曲 航，宮 亮，李 波，金丹丹，高 云，張文忠，孫文濤*

（1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，遼寧 沈陽 110161；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，遼寧 沈陽 110866；3.瓦房店市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，遼寧 瓦房店 116300）

遼河三角洲位于遼河平原的南端，擁有靠遼河水灌溉的連片生態(tài)稻田，水稻常年種植面積約18萬hm2，該地區(qū)因光熱資源充足、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施完備，是著名的盤錦大米主產(chǎn)區(qū)，也是東北重要的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)粳稻生產(chǎn)基地；然而在生產(chǎn)實(shí)踐中，該地區(qū)水稻種植長期依賴過量氮肥投入，純氮用量高達(dá)300 kg/hm2。過量施氮不僅沒有增加產(chǎn)量，反而降低了氮肥回收利用率，使其常年徘徊在26.6%～33.0%，致使氮素盈余過多［1］。這些盈余的氮素大部分通過氣態(tài)排放進(jìn)入大氣，或隨水以淋洗和徑流的方式進(jìn)入水體，直接威脅生態(tài)環(huán)境安全［2］。

研究表明，確定適宜的氮肥用量是從源頭控制氮素?fù)p失、提高氮素利用率的關(guān)鍵，通過合理布局作物種植密度可以促進(jìn)作物生長從而獲得高產(chǎn)。有研究基于肥料效應(yīng)函數(shù)和土壤-作物系統(tǒng)氮素平衡等模型，推導(dǎo)出遼河三角洲地區(qū)水稻種植的氮肥推薦用量為225～245 kg/hm2［1，3］。然而，不同田塊間土壤肥力差異較大，這就導(dǎo)致所推薦的氮肥用量在田塊尺度上的實(shí)際應(yīng)用效果仍有待深入研究［4］，并且氮肥類型和群體密度同樣是影響作物氮素高效利用的重要因素。控失尿素等新型氮肥可以減緩尿素在土壤中的轉(zhuǎn)化過程，減少氨揮發(fā)和反硝化損失，促進(jìn)作物氮素吸收和產(chǎn)量形成［5］，同時(shí)，適當(dāng)密植能夠發(fā)揮群體優(yōu)勢，增加作物群體光能利用率，提高氮肥利用率、實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)［6］。然而，目前尚不確定遼河三角洲稻區(qū)適宜采用的氮肥類型和種植密度，關(guān)于兩者之間的交互作用也缺少相關(guān)試驗(yàn)研究。因此，本研究依托具有11年歷史的長期定位監(jiān)測點(diǎn)，在當(dāng)?shù)赝扑]的施氮量基礎(chǔ)上，設(shè)置了不同氮肥類型、種植密度處理，旨在研究控失尿素、密植及其交互作用對水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響，本研究結(jié)果可為優(yōu)化稻田生態(tài)系統(tǒng)，改善稻田生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年5～10月在遼河三角洲中心地帶的盤錦市盤山縣壩墻子鎮(zhèn)姜家村（122°14′29″E，41°9′23″N）進(jìn)行，供試土壤為鹽漬型水稻土，0～20 cm土層土壤理化性狀：pH 7.1，有機(jī)質(zhì)28.4 g/kg，全氮1.43 g/kg，全磷0.57g/kg，全鉀21.8 g/kg，堿解氮113 mg/kg，有效磷27 mg/kg，速效鉀257 mg/kg，容重1.23 g/cm3。該地區(qū)屬溫帶半濕潤季風(fēng)氣候類型，年均降水量650 mm，年均氣溫8～9 ℃，無霜期165～170 d。試驗(yàn)點(diǎn)水稻生長季降水量460.7 mm，降水主要發(fā)生在7～9月；日均氣溫變化范圍為10.5～30.5℃，平均值為（22.7±4.2）℃（圖1）。

圖1 水稻生長季氣溫和降水量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用氮肥類型和密度兩因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)置3個(gè)氮肥處理：不施氮肥（CK）、普通尿素（CU）和控失尿素（CLU）；2個(gè)移栽密度處理：稀植（D20）和密植（D33），行距不變，均為30 cm，株距分別為16.7和10.0 cm，即每平米水稻穴數(shù)分別為20和33穴。試驗(yàn)小區(qū)面積為5 m×10 m=50 m2，每個(gè)處理重復(fù)3次。依據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況推薦的水稻氮肥用量為240 kg/hm2，氮肥按基-蘗-穗肥比例40-30-30分次施用。磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）用量均為90 kg/hm2，各小區(qū)用量相同，全部作為基肥一次施用。氮、磷、鉀肥料種類為普通尿素（N 46%）、控失尿素（N 43.2%，氮控失率≥45%，由河南心連心化肥有限公司提供）、過磷酸鈣（P2O512%）和硫酸鉀（K2O 50%）。各小區(qū)之間用PVC板分隔并筑埂，單灌單排。供試品種為遼河三角洲稻區(qū)的代表性水稻品種“鹽豐47”，4月15日水稻大棚育秧、5月26日插秧、10月8日水稻收獲，其他管理措施如病蟲害防治與灌溉等均按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式進(jìn)行。

