不同施肥深度对直播水稻氮素积累与转移的影响

刘海东,唐湘如,2,赵 烈,田 华,2,莫钊文,2,段美洋,2,潘圣刚,2

(1.华南农业大学 农学院,广东 广州 510642;2.农业部华南地区作物栽培科学观测实验站,广东 广州 510642)



不同施肥深度对直播水稻氮素积累与转移的影响

刘海东1,唐湘如1,2,赵 烈1,田 华1,2,莫钊文1,2,段美洋1,2,潘圣刚1,2

(1.华南农业大学 农学院,广东 广州 510642;2.农业部华南地区作物栽培科学观测实验站,广东 广州 510642)

为了研究不同施肥深度对直播水稻氮素积累与转移及其产量的影响,以天优998和玉香油占为试材,通过设计4个不同的施肥深度,分别为4,8,12,16 cm,依次记为T1、T2、T3、T4,以不施肥为对照(T0),试验采用木箱种植法。结果表明,T2处理水稻拔节期、抽穗期和成熟期叶片及茎鞘氮素积累量、植株氮素积累总量均为最高且显著高于T0和T4处理,氮素积累总量随生育期的推进在成熟期达到最高;T2处理在水稻拔节期、抽穗期和成熟期氮素阶段性积累量最高,且显著高于其他处理,分蘖期至拔节期氮素阶段性积累量在4个生育阶段中最高,2个品种表现一致;T2处理与T0和T1比较还显著增加了水稻灌浆期茎叶氮素表观转移量和氮素表观转移率,T2处理水稻的氮素吸收效率与T1、T3、T4比较,差异达到显著水平;而且,T2和T3处理水稻有效穗数显著高于其他处理,T2处理还提高了水稻结实率以及产量。因此,施肥深度8 cm的处理,不仅能显著提高直播水稻氮素吸收效率,而且还能够增加水稻每穴的有效穗数、结实率以及收获产量,这也说明了T2处理是直播水稻较适宜的施肥深度。

施肥深度;直播水稻;氮素积累;氮素转移;产量

水稻是世界主要的粮食作物,中国是最大的水稻生产国,目前水稻生产总量占世界的35%[1]。水稻种植方式多种多样[2]。近几年来,直播水稻作为简化栽培措施推广面积日益增大[3]。直播水稻与传统人工移栽相比较,节约了大量的人力、物力、财力。特别是华南农业大学罗锡文院士团队研制出的同步开沟起垄深施氮精量穴直播机[4],集播种和深施肥于一体,极大地提高了直播水稻的成活率和肥料吸收效率,从而有利于提高直播水稻群体质量和产量[5]。

氮素是水稻生长必不可少的营养元素之一,在水稻产量形成中具有非常重要的作用[6]。但是不能偏施氮肥,只有氮、磷、钾配合施用才有利于水稻在生长过程中碳、氮的积累与分配[7]。目前,市场上售卖的三元缓释复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)基本满足水稻生长对养分的需求。施氮技术是影响直播水稻肥料吸收效率高低的主要原因之一[8],农民习惯采用肥料表面撒施法,经常会导致撒施养分流失(地表径流)严重[9]。前人的研究表明,深施氮肥不仅能够有效减少氨的挥发[10],而且对于长期淹水或雨季施氮的稻田能够显著地减少氮素淋溶损失[11-12],并且深施氮肥与表面撒施氮肥相比较在产量不减少的情况下能够节约50%的氮肥[13]。然而,肥料施用的深浅不仅与养分吸收的高低密切相关,而且也会对水稻的产量产生重要影响,截至目前,不同施氮深度对直播水稻氮素的积累与转移以及对产量的影响还未见相关报道。本试验以2个不同基因型水稻为试验材料,研究不同施氮深度对直播水稻氮素积累总量、叶片和茎鞘氮素的积累、氮素阶段性的积累及氮素转移特性和产量的影响,以期为直播水稻确定合理的施氮深度,从而为提高氮素吸收效率和产量提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试品种

