氮量对高产水稻品种产量和氮效率的影响

彭显龙，车业琦，李鹏飞，陈志豪，刘智蕾，于彩莲

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.哈尔滨理工大学化学与环境工程学院，哈尔滨 150040）

施氮是提高水稻产量重要措施，氮肥施用不合理、利用率低，会导致氮肥大量损失，对生态环境产生不良影响[1]。调查显示，中国稻田施氮量达世界合成氮肥总用量25%[2]。碳铵氮肥吸收利用率低于30%，尿素为30%~40%，处于较低水平[3-4]。

氮是水稻生长发育过程中必需营养元素[5]。在一定范围内分蘖随氮量增加而增加[6]。增施氮肥增加水稻分蘖，过高氮肥投入促进无效分蘖发生[7-8]。氮对水稻干物质积累和氮素积累影响较大[9-10]，在一定范围内随氮量增加，水稻干物质和氮积累量呈上升趋势，超过一定氮量则下降，存在适宜施氮量[11]。在一定范围内，水稻产量随氮量增加而增加，但过量施氮增加生产成本，降低氮肥利用效率[12]。如何优化氮肥管理，确定合理施肥量，保证水稻高产，同时提高氮素利用效率，是亟需解决的科学问题[13]。

黑龙江省五常市作为寒地优质粳稻代表性区域，氮量和水稻产量关系研究多集中于优质水稻品种，该类品种种植面积约占五常市水稻种植面积60%[14]，其余高产水稻品种相关研究较少。因不同水稻品种之间对氮肥响应程度存在区别，因此研究该地区高产水稻品种对氮肥响应十分必要。基于此，本研究以五常地区主栽高产型水稻品种为试验材料，研究氮肥用量对水稻分蘖、干物质积累、产量和氮效率等指标影响，通过肥料效应函数法确定合理施氮量，旨在为该地化肥减量，科学施氮提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2018~2019年，于黑龙江省五常市龙凤山乡辉煌村（127°54′′E，44°89′′N）开展两年田间试验。水稻生育期平均气温见图1，水稻生育期平均温度为19.83~19.87℃，相差小，但温度存在阶段差异。2019年水稻生育前期5月20~23日温度低于12℃，水稻插秧至6月末，2018年平均温度高于2019年约1℃，9月至成熟，2019年平均温度比2018年高1℃。

图1 水稻生育期日平均温度Fig.1 Daily average temperature of rice growth period

供试水稻品种为松粳3号（高产型水稻品种）。供试肥料为尿素（N：46%）、重过磷酸钙（P2O5：44%）与氯化钾（K2O：60%）。供试土壤为黑土型水稻土，土壤有机质39.0 g·kg-1，碱解氮168 mg·kg-1，速效磷69.8 mg·kg-1，速效钾97.1 mg·kg-1，土壤pH 6.17。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

共设置5个氮水平：0、75、105、135、165 kg·hm-2，对应处理分别标记为N0、N1、N2、N3和N4。所有处理施磷肥50 kg·hm-2，钾肥90 kg·hm-2。氮肥分为基肥、蘖肥和穗肥，按4∶3∶3施用；全部磷肥和50%钾肥于整地前施用，施肥后旋耕。小区面积80 m2，各小区用35 cm高塑料隔板插入土壤20 cm，防止肥水串漏，每处理4次重复。

2018年和2019年 均 为4月12日播种，5月14日插秧，行距30 cm，株距13 cm，每穴3~5苗，水分、病、虫、草等管理同当地高产水稻管理方式。

1.2.2 样品采集与测试

2018年在施肥前采集土壤样品，土样风干后测定土壤基础肥力。2年内均在拔节期、抽穗期、成熟期取样，每个处理连续调查30穴水稻分蘖数，计算平均值。选取具有平均分蘖水稻4穴（成熟期6穴），洗净后，烘干至恒重，测定水稻干物重。将植株粉碎，经H2SO4-H2O2联合消煮，AA3-连续流动分析仪测定植株全氮含量。在水稻成熟期，每个小区采集5 m2水稻植株，脱粒，测产。取成熟期6穴植株样品计算每穗粒数、千粒重、结实率。

1.3 数据处理与分析

收获指数=稻谷干重/水稻植株整株干重；氮肥吸收利用率[Nitrogen recovery efficiency，REN（%）]=（施氮处理植株总吸氮量-不施氮处理植株总吸氮量）/施氮量×100；氮肥生理利用率[Nitrogen physio⁃logical efficiency，PEN（kg·kg-1）]=（施氮处理产量-不施氮处理产量）/（施氮处理植株总吸氮量-不施氮处理植株总吸氮量）；氮素农学效率[Nitrogen agro⁃nomic efficiency，AEN（kg·kg-1）]=（施氮处理产量-不施氮处理产量）/施氮量；氮肥偏生产力[Nitrogen partial factor productivity，PFPN（kg·kg-1）]=施氮处理产量/施氮量。

