点深施肥对寒地水稻产量品质及氮肥利用率的影响

李红宇,李 逸,赵海成,刘梦红,郑桂萍,吕艳东,范名宇

(1. 黑龙江八一农垦大学 农学院,黑龙江 大庆 163319;2. 黑龙江八一农垦大学 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)

氮素是影响水稻生长发育及产量、品质最敏感的因素之一[1]。中国水稻生产的氮肥消耗量约占世界水稻氮肥总消耗量的37%[2],但氮肥吸收利用率只有30%～35%[3-4]。黑龙江省水稻种植面积达5.33×105hm2,氮肥吸收利用率为20%左右,农学利用率和偏生产力分别约为10,40 kg/kg[5]。合理施氮是实现水稻优质、高产和高效利用的关键措施[6-7]。氮肥的盲目性增施、运筹不合理及施用方式不当是当前氮肥利用效率低下的主要原因,并引起一系列环境问题,严重影响农田的可持续利用[8]。研究建立水稻科学高效施肥技术对于节约养分资源、保护生态环境与促进水稻可持续发展具有十分重要的意义。“育苗移栽”是当前寒地水稻的主要栽培模式[9-10],其基肥施用方式为全层施肥,分蘖肥施用方式为表施。但以上施肥方法通过淋洗、土壤固定、氨挥发和移栽前排水往往造成肥料损失严重。为了克服全层施肥的缺陷,学者们做了诸多有益的探索,如近年来黑龙江垦区推广的“水稻侧深施肥”技术,其基肥随移栽作业同步进行,肥料施于苗带侧3 cm,深度5 cm的土壤中,呈线条分布。相对全层施肥,侧深施肥能够减少氮素的损失,在根系周围形成浓度较高的肥区,一定程度上实现了根区施肥的要求,产量和肥料利用率均有所提高[11]。郑桂萍等[12]比较了水稻“旱平垄作双侧双深栽培模式”与常规全层施肥的实施效果,认为垄上苗带双侧双深分层施肥可减少施肥量5%～10%,增产5%以上,肥料利用率显著提高。李金峰等[13]对水稻条带旋耕、苗带集中施肥的研究结果表明,苗带不同耕层土壤的速效养分含量均高于常规栽培,尤以中下层更为明显,能够显著提高肥料利用率和稻谷产量,穗数与穗粒数协同增加是其获得高产的主要原因。徐万里等[14]的研究结果也显示,深施肥可以显著降低氮肥的氨挥发损失速率和损失量,氨挥发的持续时间也相应缩短,其原因是土壤胶体富含阴离子,深施的铵态氮肥通过土壤胶体的吸附作用以及土壤的阳离子交换能力被土壤固定,以降低土壤水中铵态氮浓度来减少氨挥发损失量。以农民常用的氮肥碳铵和尿素作水稻基肥为例,表施时氮肥利用率只有20%～30%,氮挥发及流失损失却高达50%～70%,氮肥深施能有效提高氮肥利用率至26%～38%,减少损失至38%～51%[15]。莫钊文等[16]通过大田试验研究也认为,肥料深施可以显著提高作物对养分的吸收量,改善稻米品质。随着秧苗移栽同步进行深施肥,可以通过缩小肥料在土壤的分布空间,来提高秧苗周边土壤肥料浓度,从而提高肥料利用率。本研究设计了一种水稻肥料高效施用的方法,将传统的全层施肥改为点深施肥,基肥、分蘖肥分别施用变为合并基施,施肥作业与移栽作业同步,相对缩小肥料在耕层中的分布空间,进而实现集中深施肥。点深施肥提高局部肥料浓度,减少了淋溶、挥发和移栽前排水造成的养分损失。本研究比较了全层施肥、侧深施肥和点深施肥的产量品质效应及氮肥利用率的差异,以期为寒地水稻高效施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点及材料