试验选用广东省推广面积较大的2个不同基因型水稻品种为试材,分别为超级杂交水稻天优998和早晚兼用型超级常规水稻玉香油占。

1.2 试验设计

试验于2014年秋季在华南农业大学农学院农场盆栽场进行。试验采用10 mm厚的木箱种植,木箱规格为1.0 m×1.0 m×0.4 m。木箱土壤取自上一季没有施氮的大田水稻土,装土之前先把土块敲碎、混匀,木箱内部(四周和底部)铺2层厚度均为0.50 mm的大块塑料薄膜,以保证整个木箱不漏水、漏肥。每个木箱装土厚度为30 cm,播种前14 d灌水、泡土,并且不定期捣碎土块,使之成为烂泥状。试验采用随机区组设计,设定4个不同的施氮深度分别为4(T1),8(T2),12(T3),16 cm(T4),以不施氮处理T0为对照,重复3次,共30个木箱(小区)。7月12日采取人工直播的方式模拟机械精量穴直播水稻,播种时木箱内泥块已成烂泥状,没有水层,株行距为12 cm×30 cm,每穴5粒种子,每箱25穴。施用肥料为三元缓释复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15),按照氮肥(N)、磷肥(P2O5)、钾肥(K2O)施用量为150 kg/hm2,以华南农业大学工程学院罗锡文院士团队研发的精量穴直播机器的开沟器在2个播种行之间分别开出深度为4,8,12,16 cm 的施氮沟,然后进行人工施肥。施肥完成后随即用木箱的烂泥密封施肥沟,以确保施入的肥料在规定的土层。采用人工灌溉的方式保证木箱内所需要的水分,病虫害防治按照当地常规栽培措施统一管理。

1.3 测定内容及方法

分别在水稻生长发育的关键时期分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期取样,依次记为TS、BS、HS和MS,每个处理取有代表性的水稻植株4穴,用叶面积扫描仪扫描叶面积,按照叶片、茎鞘等器官分别放入鼓风干燥箱,105 ℃杀青30 min,然后调到80 ℃烘干至恒重再称重,测定不同器官的干物重。结合干物质测定时的植株样品,粉碎、采用凯氏定氮法测定各器官氮含量[14]。按照吴文革等[15]的方法计算水稻的氮素吸收效率、灌浆期茎叶氮素表观转移量以及灌浆期茎叶氮素表观转移率。数据均在5%显著水平下分析(小写字母表示)。

氮素吸收效率(Nitrogen recovery efficiency,NRE)=((施氮区植株总吸氮量-空白区植株总吸氮量)/施氮量)×100%。

灌浆期茎叶氮素表观转移量(Nitrogen transfer amount,NTA)=抽穗期茎叶鞘氮素积累量-成熟期茎叶鞘氮素积累量。

灌浆期茎叶氮素表观转移率(Nitrogen transfer efficiency,NTE)=(灌浆期茎叶氮素表观转移量/抽穗期茎叶鞘氮素积累量)×100%。

在水稻成熟期,调查每个木箱所有水稻植株的总有效穗数,计算每穴水稻的平均有效穗数,然后取样9穴带回室内按照常规方法进行考种。

2 结果与分析

2.1 不同施肥深度对直播水稻叶片氮素积累的影响

图1表明,直播水稻在后3个时期均是T2处理达到最大值,与对照比较差异显著且两品种规律一致。就天优998而言,4个时期T2处理的叶片氮素积累比对照分别高出82.89%,84.74%,70.31%,61.39%。就玉香油占而言,4个时期T2处理的叶片氮素积累比对照分别高出56.41%,76.75%,84.97%,78.78%;分蘖期T1、T2处理间比较无显著差异,拔节期T2、T3处理间差异不显著。

TS.分蘖期;BS.拔节期;HS.抽穗期;MS.成熟期;标以不同小写字母的值差异达 5%显著水平。图2-4,表1-2同。

TS.Tillering stage;BS.Booting stage;HS.Heading stage;MS.Mature stage;Values followed by different letters are significantly different at 5% probability level;The same as Fig.2-4,Tab.1-2.