数据以平均值表示，采用线性加平台曲线拟合氮量与产量关系，得出y=a1+bx（x

2 结果与分析

2.1 氮量对分蘖及成穗率的影响

关键生育期水稻分蘖如图2所示，氮量对水稻分蘖数影响显著，年际间无差异，年际与氮量交互作用不显著。施氮与不施氮处理分蘖数差异显著。2018年，分蘖数随氮量增加而增加，氮量相差60 kg·hm-2以上处理间分蘖数差异显著；2019年，随氮量增加，超过N3分蘖数增加不显著；拔节期、抽穗期、成熟期，相比于N0处理，施氮处理分蘖数分别增加49.54%~65.15%、62.36%~82.90%和63.13%~87.92%（P<0.05）。

图2 不同阶段水稻分蘖数Fig.2 Number of rice tillers at different stages

如图3所示，氮量对分蘖成穗率影响显著，且年际间差异显著，2018年和2019年各处理分蘖成穗率为60%~90%，2018年各处理成穗率高于2019年，施氮处理较不施氮处理分蘖成穗率显著增加，2018和2019年分别增加15.13%和12.99%（P<0.05），施氮处理之间差异不显著。

图3 分蘖成穗率Fig.3 Earbearing tiller rate

2.2 氮量对干物质积累的影响

氮量对水稻干物质积累量影响显著，干物质积累年际间差异不显著，氮量和年际交互作用差异显著（见表1）。水稻生育期干物质积累随氮量增加而增加（除2019年拔节期外），随生育进程干物质积累逐渐增多，成熟期>抽穗期>拔节期。

表1 干物质积累量Table 1 Dry matter accumulation (t·hm-2)

拔节期、抽穗期、成熟期，N1比N0干物质积累分别增加24.1%~110%、34.7%~59.8%、21.9%~56.6%；N4较N1干物质积累分别增加9.70%~52.3%、13.4%~52.8%、22.7%~25.9%，2019年拔节期N3比N1干物质积累增加38.5%。施氮量相差60 kg·hm-2处理植株干物质积累差异显著。抽穗-成熟期，施氮处理干物质积累与不施氮处理差异

显著，2018年施氮处理之间干物质积累差异不显著；2019年该阶段干物质积累随氮量增加而增加。抽穗-成熟期干物质积累年际间差异不显著，两者间交互作用差异显著。

2.3 氮量对氮素积累量的影响

由表2可知，氮量对各时期氮素积累量影响显著，且年际之间差异显著，抽穗-成熟期和成熟期年际及氮量间交互作用差异显著。氮素积累量随施氮量增加而增加，植株氮素积累量各时期各处理之间差异显著（除2019年拔节期N3和N4差异不显著），2019年高于2018年。植株氮素积累量逐渐增多，成熟期>抽穗期>拔节期。拔节期、抽穗期、成熟期氮素积累量，N1比N0分别增加32.3%~122%、65.4%~77.0%、28.4%~82.6%，N4比N1氮素积累量对应增加值为63.8%~81.3%、60.5%~98.9%、48.3%~68.5%。抽穗-成熟期，施氮处理氮素积累量与不施氮处理差异显著，氮量对此阶段氮素积累量影响存在年际间差异。

表2 氮素积累量Table 2 Nitrogen accumulation amount (kg·hm-2)

2.4 氮量对产量及产量构成的影响

氮量对水稻产量及产量构成因素具有显著影响，单位面积颖花数和产量年际间差异不显著，结实率、千粒重以及收获指数年际间差异显著（见表3）。

表3 水稻产量及产量构成Table 3 Yield and yield composition of rice

施氮显著提高水稻产量，水稻产量随施氮量增加而增加，达到一定氮量后增加不显著，氮量和产量关系符合线性加平台模型（见图4），两年转折点施氮量为137~138 kg·hm-2（平均为137.5 kg·hm-2），对应产量为9 080~9 166 kg·hm-2（9 123 kg·hm-2）。随氮量增加单位面积颖花数增加，N4较N0显著增加77.87%~96.63%（P<0.05）。水稻籽粒千粒重，随氮量增加呈上升趋势，N1处理千粒重较N0显著增加1.29%~1.35%（P<0.05），千粒重高氮处理之间差异不显著。随氮素投入增加，结实率降低，氮素增加高于60 kg·hm-2，结实率显著下降，N4较N0显著降低6.03%~12.17%（P<0.05）。总体看，结实率2018年高于2019年，而千粒重2019年高于2018年。

图4 施氮量与产量关系Fig.4 Relationship between nitrogen application amount and yield

2.5 氮效率

由表4可知，氮量对水稻氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力影响显著，氮肥吸收利用率和农学利用率具有显著年际间差异，而生理利用率和偏生产力无年际差异，且氮肥偏生产力年际和氮量交互作用显著。

表4 水稻氮效率Table 4 Nitrogen efficiency of rice

2018年氮肥吸收利用率处理间差异不显著，2019年随氮量增加利用率增加，二者呈直线关系（见图5a）；随氮肥用量增加，氮肥生理利用率、农学利用率以及偏生产力均显著降低，二者多数呈负相关（见图5b~d）。2年N4处理氮肥生理利用率、农学利用率以及偏生产力最低，分别较N3处理降低12.13%~27.63%、10.20%~17.17%、14.64%~17.80%。氮肥农学利用率2019年低于2018年，而2018年氮肥吸收利用率较高。

