旱作條件下氮肥減施對水稻生長、產(chǎn)量與經(jīng)濟收益的影響

朱勇勇 ，宋秉羲，楊王敏，張宇鵬, ，高志紅, ，陳曉遠, *

1. 喀什大學生命與地理科學學院，新疆 喀什 844000；2. 喀什大學新疆帕米爾高原生物資源與生態(tài)重點實驗室，新疆 喀什 844000；3. 韶關學院英東生物與農(nóng)業(yè)學院，廣東 韶關 512005；4. 粵北水土資源高效利用工程技術研究中心，廣東 韶關 512005

水稻（Oryza sativa）是重要的糧食作物，干旱缺水是影響水稻生產(chǎn)力提高的重要因素，粵北是廣東省重要的水稻生產(chǎn)區(qū)，也是華南地區(qū)重要的制種基地，但粵北水稻，特別是晚稻經(jīng)常受到季節(jié)性和區(qū)域性干旱的影響（高志紅等，2021）。在傳統(tǒng)淹水栽培條件下，80%以上的稻田灌溉水通過地表蒸發(fā)及淋失等途徑損失，導致水稻水分利用率僅為30%—40%（楊秀霞等，2019）。因此，開展水稻旱作研究，實行節(jié)水旱作栽培將是今后粵北水稻生產(chǎn)的重要方向。水稻旱作技術近年來在中國長江流域及東北地區(qū)發(fā)展較快，研究表明，旱作水稻的需水量僅為傳統(tǒng)淹水種植的 1/3，其產(chǎn)量則與常規(guī)淹水種植基本持平（朱慶森等，1995），且在適宜的播種期播種有利于籽粒的增長，從而獲得高產(chǎn)（白晨陽等，2021）。水稻旱秧在節(jié)水灌溉條件下具有明顯的分蘗和生長優(yōu)勢，不僅有效穗增多，干物質(zhì)累積量增加，而且籽粒灌漿速率快，成熟期葉片衰老慢，根系活力強（楊建昌等，2000）。目前水稻旱作在廣東的研究報道較少。

氮素是植物生長發(fā)育過程中不可或缺的重要營養(yǎng)元素（段娜等，2015），氮肥對糧食生產(chǎn)的貢獻達45%左右（Yu et al.，2019）。水稻是消耗氮素最多的農(nóng)作物之一，但目前中國水稻氮肥施用量普遍偏高，增產(chǎn)效果不佳，據(jù)統(tǒng)計，中國水稻單季平均施氮量為 180 kg·hm-2，比世界平均水平高出約75%，氮肥消耗約占世界水稻氮肥總用量的37%（彭少兵等，2002；巨曉棠等，2021）。氮肥過量施用造成資源浪費、環(huán)境污染、水體富營養(yǎng)化、土壤肥力下降等一系列生態(tài)環(huán)境問題（Chen et al.，2011；朱兆良，2003；曹志洪，2003；楊慧等，2014；許瑩等，2020）。當過量施用氮肥時，水稻過度吸收氮肥會造成氮肥生理利用率急劇下降（趙宏偉等，2014），造成土壤-作物系統(tǒng)氮素盈余，使土壤質(zhì)量下降；過量的氮肥和水資源供給還會降低水稻有效分蘗成穗率（邢素麗等，2020），影響水稻籽粒產(chǎn)量。因此，在保障糧食安全的同時，減少氮肥施用已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境方面一個迫切需要解決的重大問題，近幾年來，減氮行動在中國廣泛開展（Jin et al.，2018）。王保君等（2019）和袁偉等（2021）研究了秸稈還田和氮肥減量對水稻產(chǎn)量的影響，結果表明，采用適當?shù)慕斩掃€田配合氮肥減量處理可以提高水稻產(chǎn)量。柳瑞等（2020）探討了化學氮肥減量配施秸稈生物炭對雙季稻生長發(fā)育、物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)施用一定量的稻稈生物炭可以在穩(wěn)定水稻產(chǎn)量的同時減少化學氮肥施用量，實現(xiàn)水稻氮肥管理的“減量增效”。郭琴波等（2021）也證實氮肥減量配施生物炭可明顯提高水稻產(chǎn)量。綜合以上分析，當前研究主要集中在常規(guī)淹水灌溉條件下氮肥減施對水稻產(chǎn)量的影響，但旱作條件下氮肥減施的研究較少。本研究針對粵北水稻生產(chǎn)中不合理施氮的現(xiàn)狀，旨在探索水稻旱作條件下氮肥減施對水稻生長、產(chǎn)量和經(jīng)濟收益的影響，明確氮肥的最佳減施量和生產(chǎn)效益，建立水稻旱作高效施肥技術。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗地點