2017,2018年分别在大庆试验基地和方正试验基地进行。2017年供试土壤为轻度苏打盐碱土,碱解氮含量92.8 mg/kg、有效磷含量36.2 mg/kg、速效钾含量156.0 mg/kg、有机质含量27.4 g/kg、pH值7.2。2018年供试土壤为黑钙土,碱解氮含量198 mg/kg、有效磷含量42.3 mg/kg、速效钾含量165.0 mg/kg、有机质含量3.19 g/kg、pH值6.1。

试验品种为垦粳8号,主茎13片叶,株高94.3 cm左右,生育期142 d左右,需≥10 ℃活动积温2 650 ℃左右。

1.2 试验设计

单因素随机区组设计,3水平,氮肥全层施肥(Whole layer fertilization,WLF)、侧深施肥(Side deep fertilization,SDF)和点深施肥(Point deep fertilization,PDF),同时设置无氮区,5次重复。全层施肥处理的基肥在整地后立即撒施,然后使用电动搅浆机将肥料混拌入15 cm耕层,分蘖肥在水稻返青后表面撒施。侧深施肥的基肥和分蘖肥的氮肥合并,随移栽作业同步施用,肥料在苗带一侧3 cm,深5 cm处呈线条分布。插秧施肥前,排干小区水层,通过人工开沟、沟内人工拌土撒肥、覆土等步骤实现侧深施肥。点深施肥的基肥和分蘖肥的氮肥合并,随移栽作业同步施用,将预制的肥丸置于苗带侧面3 cm,距泥面5 cm的位置,每穴秧苗对应一颗肥丸,施肥作业方向平行于苗带延伸方向。点深施肥肥丸的制作方法为将尿素粉碎,与风干细土混拌均匀后加水适量,制作成直径0.7 cm的肥丸,每颗肥丸含有基肥总施氮量的3%,肥丸边制作、边施用,防止肥料析出。

参试肥料为尿素(N 46.4%)、重过磷酸钙(P2O543.0%)和硫酸钾(K2O 50.0%)。3个处理施肥量、肥料种类及配比相同,N∶P2O5∶K2O=2∶1∶1,磷肥一次性基施,钾肥按基肥∶穗肥=6∶4分配。全层施肥的氮肥分配比例按基肥∶分蘖肥∶调节肥∶穗肥=4∶3∶1∶2,侧深施肥和点深施肥的氮肥分配比例按基肥∶分蘖肥∶调节肥∶穗肥=7∶0∶1∶2。插秧规格为行距30 cm×穴距10 cm,每穴4苗。2017，2018年分别在4月12日和4月13日浸种,4月20日和4月18日播种,5月22日和5月25日人工移栽,9月25日和9月28日收获。分蘖肥于返青期表面撒施,调节肥和穗肥分别于倒4叶露尖和倒2叶露尖撒施,具体施肥量及施用时期如表1。

表1 施肥量及时期Tab.1 Fertilizer application and period kg/hm2

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成因素的测定 成熟期每个小区按平均穗数取代表性植株2穴,悬挂在阴凉通风处风干后,分为茎鞘和穗,称量穗质量和茎鞘质量。穗部用于考种,考察项目包括穗数、穗粒数、结实率和千粒质量。

1.3.2 干物质积累、叶面积指数、根系形态的测定 分蘖期每处理在2个小区中各取长势一致的水稻植株4穴,每穴以植株为中心,取行向10 cm×垂直行向30 cm×深30 cm的土块,置于尼龙网袋中,先用水管粗洗,再用电动喷雾器冲至干净,尽量保持根系完整。将根系切下,用根系形态专用扫描仪(Microtek Scan Makeri 800)数字化扫描,LA-S植物根系分析系统分析总根长、总根面积、总根体积和根系平均直径。切下根系后的地上部分用于分蘖期干物质和叶面积测定,叶片、茎鞘和根系3部分,分别包装,105 ℃杀青30 min,80 ℃烘干至恒质量。直尺量上3叶的长度和宽度,采用长宽系数(0.75)法计算叶面积采用干质量法计算叶面积指数。齐穗期和灌浆期每处理分别在3个小区各取长势均匀植株4穴,分为上3叶、余下叶片、穗和茎鞘四部分,分别包装,105 ℃杀青30 min,80 ℃烘干至恒质量。直尺量上3叶的长度和宽度,采用长宽系数(0.75)法计算叶面积和高效叶面积,采用干质量法计算叶面积指数和高效叶面积指数。

