氮肥运筹对水稻生物学性状及氮肥利用效率的影响

杨业凤 莫小玉 李引龙 王雨沁 付一笛 杨颖

杨业凤，莫小玉，李引龙，等. 氮肥运筹对水稻生物学性状及氮肥利用效率的影响［J］. 江苏农业科学，2024，52（7）：94-100.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.07.013

（1.上海市浦东新区农业技术推广中心，上海 201201； 2.上海市浦东新区惠南镇经济发展服务中心，上海 201399； 3.上海市浦东新区航头镇经济发展服务中心，上海 200120）

摘要：为解决农民在水稻施肥过程中存在的过量施肥、氮肥利用效率低以及产量提高困难等问题。采用田间试验的方法，通过减少氮肥用量，改变氮肥运筹以及增加磷肥、钾肥比例的方式，设计缺氮处理（CK）、农民常规施肥处理（FFP）、高效处理（HE）、高产处理1（HY1）、高产处理2（SHY）共5个养分管理处理，分析不同处理下水稻的生长情况、生物学性状及不同养分优化管理模式对水稻产量及氮素利用效率的影响。结果表明，与农民常规施肥处理（FFP）相比，高效处理（HE）在水稻种植过程中的氮肥施用量降低48.5%的情况下，水稻的产量没有显著降低，而2021、2022年氮肥吸收利用率分别从FFP处理的26.4%、31.7%提高到42.2%、55.6%。2个高产处理在适当降低氮肥用量的情况下，水稻的产量和氮肥吸收利用率均有不同程度提高。开花期水稻叶片SPAD值与总氮肥施用量无关，而与穗分化后氮肥用量相關。随着氮肥用量的增加，水稻花后氮素和干物质的积累呈现降低的趋势。因此，适当降低水稻种植过程中氮肥总施用量以及增加水稻生长中后期氮肥施用比例可以显著改善水稻群体指标，是提高水稻产量和氮肥效率的有效途径。

关键词：养分管理；水稻；产量；氮肥利用效率；叶面积指数

中图分类号：S511.06  文献标志码：A  文章编号：1002-1302（2024）07-0094-07

氮素是植物生长的必需元素，也是作物生长最主要和最敏感的限制因子［1］。合理施氮能够有效促进水稻生长发育，提高水稻产量，并显著提高水稻对氮素的吸收利用［2］。在实际生产中，我国农民习惯采用大量施肥尤其是氮肥来提高水稻产量，然而过量和不合理的氮肥施用不但不利于水稻产量的提高，还会造成氮肥利用率低下。我国水稻氮肥利用率为30%～35%，显著低于国际平均水平［3］，未被利用的氮素进入水体和大气环境，引发一系列的环境问题［4-6］。因此，对氮素养分进行优化管理，协同提高水稻产量、氮肥利用率及降低环境风险，已成为当前研究的一个热点［7］。目前，针对稻田氮素养分的优化管理已有很多报道，通过控制氮肥用量和运筹等氮肥优化管理可以提高水稻产量和氮肥利用率［8-10］。氮肥优化管理可以通过调控水稻的产量构成以及提高氮肥的高级养分贡献阶段性实现水稻高产和氮肥高效［11］。刘益仁等认为，通过施用有机肥能够提高水稻产量和氮肥利用率［12-13］；张雪凌等认为，在当地农民习惯施氮的基础上减施 20%化肥氮，以有机氮替代，并适当提高化肥氮在抽穗期的比例，能够保证土壤综合肥力的可持续性、氮素养分持续高效利用和水稻持续稳产［14］。水稻季过高的氮肥投入使氮肥利用率低于全国平均水平［15-17］。因此，本试验在上海市浦东地区以水稻为研究对象，通过设置高效和高产2种养分管理模式，探究氮肥优化对水稻在干物质生产、氮素积累、叶片叶绿素相对含量（以SPAD值计）和叶面积指数（LAI）等群体指标的变化，以期为氮肥优化管理实现水稻稳产增产和提高氮肥利用率提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验从2021年开始，在上海市浦东新区惠南镇远东村（31°0221′N，[JP]121°7956′E）采用稻麦轮作的方式进行，采用2021年、2022年水稻试验数据。试验品种为常规稻南粳46，也是当地主栽品种。供试肥料为尿素、过磷酸钙、氯化钾，有机肥料为商品有机肥。试验地土壤类型为水稻土，土壤耕层有机质含量为20.2 g/kg，全氮含量为1.52 g/kg，碱解氮含量为163 mg/kg，速效磷含量为16.7 mg/kg，速效钾含量为143.0 mg/kg，pH值7.9。

