基于增苗減氮技術(shù)構(gòu)建晚秈稻高產(chǎn)氮高效群體

羅 亢，曾勇軍*，石慶華，成 臣，*，廖雅汶，王雅青，王志雯，朱 博

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，雙季稻現(xiàn)代化生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，江西 南昌 330045；2.贛南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000）

【研究意義】追求水稻高產(chǎn)是保障我國糧食安全的重要途徑之一，其中增施氮肥是實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)最為重要的措施之一[1-2]。然而過量施用氮肥一直是中國存在的重大現(xiàn)實(shí)問題，據(jù)報(bào)道我國單季稻田平均施氮量（180 kg/hm2）比世界稻田的單位面積平均施氮量約高75%[3]，而稻田氮肥吸收利用率（30%～35%）遠(yuǎn)低于世界平均水平[4-5]。進(jìn)而導(dǎo)致氮淋洗（滲漏）、地表徑流、氨氣（NH4）及氧化亞氮（N2O）排放等活性氮損失加強(qiáng)，增加了生產(chǎn)成本、溫室氣體排放并加重了環(huán)境污染問題[6]。因此，如何有效構(gòu)建水稻高產(chǎn)氮高效群體將對我國農(nóng)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】施氮量是調(diào)控作物產(chǎn)量及氮肥利用率的重要措施之一[7-8]。何虎等[9]及呂偉生等[10]研究表明，隨施氮量增加（0～240 kg/hm2），晚秈稻氮素的吸收利用率、生理利用率、農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力等均降低，施氮量180～195 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量達(dá)到最高，但是該氮肥施用量調(diào)控下的水稻氮素利用率仍不高。合理的基本苗數(shù)是水稻高產(chǎn)群體優(yōu)化的起點(diǎn)，通過基本苗數(shù)調(diào)控可充分提高水稻產(chǎn)量并使養(yǎng)分達(dá)到供需平衡[11-12]。前人研究結(jié)果表明通過增加基本苗數(shù)和減少施氮量可同步實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)與氮素高效利用率[13-16]。謝小兵等[17]研究認(rèn)為采用低氮密植（栽植密度40穴/m2和N 100～150 kg/hm2）下提早達(dá)到夠苗期，有利于提高水稻分蘗成穗率、有效穗數(shù)及結(jié)實(shí)率，且齊穗期具有較高的干物質(zhì)積累量及其表觀轉(zhuǎn)化率，利于水稻高產(chǎn)及氮肥高利用率的形成。李思平等[18]研究也認(rèn)為，通過增密減氮（栽植密度27 萬穴/hm2和N 216～288 kg/hm2）可同步控制合理密度并實(shí)現(xiàn)水稻產(chǎn)量的優(yōu)化。【本研究切入點(diǎn)】由此可知，通過增加種植密度（行株距）降低氮肥已有較多研究，而基本苗數(shù)主要由行株距與每穴苗數(shù)共同決定，然而能否通過增加每穴苗數(shù)降低施氮量來協(xié)調(diào)二者之間關(guān)系，進(jìn)一步挖掘晚秈稻高產(chǎn)氮高效的潛力目前還不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，針對南方雙季稻區(qū)，通過同步調(diào)控施氮量與每穴苗數(shù)，研究增苗減氮對晚秈稻產(chǎn)量及氮素吸收利用的影響，旨在為南方晚秈稻高產(chǎn)氮高效群體構(gòu)建、降低氮素面源污染提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

于2017—2018 年晚稻季在江西省上高縣泗溪鎮(zhèn)曾家村（115°9′E，28°31′N）開展。試驗(yàn)田前茬為雙季早秈稻，2017 和2018 年試驗(yàn)前耕層（0～20 cm）土壤全氮含量分別為2.01 g/kg 和1.95 g/kg、速效氮68.4 mg/kg和72.4 mg/kg，速效磷33.5 mg/kg和35.7 mg/kg，速效鉀76.1 mg/kg和74.5 mg/kg，有機(jī)碳20.4 g/kg和21.2 g/kg，土壤pH 分別為5.28 和5.22。供試品種為秈型三系雜交稻五優(yōu)308（大穗型）和天優(yōu)華占（多穗型）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

