水氮组合模式对双季稻氮肥利用效率的影响

傅志强 龙攀 刘依依 谢天洋 钟娟 龙文飞

摘要：为给双季稻水肥高效利用调控技术提供支撑，采用水肥耦合方式，设置间歇灌溉和淹水灌溉2种灌溉方式，高氮、中氮、低氮和不施氮4种施肥方式，开展大田试验研究不同水氮组合对双季稻氮积累量和氮肥利用效率的影响。结果表明，淹水灌溉下，以施高氮处理的植株氮积累量最高，早稻分别比施中氮、低氮和不施氮高20.8%、22.7%和59.4%，晚稻分别高出13.9%、27.0%、58.6%；间歇灌溉下，早稻以施中氮处理的植株氮积累量最高，分别比施高氮、低氮和不施氮高5.2%、15.8%和59.5%，晚稻以施高氮处理最高，依次比施中氮、低氮和不施氮高1.9%、15.4%、56.3%。水稻植株氮积累量总体随着施氮量的增加而增加。同一灌溉条件下，氮素农学利用率、氮素干物质生产率、氮素稻谷生产率、氮素偏生产力和氮素生理利用率均随施氮量的增加而减少；相同施氮水平下，间歇灌溉的水稻植株氮积累量、氮素农学利用率、氮素生理利用率均要高于淹水灌溉。间歇灌溉有利于提高氮素利用率，促进双季稻节水节肥生产。

关键词：双季稻；灌溉；施肥方式；氮肥利用率

中图分类号：S3 文献标志码：A 论文编号：2014-0847

0 引言

水分利用率低下是当前农业生产面临的重大问题。目前中国灌溉水利用率为30%-40%，作物水分生产效率不足1.0 kg/m。水稻是中国最主要的粮食作物之一，也是耗水量最多的作物，其灌溉用水量占农业总用水量的65%以上。提高水稻尤其是双季稻的水分利用效率是节水农业的重要组成部分。另外，氮肥利用率低也是当前作物生产中的突出问题。据统计，目前中国水稻氮肥吸收利用率介于30%～35%，氮肥农学利用率为15～20 kg/kg，低于世界平均水平。传统的“大水大肥”管理模式不仅造成水肥资源利用率低，生产成本高，而且引起一系列环境污染问题。因此提高水稻水分和肥料利用率，发展节水节肥农业，成为中国农业可持续发展的重大课题。

在农田生态系统中，水肥之间、肥肥之间以及作物与水肥间存在相互促进又相互制约的动态平衡关系。合理的施肥措施必须与水分管理相结合，才能发挥最大的增产效果。近年来，针对区域降雨分布不均导致水稻季节性干旱而严重减产的实际情况，越来越多的研究旨在探讨节水灌溉对水稻生长发育及产量形成的影响。有关水稻生产中肥料利用率的提高、面源污染防控等方面的研究也见诸报道，殷春渊等研究表明，高产基因型的水稻在各个生育阶段的氮素积累量及氮素利用效率均较低产基因型的水稻高。刘立军等同样有研究表明实地氮肥管理（SSNM）的氮肥利用效率较常规施肥方法（FFP）提高了31.4%～56.8%和143.6%～166.0%，同时根系活力、水稻根系重量及各种酶的活性均高于FFP。但已有研究中单纯针对水稻节水或节肥生产的较多，针对南方双季稻既节水又节肥生产的较少。基于此，笔者综合水和氮肥2个因素进行试验设计，构建不同水肥组合模式，探讨各组合模式对水稻生长与产量的协同激励作用，以期为南方双季稻水肥高效利用调控技术与水肥一体化管理技术的更进一步研究提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概述

试验于2012年在湖南长沙县干杉镇干杉村上大屋组试验基地（28°08′18″E，113°12′0″N）进行，该地海拔42m，年平均温度为17.1℃，年降水量1500mm，年≥10℃积温5300～6500℃，为湖南典型的双季稻生产区。稻田土壤类型为第四纪红壤发育而成的红黄泥土。供试土壤理化性状为pH 6.1，有机碳15.37 g/kg，全氮1.55 g/kg，碱解氮147 mg/kg，有效磷7.1 mg/kg，速效钾54mg/kg。