1.3 測試項(xiàng)目

分蘗動態(tài)調(diào)查：在每個(gè)小區(qū)中設(shè)置一個(gè)包含8穴水稻的微區(qū)，水稻生育期內(nèi)每7 d調(diào)查分蘗數(shù)，記錄分蘗動態(tài)。

干物質(zhì)和氮素積累：在移栽期（5月26日）、分蘗中期（6月14日）、最大分蘗期（7月4日）、穗分化期（7月20日）、灌漿期（8月24日）和成熟期（10月5日）分別進(jìn)行采樣。為減少邊際效應(yīng)，在小區(qū)的非邊行處采集8穴水稻樣品。樣品在70℃烘干后測定干重，穗分化期和成熟期植株樣品粉碎后用凱氏定氮法測定氮含量。

測產(chǎn)和考種：水稻收獲時(shí)每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取8穴水稻進(jìn)行考種，調(diào)查指標(biāo)包括有效穗、穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率。小區(qū)中間3 m2水稻收獲后用于測定籽粒和秸稈產(chǎn)量，籽粒產(chǎn)量按照14%含水量計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

用SAS 9.4的GLM模型進(jìn)行兩因素方差分析，模型包括：氮肥（N）、密度（D）和氮肥×密度（N×D）。

作物生長速率和氮素吸收速率由生育階段內(nèi)（移栽-穗分化和穗分化-成熟）每日干物質(zhì)和氮素積累計(jì)算得出。

氮肥回收利用率（%） = （施氮區(qū)地上部吸氮量-不施氮區(qū)地上部吸氮量）/施氮量×100。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子

氮肥類型對水稻籽粒和秸稈產(chǎn)量均有顯著影響，而密度和氮肥類型×密度的交互作用對籽粒和秸稈產(chǎn)量均無顯著影響。與普通尿素（CU）相比，控失尿素（CLU）處理的籽粒和秸稈產(chǎn)量分別提高了10.0%和23.8%；與稀植（D20）相比，密植（D33）處理的籽粒和秸稈產(chǎn)量表現(xiàn)出下降趨勢（圖2）。

圖2 控失尿素和密植對水稻籽粒和秸稈產(chǎn)量的影響

氮肥類型和種植密度對產(chǎn)量構(gòu)成因子的調(diào)控作用差異較大（表1）?？傮w上，氮肥類型和種植密度均顯著影響了有效穗的形成，有效穗數(shù)在不同氮肥類型處理間表現(xiàn)為CLU＞CU＞CK。與CK處理相比，CLU和CU處理的有效穗分別顯著提高了80.1%和64.2%。相似的，密植同樣有利于有效穗形成，與D20處理相比，D33有效穗顯著增加了11.4%。氮肥類型對穗粒數(shù)的影響不顯著，但種植密度顯著影響穗粒數(shù)，與D20處理相比，D33處理的穗粒數(shù)顯著減少了10.3%。氮肥類型、種植密度及其兩者交互作用對千粒重和結(jié)實(shí)率均無顯著影響。施用普通尿素和控失尿素均能夠通過增加有效穗進(jìn)而提高產(chǎn)量，控失尿素在提高有效穗的作用上更為突出，盡管密植能夠促進(jìn)有效穗形成，但無法維持較高的穗粒數(shù)，因此對產(chǎn)量的提升作用不大。

表1 控失尿素和密植對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

2.2 干物質(zhì)累積和分蘗動態(tài)

與CK處理相比，無論是水稻生育前期（移栽-穗分化期）還是生育后期（穗分化-成熟期），施氮處理尤其是CLU處理的地上部干物質(zhì)積累均顯著提高（圖3a）。與D20處理相比，D33處理能夠顯著提高生育前期地上部干物質(zhì)積累，但生育后期的干物質(zhì)積累優(yōu)勢逐漸減弱（圖3a）。對于分蘗動態(tài)而言，控失尿素和密植均能夠顯著促進(jìn)分蘗發(fā)生，在分蘗期形成更大的水稻群體，控失尿素施用條件下，稀植和密植處理的最大分蘗數(shù)分別高達(dá)502.0 和543.8個(gè)/m2（圖3b）。

