不同生境氮硫互作对香稻产量及肥料利用率的影响

阳树英，陈南利，胡芳芳，杨振治，何 宇，陆际冲

（湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

0 引言

【研究意义】香稻品质优良、香味浓郁，且有较高的营养价值[1-2]。目前香稻的国内国际市场需求空间都很大，如何进一步提高香稻产量满足市场需求是一个亟待解决的问题。在农田生态系统中增施氮肥能增加香稻单位面积有效穗数和每穗总粒数及提高香稻质量[3-4]。但氮肥利用率不高，导致土壤酸化、土壤生物多样性下降以及土壤污染等问题，降低土壤生产能力，造成地表水富营养化等环境问题[5-8]。因此，如何有效提高香稻产量和氮肥利用率意义重大。【前人研究进展】阳树英等[5]、Yasuhiro等[8]、赵洪涛等[9]、刘光荣等[10]都发现施用一定的硫肥能极显著增加水稻的产量和氮肥利用率，但不同的生境添加的量不尽一致；可能受到土壤质地、季别、绿肥施用等因素的影响[11-14]。种植期间的气候条件，尤其是抽穗到成熟期间的光照条件是决定增施氮肥能否增产的关键因素[15]。徐振江等[15]认为灌浆结实期不同温度处理以日均温23 ℃香稻的产量最高、米质最好、香味得分也最高。在印度，Dey 等[16]发现减少氮肥用量15% （181 kg·hm-2）会略有减产。在尼日利亚，Bai等[17]发现施氮120 kg·hm-2的水稻仍能保持较高的产量和投资回报率。而Kumar等[18]和 Singh 等[19]则发现施氮 60 kg·hm-2的水稻亦可达到高产，并且品质较好。因此不同生境气候条件和土壤条件都影响水稻的产量、产量构成要素、氮肥利用率和硫肥利用率，并且不同水稻品种对氮素和硫素的敏感程度也存在显著差异。【本研究切入点】前人鲜有系统研究不同生境氮硫互作对水稻产量及肥料利用率的影响。【拟解决的关键问题】本研究选择亚热带地区广东和湖南2个典型的水稻生产区（生境），设置9个不同氮硫互作处理，系统研究不同生境氮硫互作对2个高产优质香稻品种湘晚籼13号和湘晚籼17号产量、产量构成因素、肥料利用率的影响，从而选配具体生境能提高香稻产量的氮硫互作组合，提高氮肥和硫肥利用率。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

2018年在广东省江门市和湖南省怀化市辰溪县进行水稻氮硫互作田间试验。试验材料为湘晚籼13号、湘晚籼17号。施肥所用的氮肥、硫肥分别是尿素（含N 46.67%）和硫磺粉（含S 99.0%）。各小区S肥在移栽前一次性施入，N肥按m（基肥）:m（分蘖肥）:m（孕穗肥）=5∶3∶2 施用；分蘖肥在移栽后7 d施用，孕穗肥在穗分化期（枝梗分化期）施用，P2O590 kg·hm-2、K2O 180 kg·hm-2全部作基肥施用。小区间筑埂（宽40 cm）并用塑料薄膜包裹，以防串水串肥。插秧密度为30万株·hm-2，插秧后保持浅水4～5 d，以后保持浅水与湿润相间灌溉，促进分蘖，达到所需有效穗苗数的90% 时开始晒田，培育壮秆。此外，在孕穗期和灌浆成熟期以湿润和浅水相间灌溉，以促进后期根系活力，其他田间管理按大面积生产田进行。

1.2 田间试验设计

各生境田间试验采用裂区设计，主区为不同的氮肥、硫肥配施水平，副区为不同的品种，施肥水平有 3 个，N1、N2、N3分别为 0、90 和 180 kg·hm-2，S1、S2、S3分别为 0、45、90 kg·hm-2，氮肥、硫肥水平两两组合，共有N1S1（对照）、N1S2、N1S3、N2S1、N2S2、N2S3、N3S1、N3S2、N3S3等 9 个处理组合，每个处理设3个重复，合计27个小区，随机分布。主区面积为40 m2，副区面积为20 m2。每个小区筑有40 cm宽、20 cm高的埂，并用塑料薄膜包裹，避免不同小区之间串肥，不同小区间设有50 cm宽的沟渠用于灌水和排水，避免不同主区串水。湖南辰溪的水稻在5月上中旬播种，9月中下旬收获；广东江门水稻播种的日期是8月中下旬，在11月中上旬收获。

