“早秈晚粳”雙季機插周年氮肥高效運籌研究

李陽，楊曉龍，汪本福，張枝盛，李進蘭，程建平

1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所/糧食作物種質(zhì)與遺傳改良湖北省重點實驗室，武漢 430064； 2．湖北省黃岡市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，黃岡 438000

雙季稻種植模式是我國水稻種植模式中非常重要的模式之一，是保障我國糧食安全的重要措施。然而，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，農(nóng)村勞動力逐漸向城市轉(zhuǎn)移，農(nóng)村勞動力短缺嚴(yán)重，且成本逐漸升高[1]，加上生產(chǎn)物資價格的不斷上漲，導(dǎo)致雙季稻的種植面積逐漸萎縮[2]。在保障糧食安全且無法增加耕地面積的客觀前提下，前人創(chuàng)新和優(yōu)化了很多水稻種植技術(shù)，如再生稻技術(shù)[3-4]、雙季機械直播技術(shù)[5]、“早秈晚粳”模式等。

雙季稻種植對溫度的要求較高，而處于長江中游的湖北省正處于一個過渡地帶，每年早稻收獲、晚稻種植的時候就會出現(xiàn)“雙搶”的現(xiàn)象，所以優(yōu)化該地區(qū)種植雙季稻模式的某個環(huán)節(jié)，提高對該地區(qū)的環(huán)境適應(yīng)能力，是保障糧食安全生產(chǎn)的重要措施?！霸缍i晚粳”模式主要指早稻秈稻和晚稻粳稻的雙季機插模式。粳稻的優(yōu)勢在于有較強的抗寒能力，在較低的溫度下仍然可以灌漿，提高全生育期溫光資源積累量[6]，而秈稻的抗寒能力則顯著低于粳稻。所以，“早秈晚粳”模式的安全收獲能力高于雙季秈稻，前人對雙季秈稻的密度、施氮[7-8]、栽插方式[9]、溫室氣體排放[10]以及耕作模式[11]等方面都有較深入的研究。對粳稻的研究多集中在中稻[12-14]，有少數(shù)的研究在雙季晚粳稻上，如許柯等[15]認(rèn)為基蘗肥∶穗肥為(6∶4)～(7∶3)的氮肥運籌方案，可使雙季晚粳稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效能夠較好地協(xié)調(diào)統(tǒng)一,不同栽培方式應(yīng)配套適宜晚粳稻品種類型[16]，以及雜交晚粳稻超高產(chǎn)的特征[17]。本研究以長江中游地區(qū)為基點，綜合考慮”早秈晚粳”全年的產(chǎn)量形成特點和氮肥利用效率，以期為該地區(qū)雙季稻的高產(chǎn)高效種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

早稻：兩優(yōu)287，由湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院以自育的早秈溫敏核不育系HD9802S為母本，與自育的早秈新品系R287配組育成的兩系雜交早稻新組合；晚稻：鄂粳403，是由湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所用“武大99155”作母本、“(閔恢128/3402)F8”作父本雜交，經(jīng)系譜法選擇育成的常規(guī)粳稻品種。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院南湖核心試驗基地進行。試驗田冬季為冬閑田，土壤pH 7.23，有機質(zhì)27.5 g/kg，堿解氮110.0 mg/kg，速效磷8.0 mg/kg，速效鉀 120.4 mg/kg。

早晚稻均采用機械插秧，早稻播種時間為3月20日，晚稻為7月5日，采用硬質(zhì)秧盤育秧。插秧規(guī)格為30 cm×12 cm。

早、晚稻氮肥均設(shè)置基肥、分蘗肥、穗肥3次施肥比例，構(gòu)建6種氮肥周年運籌模式，同時以不施氮肥處理為對照(CK，N0)，見表1。

表1 試驗設(shè)計及施肥比例 Table 1 Experimental design and fertilizer application proportion

施氮肥(以純氮計):早稻為180 kg/hm2，晚稻為210 kg/hm2。P2O575 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2。磷肥作底肥一次施用，鉀肥的底肥與追肥比例為5∶5。氮肥選用尿素(含純N46%)，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。

