减氮和增氧灌溉对水稻产量和氮素利用的影响

张露 梁青铎 吴龙龙 黄晶 田仓2 张均华 曹小闯 朱春权 孔亚丽金千瑜 朱练峰

(1中国水稻研究所 水稻生物学国家重点实验室，杭州 311401；2长江大学 农学院 湿地生态与农业利用教育部工程中心，湖北 荆州 434025；#共同第一作者；*通信联系人，email：zlfnj@163.com)

中国是一个农业大国，水稻种植面积约占世界水稻总种植面积的20%，氮肥用量占全球氮肥用量的30%以上，但中国稻田氮肥利用率仅为30%～35%，明显低于世界平均水平[1]。在我国水稻生产上，农民过量施氮现象较为普遍，导致耕地基础地力对产量贡献率不足60%[2]，远低于欧美等发达国家[3]。近年来，随着高产品种的培育推广，氮肥用量越来越大，成为水稻增产的有力措施，但稻田长期过量施氮提高了种植成本，并且导致无效分蘖增加、生育期延长，氮素的淋洗、挥发加剧，土壤酸化及水体富营养化等环境灾难[4-5]。面对我国现在水稻氮肥利用率偏低的情形，可以通过减少氮肥的施用，在保证产量的同时，也可保护生态环境，使农业可持续发展。刘红江等[6]研究表明减少氮肥用量及“前氮后移”能够减少氮素流失，提高水稻产量和氮素利用效率；汪峰等[7]的研究表明适当减少氮肥用量仍可以保证水稻的产量，并且合理施氮可促进水稻产量和有效穗数的显著增加[8]。

稻田在长期淹水下土壤根际氧浓度降低，导致水稻生理代谢活性下降，养分吸收受阻，影响水稻干物质积累和产量的形成[9]。水稻需水和需氧的特异性容易引发根际缺氧，缺氧严重制约水稻生长和产量[10-11]。适宜的“以氧促氮”模式，如干湿交替灌溉、起垄栽培和好氧灌溉等耦合氮肥运筹，可通过调控根系形态构建[12]、叶面积指数和光合速率[13-14]、同化物转运和分配[15]等提升水稻群体质量，提高水稻产量和氮素利用率并对稻田系统氮循环产生重大影响[16]。微纳米气泡增氧灌溉可以提高灌溉水体溶解氧含量来优化作物根域的氧气状况，从而促进作物生长发育，实现增产增收[17]。有研究表明，适当减施氮肥与曝气灌溉相结合，可获得较高的产量[18]，并且微气泡增氧灌溉改善了稻田土壤通透性，促进根系发育及对水分、养分的吸收，增加有效分蘖、叶面积指数和干物质积累量[19-20]。人们对增氧灌溉在提高水稻产量和氮素利用效率方面的作用已有明确认识，但如何充分结合现有栽培技术，在减少氮肥施用的同时，进行增氧灌溉，构建可协同实现水稻高产、氮肥高效利用的栽培技术是当前研究的热点。

本研究拟通过探究灌溉方式和氮肥用量对水稻生长、产量和氮肥利用的影响，以此来探究氧氮耦合的机理，为水稻高产提供理论及科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2020—2021年位于浙江省杭州市富阳区中国水稻研究所试验基地网室进行，网室顶部用透明塑料膜遮雨。试验小区土壤基础肥力：有机质22.45 g/kg，全氮1.33 g/kg，碱解氮137 mg/kg，有效磷14.51 mg/kg，速效钾104.12 mg/kg，pH为6.52。

供试水稻品种为IR45765-3B(深水稻品种)、中浙优8号(杂交水稻品种)和中旱221(旱稻品种)。设2个氮肥水平纯氮用量195.0 kg/hm2(N13，常规氮肥处理)；纯氮用量157.5 kg/hm2(N10.5，减施氮肥处理)和2个灌水处理(常规淹水灌溉WL、微纳米气泡水增氧灌溉MBWI)。试验共设四个处理、MBWI-N13、WL-N13、MBWI-N10.5、WL-N10.5

