不同施氮量对临沂地区水稻光合速率、氮肥转化效率及产量的影响

冯尚宗,丁效东,王世伟,李重阳,程冬冬,张士荣,周 伟

(1 临沂市农业技术推广服务中心,临沂276000;2 青岛农业大学,青岛266109;3 山东农业大学,泰安271018)

水稻是我国重要的粮食作物之一,据报道,水稻产量达到我国粮食总产量的50%[1]。 氮素是水稻生长的必需大量元素,是水稻体内有机化合物的重要组成部分[2],参与作物对其他养分的吸收与平衡等[3-5],可显著促进水稻分蘖,提高产量。 过量施用氮肥会导致氮肥利用率降低,水稻抗逆性能下降[6],出现贪青晚熟[7],叶片光合作用降低等现象,影响水稻的产量[8-11]。

临沂稻区是山东省主要稻区,主要种植麦茬稻,水稻生长前中期雨热同步,生长后期光照充足,昼夜温差大,适于优质、高产水稻生产。 本研究通过探究不同施氮水平下水稻生长特点和产量表现,旨在为临沂及周边稻区水稻生产合理施用氮肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

品种为‘临稻16’。 2017 年于山东省临沂市河东区合胜水稻种植合作社试验地进行播种,播种量110 g∕盘,5 月25 日机械育秧,7 月7 日机械插秧,行距30 cm,穴距12.5 cm,3—4 苗∕穴,510 盘∕hm2,10 月26 日收获。 7 月20 日,每667 m2试验地喷施5%井岗霉素200 mL+1.8%阿维菌素乳剂40 mL+天达牌“2116”1 包;8 月15 日,每667 m2喷施40%稻瘟灵乳油80 mL+430 g∕L 戊唑醇悬浮剂10 mL+10%氯苯虫酰胺悬浮剂20 mL+天达牌“2116”1 包。 试验期间灌溉7 次,每次均浇至水面8 cm。

1.2 试验设计

试验肥料选用尿素、硫酸钾、过磷酸钙。 采用随机区组试验,按施氮量不同,设N0(0 kg∕hm2,空白对照)、N1(120 kg∕hm2)、N2(240 kg∕hm2)、N3(360 kg∕hm2)4 个处理;机插,每个处理小区面积为600 m2(30 m×20 m)。 各小区间作田埂分开,田埂覆膜以防肥水串灌,各处理单排单灌,重复3 次。 磷(P2O5)和钾(K2O)施用量分别为120 kg∕hm2和150 kg∕hm2。 氮肥运筹按照基肥∶分蘖肥∶穗肥为5∶2∶3的比例施用,磷肥全部作为基肥施用,钾肥分基肥和穗肥施用,施用量各占50%。 其他管理措施按常规栽培要求实施。

1.3 指标测定

光合指标:采用LI6400 光合仪测定,每个小区选取代表性植株最顶层全展叶2 个,在乳熟期的晴天上午9:00—11:30 测定水稻植株叶片中部的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率等。

产量:收获前每小区调查30 穴(按照平均数法取5 穴进行考种),计算单位面积穗数、成穗率、穗粒数、结实率、千粒重和产量。 每小区收割100 穴,晒干后称重,测定干稻谷的水分含量。

植株氮素含量:采用凯氏定氮法测定。 吸收氮素含量按照农学利用率计算,测定茎、叶、穗干重,粉碎后测定茎、叶、穗含氮量。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对水稻产量及其构成因素的影响

由表1 可知,不同处理水稻穗长差异不显著,在14.4—14.8 cm;随着施氮量的增加,千粒重呈现先升高后下降的趋势,N1 处理千粒重最高,达到32.7 g,但与N2 处理无显著差异。 随着施氮量提高,有效穗数从293.3 万∕hm2增加到386.9 万∕hm2。 不同处理水稻结实率差异显著,且随着施氮量的增高,结实率显著下降。 N2 处理单穗粒重最高,低氮处理(N1)次之,高氮处理(N3)比空白对照(CK)单穗粒重低0.11 g。 施肥处理产量显著高于空白处理,以施氮量N2 处理最有利于水稻增产,相对于空白对照,增产率达到48.1%。 N1 和N3 产量处理间无显著性差异,分别比对照增产33.1%和31.9%。

表1 不同施氮量处理对水稻产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of different nitrogen application rates on rice yield and its components

2.2 不同施氮量对水稻产量、地上部生物产量及氮浓度的影响

在低氮条件下,随着施氮量的增加,水稻籽粒产量和秸秆生物量逐渐增加,N2 处理水稻籽粒产量和秸秆生物量最高,分别为10 805.1 kg∕hm2、11 509.725 kg∕hm2(图1a)。 N3 处理籽粒含氮量最高,达8.06 g∕kg,N1、N2、N3 处理籽粒含氮量显著高于N0 处理,N1、N2 处理间差异不显著。 随着施氮水平的增加,秸秆含氮量逐渐增加,N1、N2、N3 处理显著高于N0 处理,但N1、N2、N3 处理间差异不显著(图1b)。

图1 不同施氮量对‘临稻16’产量、地上部生物量及氮浓度的影响Fig.1 Effects of different nitrogen application rates on yield,above-ground biomass and nitrogen concentration of‘Lin Rice 16’

