“稻-再-油/肥”輪作和施氮對水稻產(chǎn)量及籽粒灌漿特性的影響

田貴生, 王志賓, 李小坤, 朱丹丹, 張江林, 劉秋霞

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 微量元素研究中心, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游耕地保育重點實驗室, 武漢 430070)

水稻是我國乃至世界上最主要的糧食作物之一，為了緩解世界人口不斷激增和耕地面積不斷減少的矛盾，提高水稻產(chǎn)量，保障糧食安全至關(guān)重要[1]。目前，水稻增產(chǎn)主要是通過提高單產(chǎn)和增加種植面積來實現(xiàn)。隨著農(nóng)村勞動力日趨緊張和勞動力價格上升，大面積農(nóng)田撂荒或者多熟制改為單熟制，造成我國水稻和油菜種植面積和總產(chǎn)量均減少[2]。

在我國耕地面積有限的前提下，合理輪作和施用氮肥是提高群體產(chǎn)量的有力措施[3]。再生稻是水稻“一種兩收”的種植模式，即頭季稻收割后，利用稻樁重新發(fā)苗長穗，實現(xiàn)稻田一次耕整、育秧和栽插，收獲兩季稻谷，有利于增加單位面積有效產(chǎn)量，促進農(nóng)民增產(chǎn)增收[4]。高菊生等[5]研究表明，與冬閑處理相比，冬季種植綠肥油菜的早、晚稻產(chǎn)量均有提高。張江林等[6]應(yīng)用Richards模型研究不同施氮量和移栽密度對水稻產(chǎn)量及灌漿特性的影響，結(jié)果表明，不同施氮量和移栽密度不僅影響水稻產(chǎn)量，而且還影響籽粒灌漿起始勢、灌漿速率和灌漿時間等灌漿特征參數(shù)。籽粒灌漿是影響水稻產(chǎn)量和最終粒重的另外一個重要因子。Mohapatra等[7]和朱慶森等[8]均認為,不同部位籽粒灌漿存在差異，對最終產(chǎn)量的影響機制不一致，位于頂部一次枝梗上早開花的強勢粒灌漿快、粒重高、充實度好；而位于稻穗基部二次枝梗上遲開花的弱勢粒，灌漿慢、粒重低、充實度差，成為限制水稻進一步增產(chǎn)的重要因子，群體結(jié)構(gòu)中水稻弱勢粒的灌漿速率對產(chǎn)量限制更大。

稻-油輪作、稻-稻-油輪作和稻-再-油輪作是長江流域最典型的大田輪作模式。在合理施氮條件下，選擇何種輪作模式，既能高效地利用周年溫光資源，又能有效地提高三熟制作物群體產(chǎn)量，從而實現(xiàn)周年水稻產(chǎn)量提高是一個值得研究的問題。本研究通過三熟制輪作定位試驗，探究稻-再-油/肥輪作和施氮對水稻產(chǎn)量及灌漿特性的影響，進一步研究稻-再-油/肥輪作和施氮對群體產(chǎn)量的影響，以期為三熟輪作制的建立及合理施用氮肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2015年4月，在湖北省武穴市梅川鎮(zhèn)從政村進行稻-再-油/肥三熟制輪作定位試驗。供試水稻品種為岳優(yōu)9113，油菜品種為華油雜9號。2015—2017年,水稻、油菜均采用移栽種植方式，密度分別為22.50萬穴·hm-2和11.25萬株·hm-2。供試土壤為花崗片麻巖發(fā)育的水稻土，質(zhì)地是壤土，耕層0～20 cm土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為pH 5.7、有機質(zhì)32.1 g·kg-1、全氮1.6 g·kg-1、有效磷27.3 mg·kg-1、速效鉀84.5 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

