不同栽培措施對(duì)水稻基肥氮素利用率及產(chǎn)量的影響

摘要 為評(píng)估不同栽培措施對(duì)水稻基肥氮素利用率和產(chǎn)量的影響，本研究以水稻品種瑋兩優(yōu)8612為試驗(yàn)材料，利用15N標(biāo)記示蹤技術(shù)分析不同栽培措施下水稻產(chǎn)量、植株氮素的吸收和轉(zhuǎn)化率以及土壤酶活性。結(jié)果表明，改良灌溉管理和優(yōu)化施肥策略有利于增加水稻植株氮素的積累與吸收，增加產(chǎn)量，其中輕干濕交替灌溉配合有機(jī)肥的綜合管理措施（ZGC-3）效果較佳；此外，綜合管理措施有利于提高土壤酶活性，增強(qiáng)土壤生物化學(xué)活性。研究證實(shí)了綜合栽培管理措施可有效提升水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率，以及減少對(duì)環(huán)境影響。

關(guān)鍵詞 栽培；水稻；氮素利用；15N示蹤；土壤酶活性

中圖分類號(hào) S511" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" " 文章編號(hào) 1007-7731（2024）15-0009-05

DOI號(hào) 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.15.003

Effects of different cultivation measures on nitrogen utilization efficiency of"basal fertilizer and rice yield

YANG Zhouhua

（Agricultural and Rural Comprehensive Service Center of Dashi Township， Taihu Lake County， Anqing 246400， China）

Abstract To evaluate the effects of different cultivation measures on the nitrogen utilization efficiency of basal fertilizer and rice yield base fertilizer， the rice variety Weiliangyou 8612 was used as the experimental material， and the rice yield， plant nitrogen absorption and conversion rate， and soil enzyme activity under different cultivation measures were analyzed using 15N labeling and tracing technology. The results showed that improving irrigation management and optimizing fertilization strategies were beneficial for increasing nitrogen accumulation and absorption in rice plants， and increasing yield. Among them， the comprehensive management measure of light dry wet alternation irrigation combined with organic fertilizer（ZGC-3）had the better effect. In addition， comprehensive management measures are beneficial for improving soil enzyme activity and enhancing soil biochemical activity. The study confirmed the effectiveness of comprehensive cultivation management strategies in improving rice yield and nitrogen fertilizer utilization efficiency， as well as reducing environmental impact.

Keywords cultivation; rice; nitrogen utilization; 15N tracer; soil enzyme activities

氮肥的有效利用對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。氮素利用率直接關(guān)系到水稻作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，且對(duì)環(huán)境存在潛在影響。實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮肥利用率偏低不僅造成資源浪費(fèi)，還在一定程度上引發(fā)了環(huán)境問題，如溫室氣體排放和水體富營養(yǎng)化等[1-2]。當(dāng)前，相關(guān)學(xué)者聚焦于通過各種栽培措施提高氮素利用率的研究，謝昊等[3]研究表明，通過增密減氮、前氮后移和增施餅肥等栽培措施處理，可以提高植株的氮肥吸收利用效率，且具有改善土壤質(zhì)量的作用；丁周宇等[4]研究了栽培措施對(duì)水稻氮素吸收利用的影響，采用秸稈還田+深耕+緩釋肥方式提高了氮肥利用率；李敏等[5]研究表明，控水增密簡單栽培能明顯提高水稻中后期氮素積累量，促進(jìn)氮素由營養(yǎng)器官向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)。為研究植株氮素吸收和轉(zhuǎn)化效率，相關(guān)學(xué)者提出利用同位素15N標(biāo)記技術(shù)追蹤氮素在土壤—植物系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化和利用情況，已經(jīng)取得較好的成果[6]，程晉偉等[7]利用15N示蹤技術(shù)研究了香蒲對(duì)金魚藻腐殖質(zhì)氮的吸收；韋劍鋒等[8]應(yīng)用15N示蹤技術(shù)研究了耕作方式對(duì)甘蔗氮肥吸收利用的影響。

合理的栽培管理措施有助于促進(jìn)植株氮素利用效率，不同栽培管理措施在不同土壤和氣候條件下的應(yīng)用效果不同，需進(jìn)行進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。本試驗(yàn)通過15N示蹤技術(shù)，研究了不同栽培管理措施對(duì)水稻氮素利用率和產(chǎn)量影響，目的是探索在當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)氮肥高效利用的栽培措施，為推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻品種為瑋兩優(yōu)8612，是研究區(qū)廣泛栽植的一種優(yōu)良水稻品種。