1.2 试验设计

早稻品种为‘株两优90，晚稻为‘岳优9113。试验设置灌溉方式（W）和施氮量（N）2个处理因素，采用裂区设计，灌溉方式为主区，随机区组排列。灌溉方式设2个水平，施肥因素设4个水平，以其中的不施肥为对照，共计8个处理，进行3次重复。早稻小区面积为20 m²，3月29日播种，4月29日移栽，7月17日收获。大田株行距为16.5 cm×20 cm，栽插密度为3.0×10⁵穴/hm²，每穴插2苗；晚稻小区面积为15 m²，6月23日播种，7月19日移栽。大田栽插密度为2.5×10⁵穴/hm²，株行距为20 cm×20 cm，每穴插2苗。每个小区之间筑埂并用塑料薄膜包埂，两边设保护行。其他管理措施与一般高产稻田相同。

1.2.1 灌水因素淹水灌溉（W1）——大田自移栽返青后直至成熟前一周，稻田长期维持一定水层（3～5 cm水层）；间歇灌溉（W₂）——前期淹水灌溉，分蘖后期晒田，孕穗前回水后干湿交替灌溉，至收获前1周排水。

1.2.2 施肥因素施肥处理共设零、低、中、高4个氮肥水平，即早稻施纯N：0、90、120、150 kg/hm²，晚稻施纯N：0、105、135、165 kg/hm²，分别记为NO、N1、N2、N3。每季N肥施用比例均为基肥：拔节：孕穗=5：1：4；钾肥（KO₂）施用量为240 kg/hm²，磷肥（PO₅）用量为120 kg/hm²，均作基肥一次性施用。

1.3 观测指标

在水稻拔节期、抽穗期、成熟期，以平均茎蘖数为标准，每个小区取代表性植株5穴，植株连根拔起，清洗后去根。将叶片、茎鞘、穗分开，105℃杀青30 min，70℃烘干至恒重，称干重。将粉碎后的样品装入密封袋，采用凯氏法消化，K-370自动定氮仪蒸馏测定各部位氮素含量。

1.4 氮肥利用率的计算

（1）氮素积累总量（Total N accumulation，TNA）：成熟期单位面积植株（茎叶和穗）氮积累量的总和；（2）氮素干物质生产效率（N dry matter production efficiency，NDMPE）：单位面积植株干物质积累量与单位面积植株氮积累量的比值；（3）氮素稻谷生产效率（N grainproduction efficiency，NGPE）：单位面积籽粒产量与单位面积植株氮积累量之比；（4）氮素农学利用率（kg/kg）（N agronomic efficiency，NAE）=（施氮区产量一无氮区产量）/施氮量；（5）氮素吸收利用率（N recoveryefficiency，NRE）=[（施氮区植株氮素积累量一无氮区植株氮素积累量）/施氮量]×100%；（6）氮素偏生产力（kg/kg）（N partial factor productivity，NPF）=施氮区产量/施氮量。（7）氮素生理利用率（kg/kg）（N physiologicalefficiency，NPE）=（施氮区产量一空白区产量）/（施氮区地上部分含氮量一空白区地上部分含氮量）；（8）形成100kg籽粒所需氮量（kg）（N amount per 100 kg nice yield）（NPY）=（收获时植物体内养分积累量×100）/稻谷产量。

1.5 数据处理方法

数据结果采用Excel 2003进行整理。

2 结果与分析

2.1 水氮组合对双季稻氮含量的影响

由表1可知，相同灌溉模式下，不同生育期早稻各器官氮含量总体上随着施氮量增加而增加。拔节期的水稻茎鞘、叶片氮含量最高，随着水稻植株的生长发育，氮含量呈下降趋势。与拔节期的含量比较，成熟期叶片中氮含量降幅较大，平均下降了2.03%，其中以间歇灌溉施高氮降幅最大，达2.93%。茎鞘的平均降幅为0.87%，最大降幅同样出现在间歇灌溉施高氮处理，达到1.11%。穗部含N量总体变化不大，到成熟期高于茎鞘和叶的N含量。

对于晚稻，由表2可知，在相同灌溉模式下各器官的氮含量同样表现为随着施氮量增加而增加。植株茎鞘、叶片含氮量在拔节期最高，随着水稻植株的生长发育，氮含量呈下降趋势。与拔节期的含量相比，成熟期叶片中的氮含量在淹水灌溉和间歇灌溉条件下分别平均下降了1.58%和1.61%。茎鞘氮含量的下降幅度小于叶片，淹水灌溉和间歇灌溉条件下分别平均下降了0.48%和0.64%。到成熟期植株各器官中以穗部氮素含量最高，明显要高于叶和茎鞘，叶和茎鞘氮素含量大体相当。

