氮肥运筹对苏打盐碱地水稻养分积累、转运及分配的影响

姜红芳，兰宇辰，王鹤璎，徐令旗，李 猛，赵 洋，李晓蕾，刘旭莹，吕艳东，郭晓红*

（1．黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，黑龙江 大庆 163319；2．牡丹江市农业技术推广总站，黑龙江 牡丹江 157000；3．北大荒垦丰种业股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090）

粮食安全是事关国计和社会稳定的首要问题，随着社会发展和城市化进程的加快，耕地面积正逐渐逼近耕地红线，耕地资源的日显稀缺已成为我国粮食安全的瓶颈［1］。我国现有盐碱地面积约为9 913 万hm2，松嫩平原作为中国第二大平原，其苏打盐碱地面积高达342 万hm2，主要分布在吉林省和黑龙江省西部地区，且有逐年扩大的趋势［2-3］。该区具备为国家增产千亿斤粮食能力的后备土地资源。水稻作为中国三大粮食作物之一，其高产、稳产对保障国家粮食安全至关重要。多年农业生产实践证明，盐碱地种稻是一项土壤改良与利用的有效措施，也是提高粮食产量的重要途经［4-6］。因此，盐碱地种稻不仅扩大水稻种植面积，而且提高水稻总产量，是当前和今后一段时间农业研究的一个热点问题。

氮、磷、钾是水稻生长发育中必不可少的三大营养元素，其丰缺程度直接影响水稻的生化代谢、生理特征、养分间的协同吸收利用及最终产量的形成［7］。为此，针对水稻氮、磷、钾养分吸收利用的研究，诸多学者在肥料种类［8-9］，耕作方式［10-11］，水氮互作［12］等方面开展了大量工作，姚单君等［13］研究发现腐殖酸尿素可有效促进水稻秸秆氮、磷、钾的吸收与积累，同时提高了氮、磷、钾的吸收利用效率，减少土壤中养分流失；唐海明等［10］研究表明土壤翻耕、旋耕结合秸秆还田措施有利于水稻植株群体养分的积累与转运。可见，适宜的农艺调控措施可促进水稻植株氮、磷、钾养分的累积及协同吸收。此外，Sun 等［14］、Li 等［15］在不同氮效率水稻品种间养分吸收差异的研究认为，增加齐穗至成熟期稻株氮、磷、钾的积累量可充分发挥氮高效品种的优势，利于水稻产量的提高。关于氮肥运筹对水稻养分吸收利用的研究多集中于氮素的吸收、积累与利用方面［16-18］，且研究表明通过合理氮肥运筹可提高稻株氮素积累量，促进水稻产量提高。但在苏打盐碱地条件下氮肥运筹对水稻氮、磷、钾养分吸收与利用的研究鲜有报道。鉴于此，本研究针对黑龙江省苏打盐碱地区，农民在水稻实际生产管理中倾向于氮肥的前重型分配的问题。通过改变施氮量、施氮比例及施氮时期，深入研究氮肥运筹下苏打盐碱地水稻齐穗期和成熟期各器官氮、磷、钾养分积累特点以及齐穗至成熟期营养器官养分转运、分配规律以及各养分间转运的关系，以期完善苏打盐碱地水稻氮肥施用方式，为提高水稻产量及养分的高效利用提供理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017 ～2018 年在黑龙江省大庆市王家围子水稻试验基地（125°07′E，46°40′N）大田条件下进行。该地区属北温带大陆性季风气候区，水稻种植以连作为主，一年一熟制。供试稻田土壤为苏打盐碱土，可溶性盐含量为0.31%。2017 ～2018年试验地0 ～20 cm 耕层土壤性状如表1 所示。

