不同栽培措施对水稻基肥氮素利用率及产量的影响

摘要 为评估不同栽培措施对水稻基肥氮素利用率和产量的影响，本研究以水稻品种玮两优8612为试验材料，利用15N标记示踪技术分析不同栽培措施下水稻产量、植株氮素的吸收和转化率以及土壤酶活性。结果表明，改良灌溉管理和优化施肥策略有利于增加水稻植株氮素的积累与吸收，增加产量，其中轻干湿交替灌溉配合有机肥的综合管理措施（ZGC-3）效果较佳；此外，综合管理措施有利于提高土壤酶活性，增强土壤生物化学活性。研究证实了综合栽培管理措施可有效提升水稻产量和氮肥利用效率，以及减少对环境影响。

关键词 栽培；水稻；氮素利用；15N示踪；土壤酶活性

中图分类号 S511" " 文献标识码 A" " 文章编号 1007-7731（2024）15-0009-05

DOI号 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.15.003

Effects of different cultivation measures on nitrogen utilization efficiency of"basal fertilizer and rice yield

YANG Zhouhua

（Agricultural and Rural Comprehensive Service Center of Dashi Township， Taihu Lake County， Anqing 246400， China）

Abstract To evaluate the effects of different cultivation measures on the nitrogen utilization efficiency of basal fertilizer and rice yield base fertilizer， the rice variety Weiliangyou 8612 was used as the experimental material， and the rice yield， plant nitrogen absorption and conversion rate， and soil enzyme activity under different cultivation measures were analyzed using 15N labeling and tracing technology. The results showed that improving irrigation management and optimizing fertilization strategies were beneficial for increasing nitrogen accumulation and absorption in rice plants， and increasing yield. Among them， the comprehensive management measure of light dry wet alternation irrigation combined with organic fertilizer（ZGC-3）had the better effect. In addition， comprehensive management measures are beneficial for improving soil enzyme activity and enhancing soil biochemical activity. The study confirmed the effectiveness of comprehensive cultivation management strategies in improving rice yield and nitrogen fertilizer utilization efficiency， as well as reducing environmental impact.

Keywords cultivation; rice; nitrogen utilization; 15N tracer; soil enzyme activities

氮肥的有效利用对于促进农业生产可持续发展具有重要作用。氮素利用率直接关系到水稻作物的产量与品质，且对环境存在潜在影响。实际农业生产中，氮肥利用率偏低不仅造成资源浪费，还在一定程度上引发了环境问题，如温室气体排放和水体富营养化等[1-2]。当前，相关学者聚焦于通过各种栽培措施提高氮素利用率的研究，谢昊等[3]研究表明，通过增密减氮、前氮后移和增施饼肥等栽培措施处理，可以提高植株的氮肥吸收利用效率，且具有改善土壤质量的作用；丁周宇等[4]研究了栽培措施对水稻氮素吸收利用的影响，采用秸秆还田+深耕+缓释肥方式提高了氮肥利用率；李敏等[5]研究表明，控水增密简单栽培能明显提高水稻中后期氮素积累量，促进氮素由营养器官向穗部转运。为研究植株氮素吸收和转化效率，相关学者提出利用同位素15N标记技术追踪氮素在土壤—植物系统中的转化和利用情况，已经取得较好的成果[6]，程晋伟等[7]利用15N示踪技术研究了香蒲对金鱼藻腐殖质氮的吸收；韦剑锋等[8]应用15N示踪技术研究了耕作方式对甘蔗氮肥吸收利用的影响。

合理的栽培管理措施有助于促进植株氮素利用效率，不同栽培管理措施在不同土壤和气候条件下的应用效果不同，需进行进一步的研究验证。本试验通过15N示踪技术，研究了不同栽培管理措施对水稻氮素利用率和产量影响，目的是探索在当前农业生产实践中实现氮肥高效利用的栽培措施，为推动农业可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种为玮两优8612，是研究区广泛栽植的一种优良水稻品种。

1.2 试验地基本情况

试验地位于安徽安庆太湖县大石乡，试验田块经过前期准备，包括土壤深翻、平整和基肥施用，以确保试验开始时土壤条件统一。试验田土壤类型为马肝土，土壤肥力水平中等，有机质含量2.5%，全氮含量0.14%。土壤pH 6.3，适宜水稻生长。

