減氮增密提高寒地水稻產(chǎn)量與氮素吸收利用

尹彩俠，劉志全，孔麗麗，李前，張磊，侯云鵬*，郝彩環(huán)

（1.吉林省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，長春 130033；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所，長春 130033）

水稻是我國主要的糧食作物，其種植面積約為3 007.6 萬hm2，占糧食種植面積的25.8%[1]，水稻作為60%人口的口糧，對國家的生存和發(fā)展具有重要作用。隨著我國人口數(shù)量持續(xù)增加和耕地資源日益緊張，水稻產(chǎn)量必須逐年提高才能滿足我國對稻米的需求，并且面對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中日趨嚴峻的環(huán)境問題，更需要提高養(yǎng)分資源利用效率，減少化肥對環(huán)境的影響。

適宜增加移栽密度、加強養(yǎng)分管理是實現(xiàn)水稻高產(chǎn)及養(yǎng)分資源高效利用的關(guān)鍵[2-3]，大量研究表明，移栽密度對水稻的分蘗、群體光合能力和產(chǎn)量均有顯著影響[4-6]，科學的群體密度可以提高光合利用效率，發(fā)揮群體的增產(chǎn)潛力[7]；移栽密度過大，會增加群體內(nèi)部個體的競爭，導致個體產(chǎn)量下降，從而增加病蟲害和倒伏風險，造成不增產(chǎn)，甚至減產(chǎn)的后果[8-9]。氮是影響水稻生長發(fā)育的主要營養(yǎng)元素，參與碳氮代謝、蛋白質(zhì)合成，更是植物激素、氨基酸和葉綠體的重要組成成分[10-11]，施用氮肥可以促進水稻根系生長[12]，增加冠層面積，提高光合作用[11]，從而增加水稻有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和籽粒質(zhì)量，提高水稻產(chǎn)量[12]。但若氮素供應過量，不僅不會提高水稻產(chǎn)量[13]，而且會造成氮素資源浪費，并產(chǎn)生環(huán)境風險[14-15]。

吉林省是我國糧食主產(chǎn)省，水稻作為該區(qū)域第二大糧食作物，產(chǎn)量較高，稻米品質(zhì)優(yōu)良，水稻產(chǎn)業(yè)在保障省域農(nóng)業(yè)發(fā)展及農(nóng)民增收中發(fā)揮了重要作用[16]。但是吉林省在水稻栽培中存在著施肥過量和養(yǎng)分不平衡等問題，特別是氮肥用量遠高于當前產(chǎn)量水平對氮素的需求量（213～270 kg·hm-2，平均235 kg·hm-2）。在水稻移栽時，農(nóng)戶普遍試圖通過增施氮肥來增強水稻的分蘗能力，而忽略了通過提高移栽密度調(diào)控水稻分蘗的措施，致使移栽密度過低，當?shù)剞r(nóng)戶的移栽密度在1.60×105～2.00×105穴·hm-2，平均密度僅為1.80×105穴·hm-2。因此，研究水稻合理的施氮量與適宜的移栽密度，對提高水稻產(chǎn)量與氮肥利用效率具有重要意義。前人研究中雖然已較多關(guān)注移栽密度與氮肥用量對水稻產(chǎn)量、光合特性、根系生長和養(yǎng)分吸收的影響，但這些研究多在南方稻區(qū)開展，而針對東北寒地減施氮肥結(jié)合密度變化對水稻產(chǎn)量和氮素吸收利用的研究相對較少。因此，本研究探討在吉林省當?shù)貍鹘y(tǒng)栽培模式下，減施氮肥20%的同時增加水稻移栽密度對水稻產(chǎn)量、干物質(zhì)積累與分配特征、氮素吸收利用的影響，為寒地水稻合理密植與減氮增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2019—2020 年在吉林省前郭縣白依拉嘎鄉(xiāng)紅光農(nóng)場村（123°08′32″E，44°38′16″N）開展田間試驗，該區(qū)域位于吉林省中西部，年均日照時數(shù)為2 879 h，年積溫約為3 100 ℃，無霜期130～140 d，2019—2020年水稻生育期氣象數(shù)據(jù)（平均溫度、降雨量）通過試驗點氣象站自動獲?。▓D1）。試驗區(qū)為水稻連作區(qū)，土壤類型為草甸土，2019 年和2020 年0～20 cm 土壤的基礎養(yǎng)分狀況：水解性氮135.2 mg·kg-1和143.6 mg·kg-1，有效磷29.4 mg·kg-1和30.1 mg·kg-1，速效鉀113.5 mg·kg-1和115.7 mg·kg-1，有機質(zhì)29.1 g·kg-1和29.4 g·kg-1，pH為7.2和7.1。

