氮肥运筹对苏打盐碱地水稻产量和氮肥利用率的影响

郭晓红 姜红芳 兰宇辰 王鹤璎 胡月 徐令旗 刘付佳 吕艳东

(黑龙江八一农垦大学农学院/黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，黑龙江 大庆 163319)

盐碱地是一种广泛存在的土壤类型，是土地资源中的一个重要组成部分。 目前，世界有盐碱地约9.55亿hm2，占全球总耕地面积的20%[1]。 松嫩平原是世界三大苏打盐碱地集中分布地区之一，现有盐碱化土地面积约342 万hm2，主要分布在吉林省和黑龙江省西部地区[2]。 研究表明，水稻生长的水环境对土壤的可溶性盐碱起到淋溶作用，水稻自身特有的生物作用也能减少盐碱危害[3-4]。 可见，盐碱地种植水稻对改良盐碱地和保障我国粮食安全具有重大意义。

氮肥是影响水稻产量形成最敏感的营养因素，其在肥料投入中的比重达60%以上，科学的氮肥管理是实现水稻高产、稳产的重要措施，也是提高氮肥利用率、降低生产成本的关键[5-6]。 然而，氮肥的过量投入导致其利用效率普遍较低，据统计，中国稻田的氮肥利用率平均在30%～35%之间[7]，其余的氮素通过氨挥发、硝化与反硝化作用以及硝酸盐淋溶等途径损失[8]。 前人在高产地块有关氮肥运筹对水稻产量和氮肥利用效率的研究表明，合理的氮肥施用量及分配比例可促进水稻对氮肥的吸收与累积，显著提高产量和氮肥利用率[9-12]。 然而针对松嫩平原盐碱土低产地块，关于氮肥运筹对水稻产量和氮肥利用率等方面的研究报道较少。 为此，本研究以农民常规施氮方式为对照，探讨施氮量、施氮比例及施氮时期对苏打盐碱地水稻产量、产量构成因素、植株地上部分含氮量、穗部氮素积累量以及氮肥利用率的影响，旨在优化苏打盐碱土稻田氮肥管理的措施，为提高苏打盐碱地水稻产量和氮肥利用率，以及改良苏打盐碱土壤提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

供试品种为粳稻品种:垦粳7 号和垦粳8 号，由黑龙江八一农垦大学农学院水稻研究中心选育。 试验于2017-2018年在黑龙江省大庆市王家围子水稻试验基地(46°40′N，125°07′E)大田条件下进行。 该地区属北温带大陆性季风气候区，水稻种植以连作为主，一年一熟制。 供试稻田土壤为苏打盐碱土，可溶性盐含量为0.31%。 2017-2018年试验地0～20 cm 土层养分状况如表1 所示。

表1 土壤基础养分状况Table 1 Basic nutrient status of soil

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，通过实地农户调研确定当地农民常规施氮量以及施氮时期，根据徐一戎等[13]提出的“前重、中轻、后补”的施氮原则，设置5 种氮肥运筹，即:N0:不施氮肥；N1:农民常规施氮；N2:平衡施氮；N3:平衡减氮施肥；N4:氮肥前移。 其中，N0 用于计算氮肥利用效率，N1 为对照。 N1 氮肥按基肥∶蘖肥∶穗肥=6 ∶3 ∶1比例施入，穗肥以促花肥一次施入；N2和N3 氮肥按基肥∶蘖肥∶穗肥=4 ∶3 ∶3比例施入，N3 在N2 基础上减少10%施氮量，穗肥分成促花肥和保花肥以1 ∶2比例施入；N4 氮肥按基肥∶蘖肥∶穗肥=5 ∶3 ∶2比例施入，穗肥以保花肥一次施入，具体施氮时期及施氮量见表2。 各处理磷肥为重过磷酸钙，含46% P2O5，总量为70 kg·hm-2，作基肥一次施入。 钾肥为硫酸钾，含50% K2O，总量为90 kg·hm-2，按基肥∶保花肥=7 ∶3比例施入。 基肥在移栽前7 d(2017年5月10 日，2018年5月9 日)施入；N1 蘖肥和促花肥分别在移栽后20 d(2017年6月7 日，2018年6月6 日)和移栽后40 d(2017年6月27 日，2018年6月26 日)施入；N2、N3、N4 蘖肥在返青期(2017年5月24 日，2018年5月21 日)施入，促花肥在倒4 叶长出一半时(2017年6月25 日，2018年6月20 日)施入，保花肥在倒2 叶长出一半时(2017年7月10 日，2018年7月10 日)施入。各小区面积为126 m2，3 次重复。