以及3个水稻供试品种。试验采用随机区组设计，3次重复，小区面积2.6 m2。微纳米气泡水增氧灌溉处理和淹水灌溉处理采用不同水灌溉，微纳米气泡水增氧灌溉处理在全生育期使用经过微纳米气泡发生器(型号：MBO75-ZS，上海亘辉水处理技术有限公司代理)进行增氧处理的水灌溉[18,21]；淹水灌溉处理的灌溉水为未处理的普通水。除分蘖盛期晒田和成熟期排水外，均保持淹水管理，各处理淹水时水层深度为5～8 cm。3个品种水稻均于2020年5月20日播种，20 d秧龄移栽，行株距为25 cm × 18 cm，每穴单本种植，中旱 221于2020年 9月24日成熟期取样，中浙优 8号和IR45765-3B于 2020年 9月 30日成熟期取样。氮肥采用尿素(含N 46%)，按基肥、分蘖肥、穗肥质量比5∶4∶1施用，基肥在移栽前2 d施用，分蘖肥在移栽后7 d施用，穗肥于孕穗始期施用。过磷酸钙(含P2O513.5%)90 kg/hm2，全部作基肥施用。钾肥(含K2O 60%)150 kg/hm2，按基肥、穗肥质量比1∶1施用。其余田间农事管理同当地一般高产栽培管理措施。

1.2 测定内容与方法

1.2.1 水稻茎蘖动态

各个小区移栽后确定连续的10株水稻为定点苗，并于移栽后1周开始记录其分蘖数，每周一次，至分蘖达到高峰期后出现下降趋势后停止。

1.2.2 水稻叶面积和叶片叶绿素含量的测定

分别于分蘖期(TS)、分蘖盛期(ATS)、齐穗期(FHS)、灌浆期(FS)、成熟期(MS)，取3株代表性水稻植株所有绿叶，用叶面积测定仪测定叶面积。选择各生育时期生长一致的水稻叶片(抽穗前测定倒一叶，抽穗后测定剑叶)，用无水乙醇提取法测定水稻叶片叶绿素含量[22]。

1.2.3 干物质量和植株氮素含量测定

取各生育时期代表性植株3株，按茎、叶、穗分样，105℃下杀青30 min，85℃下烘至恒重后称量不同部位的干物质量；称量后的样品混匀磨碎，采用H2SO4-H2O2消化，以半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量[23]。

1.2.4 测产与考种

成熟期调查有效穗数，每小区按其平均数取代表性植株12穴，风干后测其单株产量，结合小区种植密度计算水稻产量；考种主要考查每穗粒数、结实率、千粒重等指标。

1.3 相关评价指标计算

氮收获指数(N harvest index, %)=成熟期籽粒氮吸收量/植株氮素总积累量×100；

氮素利用效率(N utilization efficiency, NUE)=籽粒产量/氮素总积累量；

氮素运转效率(N transportation efficiency,NTE)=单株抽穗后茎叶氮表观输出量(抽穗期茎叶氮总量与成熟期茎叶氮总量之差)/抽穗期茎叶氮总积累量×100%；

氮素转运贡献率(N transportation contribution rate, NTCR)=单株抽穗后茎叶氮的表观输出量/成熟期籽粒氮素积累量×100%；

氮素籽粒生产效率(N grain production efficiency, NGPE)=水稻籽粒产量／植株氮素总积累量；

氮肥偏生产力(N partial factor productivity,NPFP)=产量/施氮量。

1.4 数据处理与统计分析

数据采用Microsoft Excel 2016进行整理，用SPSS 23数据分析软件包进行数据整理和方差分析；并用 Origin 2018和 Excel绘图工具绘图。各处理的比较采用最小显著差数法(Least Significant Difference，LSD)。