圖1 水稻生育期平均氣溫及降雨量Figure 1 Average temperature and rainfall during rice growth period

1.2 試驗設計

試驗設4 個處理：①不施氮肥，移栽密度為1.80×105穴·hm-2（N0）；②當?shù)貍鹘y(tǒng)施氮，氮肥用量235 kg·hm-2，移栽密度為1.80×105穴·hm-2（FP）；③氮肥較當?shù)貍鹘y(tǒng)施氮減量20%，氮肥用量188 kg·hm-2，移栽密度為2.40×105穴·hm-2（SNHD1）；④氮肥較當?shù)貍鹘y(tǒng)施氮減量20%，氮肥用量188 kg·hm-2，移栽密度為3.00×105穴·hm-2（SNHD2）。各處理的磷肥和鉀肥用量相同，分別為90 kg·hm-2和110 kg·hm-2。試驗小區(qū)所用的氮肥為尿素（N 46%），磷肥為重過磷酸鈣（P2O546%），鉀肥為硫酸鉀（K2O 50%）。氮肥分4 次施入（基肥∶返青∶分蘗∶抽穗=30%∶10%∶45%∶15%）；磷肥作為基肥一次性施入；鉀肥分2 次施入（基肥∶穗肥=70%∶30%）。其中基肥施用方法為在水稻移栽前將肥料施于地面，通過旋耕機作業(yè)將肥料翻埋于地下10～15 cm；追肥采用拋撒方式施用。供試水稻品種為吉粳302，水稻移栽日期分別為2019 年5 月16 日和2020年5月18日，收獲日期分別為9月27日和9月30日。小區(qū)面積40 m2，重復3 次，隨機排列。各小區(qū)間用45 cm 高的塑料擋板隔斷，塑料擋板埋地深度15 cm，防止各小區(qū)間竄水竄肥。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水稻干物質(zhì)積累與植株全氮測定

水稻在返青、分蘗、齊穗、灌漿和成熟5 個時期分別采集植株樣品，每個試驗小區(qū)采集有代表性的水稻3穴（返青期20穴），于105 ℃烘干箱中殺青30 min，再用80 ℃烘干至質(zhì)量恒定，測定干物質(zhì)量，再將烘干后的樣品粉碎，用H2SO4-H2O2消化，凱氏定氮法測定植株全氮含量。具體計算公式[3，17]如下：

1.3.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

成熟期在每個試驗小區(qū)內(nèi)收獲5 m2水稻進行測產(chǎn)，按14.5%的含水量計算水稻產(chǎn)量。每個試驗小區(qū)選取10 穴水稻用于調(diào)查有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、實粒數(shù)與千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016 整理匯總，年份與處理的主效應及兩因素間交互作用應用SPSS 19.0 軟件一般線性模型（GLM）多因素方差分析檢驗，處理間差異采用Duncan 多重比較法檢驗，顯著性水平α=0.05。用Sigma Plot 14.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理水稻產(chǎn)量與構(gòu)成因素

表1 結(jié)果表明，不同處理對水稻產(chǎn)量、有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實率影響達顯著水平，年份對水稻產(chǎn)量和每穗粒數(shù)影響顯著，但有效穗數(shù)、千粒重和結(jié)實率未達到顯著水平，年份和處理間的交互作用未達顯著水平。施氮處理的水稻產(chǎn)量較不施氮處理均有顯著提高。SNHD1 和SNHD2 處理水稻產(chǎn)量均高于FP 處理，兩年平均增幅分別為7.8%和3.6%，造成產(chǎn)量差異的主要原因是SNHD1 和SNHD2處理有效穗數(shù)均高于FP 處理，兩年平均增幅分別為5.6%和10.6%，其中SNHD2 處理的增幅達顯著水平，雖然SNHD2 有效穗數(shù)較SNHD1 平均提高4.7%，但是其穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重均低于SNHD1 處理，降幅分別為5.0%、3.2%和9.7%，使其產(chǎn)量低于SNHD1 處理。