前期課題組開展施氮量與每穴苗數(shù)裂區(qū)試驗(yàn)研究[19]表明，在晚稻機(jī)插降低常規(guī)施氮量15.4%的用量下通過適當(dāng)增加每穴苗數(shù)實(shí)現(xiàn)不減產(chǎn)，適宜增苗減氮可以通過增加單位面積有效穗數(shù)而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)并提高氮素利用率。在此研究基礎(chǔ)上，以晚秈稻不同穗型品種為材料，探究增苗減氮（“減氮”是通過降低基肥用量，分蘗肥與穗肥用量均保持不變）構(gòu)建高產(chǎn)氮高效群體的最佳搭配，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)施氮肥處理分別為CK（每穴2苗和N 180 kg/hm2）、T1（每穴3苗和N 144 kg/hm2）及T2（每穴4 苗和N 126 kg/hm2），具體方案見表1；另設(shè)每穴2、3 及4 苗不施氮肥處理（主要用于氮素吸收利用部分指標(biāo)計(jì)算）。采用處理為主區(qū)、品種為副區(qū)的裂區(qū)試驗(yàn)，每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)，共36 個(gè)小區(qū)，完全隨機(jī)設(shè)計(jì)排列，各小區(qū)30 m2。小區(qū)之間做土埂以保證單獨(dú)排灌，并用塑料薄膜包埂以防止串水串肥。

表1 各處理氮肥運(yùn)籌及每穴苗數(shù)Tab.1 Nitrogen application regime and seedling number per hill

2017（2018）年于6 月23 日（6 月24 日）采用七寸硬質(zhì)秧盤育秧，7 月18 日（7 月17 日）人工移栽，10 月17 日（10 月18 日）收獲。栽插行株距均為25 cm×14 cm，供試肥料氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素（含N 46%）、鈣鎂磷肥（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%），其中，磷肥、鉀肥用量分別為P2O590 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，磷肥一次性作基肥施用，鉀肥按m（基肥）∶m（穗肥）=7∶3 施用。水分管理技術(shù)以及其他農(nóng)事操作均按水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培技術(shù)進(jìn)行。

1.3 測定內(nèi)容與方法

1.3.1 干物質(zhì)及葉面積指數(shù) 于水稻幼穗分化期、抽穗期及成熟期，各小區(qū)按平均有效穗取樣，各小區(qū)取10 穴植株，剪根洗凈后將莖、葉及穗分開，并用LI-300C 葉面積儀（LI-COR，Lincoln，NE，USA）測定葉片葉面積，之后分別將各部分裝入袋中置于烘箱內(nèi)105 ℃殺青30 min，后將烘箱溫度調(diào)至75 ℃直至樣品烘干至恒重。

1.3.2 理論與實(shí)際產(chǎn)量 成熟期各小區(qū)按照平均有效穗取5穴稻穗，采用水漂法進(jìn)行理論產(chǎn)量構(gòu)成因子（每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量）測定，并于各小區(qū)中心區(qū)域?qū)嵤? m2左右，脫粒、曬干及風(fēng)選后稱量，測定其含水率，并計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)含水率（13.5%）下的產(chǎn)量。

1.3.3 生長發(fā)育指標(biāo) 測定作物生長速率和光合勢。

式（1）、（2）中W1和W2為前、后2 次作物單位面積的總干物質(zhì)質(zhì)量（g/m2）；L1和L2為前、后2 次單位面積的葉面積數(shù)（m2/m2）；t1和t2分別為第1、2次取樣時(shí)間。

1.3.4 氮素吸收利用 氮素吸收利用各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算參考霍中洋等[20]方法：

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel 2010 和DPS 7.05 軟件分析和處理數(shù)據(jù)；Origin9.0 軟件制圖；LSD 法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

方差分析（表2）表明，產(chǎn)量在年份、品種、處理及品種與處理互作上存在極顯著差異。隨著增苗減氮調(diào)控程度增加，兩品種產(chǎn)量均先增后降。與CK 處理相比，五優(yōu)308品種T1處理產(chǎn)量增加0.36%～0.38%，T2 處理產(chǎn)量卻顯著降低7.46%～7.96%；而天優(yōu)華占品種T1 及T2 處理產(chǎn)量均分別增加8.73%～10.01%和0.95%～1.72%，其中T1處理與CK處理產(chǎn)量間差異達(dá)顯著水平。