1.3 试验设计

于2021—2022年连续两年采用随机区组设计，设置5种不同的栽培处理方式，每处理重复3次，小区面积50 m2，5种不同的栽培处理方式如下。

0N：氮空白区，不施氮肥。栽插密度13.3 cm × 30 cm，水分管理为常规灌溉。

CGZ：常规栽培（对照组）。在0N基础上增施氮肥，氮肥总量300 kg/hm2，施肥比例基肥∶分蘖肥∶促花肥∶保花肥为5∶2∶2∶1（W∶W∶W∶W），栽插密度13.3 cm × 30 cm，水分管理为常规灌溉。

ZGC-1：综合管理措施一。在CGZ基础上减少10%氮肥，总氮肥量270 kg/hm2，施肥比例基肥∶分蘖肥∶促花肥∶保花肥为4∶2∶2∶2（W∶W∶W∶W），栽插密度10.7 cm × 30 cm，水分管理为常规灌溉。

ZGC-2：综合管理措施二。在ZGC-1基础上，全生育期实施轻干湿交替灌溉，以提高水分和氮素利用效率，施氮总量、施肥比例和栽插密度均与ZGC-1一致。

ZGC-3：综合管理措施三。在ZGC-2基础上，基肥增施菜籽肥饼（5%N）2 250 kg/hm2，施氮总量、施肥比例、栽插密度和水分管理均与ZGC-2一致。

微区设置：每个处理设置一个15N示踪试验微区，小区面积1 m2，铝合金框隔离肥水。微区中基肥使用的氮肥来源为15N富集的封堵混合氮肥，确保可以准确追踪和分析氮素在土壤—植物系统中的流动和利用。各微区内部装配土壤水分张力计，用于监测和记录土壤水分动态，这对于实施和评估不同水分管理策略至关重要。通过实时监测土壤水分状态，可以精确控制灌溉，以模拟各种水分管理条件下的作物生长环境。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 考种与计产" 每个小区随机选取3组10穴样本，收获的水稻经割茬、称重后，在通风条件下晾干或烘干至恒重，以确定干物质重量。调查记录各处理穗粒数、千粒重和结实率等产量构成因素，随后进行脱粒和清选，排除未成熟粒，仅计算成熟稻谷的干重，通过测量清选后的稻谷干重折算单位面积稻谷产量。

1.4.2 氮肥吸收量和积累量的测定、计算" 氮肥吸收量和积累量的测定基于15N示踪技术，采用以下步骤。（1）样品采集与处理。在水稻生育的不同阶段（分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期）采集代表性植物样本和土壤样本。样本干燥、研磨和筛选后备用。（2）15N丰度测定。使用元素分析-同位素比值质谱仪（EA-IRMS）测定样品中的15N丰度。通过计算14N和15N的比率，确定样品中的15N丰度。（3）氮肥吸收量计算。通过测定收获时植株各部分（根、茎、叶和穗）中的15N含量，计算出氮肥的吸收量，计算公式：吸收量（mg/kg）=样本中15N含量/样本干重，总吸收量（mg）=吸收量×样品总重。（4）氮肥积累量计算。根据不同阶段测得的15N含量，计算氮肥在植株中的积累量，积累量为各生育阶段的吸收量（mg/kg），总积累量为各生育阶段吸收量的总和（mg）。

1.4.3 基肥氮素吸收利用效率" 本研究采用标准计算方法来确定水稻对氮肥的吸收和利用效率。分别测定水稻基肥氮吸收量和氮总吸收量，计算基肥氮素被植株吸收的比例以及基肥氮吸收量占氮总吸收量的比例。

1.4.4 土壤酶活性" 土壤脲酶活性测定采用靛蓝比色法，操作参考黄娟等[9]的方法。此方法是将脲作为底物加入土壤样品中，然后测量一定时间内产生的氨量，从而确定脲酶的活性。土壤过氧化氢酶（Catalase，CAT）活性测定依据Johnson等[10]的方法，添加过氧化氢作为底物，通过监测特定时间内过氧化氢的分解率来评估CAT活性。

1.5 数据统计分析

采用Excel软件和SPSS 22.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 对水稻产量及其构成因素的影响

