極限密植對水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響

陳世勇裴文霞劉健健周成趙建榮陳鵬夏金林汪建飛

(1.安徽科技學(xué)院，安徽 鳳陽 233100；2.安徽盛農(nóng)農(nóng)業(yè)集團有限公司，安徽 馬鞍山 243100；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物有機肥創(chuàng)制重點實驗室，安徽 蚌埠 233400)

2021年我國水稻種植面積達2992萬hm2，約占糧食播種面積的1/4，稻谷總產(chǎn)量達到21284萬t，約占糧食總產(chǎn)量的1/3。水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對于保障我國糧食安全發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

眾所周知，水稻產(chǎn)量取決于單位面積有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重，三者被稱為水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素。傳統(tǒng)的水稻種植理論認為，要實現(xiàn)水稻高產(chǎn)必須早分蘗、多分蘗，以達到高產(chǎn)所需要的有效穗數(shù)，也就是說，促進分蘗發(fā)生是實現(xiàn)水稻高產(chǎn)的前提[1]。

分蘗是水稻作物固有的遺傳屬性，有效分蘗形成的籽粒是水稻產(chǎn)量的重要構(gòu)成。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常規(guī)水稻品種每棵主莖通常能形成2～3個有效分蘗。也就是說，常規(guī)栽培模式下，水稻產(chǎn)量至少有2/3是由分蘗穗貢獻的[2]。所以，有效穗數(shù)成為當(dāng)前水稻種植的主攻目標。而為了達成這個目標，重施基肥、分蘗肥則成為一種慣常做法[3]。問題是，水稻生產(chǎn)中所施肥料，利用率最低的就是基肥和蘗肥，平均不足30%，嚴重拉低了整個水稻生產(chǎn)中的氮肥利用率[4]。而氮肥利用率低、氮肥施用量過大必然會造成資源浪費、環(huán)境污染等嚴重問題[5]。徐新朋等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在相同氮水平下，水稻密植增加了單位穗數(shù)，提高了根系群體數(shù)量和秧苗生物質(zhì)量，從而提高氮素的積累總量，增加了氮肥吸收量，減少氮素損失，進而提高氮肥利用率和水稻產(chǎn)量。

受上述成果啟發(fā)，設(shè)計一套水稻“極限密植”栽培技術(shù)，要點是以水稻高產(chǎn)所需有效穗數(shù)作為本田栽插密度，免施分蘗肥，通過氮肥運籌，控制水稻分蘗的發(fā)生，利用主莖成穗形成水稻產(chǎn)量。通過2a在安徽省不同稻作區(qū)的田間小區(qū)試驗，研究極限密植栽培模式下，優(yōu)化施肥處理對于水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響，以期構(gòu)建一套新的種植方法，為豐富和發(fā)展水稻增產(chǎn)節(jié)肥技術(shù)提供新思路和試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

根據(jù)水稻栽插密度和施肥量不同，設(shè)4個處理，具體如表1所示。試驗小區(qū)面積50m2(10m×5m)，每個處理3次重復(fù)，采用隨機區(qū)組排列；整個小區(qū)四周設(shè)置寬2m的保護行，小區(qū)之間修筑40cm寬的田埂，田埂覆蓋塑料薄膜，以防肥水串流。試驗實施過程中，小區(qū)病蟲草害防治等日常田間管理與當(dāng)?shù)卮筇锼旧a(chǎn)保持一致。

表1 極限密植試驗水稻栽插密度與施肥量

按照表1方案，2015年在當(dāng)涂縣丹陽湖農(nóng)場進行水稻田間小區(qū)試驗。2016年在鳳陽縣方邱湖農(nóng)場開展試驗時，因水稻品種、目標產(chǎn)量和施肥習(xí)慣不同，對施肥量作了相應(yīng)調(diào)整，其中CMF1處理N、P2O5、K2O用量分別調(diào)整為18kg·667m-2、5kg·667m-2、7kg·667m-2，JMF1處理調(diào)整為6kg·667m-2、3kg·667m-2、5kg·667m-2。

1.2 供試土壤基本理化性質(zhì)

2個試驗點土壤理化性質(zhì)見表2。

表2 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.3 試驗過程

1.3.1 當(dāng)涂縣丹陽湖農(nóng)場

供試水稻品種為“鎮(zhèn)稻16號”，由農(nóng)場統(tǒng)一育秧。2015年6月19日，按試驗方案要求犁地、耙地、整平，修筑好田間小區(qū)；6月21日，人工插秧；11月5日，小區(qū)實收計產(chǎn)。各試驗小區(qū)按表3方案施肥。

