低氮高密增微肥對(duì)蘇打鹽堿地水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響

劉 淼，梁正偉

(中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130102)

0 引 言

松嫩平原是世界蘇打鹽堿地集中分布地區(qū)之一，鹽堿土面積約為300萬(wàn)hm2[1]。水稻是我國(guó)三大糧食作物之一，其種植面積和產(chǎn)量占糧食作物的27%和34%[2]，對(duì)我國(guó)糧食安全起著至關(guān)重要的作用[3-4]。研究表明，開發(fā)種稻是改良利用蘇打鹽堿地的有效措施[5]，水稻為中度耐鹽堿作物，且水環(huán)境對(duì)鹽堿土壤可溶性鹽起到一定淋洗作用[6]。但由于蘇打鹽堿土壤理化性質(zhì)惡劣，養(yǎng)分貧瘠，保肥能力低，水稻產(chǎn)量和品質(zhì)受到限制，特別是在高pH土壤上過(guò)量施用氮肥將導(dǎo)致氨揮發(fā)損失嚴(yán)重，加大區(qū)域環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[7]。

氮肥管理和栽培密度是水稻生產(chǎn)中的兩項(xiàng)重要栽培措施，備受研究者關(guān)注。研究認(rèn)為，在一定范圍內(nèi)，水稻產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，但氮肥用量超過(guò)閾值后，產(chǎn)量和部分產(chǎn)量構(gòu)成因子(穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重)將呈下降趨勢(shì)[8]。同時(shí)，氮肥過(guò)量投入會(huì)降低氮肥利用率，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[9-10]。研究表明，氮肥施用和栽培密度對(duì)水稻產(chǎn)量形成具有明顯的互作效應(yīng)，合理的氮肥用量和栽培密度可以調(diào)整水稻群體結(jié)構(gòu)，提高氮肥利用率，增加產(chǎn)量[11-14]。適當(dāng)減少氮肥施用量并增加栽培密度，可增加有效穗數(shù)，保證高產(chǎn)，提高氮肥利用率，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[10]。因此，科學(xué)的栽培管理是實(shí)現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、提高氮肥利用率、降低生產(chǎn)成本的重要措施。

在鹽堿地開發(fā)種稻的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，存在通過(guò)施用大量氮肥以獲得更高產(chǎn)量的現(xiàn)象，部分地區(qū)氮肥用量高達(dá)純氮300 kg·hm-2。然而，盲目過(guò)量施氮將導(dǎo)致水稻貪青晚熟、大面積倒伏及誘發(fā)病蟲害等發(fā)生，進(jìn)而降低水稻產(chǎn)量、氮肥利用率和產(chǎn)投比，造成環(huán)境污染和生態(tài)破壞，增加土壤含鹽量，加重鹽堿地的土壤板結(jié)[15-16]。同時(shí)由于鹽堿土壤危害及春季低溫，較低的栽培密度將導(dǎo)致插秧后水稻的存活基本苗數(shù)不足，嚴(yán)重抑制分蘗數(shù)量，進(jìn)而降低鹽堿地水稻產(chǎn)量[17]。因此，通過(guò)適宜施氮量與栽培技術(shù)相結(jié)合調(diào)控水稻穩(wěn)產(chǎn)群體建成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和氮肥利用率的協(xié)同高效仍是目前蘇打鹽堿地水稻生產(chǎn)過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。

