減氮和機械側(cè)深施肥對機插雜交稻產(chǎn)量及氮素吸收利用的影響

伍雜日曲 郭長春 李飛杰 呂 旭 舒川海 孫永健 楊志遠 馬 均

(四川農(nóng)業(yè)大學水稻研究所/作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室，四川 成都 611130)

水稻是我國主要的糧食作物之一，約有60%以上的人口以稻米為主要食物[1]。我國所有作物中，水稻氮肥用量較多，氮肥對水稻產(chǎn)量的貢獻率可達40%[2-3]，但在水稻生產(chǎn)中氮肥過量施用現(xiàn)象普遍。據(jù)統(tǒng)計，我國水稻生產(chǎn)中氮肥平均施用量為180 kg·hm-2，江蘇省部分高產(chǎn)農(nóng)田氮肥施用量高達300 kg·hm-2[4-5]。過量施用氮肥會導致肥料利用率下降，我國水稻生產(chǎn)氮素利用率僅為30%～35%，遠低于世界平均水平，氮肥過量、不合理施用造成的肥料利用率下降和環(huán)境污染等問題也日益受到關注[6-11]。目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，施肥方式主要以人工表面撒施為主，該方法不僅增加了氮素流失風險，也降低了水稻種植作業(yè)效率。水稻機插同步側(cè)深施肥技術是在水稻種植時將肥料集中施于秧苗一側(cè)、深度3～5 cm土壤中的施肥方法，減少了肥料的揮發(fā)和流失，實現(xiàn)了插秧與施肥同步，從而減少作業(yè)次數(shù)與施肥量[12-14]。Liu等[15]研究表明，側(cè)深施肥減少了氮素損失，促進了水稻對氮素的吸收，提高了水稻的氮肥利用率和產(chǎn)量。劉曉偉等[16]的研究也表明，氮肥深施可以較大程度減少氮素的損失，使肥料氮存留在土壤中供水稻吸收利用。前人已有較多關于側(cè)深施肥的研究，但側(cè)深施緩釋肥是否可以改善氮肥減量施用對雜交水稻產(chǎn)量和稻田土壤肥力的影響尚鮮見報道?；诖?，本研究以2個優(yōu)質(zhì)雜交稻品種為材料，采用大田試驗方法，探究機械側(cè)施緩釋肥技術在機插雜交稻上的減氮效應，以期為雜交水稻的優(yōu)質(zhì)綠色高效生產(chǎn)，進而促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展和保障國家糧食安全提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗于2020年在成都市溫江區(qū)四川農(nóng)業(yè)大學水稻研究所試驗田(30°71′N、103°87′E)進行，水稻生長期3—10月份月平均氣溫20.5℃，降雨量1 144 mm。試驗田土壤質(zhì)地為砂壤土，0～20 cm土層有機質(zhì)含量為14.82 g·kg-1，全氮1.88 g·kg-1，堿解氮108.5 mg·kg-1，速效磷24.78 mg·kg-1，速效鉀113.84 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

采用兩因素裂區(qū)設計，主區(qū)為2個品種，兩系優(yōu)質(zhì)雜交稻晶兩優(yōu)534(C1)和三系優(yōu)質(zhì)雜交稻宜香優(yōu)2115(C2)；副區(qū)為5種肥料管理方式，即5個處理(詳見表1)，緩釋肥為煙臺龍燈肥料有限公司生產(chǎn)的摻混緩控釋肥，其中N、P2O5和K2O質(zhì)量分數(shù)分別為27%、11%和12%。各處理中磷(P2O5)和鉀(K2O)用量分別為75和150 kg·hm-2，P、K肥不足部分分別使用過磷酸鈣和氯化鉀代替，磷肥全部作基肥一次性施用，鉀肥分基肥與穗肥(倒三葉時期)2次施用，各占50%。選用缽體毯狀秧盤育秧，于3月19日播種育苗，4月21日機插秧，行、株距分別為30、15.5 cm。機插(YR60D，洋馬農(nóng)機中國有限公司)時，同步采用側(cè)深施肥器，將底肥施于稻株根側(cè)3 cm、深度5 cm處。田間各小區(qū)面積38 m2，3次重復，小區(qū)間筑埂(寬40 cm，高30 cm)并用塑料薄膜包裹，以防肥水互滲，其他田間管理措施按當?shù)卮竺娣e生產(chǎn)田進行。