2 结果与分析

2.1 减氮和增氧灌溉对水稻产量及其构成因子的影响

由表1可见，与WL相比，MBWI显著增加了水稻产量，中旱221、中浙优8号和IR45765-3B 2年平均产量分别增加12.4%、7.5%和6.7%。MBWIN13处理下中旱221、中浙优8号和IR45765-3B产量最高，且中旱221、中浙优8号和IR45765-3B MBWI-N13处理比WL-N13产量分别增加了9.2%、9.4%、3.6%。中旱221 MBWI-N10.5处理下比WL-N13处理产量增加了3.5%，而中浙优8号和IR45765-3B的WL-N13和MBWI-N10.5处理间没有显著差异。从产量构成因子看，微纳米气泡水增氧灌溉主要是通过增加水稻植株有效穗和结实率提高水稻产量，增加施氮量主要通过增加有效穗、每穗粒数实现增产。中旱221、中浙优8号和IR45765-3B均是MBWI-N13处理有效穗数和每穗粒数最高，IR45765-3B WL-N13比MBWIN10.5有效穗增加了4.0%，差异显著。中浙优8号WL-N13和MBWI-N10.5处理间每穗粒数差异不显著，中旱221 WL-N13比MBWI-N10.5处理每穗粒数降低了3.0%，而IR45765-3B品种WL-N13比MBWI-N10.5处理每穗粒数增加了3.0%。微纳米气泡水增氧灌溉可以增加不同水稻品种的结实率，而不同水稻品种的结实率随着施氮量增加而显著下降，不同水稻品种的结实率均是MBWIN10.5处理最高，WL-N13处理最低，中旱221、中浙优6号和IR45765-3B的MBWI-N10.5处理比WL-N13处理结实率分别高8.5%、8.1%、7.2%。在产量构成中贡献最大的是有效穗和每穗粒数。2020和2021年各施肥水平和灌溉模式下水稻产量无显著差异，且年份与施肥及灌溉模式交互作用不显著，表明2年结果基本一致且相对独立，故本研究采用2020年数据进行结果分析。

表1 不同处理水稻产量和产量构成因子Table 1. Grain yield and its components of rice in different treatments.

2.2 减氮和增氧灌溉对水稻茎蘖动态、叶面积指数及叶绿素含量的影响

2.2.1 减氮和增氧灌溉下的水稻茎蘖动态

不同水稻品种各处理单株分蘖数随着移栽周数呈现先增高后降低的趋势，单株分蘖数为IR45765-3B＞中浙优8号＞中旱221，氮肥和灌溉方式显著影响水稻的分蘖发生(图1)。在同一灌溉水平下，中旱221的N13处理比N10.5处理单株分蘖数平均增加了8.0%，在淹水灌溉处理下，中旱221品种从移栽后第5周开始单株分蘖减缓，并呈现下降趋势，而微纳米气泡水增氧灌溉处理单株分蘖数持续增加，在移栽后第6周之前WL-N13处理单株分蘖数大于MBWI-N10.5。中浙优8号WL-N13处理在第5周出现分蘖峰值，而后单株分蘖数逐渐下降，而其他处理均在移栽后第6周出现分蘖峰值，在移栽第7周后MBWI-N13单株分蘖数最高，WL-N13和MBWI-N10.5分蘖数大致相同。IR45765-3B品种在不同处理下均是移栽第6周出现分蘖，施氮量增加可以显著增加IR45765-3B的单株分蘖数，MBWI-N13比WL-N13处理单株分蘖数增加了6.7%，MBWI-N10.5比WLN10.5处理单株分蘖数增加了8.5%。说明氮肥增加有助于水促进稻分蘖的形成，而微纳米气泡水增氧灌溉可以有效缓解减氮降低水稻分蘖数的效应，有利于水稻后期有效分蘖的增加。

图1 不同氮肥和灌溉处理下不同水稻品种的茎蘖动态Fig. 1. Tiller dynamics of different rice varieties under different nitrogen fertilizer and irrigation treatments.