1.3.3 生理指标的测定 每处理分别在分蘖期、齐穗期和灌浆期测定15片功能叶的SPAD值,分蘖期功能叶为倒3叶,齐穗期和灌浆期功能叶为剑叶,使用日本柯尼卡美能达叶绿素SPAD-502仪测定。测定时注意避开叶脉和有损伤的叶片。于分蘖期、齐穗期和灌浆期,选择晴朗无风的天气,09:00-11:00,采用美国PPSYSTEMS公司生产的CIRAS-3型便携式光合测定系统测定功能叶的光合速率,每处理测定4片叶。参数设定为叶室CO2浓度为380 μmol/mol,固定红蓝光源1 500 μmol/(m2·s)。为避免环境CO2浓度波动的干扰,将进气口与装有恒定CO2浓度的塑料瓶相接。于齐穗期每处理取功能叶12片,液氮固定,-80 ℃超低温冰箱保存。采用北京索莱宝科技有限公司的生化试剂盒测定硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT),3次重复。

1.3.4 植株氮含量及氮肥利用率的测定 成熟期每小区按照平均穗数取代表性植株2穴,去除根系,105 ℃下杀青30 min,80 ℃下烘干至恒质量,称取整株干质量。整株磨碎粉,并过0.18 mm孔径筛,用于植株含氮量测定。采用H2SO4-H2O2消煮,凯氏定氮仪(FOSS-8400)测定植株含氮量。依据以下公式计算氮肥农学利用率、吸收利用率、生理利用率和偏生产力[17]。

氮肥农学利用率=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量;

氮肥吸收利用率=(施氮区地上部植株吸氮量-不施氮区地上部植株吸氮量)/施氮量×100%;

氮肥生理利用率=(施氮区产量-不施氮区产量)/(施氮区地上部植株吸氮量-不施氮区地上部植株吸氮量);

氮肥偏生产力=施氮区产量/施氮量。

1.3.5 稻米品质测定 稻谷室内储存3个月后用于品质测定。按照《优质稻谷(GB/T 17891-2017)》的要求测定稻谷的加工,外观及营养品质。采用米饭食味计(STA1A)测定米饭的食味评分。使用日本静冈制机株式会社生产的ES-1000型大米外观品质判别仪测定精米垩白粒率和垩白度;参照李军等[18]的方法测定糙米直链淀粉含量和蛋白质含量。

1.4 数据处理

数据整理和描述性分析采用 Microsoft Excel 2010进行,方差分析SPSS Statistics V21.0进行。

2 结果与分析

2.1 施肥方式对产量及其构成因素的影响

表2结果表明,穗数呈点深施肥>侧深施肥>全层施肥,点深施肥较侧深施2 a平均提高10.15%,较全层施肥提高13.76%,增幅显著或极显著;穗粒数和结实率处理间差异不显著;大庆基地点深施肥处理的千粒质量极显著高于侧深施肥和全层施肥,分别高3.09%,3.33%,侧深施肥与全层施肥处理间差异则不显著,方正基地不同施肥处理间的千粒质量差异不显著;最终产量呈点深施肥>侧深施肥>全层施肥,其中大庆基地处理间产量差异达极显著或显著水平,方正基地处理间点深施肥与全层施肥差异显著,两区域点深施肥处理较侧深施肥和全层施肥平均增产10.20%，15.12%,侧深施肥较全层施肥平均增产4.47%。