不同栽培管理措施对水稻的产量及其构成因素有一定影响。2021年0N、CGZ、ZGC-1、ZGC-2和ZGC-3处理的水稻产量分别为5.88、9.63、10.33、10.99和11.75 t/hm2，2022年分别为5.96、9.98、10.33、10.76和11.25 t/hm2。无氮肥处理（0N）的产量最低，显示出氮肥在水稻生产中的重要性。相较于低氮肥平衡施用（CGZ），综合栽培管理措施（ZGC-1～ZGC-3）均具有提升产量的效果，其中以ZGC-3处理的产量最高，反映多种栽培技术的综合应用有助于提升产量。

穗数和总颖花数的增加对提高产量具有直接效应，其中ZGC-3与CGZ相比，2021年穗数从261.4万/hm2增加至311.0万/hm2，增幅19.0%，2022年穗数从259.7万/hm2增加至311.9万/hm2，增幅20.1%。结实率、千粒重在各处理间的差异不大，没有呈现出明显的规律性变化，这可能表明在上述处理条件下，结实率与千粒重对产量的贡献潜力已经被充分利用。

综合改良灌溉管理和优化施肥策略的栽培措施可提高水稻的产量和生产效率，其中，ZGC-3处理在多个产量构成因素上表现较好。

2.2 对氮积累量和吸收量的影响

由图1可知，氮素的积累和吸收量在不同栽培措施下存在差异。在常规栽培（CGZ）条件下，氮素积累和吸收量相对较低，可能由于常规栽培方法未能充分发挥氮素的利用效率，导致氮肥部分流失。而改良灌溉管理的处理（ZGC-2、ZGC-3）显示出较好的氮素积累量，表明适宜的水分管理可以提高土壤中氮素的溶解度，促进氮素被作物吸收利用。

在水稻生长发育过程中，氮素吸收呈现出生长初期吸收量较低，随后逐渐增加的趋势。与常规栽培（CGZ）相比，实施轻干湿交替灌溉处理（ZGC-2、ZGC-3）的水稻的氮素积累量在分蘖末期后差异存在统计学意义（Plt;0.05）。这可能是因为轻干湿交替灌溉增强了植物根系活性，从而提高了氮素的吸收效率。

综合栽培管理方法通过优化氮素供应，有效增加了水稻对氮素的吸收和积累，促进了植株生长，提高了产量，同时氮肥减量施用有利于改善环境，为实现农业生产可持续发展提供了可行性策略。

2.3 不同处理下15N标记的基肥吸收利用效率分析

本研究使用15N标记尿素基肥来追踪和分析基肥氮素在水稻体内的分布及其去向，揭示了不同栽培措施对基肥氮素利用效率的影响。由图2可知，与常规栽培（CGZ）相比，综合管理措施三（ZGC-3）提高了作物对基肥氮素的吸收量，差异存在统计学意义（Plt;0.05）。综合管理措施有利于降低土壤中氮素的残留。

2021年CGZ、ZGC-1～ZGC-3处理下植株的基肥氮吸收量分别为30.04、30.41、33.49和34.88 kg/hm2，占基肥氮的比例分别为20.02%、28.16%、31.01%和32.29%；2022年CGZ、ZGC-1～ZGC-3处理下植株吸收的基肥氮分别为25.89、25.88、27.96和29.72 kg/hm2，占基肥氮的比例分别为17.26%、23.96%、25.89%和27.92%。

由图2可知，ZGC-1、ZGC-2和ZGC-3处理中的植株基肥氮吸收量占植株总氮吸收量的比例低于CGZ处理。即轻干湿交替灌溉和增施有机肥的措施不仅促进了根系对氮素的吸收，且通过改善土壤质量和提高土壤氮素库容，增加了植株对基肥氮的利用效率。

2.4 不同栽培措施处理的土壤酶活性差异分析

不同栽培措施下土壤中催化过氧化氢分解的催化酶（CAT）和促进氮循环的脲酶活性的变化如图3所示。两年中各处理的CAT活性均以分蘖期较高，成熟期较低，表明CAT活性可能在水稻的早期生长阶段更为活跃。ZGC-2和ZGC-3处理在分蘖期和抽穗期展现出了较高的CAT活性，特别是ZGC-3处理，这可能与增施有机肥有关，有机肥的添加可能增强了土壤中的微生物活动，从而提升了CAT活性。脲酶活性趋势与CAT相似，在分蘖期达到峰值，且ZGC-2和ZGC-3处理的脲酶活性均高于其他处理，这表明改良的灌溉管理和有机肥的施用可能增强了土壤中的氮转化过程。