1.2 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)地位于安徽安慶太湖縣大石鄉(xiāng)，試驗(yàn)田塊經(jīng)過前期準(zhǔn)備，包括土壤深翻、平整和基肥施用，以確保試驗(yàn)開始時(shí)土壤條件統(tǒng)一。試驗(yàn)田土壤類型為馬肝土，土壤肥力水平中等，有機(jī)質(zhì)含量2.5%，全氮含量0.14%。土壤pH 6.3，適宜水稻生長。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2021—2022年連續(xù)兩年采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置5種不同的栽培處理方式，每處理重復(fù)3次，小區(qū)面積50 m2，5種不同的栽培處理方式如下。

0N：氮空白區(qū)，不施氮肥。栽插密度13.3 cm × 30 cm，水分管理為常規(guī)灌溉。

CGZ：常規(guī)栽培（對(duì)照組）。在0N基礎(chǔ)上增施氮肥，氮肥總量300 kg/hm2，施肥比例基肥∶分蘗肥∶促花肥∶?；ǚ蕿?∶2∶2∶1（W∶W∶W∶W），栽插密度13.3 cm × 30 cm，水分管理為常規(guī)灌溉。

ZGC-1：綜合管理措施一。在CGZ基礎(chǔ)上減少10%氮肥，總氮肥量270 kg/hm2，施肥比例基肥∶分蘗肥∶促花肥∶?；ǚ蕿?∶2∶2∶2（W∶W∶W∶W），栽插密度10.7 cm × 30 cm，水分管理為常規(guī)灌溉。

ZGC-2：綜合管理措施二。在ZGC-1基礎(chǔ)上，全生育期實(shí)施輕干濕交替灌溉，以提高水分和氮素利用效率，施氮總量、施肥比例和栽插密度均與ZGC-1一致。

ZGC-3：綜合管理措施三。在ZGC-2基礎(chǔ)上，基肥增施菜籽肥餅（5%N）2 250 kg/hm2，施氮總量、施肥比例、栽插密度和水分管理均與ZGC-2一致。

微區(qū)設(shè)置：每個(gè)處理設(shè)置一個(gè)15N示蹤試驗(yàn)微區(qū)，小區(qū)面積1 m2，鋁合金框隔離肥水。微區(qū)中基肥使用的氮肥來源為15N富集的封堵混合氮肥，確保可以準(zhǔn)確追蹤和分析氮素在土壤—植物系統(tǒng)中的流動(dòng)和利用。各微區(qū)內(nèi)部裝配土壤水分張力計(jì)，用于監(jiān)測和記錄土壤水分動(dòng)態(tài)，這對(duì)于實(shí)施和評(píng)估不同水分管理策略至關(guān)重要。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤水分狀態(tài)，可以精確控制灌溉，以模擬各種水分管理?xiàng)l件下的作物生長環(huán)境。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

1.4.1 考種與計(jì)產(chǎn)" 每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3組10穴樣本，收獲的水稻經(jīng)割茬、稱重后，在通風(fēng)條件下晾干或烘干至恒重，以確定干物質(zhì)重量。調(diào)查記錄各處理穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率等產(chǎn)量構(gòu)成因素，隨后進(jìn)行脫粒和清選，排除未成熟粒，僅計(jì)算成熟稻谷的干重，通過測量清選后的稻谷干重折算單位面積稻谷產(chǎn)量。

1.4.2 氮肥吸收量和積累量的測定、計(jì)算" 氮肥吸收量和積累量的測定基于15N示蹤技術(shù)，采用以下步驟。（1）樣品采集與處理。在水稻生育的不同階段（分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期）采集代表性植物樣本和土壤樣本。樣本干燥、研磨和篩選后備用。（2）15N豐度測定。使用元素分析-同位素比值質(zhì)譜儀（EA-IRMS）測定樣品中的15N豐度。通過計(jì)算14N和15N的比率，確定樣品中的15N豐度。（3）氮肥吸收量計(jì)算。通過測定收獲時(shí)植株各部分（根、莖、葉和穗）中的15N含量，計(jì)算出氮肥的吸收量，計(jì)算公式：吸收量（mg/kg）=樣本中15N含量/樣本干重，總吸收量（mg）=吸收量×樣品總重。（4）氮肥積累量計(jì)算。根據(jù)不同階段測得的15N含量，計(jì)算氮肥在植株中的積累量，積累量為各生育階段的吸收量（mg/kg），總積累量為各生育階段吸收量的總和（mg）。

