氮肥一次性基施对不同成穗方式下直播常规粳稻产量的影响

翁文安, 程爽, 李绍平, 田晋钰, 陶钰, 胡群,胡雅杰, 郭保卫, 魏海燕, 邢志鹏, 张洪程

(扬州大学农学院，水稻产业工程技术研究院， 江苏省作物栽培生理重点实验室，江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心， 江苏 扬州 225009)

水稻是我国最重要的粮食作物之一，2020年全国水稻播种面积达3 000万hm2，全年水稻总产量约2.1亿t[1]，水稻连年丰产对保障国家粮食安全具有重要意义。氮肥的施用在我国水稻高产稳产中起着重要作用[2]。为提高水稻产量和氮肥利用效率，前人探究出精确定量施肥[3]、定点氮肥管理[4]和土壤-作物系统综合管理[5]等多项以分次施肥为基础的科学施肥技术。但在我国农业生产中农户分散经营和从业人员减少且老龄化程度不断加深的现状下，上述施肥技术不仅在区域尺度上存在一定问题，且用工较多的农艺操作环节较难达到现代农业高效轻简化的发展要求[6-7]。相较于需多次追施肥的传统科学施肥技术和速效氮肥作为基肥一次性施用的施肥方式[8]，近年来研制的以控释氮肥为基础原料的一次性基施肥技术，通过树脂包膜或聚乙烯包膜等材料控制养分缓慢释放，以实现氮素养分供应与作物需氮规律在时空上相互吻合，来满足作物全生育期对氮素养分的需求[9]。因此，基于控释氮肥的一次性基施肥技术被认为是能够促进水稻高产高效生产[10]、减少农艺操作次数[11]和增加效益[12]的有效途径。

前人从控释氮肥单施和控释氮肥与速效氮肥混施等角度研究了一次性基施肥技术在水稻上的应用效果。多数研究表明，单纯的控释氮肥一次性基施难以实现增产且投入成本较高，应用效果不佳[13]；而控释氮肥与速效氮肥以适宜比例配合基施是现有条件下一次性基施肥技术实现水稻壮苗稳蘖[14]、抽穗至成熟期阶段干物质积累量增加[15]和稳产高产[15-17]的有效途径。根据水稻基本苗的多少，在成熟期调查其主茎占有效穗数的比例可分为分蘖为主成穗型、主茎分蘖并重成穗型和主茎为主成穗型3种成穗方式。不同成穗方式下水稻生长发育特征不同，对肥料的需求也有所差异[6]。前人多是在相同基本苗下比较不同控释氮肥一次性基施对水稻生长发育的影响[18]，或是在分次施肥条件下研究不同基本苗水稻所需的适宜氮肥用量及运筹比例[6,19]，但关于一次性基施氮肥对不同基本苗下水稻群体影响的研究较少，特别是在一次性基施肥条件下如何调控控释氮肥和速效氮肥施用比例来满足不同基本苗下水稻群体的生长发育更缺乏系统研究。前人虽对水稻播种量问题进行了大量研究并明确了水稻最佳播种量[20]，但在水稻生产上，特别是直播稻生产上存在秸秆大量还田、短农时下耕作质量不佳和农民对播种技术掌握不到位等因素导致的播种时播种量随意性较大从而导致基本苗不足或过多的情况[21]，而如何优化配套这些基本苗下直播稻的一次性基施肥技术也缺乏研究。为此，本文在课题组前期研究的基础上，设置了3种基本苗处理以代表3种不同成穗方式直播稻，并选用前期已筛选出的控释氮肥配方[22]，研究控释氮肥配方与速效氮肥不同配施比例的全程氮素一次性基施对不同成穗类型直播常规粳稻产量与光合物质生产的影响，初步探索不同成穗类型直播常规粳稻产量形成差异及控释氮肥配方与速效氮肥的适宜基施比例，旨在为实现直播常规粳稻高产高效栽培提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

