氮肥减量后移对华南双季稻产量和氮肥利用率的影响

刘彦卓，胡香玉，黄农荣，梁开明，潘俊峰，田 卡，钟旭华

（广东省农业科学院水稻研究所/广东省水稻育种新技术重点实验室/广东省水稻工程实验室，广东 广州 510640）

【研究意义】水稻是我国最重要的粮食作物之一，年均稻谷产量和消费量均占世界近30%［1］。水稻也是广东最主要的粮食作物，稻谷产量占粮食作物总产量的80%左右［1］。随着世界人口的增加，直至2035 年世界水稻总产每年需新增1.2 亿t 才能满足粮食需求［2］。随着工业化和城镇化的发展，水稻播种面积呈现逐年缩减的趋势，进一步提高水稻单产是保证我国粮食安全的必由之路。我国是世界氮肥消耗大国，氮肥的过量投入以及不合理施用导致了肥料利用率低、种稻效益下降和环境污染等诸多问题［3］。在保障粮食安全前提下，合理降低氮肥用量对水稻生产可持续发展具有重要意义。

【前人研究进展】为提高水稻产量和降低肥料消耗，目前国内外已发展多种水稻栽培技术，如实地养分管理［4］、实时氮肥管理［5］、三控施肥［6-8］、精确定量栽培［9］、超级稻三定栽培［10］、超级稻强源活库优米栽培［11］等。在氮肥运筹方面，这些技术普遍采用了氮肥后移策略。为降低氮肥投入和减轻环境污染，通常还采用增加种植密度和减少氮肥投入总量等措施［12-17］。通过氮肥减量和后移，这些技术措施一般增产5%～10%，节省氮肥10%～20%，氮肥利用率达到40%左右。

【本研究切入点】氮肥后移是近十几年来水稻优化施肥的发展趋势［18-22］。传统的水稻栽培法中，氮肥主要作为基肥和分蘖肥施用，其施用量占总施氮量的80%以上甚至100%［23］。氮肥后移模式下，基蘖期施用比例一般在60%～70%，穗粒肥为30%～40%，氮肥利用率大幅提高。如三控施肥技术氮肥的基蘖肥比例约为60%～70%，可少施氮肥20%，增产10%左右［7-8］。该技术已成为广东省农业主推技术和农业部主推技术，在广东、江西和广西等省（自治区）大面积推广应用［24］。在三控施肥法的基础上，本研究进一步提高穗粒肥比例，将其占比由30%～40%提高至70%，以进一步提高水稻产量和氮肥利用率。日本曾经在粳稻上通过大幅提高穗粒肥占比而获得增产效果［25］，但国内尚未见在籼稻上应用成功的报道。【拟解决的关键问题】通过氮肥减量后移提高华南双季稻产量和氮肥利用率，并阐明其机理。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2014 年早、晚季在广东省农业科学院白云基地进行。早季供试品种为黄广油占，晚季为固丰占，均为常规稻品种。土壤为轻壤土，pH 5.95，有机质22.5 g/kg，全氮1.29 g/kg，全磷0.42 g/kg，全钾8.43 g/kg，碱解氮58.0 mg/kg，有效磷6.49 mg/kg，速效钾47.0 mg/kg。

1.2 试验方法

试验设不施氮肥（T1）、习惯施肥法（对照，T2）和2 个氮肥减量后移处理（三控施肥法，T3；氮肥重度后移，T4）共4 个处理，3 次重复，随机区组排列。各处理氮肥施用时间和施用量见表1，所施氮肥为尿素。T2、T3、T4 处理预设的氮肥基蘖肥与穗粒肥比例分别为10∶0、6∶4 和3∶7，早晚季相同。抽穗期根据叶色和天气情况，T4 处理早晚两季和T3 处理晚季未施粒肥。各处理的磷肥和钾肥作为基肥一次性施入，分别施入过磷酸钙（P2O5含量12%）375 kg/hm2和氯化钾（K2O 含 量60%）250 kg/hm2。犁耙田后插秧前施入基肥。小区面积28 m2，田埂高约20 cm，塑料膜包埋至田面下30 cm 深以防侧渗。

表1 早季、晚季各处理氮肥施用量和施肥时期Table 1 Amount and timing of nitrogen application for different treatments in early and late seasons