水稻播种日期分别为2017年4月17 日和2018年4月20 日，秧龄3.1 叶时进行人工均行插秧，行距30 cm，穴距13.3 cm，每穴4 苗，移栽日期分别为2017年5月18 日和2018年5月17 日。 各试验小区水分管理采用单排单灌方式，防止各处理间相互影响。 收获日期分别为2017年9月27 日和2018年9月20日。 插秧及本田管理按常规进行。

表2 氮肥运筹试验设计Table 2 Experimental design of nitrogen fertilizer operation /(kg·hm-2)

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量和产量构成因素 水稻成熟时每处理选择长势均匀的3 点，调查连续10 穴穗数，计算平均穗数，每点按照平均穗数取样2 穴，共计6 穴进行考种，测定每穗粒数、实粒数、千粒重和结实率，并计算理论产量。 每小区选择长势均匀的4 点，割取1 m2水稻，脱谷、晒干、风选后测定实际产量。

1.3.2 植株氮素含量的测定 在水稻齐穗期和成熟期选择长势一致的4 穴植株带回室内，切去根部，将植株分叶片、鞘茎和穗三部分，105℃杀青30 min，70℃烘干至恒重，冷却后称量各部分干物重。 用LG-50 型粉碎机(中国瑞安市百信制药机械有限公司)将水稻各部分分别粉碎，并过60 目筛，采用KjeltecTM8400 全自动凯氏定氮仪(丹麦FOSS 公司)测定氮素含量。 按照公式分别计算穗部氮素积累量、植株含氮量[14]、氮肥吸收利用率(nitrogen recovery efficiency，NRE)、氮肥农学利用率(nitrogen agronomic efficiency，NAE)、氮肥贡献率(nitrogen fertilization contribution rate，NCR)、氮肥偏生产力(nitrogen partial factor productivity，NFP)、土壤氮素依存率(soil nitrogen dependent rate，SNDR)[15]:

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 进行数据处理，采用DPS 7.05 进行数据统计分析，采用LSD 法进行多重比较(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹对苏打盐碱地水稻产量和产量构成的影响

由表3 可知，氮肥、品种、年份以及氮肥×年份、品种×年份的互作效应对理论产量的影响均达显著或极显著水平，氮肥×品种、氮肥×品种×年份的互作效应对理论产量无显著影响。 两品种在两年间产量变化趋势较为一致，与N1 相比，N2 和N3 的理论产量分别显著增加了17.39%和8.72%(除2017年垦粳7 号N3 与N1 差异不显著)，实际产量产分别增加了11.45%和5.71%，N2 与N1 差异达显著水平。 而N4 的理论产量和实际产量分别较N1 降低了9.74%和10.43%。 此外，N2 的理论产量和实际产量分别较N3 提高了7.98%和5.38%。

对两年产量构成因素的分析表明，与N1 相比，N2增产的主要原因在于显著提高了两品种的穗数；而N3增产的原因在于较N1 提高了两品种的穗数、结实率和千粒重，其中垦粳7 号的结实率显著提高，而垦粳8号的千粒重显著提高，且2018年两品种的穗数均显著提高。 N4 的穗数、穗粒数、结实率和千粒重均低于N1，从而导致产量降低。

2.2 氮肥运筹对苏打盐碱地水稻植株含氮量的影响

不同氮肥运筹下水稻全株含氮量变化如图1 所示，两品种植株含氮量在齐穗期高于成熟期。 与N1相比，N2 和N3 显著提高了齐穗期和成熟期的植株含氮量，其中，在齐穗期两品种平均值分别提高了16.51%和10.43%，在成熟期分别提高了19.78%和7.93%；而N4 在齐穗期和成熟期的植株含氮量平均值分别较N1 显著降低13.48%和8.67%。 此外，N2 在齐穗期和成熟期的植株含氮量均显著高于N3(除2018年垦粳7 号差异不显著)。

根据水稻植株含氮量与理论产量的线性回归分析(图2)可知，氮肥运筹下水稻产量与水稻齐穗期、成熟期植株含氮量均呈极显著线性正相关，说明在齐穗期和成熟期保证植株较高的含氮量有利于提高水稻产量。

2.3 氮肥运筹对苏打盐碱地水稻穗部氮素积累量的影响

氮肥运筹下两品种穗部氮素积累量如图3 所示，与N1 相比，N2、N3 提高了齐穗期和成熟期的穗部氮素积累量，其中，N2 分别平均提高了57.00% 和36.90%；N3 分别平均提高了23.42%和14.62%(除2017年垦粳7 号在成熟期差异不显著外)；而N4 的穗部氮素积累量不同程度地降低。 综合两年结果表明，N2 和N3 均能促进水稻穗对氮素的吸收积累，且N2显著优于N3。