试验于2019年在江苏省泰州市姜堰区河横村试验基地(34°54′ N，120°21′ E)进行，该区域年均气温16.7 ℃，年均降水量1 185.7 mm。土壤类型为潴育型水稻土，土壤0—20 cm耕层含有机质36.13 g·kg-1，全氮2.14 g·kg-1，速效磷5.81 mg·kg-1，速效钾163.02 mg·kg-1，pH 6.72。

供试水稻为迟熟中粳品种南粳9108，该品种为江苏省最具代表性的穗粒兼顾型粳稻品种。供试肥料为树脂包衣的控释氮肥配方，该控释氮肥配方由释放期40 d的控释氮肥A和释放期100 d的控释氮肥B混配而成，配比比例(纯N)为控释氮肥A:控释氮肥B=1∶4；速效氮肥(尿素)。

1.2 试验设计

试验在同一大田中进行，采用裂区设计，以水稻基本苗处理为主区，肥料处理为裂区。根据前期研究，主区设置200、105和60 kg·hm-23个播种量并在水稻幼苗3叶一心期进行定苗，根据各成穗方式下目标基本苗进行去余补缺，以实现高(D1)、中(D2)、低(D3)3个基本苗处理，目标基本苗分别为420×104、225×104和150×104hm-2，经调查成熟期水稻主茎占有效穗数的比例分别为82.8%～88.0%、52.4%～57.4%和31.0%～34.6%，分别代表主茎为主成穗型、主茎分蘖并重成穗型和分蘖为主成穗型3种不同成穗方式下的水稻群体。裂区设置3个一次性基施氮肥处理，各小区氮肥施用量(纯N)均为270 kg·hm-2，且均于播种前1 d一次性施用，控释氮肥配方与速效氮肥纯氮配比比例分别为5∶5、6∶4和7∶3。各处理重复3次，各小区面积50 m2，共计36个小区。小区间起埂，并用黑色塑料薄膜覆盖埂体，保证各小区独立排灌。所有处理磷、钾肥(P2O5130 kg·hm-2、K2O 270 kg·hm-2)统一施用，均于播种前1 d一次性基施。根据当地小麦收获时间和水稻及时播种的要求，于6月8日进行机械旱条播，行距25 cm，水分和病虫草害等田间管理按照旱直播高产栽培要求实施。

1.3 测定项目与方法

1.3.1茎蘖动态 各小区于播种(sowing stage，SS)后20 d选定3个代表性观察点，每个观察点选取连续2行，每行1 m，分别于拔节期(jointing stage，JS)、抽穗期(heading stage，HS)和成熟期(maturity stage，MS)记录茎蘖数，并计算成穗率。

1.3.2叶面积指数和干物重 分别于拔节期、抽穗期和成熟期在各小区取代表性植株20株，采用长宽法测定植株叶面积，计算叶面积指数(leaf area index, LAI)，3次重复。将所取植株样品在105 ℃下杀青30 min，再在80 ℃下烘干至恒重后测定全株干物重。根据吴培等[6]方法计算叶面积衰减率、光合势、群体生长率和净同化率。

1.3.3产量及其构成因素 成熟期在各小区选取3个调查点调查有效穗数并计算主茎占有效穗数比例，每点调查连续5行，每行2 m；各小区取具有代表性的连续植株20株，调查每穗粒数和结实率。并对1 000实粒(干种子)进行称重，重复3次(误差≤0.05 g)计算千粒重。成熟期各小区收获10 m2，晒干后折算实产(含水率14.5%)。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2013对数据进行处理，运用DPS V7.05数据处理软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 产量及其构成因素