試驗品種為美香粘，試驗地點設在韶關市始興縣美青農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司（坐標 24°56′0″N，114°3′36″E），該區(qū)年平均氣溫 19.6 ℃，年降雨量1468 mm，無霜期310 d，年日照總時數(shù)1500—1900 h，屬中亞熱帶濕潤季風氣候。試驗地地勢平坦，前茬蔬菜作物為茄子和豇豆，土壤質(zhì)地為紅壤性水稻土，土壤結構為重壤土。土壤基本理化性狀見表1。供試化肥為單質(zhì)肥料，分別為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）、氧化鉀（K2O 60%）。

表1 試驗地土壤基本理化性狀Table 1 Physical and chemical properties of soil in experimental areas

1.2 試驗設計

試驗設置淹水灌溉（按照當?shù)剞r(nóng)民常規(guī)淹水方式）和旱作（整個生育期均不進行人為灌溉）2種水分條件，及4種氮素用量水平：當?shù)爻Ｒ?guī)施用量（216 kg·hm-2）、減少 10%施用量（194.4 kg·hm-2）、減少20%施用量（172.8 kg·hm-2）、減少40%施用量（129.6 kg·hm-2），共計5個處理，即CK（淹水灌溉+當?shù)爻Ｒ?guī)氮素用量）、H0（旱作+當?shù)爻Ｒ?guī)氮素用量）、H10（旱作+氮素減施10%）、H20（旱作+氮素減施20%）、H40（旱作+氮素減施40%），每個處理3次重復。具體處理設置見表2。

表2 試驗處理Table 2 Treatments of the experiment

試驗于2019年5—8月進行，采用隨機區(qū)組設計方法，小區(qū)面積均為7 m×7 m=49 m2。常規(guī)淹水施氮處理采用人工插秧方式種植，旱作處理采用機械直播方式種植，旱作處理播種密度參照插秧密度，苗間距為5 cm。5月10日播種，起壟后用塑料薄膜覆蓋以阻隔水分交換。8月10日收獲。

氮磷鉀肥料分3次施用，施用時期和分配比例為：播種后一周施用氮肥總量的36%；播種一個月施用氮肥總量的32%、磷肥總量的63%和鉀肥總量的63%；灌漿期施用氮肥總量的32%、磷肥總量的37%和鉀肥總量的37%。

試驗進行期間，分別在分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期測定水稻株高、葉面積、分蘗數(shù)，成熟時人工收割測產(chǎn)，統(tǒng)計千粒重、單位面積株數(shù)、有效穗數(shù)，并根據(jù)當年稻米、農(nóng)資價格計算生產(chǎn)收益。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 株高

量取從莖基部到葉頂端的距離。

1.3.2 分蘗數(shù)