表1 不同處理水稻產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 1 Rice yield and its components under different treatments

2.2 不同處理水稻干物質(zhì)積累特征

2.2.1 水稻干物質(zhì)積累動態(tài)

各處理水稻的地上部干物質(zhì)積累量隨著生育進程的延續(xù)呈增加趨勢（圖2）。與N0 處理相比，施氮各處理在不同生育時期的干物質(zhì)積累量增幅均達顯著水平。在不同施氮處理中，SNHD1 和SNHD2 處理在返青期、分蘗期、齊穗期、灌漿期和成熟期的兩年平均干物質(zhì)量較FP 處理分別提高4.5%、21.6%、8.3%、10.8%、13.1%和3.6%、11.2%、4.3%、6.1%、6.1%。其中SNHD1 處理水稻各生育時期干物質(zhì)積累量與FP處理差異達顯著水平。

圖2 不同處理水稻各生育時期地上部干物質(zhì)積累量動態(tài)變化Figure 2 Dynamic change of shoot dry matter accumulation amount at each growth stage of rice under different treatments

2.2.2 水稻齊穗前后干物質(zhì)分配比例

圖3 為各處理水稻齊穗前和齊穗后的干物質(zhì)量占整個植株干物質(zhì)總量的比例。相較于N0 處理，施氮各處理水稻齊穗后的干物質(zhì)分配比例均有所提高；在不同施氮處理中，SNHD1 處理水稻齊穗后的干物質(zhì)分配比例較FP 處理兩年平均提高6.1%，達顯著水平，SNHD2 處理水稻齊穗后的干物質(zhì)分配比例較FP處理兩年平均提高2.5%。

圖3 不同處理水稻齊穗前后干物質(zhì)分配比例Figure 3 Distribution proportion of dry matter before and after full heading of rice under different treatments

2.3 不同處理水稻氮素積累特征

2.3.1 水稻各生育期氮素積累動態(tài)

不同處理水稻各生育期氮素積累動態(tài)與干物質(zhì)積累動態(tài)趨勢相一致（圖4），除返青期外，SNHD1 和SNHD2處理的水稻氮素積累量在整個生育期均顯著高于FP處理，水稻在分蘗期、齊穗期、灌漿期和成熟期，SNHD1處理兩年平均氮素積累量較FP處理增加9.1%、15.7%、12.5%和12.4%，SNHD2處理兩年平均氮素積累量較FP處理增加6.3%、6.1%、9.9%和7.4%。

圖4 不同處理水稻各生育時期地上部氮積累量動態(tài)變化Figure 4 Dynamic changes of aboveground nitrogen accumulation amount of rice under different treatments at each growth stage

2.3.2 水稻齊穗前后氮素分配比例

不同處理水稻齊穗前和齊穗后的氮素積累占整個植株氮素積累結(jié)果（圖5）表明，與N0 處理相比，施氮各處理水稻齊穗后的氮素分配比例均顯著提高；在不同施氮處理中，SNHD1 和SNHD2 處理水稻齊穗后氮素分配比例均高于FP 處理，兩年平均提高15.2%和6.7%，其中SNHD1 處理齊穗后氮素分配比例與FP處理差異達顯著水平。

圖5 不同處理水稻齊穗前后氮素積累分配比例Figure 5 Distribution proportion of nitrogen accumulation before and after full heading of rice under different treatments