方差分析（表2）表明，除每穗粒數(shù)在年份間以及千粒質(zhì)量在處理間無顯著性差異外，產(chǎn)量構(gòu)成因子在年份、品種及處理間差異均呈顯著或極顯著水平。此外，每穗粒數(shù)在品種與處理互作上還存在極顯著性差異。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，隨增苗減氮調(diào)控程度增加，有效穗數(shù)增加，每穗粒數(shù)降低，結(jié)實(shí)率先增后降，千粒質(zhì)量無顯著變化。與CK 相比，兩品種T1、T2 處理有效穗數(shù)分別平均顯著增加6.9%～7.5%及11.2%～11.3%，每穗粒數(shù)分別平均顯著降低10.4%～11.5%和14.5%～17.4%，結(jié)實(shí)率分別平均顯著增加11.0%～11.1%和5.3%～5.8%。

表2 增苗減氮對晚秈稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響Tab.2 Effect of increase seedling and reducing nitrogen on the late Indica rice yield and yield components

2.2 干物質(zhì)生產(chǎn)

方差分析表明，光合勢、作物生長速率及總干物質(zhì)在年份、品種、處理及品種與處理互作上存在極顯著性差異（表3）。隨著增苗減氮調(diào)控程度增加，兩品種光合勢均先增后降，五優(yōu)308作物生長速率、總干物質(zhì)量降低，而天優(yōu)華占作物生長速率、總干物質(zhì)量卻均先增后降。與CK 相比，兩品種T1 處理光合勢平均增加3.8%～5.8%，五優(yōu)308 品種T2 處理光合勢顯著降低7.9%～11.7%，天優(yōu)華占T2 處理光合勢增加0.8%～2.0%。與CK 相比，五優(yōu)308 品種T1、T2 處理作物生長速率分別降低1.4%～1.6%及2.9%～4.0%，總干物質(zhì)量分別降低1.5%～1.6%及5.5%～6.0%，其中CK 與T1 處理間上述二指標(biāo)差異不顯著；天優(yōu)華占T1處理作物生長速率、總干物質(zhì)量分別顯著增加3.1%～5.2%及4.5%～5.7%，而T2 處理作物生長速率、總干物質(zhì)量卻分別降低0.5%～0.7%及0.3%～1.1%。

表3 增苗減氮對晚秈稻干物質(zhì)生產(chǎn)能力的影響Tab.3 Effect of increase seedling and reducing nitrogen on the late Indica rice dry matter production

2.3 葉面積指數(shù)

隨著增苗減氮調(diào)控程度增加，兩品種抽穗期及成熟期葉面積指數(shù)均先增后降（圖1）。與CK 處理相比，五優(yōu)308 及天優(yōu)華占T1 處理葉面積指數(shù)抽穗期分別增加0.5%～0.6%及7.0%～10.4%，成熟期分別增加2.2%～3.6%及11.2%～11.4%，其中天優(yōu)華占CK 與T1差異均達(dá)顯著水平。與CK 處理相比，五優(yōu)308品種T1 處理葉面積指數(shù)抽穗期與成熟期分別顯著降低9.6%～13.6%及11.8%～11.4%，而天優(yōu)華占T1 處理葉面積指數(shù)抽穗期與成熟期分別增加1.2%～2.1%及2.2%～3.6%。

圖1 增苗減氮對晚秈稻葉面積指數(shù)的影響Fig.1 Effect of increase seedling and reducing nitrogen on Indica rice LAI during the late-rice cropping seasons

2.4 氮素吸收利用

方差分析（表4）表明，總吸氮量、氮素吸收利用率、生理利用率、農(nóng)學(xué)利用率及偏生產(chǎn)率在年份、品種及處理間均存在極顯著差異。而氮素吸收利用率在年份與品種、品種與處理、年份×品種×處理等互作上存在顯著差異，此外農(nóng)學(xué)利用率及偏生產(chǎn)率在品種與處理互作上差異也呈顯著水平。隨著增苗減氮調(diào)控程度增加，總吸氮量降低，氮素偏生產(chǎn)力增加，氮素吸收利用率、生理利用率及農(nóng)學(xué)利用率均先增后降。與CK相比，兩品種T1、T2處理總吸氮量分別平均顯著降低7.4%～7.5%及13.3%～14.5%，氮素偏生產(chǎn)力分別平均顯著增加7.4%～7.5%及13.3%～14.5%，氮素吸收利用率分別平均顯著增加14.0%～14.1%及6.5%～8.5%，生理利用率分別平均顯著增加9.2%～11.1%及5.9%～7.3%，農(nóng)學(xué)利用率分別平均顯著增加24.6%～26.6%及13.2%～14.9%。