2.2.2 减氮和增氧灌溉下水稻叶片叶绿素含量

水稻叶片叶绿素含量与光合速率、水稻的营养吸收转化等方面密切相关，因此叶片叶绿素含量是反映叶片健康生长的重要指标之一。由图2可以看出3个品种水稻叶绿素含量变化趋势大致相同，各个生育时期呈现先升高后下降的趋势，在分蘖盛期叶绿素含量达到峰值。中旱221品种叶绿素含量要低于中浙优8号和IR45765-3B，施氮量增加和微纳米气泡水增氧灌溉均可以显著增加中旱221、中浙优8号和IR45765-3B品种叶片叶绿素含量，3个品种水稻均是MBWI-13处理下叶片叶绿素含量最高。在齐穗期和灌浆期，中旱221品种MBWI-N10.5比WL-N13处理叶绿素含量分别增加6.3%和10.1%；在齐穗期和灌浆期，IR45765-3B WL-N13比MBWI-N10.5处理叶绿素含量分别增加了5.5%和13.9%。反映了增施氮肥和微纳米气泡水灌溉可以促进叶绿素的合成和减缓叶绿素的降解，增施氮肥和微纳米气泡水灌溉的协同调控对叶片叶绿素合成有促进作用。

图2 不同氮肥和灌溉处理下不同水稻品种生育期叶绿素含量Fig. 2. Chlorophyll contents of different rice varieties during different growth stages under different nitrogen fertilizer and irrigation treatments.

2.2.3 减氮和增氧灌溉下的水稻叶面积

不同水稻品种的叶面积在不同生育时期存在一定差异。由图3可知，水稻叶面积总体呈现先增加后下降的趋势，在齐穗期达到峰值。在同一灌溉处理下，随着施氮量增加，水稻叶面积指数明显增高，如灌浆期，中旱221品种、中浙优8号和IR45765-3B MBWI-N13比MBWI-N10.5处理叶面积分别增加了10.4%、9.5%、17.6%，WL-N13比WL-N10.5处理叶面积分别增加了9.9%、17.5%、4.0%。MBWI对于不同品种水稻叶面积的影响各不相同。MBWI可以显著增加中旱221叶面积；在常规施氮处理下，MBWI对中浙优8号叶面积没有显著影响，在减氮处理下，MBWI可以显著增加中浙优8号的叶面积；在分蘖盛期和齐穗期灌溉方式和氮肥处理对IR45765-3B的叶面积没有显著影响，在灌浆期，灌溉方式对IR45765-3B叶面积无显著影响，减氮降低IR45765-3B的叶面积。

图3 不同氮肥和灌溉处理下不同水稻品种各生育时期叶面积Fig. 3. Leaf area of different rice varieties during different growth stages under different nitrogen fertilizer and irrigation treatments.

2.3 减氮和增氧灌溉对干物质积累量和收获指数的影响

施氮水平和灌溉方式显著影响水稻的干物质积累(表2)，微纳米气泡水增氧灌溉可以显著增加中旱221、中浙优8号干物质积累量，对IR45765-3B干物质积累量没有显著影响，增加氮肥用量也可以显著增加不同品种的干物质积累量。中旱221干物质积累量在WL-N13和WBWI-N10.5从分蘖期到灌浆期无显著差异，成熟期WL-N13比WBWI-N10.5干物质积累量低了10.3%，差异显著。中浙优8号比中旱221和IR45765-3B干物质积累量分别高了47.8%和8.6%，中浙优8号品种WL-N13和WBWI-N10.5处理从分蘖期到成熟期干物质积累量差异不显著。灌溉方式对IR45765-3B干物质积累量无显著差异，且WL-N13比WBWI-N10.5干物质积累量平均高5.9%。中旱221、中浙优8号、IR45765-3B均是WBWI-N13处理收获指数最高，为45.63%、44.41%、45.70%，并且在减氮的基础上进行增氧灌溉可以显著增加不同品种的收获指数，中旱221品种、中浙优8号和IR45765-3B的WBWI-N10.5比WLN10.5处理收获指数分别增加了6.96%、4.37%、6.23%。

表2 不同氮肥和灌溉处理下水稻的地上部干物质积累量Table 2. Aboveground dry matter accumulation of rice under different nitrogen fertilizer and irrigation treatments.

