减氮对甬优籼粳杂交稻产量和氮肥利用率的影响

2021-06-30 09:29谌江华陈若霞任少鹏金树权姚红燕朱德峰戴瑶璐
浙江农业学报 2021年6期
关键词:鄞州肥力杂交稻

汪 峰,谌江华,陈若霞,*,史 骏,任少鹏,金树权,姚红燕,朱德峰,戴瑶璐

(1.宁波市农业科学研究院 生态环境研究所,浙江 宁波 315040; 2.中国水稻研究所,浙江 杭州 310006)

在我国水稻生产上,农民过量施氮的现象较为普遍,导致耕地基础地力对产量的贡献率不足60%[1],氮肥表观利用率仅为39%,远低于欧美等发达国家[2]。稻田长期过量施氮不仅提高了种植成本,还会导致土壤质量下降和农业面源污染[3]。因此,需要在保障水稻产量和耕地地力的基础上优化氮肥管理模式,减少氮素过程损耗,提高水稻氮肥利用率。

2015年,我国提出“到2020年化肥使用量零增长行动方案”。在此背景下,针对不同耕作制度的水稻氮肥减量已成为研究关注的热点。在华南稻区,氮肥减量28%有利于早晚兼用型水稻增产和稳产[4];在长江中下游的太湖稻区,基肥机械深施配合秸秆还田条件下,氮肥减量10%可保证水稻产量,并能改善土壤养分,增加土壤碳库,降低稻田氮素流失率[5-6]。不同水稻品种对氮肥减量的响应不同,早期(1983年前育成)和中期(1983—1993年育成)的杂交籼稻品种对氮肥的反应比近期(1993年后育成)的品种敏感[7]。基于浙西红壤地区1 a的大田研究表明,甬优1540减肥15%以上即导致产量显著下降,而两优1号减肥20%仍对产量无显著影响[8]。

甬优籼粳杂交稻作为国内首个籼粳亚种间杂交品种,充分利用籼粳亚种间的杂种优势大幅提高水稻产量,多个品种相继在长江中下游创造13.5 t·hm-2以上的高产纪录[9-10],年种植面积超33万hm2。然而,农户对甬优籼粳杂交稻需通过大水大肥方式获得高产的偏见还一直存在。现阶段,关于甬优籼粳杂交稻的研究多集中在品种特性、超高产栽培措施等方面[11-13],缺乏在植物-土壤系统中对不同甬优籼粳杂交稻品种氮素利用规律的全面考查,特别是关于氮肥减量施用对其产量和氮素利用中长期影响的研究还鲜见报道。本研究以应用推广面积较大的4个甬优籼粳杂交稻为试材,在浙东地区不同肥力水平土壤上开展定位试验,探讨甬优系列籼粳杂交稻产量和肥料利用率对氮肥减量的响应,以期为甬优系列籼粳杂交稻的氮素管理提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

于2017—2019年在浙江省宁波市象山县西周镇和鄞州区邱隘镇同时开展氮肥减量定位试验。试验开始前2个试验点均有5 a以上的稻-麦轮作种植历史,试验开始后均改为单季稻种植。象山试验点土壤类型为淡塘泥田,由海相沉积物发育而成;鄞州试验点土壤类型为青紫泥田,由浅海湖沼沉积物发育而成。象山和鄞州试验点分别代表区域内中等肥力和高肥力水平的土壤,试验开始前表层(0~20 cm)土壤的基本理化性质详见表1。

表1 不同试验点的土壤理化性质

选择当前推广面积较大的4个甬优籼粳杂交水稻品种——甬优1540(YY1540)、甬优7850(YY7850)、甬优12(YY12)、甬优538(YY538)作为试验材料,以当地主栽常规粳稻宁84(N84)和秀水134(XS134)为对照品种。每年的5月20日左右播种,穴盘育秧,四叶一心期(6月10日左右)采用机插方式移栽,秧龄20 d左右。杂交稻大田栽插密度为15.1万穴·hm-2,常规稻大田栽插密度为23.8万穴·hm-2,杂交稻每穴2本栽插,常规稻每穴4本栽插,每年的11月2日左右收获。