表2 产量及其构成因素的比较Tab.2 Comparison of yield and its components

2.2 施肥方式对地上部干物质积累量及叶面积指数的影响

表3结果表明,除分蘖期大庆干物质积累量表现为测深施肥>点深施肥>全层施肥外,不同生育时期地上部分干物质积累量均呈点深施肥>侧深施肥>全层施肥,但不同生育时期在不同处理间的差异不同。在分蘖期,大庆点深施肥与侧深施肥处理的地上部干物质积累量差异不显著,但均极显著高于全层施肥,方正点深施肥极显著高于侧深施肥和全层施肥,侧深施肥与全层施肥处理间差异则不显著,2 a平均后点深施肥较侧深施肥和全层施肥分别提高13.46%，72.65%。在齐穗期,大庆点深施肥处理地上部干物质积累量与侧深施肥差异不显著,但均显著高于全层施肥,方正基地各施肥处理间差异不显著,2 a平均后点深施肥较侧深施肥和全层施肥分别提高3.27%，9.90%。在灌浆期,大庆基地不同施肥处理间地上部干物质积累量差异不显著,方正基地则表现为点深施肥显著高于侧深施肥和全层施肥,而后两者差异不显著,2 a平均后点深施肥较侧深施肥和全层施肥分别提高18.90%，25.21%。在成熟期,大庆基地不同施肥处理地上部干物质积累量差异不显著,方正基地则表现为点深施肥与侧深施肥差异不显著,显著高于全层施肥处理,2 a总体表现为点深施肥较侧深施肥和全层施肥分别平均提高5.09%，12.10%。

表4结果表明,不同生育时期叶面积指数也呈点深施肥>侧深施肥>全层施肥(灌浆期大庆除外),但不同生育时期处理间的差异不同。其中点深施肥处理的分蘖期、齐穗期和灌浆期叶面积指数均显著或极显著高于全层施肥,2 a平均提高69.98%,14.93%,10.75%。大庆点深施肥的分蘖期、齐穗期和灌浆期叶面积指数均显著或极显著高于侧深施肥;方正点深施肥齐穗期叶面积指数与侧深施肥差异不显著,分蘖期和灌浆期叶面积指数均极显著高于侧深施肥;2 a平均后点深施肥分蘖期、齐穗期和灌浆期叶面积指数分别较侧深施肥提高28.42%,9.32%,8.29%。点深施肥的齐穗期和灌浆期高效叶面积指数显著或极显著高于侧深施肥和点深施肥,2 a平均较侧深施肥提高11.20%,11.97%,较全层施肥提高16.48%,14.96%。

表3 地上部干物质积累量的比较Tab.3 Comparison of the total aboveground dry matter accumulation g/m2

表4 叶面积指数的比较Tab.4 Comparison of leaf area index

2.3 施肥方式对分蘖期根部性状的影响

表5结果表明,根总长度呈点深施肥>侧深施肥>全层施肥的趋势,大庆处理间差异达到极显著水平,方正处理间差异不显著,2 a平均后点深施肥根总长度较侧深施肥提高22.07%,较全层施肥提高54.91%;点深施肥根平均直径与侧深施肥差异不显著,显著或极显著高于全层施肥,2 a平均较全层施肥提高25.00%;点深施肥根总表面积和根总体积与侧深施肥差异不显著,二者显著或极显著高于全层施肥,2 a平均后点深施肥根总表面积较侧深施肥和全层施肥分别提高21.36%，55.27%,根总体积分别提高28.92%,119.52%;根干质量处理间差异不显著。

表5 分蘖期根部性状的比较Tab.5 Comparison of root traits at tillering stage

2.4 施肥方式对生理指标的影响

2.4.1 功能叶SPAD值及净光合速率的比较 图1，2结果表明,功能叶SPAD值和净光合速率不同时期的变化趋势基本一致。除大庆灌浆期SPAD值处理间差异不显著外,其他各时期点深施肥均极显著高于全层施肥,侧深施肥SPAD值与全层施肥差异均不显著;2 a平均后点深施肥分蘖期、齐穗期和灌浆期的SPAD值较侧深施肥分别提高4.91%,8.95%,7.66%,较全层施肥分别提高5.95%,9.05%,7.16%。大庆分蘖期和齐穗期功能叶净光合速率处理间差异不显著,灌浆期点深施肥极显著高于侧深施肥和全层施肥,后两者差异不显著;方正点深施肥分蘖期、齐穗期和灌浆期的功能叶净光合速率显著或极显著高于全层施肥,分蘖期和齐穗期侧深施肥功能叶净光合速率与全层施肥差异不显著,灌浆期侧深施肥的功能叶净光合速率极显著高于全层施肥;2 a平均后点深施肥分蘖期、齐穗期和灌浆期的净光合速率较侧深施肥平均提高6.70%,8.43%,17.70%,较全层施肥平均提高13.30%,3.64%,25.84%。

