施氮量對四川省同緯度不同海拔地區(qū)超級雜交稻產(chǎn)量及氮肥利用率的影響

蔣鵬 羅曉蓮 夜明登 肖洪 李金榮 周興兵 張林 朱永川 郭曉藝劉茂 郭長春 熊洪 徐富賢*

（1 四川省農(nóng)業(yè)科學院水稻高粱研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南水稻生物學與遺傳育種重點實驗室，四川 德陽 618000；2 漢源縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川 漢源 625300；3 四川省作物生理生態(tài)及栽培重點實驗室，四川 德陽 618000；*通信作者：xu6501@163.com）

水稻是我國重要的糧食作物，全國超過60%人口以稻米為主食，確保水稻持續(xù)增產(chǎn)對保障我國糧食安全具有重要意義。在我國人地矛盾日益突出、農(nóng)業(yè)資源緊缺的嚴峻形勢下，持續(xù)提高作物單產(chǎn)是保障我國糧食安全的重要途徑。為此，我國于1996 年啟動實施了“中國超級稻育種計劃”[1]。截至目前，已有129 個水稻新品種被認定為超級稻[2]，超級稻百畝示范的產(chǎn)量已達到16.0 t/hm2[3]。超級稻產(chǎn)量潛力的發(fā)揮受種植區(qū)域海拔等環(huán)境因子影響[4]。已有研究表明，高海拔有利于超級稻源庫優(yōu)勢的形成，進而促進超級稻產(chǎn)量潛力的發(fā)揮[5-6]。ZHANG 等[7]和HUANG 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，與低海拔（海拔高度100 m 以下）地區(qū)相比，中高海拔（海拔高度700~800 m）地區(qū)超級雜交稻產(chǎn)量達13.0 t/hm2，增產(chǎn)20%以上。LI 等[9]和KATSURA 等[10]研究表明，云南濤源（海拔高度1 170 m）超級稻產(chǎn)量達16.0 t/hm2以上，較低海拔（海拔高度低于100 m 以下）地區(qū)增產(chǎn)50.0%以上。最近作者的研究結(jié)果也顯示，與高產(chǎn)水稻相比，超級雜交稻的增產(chǎn)優(yōu)勢隨著海拔高度的上升呈增加趨勢[5]。但上述研究所在生態(tài)區(qū)的緯度差異很大，緯度不同也可能是造成超級稻產(chǎn)量差異的主要因素之一。朱大偉等[11]研究發(fā)現(xiàn)，隨著種植區(qū)域緯度的升高，水稻產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后下降的趨勢。相同品種在不同緯度地區(qū)種植產(chǎn)量差異的主要原因是有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)的改變，高緯度地區(qū)水稻有效穗數(shù)顯著多于低緯度，但其每穗粒數(shù)少于低緯度地區(qū)[12-13]?？梢?，不同緯度和海拔高度下超級稻產(chǎn)量差異并未消除緯度差異帶來的干擾，即超級稻產(chǎn)量差異的原因可能與種植區(qū)域海拔、緯度，又或海拔與緯度的互作有關(guān)。