由表1可知，在D1基本苗下，随控释氮肥占总施氮量比例的提高，水稻产量逐渐增加，控释肥配方与速效氮肥以7∶3的纯氮比例配施时产量最高，较其他处理显著提高5.3%～7.5%。在D2和D3基本苗下，随控释氮肥占总施氮量比例的提高，水稻产量逐渐降低，以5∶5处理时产量最高，较其他氮肥处理分别显著提高9.2%～10.5%和9.3%～11.9%。不同基本苗间，相较于D2和D3基本苗下产量最高的5∶5处理，D1基本苗下7∶3处理产量分别增加5.3%和6.4%。在主茎占有效穗数比例方面，相同基本苗下随控释氮肥占总施氮量比例的提高而增加，以7∶3处理下水稻主茎占有效穗数比例最高，且与5∶5处理呈显著性差异。在不同基本苗间，随基本苗的增加，水稻主茎占有效穗数的比例逐渐增加，分别为31.0%～34.6%、52.4%～57.4%和82.8%～88.0%，且在三种基本苗间呈显著性差异。

表1 不同处理对水稻产量及其构成因素的影响Table 1 Effect of different treatments on rice yield and its components

在产量构成因素方面，不同基本苗下不同比例一次性基施肥处理间变化规律并不一致。在D1基本苗下，随控释氮肥占总施氮量比例的提高，有效穗数逐渐减少，以7∶3处理最低，相较于其他处理降低2.0%～5.9%；每穗粒数、群体颖花量和结实率逐渐增加，以7∶3处理最高，相较于其他处理分别提高5.4%～11.4%、3.3%～4.8%和0.7%～1.5%；在千粒重方面，无明显变化规律，且处理间无显著差异。在D2和D3基本苗下，相同基本苗下氮肥处理的有效穗数和群体颖花量随处理中控释氮肥占总施氮量比例的增加而逐渐降低，以5∶5处理的有效穗数和群体颖花量最高，较其他氮肥处理分别提高4.5%～11.7%和3.8%～7.1%；每穗粒数逐渐增加，以7∶3处理最高，较其他处理增加2.0%～4.9%；在结实率和千粒重方面无显著差异。不同成穗方式间，相较于D2和D3基本苗下的5∶5处理，D1基本苗下7∶3处理的有效穗数和群体颖花量分别提高11.3%～28.8%和12.4%～14.5%，每穗粒数降低12.5%～13.7%，在结实率和千粒重方面无显著差异。

2.2 群体茎蘖动态和成穗率

由表2可知，在相同基本苗下，一次性基施氮肥处理在主要时期的茎蘖数均随着处理中控释氮肥占总施氮量比例的增加而降低，以7∶3处理拔节期、抽穗期和成熟期的茎蘖数最低，且相较于5∶5处理同时期茎蘖数分别显著降低10.8%～12.7%、8.4%～11.7%和5.9%～9.7%；一次性基施氮肥处理的茎蘖成穗率随着处理中控释氮肥占总施氮量比例的提高而提高，但处理间无显著性差异。在不同基本苗间，相较于D2、D3基本苗下5∶5处理，D1基本苗下7∶3处理在拔节期、抽穗期和成熟期茎蘖数分别增加21.3%～53.9%、6.5%～27.2%和11.3%～28.9%，茎蘖成穗率降低8.2%～15.6%。

表2 不同处理对水稻茎蘖动态和成穗率的影响Table 2 Effect of different treatments on tiller dynamics and percentage of productive tiller of rice

2.3 叶面积指数和叶面积衰减率

由表3可知，在D1基本苗下，一次性基施氮肥处理在拔节期和抽穗期的叶面积指数随处理中控释氮肥占总施氮量比例的增加而降低，呈5∶5>6∶4>7∶3的趋势，且5∶5处理与7∶3处理间差异显著；成熟期叶面积指数以7∶3处理最高，较其他处理显著提高16.2%～19.4%；同时7∶3处理的叶面积衰减率最低，较其他处理显著降低25.95%～43.1%。在D2和D3基本苗下，在拔节期、抽穗期和成熟期均以5∶5处理的叶面积指数最高，较其他处理分别提高2.3%～5.2%、1.4%～5.8%和2.6～8.3%；叶面积衰减率于一次性基施氮肥处理间无显著差异。不同基本苗间，相较于D2、D3基本苗下5∶5处理，D1基本苗下7∶3处理在拔节期和成熟期茎蘖数分别提高4.5%～15.0%和10.3%～13.2%，抽穗期叶面积无显著差异，叶面积衰减率显著降低10.8%～12.1%。