2.4 减氮和增氧灌溉对水稻氮素利用特征的影响

如表3所示，氮肥和灌溉方式均影响水稻各氮素利用率指标，氮肥用量和灌溉模式在水稻氮素利用方面存在显著差异。与WL相比，MBWI均可以显著增加中旱221、中浙优8号和IR45765-3B氮收获指数、氮肥偏生产力和氮素籽粒生产效率，降低了水稻了氮转运效率和氮转运贡献率。减氮处理可以显著增加氮转运效率、氮转运贡献率、氮素籽粒生产效率和氮肥偏生产力，而降低了氮收获指数。中旱221、中浙优8号和IR45765-3B氮收获指数MBWI-N13处理最高，分别为66.7%、61.8%和66.2%，且中浙优8号和IR45765-3B WL-N13和MBWI-N10.5处理间氮收获指数差异不显著，中旱221品种WL-N13和MBWIN10.5处理间氮收获指数增加了2.2%，差异显著。减氮和增氧处理下不同水稻品种的氮转运贡献率和氮转运效率表现较为一致，中旱221、中浙优8号和IR45765-3B氮转运效率、氮运转贡献率WL-N10.5处理较WL-N13和MBWI-N10.5处理增幅为2.8%～10.5%、1.1%～8.7%。减氮和增氧处理下对不同水稻品种氮素籽粒生产效率和氮肥偏生产力的影响大致相同，氮素籽粒生产效率和氮肥偏生产力均是MBWI-N10.5处理最高，MBWIN10.5处理比其他处理氮素籽粒生产效率和氮肥偏生产力分别高2.1%～11.2%、6.0%～26.4%。

表3 不同氮肥和灌溉处理下水稻的氮素利用特征Table 3. Nitrogen utilization characteristics of rice under different nitrogen fertilizer and irrigation treatments.

3 讨论

3.1 减氮和增氧灌溉对水稻生长和产量的影响

研究表明轻度干湿交替灌溉方式与施氮量存在显著的互作效应，轻度干湿交替灌溉增加了主要生育期叶片叶绿素含量、氮含量和提高抽穗后群体叶面积指数[24]。本研究中减氮处理虽然降低了水稻叶片的叶绿素含量和水稻叶面积，但是MBWI可以促进叶绿素的合成和减缓叶绿素的降解，并且在一定程度上保证了叶面积，这主要由于MBWI处理下，水稻全生育期叶片叶绿素含量和叶面积指数均提高，延缓了叶片后期衰老，光合时间和光合面积持续期较长，利于光合物质的积累，这与前人的研究结果一致[25]。可见，在前期适宜的物质积累条件下，促进中后期光合物质的生产能力，提高拔节后物质生产量是挖掘水稻产量潜力的物质基础。有研究表明不同施氮处理下水稻有效穗、每穗粒数和千粒重决定了籽粒产量[26]，主要是因为适宜的施氮量可以提高幼穗分化期叶片和籽粒中氮代谢酶的活性，主要影响水稻的千粒重、穗数，有利于产量形成[27]，并且控制灌溉有利于花后籽粒尤其是弱势粒灌浆，可依靠千粒重的优势弥补其群体颖花量上的不足[15]。本研究发现，施氮量虽有所减少，但仍能在MBWI处理下保持较高的产量水平，MBWI均可以显著增加三个品种水稻的产量，在产量构成中贡献最大的是有效穗和每穗粒数，可能是由于MBWI能抑制水稻的无效分蘖，在一定程度上保证水稻的成穗率，提高水稻的籽粒灌浆程度[28]；其次水稻产量主要取决于群体库容量(总颖花数、粒重)，高产关键是确保一定的总颖花数，MBWI主要是增加了有效穗数而形成群体颖花量的优势，并且在一定程度上提高了后期对籽粒的充实度，从而保证了成穗率和结实率，稳定千粒重最终实现产量显著增加[29]。灌溉方式和氮肥对结实率有显著影响，对千粒重无显著影响，MBWI可以显著增加不同品种水稻的结实率，而减氮处理增加了结实率，可能是因为氮肥施用过多促进分蘖的发生，提高有效穗，但随着有效穗和每穗粒数的增加，水稻库容量增大，光合产物无法满足不断增大的库容量，导致结实率下降[30]。