图1 不同施肥深度对直播水稻叶片氮素积累的影响

Fig.1 Effects of fertilizer application depths on leaf N accumulation in direct-seeded rice

2.2 不同施肥深度对直播水稻茎鞘氮素积累的影响

图2表明,在分蘖期T1、T2处理差异不显著,但与其他处理比较差异都达到显著水平,施肥深度对两品种的影响基本一致。就天优998而言,后3个时期均以T2处理最高且与其他处理比较差异都达到显著水平;拔节期、抽穗期规律一致。就玉香油占而言,抽穗期、成熟期规律一致均以T2处理最高,所有处理与对照比较差异都达到显著水平。2.3 不同施肥深度对直播水稻氮素积累总量的影响

施肥深度对直播水稻不同生育时期的氮素积累总量产生重要影响(图3)。与不施肥(对照)相比,各个施肥处理氮素积累总量均显著高于对照。T2处理条件下,杂交水稻天优998拔节期和抽穗期的氮素积累总量均显著高于其他处理,成熟期T2处理杂交水稻天优998的氮素积累总量分别比T0、T1、T3、T4高出34.92%,13.94%,14.76%,14.72%,均达到显著水平。针对玉香油占而言,拔节期和抽穗期变化趋势基本一致,成熟期T2处理的氮素积累总量分别比T0、T1、T3、T4高出26.12%,14.48%,4.68%,10.24%。

图2 不同施肥深度对直播水稻茎鞘氮素积累的影响

图3 不同施肥深度对直播水稻氮素积累总量的影响

2.4 不同施肥深度对直播水稻氮素阶段性积累的影响

T2处理下,杂交水稻天优998和早晚兼用型超级常规水稻玉香油占从分蘖期至拔节期(TS-BS)、拔节期至抽穗期(BS-HS)、抽穗期至成熟期(HS-MS)氮素阶段性积累量最高,且T2处理与其他处理相比较差异都达到显著水平,均是分蘖期至拔节期阶段氮素积累量最高(图4)。针对天优998而言,分蘖期至拔节期T2处理分别比T0、T1、T3、T4平均高出75.22%,19.36%,21.60%,53.56%。就玉香油占而言,分蘖期至拔节期T2处理比T0、T1、T3、T4平均高出74.04%,16.70%,34.4%,62.72%。2.5 不同施肥深度对直播水稻氮素转移特性的影响

从表1可以看出,2个品种不同处理灌浆期茎叶氮素表观转移量、灌浆期茎叶氮素表观转移率、氮素吸收效率均以T2处理最高,与T0和T1相比较差异均达到显著水平。就天优998而言,T2处理的氮素吸收效率分别比T1、T3、T4高出47.22%,21.02%,34.33%,差异达到显著水平。就玉香油占而言,T2处理的平均氮素吸收效率分别比T1、T3、T4高出17.65%,30.18%,29.50%,差异均达到显著水平。

图4 不同施肥深度对直播水稻氮素阶段性积累的影响

处理Treatments灌浆期茎叶氮素表观转移量/(mg/穴)NTA灌浆期茎叶氮素表观转移率/%NTE氮素吸收效率/%NRE天优998T029.68±1.58d10.54±1.04d﹣Tianyou998T1529.10±9.27b56.14±1.42bc28.43±0.82dT21000.00±4.32a65.59±2.74a53.86±0.74aT3568.53±5.73b62.08±1.77ab42.54±0.78bT4294.73±7.35c54.75±3.38c35.37±0.42c玉香油占T058.09±1.72e19.51±1.25d﹣YuxiangyouzhanT1252.47±4.93cd39.46±0.70b36.20±0.39bT2783.07±5.89a50.15±0.19a56.10±0.53aT3489.13±3.43b48.32±1.53a39.17±0.35cT4279.76±1.62c28.93±0.43c38.55±0.51c