1.2 试验设计

试验共设4个施氮处理:(1)杂交稻和常规稻施氮量(折纯,以N计)分别为240 kg·hm-2和200 kg·hm-2(HN,当地农民习惯施氮量);(2)在当地农民习惯施氮量水平上减氮17%(MN);(3)在当地农民习惯施氮量水平上减氮34%(LN);(4)不施氮肥的空白对照(N0)。各处理均施用P2O572 kg·hm-2和K2O 135 kg·hm-2。氮肥按基肥、分蘖肥、穗肥4∶3∶3的比例施用,磷肥作基肥一次性施用,钾肥分为基肥和穗肥,按各50%的比例施用。试验用氮肥为尿素(N 46%),由安徽昊源化工集团有限公司生产;磷肥为过磷酸钙(P2O516%),由云南省个旧市大通磷化工有限公司生产;钾肥为氯化钾(K2O 60%),由中化化肥有限公司提供。采用裂区试验设计,以施肥处理为主区,品种为裂区,每个处理面积65 m2,设3次重复。不同处理间以田埂和塑料隔板分隔,保证单独排灌,不同水稻品种间留60 cm距离间隔。

采用浅水插秧的方式,移栽后建立浅水层,在分蘖达到预计穗数的80%时,排水晒田,拔节长穗期至灌浆结实期采用干湿交替的灌溉方式,成熟期收获前10 d排水以便于收获。其他田间管理措施按当地常规生产进行。

1.3 测定项目与方法

茎蘖动态调查:移栽后各小区去除边行,连续选取10穴水稻,每5 d调查1次分蘖数,并标记1次主茎叶龄,直至主茎剑叶抽出,记录主茎总叶片数、茎蘖数,直至齐穗期。

考种与测产:于成熟期在每个小区非边行取30丛记录穗数,根据平均有效穗数计算成穗率。根据平均有效穗数,每个处理选4丛,采用水浮法进行考种,考查每穗粒数、实粒数、瘪粒数和千粒重,计算结实率、成穗率。于成熟期各小区全部单打单收,用PM-8188-A型谷物水分仪(日本凯特)测定籽粒含水量,计算标准含水量(13.5%)下的产量,折算氮肥农学利用率。

土壤样品采集与分析[14]:分别于水稻移栽前和收获后,用不锈钢土钻(2 cm)按“S”形多点采集0~20 cm耕层土壤,混匀后用四分法留取1 kg左右,装入密封塑料袋中带回实验室。风干后的土壤用于理化性质分析。土壤pH值采用玻璃电极测定,浸提液中的水土体积质量比为2.5∶1;电导率采用电导法测定,浸提液中的水土体积质量比为5∶1;有机质含量采用重铬酸钾容量法测定;全氮含量采用半微量开氏法测定;有效磷含量采用Olsen-P、钼锑抗比色法测定;速效钾含量用醋酸铵浸提、火焰光度法测定;碱解氮含量采用扩散法测定;阳离子交换量采用三氯化六氨合钴浸提、分光光度法测定。

1.4 数据分析与统计

在SPSS 16.0软件上进行方差分析(ANOVA)和皮尔逊(Pearson)相关性分析,对有显著(P<0.05)差异的,采用Duncan新复极差法进行检验。数据整理、计算和图表制作均在Excel 2013软件中完成。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻茎蘖数和成穗率的影响

多因素方差分析表明:不同地点水稻的高峰苗和成穗率均有显著性差异(P<0.05)。对于中等肥力土壤(象山),品种和施氮量对水稻高峰苗的影响达极显著水平(P<0.01),但对成穗率无显著影响;对于高肥力土壤(鄞州),成穗率在不同品种和施氮量间均呈极显著(P<0.01)差异,高峰苗仅在不同品种间存在显著性(P<0.05)差异,施氮量对高峰苗无显著影响。