表1 不同處理施氮量和施肥方法

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生育期及莖蘗動態(tài)的記錄 記載水稻生長發(fā)育時期。自栽插7 d后，每小區(qū)隨機選擇水稻20穴標記，每隔7 d統(tǒng)計分蘗數(shù)至齊穗期，記錄高峰苗、有效穗。

1.3.2 氮素吸收利用特征 于拔節(jié)期、齊穗期、成熟期，每小區(qū)取代表性植株3穴，莖鞘、葉片、穗分別單獨裝袋，于105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重，再將樣品粉碎過60目篩，用凱氏定氮儀(FOSS-8400，美國福斯公司)測定各器官的全氮含量，根據(jù)以下公式計算各指標：

氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率=成熟期單位面積植株干物質(zhì)量/地上部分氮積累量

(1)

氮素籽粒生產(chǎn)效率=水稻籽粒產(chǎn)量/成熟期氮素積累量

(2)

氮肥吸收利用率=(施氮區(qū)地上部吸氮量-空白區(qū)地上部含氮量)/氮肥施用量×100%

(3)

氮肥農(nóng)學利用率=(施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

(4)

氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)實際產(chǎn)量/施氮量

(5)。

1.3.3 土壤速效氮含量 于水稻拔節(jié)期、齊穗期和成熟期，按對角線取樣法在各小區(qū)選擇3個取樣點，取0～20 cm土樣，自然風干后用堿解擴散法測定速效氮含量。

1.3.4 考種與計產(chǎn) 成熟期每小區(qū)調(diào)查60穴的有效穗數(shù)，按平均穗數(shù)每小區(qū)取5穴，考查空癟粒數(shù)、實粒數(shù)、千粒重，計算結(jié)實率等性狀。各小區(qū)產(chǎn)量單收單曬，按實收穴數(shù)計產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin軟件作圖；采用DPS7.05軟件進行差異顯著性統(tǒng)計檢驗，各處理的比較采用最小顯著差數(shù)(least significant difference, LSD)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 側(cè)深減氮施肥對機插稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

由表2可知，機械側(cè)深施肥方式對機插稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素有顯著影響。側(cè)深施常規(guī)施氮量緩釋肥處理(R150)比人工撒施常規(guī)施氮量尿素處理(N150)顯著增產(chǎn)，晶兩優(yōu)534(C1)和宜香2115(C2)分別增產(chǎn)13.2%和12.9%，其增產(chǎn)的主要原因可能是顯著提高了有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)。2個品種減氮20%處理(R96N24)的產(chǎn)量均顯著高于N150，R120和N150的產(chǎn)量無顯著差異，R96N24增產(chǎn)的原因仍然是有效穗的提高和每穂粒數(shù)的增加。說明與人工撒施常規(guī)施氮量尿素(N150)相比，通過機械側(cè)深一次性施緩控釋肥(R120)，雖然減少了20%的氮肥施用量，但產(chǎn)量差異不顯著，而減氮20%的“基緩追速”處理(R96N24)的產(chǎn)量顯著高于人工撒施常規(guī)施氮量尿素處理(N150)，也高于相同施氮量的機械側(cè)深一次性施緩釋肥處理(R120)，達到了節(jié)本增效的目的。

