氮肥水平与栽植密度互作对不同生育期水稻生长及产量的影响

李思平，丁效东，向 丹，曾路生，张玉晓，解军蕊，黄信诚，高发瑞

(1.青岛农业大学 资源与环境学院，山东 青岛 266109；2.济宁市农业科学研究院，山东 济宁 272009)

水稻作为世界上种植历史最悠久的粮食作物，全球近一半人口都以水稻为食。由于基础产量较高，所以水稻对粮食安全起着至关重要的作用[1-2]。济宁市地处山东省西南部，气候属暖温带季风气候，四季分明，光温充足，土质为肥力水平中等的砂姜黑土，适合水稻生长，目前水稻种植面积可达4.77 hm2。济宁水稻种植历史悠久，品质优良，选育了圣稻18等一批生育期适宜且适应性较强的优良品种在鲁西南地区推广使用[3]。近年来，由于农田水利设施基础的薄弱以及高产水稻品种不断培育推广，我国水稻种植出现氮肥用量不断增加、栽植密度越来越低等一系列问题[4-6]。一方面，大量的氮肥投入会增加水稻的无效分蘖、延迟水稻生育期，加剧硝态氮肥的淋失和铵态氮肥的挥发，以至于造成地表水或地下水的硝酸盐含量严重超标，导致环境污染和生态破坏[7-9]。另一方面，水稻播种密度越来越低，虽然可以省工节本，但基本苗数不足，分蘖数过少，不利于光能与地力的充分利用。故只有合理的施氮量和栽植密度才能在促进水稻生长、提高产量的基础上，提高氮肥利用率，为个体发育与群体成长奠定坚实的基础，保证单位面积水稻产量的提高[10-11]。另外，合理施肥可以改善土壤环境，培肥土壤[12]，合理的栽植密度还能增强水稻抗倒伏性，提高水稻产量与质量[13]。本试验通过田间设置氮肥水平与种植密度互作，深入探究水稻氮肥水平和栽植密度的互作效应对水稻生长、养分吸收和产量的影响，以期探究水稻施氮量与种植密度的最佳组合，为减少施氮、制定合理的水稻种植措施，实现水稻高效增产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究以山东省济宁市任城区水稻试验田为研究区域，试验时间为2017年6月-2018年10月。土壤类型为肥力中等的砂姜黑土，试验对象是第2季水稻，品种为圣稻18号。供试肥料包括尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O516%)和氯化钾(含K2O 60%)。

1.2 试验设计

试验设双因素处理，即施氮量与栽植密度。施氮量设4个水平：无氮(N1)0 kg/hm2；低氮(N2)216 kg/hm2；中氮(N3)288 kg/hm2；高氮(N4)360 kg/hm2。其中中氮(N3)为农民常规施氮量。栽植密度设3个梯度：低密度24万穴/hm2；中密度27万穴/hm2；高密度30万穴/hm2。其中，低密度为当地常规栽培密度。共12个处理，3次重复。小区面积为30.24 m2(3.6 m×8.4 m)，区组随机排列，各小区之间用塑料薄膜隔开，嵌入土层以下40 cm，地面以上保留60 cm。区组之间设置60 cm宽的排灌沟，排灌沟中央开挖宽度和深度为25～30 cm的走水沟，全部小区实行单排单灌。本试验氮肥分4次施用，其中基肥、返青肥、分蘖肥、穗肥施用量各占总施氮量的30%，25%，35%，10%。磷肥按照P2O5112.5 kg/hm2施用，全部作基肥；钾肥按照K2O 112.5 kg/hm2施用，全部作基肥。各处理均基施硫酸锌15 kg/hm2。

1.3 测定项目及方法

分别于水稻分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期以及成熟期时采集水稻样品，每个处理随机采集12株水稻，用以分析测定生长指标。

1.3.1 水稻生长指标的测定 株高、根长用直尺进行测量；根体积用排水法测量；叶面积用打孔仪法测定；分蘖数直接数出；鲜质量由电子天平称量。

1.3.2 水稻养分吸收的测定 水稻全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用浓硫酸消煮，钒钼黄比色法测定；全钾采用浓硫酸消煮，火焰光度计法测定。

