节水灌溉下减施氮肥对水稻分蘖动态和产量的影响

邢素丽，邹拓，杨军芳，杨云马，黄少辉，贾良良，翟丽梅

（1.河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北省肥料技术创新中心，河北 石家庄 050051；2.河北省农林科学院滨海农业研究所，河北 唐山 063000；3.中国农业科学院农业资源与区划研究所，北京 100081）

水稻是耗水量最多的大田作物[1～3]，在淹水栽培条件下80%的稻田灌溉水通过蒸发和淋失途径而损失[4]；同时，生产中氮肥管理粗放、施用过量，氮素利用率不断降低，导致水肥资源大量浪费。尤其在我国北方地区，水资源短缺与水肥管理不协调的矛盾始终是制约北方优质水稻生产的关键因素[5～7]。研究表明，科学控水管理能够增加水稻分蘖、提高产量[8，9]，适量控水配合科学施肥可以有效调节水稻生长。近年来，人们开始对水稻干湿交替耦合施氮和水氮互作机制进行研究[12～17]，但是有关优化干湿交替耦合施氮配置对水稻分蘖动态的影响研究还不多见，尚未形成指导生产的实用性技术。通过田间试验进一步探索北方稻区优化干湿交替节水灌溉下氮肥减施后的适宜用量以及对水稻分蘖动态和产量的影响，旨为北方水稻生产上合理运筹水肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年在河北省唐山市曹妃甸区河北省农林科学院滨海农业试验站进行。试验区地理位置北纬 39°17′44″、东经 118°27′23″，属东部季风区温带半湿润气候，年平均气温11.7℃，年≥10℃积温4 488.8℃，年降水量540.8 mm；土壤类型为砂壤质盐渍水稻土，0～20 cm耕层土壤pH值7.89，基础土壤养分含量为有机质13.11 g/kg、全氮1.04 g/kg、有效磷39.6 mg/kg、速效钾243.0 mg/kg。

1.2 试验材料

试验水稻品种为滨稻959，由河北省农林科学院滨海农业研究所选育。

氮肥选用尿素（N含量46%），磷肥选用过磷酸钙（P2O5含量16%），钾肥选用硫酸钾（K2O含量50%）。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验水稻水肥管理措施设6个处理（表1）。其中，常规灌溉方式是在插秧后保持水层7～10 cm，全生育期共灌溉18次，合计灌水量13 800 m3/hm2；节水灌溉方式采用优化干湿交替灌溉，是依据水稻不同生育阶段对水分的需求而供水，以调节分蘖与生长，全生育期共灌溉19次，合计灌水量10 800 m3/hm2。优化干湿交替灌溉的水层具体管理方法为：移栽时保持2～3 cm水层，移栽后保持3～5 cm水层，分蘖始期保持2～3 cm水层，分蘖后期晾田或晒田见干，以控制营养生长；幼穗分化期保持2～3 cm水层，幼穗分化后晾田或晒田，灌浆始期保持2～3 cm水层，灌浆后期晾田晒田，以促根防早衰。磷肥和钾肥全部底施；氮肥分5次平均施用，分别是底肥1次、返青期1次、分蘖—拔节孕穗期2次、抽穗期1次。小区面积48 m2，随机排列，3次重复，小区之间打埂并做防渗处理。

2019年6月6日移栽水稻，平均行距29.6 cm、穴距18.5 cm，秧苗苗龄40 d；10月31日收获。试验年度水稻生育期降水量为440.9 mm，全年降水量为542.9 mm（图 1），其中7～9月降水量为 421.3 mm，占生育期降水量的95.55%，占全年降水量的77.6%。

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 基础土壤指标。水稻移栽前，采用“S”型取样法采集0～20 cm耕层基础土样，测定土壤pH值以及有机质、全氮、有效磷和速效钾含量。其中，pH值测定采用PH计法；有机质含量测定采用重铬酸钾容量法；全氮含量测定采用凯氏法；有效磷含量测定采用alson法；速效钾含量测定采用火焰光度法[18]。

表1 不同处理的水肥管理方案Table 1 Designs of irrigation and fertilization of different treatments

图1 2019年的日降水量Fig.1 Daily precipitation of 2019

1.3.2.2 水稻指标。水稻生长季，记录灌溉水量。移栽后第4天每小区均选择长势均匀的稻株20穴进行标记，定点、定期调查茎蘖（穗）数量，直至成熟前。计算成穗率（穗数/最大分蘖数×100%）和无效分蘖率（100%-成穗率）。