表2 側(cè)深減氮施肥對機插稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

2.2 機械側(cè)深減氮施肥對機插稻分蘗及成穂率的影響

由圖1可知，不同肥料管理方式會影響機插稻的分蘗數(shù)，C1和C2的高峰苗均出現(xiàn)在返青后35 d左右。不同肥料管理方式下，群體分蘗數(shù)最終(返青后80 d)均表現(xiàn)為R150>R96N24>R120>N150>N0，表明側(cè)深施緩釋肥能提高水稻分蘗數(shù)。結(jié)合2.1中的結(jié)果，R150的分蘗成穗率顯著低于其他處理，但增加了有效穗數(shù)，R96N24的分蘗成穗率高于R120，最終有效穗數(shù)也高于R120，N150與R96N24的分蘗成穗率差異不顯著，但有效穗低于R96N24，表明減氮20%的“基緩追速”處理(R96N24)更能均衡整個生育期的氮素供應，提高成穗率，保證適宜的有效穗數(shù)。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.3 側(cè)深減氮施肥對機插稻氮素積累的影響

由表3可知，在水稻生育過程中2個品種的氮素累積量均以R150最高，成熟期莖、葉和穗氮素積累的兩品種均值分別達到50.86、40.41和121.98 kg·hm-2，且在不同生育階段R150均顯著高于N150。拔節(jié)期R96N24的氮素積累低于R120，但齊穗期和成熟期R96N24的氮素積累均高于R120，而R120與N150水稻莖葉穗的氮素累積量大致相當。說明與人工撒施尿素處理相比，通過根側(cè)深施專用緩釋肥，即使減少20%的氮肥施用量，也能夠保證稻株有較高的氮素積累量。

表3 側(cè)深減氮施肥對機插稻氮素積累的影響

2.4 側(cè)深減氮施肥對機插稻氮肥利用率的影響

側(cè)深施緩釋肥對水稻氮肥吸收利用率的影響如表4所示，2個品種水稻氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率和氮素稻谷生產(chǎn)效率均以不施肥處理(N0)最高，R150最低，減氮20%的R120和R96N24與常規(guī)施氮的N150水稻氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率差異不大。側(cè)深施緩釋肥總體顯著提高了水稻的氮肥農(nóng)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥吸收利用率，與N150相比，R150、R120、R96N24的氮肥農(nóng)學利用率分別平均提高了74.72%、35.13%、49.81%；氮肥偏生產(chǎn)力分別平均提高了13.23%、26.80%、29.40%。氮肥吸收利用率分別平均提高了26.42個百分點、1.46個百分點和17.42個百分點。表明與人工撒施常規(guī)尿素相比，采用側(cè)深施緩釋肥明顯提高氮肥吸收利用率。

表4 側(cè)深減氮施肥對機插稻氮素利用率的影響

2.5 側(cè)深減氮施肥對機插稻土壤速效氮含量的影響

側(cè)深施緩肥對稻田土壤速效氮含量的影響如圖2所示，2個品種在不同時期稻田土壤中的速效氮含量均以R150最高，在拔節(jié)期、齊穗期和成熟期，平均分別比N150顯著提高了7.25%、6.06%和3.95%；R120和R96N24的土壤速效氮含量在齊穗期和成熟期均與N150差異不顯著，但均顯著高于N0。說明與人工撒施處理相比，通過側(cè)深施基肥，在減氮20%的條件下也能夠保持稻田的土壤肥力不減。

圖2 側(cè)深減氮施肥對機插稻土壤速效氮含量的影響

2.6 土壤速效氮含量、氮素積累與氮素利用特征及產(chǎn)量的相關性

由表5可知，不同生育時期土壤速效氮含量與氮素積累總量、氮肥農(nóng)學利用率和產(chǎn)量均呈顯著或極顯著正相關，拔節(jié)期和齊穗期的土壤速效氮含量與氮肥吸收利用率呈顯著正相關。成熟期的氮素積累量與氮肥吸收利用率、氮肥農(nóng)學利用率、產(chǎn)量均呈顯著或極顯著正相關。