取同一处理2017—2019年的平均值作为该处理的值,对比可知:在象山试验点,与HN处理相比,N0处理显著(P<0.05)降低了甬优籼粳杂交稻和常规稻的高峰苗;在鄞州试验点,除YY538和XS134外,与HN处理相比,N0处理显著(P<0.05)降低了其他甬优籼粳杂交稻和常规稻的高峰苗。两相对比,甬优籼粳杂交稻高峰苗在中肥力土壤上的下降幅度要大于在高肥力土壤上,如象山试验点的高峰苗平均减少34%,而鄞州试验点仅减少16%。另外,除YY1540和YY7850在中等肥力土壤的高峰苗在MN处理中最高外,水稻高峰苗在两地大体表现为随着施氮量的减少而逐渐下降,但减氮处理(MN和LN)未导致高峰苗数量显著下降。同时,减氮处理下的水稻成穗率与HN相比亦无显著差异。象山试验点,甬优籼粳杂交稻在不施氮条件下成穗率增加;但在鄞州试验点,不施氮导致其成穗率降低。

2.2 不同处理对水稻产量及其构成因子的影响

不同年度间水稻结实率和产量有显著差异(P<0.05),但有效穗、每穗粒数和千粒重差异不显著。为了明确不同施氮量下的产量及其构成的变化规律,以下利用3 a平均值进行分析。在不同试验点,水稻品种与施氮量对水稻产量的影响均达极显著水平(P<0.01)。施氮量显著(P<0.05)影响水稻有效穗、千粒重和每穗粒数;品种除显著(P<0.05)影响2个试验点水稻的有效穗和千粒重外,还显著(P<0.05)影响象山试验点的每穗粒数和鄞州试验点的结实率。

MNTS,高峰苗;PBTR,成穗率。*和**分别表示与HN处理相比差异显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)。MNTS,Maximum number of tillers and stems; PBTR,Panicle-bearing tiller rate. * and ** indicated significant difference as compared with HN treatment at P<0.05 and P<0.01,respectively.图1 不同处理对水稻高峰苗和成穗率的影响Fig.1 Effects of different treatments on maximum number of tillers and stems and panicle-bearing tiller rate of rice

甬优籼粳杂交稻产量在2个试验点均表现为随着施氮量的减少而下降的趋势(表2)。与HN处理相比,MN处理在象山和鄞州的平均产量分别降低1.2%和2.6%,但差异不显著;LN处理在象山和鄞州的平均产量分别降低4.9%和7.2%,且后者的差异达显著水平(P<0.05)。

表2 不同处理对水稻产量及其构成因素的影响

与甬优籼粳杂交稻类似,常规粳稻的产量也随着施氮量的减少而下降,与HN处理相比,MN处理在象山和鄞州的平均产量分别降低1.2%和3.5%,LN处理分别降低5.1%和11.6%,但差异均未达显著水平。

从不同处理对产量构成因子的影响来看,甬优籼粳杂交稻和常规粳稻的有效穗数均随着施氮量的减少而下降,LN处理的有效穗数较HN处理显著(P<0.05)减少,但MN与HN处理间无显著差异。在象山试验点,随着施氮量的减少,不同类型水稻的结实率和千粒重反而逐渐增加,与HN处理相比,甬优籼粳杂交稻在MN和LN处理下的千粒重显著(P<0.05)提高。在鄞州试验点,与HN处理相比,氮肥减量(MN、LN处理)对不同类型水稻每穗粒数、结实率和千粒重均无显著影响。

不同甬优籼粳杂交稻品种间的产量构成因子对不同施氮量的响应呈现一定差异。在相同施肥处理下,在2个试验点均发现:长生育期品种(YY12和YY538)较短生育期品种(YY1540和YY7850)每穗粒数显著(P<0.05)增加,但结实率显著(P<0.05)下降。