早季于3 月5 日播种、4 月8 日移栽，晚季于7 月21 日播种、8 月7 日移栽，每穴3 粒谷苗。习惯栽培处理插植密度为21.5 万穴/hm2，其他3个处理插植密度为25.0 万穴/hm2。早季抽穗期为6 月15 日，成熟期为7 月18 日，晚季抽穗期为10 月1 日，成熟期为11 月13 日。水分管理采用中期轻度晒田的方法［26］，其他管理按一般高产栽培要求统一进行。

1.3 测定项目及方法

1.3.1茎蘖动态和成穗率 移栽后每小区定点调查10 穴的茎蘖数，每周调查1 次，成熟期每小区调查有效穗数。成穗率为有效穗数与最高茎蘖数的比值（%）。

1.3.2产量和产量构成 成熟期每小区收割5 m2，取100 g 稻谷105℃烘干后测定含水量，换算成含水量为14%的产量。每小区取12 穴稻株样品考种，计算每穗粒数、结实率和千粒重。生物产量为地上部的总干物质质量。

1.3.3叶面积指数和作物生长率 晚季分别在水稻分蘖期、穗分化始期和抽穗期取样12 穴，用叶面积仪（LI-3000,Li-Cor）测量叶面积。作物生长率为地上部总干物重的增长量除以期间的生长天数。

1.3.4植株含氮量和氮肥利用率 植株样品烘干后用植物粉碎机将样品磨成粉。用硫酸-双氧水消煮后，采用蒸馏滴定法［27］测定全氮含量。氮肥吸收速率为某时期内稻株地上部吸收的总氮量除以期间天数。氮肥利用率计算公式如下：

用Excel 2007 处理数据和制作图表。用Statistix 9.0 进行统计分析，多重比较采用Duncan LSD0.05检验法，早季、晚季分别进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 产量和产量构成

由表2 可知，与习惯栽培（T2 处理）相比，氮肥减量后移处理显著提高了水稻产量，早季、晚季一致。其中，T3 处理早季、晚季分别增产8.8%和12.7%，T4 处理早季、晚季分别增产12.0%和18.4%。2 个减氮后移处理（T3 和T4）之间的产量差异在早季、晚季均未达到显著水平。早季3个施氮处理中T4 处理有效穗数较T2 处理显著增加，而3 者的每穗粒数无显著差异，单位面积总粒数（库容）差异与有效穗数相同。晚季3 个施氮处理的有效穗数、每穗粒数和库容表现为T4 ＞T3 ＞T2，其中每穗粒数和库容的差异达到显著水平。与T2 处理相比，T3 处理的结实率和千粒质量无显著差异，而T4 处理早季、晚季的结实率和早季的千粒质量却显著下降。相比于T3 处理，T4处理同样降低了早季、晚季的结实率和早季的千粒质量。

表2 早季、晚季各处理产量和产量构成比较Table 2 Grain yield and yield components under different treatments in early and late seasons

与T2 处理相比，T3、T4 处理成熟期地上部总生物量在早季分别增加14.3%和7%，在晚季分别增加12.1%和22.0%（表2）。T3 与T4 处理二者地上部总生物量无显著差异。早季和晚季收获指数均以T4 处理最高，且显著高于T2、T3 处理，增幅分别为3.4%～5.3%、2.6%～5.8%。与T2处理相比，T3 处理提高了晚季的收获指数，增幅为3.9%。

2.2 茎蘖动态和成穗率

早季、晚季4 个处理的水稻茎蘖动态见图1。早季分蘖中期（16 d）前T3、T4 处理茎蘖数大于T2 处理，穗分化始期（30 d）后T2 处理茎蘖数最多。T2、T3、T4 处理分别在37、37、62 d 时茎蘖数最多，但3 个施氮处理间最高茎蘖数并无显著差异（表3）。晚季28 d 前，3 个施氮处理茎蘖数表现为T3 ＞T2 ＞T4，49 d 后表现为T4＞T3 ＞T2；T2、T3、T4 处理分别在35、35、49 d 时达到苗峰，三者间最高茎蘖数无显著差异（表3）。早晚季T3 和T4 处理有效穗数大于T2处理，但T3 与T2 处理间差异未达显著水平。成穗率是衡量群体质量优劣的重要指标。早季T3和T4 处理成穗率分别比T2 处理提高6.8、18.3个百分点，晚季则分别提高5.5、19.4 个百分点。早季、晚季穗分化始期前T4 处理茎蘖数低于T3处理；穗分化后T4 处理赶上或超过T3 处理。

表3 早季、晚季各处理最高茎蘖数、有效穗数和成穗率比较Table 3 Maximum number of stem tillers,productive tillers and productive tiller rate under different treatments in early and late seasons