圖3 控失尿素和密植對水稻地上部生物量和分蘗動態(tài)的影響

2.3 作物生長速率和氮素吸收速率

在生育前期和生育后期，與CU處理相比，CLU處理在作物生長速率和氮素吸收速率方面均優(yōu)勢明顯（圖4）。與D20處理相比，D33處理提高了生育前期水稻生長速率和氮素吸收速率，而生育后期的作物生長速率和氮素吸收速率均表現(xiàn)出下降趨勢（圖4）。

圖4 控失尿素和密植對水稻作物生長速率和氮素吸收速率的影響

2.4 氮肥回收利用率

與CU處理相比，CLU能夠顯著提高籽粒、秸稈和地上部吸氮量，增幅為4.7%～14.5%；同時(shí)，CLU處理相對CU處理的氮肥回收利用率提高了5.4%～10.1%。不考慮氮肥類型，D33與D20處理相比，籽粒、秸稈和地上部吸氮量以及氮肥回收利用率均略有下降，但并不顯著（表2）。

表2 控失尿素和密植對水稻吸氮量和氮肥回收利用率的影響

3 討論

氮肥用量、氮肥類型和栽培密度是影響水稻生產(chǎn)和氮素利用的重要因素。在遼河三角洲稻區(qū)，采用當(dāng)?shù)氐释扑]用量可使當(dāng)季氮肥投入量減少18%～25%，而水稻仍可以保持穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)［3］。但在此基礎(chǔ)上，提高粳稻移栽密度，籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率均沒有顯著提高，而施用控失尿素，不管稀植還是密植條件下，均可以提高籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率。同時(shí)，受氮肥類型和種植密度等多因素的影響，水稻在生育期所積累的光合產(chǎn)物直接決定了各產(chǎn)量構(gòu)成因子的形成［7］。因此，有必要詳細(xì)分析水稻的產(chǎn)量、干物質(zhì)以及氮素的積累過程，這有助于理解不同氮肥類型和密度條件下的產(chǎn)量差異成因。

3.1 密植對水稻產(chǎn)量和氮素利用的影響

目前，關(guān)于產(chǎn)量對密植響應(yīng)的研究報(bào)道并不一致。有研究認(rèn)為密植可以提高產(chǎn)量，雙季稻區(qū)早、晚稻密植后產(chǎn)量分別顯著提高15.4%～55.2%和9.2%～33.1%［6，8］；在 寒 地［9-10］和 低 產(chǎn) 稻田［11］中，密植可以分別增產(chǎn)3.2%～10.7%和6.1%～34.7%。但本研究中利用減少株距的方式增加種植密度，并沒有進(jìn)一步提高水稻產(chǎn)量，反而有減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，這可能是由于氣候、品種和氮肥用量等均能夠顯著影響種植密度對水稻群體的調(diào)控效果。有研究表明，對于分蘗力較強(qiáng)的水稻品種，密植會限制籽粒灌漿而造成減產(chǎn)2.0%～4.2%［10］。在本試驗(yàn)中，水稻密植后群體增大，預(yù)示著光能截獲能力增強(qiáng)，可以促進(jìn)前期干物質(zhì)積累、氮素吸收和有效穗形成；然而，水稻群體過大會加速生育后期群體氮素競爭，后期缺氮早衰導(dǎo)致了穗粒數(shù)顯著減少。也有研究與本研究結(jié)論有所差異，陳佳娜等［8］研究認(rèn)為，盡管其供試品種密植后同樣出現(xiàn)穗粒數(shù)和有效穗的此消彼長，但有效穗的增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于穗粒數(shù)的降幅。施氮量為適宜用量的1.25～1.5倍時(shí)，密植對氮素吸收的促進(jìn)效果會顯著下降［11-12］。而本試驗(yàn)氮肥施用量在推薦范圍內(nèi)，因此氮肥用量并不是限制因素。在本研究中，密植與稀植相比氮肥利用率有下降趨勢，主要原因可能是密植限制生育后期氮素吸收利用，導(dǎo)致群體吸氮量下降。但也有研究表明，在遼寧地區(qū)進(jìn)行遼星1號密植后，適當(dāng)減少氮肥投入可以顯著降低稻田溫室氣體排放，提高氮肥利用率［13］。