水稻籽粒灌漿特性試驗在2017年頭季稻和再生稻上進行,共設(shè)4個處理。T1：稻-再-油輪作，三季中除了不施氮肥外，均施用了磷肥、鉀肥，三季施磷(P2O5)量分別為75、0和60 kg·hm-2，三季施鉀(K2O)量分別為75、45和90 kg·hm-2；T2：稻-再-油輪作，三季施氮(N)量為165、120和180 kg·hm-2，三季磷肥、鉀肥用量與T1處理相同；T3：稻-再-肥(油菜蕾薹期翻壓還田作綠肥)輪作，三季施氮(N)量為165、120和180 kg·hm-2，三季磷肥、鉀肥用量與T1處理相同；T4：稻-再-閑輪作，前兩季施氮(N)量為165和120 kg·hm-2，前兩季磷肥、鉀肥用量與T1處理相同，冬閑季既不種作物，又不施任何肥料。頭季稻氮肥運籌模式為基肥:分蘗肥:穗肥=5∶2.5∶2.5，磷肥全部作基肥施用，鉀肥的70%作基肥、30%作穗肥；再生稻氮肥運籌模式為催芽肥:促苗肥=5∶5，不施磷肥，鉀肥同促苗肥一起施用。供試氮肥為尿素(含N 46%),磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。各處理3次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2(5 m×4 m)，采用隨機區(qū)組排列。

2015—2017年,水稻撒施基肥耙平后插秧的時間分別為4月26日、4月28日、4月30日，撒施頭季稻分蘗肥的時間分別為5月3日、5月5日、5月7日，撒施頭季稻穗肥的時間分別為6月29日、6月30日、7月1日，撒施再生稻催芽肥的時間分別為8月6日、8月7日、8月8日，頭季稻產(chǎn)量構(gòu)成因子調(diào)查和取樣的時間分別為8月13日、8月14日、8月15日，頭季稻收割測產(chǎn)的時間分別為8月14日、8月15日、8月16日，撒施再生稻促苗肥的時間分別為8月21日、8月22日、8月23日，再生稻產(chǎn)量構(gòu)成因子調(diào)查和取樣的時間分別為11月13日、11月14日、11月15日，再生稻收割測產(chǎn)的時間分別為11月14日、11月15日、11月16日，其他田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1土壤樣品采集與測定 試驗開展前，采集0—20 cm耕層土壤，風(fēng)干磨細過篩，按照實驗室常規(guī)方法測定pH、有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量[9]。

1.3.2產(chǎn)量構(gòu)成因子調(diào)查和產(chǎn)量收獲 水稻收割前1 d，每個小區(qū)選取有代表性的8蔸水稻，帶回實驗室進行考種，計算有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重，剩下的各小區(qū)實收核產(chǎn)。

1.3.3分蘗動態(tài)調(diào)查 頭季稻移栽后和頭季稻收獲后第4 d分別選擇有代表性植株10株，連續(xù)調(diào)查分蘗動態(tài)10次。分蘗數(shù)量以分蘗葉片是否伸出母葉葉鞘為準(zhǔn)。

1.3.4灌漿期取樣及考種 對生育期較早且穗型相對一致的單莖在穗頂部強勢穎花開花當(dāng)日掛牌，標(biāo)記開花日期。每次隨機取10穗，平均分成2個樣本，以觀察誤差。開花當(dāng)天的樣本取直接著生于穗頂部4個一次枝梗上的穎果(頂部第二粒除外，總數(shù)約20?！に?1)作為強勢粒(superior grains，SG)樣本，其余均作中間類型，手工脫粒后計數(shù)并高溫殺青和初步烘干。在弱勢粒開花日(強勢粒開花后3 d)取基部5個一次枝梗上直接著生于二次枝梗的穎果(去除枝梗頂端穎果，總數(shù)約20?！に?1)作為弱勢粒((inferior grains，IG)[7]。以后統(tǒng)一每隔4 d進行強勢粒和弱勢粒同步取樣，直至成熟(花后36 d)。非受精籽粒在計數(shù)并計算空粒率后剔除。在所有的取樣結(jié)束后，對殺青和初步烘干的籽粒在60 ℃烘箱中連續(xù)烘干3 d后統(tǒng)一稱重。利用SC-G型考種儀(杭州萬深監(jiān)測科技有限公司)測定總粒數(shù)，計算每粒平均粒重。

