楊業(yè)鳳 莫小玉 李引龍 王雨沁 付一笛 楊穎

楊業(yè)鳳，莫小玉，李引龍，等. 氮肥運籌對水稻生物學(xué)性狀及氮肥利用效率的影響［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，52（7）：94-100.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.07.013

（1.上海市浦東新區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，上海 201201； 2.上海市浦東新區(qū)惠南鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)中心，上海 201399； 3.上海市浦東新區(qū)航頭鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)中心，上海 200120）

摘要：為解決農(nóng)民在水稻施肥過程中存在的過量施肥、氮肥利用效率低以及產(chǎn)量提高困難等問題。采用田間試驗的方法，通過減少氮肥用量，改變氮肥運籌以及增加磷肥、鉀肥比例的方式，設(shè)計缺氮處理（CK）、農(nóng)民常規(guī)施肥處理（FFP）、高效處理（HE）、高產(chǎn)處理1（HY1）、高產(chǎn)處理2（SHY）共5個養(yǎng)分管理處理，分析不同處理下水稻的生長情況、生物學(xué)性狀及不同養(yǎng)分優(yōu)化管理模式對水稻產(chǎn)量及氮素利用效率的影響。結(jié)果表明，與農(nóng)民常規(guī)施肥處理（FFP）相比，高效處理（HE）在水稻種植過程中的氮肥施用量降低48.5%的情況下，水稻的產(chǎn)量沒有顯著降低，而2021、2022年氮肥吸收利用率分別從FFP處理的26.4%、31.7%提高到42.2%、55.6%。2個高產(chǎn)處理在適當(dāng)降低氮肥用量的情況下，水稻的產(chǎn)量和氮肥吸收利用率均有不同程度提高。開花期水稻葉片SPAD值與總氮肥施用量無關(guān)，而與穗分化后氮肥用量相關(guān)。隨著氮肥用量的增加，水稻花后氮素和干物質(zhì)的積累呈現(xiàn)降低的趨勢。因此，適當(dāng)降低水稻種植過程中氮肥總施用量以及增加水稻生長中后期氮肥施用比例可以顯著改善水稻群體指標(biāo)，是提高水稻產(chǎn)量和氮肥效率的有效途徑。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)分管理；水稻；產(chǎn)量；氮肥利用效率；葉面積指數(shù)

中圖分類號：S511.06? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1002-1302（2024）07-0094-07

氮素是植物生長的必需元素，也是作物生長最主要和最敏感的限制因子［1］。合理施氮能夠有效促進(jìn)水稻生長發(fā)育，提高水稻產(chǎn)量，并顯著提高水稻對氮素的吸收利用［2］。在實際生產(chǎn)中，我國農(nóng)民習(xí)慣采用大量施肥尤其是氮肥來提高水稻產(chǎn)量，然而過量和不合理的氮肥施用不但不利于水稻產(chǎn)量的提高，還會造成氮肥利用率低下。我國水稻氮肥利用率為30%～35%，顯著低于國際平均水平［3］，未被利用的氮素進(jìn)入水體和大氣環(huán)境，引發(fā)一系列的環(huán)境問題［4-6］。因此，對氮素養(yǎng)分進(jìn)行優(yōu)化管理，協(xié)同提高水稻產(chǎn)量、氮肥利用率及降低環(huán)境風(fēng)險，已成為當(dāng)前研究的一個熱點［7］。目前，針對稻田氮素養(yǎng)分的優(yōu)化管理已有很多報道，通過控制氮肥用量和運籌等氮肥優(yōu)化管理可以提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用率［8-10］。氮肥優(yōu)化管理可以通過調(diào)控水稻的產(chǎn)量構(gòu)成以及提高氮肥的高級養(yǎng)分貢獻(xiàn)階段性實現(xiàn)水稻高產(chǎn)和氮肥高效［11］。劉益仁等認(rèn)為，通過施用有機肥能夠提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用率［12-13］；張雪凌等認(rèn)為，在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施氮的基礎(chǔ)上減施 20%化肥氮，以有機氮替代，并適當(dāng)提高化肥氮在抽穗期的比例，能夠保證土壤綜合肥力的可持續(xù)性、氮素養(yǎng)分持續(xù)高效利用和水稻持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)［14］。水稻季過高的氮肥投入使氮肥利用率低于全國平均水平［15-17］。因此，本試驗在上海市浦東地區(qū)以水稻為研究對象，通過設(shè)置高效和高產(chǎn)2種養(yǎng)分管理模式，探究氮肥優(yōu)化對水稻在干物質(zhì)生產(chǎn)、氮素積累、葉片葉綠素相對含量（以SPAD值計）和葉面積指數(shù)（LAI）等群體指標(biāo)的變化，以期為氮肥優(yōu)化管理實現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)和提高氮肥利用率提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗從2021年開始，在上海市浦東新區(qū)惠南鎮(zhèn)遠(yuǎn)東村（31°0221′N，[JP]121°7956′E）采用稻麥輪作的方式進(jìn)行，采用2021年、2022年水稻試驗數(shù)據(jù)。試驗品種為常規(guī)稻南粳46，也是當(dāng)?shù)刂髟云贩N。供試肥料為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀，有機肥料為商品有機肥。試驗地土壤類型為水稻土，土壤耕層有機質(zhì)含量為20.2 g/kg，全氮含量為1.52 g/kg，堿解氮含量為163 mg/kg，速效磷含量為16.7 mg/kg，速效鉀含量為143.0 mg/kg，pH值7.9。