1.3.2 鳳陽縣方邱湖農(nóng)場

供試水稻品種為“皖墾糯1號”，由農(nóng)場統(tǒng)一育秧。2016年6月28日，修建田間小區(qū)；7月2日，人工插秧；10月20日，小區(qū)實收計產(chǎn)。各試驗小區(qū)按表4方案施肥。

表3 丹陽湖農(nóng)場各處理肥料運籌方案

表4 方邱湖農(nóng)場各處理肥料運籌方案

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

氮肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1)=施氮區(qū)產(chǎn)量/氮肥施用量

氮肥農(nóng)學(xué)效率(kg·kg-1)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量)/氮肥施用量

采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對試驗數(shù)據(jù)進行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 極限密植對水稻產(chǎn)量的影響

待試驗小區(qū)水稻成熟，各小區(qū)單獨收割，分別計產(chǎn)，換算成每667m2產(chǎn)量，可求出各處理平均產(chǎn)量和相對產(chǎn)量，見表5。由表5可知，無論是丹陽湖農(nóng)場，還是方邱湖農(nóng)場，JMF1處理(極限密度×優(yōu)化施肥)試驗小區(qū)的產(chǎn)量都要顯著地高于其他3個處理；與常規(guī)密度下的施肥處理(CMF1)相比，丹陽湖農(nóng)場、方邱湖農(nóng)場JMF1處理分別增產(chǎn)76.3%和27.5%。值得注意的是，在試驗條件下，采取極限密植模式，不施肥的處理(JMF0)小區(qū)平均產(chǎn)量與常規(guī)密度下的施肥處理(CMF1)相比，產(chǎn)量基本持平。

結(jié)合試驗方案中小區(qū)施肥量可以發(fā)現(xiàn)，丹陽湖農(nóng)場少施N 5kg·667m-2，少施P2O51kg·667m-2，少施K2O 1kg·667m-2，多插秧17.79萬株·667m-2，結(jié)果產(chǎn)量高出343.7kg·667m-2；方邱湖農(nóng)場少施N 12kg·667m-2，少施P2O52kg·667m-2，少施K2O 2kg·667m-2，多插秧17.79萬株·667m-2，結(jié)果產(chǎn)量高出155.6kg·667m-2。

表5 不同施肥處理的水稻產(chǎn)量

2.2 極限密植對水稻氮肥利用率的影響

由表6可知，水稻極限密植栽培模式下，施肥處理(JMF1)氮肥利用率要顯著高于常規(guī)密度栽培模式下的施肥處理(CMF1)。丹陽湖農(nóng)場和方邱湖農(nóng)場試驗小區(qū)JMF1處理氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)分別是CMF1處理的2.7倍和3.8倍；相應(yīng)的氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE)數(shù)值分別為3.4倍和2.2倍。

由表6還可知，2個試驗點之間，無論用PFP還是用NAE表征，氮肥利用率差距均較小。而在極限密植模式下的優(yōu)化施肥，2個試驗點之間的氮肥利用率則有較大差異。

表6 不同施肥處理的氮肥利用率

3 討論

眾多研究表明[7-9]，栽插密度對水稻群體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，適宜的栽插密度能有效利用光能，充分吸收利用土壤養(yǎng)分，保證個體的正常發(fā)育和群體的協(xié)調(diào)發(fā)展，使單位面積上穗數(shù)、粒數(shù)和粒重指標協(xié)調(diào)優(yōu)化，從而獲得高產(chǎn)。但是，當(dāng)前所有的水稻增密研究都局限于“分蘗促控”實現(xiàn)高產(chǎn)的傳統(tǒng)技術(shù)路線。

與傳統(tǒng)技術(shù)路線有所不同，本試驗采取的極限密植栽培模式，是以高產(chǎn)的單位面積有效穗數(shù)作為栽插密度，控制分蘗，利用主莖成穗。如，目前水稻高產(chǎn)的單位面積有效穗數(shù)約為390～420萬穗·hm-2，栽插時就此指標確定秧苗栽培密度。分蘗期追肥和烤田都不需要，從而簡化了田間管理程序。本試驗結(jié)果表明，極限密植模式下在減少化肥用量時，可以顯著提高水稻產(chǎn)量；即使不施肥的處理，產(chǎn)量也基本與常規(guī)密度栽培的施肥處理持平。究其原因，可能是相對于傳統(tǒng)水稻種植模式，“極限密植”群體競爭僅發(fā)生在稻株間對水肥和光照的競爭，不存在稻株內(nèi)不同穗部間同化產(chǎn)物分配的競爭，只要種植密度不嚴重影響穗分化、發(fā)育和生長，則穗粒數(shù)、粒重相對穩(wěn)定，高產(chǎn)的穩(wěn)定性提高[10,11]。極限密植幾乎沒有分蘗，也就沒有無效分蘗，同化產(chǎn)物可最大限度向穗部轉(zhuǎn)移，則冗余生長量較低，收獲指數(shù)提高[12]。