图5 氮量与氮肥吸收利用率（a）、生理利用率（b）、农学利用率（c）和偏生产力（d）关系Fig.5 Relationship between nitrogen application amount and REN(a),PEN(b),AEN(c)and PFPN(d)

3 讨论

水稻分蘖受养分、温度、光照、水分等多种因素调节，其中氮肥是影响分蘖最重要因素之一[8]。本试验在同一生育期内，随氮量增加分蘖数随之增加（除2019年拔节期N4分蘖数降低），与田广丽等研究结果一致[15]。孟庆东等研究发现随氮肥投入增多，水稻分蘖成穗率逐渐降低[16]，与本研究施氮较不施氮分蘖成穗率增加显著，施氮处理间无差异结果不同。多数研究表明，随氮量增加分蘖成穗率先升后降[17-18]，也有研究显示氮量对分蘖成穗率影响较小[19]。出现上述差异主要原因可能与土壤含氮量和施氮水平有关，若土壤供氮充足，施氮并未促进水稻分蘖，而缺氮土壤施用氮肥增加水稻分蘖，但氮肥用量过高且主要集中在前期，分蘖生长旺盛，分蘖成穗率反而降低，造成群体质量下降。本试验中氮量刚达到产量平台，并未出现分蘖成穗率降低的拐点。2019年分蘖数降低，原因可能是2019年插秧后连续3 d平均温度低于12℃，低温影响分蘖生长，显著降低干物质积累量[20]。低温危害与氮素营养状况有关，过量施氮低温危害表现更明显[21]。

产量是单位面积颖花数、千粒重、结实率共同作用的结果，随氮量增加单位面积颖花数增加，结实率随氮量增加而降低，在一定氮量范围内氮量对水稻千粒重影响较小。寒地水稻均属于中小穗型水稻品种，产量与单位面积颖花数呈显著正相关关系[22]，氮量从N3~N4，2018年颖花数增加多、增产显著，2019年颖花数差异不显著，产量无差异。同时，水稻干物质积累是产量形成的物质基础，干物质积累与光合产物生产显著相关，光合能力在很大程度上受氮素营养水平影响[23-24]。本研究中，随氮量增加抽穗前干物质积累增加显著，抽穗期后干物质积累先增加，超过一定氮量后增加不显著（见表1）。李勇研究发现，随供氮量提高，叶片光合利用率和Rubisco酶活性显著降低[25]。同时氮量增加群体变大，群体内通风通光不畅也限制抽穗后光合作用，使水稻干物质积累减慢。水稻产量是源库关系综合协调结果，氮肥用量增加，抽穗后水稻干物质积累增加不明显，而氮量增加（2018年N3~N4，2019年N2~N3）单位面积颖花数显著增加，此时库大源不足，因此，随氮量增加水稻结实率明显降低（见表3）。由此可见，适当施氮可增加单位面积颖花数，有利于水稻高产。但随氮量提高水稻源库平衡受到破坏，库大源不足限制水稻灌浆，使水稻结实率降低。氮量增加、颖花数增加多而结实率降低慢则增产，反之则不增产。

氮肥吸收效率、氮肥生理利用率、农学效率和氮肥偏生产力均是评价氮效率重要指标[26]，本试验研究表明，随氮量增加，2018年植株氮素积累量按比例增加，因此氮素吸收利用率差异不显著。2019年则随氮量增加，氮素积累增加更快，表现为高氮处理尤其是N4处理利用率最高。可见，该品种吸氮能力较强，且存在显著年际间差异。由于该品种氮积累增加多，但产量增加不显著（2019年），说明增加的氮素主要存在于茎杆中，存在氮素奢侈吸收现象，因此氮肥农学效率和生理利用率降低（见表4），与张满利和杨绍聪等研究结果一致[27-28]。但为何年际间氮素积累和氮肥吸收利用率存在显著差异原因尚不清楚，有待深入研究。从产量角度，氮肥施用量为137.5~165 kg·hm-2产量无差异，未造成减产。但施氮量从135 kg·hm-2增至到165 kg·hm-2，氮肥农学利用率、生理利用率以及偏生产力均降低，其中氮肥农学效率（2019年）和偏生产力降低显著，根据氮量和水稻产量以及氮量和氮效率关系，氮量为137~138 kg·hm-2（137.5 kg·hm-2）范围内较为适宜，超过此施氮量易造成氮效率降低。

4 结论

适量施氮增加水稻产量，产量增加主要来自于单位面积颖花数增加。随单位面积颖花数增加，高氮处理抽穗后干物质积累不增加，干物质积累不足降低水稻结实率，使水稻增产不明显。耐肥性较强高产水稻品种，增加供氮虽不易造成减产，却造成氮素过量投入，降低氮肥偏生产力和氮肥农学效率，综合考虑氮量和水稻产量及氮效率关系，适宜施氮量为137.5 kg·hm-2。