1.4.3 基肥氮素吸收利用效率" 本研究采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法來確定水稻對(duì)氮肥的吸收和利用效率。分別測定水稻基肥氮吸收量和氮總吸收量，計(jì)算基肥氮素被植株吸收的比例以及基肥氮吸收量占氮總吸收量的比例。

1.4.4 土壤酶活性" 土壤脲酶活性測定采用靛藍(lán)比色法，操作參考黃娟等[9]的方法。此方法是將脲作為底物加入土壤樣品中，然后測量一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氨量，從而確定脲酶的活性。土壤過氧化氫酶（Catalase，CAT）活性測定依據(jù)Johnson等[10]的方法，添加過氧化氫作為底物，通過監(jiān)測特定時(shí)間內(nèi)過氧化氫的分解率來評(píng)估CAT活性。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel軟件和SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

不同栽培管理措施對(duì)水稻的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素有一定影響。2021年0N、CGZ、ZGC-1、ZGC-2和ZGC-3處理的水稻產(chǎn)量分別為5.88、9.63、10.33、10.99和11.75 t/hm2，2022年分別為5.96、9.98、10.33、10.76和11.25 t/hm2。無氮肥處理（0N）的產(chǎn)量最低，顯示出氮肥在水稻生產(chǎn)中的重要性。相較于低氮肥平衡施用（CGZ），綜合栽培管理措施（ZGC-1～ZGC-3）均具有提升產(chǎn)量的效果，其中以ZGC-3處理的產(chǎn)量最高，反映多種栽培技術(shù)的綜合應(yīng)用有助于提升產(chǎn)量。

穗數(shù)和總穎花數(shù)的增加對(duì)提高產(chǎn)量具有直接效應(yīng)，其中ZGC-3與CGZ相比，2021年穗數(shù)從261.4萬/hm2增加至311.0萬/hm2，增幅19.0%，2022年穗數(shù)從259.7萬/hm2增加至311.9萬/hm2，增幅20.1%。結(jié)實(shí)率、千粒重在各處理間的差異不大，沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化，這可能表明在上述處理?xiàng)l件下，結(jié)實(shí)率與千粒重對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)潛力已經(jīng)被充分利用。

綜合改良灌溉管理和優(yōu)化施肥策略的栽培措施可提高水稻的產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，其中，ZGC-3處理在多個(gè)產(chǎn)量構(gòu)成因素上表現(xiàn)較好。

2.2 對(duì)氮積累量和吸收量的影響

由圖1可知，氮素的積累和吸收量在不同栽培措施下存在差異。在常規(guī)栽培（CGZ）條件下，氮素積累和吸收量相對(duì)較低，可能由于常規(guī)栽培方法未能充分發(fā)揮氮素的利用效率，導(dǎo)致氮肥部分流失。而改良灌溉管理的處理（ZGC-2、ZGC-3）顯示出較好的氮素積累量，表明適宜的水分管理可以提高土壤中氮素的溶解度，促進(jìn)氮素被作物吸收利用。

在水稻生長發(fā)育過程中，氮素吸收呈現(xiàn)出生長初期吸收量較低，隨后逐漸增加的趨勢。與常規(guī)栽培（CGZ）相比，實(shí)施輕干濕交替灌溉處理（ZGC-2、ZGC-3）的水稻的氮素積累量在分蘗末期后差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Plt;0.05）。這可能是因?yàn)檩p干濕交替灌溉增強(qiáng)了植物根系活性，從而提高了氮素的吸收效率。

綜合栽培管理方法通過優(yōu)化氮素供應(yīng)，有效增加了水稻對(duì)氮素的吸收和積累，促進(jìn)了植株生長，提高了產(chǎn)量，同時(shí)氮肥減量施用有利于改善環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供了可行性策略。

2.3 不同處理下15N標(biāo)記的基肥吸收利用效率分析

本研究使用15N標(biāo)記尿素基肥來追蹤和分析基肥氮素在水稻體內(nèi)的分布及其去向，揭示了不同栽培措施對(duì)基肥氮素利用效率的影響。由圖2可知，與常規(guī)栽培（CGZ）相比，綜合管理措施三（ZGC-3）提高了作物對(duì)基肥氮素的吸收量，差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Plt;0.05）。綜合管理措施有利于降低土壤中氮素的殘留。

2021年CGZ、ZGC-1～ZGC-3處理下植株的基肥氮吸收量分別為30.04、30.41、33.49和34.88 kg/hm2，占基肥氮的比例分別為20.02%、28.16%、31.01%和32.29%；2022年CGZ、ZGC-1～ZGC-3處理下植株吸收的基肥氮分別為25.89、25.88、27.96和29.72 kg/hm2，占基肥氮的比例分別為17.26%、23.96%、25.89%和27.92%。