表5 土壤速效氮含量、氮素積累與氮素利用特征及產(chǎn)量的相關性

3 討論

將整個水稻生產(chǎn)季的肥料作為基肥一次性施用，同時利用緩釋肥、側(cè)深施肥技術是提高稻谷產(chǎn)量最有效且簡便的途徑[17-20]。前人研究表明，根區(qū)側(cè)深施肥能提高水稻生育前期的供氮能力，促進水稻分蘗早生快發(fā)，顯著提高水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，進而提高水稻產(chǎn)量[21-23]。本研究結(jié)果與之一致，等量施肥條件下，機械側(cè)深施緩釋肥處理(R150)的水稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)性狀優(yōu)于常規(guī)施肥處理(N150)，顯著提高了群體的有效穗數(shù)，更利于水稻增產(chǎn)。減氮20%的“基緩追速”處理(R96N24)與人工撒施尿素常規(guī)施氮量處理(N150)相比，由于側(cè)深施用緩釋肥將養(yǎng)分精確送達根區(qū)，整個生育期的養(yǎng)分釋放與植株對養(yǎng)分的吸收基本同步，明顯改善了水稻群體質(zhì)量，其有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)無顯著差異，在減氮20%條件下產(chǎn)量保持不減。本研究結(jié)果還表明，與一次性側(cè)深施基肥處理(R120)相比，由于R96N24后期追施穗肥，氮肥的分解釋放與機插稻需肥關鍵期相契合，有利于防止葉片的早衰[24]，提高了分蘗成穗率和后期光合性能，更利于提高水稻產(chǎn)量，并可以替換20%的緩釋肥，起到節(jié)本增效的作用。

不同施肥方式對水稻的氮素吸收有顯著影響[25-26]，在作物產(chǎn)量大幅度提高的同時，簡單、粗放的施肥方法也帶來肥料浪費、肥力下降、環(huán)境污染等一系列問題[27-28]。丁艷鋒等[29]研究表明，前期基蘗肥比例較大處理的氮肥利用率低于其他處理，隨著基蘗肥在總施氮量中所占比例的增大，機插稻拔節(jié)前氮素基蘗肥利用效率增加，但氮肥利用率下降。這與本研究結(jié)果總體一致，前期基肥占比80%處理(R96N24)的氮肥利用效率顯著高于前期基肥占比100%的處理(R120)。彭術等[30]指出，長期減施氮肥結(jié)合深施可維持土壤肥力穩(wěn)定，顯著提高氮肥偏生產(chǎn)力。前人研究也表明，側(cè)深施肥可降低氮的損失，增加水稻對氮素的吸收利用，顯著提高氮肥利用率[31-32]。本研究表明，減氮20%的“基緩追速”處理(R96N24)與常規(guī)施氮量撒施處理(N150)相比，水稻氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率差異不大，氮肥農(nóng)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力分別平均提高了49.81%和29.40%，氮肥吸收利用率平均提高17.42個百分點，這與前人研究結(jié)果基本一致。側(cè)深施緩釋肥保證了稻田土壤在關鍵時期的肥力水平，能夠保證其氮素累積量不減，滿足植株生長所需的養(yǎng)分供應需求，從而保障水稻產(chǎn)量。而與一次性側(cè)深施緩釋肥處理(R120)相比，減氮20%的“基緩追速”處理(R96N24)更有利于植株后期氮素的積累，灌漿結(jié)實期莖葉氮素轉(zhuǎn)移量增加，提高了氮肥農(nóng)學利用率和吸收利用率。綜上可知，通過機械側(cè)深施緩釋肥，直接將肥料埋入土壤，減少了氮素的損失風險，同時可使氮素供應與稻株吸氮保持同步，增加稻株氮素積累量，提高稻株氮素利用效率，穩(wěn)定水稻產(chǎn)量。

4 結(jié)論

本研究表明，與人工撒施尿素相比，通過緩釋肥側(cè)深施用，能夠顯著提高機插稻有效穗數(shù)、穗粒數(shù)，提高水稻產(chǎn)量?；徸匪偈┓?R96N24)在減少20%氮肥施用量的情況下，其水稻產(chǎn)量、氮素累積量、氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率、稻谷生產(chǎn)效率與人工撒施常規(guī)施氮基本相當，可在減少肥料施用量的同時，降低氮素損失，滿足水稻生長的養(yǎng)分需求，有利于實現(xiàn)水稻綠色高效生產(chǎn)。