表1 土壤pH 值、有机质及养分状况

1.2 试验设计和田间管理

采用随机区组试验设计，通过实地农户调研确定当地农民常规施氮量以及施氮时期，根据徐一戎等［19］提出的“前重、中轻、后补”施氮原则，设置5 种氮肥运筹，即:不施氮肥（N0）、农民常规施氮（N1）、平衡施氮（N2）、减氮处理（N3）、平衡氮肥前移（N4），其中N0 用于计算氮肥利用效率，以N1 作为对照，氮肥为尿素，含N 46.4%，氮肥按基肥∶蘖肥∶穗肥=6∶3∶1 施入，其中穗肥以促花肥一次施入；N2 和N3 氮肥按基肥∶蘖肥∶穗肥=4∶3∶3 施入，N3 在N2 基础上减少10%施氮量，穗肥分成促花肥和保花肥以1∶2 的比例施入；N4 氮肥按基肥∶蘖肥∶穗肥=5∶3∶2 比例施入，穗肥以保花肥一次施入。各处理基肥于移栽前7 d 施入；N1 蘖肥和促花肥分别于移栽后20 d 和移栽后40 d 施入；N2、N3、N4 蘖肥在返青期施入，促花肥在倒四叶长出一半时施入，保花肥在倒二叶长出一半时施入。具体施氮时期及施氮量见表2。各处理磷肥为重过磷酸钙，含P2O546%，总量为70 kg/hm2，作基肥一次施入。钾肥为硫酸钾，含K2O 50%；总量为90 kg/hm2，按基肥∶保花肥以7∶3 施入。各小区面积为126 m2，3 次重复。

供试品种为粳稻品种，垦粳7 号，由黑龙江八一农垦大学农学院水稻研究中心选育。秧龄3.1进行人工均行插秧，行距30 cm，穴距13.3 cm，每穴4 苗，各试验小区做埂隔离，水分管理采用单排单灌方式，防止各处理间相互影响。播种日期分别为2017 年4 月17 日和2018 年4 月20 日，移栽日期 分 别 为2017 年5 月18 日 和2018 年5 月17 日，收获日期分别为2017 年9 月27 日和2018 年9 月20 日。插秧及大田管理按常规进行。

表2 氮肥运筹试验设计 （kg/hm2）

1.3 测定指标与方法

1.3.1 产量测定

各小区选择长势均匀的4 点，割取1 m2水稻，脱谷、晒干、风选后测定实际产量。

1.3.2 植株氮、磷和钾含量测定

各小区分别于齐穗期和成熟期按平均茎蘖数取有代表性植株4 穴，去根后将植株分叶片、茎鞘和穗，在105 ℃杀青30 min 后，80 ℃烘干至恒重。用LG-50 型粉碎机将水稻地上部各器官分别粉碎，并过0.25 mm 筛，采用KjeltecTM8400 全自动凯氏定氮仪（丹麦）测定氮；用钒钼黄比色法测定磷；用火焰光度法测定钾。

1.3.3 相关计算公式

采用吴文革等［20］的方法进行氮、磷、钾养分积累与转运的计算。

1.4 数据处理与统计方法

应用 Excel 2016 进行数据处理，用DPS 7.05进行数据统计分析，采用LSD 法进行多重比较（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹对苏打盐碱地水稻产量的影响

氮肥运筹和年份及其互作效应对苏打盐碱地水稻实际产量均有显著影响（表3）。N1、N2、N3 和N4 连续两年的平均产量分别为8.15 、9.31、8.61和7.50 t/hm2。与N1 相比，N2 和N3 水稻产量得到提高，尤其是N2 平均显著提高了14.23%；N3 平均提高了5.64%，但差异不显著；而N4 产量平均显著下降了7.98%。此外，N2 水稻产量显著高于N3，高出8.13%。

表3 不同氮肥运筹下苏打盐碱地水稻产量的变化

2.2 氮肥运筹对苏打盐碱地水稻氮素积累与转运的影响

2.2.1 水稻各器官氮素积累量的变化

氮肥运筹对齐穗期和成熟期叶片、茎鞘和穗部的氮素积累量有显著影响（图1）。齐穗期，氮素在植株体内分配表现为茎鞘最高，叶片次之，穗部最低。与N1 相比，N2 和N3 的叶片、茎鞘、穗部氮素积累量均提高，其中N2 平均分别显著提高了51.82%、35.53%和55.94%，N3 平均分别提高了25.76%、9.22%和19.57%，叶片和穗部与N1 间差异显著；而N4 降低了地上部各器官氮素积累量。成熟期，叶片和茎鞘氮积累量不同程度下降，穗部氮积累量大幅度增加，且在成熟期地上部各营养器官的氮素积累量低于穗部氮素积累量，与N1 相比，N2、N3 提高了叶片、茎鞘和穗部氮积累量，尤其是N2 茎鞘和穗氮积累量分别显著提高了19.86%和37.09%；N4 显著降低了叶片和穗部氮积累量，茎鞘略有降低，但差异未达显著水平，表明N2和N3 均具有氮素积累的优势，且N2 影响效果优于N3。