氮素是限制水稻生長和產(chǎn)量潛力發(fā)揮的關(guān)鍵養(yǎng)分之一，受“高投入等于高產(chǎn)出”等觀念驅(qū)使，農(nóng)民不合理和盲目過量施肥現(xiàn)象在各水稻產(chǎn)區(qū)相當普遍[14-15]。據(jù)統(tǒng)計，我國氮肥用量約占全球氮肥總用量的29.0%[16]。過量施用氮肥，一方面造成氮素以氨揮發(fā)、地表徑流、滲漏等方式損失[17-18]，帶來一系列環(huán)境問題（土壤酸化、水體污染和溫室氣體排放等[19-21]）；另一方面還會導致稻田氮肥利用率顯著降低（當前中國稻田氮肥利用率僅有30.0%~35.0%[22]），遠低于世界平均水平（46.0%）[23-24]。已有研究表明，水稻的表觀氮損失量、氮損失比例隨施氮量增加呈線性增加趨勢，氮素損失量占氮素總輸入量的14.0%~52.0%，稻田氨揮發(fā)總量也隨施氮量的增加而增加[25]。因此，如何在確保超級稻高產(chǎn)生產(chǎn)前提下，減少氮肥施用量的同時大幅度提高氮肥利用率是當前及今后很長時期內(nèi)水稻栽培學研究的熱點和焦點。在確保水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的前提下，合理的減少氮肥施用量及科學的氮肥運籌是大幅度提高水稻氮肥利用率重要途徑。PENG 等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在南方不同生態(tài)稻區(qū)減少30.0%的施氮量，水稻產(chǎn)量不但沒有下降，氮肥農(nóng)學利用率還成倍提高。實際生產(chǎn)中，超級稻對氮肥的響應(yīng)隨種植區(qū)域海拔的變化而改變[26-27]。為此，本研究在四川省選擇緯度相同海拔差異較大的3 個水稻生態(tài)區(qū)，研究同緯度不同海拔條件下施氮量對超級雜交稻產(chǎn)量形成和氮肥利用率的影響，消除緯度差異對不同海拔地區(qū)超級雜交稻產(chǎn)量和氮肥利用率差異的影響，為不同海拔地區(qū)超級雜交稻氮肥科學施用、產(chǎn)量與氮肥利用率協(xié)同提高提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以超級雜交稻瀘優(yōu)727、高產(chǎn)雜交稻內(nèi)6 優(yōu)107 為試驗材料，種子均由四川省農(nóng)業(yè)科學院水稻高粱研究所提供。

1.2 試驗設(shè)計

于2022 年在高海拔的漢源縣（北緯29.5°，東經(jīng)102.6°，海拔1 000 m）、中海拔的沐川縣（北緯29.5°，東經(jīng)104.1°，海拔700 m）、低海拔的瀘縣（北緯29.5°，東經(jīng)105.4°，海拔300 m）進行大田試驗。設(shè)5 個施氮量：分別為225、180、150、105、0 kg/hm2，分別記作N1、N2、N3、N4、N0，各處理氮肥均按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3 的比例施用。磷肥（P2O5）、鉀肥（K2O）施用量分別為75.0 kg/hm2和157.5 kg/hm2，磷肥全部作基肥施用，鉀肥按基肥、穗肥各占50% 2 次施用。試驗采用裂區(qū)設(shè)計，施氮量為主區(qū)，品種為副區(qū)，副區(qū)面積為30 m2，3 次重復。移栽規(guī)格為26.4 cm×20.0 cm。其他措施按當?shù)馗弋a(chǎn)栽培要求實施。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 地上部干物質(zhì)量

于齊穗期、成熟期每小區(qū)取6 叢生長均勻的植株，用水沖洗干凈后，剪去根系。齊穗期植株樣品分成莖葉和穗，成熟期植株人工計數(shù)穗數(shù)后，手工脫粒，將樣品分成稻草、實粒和秕粒，置于70 ℃烘箱，烘至恒質(zhì)量后稱重；并計成熟期總干物質(zhì)量和收獲指數(shù)：成熟期總干物質(zhì)量=稻草干物質(zhì)量+實粒干物質(zhì)量+秕粒干物質(zhì)量，收獲指數(shù)=實粒干物質(zhì)量÷成熟期總干物質(zhì)量×100%。

1.3.2 產(chǎn)量構(gòu)成

于成熟期各小區(qū)調(diào)查20 叢植株穗數(shù)，用于計算有效穗數(shù)，同時結(jié)合成熟期干物質(zhì)植株取樣考察每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重。

1.3.3 產(chǎn)量

于成熟期，每個小區(qū)收割中心5.0 m2進行測產(chǎn)，并換算成13.5%標準含水量的產(chǎn)量。

1.3.4 氮素利用率

氮肥農(nóng)學利用率（kg/kg）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量）/施氮量；

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003 整理數(shù)據(jù)，Statistix 8.0 進行方差分析，LSD0.05進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 對超級雜交稻產(chǎn)量的影響