目前，針對(duì)蘇打鹽堿區(qū)水稻栽培技術(shù)多因子集成與優(yōu)化，提高水稻群體產(chǎn)量的研究鮮有報(bào)道[18-20]。本研究以蘇打鹽堿區(qū)水稻栽培為切入點(diǎn)，基于改良11年的蘇打鹽堿地，以耐鹽堿高產(chǎn)水稻品種東稻4號(hào)為材料，明確減少氮肥用量、增加栽培密度，增施微肥模式對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素和氮肥利用率的影響，以期為蘇打鹽堿區(qū)水稻因地制宜，合理科學(xué)的氮肥減施增效穩(wěn)產(chǎn)和環(huán)境友好的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展奠定理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2019年在吉林大安農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(45°36′N，123°53′E)進(jìn)行。該地區(qū)屬半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量為413.7 mm，年平均蒸發(fā)量為1 696.9 mm。年平均氣溫4.7 ℃，1月為最低，平均氣溫-17.7 ℃，7月為最高，平均氣溫23.5 ℃。本地區(qū)為單季稻作制度，生長(zhǎng)季節(jié)為5月中旬至10月初。2008年，通過(guò)一次性施用磷石膏和風(fēng)沙土進(jìn)行了重度鹽堿地改良，目前該試驗(yàn)區(qū)地塊已改良11年，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行本試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括6個(gè)處理。其中，常規(guī)栽培株距為12 cm，行距為30 cm，每穴4～5株；密植栽培株距為10 cm，行距為30 cm，每穴5～7株，增施微肥是在生育期內(nèi)增肥純硅100 kg·hm-2和純鋅20 kg·hm-2。常規(guī)種植(對(duì)照)為目前普遍采用的全生育期施用純氮190 kg·hm-2。

無(wú)肥：不施用化肥+常規(guī)栽培

無(wú)氮：不施用氮肥+常規(guī)栽培

常規(guī)種植：全生育期施用純氮190 kg·hm-2+常規(guī)栽培

低氮高密增微肥模式1：全生育期施用純氮170 kg·hm-2+密植栽培+增施微肥

低氮高密增微肥模式2：全生育期施用純氮160 kg·hm-2+密植栽培+增施微肥

低氮高密增微肥模式3：全生育期施用純氮150 kg·hm-2+密植栽培+增施微肥

施用肥料為：氮磷鉀復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=12∶18∶15)、尿素(純N46.4%)、硅肥(SiO220%)和鋅肥(ZnSO433%)。各處理氮肥施用分為基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥，鉀肥分別作為基肥和穗肥施用，磷肥作為基肥一次性施用。供試水稻品種為“東稻4號(hào)”，于2019年5月25日移栽，2019年10月1日收獲。在水稻移栽前，泡田洗鹽排堿1～2次，水稻生育期灌溉水深為5～7 cm，各處理單灌單排。在試驗(yàn)期間，除施肥量和栽培株距外，不同處理間均采用相同的田間管理措施，試驗(yàn)小區(qū)面積50 m2，3次重復(fù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

在水稻成熟期，每處理調(diào)查9個(gè)1延長(zhǎng)米植株并記錄，取平均穴進(jìn)行30個(gè)相關(guān)農(nóng)藝指標(biāo)測(cè)定。主要考察株高、有效穗數(shù)、千粒重、結(jié)實(shí)率、每穗穗長(zhǎng)和穗重、每穗一次枝梗和二次枝梗數(shù)量、每穗一次枝梗和二次枝梗的總粒數(shù)、實(shí)粒數(shù)、實(shí)粒重和空粒數(shù)，以及每穴穗數(shù)、穗重、莖稈重、實(shí)粒數(shù)、空粒數(shù)、實(shí)粒重和空粒重，每平米穴數(shù)、收獲指數(shù)、冠根數(shù)量等間接指標(biāo)，并計(jì)算各處理的理論產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率。

冠根數(shù)量=162.426+20.43×理論分蘗[21]

(1)

氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

(2)

氮肥農(nóng)學(xué)利用效率=(施氮區(qū)產(chǎn)量-無(wú)氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

(3)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用多重比較(Duncan)檢驗(yàn)不同處理間差異顯著性。Spearman相關(guān)性分析用于揭示水稻產(chǎn)量與生長(zhǎng)性狀和氮肥利用率的相關(guān)性，并運(yùn)用逐步回歸法構(gòu)建水稻產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，用Excel 2016和Origin 2017繪圖軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)水稻枝梗性狀的影響