总的来说，改良的栽培措施，尤其是结合轻干湿交替灌溉和增施有机肥的综合管理方法，能够提升土壤中CAT和脲酶活性。这不仅指示土壤生物化学活性的提升，也反映了土壤肥力和氮素循环能力的增强。

3 结论与讨论

氮素利用效率的提高主要源于优化的施肥策略和改良的灌溉管理，其中准确的施肥实践确保了氮素供应与作物需求相协调，从而减少了氮素损失；改良的灌溉管理通过维持适宜的土壤水分条件，有利于氮素在土壤中溶解和被作物吸收，实现了水氮同步管理，从而促进了氮素的有效转移和利用。此外，产量的增加归因于综合栽培管理，其通过水分和养分管理的协同作用改善了植物的生长环境，其中优化水分和养分管理，增强了光合效率和植物生长速度，进而提高了产量。土壤酶活性的提升反映了综合栽培管理下土壤生物活性和养分循环能力的增强，这可能源于土壤有机质含量的提升和微生物栖息地的改善，为土壤微生物活动提供了更多的能量和养分，激活了土壤中部分酶活性。从经济和生态角度来看，改进栽培措施通过提高氮素利用效率和产量，不仅提升了农业生产的经济效益，而且减少了氮肥的过量使用和损失，有助于减少水体和大气污染，减轻环境压力，推动农业生态系统的可持续发展。

本试验通过15N示踪技术，研究了不同栽培管理措施对研究区水稻氮素利用率和产量的影响。结果表明，不同栽培措施通过水分和养分管理影响水稻的氮素利用率和产量，优化栽培措施能够改善土壤质量和调控根系活力，有效减少氮损失，提升水稻对氮的吸收和利用，从而提高氮肥利用率，增加产量。ZGC-1处理通过增密减氮、前氮后移，ZGC-2处理通过轻干湿交替灌溉，ZGC-3处理通过增施有机肥，均有效提升了水稻产量和氮肥利用率。科学栽培管理在提升作物生产效率和促进农业可持续发展发挥着重要作用，未来研究应进一步探索这些栽培措施在不同环境和作物系统中的应用效果及其改进方向。

参考文献

[1] 黄瑶，刘宁，胡启良，等. “紫云英×油菜” 混播还田及减施氮肥对双季稻田温室气体排放的影响[J]. 核农学报，2024，38（5）：976-984.

[2] 周广飞. 农业种植中氮磷肥施用对水体富营养化的影响[J]. 农业工程技术，2017，37（5）：37.

[3] 谢昊，薛张逸，束晨晨，等. 不同栽培措施下水稻基肥氮素利用率的15N示踪分析[J]. 作物杂志，2024（1）：90-96.

[4] 丁周宇，张娜，舒小伟，等. 栽培措施对水稻氮素吸收利用及稻田尾水氮磷含量的影响[J]. 农业环境科学学报，2023，42（9）：2004-2015.

[5] 李敏，罗德强，蒋明金，等. 不同减氮栽培模式对杂交籼稻氮素吸收利用及产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2022，28（4）：598-610.

[6] 张俊萍，宋晓梅. 稳定同位素追踪水体中的氮来源的研究现状[J]. 环境科技，2014，27（6）：71-75.

[7] 程晋伟，古滨河，洪剑明. 利用15N示踪技术的香蒲对金鱼藻腐殖质氮吸收研究[J]. 湿地科学，2014，12（4）：429-434.

[8] 韦剑锋，韦冬萍，胡桂娟，等. 应用15N示踪技术研究耕作方式对甘蔗氮肥吸收利用的影响[J]. 核农学报，2022，36（9）：1841-1848.

[9] 黄娟，李稹，张健. 改良靛酚蓝比色法测土壤脲酶活性[J]. 土木建筑与环境工程，2012，34（1）：102-107.

[10] JOHNSON J L，TEMPLE K L. Some variables affecting the measurement of “catalase activity” in soil[J]. Soil science society of America journal，1964，28（2）：207-209.

（责任编辑：李 媛）