1.3.5方程擬合方法 以花后天數(shù)為自變量，籽粒均重為因變量，采用Richards方程按照顧世梁等[10]的方法對籽粒灌漿過程進行擬合，并計算導(dǎo)出相應(yīng)的灌漿特征參數(shù)，對籽粒灌漿進行生長分析。Richards方程如下。

W=A/(1+Be-Kt)1/N

式中，W為各時期籽粒重量；A為終極生長量；t為開花后的時間(開花當(dāng)日為0 d)；B、K、N為方程參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel 2013整理試驗數(shù)據(jù)，采用SPSS 20進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Origin 2017進行灌漿方程的擬合和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子

2.1.1水稻產(chǎn)量 表1顯示，2015—2017年各處理的周年水稻產(chǎn)量均表現(xiàn)為：T3>T2>T4>T1。與T4 相比，T2能顯著提高頭季稻和再生稻產(chǎn)量，2016—2017年增產(chǎn)分別為621和466 kg·hm-2、1 542和539 kg·hm-2，增幅分別為8.4%和14.4%、22.2%和17.7%；T3也能顯著提高頭季稻和再生稻產(chǎn)量，2016—2017年增產(chǎn)分別為941和576 kg·hm-2、1 747和743 kg·hm-2，增幅分別為12.7%和17.9%、25.1%和24.4%；而T2與T3的頭季稻和再生稻產(chǎn)量差異并不顯著。表明，與冬閑兩熟制相比，稻-再-油/肥三熟制可以顯著提高水稻產(chǎn)量。與不施氮處理T1相比，施氮處理T2能顯著提高頭季稻和再生稻產(chǎn)量，2015—2017年增幅分別為35.1%和22.0%，36.4%和30.3%，65.1%和65.6%。

表1 不同處理對水稻產(chǎn)量的影響Table 1 Effect of different treatments on the rice yield

2.1.2水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子 從表2可以看出，與T4相比，T2和T3頭季稻和再生稻的分蘗成穗率、每穗粒數(shù)顯著增多，T2分別增加1.5%、13粒和2.2%、18粒，T3分別增加1.5%、10粒和2.8%、13粒。與T1相比，T2頭季稻和再生稻的每平方米穗數(shù)、每穗粒數(shù)均顯著增多，但分蘗成穗率顯著減少，分別減少2.8%和6.2%。千粒重和結(jié)實率在各處理間均沒有顯著差異。

表2 不同處理對2017年頭季稻和再生稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響Table 2 Effect of different treatments on the yield component of the first-season rice and ratoon rice in 2017

2.2 水稻群體分蘗動態(tài)

圖1顯示，在頭季稻前期，各處理分蘗速度變化不大，中、后期分蘗速度加快，分蘗數(shù)增加，最終以T3分蘗數(shù)最多，其次為T2和T4，T1分蘗數(shù)最少?？梢姡煌妮喿鞣绞胶偷实氖┯镁鶗绊懰镜姆痔Y能力。與不施氮處理T1相比，在頭季稻最高分蘗期施氮處理T2的單株平均分蘗數(shù)增多，增幅為49.5%。在頭季稻收獲后，各處理再生芽生長速度變化均呈快-慢-平的增長趨勢，最終以T3的再生芽數(shù)量最多，其次為T2和T4，和T1最少。可見，不同的輪作方式和氮肥的施用均會影響水稻的再生能力。與不施氮處理T1相比，在再生稻最高芽蘗期施氮處理T2的單株平均再生芽數(shù)增多，增幅為69.3%。表明，施氮能影響頭季稻的分蘗能力和再生稻的再生能力。

2.3 水稻個體籽粒均重

表3顯示，強、弱勢粒的擬合度(回歸平方和占總平方和的比值)全都在0.96以上，這說明灌漿過程符合Richards模型。T2、T3的水稻籽粒最終粒重(A)明顯大于T1、T4。與T4相比，T2和T3明顯提高頭季稻、再生稻強和弱勢粒的最終粒重，頭季稻每粒分別增加0.68、0.50和1.06、1.38 mg，再生稻每粒增加0.31、1.27和0.46、0.89 mg；與T1相比，T2顯著提高頭季稻和再生稻強、弱勢粒的最終粒重，每粒分別增加0.45、1.06和1.86、3.62 mg?？梢?，稻-再-油/肥三熟制輪作和施氮均能顯著提高水稻籽粒最終粒重。

