菜季常規(guī)施氮和減量施氮水稻季M3 運籌方式的實收產(chǎn)量無差異，可能是油菜季減量施氮和水稻季M3運籌方式減少無效分蘗和弱勢分蘗的發(fā)生，促進優(yōu)勢分蘗成穗，其著粒數(shù)和實粒數(shù)也提高，形成優(yōu)勢群體。合理的氮肥運籌提高了水稻的有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，這與徐富賢等[20]研究結(jié)果相似。在本試驗條件下，油菜季減量施氮水稻季M3運籌方式雜交稻實收產(chǎn)量最高，達(dá)到9.70 t·hm-2，既能降低氮肥投入，又能優(yōu)化群體生長，保證產(chǎn)量，為本試驗最佳處理。

3.3 結(jié)論

從資源高效利用來看，油菜季減量施氮(150 kg·hm-2)和水稻季M3 運籌方式[m(基肥)︰m(蘗肥)︰m(穗肥)=4︰4︰2]通過增強水稻生育后期光合性能，提高水稻葉面積指數(shù)，增加水稻干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運，從而提高水稻產(chǎn)量，促進水稻生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展，為本研究最佳處理。