图1 早季、晚季各处理茎蘖动态Fig.1 Variation in the number of stems and tillers under different treatments in early and late seasons

2.3 叶面积指数和叶片含氮量

在分蘖中期和穗分化始期，T3、T4 处理叶面积指数小于T2 处理（图2A），但T3 与T2 处理间差异不显著。在抽穗期，T3、T4 处理叶面积指数比T2 处理分别提高11.5%和35.4%，且后者达到显著水平。在分蘖中期和穗分化始期，T3 与T4 处理间叶面积指数均无显著差异，而在抽穗期，T4 处理叶面积指数显著高于T3 处理。

在分蘖中期，T3、T4 处理叶片含氮量显著低于T2 处理（图2B）。在穗分化始期，T4 处理叶片含氮量较T2、T3 处理显著提高。在抽穗期，3个施氮处理叶片含氮量表现为T4 ＞T3 ＞T2，且差异都达到显著水平。与T2 处理相比，T3、T4处理叶片含氮量分别提高27.7%和50.8%（相对值）。就2 个减氮后移处理而言，分蘖中期T3、T4 处理叶片含氮量无显著差异（图2B），而在穗分化始期和抽穗期，T4 处理较T3 处理叶片含氮量分别提高37.1%和18.1%（相对值）。

图2 晚季各处理叶面积指数和叶片含氮量Fig.2 Leaf area index and leaf nitrogen content under different treatments in late season

2.4 作物生长率

在分蘖中期前，T3、T4 处理氮肥投入分别为T2 处理的38%和29%。从移栽到分蘖中期（TRMT），3 个施氮处理地上部作物生长率无显著差异（图3）。在穗分化始期前，T3、T4 处理累计氮肥投入为T2 处理的51%（但T4 处理第1 次追肥时间比T3 处理晚10 d）。从分蘖中期到穗分化始期（MT-PI），T3、T4 处理作物生长率比T2处理分别小3.9%和15.3%。抽穗前，T3、T4 处理累计氮肥投入为T2 处理的77%。从穗分化始期到抽穗期（PI-HD），T3、T4 处理作物生长率分别比T2 处理提高13.4%和33.1%，从抽穗期到成熟期（HD-MA）分别提高32.9%和63.4%。在TR-MT 和MT-PI 阶段，T4 处理作物生长率比T3处理低，而在PI-HD 和HD-MA 阶段，T4 处理的作物生长率则比T3 处理高，但两者的差异均未达到显著水平。

图3 晚季水稻不同时期作物生长率Fig.3 Crop growth rate at different growth stages in late season rice

2.5 氮肥吸收动态和氮肥利用率

从移栽期到分蘖中期（TR-MT），T2、T3 处理的氮吸收速率差异不显著，而T4 处理小于T2处理（图4）。在MT-PI 阶段，T3、T4 处理与T2 处理的氮吸收速率差异不显著。在PI-HD 阶段，T3、T4 处理的氮吸收速率比T2 处理分别提高166.3% 和251.9%。TR-MT 阶段，T4 处理的氮吸收速率比T3 处理减小17.3%；在TR-MT 和PI-HD 阶段，T4 处理的氮吸收速率比T3 处理分别提高34.1%和 32.1%。

图4 晚季水稻不同时期稻株总吸氮速率Fig.4 Total nitrogen uptake rate of plants at different growth stages in late season rice

T3、T4 处理的氮素吸收总量、氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏肥生产力4 项氮肥利用率指标都显著大于T2 处理，早季、晚季表现一致（表4）。早季、晚季的氮收获指数在3 个施氮处理间均无显著差异。早季T3、T4 处理的氮素生理利用率小于T2 处理；晚季3 个施氮处理间无显著差异。早季T3、T4 处理的氮肥农学利用率比T2 处理分别提高84.1%和98.8%，晚季分别提高100.2%和154.1%。早季T4 处理的各项氮肥利用率指标与T3 处理均无显著差异。晚季T4 处理的氮素吸收总量、氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏肥生产力4 项指标都显著提高。早季、晚季T4 处理的氮肥农学利用率比T3处理分别提高8.0%和26.0%。相关分析显示，早季、晚季库容与氮吸收总量间存在极显著正相关，相关系数分别为0.903 和0.978。

表4 早季、晚季各处理氮肥吸收利用参数比较Table 4 Parameters for nitrogen uptake and utilization under different treatments in early and late seasons