2.2 水氮组合对双季稻吸氮量的影响

早稻地上部氮素积累量随着生育进程而逐渐增加，到成熟期植株氮素积累量达到最大值（表3）。在相同的灌溉条件下，植株氮积累量总体随着施氮量的增加而增加。在淹水灌溉条件下，以施高氮植株氮积累量最高，分别比施中氮、施低氮和不施氮处理高37.12、40.61、106.05 kg/hm²，增幅达20.8%、22.7%和59.4%；在间歇灌溉条件下，以施中氮植株氮素积累量最高，分别比施高氮、施低氮和不施氮高出8.93、27.40、102.90 kg/hm²，提高幅度为5.2%、15.8%和59.5%；相同施氮水平下，间歇灌溉植株氮积累量总体高于淹水灌溉。

植株吸收的氮素在茎鞘中的分布比例从拔节期到成熟期呈现先上升后下降趋势；在叶片中的分布比例表现为下降的趋势；在植株穗部的分布比例则随穗部N素积累量的上升而呈上升趋势，在成熟期达到最大。成熟期，氮素主要分布在穗部，占80%以上，其次是茎鞘占10%～15%，叶片占的比例最低，占10%以下。在相同灌溉条件下，穗部氮素分配比例以不施氮最高，总体随着施氮量增加而减少，尤其在间歇灌溉条件下表现明显。

对于晚稻，植株地上部氮素积累量同样随着生育进程而逐渐增加，成熟期达到最大值（表4）。与早稻相似，在相同的灌溉条件下，植株氮积累量随着施氮量的增加而增加。在淹水灌溉条件下，以施高氮植株氮积累量最高，分别较施中氮、施低氮和不施氮处理高22.19、43.27、93.91 kg/hm²，增幅为13.9%、27.0%和58.6%；在间歇灌溉条件下，还是以施高氮植株氮素积累量最高，分别比施中氮、施低氮和不施氮高出3.14、25.09、91.54 kg/hm²，分别超出1.9%、15.4%和56.3%；相同施氮水平下，间歇灌溉植株氮积累量总体要高于淹水灌溉。

晚稻季，植株吸收氮素在茎鞘、叶片以及穗部的分布比例变化趋势同早稻一致，即茎鞘的分布比例呈现先上升后下降趋势；叶片的比例表现为下降的趋势；而植株穗部的比例呈上升趋势。成熟期，植株吸收氮素主要分配在穗部，占75%以上，其次是茎鞘占10%-20%，叶片占的比例最低，占15%以下。在相同灌溉条件下，穗部氮素的分配比例以不施氮最高，总体表现为随着施氮量增加而减少。

2.3 水肥组合对水稻氮肥利用率的影响

在相同的灌溉条件下，早晚稻氮素干物质生产率、氮素稻谷生产率、氮素农学利用率、氮素偏生产力和氮素生理利用率均随着施氮量的增加而减少；而100 kg籽粒所需氮量随着施氮量的增加而增加（表5、表6）。早稻季，在淹水灌溉条件下，氮素干物质生产率、氮素稻谷生产率、氮素农学利用率、氮素偏生产率力和氮素生理利用率最大变化量分别为72.5、42.7、7.8、27.4、15.9 kg/kg，而100 kg籽粒所需氮量的最大变化量为0.78 kg；间歇灌溉条件下，氮素干物质生产率、氮素稻谷生产率、氮素农学利用率、氮素偏生产率力和氮素生理利用率最大变化量分别为64.5、40.2、8.5、27.3、7.13 kg/kg，而100 kg籽粒所需氮量的最大变化量为0.61 kg（表5）。晚稻季，在淹水灌溉条件下，氮素干物质生产率、氮素稻谷生产率、氮素农学利用率、氮素偏生产力和氮素生理利用率最大变化量对应为40.6、54.3、4.6、28.6、9.6 kg/kg，而100 kg籽粒所需氮量的最大变化量为0.45 kg；间歇灌溉条件下，氮素干物质生产率、氮素稻谷生产率、氮素农学利用率、氮素偏生产力和氮素生理利用率最大变化量分别为46.9、38.1、6.0、32.8、9.2 kg/kg，100 kg籽粒所需氮量最大变化量为0.48 kg（表6）。

3 讨论

前人研究报道，中国稻田氮肥平均吸收利用率为30%～35%。本研究结果表明早、晚稻氮肥吸收利用率分别在40%-53%和35%～48%，均高于平均水平。不同水稻品种氮肥吸收能力存在差异，可能是本研究所选用的品种具有较强的氮吸收能力。氮肥农学利用率表征施用的每千克纯氮增产稻谷的能力，而氮肥生理利用率反映了作物对所吸收的氮素肥料在作物体内的利用率。由于水稻的主要收获部分是籽粒，因此，用氮肥的农学利用率和生理利用率指标来评价氮肥利用水平可能更为科学合理。