1.3 測定項目與方法

1)莖蘗動態(tài)。選擇連續(xù)15穴植株，標(biāo)記位置，自返青后，每隔7 d調(diào)查分蘗狀況，直至分蘗穩(wěn)定。

2)葉面積指數(shù)(LAI)。單位面積土地上植株葉片的總面積。

3)葉片SPAD值。早、晚稻齊穗期開始，每7 d測1次劍葉SPAD值，每個葉片測上中下3個部位。

4)養(yǎng)分吸收。每季作物在開花期、成熟期取樣，測定地上部植株干物質(zhì)質(zhì)量、植株氮等養(yǎng)分含量。同時，長期保存部分植株樣品(烘干粉碎樣)。

5)土壤氮素含量。取空白區(qū)和處理區(qū)土壤(0～20 cm)土壤，風(fēng)干，研磨，過篩，采用半微量開式法測定土壤全氮，土壤速效氮采用堿解擴散法測定。

6)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成。每個小區(qū)選擇有代表性的5 m2區(qū)域進行人工收割，人工脫粒，去除雜草及空癟粒，晾曬；樣品收入室內(nèi)后，間隔1 d再稱質(zhì)量并測定含水量，測定籽粒含水量用PM-8188型谷物水分測定儀。考種樣品取樣：按平均分蘗數(shù)取植株，考察飽粒、空粒和千粒重。

7)氮肥偏生產(chǎn)力(partial factor productivity of applied fertilizer nitrogen，PFP)。為作物產(chǎn)量與氮肥施用量的比值。

8)氮肥農(nóng)學(xué)利用率(agronomic nitrogen use efficiency，AE)。作物因施用氮肥所增加的籽粒產(chǎn)量與氮肥施用量的比值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Statistix 9.0軟件進行統(tǒng)計分析，Microsoft Excel進行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 分蘗動態(tài)

由圖1可見，早晚稻不同氮肥處理，分蘗動態(tài)呈現(xiàn)顯著的差異。

對于早稻，N1/N2分蘗高峰出現(xiàn)在6月8日，而其余處理則出現(xiàn)在6月15日，說明增加穗肥的施用推遲了分蘗高峰出現(xiàn)的時間。隨著前氮后移，其莖蘗穩(wěn)定時的數(shù)值也提高，即有效穗數(shù)增多。前氮后移后，N5/N6的成穗率達到95.5%，顯著高于其他2個處理(圖1A)。

對于晚稻，晚粳季氮肥后移未能增加分蘗數(shù)，且受到早稻季施肥的影響呈現(xiàn)不同的分蘗動態(tài)。N2、N3和N4在9月2日分蘗達到高峰值，而其余3個處理則在9月9日才達到分蘗高峰。N3穩(wěn)定期分蘗數(shù)最高，而N4最低。N1和N2成穗率較低，分別為92.6%和93.3%，其余處理均在95%以上(圖1B)。

圖1 不同氮肥運籌模式下早稻(A)、晚稻(B)的莖蘗動態(tài)Fig.1 Tiller dynamics of early rice(A) and late rice (B) under different nitrogen fertilizer management modes

2.2 葉面積指數(shù)

1)早稻。隨前氮后移，齊穗期葉面積指數(shù)先增后降，其中N3/N4最高，較N1/N2提高42.6%(圖2A)?？梢?，適當(dāng)降低分蘗肥而增加穗肥能夠提高齊穗期的葉面積指數(shù)，但繼續(xù)減少分蘗肥而增加穗肥的用量，則齊穗期葉面積指數(shù)反而降低。灌漿期N3/N4和N5/N6葉面積指數(shù)未見明顯差異，但均顯著高于N1/N2(圖2A)，說明前氮后移有利于灌漿期早稻群體維持一定的光合面積，利于水稻后期的灌漿。

2)晚稻。葉面積指數(shù)受到兩季周年施氮模式的綜合影響。齊穗期，N3、N5、N6葉面積指數(shù)較高，灌漿期也呈現(xiàn)這種趨勢。而前茬相同施肥模式下，晚稻氮肥后移降低了水稻的葉面積指數(shù)(圖2B)。

圖2 不同氮肥運籌模式早稻(A)、晚稻(B)的葉面積指數(shù)Fig.2 LAI of early rice (A) and late rice (B) under different nitrogen fertilizer management modes

2.3 齊穗后劍葉SPAD值

齊穗后早稻功能葉SPAD值隨時間推移逐漸降低，齊穗后0～10 d下降明顯。處理間比較，N1/N2下降斜率明顯較其余處理大，但較N0處理小。說明前氮后移后，功能葉葉綠素含量此階段下降幅度相對變小。齊穗后20 d，N1/N2較N3/N4、N5/N6功能葉葉綠素SPAD值分別低13.2%和14.7%。不施氮處理(N0)下降幅度更大(圖3A)。由此可見，通過前氮后移模式可以提高灌漿期功能葉葉綠素含量。