2.4.2 齐穗期剑叶氮代谢关键酶活性的比较 表6结果表明,大庆齐穗期点深施肥和侧深施肥剑叶谷氨酸合成酶(以鲜质量计)差异不显著,二者显著或极显著高于全层施肥;方正点深施肥极显著高于侧深施肥和全层施肥,后两者差异不显著;2 a平均后点深施肥较侧深施肥和全层施肥提高24.32%,14.04%。点深施肥的谷氨酰胺合成酶和硝酸还原酶(以鲜质量计)均显著或极显著高于侧深施肥和全层施肥,后两者差异不显著;2 a平均后点深施肥的谷氨酰胺合成酶较侧深施肥和全层施肥提高93.89%,138.19%,硝酸还原酶提高43.34%,57.84%。

表6 齐穗期剑叶氮代谢关键酶活性的比较Tab.6 Comparison of nitrogen metabolism key enzymes activities of flag leaves at full heading stage

2.5 施肥方式对氮肥利用率的影响

地上部分含氮量呈点深施肥>侧深施肥>全层施肥的趋势,其中点深施肥与侧深施肥差异不显著,点深施肥显著高于全层施肥,2 a平均后点深施肥较侧深施肥和全层施肥分别提高7.46%,10.83%;点深施肥氮肥农学利用率和吸收利用率显著或极显著高于侧深施肥和全层施肥,2 a平均后较侧深施肥提高26.74%，29.92%,较全层施肥提高46.18%，56.50%;氮肥生理利用率处理间差异不显著;点深施肥氮肥偏生产力显著高于全层施肥,2 a平均提高14.96%,大庆点深施肥与侧深施肥偏生产力差异不显著,方正点深施肥偏生产力显著高于侧深施肥,点深施肥偏生产力较侧深施肥2 a平均提高10.02%(表7)。

表7 氮肥利用效率的比较Tab.7 Comparison of nitrogen utilization efficiency

2.6 施肥方式对稻米品质的影响

表8结果表明,不同施肥处理对糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白度和直链淀粉含量具有一定的影响,但处理间差异不显著。大庆点深施肥的蛋白质含量极显著低于侧深施肥和全层施肥,分别降低5.15%，5.27%,后两者差异不显著;方正点深施肥与侧深施肥蛋白质含量差异不显著,两者极显著低于全层施肥,分别降低8.74%,7.90%,2 a平均点深施肥和侧深施肥蛋白质含量较全层施肥分别降低6.95%，3.89%。食味评分与蛋白质含量表现出相反的变化趋势,大庆点深施肥食味评分分别极显著高于侧深施肥和全层施肥1.14，1.31分,方正点深施肥和侧深施肥的食味评分差异不显著,二者分别较全层施肥提高1.95，1.85分,2 a平均点深施肥和侧深施肥的食味评分较全层施肥分别平均提高1.63，1.01分。

表8 主要品质指标的比较Tab.8 Comparison of main quality index

3 讨论与结论

3.1 肥料利用率的提高途径

作物肥料利用率是养分高效作物品种利用、新型肥料开发、肥料运筹、施肥方式、水分管理、环境等因素及其互作的综合表现。在施肥方式方面,通过侧深施肥、局部条带施肥、垄体夹肥等集中深施肥方式来提高水稻基肥的利用率已经基本达成共识,如黑龙江垦区近十年的生产实践和诸多学者的研究结果[19-20]均表明,寒地水稻实施侧深施肥可以明显提高水稻前期的抗逆性,促进早生快发,实现增产5%以上,肥料利用率提高10%以上,而垄作和侧深施肥相结合的“旱平垄作,双侧双深”技术[12,21],除具备以上特征外,对改良土壤理化性质方面也表现出较好效果。究其原因是集中和深施既利于提高局部土壤肥料浓度、减少土壤固定,又利于减少挥发损失。全层-局部条带-侧深施肥是由肥料全耕层分布到“线”形分布的演变过程,进一步压缩肥料在土壤中的分布空间,集中为一“点”,能否继续提高肥料利用率是值得探讨的问题。