1.3.3 水稻叶绿素的测定 叶绿素是在试验田使用叶绿素测定仪SPAD-502进行测定，多次测定取平均值。

1.3.4 水稻产量的测定 每小区选择1 m2计算水稻产量，收获时连同秸秆一并带回实验室进行脱粒烘干。

1.4 统计分析

采用SPSS 进行方差分析，采用Microsoft Office Excel工作表对各指标数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 氮肥水平与栽植密度互作对水稻不同生育期生长指标的影响

2.1.1 氮肥水平与栽植密度互作对分蘖期生长指标的影响 由表1可知，在分蘖期，随着氮肥处理水平的提高，低密度和高密度下，水稻株高有逐渐增高的趋势，而中密度下水稻株高随氮肥增加先增高后降低。其中，30N4的处理株高最高，24N1处理的株高最低，且差异显著。中、高密度下，根长有逐渐降低的趋势，鲜质量则有先增加后减少的趋势，其中，不同栽培密度的处理中，传统施肥的N3 都具有较高的鲜质量。分蘖数随氮肥处理水平的增加，中低密度有先增加后减少再增加的波动趋势，而高密度则有先增加后减少的趋势。

2.1.2 氮肥水平与栽植密度互作对拔节期生长指标的影响 由表2可以看出，与分蘖期相比，拔节期水稻的鲜质量和叶面积增加了3～4倍，株高与根体积增加了2倍多，根长与分蘖数有一定量的增加。其中，拔节期水稻的30N3处理株高最高，为81.6 cm，对比常规处理24N3增长了8.9%，且各处理之间无显著差异。30N1的根长最长，对比常规处理增长了51.5%，且差异显著。比较鲜质量发现，30N3与27N3处理最重，24N2处理最轻。总体来说，在拔节期30N3处理的水稻生长指标较好。

表1 氮肥水平与栽植密度互作对水稻分蘖期生长指标的影响Tab.1 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on growth index of rice at tillering stage

注：每行数据后不同小写字母表示在P<0.05差异显著。表2-8同。

Note：Different lowercase letters after each line of data indicate a significant difference atP< 0.05.The same as Tab.2-8.

表2 氮肥水平与栽植密度互作对水稻拔节期生长指标的影响Tab.2 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on growth index of rice at jointing stage

分析表3数据可知，抽穗期中等密度的27N4处理株高最高，对比常规处理24N3增长了9.7%，而高密度的30N4株高最低，且差异显著。24N4处理的鲜质量最高，27N1处理的鲜质量最低，且差异显著。常规处理24N3的分蘖数最多，27N4处理分蘖最少。总体来说，到了抽穗期，低密度高氮处理的24N4具有较好的生长指标。

2.1.3 氮肥水平与栽植密度互作对灌浆期生长指标的影响 由表4可知，到了灌浆期，不同处理的水稻生长指标与拔节期比较差异不大，甚至略有减少，说明水稻开始衰老。低密度和高密度下，随着氮处理水平增加，水稻的株高出现先增加后下降的趋势，而中密度的水稻株高呈先降低后增加的趋势。水稻根长整体呈下降趋势。常规施肥的N3水平下，随着栽植密度的增加，水稻根体积、叶面积和分蘖数都呈现先减少后增加的趋势。总体来看，灌浆期30N1处理的生长指标相对较好。

表3 氮肥水平与栽植密度互作对水稻抽穗期生长指标的影响Tab.3 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on growth index of rice at heading stage

表4 氮肥水平与栽植密度互作对水稻灌浆期生长指标的影响Tab.4 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on growth index of rice at filling stage

2.1.4 氮肥水平与栽植密度互作对成熟期生长指标的影响 分析表5数据可知，到了成熟期，中低密度处理的水稻鲜质量有一定量的增加，而高密度处理水稻鲜质量却有一定量的减少。各个处理的水稻叶面积都有一定量的增加，根体积有一定量的减少。其他生长指标与灌浆期比较差异不大。其中，30N3处理株高最高，对比常规处理24N3增长了8.1%，差异不显著。根长24N1最长，对比常规处理24N3增长了61.8%，且差异显著。常规处理24N3的鲜质量、根体积、叶面积和分蘖数均为最大，且差异性显著。分析成熟期生长指标发现，24N3处理的生长指标相对较好。