從圖3B可知，晚粳功能葉SPAD值齊穗后灌漿初期下降速率較快，中期有所緩和，但后期下降速率又增加。粳稻灌漿期較長，前期灌漿速率較大，葉中氮素向籽粒轉(zhuǎn)移較多，中期隨灌漿速率減小，葉中葉綠素下降速率也減小，后期受低溫影響，葉綠素降解速率加大。各氮肥處理葉綠素SPAD值差異并不顯著，從平均數(shù)值上看，N4>N3、N6>N5，說明晚稻氮肥后移齊穗后葉綠素SPAD值有提高的趨勢。

2.4 干物質(zhì)積累

1)早秈。各處理灌漿期和收獲期有顯著差異。灌漿期N3/N4較N1/N2提高21.5%，且差異達到顯著水平(P<0.05)，其余處理間未見顯著差異。收獲期各處理差異與灌漿期相似。N1/N2、N3/N4、N5/N6齊穗后干物質(zhì)積累量分別占收獲期干物質(zhì)總量的36.0%、39.3%、41.1%(圖4A)。可見，隨前氮后移，齊穗后早稻干物質(zhì)積累量增加。

圖3 不同氮肥運籌模式早稻(A)、晚稻(B)稻齊穗后劍葉SPAD值Fig.3 SPAD value of top leaf after heading in early rice (A) and late rice (B) under different nitrogen fertilizer management modes

2)晚粳。不同氮肥處理晚稻干物質(zhì)積累各個時期呈現(xiàn)顯著差異。其中收獲期N3顯著高于其余處理。在相同早稻施氮模式下，晚稻增加分蘗肥中氮肥的施用量明顯提高晚粳干物質(zhì)積累，在幾個生育時期均呈現(xiàn)明顯趨勢。N1、N2、N3、N4、N5和N6齊穗后干物質(zhì)積累量分別占收獲期干物質(zhì)總量的32.0%、27.5%、40.0%、27.9%、28.3%和28.4%(圖4B)。可見，晚粳稻齊穗后干物質(zhì)積累沒有隨前氮后移而增多。但其中N3干物質(zhì)積累量顯著提高，表現(xiàn)出氮肥運籌的兩季疊加效應(yīng)明顯。

柱子上不同字母表示處理間具有顯著差異。下同。Different letters on the column indicate significant differences among treatments.The same as follows.

2.5 產(chǎn)量及其構(gòu)成

從表2看出，對于早稻，N3/N4和N5/N6產(chǎn)量較N1/N2顯著提高，增產(chǎn)分別達到17.3%、14.6%。隨前氮后移，早稻的有效穗數(shù)逐漸增加，但每穗粒數(shù)則是先增后降，說明過多的提高穗肥的比例而降低分蘗肥的施氮量，不利于提高每穗粒數(shù)，也會降低結(jié)實率。

對于晚稻，從產(chǎn)量上看，N1>N2、N3>N4、N5>N6，可見，單就晚稻季而言，氮肥后移產(chǎn)量反而降低。從產(chǎn)量構(gòu)成上看，水稻產(chǎn)量主要受有效穗數(shù)的影響，晚稻氮肥后移有效穗數(shù)呈下降的趨勢。受兩季施氮疊加效應(yīng)的影響，N3有效穗數(shù)顯著高于N4和N6，但與其他處理差異不顯著(表3)?？梢?，兩季氮肥運籌對晚稻產(chǎn)量的形成具有顯著的疊加效應(yīng)。

不同氮肥處理周年水稻產(chǎn)量差異顯著(圖5)。N3和N5周年產(chǎn)量最高，顯著高于N1和N2。其中，N5較N2產(chǎn)量提高23.2%。說明，采用周年氮肥運籌對提高”早秈晚粳”雙季稻產(chǎn)量的影響十分顯著。

表2 不同氮肥運籌模式早稻的產(chǎn)量及其構(gòu)成 Table 2 The yield and yield components in early rice under different nitrogen fertilizer management modes

表3 不同氮肥運籌模式晚粳稻的產(chǎn)量及其構(gòu)成 Table 3 The yield and yield components in late rice under different nitrogen fertilizer management modes