2.3 不同施氮量对水稻氮肥利用效率的影响

由表2 可知,随着施氮量增加,氮素利用率显著下降,N1 处理氮素利用率最高,达到78.32%,其次为N2 处理,N3 处理氮素利用率仅为23.70%。 氮肥吸收效率以N3 处理与未施氮肥处理最大,为1.40 kg∕kg,分别较N1 和N2 处理提高了91.8%和211.1%。 籽粒需氮量从高到低依次为N1 处理、N3 处理、N2 处理、未施氮肥处理。

表2 不同施氮量处理对‘临稻16’氮肥利用效率的影响Table 2 Effects of different nitrogen application treatments on nitrogen use efficiency of ‘Lin Rice 16’

2.4 不同施氮量对水稻旗叶光合参数变化的影响

随着氮肥施用量的增加,光合速率显著升高,说明氮肥的施用对水稻光合速率的促进作用较大,但氮肥施用量到达240 kg∕hm2之后,光合速率无明显增加(图2a);胞间二氧化碳浓度(Ci)与光合速率呈现负相关的变化,胞间二氧化碳浓度越高光合速率越低。 随着氮肥的施用量增加,胞间二氧化碳浓度逐渐降低(图2b);气孔导度和蒸腾速率的变化与光合速率的变化趋势一致(图2c 和d)。

图2 不同施氮量处理对水稻旗叶光合参数的影响Fig.2 Changes of photosynthetic parameters in flag leaves of rice under different nitrogen application rates

3 讨论

氮素是植物生长所需的三大营养元素之一,在土壤-植物-动物生态系统中起着不可替代的作用[12]。增施氮肥是水稻增产的重要措施,但过量施用不仅会影响水稻的产量和品质,还会对环境造成污染。 本研究表明,不同施氮量对水稻千粒重影响较大;不同处理间水稻结实率差异显著,且随着施氮量的增高,结实率显著下降,这与林洪鑫等[13]研究结果相似;施氮量120 kg∕hm2和240 kg∕hm2时,水稻单穗粒重显著高于空白处理,施氮量240 kg∕hm2时水稻单穗粒重相对较高,高氮处理(360 kg∕hm2)比低氮处理(120 kg∕hm2)水稻单穗粒重小,表明水稻单穗粒重随着施氮量增加呈现先增加后降低的趋势[14]。 水稻在一定范围内增施氮肥具有明显的增产作用,但超过一定范围就会产生负效应,导致减产[15],其原因可能是高氮条件下植株叶鞘和茎秆内储藏的氮素较高,植株出现贪青和倒伏所致[16]。 随着施氮量的增加,水稻植株含氮量也增加,高氮处理的植株氮素从营养器官向谷粒的转移率降低[17]。 本试验条件下,随着施氮量的增加,植株地上部生物量先增加后降低,这与水稻产量变化趋势相同。

优化氮肥施用对我国农业生产的可持续发展起着至关重要的作用。 本研究中,‘临稻16’氮素利用率在23.70%—78.32%,而中国稻田氮肥平均吸收利用率为30%—35%,这可能是由品种间差异所致。

氮肥在一定范围内的施用可以提高水稻的光合作用,进而提高水稻的产量[18]。 光合速率表示碳同化能力的强弱。 本研究表明,随着施氮量的增加,水稻旗叶光合速率显著升高,但是施氮量达到240 kg∕hm2之后光合速率上升不明显,说明超过一定范围后氮肥的增加对水稻光合速率影响不大;胞间二氧化碳浓度与光合速率呈负相关,随着施氮量增加,胞间二氧化碳浓度逐渐降低。 气孔导度和蒸腾速率的变化与光合速率的变化一致。

4 结论

4.1 在本试验条件下,施氮量处理120 kg∕hm2和240 kg∕hm2能显著提高水稻的穗长、结实率、千粒重、单穗粒重,施氮量240 kg∕hm2处理产量最高,为10 805.1 kg∕hm2。

4.2 施用氮肥可以显著提高籽粒和秸秆的含氮量,施氮量120 kg∕hm2和240 kg∕hm2处理间籽粒含氮量差异不显著,施氮量360 kg∕hm2处理与120 kg∕hm2处理、240 kg∕hm2处理相比差异显著;施氮量120 kg∕hm2、240 kg∕hm2、360 kg∕hm2处理与未施氮肥处理秸秆含氮量差异显著,但三个施氮处理间差异不显著。

4.3 施氮量120 kg∕hm2时氮素利用率最高,为78.32%,100 kg 籽粒需氮量最高;未施氮肥处理和施氮量360 kg∕hm2时氮素吸收效率最低。

4.4 水稻旗叶灌浆后期随着施氮量的增加,光合速率逐渐上升,但施氮量超过240 kg∕hm2之后光合速率比较稳定;胞间二氧化碳浓度与光合速率呈现负相关变化,随着施氮量的增加,胞间二氧化碳浓度逐渐降低;气孔导度和蒸腾速率的变化与光合速率的变化一致。 氮肥在一定范围内施用可以提高水稻的光合作用,从而提高水稻的产量。