方差分析發(fā)現(xiàn)，三種低氮高密增微肥模式的每穗一次枝梗數(shù)量與常規(guī)種植沒(méi)有顯著差異，但均顯著高于無(wú)肥和無(wú)氮處理(P<0.05)。除模式1外，模式2和模式3的一次枝梗實(shí)粒數(shù)、一次枝梗實(shí)粒重和一次枝梗空粒數(shù)均與常規(guī)種植沒(méi)有顯著差異。對(duì)于每穗二次枝梗性狀，三種模式的二次枝梗數(shù)量、二次枝梗實(shí)粒數(shù)、二次枝梗實(shí)粒重與常規(guī)種植沒(méi)有顯著差異，模式1和3的二次枝梗空粒數(shù)均顯著低于常規(guī)種植(P<0.05)，同時(shí)各處理間的穗長(zhǎng)和穗重沒(méi)有顯著差異(圖1)。這些結(jié)果表明，不同處理對(duì)水稻枝梗性狀具有不同影響。

2.2 不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

經(jīng)方差分析表明，各處理的單位面積有效穗數(shù)差異顯著(P<0.05)，低氮高密增微肥模式1、2、3的有效穗數(shù)分別為415、392和371穗·m-2，顯著高于常規(guī)種植(324穗·m-2)，增加幅度為14.6%～28.1%。在其它產(chǎn)量構(gòu)成因素方面，除模式1的每穗粒數(shù)外，三種模式的每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重與常規(guī)種植無(wú)顯著差異(圖2)。

注：不同小寫字母表示處理間在P<0.05水平上差異顯著。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at P<0.05 level.The same is as below.圖1 不同處理水稻枝梗性狀比較Fig.1 Comparison of rice branch traits under different treatments

圖2 不同處理水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素比較Fig.2 Comparison of rice yield components under different treatments

2.3 不同處理對(duì)水稻理論產(chǎn)量的影響

從圖3可知，不同處理對(duì)水稻理論產(chǎn)量影響不同，低氮高密增微肥模式1、2和3的產(chǎn)量分別為8 961 kg·hm-2、8 842 kg·hm-2和8 697 kg·hm-2，均顯著高于無(wú)肥(6 457 kg·hm-2)和無(wú)氮(7 108 kg·hm-2)的水稻產(chǎn)量(P<0.05)。同時(shí)，分別比常規(guī)種植(8 295 kg·hm-2)增產(chǎn)4.8%、6.6%和8.0%，但三種模式間產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異。

圖3 不同處理水稻理論產(chǎn)量比較Fig.3 Comparison of theoretical rice yield under different treatments

2.4 不同處理對(duì)水稻氮肥利用率的影響

不同處理對(duì)水稻氮肥利用率具有顯著影響(圖4)。方差分析表明，低氮高密增微肥模式1、2和3的氮肥偏生產(chǎn)力分別為52.7 kg·kg-1、55.3 kg·kg-1和58.0 kg·kg-1，分別比常規(guī)種植(44.2 kg·kg-1)顯著增加19.2%、25.0%和31.1%(P<0.05)。同時(shí)，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率也具有相同趨勢(shì)，模式1、2和3的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率分別為11.9 kg·kg-1、8.9 kg·kg-1和8.4 kg·kg-1，分別比常規(guī)種植(5.1 kg·kg-1)顯著增加133%、74.2%和63.6%(P<0.05)。

圖4 不同處理水稻氮肥利用率比較Fig.4 Comparison of nitrogen use efficiency of rice under different treatments

2.5 水稻產(chǎn)量與生長(zhǎng)性狀及氮肥利用率的相關(guān)及回歸分析

水稻成熟期分別對(duì)各處理的株高、冠根數(shù)量、枝梗性狀、產(chǎn)量構(gòu)成因素、氮肥利用率等30個(gè)性狀進(jìn)行調(diào)查，并繪制相關(guān)性熱圖。由圖5可知，水稻產(chǎn)量與多數(shù)性狀有顯著或極顯著相關(guān)性，其中與氮肥偏生產(chǎn)力(R=0.901**)和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(R=0.740**)呈極顯著正相關(guān)，其次與每穗一次枝梗數(shù)量(R=0.663**)、每穗實(shí)粒數(shù)(R=0.628**)和每穗總粒數(shù)(R=0.617**)等性狀指標(biāo)均具有極顯著相關(guān)性(P<0.01)。

