施肥方式对水稻‘花优14’干物质积累、产量及肥料利用率的影响*

沙之敏, 陈侠桦, 赵 峥, 史超超, 袁永坤, 曹林奎**

(1. 上海交通大学农业与生物学院 上海 200240; 2. 宝山区农业推广服务中心 上海 201901; 3. 上海市农业科学院生态环境保护研究所 上海 201403; 4. 青浦区水务局 上海 201700)

植株生物量积累直接影响作物产量和品质的形成。水稻(Oryza sativa)移栽后不同时期干物质的积累状况反映了不同部位的生长发育和养分吸收状况,了解其干物质积累动态变化, 有助于采取有效措施调控水稻生长发育、提高产量[1-2]。而干物质积累规律, 也因作物种类、品种、环境因素和栽培管理措施的不同而差异较大[3-4]。化肥的大量投入成为水稻高产的主要手段, 但也成为水稻品质下降、土壤退化和环境问题的主要因素[5]。有机肥施用能够显著改善土壤理化性质, 增加土壤中的有效养分含量,并且能够显著提高稻米的胶稠度和食味值[6-7]。有机肥作为一种来源于植物动物代谢残体的肥料, 能够提供植物生长所需的各种营养元素, 有机肥对化肥的替代也节省了大量的化肥资源, 对我国农业可持续发展有重要意义[8]。随着近年来育种技术和肥料管理技术的不断进步, 大量水稻品种被选育出来,但是不同品种对养分吸收、干物质积累具有显著差异, 同一品种在不同肥料管理下干物质积累特征也各不相同。目前, 国内外关于通过研究不同作物品种、施肥水平和种植方式对作物产量进行调控的报道很多[9-11]。但基于多年施肥定位试验条件下南方平原地区水稻干物质积累的影响研究还很少。‘花优14’是上海市农业科学院作物育种栽培研究所育成的高产杂交稻品种, 2008年通过上海市农作物品种审定后在上海地区推广种植, 目前种植面积已达 2万hm2。本研究采用水稻品种‘花优14’, 在基于长期定位测坑肥料试验的条件下, 连续 2年研究其干物质积累规律及施肥方式对水稻干物质积累和产量等的影响, 以期为我国南方稻田优化施肥管理模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在上海青浦区农田水利技术推广站的多年定位测坑试验站进行。该测坑于 1998年用原状土壤回填建成, 建成后实行施肥一致的水旱种植,自2009年开始进行稻麦轮作的肥料处理试验, 共3种肥料处理, 每处理3次重复并随机排列。试验小区土壤为青紫泥水稻土, 属重壤土, 各小区间由2.5 m高的水泥板隔开, 以保证肥水不串流(图1)。测坑可以实现试验小区水量和肥料的精准控制, 能够记录作物生育期灌水量、蒸发量、渗漏量和径流量, 保证试验各小区土壤水分状态一致。此外, 测坑试验小区旁有小型气象站, 可以随时获取相应的气象数据。本试验于 2014年、2015年两年中的5—11月进行。

1.2 试验设计

供试水稻品种为上海地区主栽的杂交粳米‘花优 14’, 该品种高产且抗逆性好, 适合当地种植。试验两年间, 于 5月底 6月初翻地(2014年为5月 28日, 2015年为6月5日), 并灌水泡田(2014年为6月1日, 2015年为6月8日), 水稻幼苗在3叶一心时(2014年为6月4日, 2015年为6月11日)移栽至试验小区中, 株距25 cm, 行距15 cm。在水稻病虫害高发时期(7月下旬至9月上旬), 即拔节孕穗期和抽穗扬花期各喷施广谱农药两次, 试验田除草均采用人工拔草方式。