由表1 可知，地點、施氮量、品種基因型及地點與施氮量互作對超級雜交稻產(chǎn)量影響顯著。與瀘縣點和沐川點相比，漢源點超級雜交稻產(chǎn)量分別增加62.1%和84.1%。超級雜交稻產(chǎn)量對施氮量的響應(yīng)隨海拔變化而變化。與N0處理相比，施氮處理（N1、N2、N3、N4）超級雜交稻產(chǎn)量增加25.2%~32.0%（漢源點）、47.5%~74.0%（瀘縣點）和22.7%~25.7%（沐川點），說明施氮可顯著提高超級雜交稻產(chǎn)量。漢源點和沐川點4 個施氮處理間超級雜交稻產(chǎn)量差異不顯著，而瀘縣點差異顯著。漢源點、沐川點N2、N3、N4超級雜交稻產(chǎn)量與N1相當，或更高；瀘縣點N2處理超級雜交稻產(chǎn)量與N1相當，N3、N4超級雜交稻產(chǎn)量較N1分別顯著降低6.7%和18.0%。說明在漢源點、沐川點減施20.0%~33.3%氮肥超級雜交稻產(chǎn)量不會顯著下降，瀘縣點氮肥減施量超過33.3%造成超級雜交稻產(chǎn)量顯著下降。與內(nèi)6 優(yōu)107相比，超級雜交稻瀘優(yōu)727 產(chǎn)量高2.8%（漢源點）、11.6%（瀘縣點）和7.4%（沐川點）。

表1 同緯度不同海拔條件下施氮量對超級雜交稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響

2.2 對超級雜交稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表2 可知，地點、施氮量和品種基因型對超級雜交稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重有顯著影響。與瀘縣點相比，漢源點超級雜交稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)分別增加41.7%和19.3%，結(jié)實率和千粒重分別降低7.5%和6.6%。漢源點超級雜交稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率較沐川點分別增加45.0%、28.5%和3.6%。隨施氮量的增加，漢源點和瀘縣點超級雜交稻有效穗數(shù)呈先增加后下降趨勢，以N2處理最高；沐川點超級雜交稻有效穗數(shù)呈增加趨勢。超級雜交稻每穗粒數(shù)和結(jié)實率對施氮量的響應(yīng)隨海拔變化而變化，其中漢源點施氮量對超級雜交稻每穗粒數(shù)和結(jié)實率影響不顯著，瀘縣點超級雜交稻每穗粒數(shù)和結(jié)實率以N0處理最低，沐川點超級雜交稻每穗粒數(shù)和結(jié)實率則是以N0處理最高。除漢源點外，施氮量對超級雜交稻千粒重影響較小。不同基因型超級雜交稻品種間有效穗數(shù)差異不顯著。與內(nèi)6 優(yōu)107 相比，瀘優(yōu)727 每穗粒數(shù)增加5.1%~18.2%，結(jié)實率增加4.3%~5.0%（漢源點除外），千粒重下降4.6%~9.4%。

表2 同緯度不同海拔條件下施氮量對超級雜交稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2.3 對超級雜交稻氮肥利用率的影響

由表1 還可以看出，地點和施氮量對超級雜交稻氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力影響顯著。與沐川點相比，漢源點和瀘縣點超級雜交稻氮肥農(nóng)學利用率分別增加107.2%和123.4%，氮肥偏生產(chǎn)力分別增加84.4%和16.0%。隨著施氮量的增加，超級雜交稻氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力呈顯著下降趨勢。與N1相比，N2、N3、N4超級雜交稻氮肥農(nóng)學利用率分別增加6.8%、63.0%、98.8%（漢源點），21.6%、27.9%、37.3%（瀘縣點）和27.1%、70.0%、138.6%（沐川點），氮肥偏生產(chǎn)力分別增加20.9%、52.3%、110.8%（漢源點），23.6%、40.5%、81.6%（瀘縣點）和25.5%、53.6%、118.8%（沐川點）。除沐川點外，漢源點和瀘縣點超級雜交稻間氮肥農(nóng)學利用率差異不顯著。與內(nèi)6 優(yōu)107 相比，超級雜交稻瀘優(yōu)727 氮肥偏生產(chǎn)力增加2.4%（漢源點）、11.1%（瀘縣點）和7.7%（沐川點）。