为此,本研究提出了一种点深施肥方法,其基本实施过程为:水稻移栽前不施基肥,正常水整地;基肥的施氮量为常规施肥基肥施氮量和分蘖肥施氮量之和,不再施用分蘖肥,调节肥和穗肥正常施用;基肥施用采用点深施肥方式,与水稻插秧作业过程同步进行;肥料位于苗带一侧,沿水平面垂直苗带方向3 cm,距泥面5 cm处,分布于直径0.7 cm的球体空间;施肥作业方向平行于苗带延伸方向,保证每穴植株侧面均有一颗肥丸。本技术改全层施肥为点深施肥,缩小了肥料在土壤中的分布空间,增加了局部肥料浓度;施肥作业随秧苗移栽同步深施,减少了肥料的淋溶、固定和挥发损失,避免了插秧前排水造成的径流损失;分蘖肥和基肥合并施用,减少了分蘖肥表施的挥发损失,并且省去了施用分蘖肥的农艺环节。结果表明,点深施肥能够促进水稻根系和分蘖生长,提高氮代谢关键酶谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶和硝酸还原酶活性,增加叶面积指数和干物质积累量,增产显著;并且点深施肥植株地上部氮含量、氮肥农学利用率、吸收利用率和偏生产力显著或极显著优于全层施肥,氮肥农学利用率和吸收利用率显著优于侧深施肥。另外,本研究仅从物质生产、肥料利用、生理效应等方面对点深施肥的技术效果进行了评价,其实际应用还需研发、配套点深施肥插秧机,其研制的难度在于高速插秧时施肥和插秧位置能否同步、施肥深度能否一致、施肥量能否精准等问题。因此,下一步要对排肥器进行改进设计,并开展排肥器的充肥、携肥、清肥和排肥的机理探究,优化结构和运动参数,使其达到高效、精准的点深施肥之效。

3.2 点深施肥对稻米品质的影响

稻米品质主要受品种遗传和栽培措施以及环境条件等多种因素的影响[22-23],而氮素调控是影响水稻生长发育的重要措施[24]。一般认为稻米加工品质和外观品质随施氮量增加而呈现变劣的趋势[25]。蛋白质含量随施氮量的增加而增加,并且对垩白度、直链淀粉含量和蒸煮食味等主要品质指标有负面效应[26-27]。本研究结果表明,尽管点深施肥植株氮素含量和肥料利用率较高,但是其加工品质、垩白性状和直链淀粉含量与侧深施肥和全层施肥无显著差异,并且蛋白质含量较全层施肥则极显著降低,食味评分显著或极显著提高。其原因可能是由于氮肥集中施用,氨挥发及径流损失少,植株氮素高效利用,分蘖期营养生长更为旺盛,而进入灌浆盛期后,碳水化合物积累迅速,籽粒的氮素代谢相对较弱,至灌浆中后期营养器官开始衰老,尽管植株氮含量较高,但其籽粒蛋白质含量相对较低。

在“育苗移栽”栽培模式下,采用点深施肥方式,水稻植株地上部氮含量、氮肥农学利用率、吸收利用率和偏生产力分别较全层施肥提高10.83%,46.18%,56.50%,14.96%,氮肥农学利用率、吸收利用率和偏生产力分别较侧深施肥提高26.74%,29.92%,10.02%;点深施肥利于生育前期的根系发育,齐穗期剑叶谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶和硝酸还原酶活性,各生育时期的高效叶面积指数和叶面积指数,干物质积累量等相对较高,产量比侧深施肥和全层施肥分别增产10.20%,15.12%;食味评分较侧深施肥和全层施肥分别提高1.63,1.01分。综上,点深施肥是提高水稻产量与氮肥利用效率的高效施肥方式之一。