表4 增苗減氮對晚秈稻氮素吸收利用的影響Tab.4 Effect of increase seedling and reducing nitrogen on the late Indica rice nitrogen use efficiency

3 討論

3.1 增苗減氮對晚秈稻產(chǎn)量及其生長發(fā)育的影響

適宜基本苗數(shù)是群體高質(zhì)量建成的起點(diǎn)，是水稻獲得適宜生物量及高產(chǎn)高效的關(guān)鍵栽培因子，而氮素是調(diào)控水稻生長發(fā)育的三大營養(yǎng)元素之一，為作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)重要的養(yǎng)分限制因子。“增密減氮”通過影響水稻群體生長發(fā)育及其質(zhì)量，改變并協(xié)調(diào)有效穗數(shù)及每穗粒數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成因子進(jìn)而調(diào)控水稻產(chǎn)量[21-22]。前人對單季秈稻、單季粳稻及晚粳稻的密度與氮肥協(xié)同調(diào)控均有研究，Hou 等[23]研究表明，施氮量降低（N 247.5～165 kg/hm2）造成單產(chǎn)下降可以通過提高種植密度來補(bǔ)償，在適宜施氮量下提高種植密度（21×104～27×104苗/hm2）有助于顯著提高單季秈稻產(chǎn)量。Zhu等[24]研究認(rèn)為，與對照相比（每穴3苗及施氮量202.5 kg/hm2），增加大概50%的種植密度并相應(yīng)地降低30%左右的施氮量能提高單季粳稻產(chǎn)量0.5%～7.4%。李思平等[18]研究認(rèn)為，當(dāng)栽植密度增加至2.7×105穴/hm2、氮肥減至216～288 kg/hm2時(shí)可有效降低晚粳稻施氮量并控制適宜密度，達(dá)到晚粳稻產(chǎn)量及效益的雙重優(yōu)化。本試驗(yàn)對晚秈稻研究也得到類似結(jié)果，與CK 處理相比，五優(yōu)308 及天優(yōu)華占品種T1 處理產(chǎn)量分別增加0.36%～0.38%及8.73%～10.01%，其中T1 處理與CK 處理產(chǎn)量間差異達(dá)顯著水平，這可能與T1 處理葉面積指數(shù)及光合勢增加有關(guān)。從產(chǎn)量構(gòu)成來看，增苗減氮促進(jìn)晚秈稻有效穗數(shù)增加，每穗粒數(shù)降低，結(jié)實(shí)率先增后降，千粒質(zhì)量無顯著變化。這與徐新朋等[25]、周江明等[26]研究結(jié)果較為一致，但Zhu 等[24]研究卻認(rèn)為，隨增苗減氮程度增加，水稻有效穗數(shù)降低，結(jié)實(shí)率與千粒質(zhì)量均顯著增加，但每穗粒數(shù)上無顯著性差異。此外，本研究還表明，不同水稻品種生長發(fā)育及產(chǎn)量對增苗減氮響應(yīng)存在較大差異，這可能與不同穗型品種其增產(chǎn)途徑不同有關(guān)，初步推測多穗型水稻應(yīng)用增苗減氮效果可能較佳，但本研究僅以2個(gè)品種為研究對象，因此今后有必要對大穗型、穗粒兼顧型、多穗型3種類型水稻的增苗減氮調(diào)控效果進(jìn)一步研究。