2.4 對超級雜交稻產(chǎn)量干物質(zhì)的影響

由表3 可知，不同地點間超級雜交稻齊穗前干物質(zhì)量、齊穗后干物質(zhì)量、總干物質(zhì)量和收獲指數(shù)差異較大。與瀘縣點和沐川點相比，漢源點超級雜交稻齊穗前干物質(zhì)量、齊穗后干物質(zhì)量、總干物質(zhì)量和收獲指數(shù)分別增加55.9%~61.0%、3.5%~21.6%、38.0%~48.7%和5.1%~23.0%。超級雜交稻齊穗前干物質(zhì)量、齊穗后干物質(zhì)量、總干物質(zhì)量和收獲指數(shù)對施氮量的響應(yīng)隨海拔變化而變化。減施20%氮肥（N2）超級雜交稻齊穗前和總干物質(zhì)量與N1處理相當，或更高。與N1處理相比，N3處理超級雜交稻齊穗前和總干物質(zhì)量平均分別降低4.0%和1.4%，齊穗后干物質(zhì)量和收獲指數(shù)平均分別增加4.6%和1.4%；而N4處理超級雜交稻齊穗前、齊穗后和總干物質(zhì)量平均分別降低7.6%、5.5%和7.0%，收獲指數(shù)平均增加1.4%。除漢源點齊穗前干物質(zhì)量外，不同基因型超級雜交稻間齊穗前干物質(zhì)量、齊穗后干物質(zhì)量、總干物質(zhì)量和收獲指數(shù)差異不顯著。

表3 同緯度不同海拔條件下施氮量對超級雜交稻干物質(zhì)生產(chǎn)的影響

3 討論

超級雜交稻產(chǎn)量不僅受品種基因型影響，還受種植地海拔等環(huán)境因子的影響。一般而言，高海拔有利于超級雜交稻源和庫形成，進而促使超級雜交稻的增產(chǎn)優(yōu)勢隨海拔上升呈增加趨勢。與低海拔地區(qū)相比，中高海拔地區(qū)超級雜交稻產(chǎn)量可達13.0 t/hm2，增產(chǎn)20.0%以上[7-8]，高海拔地區(qū)云南濤源超級稻產(chǎn)量達16.0 t/hm2，較低海拔地區(qū)增產(chǎn)50.0%以上[9-10]。中海拔、高海拔高產(chǎn)或超高產(chǎn)水稻具有以下主要特點：庫容量大（有效穗數(shù)與每穗粒數(shù)協(xié)調(diào)，即穗足粒多）、結(jié)實率高、總生物量大、花后干物質(zhì)積累量多、收獲指數(shù)相對較高[7-10]。JIANG 等[5]分析了不同產(chǎn)量水平下超級雜交稻產(chǎn)量特點后，發(fā)現(xiàn)超級雜交稻由低中產(chǎn)到高產(chǎn)擴“庫”和增“源”是主要增產(chǎn)途徑，高產(chǎn)到超高產(chǎn)“源”足、“庫”大、“流”暢是關(guān)鍵。本研究結(jié)果表明，不同海拔地區(qū)間超級雜交稻產(chǎn)量差異較大。與瀘縣點（低海拔）和沐川點（中海拔）相比，漢源點（高海拔）超級雜交稻產(chǎn)量平均達15.2 t/hm2，分別增加62.1%、84.1%。由此可見，本試驗條件下不同生態(tài)地區(qū)超級雜交稻產(chǎn)量差異主要與其海拔高度差異有關(guān)。從產(chǎn)量構(gòu)成來看，漢源點超級雜交稻有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)顯著高于瀘縣點和沐川點，結(jié)實率和千粒重則低于瀘縣點和沐川點（除沐川點結(jié)實率外）。從干物質(zhì)生產(chǎn)來看，漢源點超級雜交稻齊穗前干物質(zhì)量、齊穗后干物質(zhì)量、總干物質(zhì)量和收獲指數(shù)均高于瀘縣點和沐川點。此外，沐川點（中海拔）超級雜交稻產(chǎn)量較瀘縣點（低海拔）平均下降12.0%，有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重、齊穗前干物質(zhì)量、齊穗后干物質(zhì)量、總干物質(zhì)量和收獲指數(shù)減少是其減產(chǎn)的主要原因。說明較小的總庫容量和較低的生物量和收獲指數(shù)是限制低、中海拔地區(qū)超級雜交稻高產(chǎn)的主要原因，即“庫”小、“源”不足是低、中海拔地區(qū)超級雜交稻減產(chǎn)的關(guān)鍵所在。在制定栽培技術(shù)方案時，應(yīng)充分考慮可能獲得目標產(chǎn)量的源庫結(jié)構(gòu)，因地因種高產(chǎn)栽培是關(guān)鍵。