圖5 水稻理論產(chǎn)量與生長(zhǎng)性狀及氮肥利用率的相關(guān)性熱圖Fig.5 Heatmap of correlation among theoretical yield and growth traits and nitrogen use efficiency of rice

將水稻理論產(chǎn)量作為因變量，成熟期的30個(gè)水稻性狀指標(biāo)作為自變量，采用逐步回歸法進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨著自變量被逐步引入回歸方程，回歸方程的相關(guān)系數(shù)R和決定系數(shù)R2逐步增大。由方程可知，氮肥偏生產(chǎn)力、每穴實(shí)粒重、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、每穗一次枝梗數(shù)量、每穴穗干重、每穴穗數(shù)、每穗二次枝梗實(shí)粒重和每穗空粒數(shù)共8個(gè)因子為影響水稻產(chǎn)量的顯著變量，該逐步回歸方程的相關(guān)系數(shù)R=0.987，F(xiàn)=6.161，說(shuō)明回歸方程達(dá)到了顯著水平；決定系數(shù)R2=0.974，表明回歸方程精度較高，可以較好擬合水稻理論產(chǎn)量與生長(zhǎng)性狀等的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表1)。

表1 水稻理論產(chǎn)量與生長(zhǎng)性狀因子的擬合方程Table 1 Fitting equations of theoretical yield and growth traits factors of rice

水稻產(chǎn)量與8個(gè)因子的逐步回歸方程為(表2)：水稻產(chǎn)量=-3509.567+92.402×氮肥偏生產(chǎn)力+153.794×每穴實(shí)粒重+72.112×氮肥農(nóng)學(xué)利用效率+293.215×每穗一次枝梗數(shù)量-105.682×每穴穗干重+127.517×每穴穗數(shù)+709.342×每穗二次枝梗實(shí)粒重-58.503×每穗空粒數(shù)。

表2 水稻產(chǎn)量與生長(zhǎng)性狀等因子的回歸方程系數(shù)Table 2 Regression equation coefficients of rice yield and growth traits

應(yīng)用逐步回歸方程建立的水稻理論產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型與實(shí)際理論產(chǎn)量進(jìn)行擬合(圖6)，擬合優(yōu)度R2=0.987**，P<0.01，說(shuō)明該方程具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可以用于低氮高密增微肥模式下水稻產(chǎn)量預(yù)測(cè)。

圖6 預(yù)測(cè)水稻理論產(chǎn)量與實(shí)際理論產(chǎn)量相關(guān)性Fig.6 Correlation between the predicted value and the actual theoretical value of rice yield

3 討論

氮肥施用量和栽培密度是影響水稻高效群體質(zhì)量構(gòu)建和產(chǎn)量的重要調(diào)控措施[11,22]。蘇打鹽堿地水稻產(chǎn)量具有諸多限制因素，由于惡劣的土壤理化性質(zhì)將導(dǎo)致移栽后緩苗時(shí)間長(zhǎng)且成活率低，有效分蘗數(shù)量減少，早衰倒伏，水稻產(chǎn)量降低。研究表明，鹽堿脅迫影響水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子[23-24]，增施氮肥將降低蘇打鹽堿地水稻結(jié)實(shí)率和千粒重[25]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)種植相比，低氮高密增微肥模式對(duì)水稻結(jié)實(shí)率、千粒重、每穗粒數(shù)均沒(méi)有顯著影響，說(shuō)明在改良多年的蘇打鹽堿地氮肥減施具有可行性。

栽培密度是影響水稻群體冠層結(jié)構(gòu)，調(diào)控溫光水熱等資源合理有效利用，優(yōu)化水稻群體質(zhì)量的重要措施之一[26-27]。密植栽培可以減少水稻無(wú)效分蘗，顯著增加有效穗數(shù)，優(yōu)化中后期群體結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)個(gè)體發(fā)育和群體發(fā)展，有助于發(fā)揮水稻產(chǎn)量潛力[28-29]。