如上所述，傳統(tǒng)的水稻高產(chǎn)技術(shù)必須要促分蘗，而水稻秧苗分蘗的發(fā)生，在很大程度上取決于土壤氮素的供應(yīng)狀況。當(dāng)?shù)久绾吭?.5%以下，分蘗停止生長；含氮量超過3.0%～3.5%，分蘗才能迅速進行。但是，秧苗要達到這個含氮量并不容易。因為這個時期，稻株本身較為弱小，養(yǎng)分需求量不多，同時，根系不發(fā)達，養(yǎng)分吸收和運輸能力不足。要在一定時間段保持3%的含氮量，僅僅通過根系從完全自然狀態(tài)下的土壤中吸收是達不到的，生產(chǎn)上只能采取人工促進的方法，就是大量施用基肥和分蘗肥。結(jié)果必然會造成氮肥利用率下降，氮肥損失增加[13]。

為了促分蘗需要施用大量的基肥、分蘗肥，卻因為秧苗處于生育早期根系吸收能力不足而造成大量養(yǎng)分不能吸收，加大了資源浪費、環(huán)境污染的風(fēng)險。苗期氮肥的過量、低效施用已成為傳統(tǒng)水稻高產(chǎn)栽培模式中實現(xiàn)肥料減量、提高肥料利用率不可逾越的技術(shù)屏障[14]。據(jù)報道，目前我國稻田單季氮肥(純N)用量平均為180kg·hm-2，比世界平均水平高出75%[15]。而氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE，單位施氮量增加的產(chǎn)量)不足12kg·kg-1，不到發(fā)達國家的1/2[16]。本試驗研究表明，舍去促分蘗這一環(huán)節(jié)，優(yōu)化施肥方案，丹陽湖農(nóng)場和方邱湖農(nóng)場的NAE值分別為35.7kg·kg-1和29.9kg·kg-1，PFPN值分別達到81.1kg·kg-1和120.1kg·kg-1；相比常規(guī)栽培模式的習(xí)慣施肥處理，氮肥利用率顯著提高。隨后3a的大田校驗試驗證明，水稻極限密植氮肥用量比傳統(tǒng)模式可減少氮肥用量50%以上，同時水稻產(chǎn)量有所提高(未發(fā)表資料)。不難看出，水稻極限密植栽培模式正是通過舍去分蘗肥、減少基肥用量，顯著地提高了水稻整個生育期的氮肥利用率?？梢?，在本試驗技術(shù)條件下，化肥減量后水稻產(chǎn)量依然能實現(xiàn)穩(wěn)步增產(chǎn)，這也正是水稻極限密植技術(shù)創(chuàng)新的一個標志。

4 結(jié)論

本試驗采用的水稻極限密植技術(shù)可以顯著提高水稻產(chǎn)量。在試驗小區(qū)條件下，不施肥的極限密植處理水稻產(chǎn)量基本與施肥的常規(guī)密植栽培處理產(chǎn)量持平，而極限密植優(yōu)化施肥處理常規(guī)密度施肥處理相比，試驗小區(qū)增產(chǎn)幅度達27.5%～76.3%。

水稻極限密植技術(shù)可以大幅降低化肥用量，顯著提高氮肥利用率。試驗條件下，采用極限密植技術(shù)，稻田節(jié)省氮肥(純N)5～12kg·667m-2，磷肥(P2O5)1～2kg·667m-2，鉀肥(K2O)1～2kg·667m-2；試驗小區(qū)氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)可達81.2～120.1kg·kg-1，相應(yīng)的氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE)為35.7～29.9kg·kg-1，均為常規(guī)模式的2倍以上。

水稻極限密植技術(shù)相對簡單，易于掌握，符合糧食作物生產(chǎn)輕簡化的發(fā)展方向。但由于該項技術(shù)還處于試驗階段，許多涉及技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)因素，如水稻品種、最佳密度、肥料類型與施肥方法等尚需進一步深入研究和探索。