2.4 氮肥运筹对苏打盐碱地水稻氮肥利用率的影响

氮肥运筹对水稻氮肥利用率有显著影响，且两品种在两年间的趋势一致(表4)。 与N1 相比，N2 和N3提高了NRE、NAE、NCR 和NFP，降低了SNDR。 其中，N2 的NRE、NCR 分别较N1 平均提高了27.85、8.20个百分点，NAE、NFP 分别较N1 平均提高了42.48%和17.51%，且差异均达显著水平；N3 的NRE 较N1 平均提高了16.78 个百分点，NAE、NF 分别较N1 平均提高了34.02%、20.93%，差异均达显著水平；N2 和N3的SNDR 分别较N1 平均降低了11.73 和5.24 个百分点。 而N4 的NRE、NAE、NCR 和NFP 均低于N1，但其SNDR 显著高于N1。 说明N2 和N3 促进了水稻对氮素的吸收与利用，同时降低了土壤氮素依存率，且N2的NRE、NAE、NCR 和SNDR 均表现为优于N3，NFP则相反。

表3 不同氮肥运筹下水稻产量及其构成因素的比较Table 3 Comparison of rice yield and its components under different nitrogen fertilizer application

进一步分析氮肥运筹下水稻产量与氮肥利用率的相关性，产量与NRE、NFP 呈极显著正相关；与SNDR呈显著负相关。 此外，SNDR 与NRE、NAE、NCR 以及NFP 均呈显著或极显著负相关(表5)。 说明水稻植株对氮肥的吸收利用率低会导致SNDR 增加，不利于水稻增产。

表4 氮肥运筹下水稻氮肥利用率的比较Table 4 Comparison of nitrogen fertilizer utilization rate of rice under different nitrogen fertilizer application

表5 产量与氮肥利用率的相关关系Table 5 Relationships between yield and nitrogen fertilizer utilization rate

图1 氮肥运筹下水稻齐穗期和成熟期全株含氮量的变化Fig.1 Changes of nitrogen content in rice plants at full heading and maturity stages under nitrogen fertilizer management

3 讨论

3.1 氮肥运筹对苏打盐碱地水稻产量形成的影响

氮素是水稻养分管理中需求量最大而且较难控制的必要营养元素，合理施用氮肥是水稻生产研究的长期任务。 目前，农户在苏打盐碱地区水稻的实际生产管理中施氮量过高，且氮肥施用时期不合理是产量普遍偏低的主要原因。 黑龙江省稻作种植方式为一年一熟制且以连作为主，由于地处寒地，生长季节短，温光资源较为紧张，农民一般习惯采用“大头肥”的施氮方式，将氮肥集中于水稻生长前期施用而不施穗肥。 稻区稻田土壤表现为插秧前土壤养分含量多，插秧至幼穗分化期、孕穗至成熟期间，土壤氮素含量下降，这种土壤养分释放规律与寒地水稻的需肥规律相比，表现为前期不足，中期相差不大，后期略显不足[16]。 而农民的这种传统施氮方式导致水稻生长后期发生脱肥而早衰，不利于水稻增产。 本研究结果表明，N2 和N3的水稻实际产量较N1 分别提高了11.45%和5.71%，而N4 降低了水稻产量，表明在苏打盐碱条件下，N2和N3 两种方式于倒4 叶施用促花肥为倒3 叶和倒2叶时期枝梗和颖花分化的养分需求提供了保障，在倒2 叶施用的保花肥则可防止颖花退化，从而为水稻获得高产奠定基础。 这一结果与凌启鸿等[17]的研究较为一致。 此外，本研究中N3 水稻产量虽然低于N2，但氮肥的分次施用仍使盐碱地水稻达到增产的效果，既节省了氮肥，又符合当前国家“两减”的要求。

图2 水稻齐穗期和成熟期全株含氮量与产量的相关性Fig.2 Correlation between nitrogen content and yield of whole plant at rice heading stage and maturity stage