2.2.2 水稻氮素转运的变化

图1 不同氮肥运筹下2017 年和2018 年苏打盐碱地水稻各器官氮素积累量的变化

表4 不同氮肥运筹下苏打盐碱地水稻氮素转运的变化

由表4 可知，与N1 相比，N2 和N3 提高了齐穗至成熟期水稻叶片、茎鞘氮素转运量和转运率及转运贡献率，从而提高了穗部氮素积累量。其中，N2 叶片和茎鞘氮素转运量、叶片氮素转运率、氮素转运贡献率平均分别显著提高了83.27%、55.06%、20.26%和21.81%，N3 叶片转运量平均显著提高了43.24%。N2 和N3 穗部氮积累量平均分别显著提高了32.81%和12.18%（除2017 年N2与N1 间差异不显著）；N4 表现结果则与N2、N3相反，N4 穗部氮积累量平均显著降低26.43%。此外，叶片氮素转运率高于茎鞘氮素转运率，且氮肥运筹对叶片氮转运率影响大于茎鞘氮转运率。

2.3 氮肥运筹对苏打盐碱地水稻磷素积累与转运的影响

2.3.1 水稻各器官磷素积累量的变化

氮肥运筹下水稻植株地上部各器官磷素积累量的变化规律与氮素趋于一致（图2）。在齐穗期前植株吸收的磷素集中于茎鞘和叶片中，齐穗期后开始向穗部转运，至成熟期穗中磷素积累量表现最高，茎鞘次之，叶片最低。与N1 相比，N2、N3 提高了齐穗期和成熟期地上部各器官的磷素积累量，其中在齐穗期，N2 叶片、茎鞘和穗部平均分别显著提高了47.32%、36.74%和45.75%，N3 叶片磷素积累量平均显著提高了22.40%，在成熟期，N2 和N3 穗部磷素积累量平均分别显著提高了29.60%和18.09%。而N4 在齐穗期和成熟期叶片、茎鞘和穗部磷素积累量均显著降低（除2017 年成熟期茎鞘）。

图2 不同氮肥运筹下2017 年和2018 年苏打盐碱地水稻各器官磷素积累量的变化

2.3.2 水稻各器官磷素转运的变化

由表5 可知，氮肥运筹下水稻齐穗至成熟期叶片和茎鞘磷素的转运以及转运贡献率变化与氮素的影响趋势基本一致，N2 和N3 促进齐穗至成熟期叶片和茎鞘中磷素向穗部中转运，提高了穗部磷素积累量。与N1 相比，N2 叶片和茎鞘磷素转运量平均分别显著提高了71.33%和68.55%，磷转运贡献率和穗部磷积累量仅在2018 年显著提高；N3 叶片磷素转运量平均显著提高了38.44%，穗部磷素增加量在2018 年显著提高了16.80%；N4 叶片和茎鞘磷素转运量、转运率、转运贡献率以及穗部磷素增加量较N1 相比表现出不同程度的降低。

表5 不同氮肥运筹下苏打盐碱地水稻磷素转运的变化

2.4 氮肥运筹对水稻钾素积累与转运的影响

2.4.1 水稻各器官钾素积累量的变化

由图3 可知，在齐穗期，地上部各器官钾素积累量的变化与氮、磷的趋势较为一致。茎鞘中钾的积累量明显高于叶片和穗部，N2 和N3 茎鞘中钾积累量均高于N1，尤其是N2 平均显著提高了26.78%，而N4 茎鞘中钾积累量显著降低。在成熟期，钾素的积累在地上部各器官的分配不同于氮、磷，表现为茎鞘中钾积累量仍维持在较高水平，穗部次之，叶片最低；与N1 相比，N2 和N3提高了地上部各器官磷积累量，尤其是N2 叶片、茎鞘和穗部钾积累量平均分别显著提高了35.30%、21.02%和23.85%（除2017 年茎鞘增幅不显著），说明N2 和N3 利于茎鞘中钾素的积累，对提高苏打盐碱地水稻的抗倒伏性是必要的。