试验测坑小区内共设置 4个处理, 除对照外其他处理氮肥均按照 300 kg(N)·hm-2施用, 化肥处理和混施肥处理磷钾均按照 60 kg(P2O5)·hm-2和 60 kg(K2O)·hm-2施用。处理分别为: 单施化肥(CT), 使用黄浦江上游地区推荐的化肥种类和施用量, 磷钾肥全部作为基肥施入, 氮肥尿素分基肥和分蘖期、抽穗前两次追肥, 基肥追肥比例为6∶2∶2; 单施有机肥(OT), 全部施用以鸡粪为原料的商品有机肥,且仅作为基肥施用, 有机肥来自于上海森农环保科技有限公司; 有机无机配施处理(MT), 施用尿素和有机肥两种肥料作为氮源, 按照总施氮量 300 kg(N)·hm-2, 其中尿素用量 240 kg(N)·hm-2, 商品有机肥替代其余 60 kg(N)·hm-2, 有机肥全部做基肥施入, 尿素按照氮 6∶2∶2的比例进行基肥和追肥,追肥时间与 CT一致, 磷钾不足部分用化肥磷钾补充; 空白对照(CK), 不施用任何肥料。不同处理的施肥方案见表1。每处理3个重复, 共12个测坑小区,小区面积为 6 m2, 随机区组排列。其他田间管理方式同大田。2014年施肥插秧前, 取测坑内 0～20 cm耕层土壤, 测定土壤养分含量, 其基本理化性质见表2。

图1 测坑结构及水稻种植示意图Fig. 1 Schematic view of Lysimeter structure and rice cultivation

表1 供试不同处理的施肥方案Table 1 Fertilization scheme for different treatments

1.3 采样时间与方法

根据2014年、2015年水稻长势分别在植株移栽后的返青期(6月22日、6月30日)、分蘖期(7月5日、7月18日)、拔节期(7月28日、8月10日)、孕穗期(8月31日、9月1日)、抽穗扬花期(9月12日、9月10日)、灌浆期(9月28日、9月28日)和成熟期(10月 24日、10月 10日)采样, 每次采取 2穴有代表性的水稻植株的地上部, 并在灌浆期和成熟期分成营养体和籽粒两部分, 烘干并称重。水稻收获后取全部坑内植株计算产量并进行产量构成要素分析。相关参数计算公式如下:

表2 供试土壤基本理化性质Table 2 Physical and chemical properties of the experimental soil

花前贮藏干物质转运量(kg⋅hm-2)=抽穗扬花期干重-

花后同化物输入籽粒量(kg⋅hm-2)=成熟期籽粒干重-

氮素农学效率(kg⋅kg-1)=(施氮处理籽粒产量-不施氮

氮偏生产力(kg⋅kg-1)=施肥小区产量/施氮量[14](5)数据通过SPSS和Microsoft Excel 2010进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对水稻营养体和总生物量的影响

由图2a可知, 从拔节期开始, 不同肥料处理显著影响水稻生物量的积累, MT和CT处理水稻干物质积累量显著高于OT处理, CK最低。从灌浆期开始,营养体生物量呈下降趋势。总生物量在水稻整个生育期均呈上升趋势(图2b)。试验两年间水稻营养体和总生物量的积累规律相同, 但由于年际气候差异, 第 1年干物质的积累量高于第2年。两年营养体和全植株干物质的积累结果均表明, MT和 CT处理显著高于OT和CK处理, 且MT和CT处理间无显著差异。OT会影响水稻生长和干物质的积累。说明适量的有机肥能够替代单施化肥处理, 满足水稻生长过程中的养分需求, 以达到水稻的最高干物质积累量。

图2 不同施肥处理水稻营养体生物量(a)和总生物量(b)的动态变化Fig. 2 Dynamics of vegetative organs biomass and total biomass of rice in different fertilization treatments

2.2 不同施肥处理下水稻生物量的回归分析

对两年水稻出苗到成熟干物质积累量的回归分析发现, 各处理水稻地上部干物质积累量(Y)随着移栽后的天数(t)的增长过程为不对称的 S型曲线, 可以用 Logistic方程Y=Wm/(1+ae-bt)拟合[4], 拟合方程的相关系数均达到极显著水平(表3)。结合图3和表3分析发现, 水稻干物质积累速率在整个生育期呈低-高-低的趋势, 且 2014年干物质最大积累速率高于2015年。两年试验不同施肥处理中, MT和CT处理‘花优 14’干物质最大积累量和最大增长速率明显高于CK和OT处理。两年水稻地上部分干物质最大积累速率均出现在 CT处理, 分别为 0.95 g·株-1·d-1和 0.66 g·株-1·d-1; 其次为 MT, 分别为 0.94 g·株-1·d-1和 0.64 g·株-1·d-1。2014年 MT和 CT 两处理分别是CK处理的1.27倍和1.29倍, 是OT的1.33倍和1.36倍; 2015年两处理分别是CK处理的1.50倍和1.41倍, 是OT的1.40倍和1.22倍。两年中MT最大速率出现的时间最早, 分别为移栽后93 d和95 d, 其次为CT处理, 为移栽后95 d和98 d, 均早于OT(98 d和102 d)和CK(96 d和106 d)处理。水稻干物质积累量两年的最终表现 CT=MT＞OT＞CK, 说明有机无机配施能够在有机肥替代一部分化肥的条件下达到与单施化肥相同的水稻干物质最大积累速率, 并提前最大积累速率出现的时间。