1.3 试验指标的测定

1.3.1 生境指标的测定 （1）气候特征指标由国家气象局提供；（2）土壤理化指标按照《土壤农业化学分析方法》进行测定分析[20]。

1.3.2 室内考种 穗样自然风干后，进行脱粒，用水漂法分离籽粒样品中的实粒和空瘪粒，风干后数出实粒数和空瘪粒数，并称量实粒重，测量有效穗数（万·hm-2）、每穗总粒数、结实率（%）、千粒重（g）。

1.3.3 肥料利用率 肥料利用率计算公式如下：

式中，B为肥料利用率（kg·kg-1），Y1是氮硫互作中加氮（加硫）处理的单位面积的水稻产量，Y0是指没有施氮或者没有施硫的相应施肥水平的水稻产量，C是指单位面积所添加的氮肥或者硫肥量。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016进行整理数据，采用Statistix 10.0.0进行差异显著性检验，并进行LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 2种生境的气候特征与土壤特性的比较

如表1～3所示，生境1广东省江门市水稻产区位于亚热带低纬度地区，属于亚热带季风气候，受海洋性季风影响较大，温暖多雨，年日照时数平均在2 132 h以上，无霜期在360 d以上，终年无雪，气温年际变化不大，年平均气温全区均在22.8～32.2 ℃，夏季有台风和暴雨，年降雨量为1 800～2 700 mm。土壤类型潮土，土壤pH为6.5，因此选择种植晚稻，晚稻生长时间段是8月至11月，灌浆期在10月1日至10月20日左右。生境2湖南省怀化市辰溪县属于河流冲积盆地，地势平坦，土地肥沃，属中亚热带季风湿润气候，暖湿多雨，冬暖夏凉，水热同季，无霜期250～280 d，年平均气温在17.6～22.9 ℃，年降雨量为1 328～1 800 mm，年日照时数1 510 h。土壤类型为第四纪红壤发育而来的水稻土，土壤pH为5.6，由于地貌地形的影响，这里是一季稻作区，因此选择种植一季稻，水稻生长时间为5月到10月，灌浆期在9月1日至9月20日左右。

从表1可知，生境1的水稻灌浆期日均温度、年降雨量和年日照时数高于生境2。从表2可知，水稻生长发育期间，尤其是抽穗扬花期（7月底-8月中旬），生境2的火南风盛行，日均温度、日最高温、气温日较差均高于生境1。

表1 2个不同生境水稻灌浆期气候数据的比较Table 1 Ecological and meteorological data on Habitat 1 and 2 in filling stage of fragrant rice

表2 2个试验点香稻生育期气候资料的比较Table 2 Ecological and meteorological data on Habitat 1 and 2 in entire growth period of fragrant rice

由表3还可知，生境1的土壤全氮含量、碱解氮含量、碳氮比和有效磷含量都高于生境2，但其速效钾含量低于生境2。

表3 2个不同生境的土壤性质Table 3 Properties of soils of Habitat 1 and 2

2.2 不同生境对香稻产量及产量构成因素的影响

从表4中可知，生境2辰溪的实际产量、每公顷有效穗数、每穗总粒数均极显著高于生境1江门，但辰溪的结实率却极显著低于江门，辰溪的实际产量达到了9.55 t·hm-2，比生境江门的实际产量高出40.41%。

表4 不同生境对香稻产量及产量构成因素的影响Table 4 Effects of Habitat 1 and 2 on yield and yield components of fragrant rice

2.3 不同氮硫互作处理对香稻产量及产量构成因素的影响

由图1可知，氮硫互作组合N3S3、N3S2、N2S2、N2S1、N2S3、N3S1均极显著增加了香稻实际产量。

图1 不同氮硫互作处理间香稻产量的比较Fig. 1 Yield of fragrant rice under varied treatments

由图2可知，相较于N1S1，氮硫互作组合N3S3、N3S2、N2S2、N2S1、N2S3、N3S1均极显著增加了香稻的单位面积有效穗数（P＜0.01），但极显著减少了其每穗总粒数（总颖花数）（P＜0.01）。氮硫互作组合 N3S2、N2S2、N2S1、N2S3、N3S1、N1S3显著增加了结实率（P＜0.05），而N3S3降低了结实率（P＜0.05）；与N1S1处理相比，所有氮硫互作组合处理的千粒重均显著增加，氮硫互作组合N3S2、N2S2、N2S1、N2S3、N3S3、N3S1极显著增加（P＜0.01），N1S2显著增加（P＜0.05）.