1.2 試驗設(shè)計

試驗以水稻—小麥種植制度為基礎(chǔ)。在水稻季設(shè)置5個相同的處理，且同一個施肥處理在不同作物季均連續(xù)設(shè)置在同一個小區(qū)。5個處理分別為：缺氮處理（CK），不施用氮肥，其他同農(nóng)民常規(guī)施肥處理；農(nóng)民常規(guī)施肥處理（FFP），依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶施肥調(diào)查所得平均數(shù)據(jù)；高效處理（HE），降低氮肥用量并進(jìn)行氮肥后移，同時增加磷鉀肥，以期獲得較高的氮肥效率；高產(chǎn)處理1（HY1），與農(nóng)民習(xí)慣相比適當(dāng)減少氮肥用量；高產(chǎn)處理2（SHY），相比HY1繼續(xù)增加氮肥用量，其他措施保持一致，以期獲得更高的產(chǎn)量。小區(qū)面積為94.2 m2，小區(qū)間田埂用防水布覆蓋，隔離防滲，四周設(shè)保護行，每個小區(qū)均單設(shè)進(jìn)水口、排水口，4個重復(fù)，隨機區(qū)組排列（表1）。

1.3 栽培管理與測定方法

1.3.1 栽培及水分管理 水稻移栽行距25 cm，株距14 cm，每穴2株，密度為28.5萬穴/hm2。移栽前1 d施入基肥，移栽7～10 d施用分蘗肥，在水稻倒4葉和倒2葉時分別施入拔節(jié)肥和穗肥。各處理采用統(tǒng)一水分管理措施，薄水移栽，寸水活棵，前期淺水勤灌，當(dāng)分蘗數(shù)達(dá)到300萬個/hm2時曬田，孕穗開花期保持水層，開花后1周采用干濕交替灌溉，收獲前2周斷水。

1.3.2 植株樣品采集 分別在水稻分蘗期、穗分化期、開花期和成熟期于第4行采集水稻樣株。每個小區(qū)連續(xù)取3穴，所取樣品均洗凈、去根，105 ℃殺青30 min，然后75 ℃烘干，測定地上部干物質(zhì)重和氮素含量。

1.3.3 葉面積指數(shù)測定 分別在水稻分蘗期、穗分化期和開花期結(jié)合樣株采集測定各時期葉面積。葉面積測定采用長寬系數(shù)法［18］，用直尺量取葉片的最寬處和最長處，長寬的乘積乘以系數(shù)0.774 6為葉片的葉面積，結(jié)合移栽密度計算葉面積指數(shù)。

1.3.4 葉片SPAD值測定 采用日本產(chǎn)SPAD-502便攜式葉綠素儀，分別在水稻分蘗期、穗分化期和開花期選取水稻最新完全展開葉，于葉片上部 1/3～1/2處測定SPAD值。每個小區(qū)選取10張葉片，每張葉片測定10次，取平均值。

1.3.5 水稻氮素測定 于水稻各生育期采集樣株，烘干，粉碎，用H2SO4-H2O2消煮，得到待測液，用連續(xù)流動分析儀測定待測液氮含量，計算植株各器官氮素含量，并結(jié)合生物量計算植株地上部氮素積累量。

1.3.6 考種與測產(chǎn) 水稻成熟期避開邊行和取樣行，在每個小區(qū)中間收割6～10 m2的水稻，脫粒，曬干，稱重，計產(chǎn)（實際產(chǎn)量）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)計算公式如下：