表3 水稻灌漿過程的Richards方程參數(shù)Table 3 Richards equation parameter of rice filling process

2.4 水稻個體籽粒灌漿速率

從表4可以看出，與T4相比，T2、T3均降低頭季稻和再生稻弱勢粒的最大灌漿速率、平均灌漿速率，頭季稻降幅分別為9.1%、19.0%和4.8%、9.3%，再生稻降幅分別為5.9%、12.5%和2.9%、5.9%；與T4相比，T2、T3均提高頭季稻和再生稻強勢粒起始勢、弱勢粒到達最大灌漿速率的干物質(zhì)量，頭季稻增幅分別為40.9%、20.4%和48.5%、22.9%，再生稻增幅分別為27.1%、0.3%和32.2%、1.1%；與T4相比，T2、T3均延長頭季稻和再生稻灌漿活躍期和有效灌漿時間，分別延長頭季稻強勢粒0.31、0.99和1.42、1.47 d，分別延長弱勢粒7.02、10.98和8.35、10.25 d，分別延長再生稻強勢粒0.45、0.19和1.44、1.69 d，分別延長弱勢粒0.28、0.88和7.75、8.86 d。與T1相比，T2降低頭季稻和再生稻弱勢粒起始勢、強勢粒到達最大灌漿速率的干物質(zhì)量，頭季稻降幅為26.7%、4.6%，再生稻降幅為2.7%、1.0%；但是提高頭季稻和再生稻強勢粒的最大灌漿速率、平均灌漿速率，頭季稻增幅分別為4.5%、13.6%，再生稻增幅分別為21.2%、11.4%；且T2可延長頭季稻和再生稻灌漿活躍期、有效灌漿期，分別延長頭季稻強勢粒0.49、1.78 d，分別延長弱勢粒8.86、8.76 d，再生稻強勢粒延長分別為5.78、2.08 d，分別延長弱勢粒2.05、8.32 d。從而達到延長水稻籽粒有效的灌漿時間和提高平均灌漿速率的目的。

表4 水稻灌漿速率特征參數(shù)Table 4 Characteristic parameters of grain-filling rate

3 討論

3.1 稻-再-油/肥三熟制輪作對水稻籽粒產(chǎn)量及其灌漿特性的影響

水旱輪作是指在同一田塊上有序地輪換種植水稻和旱地作物的種植方式。在水旱輪作系統(tǒng)中，由于季節(jié)間的干濕交替，土壤氧化還原過程交替進行，導(dǎo)致土壤中的物質(zhì)存在形態(tài)和有效性的變化。萬晟杰等[11]則通過水稻-再生稻-油菜三熟制油菜品種的篩選發(fā)現(xiàn)，冬閑田因長期不能換茬，稻田年年處于泡水、冬板狀態(tài)，造成土壤理化性狀變劣，水、肥、氣、熱失調(diào)，供肥能力下降，次生潛育化日趨嚴重，已成為長江中、下游地區(qū)水稻進一步提高產(chǎn)量的限制因子。本研究表明，兩種輪作體系下水稻的分蘗數(shù)也存在差異，單株平均有效分蘗數(shù)為：稻-再-肥>稻-再-油>稻-再-閑輪作。表明在相同施氮量下，水稻-油菜輪作作為一種用地與養(yǎng)地相結(jié)合的輪作方式，由于油菜落葉歸還大量氮素，也能起到一定培肥土壤的作用，而油菜作綠肥翻壓還田既能增加土壤有機質(zhì)和全氮含量，還能提高氮肥利用率，因而與冬閑相比，冬季種植油菜或綠肥油菜還田都能增加頭季稻單株有效分蘗數(shù)和分蘗成穗率，進而提升水稻群體的質(zhì)量。研究表明，油菜作為直根系作物，與水稻進行水旱輪作有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，且油菜含有豐富的硫甙，有利于克服稻田連作障礙和清潔生產(chǎn)，可實現(xiàn)水稻可持續(xù)超高產(chǎn)[12]。