图2 不同氮硫互作处理间香稻产量构成指数的比较Fig. 2 Yield components of fragrant rice under varied treatments

由表5可知，生境2的湘晚籼17号产量由大到小 为 N3S2＞ N3S3＞ N2S1＞ N2S2＞ N3S1＞ N2S3， 除N2S3外，其产量都极显著大于湘晚籼13号的所有氮硫互作处理（P＜0.01）；湘晚籼13号产量最高的氮硫互作处理是N2S3。生境1的湘晚籼13号的产量是N3S2和N2S2，湘晚籼17号产量最高的氮硫互作处理是N3S3。

表5 生境×氮硫互作×品种对香稻产量的影响比较Table 5 Comparison of habitat×treatment×cultivar interactions on rice yield

2.4 氮素利用率的比较

由图3可知，生境1的湘晚籼13号氮肥利用率最高是N2S2处理，达8.11 kg·kg-1；湘晚籼17号氮肥利用率最高的是N2S3处理，达10.67 kg·kg-1；同等施氮水平条件下，湘晚籼13号的氮肥利用率随施硫量的增加呈先增加后降低的趋势，高硫（N2S3和N3S3处理）均显著降低了其氮肥利用率。湘晚籼17号在N2水平时，氮肥利用率随施硫量的增加而增加，在高氮条件下高硫增施（N3S3）能显著提高其氮肥利用率。生境2的湘晚籼13号在N2和N3施氮水平时氮肥利用率均随施硫量的增加而增加，最高的是N2S3处理，达30.44 kg·kg-1；湘晚籼17号氮肥利用率随着施硫水平的增加而降低，所以最高的是N2S1处理，达32.67 kg·kg-1。生境1的氮肥利用率明显低于生境2，并且生境1两品种的氮肥利用率对硫的敏感性都不及生境2。

图3 不同生境不同品种不同氮硫互作处理的氮肥利用率Fig. 3 N use efficiency of fragrant rice under varied treatments

2.5 硫素利用率的比较

由图4可知，生境1的湘晚籼13号硫肥利用率在S2的施肥条件下，随施氮水平的增加极显著增加，N3S2处理最高，达24.44 kg·kg-1。湘晚籼17号的硫肥利用率均随施氮量的增加呈先增加后减少的抛物线型，最高的N2S3处理达4.85 kg·kg-1。生境2湘晚籼13号硫肥利用率最高的是N2S2处理，为19.11 kg·kg-1；湘晚籼17号硫肥利用率最高的是N3S2处理，达69.27 kg·kg-1，其次是N3S3处理。高氮高硫处理的湘晚籼13号硫肥利用率是生境1高于生境2，湘晚籼17号硫肥利用率整体是生境2高于生境1，并且生境1湘晚籼17号的硫肥利用率对氮不敏感。

图4 不同生境不同品种不同氮硫互作处理硫肥利用率的比较Fig. 4 S use efficiency of fragrant rice under varied treatments

3 讨论与结论

3.1 生境对香稻产量的影响

不同生境气候条件和土壤条件都会影响水稻的产量、产量构成指数。兰华雄等[21]发现，云南省永胜县涛源乡水稻高产的气象生态原因是其生境光质中短波光的比例高，光照时间长，昼夜温差较大，日平均气温较低，降水量中等，风速较适宜等，使水稻生育期变长，进而提高了水稻的产量。熊洪等[22]也发现在一定营养基础上，水稻的产量受日照时数、日昼夜差的影响，光、温、水等资源匹配协调，是水稻穗粒多，穗粒饱满，产量高的重要前提。彭少兵等[23]研究发现，日平均气温每升高1 ℃，水稻产量下降15%；夜间温度变高则水稻呼吸生理代谢耗能增加，导致水稻生物量积累变少，不利于水稻产量提高。也有研究表明秋季气温日较差（DTR）有利于增加作物产量[22]。因此气候生态因子显著影响水稻的产量。本研究结果发现生境2湖南辰溪气温日较差大于生境1广东江门，并且水稻生长发育期间降水量中等，夜间温度较低，水稻生育期长，因此生境2的香稻产量极显著高于生境1。姜丽霞等[24]、李训贞等[25]研究结果发现当气温在35 ℃以上、湿度为65%～70%、风速为4 级以上的条件下，花粉在0.5 h后就丧失活力，严重影响结实率。虽然生境广东江门在晚稻扬花期的日均风速和最大风速均比生境2大，但生境湖南辰溪的扬花期处于火南风盛行季节，日均温高于35 ℃，湿度低和风速大，严重影响到了香稻的结实率，同时也有可能因为每穗总粒数的增加而导致结实率一定程度上降低，因此生境湖南辰溪的结实率极显著低于生境广东江门。