氮肥農(nóng)學(xué)利用率（kg/kg）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量）/施氮量；

氮素吸收利用率=（施氮區(qū)地上部氮素積累量-空白區(qū)地上部氮素積累量）/施氮量×100%；

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

植株氮素積累量=植株干重×植株含氮量。

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel作圖，用SPSS軟件進(jìn)行方差分析處理，采用LSD法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻干物質(zhì)積累

2021年由于水稻在分蘗期遭遇多雨寡照的天氣，所以穗分化前干物質(zhì)積累量低于2022年（圖1）。從不同處理在各生育期表現(xiàn)來看，水稻地上部干重在開花期前隨氮肥施用量的增加而呈現(xiàn)上升的趨勢，在成熟期各施肥處理間干物質(zhì)積累量沒有顯著差異（P>0.05）。由于FFP處理施氮量主要施用在水稻生長前期。由于HE處理氮肥用量顯著低于FFP處理，所以在開花前HE處理水稻干物質(zhì)積累量在施肥處理中最低，且均顯著低于FFP處理，但HE處理在2021年成熟期以及2022年開花期和成熟期與其他施肥處理干物質(zhì)積累量沒有顯著差異（圖1）。

2.2 水稻氮素的積累

由圖2可知，不同處理間氮素積累量存在顯著差異。2021年FFP處理在分蘗期氮素積累量比HE、HY1、HY2分別高156%、102%、61%；在穗分化期和開花期，F(xiàn)FP處理氮素積累量均高于其他處理，但與HY2處理沒有顯著差異；在成熟期，F(xiàn)FP處理與HY1和HY2處理沒有顯著差異。HE處理由于氮素施用量最低，其整個生育期氮素積累量在施肥處理中均最低。2022年各處理水稻氮素積累規(guī)律與2021年基本一致（圖2），在開花期之前不同處理氮素積累量隨著氮肥施用量的增加而增加，但在開花期到成熟期FFP處理和HY2處理氮素積累變慢，HE處理和HY1處理在該時期氮素積累較快。

不同施肥處理在各生育時期氮素積累比例差異較大（圖3）。FFP處理在2021年分蘗期氮素積累比例為25.1%，在各處理中最高；但在開花—成熟期氮素積累比例只有7.8%，顯著低于其他處理，HE處理在施氮處理中所占比例最高，為29.1%，CK達(dá)到42.6%。FFP處理在2022年水稻分蘗期氮素積累比例為40.4%，其他處理比例在23.5%～28.6%，其中HE處理最低。2022年水稻分蘗期氮素積累比例顯著高于2021年。2年間水稻氮素積累趨勢基本相似，即在開花—成熟期氮素積累比例均隨著氮肥用量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。

2.3 水稻葉片SPAD值

水稻葉片SPAD值可以很好地反映水稻氮素營養(yǎng)狀況。由圖4可知，不同施肥處理對水稻SPAD值產(chǎn)生顯著影響。2021年水稻分蘗期FFP處理SPAD值達(dá)到 46.2，顯著高于其他處理，其他處理SPAD值的順序為HY2>HY1>HE>CK，與水稻生育前期氮肥用量呈現(xiàn)一致的趨勢。在穗分化期，F(xiàn)FP處理SPAD值顯著下降，其他施氮肥處理差距減??；在開花期，HY2處理SPAD值最高，F(xiàn)FP處理與HY1處理和HE處理沒有顯著差異。2022年水稻葉片SPAD值整體趨勢與2021年基本一致，F(xiàn)FP處理在分蘗期和穗分化期最高，但在開花期逐漸降低。通過2年的SPAD值可知，隨著水稻生育期進(jìn)程的推進(jìn)，F(xiàn)FP處理和CK的SPAD值呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，而優(yōu)化施氮處理的水稻葉片SPAD值沒有降低，反而有逐漸升高的趨勢，特別是HE處理隨著水稻生育期進(jìn)程的推進(jìn)，SPAD值呈現(xiàn)增加的趨勢（圖4）。

綜上，開花期水稻葉片SPAD值與總氮肥施用量無關(guān)，而與穗分化后氮肥用量有關(guān)。

2.4 水稻葉面積指數(shù)