2.4.2 水稻各器官钾素转运的变化

氮肥运筹下水稻齐穗-成熟期叶片及茎鞘钾素转运如表6 所示。与N1 相比，N2 和N3 提高了叶片、茎鞘钾素的转运量，尤其是叶片钾素转运量平均分别显著提高了74.54%和27.24%（除2017 年N3 与N1 间差异不显著），而N4 显著降低了叶片和茎鞘钾素转运量。从钾素转运率来看，N2 和N3叶片和茎鞘转运率、转运贡献率以及穗部钾积累量均高于N1，与氮和磷表现不同的是，N3 茎鞘钾素转运率增幅高于N2，且在2018 年较N1 和N2 平均分别显著提高了19.37%和13.78%。穗部钾增加量在N2 处理下平均显著提高了16.43%，在N3 处理下平均提高了6.61%，在N4 处理下平均显著降低了15.12%。

2.5 氮肥运筹下苏打盐碱地水稻产量与养分积累、转运的关系

从水稻实际产量与成熟期地上部各器官氮、磷、钾积累量的线性回归分析可知（图4），苏打盐碱地水稻实际产量与叶片、茎鞘以及穗部的氮、磷、钾养分积累量均呈线性正相关，且达到极显著水平。从叶片养分积累来看，氮素积累量最高，钾素次之，磷素最低；氮、磷和钾养分积累与产量间的相关系数分别为0.90、0.92 和0.78。从茎鞘来看，钾素积累量明显高于氮和磷；相关系数表现为钾最高，磷次之，氮最低，说明成熟期茎鞘中钾积累量维持较高水平与产量有着重要的关系。穗部养分积累量表现氮＞钾＞磷，而与产量间的相关性表现为钾＞氮＞磷。

由表7 可知，产量与氮、磷、钾素转运贡献率均呈现正相关关系，其中与钾素转运贡献率的相关性达显著水平，说明提高氮、磷、钾养分转运贡献率有利于水稻产量的增加。进一步分析氮、磷、钾养分转运贡献率间的关系可知，氮、磷、钾各养分转运贡献率间表现为正相关关系，且氮、磷素转运贡献率间的相关性高于氮、钾素间的相关性，其相关系数为0.95，相关性达极显著水平。

图3 不同氮肥运筹下2017 年和2018 年苏打盐碱地水稻各器官钾素积累量的变化

表6 不同氮肥运筹下苏打盐碱地水稻钾素转运的变化

图4 氮肥运筹下苏打盐碱地水稻产量与成熟期各器官氮、磷、钾积累量的关系

表7 氮肥运筹下苏打盐碱地水稻产量与齐穗至成熟期养分转运贡献率的相关分析

3 讨论

氮肥运筹作为调控水稻群体发育的重要措施，其均衡施用是实现水稻高效生产的关键。黑龙江省苏打盐碱地区，农民在水稻的实际生产管理中施氮量过高，且氮肥施用时期不合理是产量普遍偏低的主要原因。而该地区稻田土壤的养分含量变化规律表现为插秧前和小暑至大暑期间土壤养分含量多，插秧至幼穗分化期、孕穗至成熟期间，土壤氮素含量下降，其土壤养分释放规律与水稻的需肥规律相比，表现为前期不足，中期相差不大，后期略显不足［21］。而农民的这种传统施氮方式导致水稻生育后期发生脱肥而早衰，不利于水稻增产。本研究为了平衡该地区土壤养分的释放规律，设置了“前重、中轻、后补”的平衡施氮方式、基于平衡施氮的减氮处理、氮肥前移的施氮方式，与农民常规施氮方式进行比较研究来明确合理的施氮量、施氮时期及其比例。连续两年的研究结果表明，平衡施氮和减氮处理均达到增产效果，尤以平衡施氮方式增产最高，而平衡氮肥前移处理降低了水稻产量。平衡施氮和减氮处理降低了基肥施氮量，早施蘖肥，使水稻前期的营养生长早生快发；且穗氮肥于倒四叶施用促花肥为倒三叶和倒二叶时期枝梗和颖花分化提供了养分，同时在倒二叶施用的保花肥防止了颖花的退化。由此可知，穗氮肥分两次施用与土壤养分的释放形成互补，延长了水稻生育后期的养分有效供应，从而为水稻获得高产奠定了基础。此外，本研究中减氮处理下水稻产量显著低于平衡施氮，可见，在苏打盐碱地条件下，保证氮肥施用量更利于充分发挥耐盐碱水稻品种的增产优势。