人工統(tǒng)計各處理水稻植株分蘗數(shù)。

1.3.3 葉面積

葉長：量取每片完全展開的綠色葉片的葉枕到葉尖的距離。

葉寬：量取每片完全展開的綠色葉片的最寬處距離。

葉面積：采用葉面積擬合公式進行計算。葉面積（cm2）=長度×寬度×0.78。

1.3.4 產(chǎn)量

水稻成熟時，統(tǒng)計單位面積株數(shù)、有效穗數(shù)和千粒重，機械收割測產(chǎn)。

1.3.5 經(jīng)濟收益

經(jīng)濟收益計算公式如下：

式中：

E——經(jīng)濟收益；

Y——水稻產(chǎn)量；

P——稻谷單價；

C1——購買肥料費用；

C2——灌溉成本。常規(guī)淹水種植處理整個生育期灌溉成本按每公頃3000元計，旱作處理無灌溉成本，種子、農(nóng)藥、人工等成本均不考慮。稻谷按國家收購價每千克2.7元計，尿素按每千克2.6元計，過磷酸鈣按每千克1.6元計，氯化鉀按每千克3.74元計。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)應用軟件 SPSS 22.0和 Microsoft Excel 2019進行整理分析，對各處理間的差異采用LSD法和鄧肯法進行0.05水平上的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 旱作條件下氮肥減施對水稻生長的影響

2.1.1 對株高的影響

植株高度可以表示作物營養(yǎng)生長的好壞，受水分、養(yǎng)分條件的影響。從圖1可知，常規(guī)淹水種植水稻（CK）株高最大，旱作條件下不減施氮肥處理（H0）株高次之，H0比CK降低8.43%，差異不顯著。旱作條件下氮肥減施10%處理（H10）、20%處理（H20）、40%處理（H40）的株高分別比H0降低2.70%、10.68%、19.92%，H10、H20與H0差異不顯著，H40 與H0差異顯著（P＜0.05）。由此可見，旱作條件和淹水條件相比，水稻株高差異不顯著；在旱作條件下，水稻株高隨氮肥減施量的增加而降低，減施40%降低最多，減施10%降低最少。

圖1 不同氮肥減施處理對水稻株高的影響Fig. 1 Effects of different nitrogen fertilizer reduction treatments on rice plant height

2.1.2 對葉面積的影響

葉片是冠層的組成部分，其大小是決定作物干物質(zhì)積累和最終產(chǎn)量的重要因素之一。圖2顯示，CK的葉面積最大，H0次之，H0比CK降低8.86%，差異不顯著。在旱作條件下，H10、H20、H40的葉面積分別比H0降低8.98%、24.70%、30.32%，H10和H20與H0差異不顯著，H40與H0差異顯著。說明旱作條件和淹水條件相比，水稻葉面積差異不顯著；在旱作條件下，氮肥減施會對葉面積的擴展產(chǎn)生一定的抑制作用，隨著氮肥減施量的增加，葉面積減小，但減施10%未對葉面積擴展造成顯著影響。

圖2 不同氮肥減施處理對水稻葉面積的影響Fig. 2 Effects of different nitrogen fertilizer reduction treatments on rice leaf area

2.1.3 對水稻分蘗數(shù)的影響

分蘗數(shù)可以反映水稻的潛在產(chǎn)量，但無效分蘗太多則不利于產(chǎn)量提高。由圖3可知，CK的分蘗數(shù)最大，H0次之，H0比CK降低3.30%，差異不顯著。在旱作條件下，H10、H20、H40的分蘗數(shù)分別比H0降低13.86%、31.02%、51.71%，H10和H20與H0差異不顯著，H40與H0差異顯著。由此可見，水稻旱作對分蘗數(shù)不會產(chǎn)生顯著影響，在旱作條件下，氮肥減施會使分蘗數(shù)明顯減少，減施越多，分蘗數(shù)降低越多。

圖3 不同氮肥減施處理對水稻分蘗數(shù)的影響Fig. 3 Effects of different nitrogen fertilizer reduction treatments on rice tiller number