由圖5可知，水稻的葉面積指數(shù)在開花期最高，其中FFP處理在2021年、2022年分別達(dá)到5.90、6.63；HY2處理葉面積指數(shù)在2021年、2022年分別達(dá)6.00、6.67，而2年間CK最大葉面積指數(shù)值分別為2.41、2.98，在這3個生育期中，水稻葉面積指數(shù)從分蘗期到穗分化期增長均最快。另外，不同施肥處理對水稻葉面積指數(shù)影響顯著，CK在各生育期葉面積指數(shù)均顯著低于施氮處理，其中FFP處理在分蘗期和穗分化期均最高，且顯著高于HY1和HE處理，但與HY2處理沒有顯著差異。在開花期，HY2處理LAI最高，但在2021年與其他施肥處理沒有顯著差異；2022年HY2顯著高于HE處理，但與其他施肥處理無顯著差異。

2.5 水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素

由表2可知，2021年、2022年水稻產(chǎn)量均是HY2處理最高，分別達(dá)到9.08、9.52 t/hm2，顯著高于FFP和HE處理，但與HY1處理沒有顯著差異。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，施氮可顯著提高水稻穗數(shù)，但不同施氮處理穗數(shù)在2021年沒有顯著差異；2022年HY2處理穗數(shù)最高，顯著高于HE處理和CK，但與FFP和HY1處理無顯著差異。不同施肥方式對處理間穗粒數(shù)也會產(chǎn)生顯著影響，2022年HE處理穗粒數(shù)最高， 達(dá)到157粒； FFP處理最低（136粒），且顯著低于HE和HY2處理。不同施氮方式對各施氮處理間結(jié)實率和千粒重不構(gòu)成顯著差異。

2.6 氮肥利用效率

由于HY1和HY2處理施用了有機肥，本研究在計算氮肥利用率時，將有機肥中所含氮素折算計入氮素施用總量。由表3可知，CK水稻氮素積累量分別為85、81 kg/hm2，施氮處理顯著高于CK。不同氮肥施用方式也會對水稻氮素積累量產(chǎn)生顯著影響，其中HY2處理氮素積累量最高，而HE處理最低。HE處理的氮肥吸收利用率顯著高于其他施氮處理，在2021年、2022年分別達(dá)到 42.2%、55.6%；氮素吸收利用率最低的為FFP處理，分別為26.4%、31.7%，比HE處理分別低15.8、23.9百分點；HY1和HY2處理間氮肥吸收利用率沒有顯著差異。各處理氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力與氮肥吸收利用率均表現(xiàn)一致，即HE>HY1>HY2>FFP。HE處理水稻產(chǎn)量與FFP處理沒有顯著差異，但氮肥吸收利用率相比FFP顯著增加。

3 討論

3.1 不同養(yǎng)分管理對水稻物質(zhì)生產(chǎn)和氮素吸收的影響

干物質(zhì)的生產(chǎn)與作物產(chǎn)量有很高的相關(guān)性，水稻品種產(chǎn)量的提高主要是因為生物量的增加［19］。彭顯龍等認(rèn)為，水稻產(chǎn)量抽穗后干物質(zhì)的生產(chǎn)有很高的相關(guān)性，其相關(guān)性高于前期生長階段［20］。楊長明等認(rèn)為，有機肥、無機肥配施有利于促進(jìn)水稻中后期生物量積累和養(yǎng)分吸收，改善生物量分配比例［21］。本試驗由于FFP處理在水稻生長前期施用較多的氮肥，導(dǎo)致其在穗分化前具有較大的葉面積指數(shù)和較高的葉片SPAD值，干物質(zhì)積累量在穗分化前顯著高于其他處理，但在穗分化后干物質(zhì)積累速率降低，導(dǎo)致其成熟期與其他施氮處理的干物質(zhì)積累量沒有顯著差異（圖1）。