2.3 不同处理对水稻氮肥农学利用率的影响

计算氮肥农学利用率,表征不同处理下不同类型水稻的氮肥利用效率。

在象山试验点,不同氮肥处理对甬优籼粳杂交稻的氮肥农学利用率无显著影响,但随着试验年限的增加,各处理的氮肥农学利用率逐年提升,如甬优籼粳杂交稻2017年不同处理的氮肥农学利用率仅为2.0~3.2 kg·kg-1,到试验第3年(2019年)已提升至12.0~12.7 kg·kg-1(图2)。这表明,在类似的中等肥力土壤上,不施氮肥能够快速消耗基础地力,导致化学氮肥对水稻产量的贡献率升高。

A,象山试验点甬优籼粳杂交稻;B,鄞州试验点甬优籼粳杂交稻;C,象山试验点常规粳稻;D,鄞州试验点常规粳稻。柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。A,Yongyou hybrid rice in Xiangshan; B,Yongyou hybrid rice in Yinzhou; C,Conventional japonica rice in Xiangshan; D,Conventional japonica rice in Yinzhou. Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.图2 不同处理对水稻氮肥农学利用率的影响Fig.2 Effects of different treatments on nitrogen agronomic efficiency of rice

在鄞州试验点,不同施氮处理对水稻的氮肥农学利用率有显著(P<0.05)影响,试验第3年,甬优籼粳杂交稻和常规粳稻的氮肥农学利用率均在LN处理下最低,且显著(P<0.05)低于MN和HM处理。2019年,甬优籼粳杂交稻不同处理下的氮肥农学利用率与初始年份相比无显著差异,且氮肥农学利用率维持在较低水平(<8 kg·kg-1)。这表明,在高肥力土壤条件下,由于土壤供氮充足,化学氮肥对水稻产量的贡献率偏低。

2.4 相关性分析

皮尔逊相关性分析结果(表3)表明:在象山试验点,甬优籼粳杂交稻的实测产量(GY)与有效穗(EP)、每穗粒数(NSP)和高峰苗(MNTS)呈显著(P<0.05)正相关,与千粒重(GW)呈显著(P<0.05)负相关,而常规粳稻产量仅与结实率(SSR)和千粒重呈显著(P<0.05)正相关。在鄞州试验点,甬优籼粳杂交稻的实测产量与有效穗、结实率、成穗率(PBTR)呈显著(P<0.05)正相关,与高峰苗和千粒重呈显著(P<0.05)负相关,而常规粳稻产量仅与有效穗呈显著(P<0.05)正相关。另外,鄞州试验点甬优籼粳杂交稻的有效穗与成穗率呈显著(P<0.05)正相关,但与高峰苗的相关性不显著。这表明,甬优籼粳杂交稻在高肥力土壤上的无效分蘖较多,控蘖促穗是其获得高产的关键。

表3 水稻产量与群体质量的相关性

3 讨论

本研究利用在浙东地区连续3 a的定位试验研究了减氮对甬优籼粳杂交稻产量和氮肥利用率的影响。结果表明,在当地农民习惯施氮量水平上减氮17%,可以实现水稻稳产,象山和鄞州2地的平均产量分别达10.8 t·hm-2和9.9 t·hm-2。在中等肥力水平土壤上,水稻的氮肥农学利用率随着试验年限的增加而快速升高。据此,我们认为,持续减少氮肥投入存在一定的风险,氮肥减量要综合考虑耕地基础地力、品种特性和肥料利用率。