圖5 不同氮肥運籌下的周年水稻產(chǎn)量Fig.5 Annual yield under different nitrogen fertilizer management modes

2.6 氮肥利用效率

由圖6可見，不同周年氮肥運籌下，氮肥農(nóng)學(xué)利用率(AE)和氮肥偏生產(chǎn)率(PFP)差異顯著。N3處理下的AE和PFP均表現(xiàn)最高，表現(xiàn)最低的是N1和N2，說明在早稻氮素后移、晚稻不后移時，氮肥利用效率均以N3處理最高，而當(dāng)晚稻氮素也后移時，氮肥利用率整體呈現(xiàn)下降趨勢，以N4的下降幅度最大。

圖6 不同氮肥運籌下水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率(A)和氮肥偏生產(chǎn)效率(B)Fig.6 AE(A) and PFP(B) under different nitrogenfertilizer management modes

2.7 土壤氮養(yǎng)分變化

從圖7可見，土壤全氮受不同周年氮肥運籌影響不顯著，而速效氮差異顯著。其中N0速效氮含量最低，顯然是兩季未施氮肥導(dǎo)致速效氮的消耗。除N0外，N4和N2的速效氮含量低；而N5和N6速效氮含量較高，分別較N4高132.6%和111.1%?？梢?，晚稻收獲后，N5和N6處理下土壤未被植株吸收的有效氮較多，其余幾個氮肥處理，有效氮殘余較少，說明當(dāng)季利用得較為充分且不會有流失的風(fēng)險。土壤速效氮的變化趨勢主要與早稻季施肥模式相關(guān)。

圖7 不同周年氮肥運籌下土壤全氮(A)和速效氮(B)含量 Fig.7 Soil total nitrogen(A) and available nitrogen(B) under different nitrogen fertilizer management modes

3 討 論

3.1 氮肥運籌對雙季機插”早秈晚粳”周年生長發(fā)育影響顯著

長江中游處于種植雙季稻的邊緣地帶，溫光資源緊張，合理的種植模式成為緩解問題的首要方法，“早秈晚粳”雙季機插模式是延長晚稻灌漿時間的有效措施[6]。前人研究證實雙季稻氮肥的施用量[18]對周年產(chǎn)量影響顯著，本研究中N3(早稻季基肥、分蘗肥、穗肥中純氮量為6∶3∶1，晚稻季基肥、分蘗肥、穗肥中純氮量為5∶3∶2)最佳，其次為N5(早稻：5∶3∶2；晚稻：5∶3∶2)，周年產(chǎn)量分別為15.66和15.01 t/hm2。而吳文革等[20]在雙季稻北緣試驗，認(rèn)為早晚稻均以基肥∶蘗肥∶穗肥=5∶2.5∶2.5的運籌模式產(chǎn)量最高，說明不同地區(qū)因土壤和氣候條件差異，產(chǎn)量對氮肥的響應(yīng)也有很大差異。本研究中早稻季氮肥后移能夠顯著提高有效穗數(shù)(表2)，早稻季減少基肥(N5/N6)使水稻前期分蘗數(shù)明顯減少，但是氮肥后移后推遲了分蘗高峰出現(xiàn)的時間，提高了成穗率，這與曾勇軍等[21]追加穗肥的研究結(jié)果類似，可顯著提高產(chǎn)量。

3.2 “早秈晚粳”模式的氮肥利用效率和應(yīng)用前期

氮肥是水稻獲得高產(chǎn)的重要養(yǎng)分，我國水稻生產(chǎn)消耗的氮肥占世界水稻氮肥總消耗量的37%[22]。所以，提高氮肥利用效率是我國當(dāng)前水稻種植乃至整個農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的重要任務(wù)[23]。雙季稻也是消耗氮肥的主要水稻種植模式，許柯等[15]認(rèn)為隨基蘗肥占總施氮量比例降低，成熟期氮素積累總量、氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率及氮肥偏生產(chǎn)力均呈先增加后減少的趨勢，本研究中N3處理下的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)效率均表現(xiàn)最高(圖6)，說明早稻氮肥后移不僅有利早稻產(chǎn)量的提高，而且能夠提高后茬氮肥水平，提高晚稻對氮素的吸收和利用。所以N3處理周年氮肥運籌對提高全年的氮肥利用率有顯著的促進作用，對提高“早秈晚粳”模式在長江流域雙季稻區(qū)的推廣應(yīng)用、降低氮肥流失、保護環(huán)境等方面具有重要意義。