水稻氮素吸收具有明顯的階段性，Setter等認(rèn)為，水稻氮素吸收高峰在幼穗分化始期［22-24］。因

此，在穗分化期施用氮肥有利于水稻植株對氮素的吸收以及積累。水稻穗肥期氮素的吸收量對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響，可以增加穗肥期施氮所占比例，有利于水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的提高。因此，合理改變氮肥運籌能夠有效提高氮素的利用率［25］。胡雅杰等對水稻進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)适┯帽壤ɑ?∶蘗肥 ∶穗肥）為 4 ∶3 ∶3 時，能夠促進(jìn)水稻干物質(zhì)的積累，有效提高氮肥利用率［26］。本試驗結(jié)果表明，不同養(yǎng)分管理對水稻不同階段氮素吸收產(chǎn)生顯著的影響。隨著氮肥用量的增加，特別是基蘗肥所占比例的增加，水稻在穗分化前氮素積累比例增加，穗分化后氮素的積累比例減少（圖3）。尤其是對開花后氮素吸收比例的影響最大，F(xiàn)FP處理花后氮素積累量約占全生育期的10%。提高花前氮轉(zhuǎn)運和花后氮累積均有利于提高水稻產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)［27］。另外，楊長明等認(rèn)為，有機–無機氮肥配施可促進(jìn)水稻植株養(yǎng)分向籽粒中轉(zhuǎn)移和分配，隨著有機氮素的營養(yǎng)釋放，生育后期水稻氮素迅速累積，其花后吸收氮對籽粒貢獻(xiàn)率達(dá) 45.0%［28］。本試驗中養(yǎng)分優(yōu)化管理在開花后氮素積累比例顯著高于FFP處理，其中HE處理花后氮素積累比例分別達(dá)到29.1%、26.6%。因此，隨著氮肥總量的降低、水稻穗肥比例的提高以及有機肥的施用，花后氮素積累所占比例逐漸增加，有利于水稻產(chǎn)量的形成。

3.2 不同養(yǎng)分管理對產(chǎn)量和氮肥效率的影響

Wang等認(rèn)為，采用養(yǎng)分優(yōu)化管理技術(shù)可以顯著降低氮肥的投入，同時提高作物產(chǎn)量［29-30］。本試驗結(jié)果也表明，把水稻氮肥用量從農(nóng)民習(xí)慣的施氮量350 kg/hm2降低到180 kg/hm2，水稻的產(chǎn)量并不會顯著降低（表2），同時氮肥的利用效率卻能顯著提高（表3）。另外，HY1和HY2處理水稻的產(chǎn)量和氮肥利用效率相比FFP處理均明顯提高（表2、表3）。Chen等認(rèn)為，單季稻最佳經(jīng)濟施氮量為 286 kg/hm2，生態(tài)適宜施氮量為 150 kg/hm2 ［31］。本研究養(yǎng)分優(yōu)化管理HE處理的氮肥用量為 180 kg/hm2，HY1和HY2處理的氮肥用量分別為240、300 kg/hm2。Sun等認(rèn)為，在正常水分狀況下水稻生長后期氮肥比例在40%左右產(chǎn)量最高［32］；本試驗2個高產(chǎn)處理HY1和HY2基蘗肥 ∶穗粒肥的比例從FFP處理的7.4 ∶2.8降低到6 ∶4，HE處理的比例進(jìn)一步降低為4.4 ∶5.6。養(yǎng)分優(yōu)化管理氮肥的基蘗肥和穗粒肥的比例也更加合理。本試驗HE處理的氮肥吸收利用率分別達(dá)到42.2%、55.6%，比FFP處理顯著提高。養(yǎng)分優(yōu)化處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力均比FFP處理明顯提高，說明降低氮肥用量增加中后期氮肥比例可以顯著提高水稻氮肥的利用效率。

4 結(jié)論

在上海地區(qū)水稻氮肥施用較高的情況下，把氮肥用量降低到180～300 kg/hm2，可以獲得較高的水稻產(chǎn)量，還可以顯著提高氮肥的利用效率。本試驗相比FFP處理，養(yǎng)分優(yōu)化管理的3個處理，把水稻中后期氮肥比例提高到40%～56%，雖然可以減少穗分化前水稻氮素吸收和干物質(zhì)的積累，但也會加快養(yǎng)分優(yōu)化管理在穗分化后氮素積累的速率，使養(yǎng)分優(yōu)化管理水稻的SPAD值和LAI提高，有利于水稻開花后干物質(zhì)快速積累。本試驗結(jié)果還表明，隨著總施氮量的增加，開花后氮素積累的比例逐漸降低。本試驗相比FFP處理，養(yǎng)分優(yōu)化管理的3個處理主要是通過降低水稻生長前期過量的氮素供應(yīng)，同時增加中后期氮素供應(yīng)來調(diào)節(jié)氮素的供應(yīng)與植株需求之間的關(guān)系，進(jìn)而同時提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率。

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基金項目：上海市科技興農(nóng)項目（編號：202102080012F007961）。

作者簡介：楊業(yè)鳳（1984—），女，山西朔州人，碩士，農(nóng)藝師，主要從事土壤肥料與農(nóng)業(yè)環(huán)保研究。E-mail：yyf2901@126.com。

通信作者：楊 穎，高級農(nóng)藝師，主要從事基層農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣研究。E-mail：yangying-yangyang@163.com。