不同土壤类型间由于成土母质及长期施肥的影响，土壤肥力有一定差异。不同土壤类型，有效营养元素含量、有机质含量、pH、土壤温度等生态因子不同，直接影响到植物吸收利用营养元素量的多少，进而直接影响水稻的产量与生物量。平立燕等[26]发现不同的土壤类型，基础肥力与水稻的产量成正相关关系。刘娟等[27]发现不同类型土壤TP 流失量以潮土最大，水稻土和黑土次之，红壤最小，这主要是潮土砂质黏土的土壤质地，黏粒含量比其他几种土壤少造成的。本试验的生境湖南辰溪属第四纪红壤发育而来的水稻土，生境广东江门是潮土，红壤水稻土保水保肥的能力高，有利于单位面积有效穗数的增加和每穗颖花数的增加，从而有利于生境湖南辰溪产量和产量构成指数有效穗数、每穗总粒数均极显著高于生境广东江门。

3.2 氮硫互作对香稻产量的影响

阳树英等[5]发现增施氮肥能显著提高五常香稻的单位面积有效穗数和每穗总粒数，施硫能显著增加五常香稻的结实率和千粒重。江琳琳等[28]还发现单位面积穗数、生物产量和经济产量与穗部、茎鞘、叶部和植株吸氮量均表现为极显著正相关，构成了从氮效率、不同部位吸氮量、产量构成因素、物质生产与分配的生理通路。国内外研究发现含硫功能团对植物体内的生理代谢、物质转化和运转，以及多种生化酶的活化等有重要作用，水稻施用硫肥能促进生长发育、改善品质、增加产量、改良土壤环境和提高土壤氮、磷等养分含量[11-14]。Yasuhiro等[8]也发现，施硫能显著放大施氮所带来的产量增加效应，温室盆栽条件下同时施氮和硫15 mg·kg-1可显著增加香稻品种Basmati cv.‘Taraori’的产量。刘光荣等[10]研究了氮硫配施对水稻的影响，结果表明水稻籽粒中的N、S含量受外界营养元素N和S的交互影响，并随氮肥、硫肥施用量增加而增加。因此一定施肥水平上的氮硫互作能显著增加水稻的产量。本研究结果表明，氮硫互作组合N3S3、N3S2、N2S2、N2S1、N2S3、N3S1均极显著增加了香稻的实际产量；其中 N3S2、N2S2、N2S1、N2S3、N3S1能同时极显著增加香稻的单位面积有效穗数、结实率和千粒重等3个产量构成指数，但极显著降低了每穗总粒数。这是由于穗粒数与有效穗数之间存在一定的负相关所致。并且湖南辰溪生境的湘晚籼17号产量在氮硫互作间的比较结果是N3S2＞N3S3＞N2S1＞N2S2＞N3S1＞N2S3；它们均极显著大于湘晚籼13号的各氮硫互作处理，湘晚籼13号产量最高的氮硫互作处理是N2S3。广东江门的湘晚籼13号的产量是N3S2＞N2S2，它们均极显著高于湘晚籼17号，并且湘晚籼17号产量最高的氮硫互作处理是N3S3。这可能归因于Gui Chen等[29]发现的氮肥利用率与品种对氮肥或者硫肥的吸收能力有关所致，湘晚籼17号比湘晚籼13号对氮的敏感性强，从而对氮的吸收能力强。