有研究表明，氮肥对水稻的增产效果主要体现在增加有效穗数、每穗粒数以及提高结实率[18-19]。 这与本研究中N2 和N3 较N1 能提高水稻的穗数、结实率、千粒重较为一致，且N2 穗数的提高幅度高于N3，而N3 结实率和千粒重的提高幅度较大；此外，N2 对水稻穗粒数的增加也有促进作用，表明N2 和N3 不仅有利于光合产物向穗部转运(结果另文发表)，而且促进了库容(穗粒数)和充实度(千粒重)增加，进而提高水稻产量。 林晶晶等[7]研究指出，水稻的分蘖数取决于分蘖期氮肥的施用量以及植株吸氮量，施用穗肥有利于巩固前期的有效分蘖，减少颖花退化，提高成穗率并促进群体穗数的形成。 而本研究结果表明，在苏打盐碱地条件下，N1 前期过量施用氮肥促进了分蘖的增加，但忽略了穗肥的施用，最终导致穗数下降。 另外，N1结实率和千粒重较低的原因，一方面可能是生育前期过多的施用氮肥导致植株吸收氮素消耗了大量光合产物，降低了碳水化合物向穗部的转运量和在营养器官的累积；另一方面忽略了促花肥与保花肥的施用，不利于盐碱地水稻不定根的形成，不发达的根系进而制约后期干物质的生产和体内物质的再转运能力。

3.2 氮肥运筹对苏打盐碱地水稻氮素吸收积累以及氮肥利用效率的影响

本试验结果表明，N2 和N3 显著提高了盐碱地水稻植株齐穗期和成熟期的植株含氮量，为成熟期水稻穗部的氮素积累奠定了基础，且与产量间存在极显著的正相关关系。 水稻在开花后进入灌浆期，水稻吸收的养分主要供给穗部，同时贮藏器官中的养分也大量向穗部转运[20]。 本研究连续两年在苏打盐碱地区的试验结果表明，N2 和N3 显著提高了水稻穗部的氮素积累量，且N2 的促进作用优于N3，而调节氮肥前移(N4)不利于水稻穗部氮素含量的积累。 说明N2 和N3 能够兼顾促花肥和保花肥协同作用，在提高苏打盐碱地水稻产量的同时维持水稻生长中后期较高的根系活力，增强植株对氮素的吸收。

在水稻生育前期过多施用氮肥导致肥料利用率低，浪费有限的农业资源，并增加生产成本[21-22]。 大量研究表明，分期施肥、前氮后移有利于同步提高水稻产量和氮肥利用率，但适宜的施氮比例及时期与气候条件、品种特性及栽培方式等因素密切相关[23-25]。 本试验连续两年研究结果表明，施氮量、施氮比例及追氮时期等氮肥运筹对盐碱地水稻的氮素吸收利用具有显著影响。 N2 和N3 的NRE、NAE 和NFP 均得到显著提高，SNDR 显著下降，且产量均有不同程度地增加；而促花氮肥前移施氮(N4)不利于水稻植株对氮素的吸收与利用，且其SNDR 达到52.45%，显著高于其他施氮方式，表明于倒4 叶和倒2 叶同时施用促花肥和保花肥可以实现盐碱地区水稻产量和氮肥利用率的协同提高，这与前人研究结果也较为一致[26-28]。 此外，本研究结果中氮肥吸收利用率较非盐碱土壤条件下高30～35 个百分点，这一现象与苏打盐碱土有一定的关系。 推测原因，其一，本试验的供试土壤为苏打盐碱土，该土壤严重制约了无氮区水稻的生长发育，不利于地上部植株的干物质积累以及地下部根系的生长，导致无氮区水稻对氮素的收收和积累过低，使得计算出的NRE 数值偏高；其二，各施氮处理除施入氮肥外，也施入了磷肥和钾肥，而氮肥与其他肥料(尤其是磷肥和钾肥)的配施能有效提高水稻产量和NRE[29]；另外，氮磷钾的配施提高了水稻的耐盐碱能力，促进了植株对氮素的吸收和积累，尤其是在N2 和N3 的氮肥运筹条件下更利于提高水稻的NRE，使苏打盐碱土壤的NRE 平均分别达到78.97%和67.90%，并在提高NRE的同时减少了土壤中残留氮素的污染，对改善苏打盐碱土也具有重要意义。

4 结论

N2 和N3 通过对施氮时期、施氮比例及施氮量的调控，提高了盐碱地水稻齐穗期和成熟期地上部植株含氮量，且植株含氮量与产量间存在极显著的正相关关系，并促进了成熟期穗部氮素积累量，有效提高了氮肥利用率，合理优化产量构成因素，增加了实际产量，且N2 的增产优势高于N3。 因此，N2 和N3 实现了氮素养分供应与作物需求同步，最终协同提高苏打盐碱地区水稻产量和氮肥利用率。

图3 不同氮肥运筹下水稻穗部氮素积累量的比较Fig.3 Comparison of nitrogen accumulation in panicle of rice under different nitrogen fertilizer applications