3 讨论

3.1 氮肥减量后移提高了水稻的产量和氮肥利用率

本研究结果表明，氮肥减量后移可以显著提高水稻的产量和氮肥利用率，与前人研究结果一致［12-21］。与习惯施肥法相比，在总施氮量减少20%以上的情况下，2 个氮肥减量后移处理（T3和T4）的产量和氮肥利用率都得到了大幅提高，早季、晚季表现一致。2014 年晚季，同时在广东省韶关市曲江区樟市镇和马坝镇开展对比试验，两个氮肥减量后移处理产量都比习惯施肥法增产10%以上（数据未列出）。可见，在华南双季稻区，氮肥减量后移可以稳定提高水稻产量及氮肥利用率。在2 个氮肥减量后移模式中，氮肥重度后移模式的穗粒肥占比达到70%，其增产幅度更大，氮肥利用率也更高。日本桥川潮［24］研究表明，氮肥重度后移可以显著提高一季粳稻的产量。本研究结果表明，华南双季稻也可采用氮肥重度后移模式。早季T4 处理施氮量较T3 处理减少10%，而晚季两者总施氮量相同，但水稻生育中后期T4 处理的叶片含氮量和吸氮速率均高于T3处理，且成熟期总吸氮量更高。可见，氮肥减量后移是协同提高华南双季稻产量和氮肥利用率的重要技术途径。

3.2 氮肥减量后移模式的增产增效原理

20 世纪八九十年代，广东和国内许多稻作区的氮肥运筹侧重于在营养生长期投入大量氮肥，强调生长前期的早生快发。本试验中的习惯栽培法，氮肥全部被作为基蘖肥施入。此模式下，生产前期生长过旺，导致无效分蘖增加；而穗分化后，植株氮含量下降，导致源库都扩张不足，产量不高。从穗分化始期到抽穗期，稻株根系发达，吸肥能力强，是水稻物质生产的高峰期，此阶段干物质生产的占比高达51%～65%。2 个氮肥减量后移模式的穗粒肥占比分别为40%和70%。高比例的穗粒肥正好与稻株的生长高峰期吻合，促进了源与库的扩大。抽穗后仍保持较高的氮含量，进一步保障了籽粒灌浆成熟期的物质生产。氮肥重度后移模式下，这些优势得到进一步增强。

氮肥减量后移模式水稻的生长表现出两个显著特征：一是作物生长和氮吸收前慢后快。综合茎蘖动态、作物生长率、叶面积指数和植株含氮量的变化，在穗分化前，氮肥减量后移模式下的作物生长总体相对缓慢，幼穗分化后生长速率迅速加快。二是源库同时扩大。在比习惯施肥法的总施氮量减少20%以上的情况下，2 个氮肥减量后移模式晚季抽穗时的叶面积（源大小）分别增加11.5%和35.4%，叶片含氮量分别提高27.7%和50.8%。早季库容分别扩大12.7%和19.4%，晚季扩大18.3%和47.6%。氮肥重度后移模式下，源库进一步扩大，而且成穗率大幅提高，为实现高产和氮高效奠定了基础。

3.3 氮肥重度后移模式下籽粒充实度下降的原因和改进

氮肥重度后移模式的水稻结实率和千粒质量都下降，但其下降原因并非扩库导致源不足。本试验中，氮肥重度后移模式下源和库的扩增幅度基本相当，抽穗时源在数量（叶面积）和质量（叶片含氮量）上都未显不足。有研究表明孕穗期含氮量过高会导致结实率下降［28-29］。氮肥重度后移模式孕穗期氮含量大幅提高可能是其结实率下降的重要原因。因此，可考虑将穗肥用量适当减少，使得其穗分化期和抽穗期的植株氮含量与三控施肥法接近，促进籽粒灌浆，提高籽粒充实度和稻谷产量。

4 结论

与习惯施肥法相比，两个氮肥减量后移处理的稻谷产量和氮肥利用率均显著提高。早季三控施肥法（T3 处理）和氮肥重度后移（T4 处理）比习惯施肥分别增产8.8%和12.7%；晚季分别增产12.0%和18.4%。早季氮肥农学利用率分别提高84.1%和100.2%，晚季分别提高98.8%和154.1%。两个氮肥减量后移模式水稻生长前期的氮素吸收和生长缓慢，穗分化后则显著加快，源和库同时扩大。氮肥重度后移模式上述特点更加明显。根据田块的肥力水平，生产上可在两个氮肥减量后移模式中采用更能适应当地条件的模式。