本研究表明氮肥和灌溉方式显著影响水稻的分蘖发生和干物质量，但不同品种对其响应情况差异显著。减氮降低了3个水稻品种的分蘖数和地上部干物质量，但在MBWI处理显著增加水稻分蘖数和干物质量，弥补了因减氮造成的库容量降低[31]。这是由于MBWI增加水稻根际氧含量，根际有氧呼吸加剧，对养分的利用也显著增加，有助于为叶、茎鞘和穗部提供更多的能源物质，有利于水稻抽穗期至成熟期籽粒灌浆和干物量积累[32]，并且在MBWI处理下，有助于促进水稻前期分蘖的形成，促进水稻叶片的光合速率，而光合速率的显著提高能为籽粒和地上部生长提供充足的光合物质[33]。综上可知，施氮量和灌溉方式对中旱221、中浙优8号和IR45765-3B产量的影响主要通过影响有效穗、每穗粒数和结实率来实现，并且在减氮的基础上进行增氧灌溉能保证较高产量，因此必须协调好各因子之间的关系，在保证足够有效穗的基础上，适当的提高穗粒数和结实率，实现增产。在保证足够有效穗的基础上，适当的提高穗粒数和结实率，实现增产。

3.2 减氮和增氧灌溉对水稻氮素利用特征的影响

灌溉方式显著影响水稻氮素利用特征，有研究表明不同灌水模式和氮肥处理对水稻氮素干物质生产效率、氮素稻谷生产效率、氮素农艺效率、氮肥回收效率、水分利用率影响均达显著水平[34]。增氧灌溉和氮肥一定程度上有助于水稻氮素积累，增氧灌溉下减施氮肥处理比淹水灌溉常规施氮量的当季氮肥利用率分别提高15.6%、36.2%、21.5%[35]，MBWI还可以显著提高三个品种水稻的氮素收货指数、籽粒氮素贡献率和氮肥偏生产力，而降低了氮素转运效率和氮素转运贡献率，这与前人研究结果一致[20]，灌溉方式主要影响氮素收货指数和氮素转运效率，可能在于MBWI促进了微生物群落的发展，利于土壤氮矿化及硝化作用的进行，减少了土壤氮素的损失[36]。氮素收获指数是熟期籽粒氮素分配指数，氮素籽粒生产效率是籽粒吸氮量对产量的贡献比率，减施氮肥水稻氮素转运效率、氮素转运贡献率、氮肥偏生产力和氮素籽粒生产效率增加，收获指数下降，可能是因为施氮量超过植物的吸氮量，可能造成植物氮素浪费[37-38]。

4 结论

施氮处理和灌溉模式及其交互作用显著影响不同水稻品种的产量，产量构成因子和氮素利用率。增氧处理和增加氮肥均能显著促进水稻分蘖发生与有效穗的形成，且3个品种水稻干物质积累量和产量均显著增加，对产量贡献最大的构成因子是有效穗和每穗粒数。增氧处理下水稻对氮素的吸收与利用均得到显著的改善，在提高产量的前提下，降低了肥料的损耗，有利于水稻高产与可持续发展。协同促进水稻氮素吸收、分配和运转畅通，显著提高水稻群体质量、氮素利用率及稻田氮素有效性。可见，增氧灌溉可以增加水稻分蘖数、干物质量及产量，影响氮素利用特征，在稻田减氮的条件下采用增氧灌溉能有效提高水稻高产群体构建，有助于维持较高的产量。