表3 不同处理对水稻叶面积指数和叶面积衰减率的影响Table 3 Effect of different treatments on leaf area index and decreasing rate of leaf area of rice

2.4 光合势

由表4可知，在D1基本苗下，一次性基施氮肥处理在播种-拔节期和拔节-抽穗期光合势变化趋势一致，表现为5∶5>6∶4>7∶3，处理间无显著差异；抽穗-成熟期光合势以7∶3处理最大，相较于其他处理提高5.2%～7.2%。D2和D3基本苗下，播种-拔节期、拔节-抽穗期和抽穗-成熟期光合势均以5∶5处理最大，相较于其他处理分别提高1.3%～7.1%、1.4%～6.4%和1.8%～6.7%。不同成穗方式下，相较于D2和D3基本苗下5∶5处理，D1基本苗下7∶3处理在播种-拔节期、拔节-抽穗期和抽穗-成熟期光合势分别提高3.9%～15.2%、1.4%～7.0%和7.5%～8.5%，且与D3基本苗下5∶5处理差异显著。

表4 不同处理对水稻光合势的影响Table 4 Effect of different treatments on rice leaf area duration (m2·d·m-2)

2.5 阶段干物质积累量及其比例

由表5可知，D1基本苗下，在播种-拔节期和拔节-抽穗期，阶段干物质积累量及其比例随处理中控释氮肥占总施氮量比例的增加而降低，以7∶3处理最低，较5∶5处理分别降低18.8%、21.1%、4.3%和7.2%；抽穗-成熟阶段的干物质积累量及其比例随处理中控释氮肥占总施氮量比例的增加而提高，以7∶3处理最高，较5∶5处理分别显著增加20.2%和18.7%。在D2和D3基本苗下，播种-拔节期阶段干物质积累量及其比例随处理中控释氮肥占总施氮量比例的增加而降低，5∶5处理较7∶3处理分别显著增加14.0%～18.2%和4.8%～9.4；在拔节-抽穗期和抽穗-成熟期，阶段干物质积累量随处理中控释氮肥占总施氮量比例的增加而降低，5∶5处理7∶3处理分别显著增加4.9%～7.8%和5.6%～7.4%，阶段干物质积累比例随处理中控释氮肥占总施氮量比例的增加而提高，7∶3处理较5∶5处理分别增加2.4%～2.9%和1.4%～2.2%。

表5 不同处理对水稻阶段干物质积累量及其比例的影响Table 5 Effect of different treatments on dry matter accumulation and its proportion at different growth stages

2.6 群体生长率和净同化率

由表6可知，D1基本苗下，随着氮肥处理中控释氮肥占总施氮量比例的增加，播种-拔节期和拔节-抽穗期阶段群体生长率和净同化率逐渐降低，以7∶3处理最低，较其他处理分别显著降低5.5%～15.7%、6.7%～7.7%、6.7%～15.2%和1.6%～4.6%；抽穗-成熟期阶段群体生长率和净同化率逐渐增加，以7∶3处理最高，较其他处理分别显著提高18.2%～25.9%和10.7%～24.0%。D2和D3基本苗下，除D2基本苗下6∶4处理，其他处理在全生育期各阶段的群体生长率和净同化率均随着处理中控释氮肥占总施氮量比例的增加而降低，以5∶5处理最高，且显著高于相同基本苗下其他处理。