成熟期，每小区均选取10穴，调查穗粒数、结实率和千粒重；其余未破坏性取样的部分去掉边行后收获，测定实际产量。

1.3.3 数据统计分析 利用Excel软件进行统计和数据作图处理，利用DPS软件进行重复间数据的显著度比较分析。

2 结果与分析

2.1 节水灌溉下不同减施氮肥处理对水稻分蘖动态及成穗的影响

2.1.1 对水稻分蘖动态的影响 氮肥不足影响水稻的分蘖数量（图2）。与不施用氮肥的CK0相比，5个施氮处理各时期的分蘖数均显著增多。

图2 节水灌溉下不同减施氮肥处理的水稻群体分蘖动态Fig.2 Tillers development dynamics of rice population of different treatments of reducing nitrogen application rate under water saving irrigation

适量水氮配合能够促进水稻分蘖的发生。与常规水肥管理的CK2相比，节水灌溉条件下，在分蘖高峰期之前水稻分蘖数随施氮量的增大而增多。而施氮量与CK1相同、水量为常规灌溉量的CK2，相同时期下水稻分蘖数均低于CK1。表明适量的水氮配合促进了水稻分蘖的发生，而过量水分会抑制水稻分蘖。

氮肥不足或过量还影响水稻分蘖高峰的到达时间和分蘖数量。各处理均在6月19日进入快速分蘖盛期，但不同处理分蘖高峰的到达时间和分蘖数量不尽相同。CK0的分蘖高峰出现在7月1日，最高分蘖数为162.89万个/hm2；7月1日之后分蘖数开始衰减。T1和T2处理的分蘖高峰均出现在7月8日，最高分蘖数分别为224.62万和235.57万个/hm2；7月8日之后分蘖数开始衰减。而氮肥用量较高的3个处理（T3、CK1、CK2）均在7月15日达到分蘖高峰，最高分蘖数分别为248.36万、273.12万和266.25万个/hm2；7月15日之后分蘖数开始衰减。自7月1日开始，CK1的分蘖数均显著＞CK2，表明氮肥过量时过多水分在一定程度上会抑制水稻分蘖的发生。

2.1.2 对水稻成穗和无效分蘖的影响 氮肥不足和过量均会影响水稻的单位面积穗数、成穗率和无效分蘖率（图3）。不同处理的总茎数和单位面积穗数顺序均为 T2＞T3＞CK1＞T1＞CK2＞CK0，成穗率顺序为 CK0＞T2＞T1＞T3＞CK1＞CK2，无效分蘖率顺序为 CK2＞CK1＞T3＞T1＞T2＞CK0，基本趋势表现为，节水灌溉条件下，在一定的施氮量范围内，单位面积穗数随着施氮量的增大而逐渐增多，氮肥过量后群体穗数和成穗率均随施氮量的增大而降低；无效分蘖率随着氮肥用量的增多而逐渐增大。CK1的成穗率＞CK2，表明水分过量由于抑制了分蘖的发生，进而影响到单位面积穗数的增多。所有处理中，CK0的成穗率（97.68%）最高，且无效分蘖率（2.32%）最低，与该处理单位面积穗数最少有关。施肥条件下，T2处理成穗率（93.20%）最高且与CK0差异不显著，无效分蘖率（6.80%）最低，因此认为是比较科学的水氮组合。可以看出，优化干湿交替灌溉氮肥用量减少30%的处理可以促进水稻植株分蘖，增加有效分蘖成穗率，减少无效分蘖。

图3 节水灌溉下不同减施氮肥处理对水稻成穗率和无效分蘖率的影响Fig.3 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on panicle rate and invalidtiller rate of rice under water saving irrigation

2.2 节水灌溉下不同减施氮肥处理对水稻产量及产量性状的影响

2.2.1 对水稻产量的影响 施氮处理的水稻产量均显著＞CK0（图4），表明不施氮肥会导致产量明显降低。

图4 节水灌溉下不同减施氮肥处理对水稻产量的影响Fig.4 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on yield of rice under water saving irrigation

不同施氮处理的产量差异较大。节水灌溉条件下，随着施氮量的增大，水稻产量呈先增加后降低的变化，其中T2处理产量最高，达到了11 439.10 kg/hm2，分别较CK0、CK1增产36.11%和7.52%，差异均达到了显著水平；分别较T1、T3处理增产3.63%和4.10%，但差异均不显著。表明节水灌溉下水稻最高产量的氮肥用量是较农民习惯用量减少30%，但该产量水平下仍具有一定的减氮潜力。CK1较CK2增产1.11%，但差异不显著，表明在农民习惯施氮量条件下采用优化干湿交替节水灌溉的产量水平能够达到农民习惯灌溉的产量水平，即优化干湿交替节水灌溉具有节水、稳产的效果。

2.2.2 对水稻产量构成因子的影响 施氮处理的水稻单位面积穗数和穗粒数均显著＞CK0；结实率均＞CK0，其中减施氮肥的3个处理与CK0差异均达到了显著水平；千粒重均＜CK0（表2）。表明施用氮肥可明显促进水稻群体穗数和穗粒数增多，提高结实率，但不利于千粒重的提高。