3.2 增苗減氮對晚秈稻氮素吸收利用的影響

追求較高的氮素利用率是實(shí)現(xiàn)水稻增產(chǎn)增效、環(huán)境友好的重要目標(biāo)，協(xié)調(diào)好施氮用量與基本苗數(shù)二者之間關(guān)系不僅能作為增加水稻產(chǎn)量有效措施，同樣也是提高氮素利用率的重要途徑[27-28]。謝小兵等[17]研究認(rèn)為，與高氮和中氮常規(guī)密度處理相比，一季超級(jí)稻低氮密植氮肥偏生產(chǎn)力分別高184.0%～232.6%和89.4%～114.6%，而氮素籽粒生產(chǎn)效率也分別高23.3%～29.2%和5.4%～30.9%。陳佳娜等[29]研究表明，實(shí)時(shí)氮肥處理（低氮）機(jī)插雙季稻的群體氮素利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮吸收率、氮素籽粒生產(chǎn)率、氮收獲指數(shù)以及氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率等均高于高氮處理，同時(shí)不同機(jī)插密度下（行株距調(diào)控）高密處理各氮素吸收利用指標(biāo)均高于低密處理，適當(dāng)增加機(jī)插密度并降低施氮量可以較好地提高氮素利用率。本研究與前人一季稻或通過行株距調(diào)節(jié)密度的雙季稻試驗(yàn)結(jié)果基本一致，研究表明隨著增苗減氮調(diào)控程度增加，總吸氮量降低，氮素偏生產(chǎn)力增加，氮素吸收利用率、生理利用率及農(nóng)學(xué)利用率均先增后降，與對照相比適宜增苗減氮（T1處理）能有效構(gòu)建氮高效群體、顯著提高晚秈稻氮素吸收利用率。但是，增苗減氮也會(huì)對地力帶來不利影響，結(jié)合增苗減氮的施氮量及植株總吸氮量分析，并考慮氮淋洗、地表徑流及氨揮發(fā)等氮素?fù)p失途徑，若長期低氮密植會(huì)導(dǎo)致土壤氮素持續(xù)降低。建議水稻生產(chǎn)中配合秸稈還田、紫云英種植及有機(jī)肥增施等措施提升土壤氮素及其地力。

3.3 增苗減氮技術(shù)應(yīng)用效果分析

基本苗數(shù)（主要由行株距與每穴苗數(shù)決定）與氮肥用量配合應(yīng)用對作物生長發(fā)育及氮素吸收利用的影響研究在棉花、油菜、小麥等作物均有相關(guān)報(bào)道。Dong 等[30]研究表明，中等的施氮量與適中的種植密度或者“高密低氮”均可最大限度提高棉花產(chǎn)量及降低氮肥利用率；主要由于增密減氮通過實(shí)現(xiàn)氮肥用量與棉株之間的供求平衡，從而進(jìn)一步發(fā)揮群體增產(chǎn)潛力及優(yōu)化氮素利用率[31]。左青松等[32]研究認(rèn)為，在施氮量（0～225 kg/hm2）范圍內(nèi)增加油菜每穴株數(shù)產(chǎn)量顯著增加，而在施氮量300 kg/hm2時(shí)每穴1、2及3株之間產(chǎn)量均無顯著差異，且隨著施氮量增加油菜根及莖枝的氮素運(yùn)轉(zhuǎn)率均降低。據(jù)于文明等[33]研究報(bào)道，施氮量或基本苗過多均會(huì)導(dǎo)致小麥產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學(xué)利用率下降，建議以每667 m210 萬基本苗與240 kg/hm2施氮量或者每667 m215 萬基本苗與180 kg/hm2施氮量的搭配為宜。而本試驗(yàn)對晚秈稻也同樣研究表明，通過增苗減氮能夠構(gòu)建晚秈稻高產(chǎn)氮高效群體，可同步協(xié)調(diào)“增苗”與“減氮”二者關(guān)系，其中以每穴3苗及施氮量144 kg/hm2左右為宜。因此，基于高產(chǎn)氮高效群體建立的角度上可進(jìn)一步深入挖掘不同作物“增苗減氮”實(shí)現(xiàn)在保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)提高氮素利用率的目標(biāo)，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各種作物優(yōu)化施氮及合理密植提供有效栽培策略。

4 結(jié)論

適宜增苗減氮可協(xié)同提高晚秈稻產(chǎn)量，主要通過提高有效穗數(shù)及結(jié)實(shí)率，并具有較高的葉面積指數(shù)、光合勢及干物質(zhì)生產(chǎn)能力，但調(diào)控效果與品種有關(guān)；且適宜增苗減氮還能提高晚秈稻氮素偏生產(chǎn)力，氮素吸收利用率、生理利用率及農(nóng)學(xué)利用率。因此，在南方雙季稻區(qū)，通過增苗減氮能夠構(gòu)建晚秈稻高產(chǎn)氮高效群體，其中每穴苗數(shù)及施氮量以T1（每穴3苗和N 144 kg/hm2）左右為宜，但針對大穗型、穗粒兼顧型、多穗型3種類型水稻的增苗減氮調(diào)控效果需進(jìn)一步詳細(xì)研究。