1.2 试验设计

试验以水稻—小麦种植制度为基础。在水稻季设置5个相同的处理，且同一个施肥处理在不同作物季均连续设置在同一个小区。5个处理分别为：缺氮处理（CK），不施用氮肥，其他同农民常规施肥处理；农民常规施肥处理（FFP），依据当地农户施肥调查所得平均数据；高效处理（HE），降低氮肥用量并进行氮肥后移，同时增加磷钾肥，以期获得较高的氮肥效率；高产处理1（HY1），与农民习惯相比适当减少氮肥用量；高产处理2（SHY），相比HY1继续增加氮肥用量，其他措施保持一致，以期获得更高的产量。小区面积为94.2 m2，小区间田埂用防水布覆盖，隔离防渗，四周设保护行，每个小区均单设进水口、排水口，4个重复，随机区组排列（表1）。

1.3 栽培管理与测定方法

1.3.1 栽培及水分管理 水稻移栽行距25 cm，株距14 cm，每穴2株，密度为28.5万穴/hm2。移栽前1 d施入基肥，移栽7～10 d施用分蘖肥，在水稻倒4叶和倒2叶时分别施入拔节肥和穗肥。各处理采用统一水分管理措施，薄水移栽，寸水活棵，前期浅水勤灌，当分蘖数达到300万个/hm2时晒田，孕穗开花期保持水层，开花后1周采用干湿交替灌溉，收获前2周断水。

1.3.2 植株样品采集 分别在水稻分蘖期、穗分化期、开花期和成熟期于第4行采集水稻样株。每个小区连续取3穴，所取样品均洗净、去根，105 ℃杀青30 min，然后75 ℃烘干，测定地上部干物质重和氮素含量。

1.3.3 叶面积指数测定 分别在水稻分蘖期、穗分化期和开花期结合样株采集测定各时期叶面积。叶面积测定采用长宽系数法［18］，用直尺量取叶片的最宽处和最长处，长宽的乘积乘以系数0.774 6为叶片的叶面积，结合移栽密度计算叶面积指数。

1.3.4 叶片SPAD值测定 采用日本产SPAD-502便携式叶绿素仪，分别在水稻分蘖期、穗分化期和开花期选取水稻最新完全展开叶，于叶片上部 1/3～1/2处测定SPAD值。每个小区选取10张叶片，每张叶片测定10次，取平均值。

1.3.5 水稻氮素测定 于水稻各生育期采集样株，烘干，粉碎，用H2SO4-H2O2消煮，得到待测液，用连续流动分析仪测定待测液氮含量，計算植株各器官氮素含量，并结合生物量计算植株地上部氮素积累量。

1.3.6 考种与测产 水稻成熟期避开边行和取样行，在每个小区中间收割6～10 m2的水稻，脱粒，晒干，称重，计产（实际产量）。

1.4 数据处理

数据计算公式如下：

氮肥农学利用率（kg/kg）=（施氮区产量-空白区产量）/施氮量；

氮素吸收利用率=（施氮区地上部氮素积累量-空白区地上部氮素积累量）/施氮量×100%；

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮区产量/施氮量；

植株氮素积累量=植株干重×植株含氮量。

试验数据采用Microsoft Office Excel作图，用SPSS软件进行方差分析处理，采用LSD法对试验数据进行显著性比较。

2 结果与分析

2.1 水稻干物质积累

2021年由于水稻在分蘖期遭遇多雨寡照的天气，所以穗分化前干物质积累量低于2022年（图1）。从不同处理在各生育期表现来看，水稻地上部干重在开花期前随氮肥施用量的增加而呈现上升的趋势，在成熟期各施肥处理间干物质积累量没有显著差异（P>0.05）。由于FFP处理施氮量主要施用在水稻生长前期。由于HE处理氮肥用量显著低于FFP处理，所以在开花前HE处理水稻干物质积累量在施肥处理中最低，且均显著低于FFP处理，但HE处理在2021年成熟期以及2022年开花期和成熟期与其他施肥处理干物质积累量没有显著差异（图1）。

2.2 水稻氮素的积累

由图2可知，不同处理间氮素积累量存在显著差异。2021年FFP处理在分蘖期氮素积累量比HE、HY1、HY2分别高156%、102%、61%；在穗分化期和开花期，FFP处理氮素积累量均高于其他处理，但与HY2处理没有显著差异；在成熟期，FFP处理与HY1和HY2处理没有显著差异。HE处理由于氮素施用量最低，其整个生育期氮素积累量在施肥处理中均最低。2022年各处理水稻氮素积累规律与2021年基本一致（图2），在开花期之前不同处理氮素积累量随着氮肥施用量的增加而增加，但在开花期到成熟期FFP处理和HY2处理氮素积累变慢，HE处理和HY1处理在该时期氮素积累较快。