不同施氮处理的单位面积穗数、穗粒数、结实率和千粒重差异较大。节水灌溉条件下，随着施氮量的增大，单位面积穗数、穗粒数和结实率均呈先增加后降低的变化，其中，T2处理的指标值均为最高，与T3处理差异均不显著，但均显著＞CK2和T1处理，且穗粒数和结实率均显著＞CK1；千粒重变化规律不明显，其中T2处理的指标值与CK0差异不显著。表明氮肥不足或过量均会影响水稻群体穗数、穗粒数和结实率，适量水氮配合会促进水稻群体穗数和穗粒数增加，提高结实率，保证千粒重，其中T2处理效果最好。节水灌溉下施氮量较农民习惯用量减少30%处理的各项产量构成指标均最好，与CK0相比，单位面积穗数、穗粒数和结实率均显著提高，而千粒重降低不明；与CK2相比，明显增加群体穗数（7.37%）、穗粒数（6.77%）和结实率（6.89%），千粒重略有提高。

表2 节水灌溉下不同减施氮肥处理对水稻产量构成因子的影响Table 2 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on yield components of rice under water saving irrigation

CK1的群体穗数、穗粒数、结实率和千粒重与CK2差异均不显著，表明在农民习惯施氮量条件下采用优化干湿交替节水灌溉的产量构成因子水平能够达到农民习惯灌溉的产量构成因子水平，即优化干湿交替节水灌溉具有节水、稳定产量构成因子的效果。

2.3 节水灌溉下不同减施氮肥处理对水稻经济效益的影响

经济效益是反映肥料配方效果的重要指标之一。不施用氮肥的CK0虽然投入成本最低，但由于产量最低致使产值最低，最终经济效益为-2 348.58元/hm2，远远低于5个施肥处理（表3）。常规水氮处理的CK2，由于投入成本最高，最终经济效益仅为786元/hm2，明显低于节水灌溉方式的各施肥处理。节水灌溉条件下，随着施氮量的增加，水稻经济效益呈先增加后降低的变化，其中，T2处理的经济效益最高，达到了4 932.32元/hm2。与农民习惯水氮管理（CK2）相比，T2处理水稻产值增加2 384.78元/hm2，且减少氮肥用量30%、节省灌溉水21.74%，最终节本增效总收益为4 146.14元/hm2，具有良好的经济效益和生态效益。

表3 节水灌溉下不同减施氮肥处理对水稻经济效益的影响Table 3 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on economic beneficial of rice

3 结论与讨论

有资料显示，水稻全生育期的需水量为2310m3/hm2，蒸发量为3 735 m3/hm2，分别占全生育期总用水量的11%和17%；而渗漏量多达15 660 m3/hm2，占全生育期总用水量的72%。由此可见，水稻生产中大量的灌溉水是消耗在蒸发和渗漏上[19～21]。与此同时，伴随着灌溉水的大量损失，肥料过量特别是氮肥过量损失的问题亦十分突出。本研究区域农民习惯施氮量高达360～450 kg/hm2，但从养分吸收角度来看，实现水稻产量水平10 500～11 250 kg/hm2的氮素需求量约为255 kg/hm2。研究实证与优化干湿交替节水栽培相匹配的科学减氮量，综合调控水稻的水氮需求，对改变北方水稻水氮过量的生产现状具有现实意义。

水分和养分是影响水稻分蘖的2个重要因素。分蘖早生快发，争取低位蘖有利于增产[22～25]。水稻分蘖期对水分比较敏感，浅灌有利于分蘖。在温度26～33℃、土壤持水量为80%时分蘖最多，温度低于20℃且土壤持水量达100%时分蘖最少[26]。优化干湿交替灌溉的水层管理是依据不同时期水稻对水分的需求进行的，可以促进分蘖（CK1的分蘖数和收获穗数均多于CK2），对促进水稻有效分蘖具有显著作用。此外，养分也是影响水稻分蘖的重要因素，水稻施氮量对群体分蘖数和有效分蘖影响较大。水稻施氮量过大时分蘖高峰期延迟，且随着施氮量的增大，无效分蘖数增加，有效分蘖成穗率下降。减少前期氮肥用量有利于提高水稻的有效穗数，同时，施用粒肥能够促进水稻灌浆，提高千粒重[27，28]。水稻无效分蘖死亡时会将其体内的碳、氮同化物转移至有效分蘖。

水氮过量均会使有效分蘖成穗率降低；合理水氮配置能够增加穗粒数，提高结实率以及水稻产量和效益。与当前研究区农民习惯水氮管理相比，优化干湿交替节水灌溉下，施氮量较农民习惯用量减少30%处理的有效分蘖成穗率为93.20%，群体穗数、穗粒数、结实率分别提高7.37%、6.77%和6.89%，增产8.72%，经济效益提升4 146.14元/hm2，且氮肥用量减少30%，肥料投入节省261.36元/hm2，灌溉水节约21.7%，具有良好的经济和生态效益，是当前合理的水氮管理方法，可用于指导相似类型区水稻生态栽培。