表2 不同施肥深度对直播水稻产量及其构成因子的影响

2.6 不同施肥深度对直播水稻产量及其构成因子的影响

表2表明,实际产量都是T2处理达到最大值,且与其他处理比较均达到显著水平,有效穗数T2、T3处理差异不显著，2个品种规律表现一致。就天优998而言,穗粒数以T2处理最大,与T0、T3、T4比较都达到显著水平;T2和T3处理结实率差异不显著但与T0和T4处理比较差异达到显著水平;千粒质量以T3处理最大,但T3与T2、T4比较差异不显著;T2处理的实际产量分别比T0、T1、T3、T4高出45.03%,22.54%,18.72%,24.33%,差异达到显著水平。就玉香油占而言,穗粒数以T2处理最大,但是与T1、T4处理差异不显著;千粒质量以T2处理最大,但与T0、T1、T4差异不显著;T2处理的实际产量分别比T0、T1、T3、T4高出54.56%,12.80%,16.00%,19.84%,差异达到显著水平。

3 讨论与结论

3.1 对于不同施肥深度对直播水稻氮素积累与转移的影响

不同的施氮方式对水稻的产量构成有显著的影响[16]。已有研究表明,采用“1基3追”的平衡施氮法,能促进直播水稻植株均衡生长,提高氮肥利用率[17]。提高后期的氮肥施用比例(氮肥后移)能够显著降低水稻无效分蘖的数量,并且灌浆期叶片氮含量和植株氮积累有明显的提高[18]。全程深施氮能将肥料施到预期部位,达到水稻前期平稳生长后期优势生长[19]。直播水稻前期分蘖早而快,养分消耗多需要多施氮,中期易产生群体过大的现象故需要控制施氮[20]。汤海涛等[21]研究表明,深施肥料有利于水稻生长中后期的养分稳定。李旭毅等[22]研究表明,直播水稻无效分蘖较移栽水稻多,但直播水稻中后期生长旺盛氮素积累量大。本试验结果表明,适宜的施肥深度(T2)能够提高直播水稻的氮素吸收效率,进而增加水稻产量。但是,针对不同的施肥深度对直播水稻全生育期的氮素积累转运及其变化的机理需要进一步研究。据中国农业科学院土肥研究所同位素示踪试验证明,碳酸氢铵、尿素深施地表以下6～10 cm的土层中,比表面撒施的氮素吸收效率分别由27%和37%提高到58%和50%,深施比表施其相对利用率提高115%和35%[23]。本试验的结果与前人较为一致,深施地表以下8 cm为直播水稻最佳施肥深度,其植株氮素积累、叶片茎鞘氮积累(除分蘖期外)均为最高。深施8 cm处理,直播水稻在抽穗期前积累了全生育期所需要的大部分氮素,这与魏海燕等[24]研究结果一致。深施4,8 cm植株分蘖期氮素积累无显著差异,其主要原因可能是T1和T2施肥深度浅,肥料释放快,导致水体的氮素浓度较高,然而,水稻植株在分蘖期的生物量并不是很大,对养分的需求并不是太多,过多的养分不能被及时吸收利用而浪费。深施12,16 cm的处理,水稻植株生长后期氮素大量积累,深施16 cm尤为明显,主要原因是直播水稻生育后期对氮素需求量大,需要从土壤深层吸收大量养分。综合不同施肥深度条件下直播水稻氮素转运特性及其产量分析,深施8 cm灌浆期茎叶氮素表观转移量、转移率显著高于深施4,16 cm,氮素吸收效率显著高于其他处理,深施8 cm处理水稻全生育期氮素吸收平稳,从营养生长到生殖生长过度顺利,显著提高了直播水稻的有效穗数和结实率,因而有利于产量的提高。