不同施肥处理在各生育时期氮素积累比例差异较大（图3）。FFP处理在2021年分蘖期氮素积累比例为25.1%，在各处理中最高；但在开花—成熟期氮素积累比例只有7.8%，显著低于其他处理，HE处理在施氮处理中所占比例最高，为29.1%，CK达到42.6%。FFP处理在2022年水稻分蘖期氮素积累比例为40.4%，其他处理比例在23.5%～28.6%，其中HE处理最低。2022年水稻分蘖期氮素积累比例显著高于2021年。2年间水稻氮素积累趋势基本相似，即在开花—成熟期氮素积累比例均随着氮肥用量的增加呈现下降的趋势。

2.3 水稻叶片SPAD值

水稻叶片SPAD值可以很好地反映水稻氮素营养状况。由图4可知，不同施肥处理对水稻SPAD值产生显著影响。2021年水稻分蘖期FFP处理SPAD值达到 46.2，显著高于其他处理，其他处理SPAD值的顺序为HY2>HY1>HE>CK，与水稻生育前期氮肥用量呈现一致的趋势。在穗分化期，FFP处理SPAD值显著下降，其他施氮肥处理差距减小；在开花期，HY2处理SPAD值最高，FFP处理与HY1处理和HE处理没有显著差异。2022年水稻叶片SPAD值整体趋势与2021年基本一致，FFP处理在分蘖期和穗分化期最高，但在开花期逐渐降低。通过2年的SPAD值可知，随着水稻生育期进程的推进，FFP处理和CK的SPAD值呈现逐步降低的趋势，而优化施氮处理的水稻叶片SPAD值没有降低，反而有逐渐升高的趋势，特别是HE处理随着水稻生育期进程的推进，SPAD值呈现增加的趋势（图4）。

综上，开花期水稻叶片SPAD值与总氮肥施用量无关，而与穗分化后氮肥用量有关。

2.4 水稻叶面积指数

由图5可知，水稻的叶面积指数在开花期最高，其中FFP处理在2021年、2022年分别达到5.90、6.63；HY2处理叶面积指数在2021年、2022年分别达6.00、6.67，而2年间CK最大叶面积指数值分别为2.41、2.98，在这3个生育期中，水稻叶面积指数从分蘖期到穗分化期增长均最快。另外，不同施肥处理对水稻叶面积指数影响显著，CK在各生育期叶面积指数均显著低于施氮处理，其中FFP处理在分蘖期和穗分化期均最高，且显著高于HY1和HE处理，但与HY2处理没有显著差异。在开花期，HY2处理LAI最高，但在2021年与其他施肥处理没有显著差异；2022年HY2显著高于HE处理，但与其他施肥处理无显著差异。

2.5 水稻产量和产量构成因素

由表2可知，2021年、2022年水稻产量均是HY2处理最高，分别达到9.08、9.52 t/hm2，显著高于FFP和HE处理，但与HY1处理没有显著差异。从产量构成因素来看，施氮可显著提高水稻穗数，但不同施氮处理穗数在2021年没有显著差异；2022年HY2处理穗数最高，显著高于HE处理和CK，但与FFP和HY1处理无显著差异。不同施肥方式对处理间穗粒数也会产生显著影响，2022年HE处理穗粒数最高， 达到157粒； FFP处理最低（136粒），且显著低于HE和HY2处理。不同施氮方式对各施氮处理间结实率和千粒重不构成显著差异。

2.6 氮肥利用效率

由于HY1和HY2处理施用了有机肥，本研究在计算氮肥利用率时，将有机肥中所含氮素折算计入氮素施用总量。由表3可知，CK水稻氮素积累量分别为85、81 kg/hm2，施氮处理显著高于CK。不同氮肥施用方式也会对水稻氮素积累量产生显著影响，其中HY2处理氮素积累量最高，而HE处理最低。HE处理的氮肥吸收利用率显著高于其他施氮处理，在2021年、2022年分別达到 42.2%、55.6%；氮素吸收利用率最低的为FFP处理，分别为26.4%、31.7%，比HE处理分别低15.8、23.9百分点；HY1和HY2处理间氮肥吸收利用率没有显著差异。各处理氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力与氮肥吸收利用率均表现一致，即HE>HY1>HY2>FFP。HE处理水稻产量与FFP处理没有显著差异，但氮肥吸收利用率相比FFP显著增加。

3 讨论

3.1 不同养分管理对水稻物质生产和氮素吸收的影响

干物质的生产与作物产量有很高的相关性，水稻品种产量的提高主要是因为生物量的增加［19］。彭显龙等认为，水稻产量抽穗后干物质的生产有很高的相关性，其相关性高于前期生长阶段［20］。杨长明等认为，有机肥、无机肥配施有利于促进水稻中后期生物量积累和养分吸收，改善生物量分配比例［21］。本试验由于FFP处理在水稻生长前期施用较多的氮肥，导致其在穗分化前具有较大的叶面积指数和较高的叶片SPAD值，干物质积累量在穗分化前显著高于其他处理，但在穗分化后干物质积累速率降低，导致其成熟期与其他施氮处理的干物质积累量没有显著差异（图1）。