在南方三熟稻區(qū)雙季稻超高產(chǎn)栽培研究進展中，提出南方水田冬種綠肥，不僅能充分利用長江流域第二雨季的水熱資源，還可以在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時改善和提高土壤肥力，因為綠肥具有更新土壤腐殖質(zhì)、提高土壤有機質(zhì)、改善土壤理化性狀和提高土壤磷有效性等作用[13]。本研究表明，與稻-再-閑相比，稻-再-油/肥輪作，頭季稻和再生稻產(chǎn)量連續(xù)兩年顯著增產(chǎn)。在整個周年水旱輪作中，冬季種植油菜或者綠肥油菜不僅能增加水稻每平方穗數(shù)和每穗粒數(shù)，而且提高水稻個體灌漿速率，延長有效灌漿時間，從而為后茬水稻高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

3.2 施氮對水稻籽粒產(chǎn)量及其灌漿特性的影響

水稻分蘗消長是水稻基本生長發(fā)育特性之一，是形成高產(chǎn)水稻群體的前提。水稻分蘗受到多種環(huán)境條件的影響，氮是影響水稻分蘗的重要因子。本研究表明，施氮與不施氮處理間水稻的分蘗數(shù)差異顯著。水稻籽粒的灌漿過程決定了最終的粒重和產(chǎn)量，而籽粒的產(chǎn)量又與灌漿過程中的粒重、灌漿時間和灌漿速率密切相關(guān)。與不施氮相比，施氮不僅能提高了水稻強勢粒最大灌漿速率、平均灌漿速率，而且延長強、弱勢粒灌漿活躍期和有效灌漿期，從而顯著促進頭季稻和再生稻增產(chǎn)，與前人研究結(jié)果一致[14]。

長期以來，土壤地力是在多種因素綜合作用下逐漸形成差異的。其中不同輪作模式也是影響土壤地力的重要因素之一，從而影響作物產(chǎn)量。李宗云等[15]研究認為，通過長期養(yǎng)分管理的調(diào)控可以提高籽粒灌漿速率，延長強、弱勢粒的灌漿時間，增加籽粒的重量。朱蕓等[14]通過評估1990—2017年長江流域不同輪作體系周年養(yǎng)分收支平衡，比較油-稻與麥-稻輪作體系養(yǎng)分收支差異，水旱輪作體系在秸稈不還田時，油-稻體系氮盈余，麥-稻體系氮持平或略有虧缺。秸稈還田時，兩種輪作體系氮均表現(xiàn)為盈余，說明秸稈還田能夠增加氮養(yǎng)分輸入，維持土壤氮養(yǎng)分的平衡。因此，油-稻輪作可考慮降低氮肥的施用。薛斌等[16]在湖北省2個秸稈還田長期定位試驗(武穴市8年和荊州市3年)的基礎(chǔ)上，研究了武穴和荊州土壤肥力的變化，結(jié)果表明，兩地耕層(0—20 cm)土壤中各養(yǎng)分(全氮、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀)的含量均顯著高于20—40 cm土層，秸稈還田能有效提高耕層土壤中有機質(zhì)和全氮的含量。本研究結(jié)果也表明，在相同施氮量下，經(jīng)過3年不同輪作方式和綠肥翻壓還田對水稻的籽粒灌漿速率也產(chǎn)生顯著影響。因此，根據(jù)不同輪作模式下土壤有機氮庫轉(zhuǎn)化特點，優(yōu)化氮肥施用對于提高水稻產(chǎn)量和籽粒灌漿速率具有重要意義。

致謝：田間試驗得到了湖北省武穴市農(nóng)業(yè)局的支持，特別感謝吳海亞、游秋香、王少華、周雄、陳少卿、張少楠等專家在試驗管理上的大力幫助。