3.2 提高直播水稻氮素吸收效率可能调控途径

不同施肥深度对直播水稻氮素积累与转移的影响,不仅可以解释施肥深度对直播水稻氮素吸收与利用差异的原因,也可以为生产上直播水稻氮素吸收效率和产量的提高提供帮助。目前生产上提高直播水稻氮素吸收效率的调控途径主要是改良品种遗传特性和适当的氮肥管理措施[25-27]。依据本研究结果,合适的施肥深度能有效提高直播水稻全生育期氮素积累量,同时灌浆期茎叶氮素表观转移量和转移率也显著提高。前期良好的营养生长促进水稻分蘖的早生快发,从而提高水稻的有效穗数;后期养分的持续供应可以促进水稻结实率的提高和千粒质量的增加。事实上,直播水稻全生育期对氮的吸收利用是一个系统而复杂的工程,它不仅受到施氮方式、品种遗传特性的影响,而且也与水稻后期的生长状况密切相关[28]。因此,只有良种配套良法才能提高直播水稻的氮素积累转移以及水稻的产量。

不同的施肥深度显著影响直播水稻氮素积累与转移。施肥深度8 cm的处理,水稻在抽穗前不仅积累了全生育期大部分氮素,并且叶片和茎鞘氮素积累大且平稳。使其有较高灌浆期茎叶氮素表观转移量、转移率进而对成熟期产量的提高提供了保障。肥料施入地表以下4 cm处理,虽然有利于直播水稻前期氮素吸收,然而呈现出后期氮素供应不足的现象,施氮深度越深也不利于水稻前期的营养生长。因此,施氮深度过浅或过深都不利于直播水稻氮素的积累与转运。肥料施肥深度8 cm处理不仅能显著提高直播水稻氮素吸收效率,而且还能够显著增加水稻每穴的有效穗数,结实率以及收获产量。

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Influences of Different Nitrogen Application Depths on Nitrogen Accumulation and Transfer in Direct-seeded Rice

LIU Haidong1,TANG Xiangru1,2,ZHAO Lie1,TIAN Hua1,2,MO Zhaowen1,2,DUAN Meiyang1,2,PAN Shenggang1,2

(1.College of Agriculture,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.Scientific Observing and Experimental Station of Crop Cultivation in South China,Ministry of Agriculture,Guangzhou 510642,China)

In order to study the effects of different fertilizer application depths on nitrogen accumulation and transfer in direct-seeded rice,the experiment was conducted using two rice cultivars,Tianyou 998 and Yuxiangyouzhan,respectively,in wooden boxes.In this study,the depths of different fertilizer application were designed to 4,8,12,and 16 cm below the surface,which were written as T1,T2,T3,and T4,respectively.No fertilizer was taken as a control,written as T0.The T2 treatment significantly increased nitrogen accumulation in the leaves,and sheats,and total plants at the booting,heading,and maturity stage,compared to the T0 and T4 treatment,respectively.The highest total nitrogen accumulation was found at the maturity stage.There was significant higher period percentage of nitrogen accumulation at the booting,heading,and maturity stage under the T2 than T0,T1,T3 and T4 treatment,respectively.The highest period percentage of nitrogen accumulation was found between the tillering and booting stage in Tianyou 998 and Yuxiangyouzhan.Comparing to T0 and T1,T2 treatment also significantly improved nitrogen transfer amount and nitrogen transfer efficiency at the grain filling stage.Nitrogen recovery efficiency was recorded for T2 which was significantly higher than T1,T3,and T4,respectively.And the number of valid panicle per hill was significantly higher under T2 and T3 than T0,T1,and T4 treatment,respectively.The T2 treatment also increased grain filling percentage and yield in Tianyou 998 and Yuxiangyouzhan.The results also demonstrated favorable fertilizer application depth taken as 8 cm in direct-seeded rice.

Nitrogen application depths;Direct-seeded rice;Nitrogen accumulation;Nitrogen transfer;Yield

2016-07-25

国家自然科学基金项目(31471442);教育部新教师基金项目(20124404120009);华南农业大学校级创新训练项目(201510564015)

刘海东(1989-),男,安徽安庆人,在读硕士,主要从事水稻栽培生理研究。

潘圣刚(1976-),男,河南驻马店人,副教授,博士,主要从事水稻栽培生理研究。

S511.01

A

1000-7091(2016)05-0216-06

10.7668/hbnxb.2016.05.033