表3 不同施肥处理水稻地上部干物质积累的Logistic模型Table 3 Logistic equations for rice total biomass accumulation in different fertilization treatments

2.3 不同施肥处理对水稻产量与产量构成的影响

试验两年各处理水稻产量及其构成结果(表4)表明,各处理水稻产量、秸秆产量、有效穗数均显著高于对照。2015年各处理籽粒产量普遍低于2014年水平, 秸秆产量和千粒重均高于2014年水平。2015年水稻收获期持续降雨, 因此水稻推迟收获近 2周, 持续降雨天气对水稻造成的落粒、掉穗等现象可能是造成与2014年相比产量较低的主要原因。两年中, CT、MT、OT和CK的千粒重均无显著差异。其中, 2014年MT处理的产量、秸秆干重和有效穗均为最高, 分别达10.61 t⋅hm-2、11.53 t⋅hm-2、245.07×104panicle⋅hm-2, 显著高于CK处理的0.64、1.68和0.89倍, 与CT处理间无显著差异。说明有机无机配施的水稻产量构成因素个体与群体协调发展, 是实现高产的最佳组合。

表4 不同施肥处理的水稻产量及构成因素Table 4 Rice yield and yield components in different fertilizer treatments

2.4 不同施肥处理的籽粒产量形成与肥料效率

两年试验期间, MT和CT的花后同化物输入籽粒量均显著高于CK处理, 且2015年显著高于OT, 但MT和CT间无显著差异。2014年‘花优14’籽粒干重来源于籽粒重形成阶段的同化物输入量占54.45%～67.52%, 另外 32.48%～45.55%来源于营养体中花前贮藏同化物的转运, 其中MT和CT籽粒干重来源于花后同化物输入的比例较 OT和 CK处理高10%左右, 且两者之间的差异不显著。2015年花后同化物输入对籽粒干重的贡献率更高, 但处理间的差异与2014年趋势一致(表5)。说明产量的形成主要源于花后同化物输入, 有机无机配施能够达到和单施化肥相同的效果, 增强水稻花前贮藏同化物转运, 特别促进花后同化物向籽粒的输入, 可提高水稻产量。

肥料农学效率和收获指数是评价作物施肥成效和产量水平的重要指标, 其生理本质反映了碳素从源到籽粒库的分配比例和施肥对光合产物的影响。两年处理中, MT氮肥的农学效率、偏生产力最高,CT次之, 但CT和MT间无显著差异。MT两年平均农学效率和偏生产力分别高于CT 9.9%和15.2%。而收获指数的顺序则恰好相反, MT最低, 2014年仅为0.48, CT次之, 为0.52。说明有机无机配施处理下, 水稻能够更为有效地利用肥料中的氮, 而每千克氮肥生产的籽粒也高于其他处理。

表5 不同施肥处理的水稻肥料效率与收获指数Table 5 Fertilizer use efficiencies and harvest indexes of rice in different fertilizer treatments