氮、磷、钾养分的吸收积累与分配对水稻产量的形成至关重要。江立庚等［22］研究认为水稻植株在齐穗期前氮素积累量大部分集中在叶片，而在成熟期则大部分积累在穗部。本研究进一步表明，从齐穗期到成熟期的过程中，水稻叶片和茎鞘的氮、磷、钾养分积累量逐渐减少，穗部的氮、磷、钾养分积累量随之增加，说明水稻植株在齐穗期后，地上部营养器官中所积累的养分逐渐转向穗部。孙永健等［23］研究表明，协调氮素基蘖肥与穗肥比例有利于提高氮、磷、钾各养分在齐穗前的积累，并促进结实期养分向籽粒中转运，从而提高结实期各营养器官氮、磷、钾的转运贡献率。本研究结果表明，平衡施氮和减氮处理能调控水稻齐穗期与成熟期的养分积累，促进齐穗至成熟期养分的转运，可实现苏打盐碱地水稻高产以及氮、磷、钾养分吸收利用的协同提高，且能进一步发挥耐盐碱品种的优势，尤其平衡施氮方式影响效果更为显著；同时结合前期的研究报道，平衡施氮和减氮处理养分高效利用的生理基础可能是由于齐穗至成熟期保持较高的高效叶面积，以及水稻群体的干物质积累量表现为齐穗至成熟期稳定增长；叶、茎和鞘物质积累量以及输出量、输出率、转化率高的群体特征，达到了穗足、库容（穗粒数）、充实度（千粒重）以及结实率高的产量构成特征，这可能是导致最终不同氮肥运筹下水稻地上部各器官养分积累转运和产量差异的重要依据；也间接证实了穗肥分促花肥和保花肥两次施用有效保障了幼穗分化期以后氮素的供应，进而利于穗部养分积累量的提高，充分发挥了氮、磷、钾协同吸收与利用的耦合效应。这是苏打盐碱地水稻高产、养分高效吸收利用的关键所在，由于供试土壤为苏打盐碱土，因此平衡施氮较减氮处理更能突出优势。此外，平衡施氮、减氮处理在明显提高齐穗至成熟期茎鞘钾素转运量以及转运率的基础上，保证了成熟期水稻植株茎鞘中钾素积累量仍维持在较高水平，这有利于提高苏打盐碱地水稻的抗倒伏性；但平衡施氮下茎鞘钾素转运率低于减氮处理，这一结果与李木英等［24］研究中认为茎中钾素下降不利于植株后期的抗倒伏，增施氮肥能抑制水稻茎中钾的输出率较为相似。

氮素是植物体内多种化合物的物质基础，其供应状况与植物体内各种物质及能量的转化密切相关。闫湘等［25］研究表明，缺乏某种养分会限制其他养分发挥作用而影响产量，保证作物生长期间所需的各种养分均衡供给可以避免此种状况发生。前人通过分析水稻氮、磷、钾养分间的协同性一致认为［26-27］，合理的施用氮肥可保证作物体内积累充足的氮素，使作物更好地进行各种代谢过程，进而促进对磷、钾素的吸收利用。田秀英等［28］研究也证实氮、钾间，磷、钾间呈现正交互作用。本研究通过与农民常规施氮方式比较发现，平衡施氮和减氮处理在促进水稻对氮素的吸收积累与转运的同时水稻对磷、钾的吸收积累与转运能力也得到提高。孙永健等［29］研究表明水稻氮、磷、钾积累量与产量间表现极显著正相关。本研究结果表明，水稻实际产量与成熟期叶片、茎鞘以及穗部的氮、磷、钾养分积累量呈极显著正相关，同时，水稻齐穗至成熟期植株氮、磷、钾养分转运贡献率间存在协同性，且与产量间存在正相关关系，利于获得高产。但氮和磷间协同性高于氮和钾间的相关性，因此，分析本试验苏打盐碱地氮肥运筹条件下的养分吸收利用的特点，在生产实践中应注重于后期的养分供应，并考虑氮肥与磷肥间的配施。

4 结论

综上所述，氮肥运筹对苏打盐碱地水稻产量以及氮、磷、钾吸收和利用有显著影响。平衡施氮和减氮处理通过合理的施氮时期与施氮量相结合，充分发挥了耐盐碱品种的优势，促进苏打盐碱地水稻植株对氮、磷和钾的吸收，从而提高水稻各器官对氮、磷和钾的积累能力，实现苏打盐碱地水稻对养分的高效吸收与利用，达到增产高效的目的。为提高水稻产量及养分的高效利用提供理论支持。