2.2 旱作條件下氮肥減施對水稻產(chǎn)量及其構成因素的影響

由表3可知，CK的單位面積株數(shù)、有效穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量均為最大，H0次之，H0分別比CK降低2.47%、2.63%、0.95%和2.38%，差異不顯著。在旱作條件下，H10、H20、H40的單位面積株數(shù)分別比H0降低6.33%、32.91%、37.97%；H10、H20、H40的有效穗數(shù)分別比H0降低29.73%、35.14%、37.84%，H10與H0差異不顯著，H20、H40與H0差異顯著；H10、H20、H40的千粒重分別比H0降低1.92%、4.30%、7.48%，H10、H20與H0差異不顯著，H40與H0差異顯著；H10、H20、H40的水稻產(chǎn)量分別比H0降低0.35%、1.05%、4.18%，H10、H20與H0差異不顯著，H40與H0差異顯著。由此可見，水稻旱作對產(chǎn)量沒有產(chǎn)生顯著影響。在旱作條件下，雖然氮肥減施使產(chǎn)量減少，但減施10%不會使產(chǎn)量顯著降低。

表3 不同氮肥減施處理對水稻產(chǎn)量及其構成因素的影響Table 3 Effects of different nitrogen fertilizer reduction treatments on rice yield and its components

2.3 旱作條件下氮肥施用量與經(jīng)濟收益的關系

經(jīng)濟收益是反映作物投入和產(chǎn)出的重要指標。表4顯示，各旱作處理的經(jīng)濟收益均大于CK，在所有處理中，H10最大，H0次之，CK最小，H10比CK提高0.76%。由此可見，水稻旱作的經(jīng)濟收益大于常規(guī)淹水種植，其中與常規(guī)施氮量相比，減少10%的施氮量處理的經(jīng)濟收益提高，減少20%施氮量和40%施氮量處理的經(jīng)濟收益下降。

表4 不同氮肥減施處理對水稻經(jīng)濟收益的影響Table 4 Effect of different nitrogen fertilizer reduction treatments on economic profits of rice

旱作條件下，施氮量與經(jīng)濟收益的關系符合多項式回歸方程（圖4）。根據(jù)回歸方程，氮素用量為203.31 kg·hm-2時，即氮肥減施6%左右，經(jīng)濟收益達到最大值，此后開始下降。因此，在本試驗條件下，氮肥減施6%—10%既能節(jié)約資源，又能獲得較好的經(jīng)濟收益。

圖4 水稻旱作條件下施氮量與經(jīng)濟收益的關系Fig. 4 Relationship between nitrogen application amount and economy profits under dry farming conditions of rice

3 討論

水分是影響水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的關鍵因素之一（孫園園，2010）。水稻旱作不僅節(jié)省農(nóng)資減少勞力（蔡康妮等，2021），又能節(jié)約大量用水，提高經(jīng)濟收益，具有較好的發(fā)展前景（王飛名等，2018）。張巖（2019）通過旱作起壟夾肥技術栽培水稻，水稻千粒重、分蘗率和結實率比常規(guī)種植均有所提高，產(chǎn)量增加1.1%。尹鋼吉等（2019）研究發(fā)現(xiàn)，水稻旱作噴灌、滴灌處理比常規(guī)淹水灌溉產(chǎn)量雖有所降低，但作物節(jié)水量分別達到 10.99%和17.76%，并且隨著旱作技術的成熟，水稻旱作將有很大節(jié)水和增產(chǎn)的潛力。在本研究中，在未采取其他配套措施的情況下，旱作條件與常規(guī)淹水灌溉條件相比，分蘗數(shù)、有效穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別降低3.3%、2.63%、0.95%和2.38%，差異不顯著，與上述研究人員的結果差異不大。另一方面，本研究旱作條件下各處理的灌溉用水均來自大氣降水，比淹水條件節(jié)水100%，可節(jié)約大量水資源。