3.2 控失尿素對水稻產(chǎn)量和氮素利用的影響

不管稀植還是密植，與施用普通尿素相比，施用控失尿素均有利于生育前期分蘗和成穗，從而形成更大的籽粒庫，最終提高產(chǎn)量，這與前人的研究結(jié)果相一致［5］。水稻氮素營養(yǎng)狀況決定了水稻的穗粒數(shù)［14］，控失尿素可以改善生育后期的作物生長速率和氮素吸收速率，但僅增加稀植處理而非密植處理的穗粒數(shù)，這主要?dú)w因于密植條件下控失尿素進(jìn)一步增大群體，而造成后期氮素需求無法滿足的問題。此外，本試驗(yàn)中控失尿素表現(xiàn)為增產(chǎn)趨勢，相似的情況也發(fā)生在江淮稻區(qū)的控失尿素應(yīng)用報(bào)道中［15］，同時(shí)農(nóng)作制度、氮肥運(yùn)籌、種植模式等因素也會影響控失尿素的施用效果。

在水稻［5，16］和玉米［17-18］單季種植時(shí)，控失尿素的增產(chǎn)幅度分別為7.5%～12.2%和13.5%～33.5%。在冬小麥-夏玉米輪作時(shí)，控失尿素只顯著提高冬小麥產(chǎn)量，而夏玉米產(chǎn)量持平［19］?？厥蛩厥┯昧吭?50～250 kg/m2時(shí)，玉米平均增產(chǎn)24.7%，而當(dāng)施用量達(dá)到300 kg/m2時(shí)增產(chǎn)幅度下降到8.7%［18］，說明當(dāng)總氮投入充足時(shí)，水稻產(chǎn)量已經(jīng)接近或達(dá)到潛力水平，其增產(chǎn)效果會被削弱?？厥蛩赝ㄟ^氮肥緩釋作用減少氮肥損失從而提高氮肥有效性，其中，氨揮發(fā)和氧化亞氮排放降幅分別為18.0%和58.0%［20-21］；對于氮肥利用率而言，施用控失尿素后地上部吸氮量得以提高，氮肥回收利用率也增加了7.8%。

氮素盈余是衡量農(nóng)田氮素管理水平的重要指標(biāo)，采用區(qū)域氮肥推薦量在減少氮素盈余方面效果顯著，但同一區(qū)域不同田塊間通過氮肥推薦用量獲得的產(chǎn)量往往因土壤肥力和管理水平的區(qū)別而有很大差異［4，22］。不施氮處理的產(chǎn)量和吸氮量水平可以直觀反映土壤供氮能力，并與施氮后的產(chǎn)量表現(xiàn)密切相關(guān)［23-24］。有研究者建議當(dāng)土壤供氮能力較弱時(shí)，區(qū)域氮肥推薦用量應(yīng)該適當(dāng)增加［24］，而施用控失尿素同樣可以彌補(bǔ)土壤供氮能力的不足，水稻可以基本達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量從而減少氮素盈余。本研究表明，施用普通尿素后地上部吸氮量達(dá)到167.4～171.4 kg/hm2，而控失尿素處理地上部吸氮量可以提高至183.0～195.6 kg/hm2，從而使得氮素盈余控制在89.4～102.0 kg/hm2，最終氮素盈余可以減少15.7～28.2 kg/hm2。本研究施用普通尿素后，籽粒產(chǎn)量和地上部吸氮量略低于長期定位試驗(yàn)的潛力產(chǎn)量（10.2 t/hm2）和吸氮量（202.0 kg/hm2）［1，3］，而控失尿素效果顯著提高，氮素盈余顯著減少，但其產(chǎn)量和氮素利用率提高能力在不同密度下有所不同，因此控失尿素等新型肥料具有進(jìn)一步降低氮肥推薦施用量、提高氮素利用率、減少氮素盈余的潛力，但作用效果和幅度還有待深入研究。

4 結(jié)論

在當(dāng)?shù)氐释扑]用量基礎(chǔ)上，不管是稀植還是密植，與施用普通尿素相比，施用控失尿素水稻產(chǎn)量能夠提高6.6%～13.8%，同時(shí)氮素利用率提高5.4%～10.1%。而密植并不能提高水稻產(chǎn)量和氮素利用率，反而有減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。雖然密植促進(jìn)了水稻前期干物質(zhì)積累、氮素吸收和有效穗形成，但群體過大會加速生育后期群體氮素競爭，導(dǎo)致穗粒數(shù)顯著降低10.3%。施用控失尿素能夠改善水稻密植和稀植時(shí)生育前期的生長和氮素吸收狀況，但密植條件下控失尿素進(jìn)一步增大群體，進(jìn)而造成后期氮素需求無法滿足的問題。此外，施用控失尿素還可以通過提高吸氮量增加氮素利用率，從而間接減少氮素盈余15.7～28.2 kg/hm2。因此，在遼河三角洲地區(qū)，稀植方式配合施用控失尿素可以作為適宜該地區(qū)的水稻穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)種植的有效管理措施。