水稻氮素吸收具有明显的阶段性，Setter等认为，水稻氮素吸收高峰在幼穗分化始期［22-24］。因

此，在穗分化期施用氮肥有利于水稻植株对氮素的吸收以及积累。水稻穗肥期氮素的吸收量对水稻产量产生较大影响，可以增加穗肥期施氮所占比例，有利于水稻产量和氮肥利用率的提高。因此，合理改变氮肥运筹能够有效提高氮素的利用率［25］。胡雅杰等对水稻进行研究，发现当氮肥施用比例（基肥 ∶蘖肥 ∶穗肥）为 4 ∶3 ∶3 时，能够促进水稻干物质的积累，有效提高氮肥利用率［26］。本试验结果表明，不同养分管理对水稻不同阶段氮素吸收产生显著的影响。随着氮肥用量的增加，特别是基蘖肥所占比例的增加，水稻在穗分化前氮素积累比例增加，穗分化后氮素的积累比例减少（图3）。尤其是对开花后氮素吸收比例的影响最大，FFP处理花后氮素积累量约占全生育期的10%。提高花前氮转运和花后氮累积均有利于提高水稻产量和籽粒品质［27］。另外，杨长明等认为，有机–无机氮肥配施可促进水稻植株养分向籽粒中转移和分配，随着有机氮素的营养释放，生育后期水稻氮素迅速累积，其花后吸收氮对籽粒贡献率达 45.0%［28］。本试验中养分优化管理在开花后氮素积累比例显著高于FFP处理，其中HE处理花后氮素积累比例分别达到29.1%、26.6%。因此，随着氮肥总量的降低、水稻穗肥比例的提高以及有机肥的施用，花后氮素积累所占比例逐渐增加，有利于水稻产量的形成。

3.2 不同养分管理对产量和氮肥效率的影响

Wang等认为，采用养分优化管理技术可以显著降低氮肥的投入，同时提高作物产量［29-30］。本试验结果也表明，把水稻氮肥用量从农民习惯的施氮量350 kg/hm2降低到180 kg/hm2，水稻的产量并不会显著降低（表2），同时氮肥的利用效率却能显著提高（表3）。另外，HY1和HY2处理水稻的产量和氮肥利用效率相比FFP处理均明显提高（表2、表3）。Chen等认为，单季稻最佳经济施氮量为 286 kg/hm2，生态适宜施氮量为 150 kg/hm2 ［31］。本研究养分优化管理HE处理的氮肥用量为 180 kg/hm2，HY1和HY2处理的氮肥用量分别为240、300 kg/hm2。Sun等认为，在正常水分状况下水稻生长后期氮肥比例在40%左右产量最高［32］；本试验2个高产处理HY1和HY2基蘖肥 ∶穗粒肥的比例从FFP处理的7.4 ∶2.8降低到6 ∶4，HE处理的比例进一步降低为4.4 ∶5.6。养分优化管理氮肥的基蘖肥和穗粒肥的比例也更加合理。本试验HE处理的氮肥吸收利用率分别达到42.2%、55.6%，比FFP处理显著提高。养分优化处理的氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力均比FFP处理明显提高，说明降低氮肥用量增加中后期氮肥比例可以显著提高水稻氮肥的利用效率。

4 结论

在上海地区水稻氮肥施用较高的情况下，把氮肥用量降低到180～300 kg/hm2，可以获得较高的水稻产量，还可以显著提高氮肥的利用效率。本试验相比FFP处理，养分优化管理的3个处理，把水稻中后期氮肥比例提高到40%～56%，虽然可以减少穗分化前水稻氮素吸收和干物质的积累，但也会加快养分优化管理在穗分化后氮素积累的速率，使养分优化管理水稻的SPAD值和LAI提高，有利于水稻开花后干物质快速积累。本试验结果还表明，随着总施氮量的增加，开花后氮素积累的比例逐渐降低。本试验相比FFP处理，养分优化管理的3个处理主要是通过降低水稻生长前期过量的氮素供应，同时增加中后期氮素供应来调节氮素的供应与植株需求之间的关系，进而同时提高水稻产量和氮肥利用效率。

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基金項目：上海市科技兴农项目（编号：202102080012F007961）。

作者简介：杨业凤（1984—），女，山西朔州人，硕士，农艺师，主要从事土壤肥料与农业环保研究。E-mail：yyf2901@126.com。

通信作者：杨 颖，高级农艺师，主要从事基层农业技术推广研究。E-mail：yangying-yangyang@163.com。