2.4 水稻產(chǎn)量與齊穗前后的干物質(zhì)積累量和氮素積累量的相關(guān)性

水稻齊穗前、齊穗后的地上部干物質(zhì)量和氮素積累量與產(chǎn)量的回歸分析（圖6）表明，水稻齊穗前、齊穗后的干物質(zhì)積累量和氮素積累量與產(chǎn)量間均呈顯著的正相關(guān)，但水稻齊穗后干物質(zhì)積累和氮素積累量線性方程的相關(guān)系數(shù)（R2=0.665 7、R2=0.773 5，P＜0.01）高于齊穗前（R2=0.480 3、R2=0.738 1，P＜0.01），說明水稻齊穗后的干物質(zhì)積累量和氮素積累量與水稻產(chǎn)量密切相關(guān)。

圖6 水稻產(chǎn)量與水稻齊穗前后干物質(zhì)量和氮積累量的相關(guān)性Figure 6 Correlation of rice yield with dry matter mass and nitrogen accumulation before and after full heading

2.5 不同處理水稻氮肥利用效率

表2 結(jié)果表明，不同處理對水稻氮素吸收率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學利用率和氮肥吸收利用率影響顯著，而不同年份間僅氮肥偏生產(chǎn)力差異顯著，且年份與處理間的交互作用均未達顯著水平。與FP處理相比，SNHD1和SNHD2處理的水稻氮素吸收率、氮肥農(nóng)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥吸收利用率均顯著提高，其中兩年平均氮素吸收率分別提高0.3 kg·kg-1和0.3 kg·kg-1，氮肥農(nóng)學利用率分別提高6.2 kg·kg-1和4.0 kg·kg-1，氮肥偏生產(chǎn)力分別提高14.4 kg·kg-1和12.2 kg·kg-1，氮肥吸收利用率分別提高16.4個百分點和12.1個百分點。

表2 不同處理肥料利用效率Table 2 Fertilizer utilization efficiency of different treatments

2.6 不同處理水稻氮素表觀收支平衡

表3 結(jié)果表明，不同處理和年份對作物氮素吸收量、表觀平衡和盈余率均影響顯著，且年際與處理間的交互作用均達顯著水平。在不同施肥模式下，由于FP處理氮投入量遠高于水稻氮素吸收量，導致兩年平均氮素盈余率高達44.1%；而SNHD1 和SNHD2 處理兩年平均氮素盈余率分別為2.6%和7.3%，且SNHD1 處理的氮投入量與作物氮素吸收相近，氮素盈余率最低。由此可見，SNHD1 處理的氮肥投入量和移栽密度較為適宜，可以大幅降低氮素盈余。

表3 不同處理氮素表觀平衡Table 3 N apparent balance under different treatments

3 討論

3.1 減氮增密對水稻產(chǎn)量與構(gòu)成因素的影響

單位面積有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率及千粒重是產(chǎn)量構(gòu)成的主要因素[18]，有研究[19-21]表明，有效穗數(shù)是影響水稻產(chǎn)量的主要因素，孫長占等[22]的研究指出，提高水稻的有效穗數(shù)和穗粒數(shù)是實現(xiàn)水稻高產(chǎn)的關(guān)鍵。本研究結(jié)果表明，與FP 處理相比，SNHD1 處理將氮肥用量減少20%，同時將水稻移栽密度提高至2.40×105穴·hm-2，水稻產(chǎn)量顯著提高，其原因在于FP處理的水稻移栽密度過低，導致群體生長不足，影響水稻成穗率，同時氮素的過量供應導致水稻生長過旺[14]，無效分蘗增多[23]，并且水稻后期貪青晚熟，導致水稻有效穗數(shù)、結(jié)實率降低，影響水稻產(chǎn)量。而SNHD1 處理由于移栽密度和氮肥用量較為適宜，個體與群體協(xié)調(diào)發(fā)展，在增加有效穗數(shù)的同時，穩(wěn)定了結(jié)實率，提高了千粒重，從而使水稻產(chǎn)量得到了顯著提高；SNHD2 處理將移栽密度提高至3.00×105穴·hm-2，使水稻群體生長量過大，遮蔽嚴重。雖然成穗數(shù)較多，但由于個體生長受抑制[24]，群體質(zhì)量下降，易產(chǎn)生較多的小分蘗，穗型較小，導致穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重均有所下降，使水稻產(chǎn)量提高不明顯?？梢?，在水稻生產(chǎn)中，需要通過合理移栽密度與適宜施氮量的協(xié)同調(diào)控，增加有效分蘗數(shù)，避免過多的無效分蘗爭水爭肥，形成壯個體和高質(zhì)量的水稻群體，獲得合理的葉面積指數(shù)，提高光合物質(zhì)生產(chǎn)效率，增加干物質(zhì)量，促進水稻高產(chǎn)。