2.5 不同施肥处理的经济效益

从水稻基本种植成本来看, CT处理需5 925元·hm-2,MT比CT处理低1 529元·hm-2, OT处理则比单施化肥处理高3 141元·hm-2。从图4可知, 2年中MT处理收益均最高, CT处理次之, OT处理最低, 但2014年MT和CT处理间无显著差异。与CT处理相比, 两年试验期间 MT处理每公顷农民增收 2 345元和2 091元; 而OT处理纯收益较CT处理两年分别显著降低24.4%和 58.2%, 农民每公顷减少收入3 734元和6 557元。从经济效益角度出发, 单施有机肥不利于产量形成。而从生态效益角度出发, 有机肥还田不仅能够节省化肥资源, 还能够培肥土壤, 改善土壤的理化性状(表2)。综合考虑, 有机肥可以替代一部分化肥施用, 在保证水稻高产量的同时, 为农户带来同等或较高的经济效益, 也兼顾了土壤培肥和环境保护等生态效益。

图4 不同施肥处理的水稻经济效益比较Fig. 4 Economic benefits of rice production in different fertilization treatments

3 讨论与结论

干物质积累是产量形成的基础, 作物干物质和养分积累受生物自身因素和环境因素的制约。本研究中, 2014年水稻干物质积累量高于2015年。2014年上海青浦区积温达3 720 ℃, 降雨922.3 mm; 2015年积温为3 524 ℃, 降雨686.9 mm。2014年积温和适量的降雨益于水稻植株碳水化合物的积累, 因此各处理下2014年的干物质积累量均高于2015年。Logistic方程被广泛应用于农作物干物质和养分吸收动态规律的模拟, 研究者通过模拟玉米(Zea mays)、棉花(Gossypiumsp.)、小麦(Triticum aestivum)、烤烟(Nicotiana tabacum)等作物的干物质和养分积累曲线, 计算出作物生长过程中最快的吸收速率和最大速率出现的时间, 从而对作物的施肥调控提供科学的依据[15-17]。本研究结果表明, 水稻品种‘花优 14’干物质积累量随着生育进程逐渐上升, 可以用Logistic方程模拟。但拔节期开始, 有机无机配施处理和单施化肥处理下水稻干物质积累量显著高于单施有机肥处理和不施肥处理, 但有机无机配施和单施化肥处理间并无显著差异。有机无机配施能够加快干物质的积累速率并提前最大积累速率出现的时间, 进而延长光合产物积累时间并提高水稻的产量。本研究结果与彭耀林等[18]及姜佰文等[19]在水稻方面，宋桂云等[20]在玉米方面的研究一致。

两年试验研究表明, 有机肥能够替代一部分化肥, 水稻的干物质积累量、产量和经济效益与单施化肥无差异。说明有机无机配施能使土壤中养分释放动态和水稻营养吸收动态相吻合, 在水稻营养生长期保证了有效穗数, 后期有机肥的缓慢释放配合化肥追肥也能够维持水稻生育后期根部活力, 防止作物早衰, 进而维持较长的灌浆时间, 促进籽粒持续结实,为水稻产量形成作出贡献[14,18-21]。而不施肥和单施有机肥处理由于养分供应不足或释放缓慢, 生育后期籽粒的干物质积累则大部分来自于其他器官的再分配。另外, 肥料利用率是施肥增产效应的综合表现,受施肥量、作物种类和管理措施等各种因素的影响[22],王宜伦等[23]指出, 有机肥与化肥配施能够协调养分的平衡供应, 提高作物产量, 同时可减少化肥用量, 提高养分利用率。本研究两年结果均表明, 有机无机配施处理肥料利用率显著高于单施化肥处理和其他处理。Zhao等[24]利用DNDC模型研究表明, 在上海地区稻田土壤条件下, 施用 150 kg⋅hm-2尿素 N 和100 kg⋅hm-2有机肥 N能够在水稻达到最佳经济产量的同时减少稻田氮素流失, 是最优的施肥方式。因此,根据‘花优14’的养分需求规律, 兼顾水稻产量和环境效益, 有机无机混施是较为合理的一种施用方法, 而更精准的施用量、施用配比和基肥与追肥的施用方式仍然有待进一步研究。

综上所述, 上海地区水稻‘花优 14’的栽培管理中, 在不增加氮肥施用量的前提下, 以部分有机肥替代化肥能够提高水稻的干物质积累量和积累速率,进而促进籽粒结实并保证作物产量与施用化肥效果无差异。此外, 有机无机配施较单施化肥和单施有机肥能够提高氮素的农学利用率, 在保证水稻经济效益的同时减少了化肥投入, 是较优的施肥方式。

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