纵观水稻整个生长周期，发现水稻在分蘖期和拔节期，30N3处理的生长指标较高。在抽穗期时，24N4与27N4的生长指标较高，灌浆期则是30N1处理的生长标相对较高。由此可知，氮肥用量的增加对水稻分蘖数、株高及叶面积的增加有一定促进作用，而水稻生长指标为中等栽植密度的较好。

2.2 氮肥水平与栽植密度互作对水稻不同生育期养分吸收的影响

2.2.1 氮肥水平与栽植密度互作对水稻不同时期全氮吸收的影响 分析表6数据可知，水稻从分蘖期到成熟期，所有处理的全氮含量总体呈下降趋势，下降最多的27N2处理全氮含量下降了63.7%。下降最少的24N1处理全氮含量也下降了19.6%。可以看出，中密度处理的全氮含量指标较好，其中27N2处理在抽穗期比24N2处理高出20.2%，27N3处理在灌浆期比27N1处理高出1.30%。氮肥处理中N3处理的全氮含量指标较好，其中27N3处理在灌浆期比27N1处理高出106.6%。

表5 氮肥水平与栽植密度互作对水稻成熟期生长指标的影响Tab.5 Effects of Interaction between nitrogen application levels and planting density on growth indicators of rice at mature stage

表6 氮肥水平与栽植密度互作对水稻不同时期全氮吸收的影响Tab.6 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on total nitrogen absorption in different stages of rice g/kg

分析还可知，水稻体内吸收的氮量，在分蘖期差异更明显，到了成熟期各处理间的差异已不太明显。在分蘖期，水稻体内的氮含量低密度时随氮处理水平的增加而增加，中密度时先增加后减少，而高密度时表现为先减少后增加，说明氮的变化非常复杂。

2.2.2 氮肥水平与栽植密度互作对水稻不同时期全磷吸收的影响 根据表7数据可知，水稻整个生长周期的全磷含量总体表现出先下降后上升的趋势。从分蘖期-抽穗期，所有处理全磷含量持续下降，到抽穗期下降至最低值，然后逐渐回升。下降最多的是24N1处理，全磷含量下降了93.0%。回升最多是30N1处理，全磷含量从2.3 g/kg增高至17.3 g/kg。同一栽植密度下，随着氮肥用量的增加，水稻全磷含量整体有一定的上升；同一氮肥水平下，随着栽植密度的增加，全磷含量在灌浆期以前有一定程度的下降，至成熟期反而增加。

2.2.3 氮肥水平与栽植密度互作对水稻不同时期全钾吸收的影响 由表8可知，随着水稻不断生长，水稻全钾含量整体呈现先上升后下降的趋势。分蘖期-拔节期，大部分处理的全钾含量都有小幅度升高，但24N2、30N1和30N2 3个处理的全钾含量略微下降。拔节期-灌浆期，所有处理的全钾含量持续下降，下降较多的24N4、30N4处理分别下降了53.8%，70.3%。从灌浆期-成熟期，大部分处理的全钾含量出现一定程度的回升，小部分处理继续下降，但程度不大。伴随着氮肥用量的增加，水稻全钾含量在拔节期表现为持续略微升高，而在灌浆期则呈现先升高后降低的趋势。

表7 氮肥水平与栽植密度互作对水稻不同时期全磷吸收的影响Tab.7 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on total phosphorus absorption in different stages of rice g/kg

表8 氮肥水平与栽植密度互作对水稻不同时期全钾吸收的影响Tab.8 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on total potassium absorption in different stages of rice g/kg

2.3 氮肥水平与栽植密度互作对水稻不同时期叶绿素含量的影响

由图1可知，从分蘖期-灌浆期，水稻叶绿素含量整体呈现先上升后下降的趋势。随着氮肥水平的增加，叶绿素平均含量呈增加趋势。随着栽植密度的增大，叶绿素含量变化差异不明显。

在水稻分蘖期，24N2的叶绿素含量相对较高，各处理之间的差异不显著。拔节期，24N2处理的叶绿素含量相对较高，24N1处理最低。在抽穗期时，30N3处理的叶绿素含量最高。在灌浆期时，30N4的处理叶绿素含量较高，27N1处理最低，且差异显著。总体来讲，对于水稻的整个生长周期而言，30N4处理的叶绿素含量相对较高，说明叶绿素含量受氮的影响较大。