由圖2可知，ZGC-1、ZGC-2和ZGC-3處理中的植株基肥氮吸收量占植株總氮吸收量的比例低于CGZ處理。即輕干濕交替灌溉和增施有機(jī)肥的措施不僅促進(jìn)了根系對(duì)氮素的吸收，且通過改善土壤質(zhì)量和提高土壤氮素庫容，增加了植株對(duì)基肥氮的利用效率。

2.4 不同栽培措施處理的土壤酶活性差異分析

不同栽培措施下土壤中催化過氧化氫分解的催化酶（CAT）和促進(jìn)氮循環(huán)的脲酶活性的變化如圖3所示。兩年中各處理的CAT活性均以分蘗期較高，成熟期較低，表明CAT活性可能在水稻的早期生長階段更為活躍。ZGC-2和ZGC-3處理在分蘗期和抽穗期展現(xiàn)出了較高的CAT活性，特別是ZGC-3處理，這可能與增施有機(jī)肥有關(guān)，有機(jī)肥的添加可能增強(qiáng)了土壤中的微生物活動(dòng)，從而提升了CAT活性。脲酶活性趨勢與CAT相似，在分蘗期達(dá)到峰值，且ZGC-2和ZGC-3處理的脲酶活性均高于其他處理，這表明改良的灌溉管理和有機(jī)肥的施用可能增強(qiáng)了土壤中的氮轉(zhuǎn)化過程。

總的來說，改良的栽培措施，尤其是結(jié)合輕干濕交替灌溉和增施有機(jī)肥的綜合管理方法，能夠提升土壤中CAT和脲酶活性。這不僅指示土壤生物化學(xué)活性的提升，也反映了土壤肥力和氮素循環(huán)能力的增強(qiáng)。

3 結(jié)論與討論

氮素利用效率的提高主要源于優(yōu)化的施肥策略和改良的灌溉管理，其中準(zhǔn)確的施肥實(shí)踐確保了氮素供應(yīng)與作物需求相協(xié)調(diào)，從而減少了氮素?fù)p失；改良的灌溉管理通過維持適宜的土壤水分條件，有利于氮素在土壤中溶解和被作物吸收，實(shí)現(xiàn)了水氮同步管理，從而促進(jìn)了氮素的有效轉(zhuǎn)移和利用。此外，產(chǎn)量的增加歸因于綜合栽培管理，其通過水分和養(yǎng)分管理的協(xié)同作用改善了植物的生長環(huán)境，其中優(yōu)化水分和養(yǎng)分管理，增強(qiáng)了光合效率和植物生長速度，進(jìn)而提高了產(chǎn)量。土壤酶活性的提升反映了綜合栽培管理下土壤生物活性和養(yǎng)分循環(huán)能力的增強(qiáng)，這可能源于土壤有機(jī)質(zhì)含量的提升和微生物棲息地的改善，為土壤微生物活動(dòng)提供了更多的能量和養(yǎng)分，激活了土壤中部分酶活性。從經(jīng)濟(jì)和生態(tài)角度來看，改進(jìn)栽培措施通過提高氮素利用效率和產(chǎn)量，不僅提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，而且減少了氮肥的過量使用和損失，有助于減少水體和大氣污染，減輕環(huán)境壓力，推動(dòng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

本試驗(yàn)通過15N示蹤技術(shù)，研究了不同栽培管理措施對(duì)研究區(qū)水稻氮素利用率和產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，不同栽培措施通過水分和養(yǎng)分管理影響水稻的氮素利用率和產(chǎn)量，優(yōu)化栽培措施能夠改善土壤質(zhì)量和調(diào)控根系活力，有效減少氮損失，提升水稻對(duì)氮的吸收和利用，從而提高氮肥利用率，增加產(chǎn)量。ZGC-1處理通過增密減氮、前氮后移，ZGC-2處理通過輕干濕交替灌溉，ZGC-3處理通過增施有機(jī)肥，均有效提升了水稻產(chǎn)量和氮肥利用率。科學(xué)栽培管理在提升作物生產(chǎn)效率和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著重要作用，未來研究應(yīng)進(jìn)一步探索這些栽培措施在不同環(huán)境和作物系統(tǒng)中的應(yīng)用效果及其改進(jìn)方向。

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（責(zé)任編輯：李 媛）