水稻品种优势是发挥水稻高产和养分高效利用特性的关键因子。近期的大量研究结果已阐明,不同水稻品种在产量和氮素利用等方面存在显著差异[13,15-16]。由于水稻育种策略的原因,近期育成的水稻高产品种对氮肥的反应没有早期育成的品种敏感[7]。为了发挥品种的高产潜力,育种家一般会在肥沃的育种田定向选择抗倒、耐肥品种,这些品种植株利用氮素生产干物质的能力强,往往具有根系发达、秸秆粗壮的特性。本研究结果表明,在当地农民习惯施氮量水平上减氮17%时,甬优籼粳杂交稻在象山和鄞州2地的产量平均仅降低1.9%,减氮34%时,产量降低了6.1%,由氮肥减施导致的减产幅度低于2个常规粳稻品种。由此可知,农业实践上将甬优籼粳杂交稻的高产特性与大量化肥投入相联系具有一定的主观偏见。本试验结果在一定程度上证明,甬优籼粳杂交稻的产量对氮肥的反应敏感性较弱,实现减肥增效是可行的。甬优籼粳杂交稻具有根冠协调水平高、群体根量大、分支结构优、根系深扎性好,以及中、后期生理活性强等优势[17],这种根系特征能够更好地利用土壤中的氮素,为其在氮肥投入较低时实现高产提供了重要保障。另外,尽管甬优籼粳杂交稻较其他类型水稻的生物量更大,但在秸秆基本实现全量还田的浙东地区,土壤养分并没有大量消耗[6],因此氮肥适当减量仍可以保证甬优籼粳杂交稻的产量。

在制定水稻氮肥的减施策略时,要充分考虑目标区域的土壤肥力水平。本研究结果表明,在高肥力土壤上,不同年份水稻氮肥农学利用率均维持在较低水平,而在中等肥力土壤上,水稻的氮肥农学利用率随着试验年限的增加而快速提升。这说明,在类似的中低肥力土壤上,不施氮肥能够快速消耗基础地力,从而导致化学氮肥对水稻产量的贡献率逐年增高。因此,在不通过其他技术措施减少氮肥损失的条件下,如果只是简单地减少氮肥投入,在长时间尺度下是存在地力下降和减产风险的。姜彩霞等[8]在中等肥力水平的浙西红壤上的研究也表明,甬优1540在习惯施氮量(225 kg·hm-2)水平上减氮15%以上即导致产量显著下降,而缓控肥减量施肥的肥料效率较常规施肥提高5.09%。在中低肥力土壤上要实现高产水稻的化肥减量增效,除了应用缓控释肥料等新型肥料外,还需要在肥料施用方法上进行创新和实践[18],如机插侧深施肥技术就能够将缓释肥料和深施结合起来。本研究团队近期研究也证实,采用机插侧深施肥可以有效降低施肥初期田面水铵态氮的峰值浓度,从而减少氨挥发,降低径流流失风险,在氮肥总施用量减少30%的条件下,可以保证水稻实现稳产[19]。

关于不同生育期氮肥减量对水稻群体质量和产量的影响,目前学界还没有一致性的结论。仇景涛等[20]研究表明,集中于某个时期的减肥措施会导致水稻群体生长量大幅减少,产量显著下降,而均衡减氮处理下减产不显著。薛利红等[21]认为,氮肥减量的重点在于减少前期基蘖肥的用量,在同等施氮量下,水稻适宜基蘖肥比例随肥力水平的增加而下降,低肥力下以60%最佳,中肥力下以50%为宜,高肥力下可降低至40%。本研究是在农民习惯施肥的基础上采用均衡减氮处理,基蘖肥比例较高(70%),因此在鄞州高肥力土壤上,减氮处理对甬优籼粳杂交水稻高峰苗无显著影响,产量反而与高峰苗呈负相关。这说明,氮肥减量要综合考虑品种特性和土壤肥力水平。甬优籼粳杂交稻分蘖能力强,为典型的穗大粒多型高产品种,因此前期要通过肥水管理合理控制群体数量,提早搁田控苗,保证后期穗部生长发育。在高肥力地区,可以适当降低基蘖肥比例,特别是分蘖肥比例,以进一步提升氮肥减量的空间。

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