3.3 生境×氮硫互作×品种对水稻肥料利用率的影响

3.3.1 生境对水稻肥料利用率的影响 区域、时间、作物品种、施用方法、氮素类型等都会不同程度地影响氮素效应[30]。不同区域间由于地形、气候、土壤肥力等差异较大，水稻对氮素的吸收利用也存在一定的差异[31]。中国科学院南京土壤研究所的朱兆良院士首先提出了区域平均适宜施氮量的构想和具体方法，为我国进行区域尺度上的氮肥管理提供了参考[32]。张智等[33]也认为地形差异是影响四川省不同区域水稻氮肥施用效果的主要因素，因此根据区域的地形差异合理调整氮肥用量是提高水稻氮肥利用率的有效途径。土壤肥力水平也会对氮素的吸收利用造成影响，如Norman等[34]、赵洪涛等[9]认为土壤背景氮偏高可能是氮肥利用率低的主要原因。南京农业大学徐国华教授课题组从水稻中发现了一种受细胞pH调控的硝酸盐运输蛋白，过量表达该基因可促进水稻从土壤中吸收更多的氮，提高水稻产量和氮素利用效率[35]。本研究结果表明生境1的土壤背景值全氮和碱解氮均高于生境2，生境1的2个香稻品种的氮肥利用率都低于生境2，并且生境1的2个香稻品种的氮肥利用率对硫的敏感性都不及生境2。生境2的湘晚籼13号在N2和N3施氮水平时，氮肥利用率均随施硫量的增加而增加，最高的是N2S3处理达30.44 kg·kg-1，其产量也显著最高，但其硫肥利用率为负值，可见湘晚籼13号对硫不敏感或者是因为潮土中有效硫含量低及潮土对有效硫利用率低的原因所致，这还需要进一步研究证实。

生境土壤氮硫含量的本底值影响其肥料利用率从而影响香稻产量。生境1的土壤背景值有效硫的含量是13.0 mg·kg-1，生境2的有效硫的含量是38.2 mg·kg-1；生境1的湘晚籼13号硫肥利用率最高的是N3S2处理，达24.44 kg·kg-1，高于生境2；而生境2的湘晚籼17号硫肥利用率最高的是N3S2处理，达69.27 kg·kg-1，并且产量也显著最高，但在高氮条件下随施硫量的增加硫肥利用率显著降低，高硫（N2S3和N3S3处理）显著降低了其硫肥利用率，可见湘晚籼17号对硫非常敏感。孙玉桃[11]、邹长明[13]、侯晓娟[14]等认为当硫肥施用量≥45 kg·hm-2时，硫素盈余，硫肥的利用率均在5%以下。这可能也归因于生境2土壤的高硫本底值而使其硫肥利用率显著降低。因此受不同生境稻田中氮硫本底值的影响，生境1的N2S3处理极显著增加了水稻湘晚籼13号的产量和氮肥利用率，生境2的N3S2处理极显著增加了水稻湘晚籼17号的产量和硫肥利用率和氮肥利用率。

3.3.2 氮硫互作×品种对肥料利用率的影响 阳树英等[5]研究表明，五常香稻的N2S2施肥模式氮肥利用率最高，产量也最高，是五常香稻最理想的氮硫互作施肥模式，而低氮高硫的N2S3和高氮低硫的N3S2处理虽然产量较高，但均造成氮肥浪费，增加水稻生产成本，增加环境污染风险。刘光荣等[10]也证实施用氮肥可提高硫肥利用率12.8%～35.3%；并且随着施氮量的增加，植株对N、S的吸收量显著提高。Gui Chen等[29]还发现氮肥利用率与品种对氮肥或者硫肥的吸收能力有关。本研究也表明：生境1的湘晚籼13号硫肥利用率在S2的施肥条件下的随施氮水平的增加极显著增加，N3S2最高达24.44 kg·kg-1；并且在同等施氮水平条件下，其氮肥利用率随施硫量的增加呈先增加后降低的抛物线，高硫（N2S3和N3S3处理）均显著降低了其氮肥利用率，与孙玉桃等[11]、邹长明等[13]、侯晓娟等[14]的研究结果一致；而湘晚籼17号在N2施氮水平时，氮肥利用率随施硫量的增加而增加，在高氮条件下高硫增施（N3S3）能显著提高其氮肥利用率。生境2的湘晚籼13号在N2和N3施氮水平时氮肥利用率均随施硫量的增加而增加；湘晚籼13号硫肥利用率最高的是N2S2处理为19.11 kg·kg-1；而湘晚籼17号氮肥利用率随着施硫水平的增加而显著降低，应该与其土壤高硫背景值有关。湘晚籼17号的硫肥利用率均随施氮量的增加先增加后减少呈抛物线型，最高的N2S3处理达4.85 kg·kg-1。可见不同生境、不同氮硫互作处理和不同品种的氮肥利用率和硫肥利用率都不同。

综上，生境、氮硫互作处理及品种均不同程度地影响了香稻产量和产量构成指数及肥料利用率；N2S3极显著增加了水稻湘晚籼13号的产量和氮肥利用率。生境湖南辰溪的N3S2处理极显著增加了湘晚籼17号的产量和硫肥利用率、氮肥利用率。