氮肥是水稻生長發(fā)育所需的重要營養(yǎng)元素之一，科學施用氮肥既可提高超級雜交稻產(chǎn)量，降低肥料成本，還可減少因過量施肥引起的農(nóng)業(yè)面源污染。關(guān)于施氮量與超級雜交稻產(chǎn)量的關(guān)系前人進行了大量研究。劉宇等[28]研究發(fā)現(xiàn)，超級雜交稻Y 兩優(yōu)900 在中產(chǎn)區(qū)的適宜施氮量為180 kg/hm2。龍瑞平等[29]研究發(fā)現(xiàn)，高海拔地區(qū)機插粳稻的適宜施氮量為240 kg/hm2，過高或過低的施氮量均不利于機插粳稻產(chǎn)量的提高。曾研華等[30]和張穎睿[31]研究認為，采用秸稈或翻壓紫云英還田，減少30.0%~60.0%化學肥料養(yǎng)分投入不會造成水稻產(chǎn)量下降。蔣鵬等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)施氮量的基礎(chǔ)上減少46.0%氮肥施用量并不會造成中產(chǎn)水平稻區(qū)雜交稻產(chǎn)量顯著下降，而高產(chǎn)稻區(qū)雜交稻產(chǎn)量則顯著下降。因此，氮肥施用策略需根據(jù)稻區(qū)產(chǎn)量水平進行調(diào)整。本研究結(jié)果表明，超級雜交稻產(chǎn)量對施氮量的響應(yīng)隨海拔變化而變化。漢源點和沐川點4 個施氮處理間超級雜交稻產(chǎn)量差異不顯著；瀘縣點N2處理超級雜交稻產(chǎn)量與N1處理相當，N3和N4處理超級雜交稻產(chǎn)量較N1處理分別降低6.7%和18.0%，差異達顯著水平，說明在漢源點、沐川點減施20.0%~33.3%氮肥超級雜交稻產(chǎn)量不會顯著下降，而瀘縣點氮肥減施量超過33.3%則造成產(chǎn)量顯著下降。

在保證超級雜交稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的前提下，適宜減少氮肥施用量并使氮素供應(yīng)與超級雜交稻對氮素的需求相匹配是提高氮肥利用效率和減少氮肥損失的重要栽培管理措施。黃巧義等[32]研究發(fā)現(xiàn)，氮肥減施20.0%~40.0%可維持雜交稻產(chǎn)量處于較高水平，氮肥農(nóng)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥生理利用率較常規(guī)施氮顯著提高。另外，通過優(yōu)化氮肥管理可減少14.0%~28.0%的氮肥施用量，雜交稻產(chǎn)量增加4.0%~8.0%，氮肥農(nóng)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥吸收利用率大幅度提高[33]。本研究條件下，超級雜交稻氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力隨著氮肥減施量的增加呈顯著增加的趨勢。與N1處理相比，N2、N3和N4處理超級雜交稻氮肥農(nóng)學利用率分別增加6.8%~98.8%（漢源點）、21.6%~37.3%（瀘縣點）和27.1%~138.6%（沐川點），氮肥偏生產(chǎn)力分別增加20.9%~110.8%（漢源點）、23.6%~81.6%（瀘縣點）和25.5%~118.8%（沐川點），說明減少氮肥施用量可大幅度提高同緯度不同海拔地區(qū)超級雜交稻氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力。

4 結(jié)論

本試驗條件下，高海拔（漢源點）地區(qū)超級雜交稻產(chǎn)量較低海拔（瀘縣點）和中海拔（沐川點）分別增加62.1%和84.1%，其增產(chǎn)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、齊穗前干物質(zhì)量、齊穗后干物質(zhì)量、總干物質(zhì)量和收獲指數(shù)增加上。超級雜交稻產(chǎn)量對施氮量的響應(yīng)隨海拔變化而變化。高海拔和中海拔地區(qū)4 個施氮處理間超級雜交稻產(chǎn)量差異不顯著；低海拔地區(qū)N2處理超級雜交稻產(chǎn)量與N1處理相當，N3、N4處理超級雜交稻產(chǎn)量較N1處理分別顯著降低6.7%和18.0%。超級雜交稻氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力隨著氮肥減施量的增加呈顯著增加的趨勢。綜合考慮超級雜交稻產(chǎn)量和氮肥利用率，高海拔和中海拔地區(qū)超級雜交稻氮肥適宜減施量為20.0%~33.3%，低海拔地區(qū)氮肥適宜減施量為20.0%。