良好的养分管理可使水稻的氮肥农学利用率达到20 kg/kg以上。本研究结果表明，早晚稻植株氮素农学利用率分别为12.3～1.7 kg/kg和15.1～2.4 kg/kg，普遍低于此标准。可能的原因是在成熟期水稻秸秆积累的氮素较多，没有形成经济产量。间歇灌溉中氮组合的早晚稻成熟期茎鞘和叶的含N量所占比例分别为0.46%和0.57%、0.88%和0.78%，而农学利用率高的间歇灌溉低氮组合的早晚稻成熟期茎鞘和叶含N量分别是0.39%和0.48%、0.74%和0.68%，含氮量均高于高农学利用率的组合，表明秸秆积累的N素过多而导致利用率低。同时，本研究发现在相同的灌溉条件下，氮肥农学利用率和生理利用率随施氮量的增加而下降；在相同的施氮水平下，氮素农学利用率和生理利用率均表现为间歇灌溉高于淹水灌溉。导致此结果的原因一方面是水稻产量随施氮量增加而增加，但产量增幅明显低于施N的增幅；另一方面是与淹水灌溉相比，间歇灌溉存在显著的节水增产效果。

在本研究中，随着生育进程，茎鞘和叶片中氮素含量下降，而籽粒中氮素含量增加；而随着施氮量增加，穗部氮素积累量占总吸收量的比例降低。通过该结果，首先进一步验证了在水稻齐穗后，茎鞘和叶片中的光合产物和氮大量向生殖器官转移的现象。第二，表明了由于氮肥施用量高，水稻生育期相对延长，延迟了籽粒的灌浆，也延迟了叶片和茎鞘中贮存的氮素向穗部转移，而植株吸收的多余的氮素累积在茎秆和叶中，没有形成经济产量，可能造成吸收氮素的浪费。在低氮条件下，籽粒是最重要的代谢库，而过量施氮则降低了籽粒吸收、利用氮素的能力。在相同施氮水平下，间歇灌溉的氮素积累量要高于淹水灌溉，这也与前人研究结果相一致。可见，合理地减少灌水量并不会减少水稻的吸氮量，甚至对氮素吸收及利用有一定的促进作用。这是由于长期淹灌不利于根系活力的提高，造成根系过早衰老，使根系对养分的吸收能力降低，导致功能叶氮含量、植株氮累积量增幅降低。

本研究仅分析了水氮组合模式对水稻氮素利用率的影响，而水与氮存在明显互作作用，水分过多或过少都会影响水稻氮素的吸收及氮素的利用率，只有在水分适度时，水稻氮素吸收能保持不变，而且可以更好地调控并利用营养器官中的贮备氮，提高产谷效率和氮素利用率。对于三者之间的影响机理还需进一步研究。其次，合理的施肥方式是提高水稻产量及氮素吸收利用率的重要保障，最佳的水氮组合模式能够充分发挥水氮耦合的优势，达到提高氮代谢酶活性、促进产量的增加、提高氮利用效率的目的。然而本研究仅采用了一种氮肥施用方法，在水氮组合模式中究竟哪种施肥方法最为合适，能更有效提高氮素利用率，也值得进一步研究。因此，本研究仅为南方双季稻水肥高效利用调控技术体系中的一部分，相关部分内容还有待深入研究。

4 结论

（1）本研究中，随着水稻生育进程发展，叶片氮素占植株氮积累量的比例呈下降趋势，而茎鞘氮素所占比例先升后降，穗所占比例呈上升趋势，说明水稻吸收N的转运存在优先序，拔节期以叶为优先转运器官，抽穗期和成熟期则分别以茎、穗为优先转运器官。

（2）与淹水灌溉相比，间歇灌溉具有更高的植株氮积累量、氮素农学利用率、氮素吸收利用率和氮素偏生产力，说明间歇灌溉能促进作物对N的吸收利用，提高N肥利用效率。间歇灌溉有助于水稻的节水节肥生产。

（3）随着施氮量的增加，植株氮积累量总体呈上升趋势，但氮素农学利用率、氮素干物质生产率、氮素偏生产力和氮素生理利用率均呈下降趋势。合理的施氮量需要结合氮素的吸收量和氮素的利用效率进行综合考虑。