由于蘇打鹽堿脅迫和春季低溫，密植栽培可以保障基本苗數(shù)，減少無(wú)效分蘗對(duì)水稻群體的不良影響[20]，有利于二次枝梗發(fā)育，提高總粒數(shù)和實(shí)粒數(shù)[19]。本研究結(jié)果表明：雖然常規(guī)種植中增加了氮肥施用量促進(jìn)水稻分蘗，但不能彌補(bǔ)因基本苗數(shù)不足而導(dǎo)致的有效穗數(shù)下降。與常規(guī)種植相比，低氮高密增微肥模式協(xié)調(diào)了水稻一次枝梗和二次枝梗各性狀間互補(bǔ)平衡，并通過(guò)顯著增加水稻群體有效穗數(shù)，彌補(bǔ)因氮肥減施導(dǎo)致的個(gè)體分蘗能力減弱下的穗數(shù)不足，提高分蘗成穗率，弱化其對(duì)個(gè)體枝梗性狀的不利影響，增強(qiáng)群體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，保證個(gè)體的正常發(fā)育和群體的協(xié)調(diào)發(fā)展。同時(shí)充分利用光能與地力，綜合優(yōu)化群體產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，最終共同促進(jìn)蘇打鹽堿地水稻穩(wěn)產(chǎn)或略有增產(chǎn)。其他研究也表明，低氮條件下水稻產(chǎn)量和密度呈正相關(guān)[25]。合理的水稻栽培密度能夠有效利用土壤中的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，減少肥料損失，增加水稻肥料利用效率[30]。水稻群體氮素累積量和產(chǎn)量均隨著栽培密度增加而提高[31]。

水稻是典型的喜硅喜鋅作物，硅是水稻生長(zhǎng)所需的四大營(yíng)養(yǎng)元素之一，可以提高水稻群體光合物質(zhì)積累和抗逆抗病能力，促進(jìn)根系生長(zhǎng)，防止水稻早衰[32-33]。鋅是水稻生長(zhǎng)發(fā)育必需微量元素，而蘇打鹽堿土壤惡劣的理化性質(zhì)，土壤有效鋅含量低于平均值[34]，同時(shí)由于蘇打鹽堿地長(zhǎng)期偏重于施用氮磷鉀肥料，忽視微量肥料施用，導(dǎo)致養(yǎng)分比例失調(diào)，限制了水稻產(chǎn)量的進(jìn)一步提高。本研究中硅鋅微量肥的施用可以在一定程度上彌補(bǔ)氮肥減施對(duì)產(chǎn)量的影響。這與其他研究結(jié)果相似，硅鋅等微量元素可以優(yōu)化水稻產(chǎn)量構(gòu)成，補(bǔ)償?shù)实臏p量施用[35]，同時(shí)微量元素調(diào)控是提升鹽堿地稻米品質(zhì)的重要措施[36]。

本研究中低氮高密增微肥模式顯著提高了水稻的氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率，逐步分析也表明氮肥農(nóng)學(xué)利用效率是影響水稻產(chǎn)量的主要因子，這可能是因?yàn)槊苤苍耘嗪凸桎\肥配施提高了水稻群體質(zhì)量，促進(jìn)了水稻生長(zhǎng)及養(yǎng)分吸收，提高氮肥利用效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量和效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。但影響蘇打鹽堿地水稻產(chǎn)量的因子較為復(fù)雜，今后還需要進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)方案，深入探討簡(jiǎn)單易操作的蘇打鹽堿地水稻穩(wěn)產(chǎn)高效栽培技術(shù)。

4 結(jié)論

蘇打鹽堿地在土壤改良基礎(chǔ)上，氮肥減施同時(shí)配合密植栽培和增施微肥的農(nóng)藝措施，可以顯著增加水稻單位面積有效穗數(shù)，有利于構(gòu)建合理群體結(jié)構(gòu)，協(xié)同優(yōu)化水稻群體質(zhì)量，增強(qiáng)氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力，并未降低水稻產(chǎn)量并略有增產(chǎn)。研究結(jié)果為蘇打鹽堿稻作區(qū)減肥節(jié)本，穩(wěn)產(chǎn)增效奠定了理論基礎(chǔ)。