氮素是影響水稻群體結構和產(chǎn)量形成不可或缺的元素之一，增施氮肥是水稻高產(chǎn)的主要措施。然而，施氮量與水稻的生長和產(chǎn)量并不總是呈線性正相關（高群山等，2015）。在一定的施氮量范圍內(nèi)，產(chǎn)量隨施氮量增加而提高，超過施氮量閾值，增加施氮量，產(chǎn)量下降。因此，合理施用氮肥，減少氮肥過量施用成為近年研究的熱點課題。王道中等（2012）研究表明，通過優(yōu)化氮肥施用時期，與農(nóng)民常規(guī)施氮量相比，雖然中高肥力水平土壤上減少30%的氮肥和中低肥力水平土壤減少10%的氮肥處理單位面積有效穗數(shù)下降，但水稻結實率、每穗粒數(shù)和千粒重明顯增加，不會造成水稻顯著減產(chǎn)，因此，他建議減氮量的多少必須兼顧土壤肥力水平的高低。李錄久等（2013）認為，適當減少氮肥施用量對水稻生長發(fā)育和籽粒產(chǎn)量的影響不明顯，同時可明顯提高氮肥利用效率。王保君等（2019）研究發(fā)現(xiàn)，在減氮條件下配合秸稈還田可以使作物產(chǎn)量提高。本研究中，試驗土壤有機質(zhì)含量為 44.50 g·kg-1，屬于高肥力土壤，在旱作條件下，與常規(guī)施氮量處理相比，減少 10%、20%、40%的施氮量，水稻單位面積株數(shù)和有效穗數(shù)顯著減少；產(chǎn)量分別下降0.35%、1.05%、4.18%，減氮沒有引起顯著減產(chǎn)，這與王道中的結果近似。本試驗中，除減少40%施氮量處理外，減少10%施氮量處理和減少20%施氮量處理的千粒重與常規(guī)施氮量處理相比，差異均不顯著，與王道中的結果略有差異，其原因可能與試驗條件、施肥量、作物品種有關。

有文獻報道，中國氮肥用量存在地區(qū)間的不平衡性，在某些地區(qū)，氮肥平均用量高達 270—300 kg·hm-2，部分田塊甚至超過 350 kg·hm-2，在此情況下，由于土壤中氮素含量較高，即使氮肥減量50%，也不會造成水稻產(chǎn)量的明顯下降（薛峰等，2009）。王道中等在安徽的試驗中，常規(guī)施氮量為 165 kg·hm-2，減氮30%不會造成產(chǎn)量顯著下降。柳瑞等（2020）在廣州的研究表明，土壤有機質(zhì) 36.36 g·kg-1，常規(guī)施氮量為 180 kg·hm-2，減氮 40%配施生物炭可顯著增產(chǎn)。張美微等（2021）對夏玉米的研究發(fā)現(xiàn)，減施氮肥20%（180 kg·hm-2）可達到高產(chǎn)高效。上述研究結果均為在淹水種植的條件下得出，本試驗結果是在旱作減氮的條件下獲得，結果顯示，氮肥減施40%，即129.6 kg·hm-2時，水稻產(chǎn)量達到常規(guī)淹水種植的 93.53%、旱作不減施的95.82%，經(jīng)濟收益比常規(guī)淹水種植提高4.36%；氮肥減施10%，即194.4 kg·hm-2，水稻產(chǎn)量達到常規(guī)淹水種植的97.28%、旱作不減施的99.65%，經(jīng)濟收益最高，比常規(guī)淹水種植提高7.66%。將氮肥減施量與水稻產(chǎn)量的關系進行擬合，兩者符合二階多項式方程，從方程可計算出最佳施氮量為 203.31 kg·hm-2，接近于氮肥減施10%的施氮量。由于本試驗是旱作減施，故最佳減施量小于王道中等的減氮量。另一方面，本研究是在稻菜輪作模式下進行，土壤基礎肥力較高，因此，雖然沒有輔助其他配套措施，仍能獲得較好的產(chǎn)量和經(jīng)濟收益。由此可見，減氮量必須考慮區(qū)域差異、土壤肥力水平及配套措施等。

4 結論

與常規(guī)淹水灌溉相比，旱作水稻株高、葉面積、分蘗數(shù)及產(chǎn)量未受顯著影響，同時，經(jīng)濟收益提高。在旱作條件下，減氮20%和40%使產(chǎn)量和經(jīng)濟收益下降；減氮10%可以獲得較好的產(chǎn)量和經(jīng)濟收益。