2.4 氮肥水平与栽植密度互作对水稻产量的影响

由图2可知，氮肥用量与栽植密度互作对水稻产量有明显影响。27N3处理的产量最高，可达14 615.3 kg/hm2，比同密度下不施氮肥的27N1处理产量提高了12.1%，比相同氮肥水平下低密度的常规处理24N3产量提高了18.5%。而30N1处理的产量最少，仅有8 221.1 kg/hm2。从氮肥水平来看，中等栽植密度的氮肥用量与水稻产量呈抛物线性关系，288 kg/hm2的氮肥用量为最佳。从栽植密度看，27万穴/hm2的栽植密度为最佳，24万穴/hm2次之，30万穴/hm2种植效果最差。分析原因可能为密度过小会导致有效穗数过少从而无法获得预期产量，密度过大则会影响水稻对光照的吸收和对土壤养分的利用，导致产量过低。

图2 氮肥水平与栽植密度互作对水稻产量的影响Fig.2 Effects of interaction between nitrogen application levels and planting density on rice yield

3 结论与讨论

氮肥施用与控制栽植密度作为水稻种植过程中的主要栽培手段，对水稻的生长起关键性作用。大量的研究表明，合理的氮肥用量搭配适宜的栽植密度能够有效地提高水稻的产量[14]。水稻产量是品种遗传特性和环境条件综合作用的结果[15]。氮肥用量达到一定程度以后，水稻产量将不再提高，相反还会有所降低[4]。张耀鸿等[16]认为，超过一定施肥量随着氮肥用量的增加，水稻的总吸氮量及氮肥利用率都会下降。邓中华等[17]根据模型分析来研究不同密度和氮肥对水稻产量、构成因子及氮肥利用率的影响，并得出其试验条件下氮肥密度的最优组合为194.9 kg/hm2和22.1万蔸/hm2。本试验研究发现，随着氮肥用量的增加，拔节期水稻的株高、鲜质量、叶面积及分蘖数均以施氮量288 kg/hm2、栽植密度30万穴/hm2为最佳。

氮素是叶绿素的组成成分，叶绿素a和叶绿素b都是含氮化合物[18]。氮素的增加能促进叶绿素的合成，本试验条件下，拔节期的24N2处理与抽穗期的30N3处理叶绿素含量较高。氮肥用量增加还可以促进水稻的养分吸收，随着施氮量的增加，水稻植株的全氮、全磷及全钾的含量均有不同程度的升高。合理优化施肥是水稻高产稳产的关键环节[19-20]，所以施氮水平要与追求的产量水平相一致[21]。兰艳等[22]研究表明，成都平原稻作区施氮量为225 kg/hm2，栽插密度为2.667×105穴/hm2时，能够促进粳稻D46高产并提高氮肥利用率。本研究发现，中等密度下氮肥用量与水稻产量呈一定的抛物线性关系，且当氮肥水平按照288 kg/hm2施用，栽植密度为27万穴/hm2时产量最高，可达14 615.3 kg/hm2。

有研究认为，中密度时有效穗数、实粒数均不是最优，但产量最高[23]，这与本试验结果相似。对于低密度植株而言，个体生长数据较好。比如24N4处理在抽穗期的叶面积、鲜质量最高，24N1处理根体积最大。但由于低密度基本苗少，有效穗数有限，故总体产量较低。而密度过高时，田间过于荫蔽相互遮挡，个体之间竞争激烈，不仅个体生长数据较差，而且总体产量也不容乐观。所以只有合理的密度才能充分协调穗、粒结构，满足个体与群体的发展，改善田间结构，有效地提高水稻产量[24-25]。

本试验研究表明，相同的栽植密度下，288 kg/hm2的施氮水平可以有效提高水稻产量。在中密度条件下，288 kg/hm2的施氮处理比不施氮肥产量提高12.1%；相同的施氮水平下，27万穴/hm2的栽植密度可以有效提高水稻产量。在常规施肥，即中氮条件下，27万穴/hm2的栽植密度比常规的低密度处理产量提高18.5%。

综上所述，氮肥水平与栽培密度的最优组合为288 kg/hm2和27万穴/hm2，该组合在降低氮肥用量，控制合理密度的同时，实现了产量的最大化。