3.2 減氮增密對水稻物質(zhì)生產(chǎn)與氮素積累的影響

干物質(zhì)與養(yǎng)分積累作為水稻產(chǎn)量形成的基礎[25-26]，受移栽密度與氮肥用量影響顯著。水稻產(chǎn)量形成的過程就是物質(zhì)生產(chǎn)與再分配的過程。有研究[9，27]指出，水稻籽粒產(chǎn)量的90%來自花后光合物質(zhì)的積累，水稻產(chǎn)量隨著水稻中后期干物質(zhì)和氮素凈積累量的增加而提高[27-28]。然而拔節(jié)至齊穗階段是水稻營養(yǎng)生長的重要時期，該階段氮素與物質(zhì)積累直接影響穗分化質(zhì)量[29]。因此，提高水稻生育后期的干物質(zhì)與氮素積累比例，對水稻產(chǎn)量的提高至關(guān)重要。本研究中，F(xiàn)P 處理移栽密度過低（1.80×105穴·hm-2），使群體物質(zhì)和氮素積累量相對較少，同時氮肥供應過量，導致水稻生育前期氮素代謝過旺，生育后期葉片早衰及光合能力下降，不利于水稻生育后期的氮素積累與物質(zhì)生產(chǎn)[30]。而SNHD1 處理提高了移栽密度，使群體物質(zhì)與氮素積累維持了較高水平，同時氮肥用量較為適宜，在水稻營養(yǎng)生長階段構(gòu)建了高效的群體結(jié)構(gòu)，從而提高水稻齊穗后植株光合能力，提高水稻生育后期養(yǎng)分吸收比例[3]。而SNHD2 處理由于移栽密度過大，引起水稻群體養(yǎng)分競爭加劇，影響葉片的光合生產(chǎn)能力[28]，導致干物質(zhì)與氮素積累下降。

3.3 減氮增密對水稻氮素利用效率的影響

養(yǎng)分利用率是衡量栽培措施合理性最直接的指標[31]，因此提高氮肥利用率是實現(xiàn)水稻高產(chǎn)高效的主要途徑之一。劉紅江等[32]的研究指出，氮素利用率與施氮量呈負相關(guān)，而與移栽密度呈正相關(guān)。本研究中，氮素利用效率在各年際間變異性不大，而且趨勢一致，SNHD1和SNHD2處理肥料利用率均高于FP 處理，這說明移栽密度過低和過量施氮是造成當?shù)貍鹘y(tǒng)施肥模式氮肥利用效率低下的主要原因。SNHD1 和SNHD2 兩處理相比，SNHD1 氮素利用效率的各項指標均高于SNHD2 處理，說明適宜的群體結(jié)構(gòu)通過增加養(yǎng)分積累和籽粒產(chǎn)量促進了肥料利用效率的提高。因此，水稻在生產(chǎn)過程中應適當控制移栽密度，科學施用氮肥，以促進水稻對氮素的吸收利用，從而增加水稻產(chǎn)量，提高氮肥利用效率，實現(xiàn)水稻高產(chǎn)高效和環(huán)境友好的目標。

4 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)栽培模式相比，減氮增密提高了水稻各生育時期群體干物質(zhì)積累量與氮素積累量，水稻齊穗后的干物質(zhì)和氮素積累比例也有顯著提高。

（2）本研究的減氮增密措施將氮肥用量從傳統(tǒng)栽培模式的235 kg·hm-2降至188 kg·hm-2（減氮20%），將移栽密度從1.80×105穴·hm-2提高至2.40×105穴·hm-2，可大幅增加水稻有效穗數(shù)，顯著提高水稻產(chǎn)量，且在降低氮素盈余的基礎上，提高氮肥利用效率。