表6 不同处理对水稻不同阶段群体生长率和净同化率的影响Table 6 Effect of different treatments on the crop growth rate and net assimilation rate at different growth stages (g·m-2·d-1)

3 讨论

3.1 控释氮肥与速效氮肥配施比例对水稻产量的影响

前人在不同条件下研究了控释氮肥与速效氮肥的适宜一次性基施比例，但结果不尽相同。袁嫚嫚等[12]研究表明，控释氮肥与速效氮肥以7∶3的比例混合一次性基施所获得的水稻产量和效益最好，且显著高于常规氮肥处理。张敬昇等[23]研究认为，控释氮肥与速效氮肥以4∶6的比例混合基施时效果最佳，水稻产量较常规氮肥处理增产10.93%。解文艳等[24]研究表明，控释氮肥占总施氮量的60%～75%时，控释氮肥与速效氮肥配合基施下春玉米综合效益最好。而不同研究结果中控释氮肥与速效氮肥适宜一次性基施比例的差异可能与试验研究地点、试验施氮量和试验所设置的掺施比例等不同有关[25]。本研究结果表明，控释氮肥配合速效氮肥一次性基施的适宜比例还因基本苗的不同而有所差异，不同基本苗下控释氮肥配合速效氮肥基施的适宜比例不同。在中、低基本苗下(150×104～225×104hm-2)，控释肥配方与速效氮肥以5∶5的纯氮比例配合基施时效果最佳，产量达9.5 t·hm-2；在高基本苗下(基本苗量375×104hm-2)，控释肥配方与速效氮肥以7∶3的纯氮比例配合基施时效果最佳，产量达10.0 t·hm-2。这可能是由于，在高基本苗下，前期过多的氮素释放致使水稻拔节期茎蘖数过多和群体过大，中后期氮素总量供应不足致使叶面积指数降低、叶面积衰减率较高、水稻群体茎蘖成穗率低和抽穗至成熟阶段群体生长率与净同化率降低，且稻株下、中部叶片和鞘的枯死部分带出植株体外的氮素多于中后期植株所吸收的氮素[26]，从而导致水稻产量降低；而播种至拔节期相对较少的氮素供应有利于高密度下水稻群体形成较为适宜的有效穗数(460×104hm-2)，中后期充足的氮素供应有助于抽穗至成熟期维持较高的光合势、群体生长率和净同化率，同时维持较低的叶面积衰减率，促进光和物质生产和库容的充实，有利于产量的提高。中、低基本苗下，水稻基本苗相对较少，相对较多的速效氮肥有利于满足水稻播种至拔节期的氮素要求，促进水稻分蘖的发生以获得充足的有效穗数(429.0×104hm-2)，形成相对较多的群体颖花量(3.9×108hm-2)，并在水稻生育中后期保持一定数量的叶面积指数，抽穗至成熟阶段保持较高的净同化率有助于促进干物质积累量的增加，从而形成较高的产量。

3.2 氮肥一次性基施条件下直播稻成穗方式对产量的影响

良种良法相结合是不断促进水稻产量提高的根本途径。前人从产量不同构成因素出发研究了移栽稻增产的可能途径，并探索出“小群体、壮个体、高积累”的适宜栽培途径，即以分蘖为主的成穗方式，并配套了适宜的氮肥施用和田间管理技术[27-30]。因而，相较于常规稻，移栽稻生产上具有较强分蘖能力的杂交稻更能够充分利用有效分蘖叶位，促进分蘖早发快长，培育高质量群体而获得高产[31]。而在直播稻生产上，为保证出苗量往往播种量较大，播种浅，无缓苗期，分蘖快且多，高峰苗多且早，群体较大，易倒伏[32]。相较于种子成本高且分蘖能力强的杂交稻，种子成本较低且分蘖能力较弱的常规稻更普遍地被应用到直播稻生产中，尤其是旱直播水稻生产。但相较于移栽稻以分蘖成穗为主的适宜成穗方式，直播条件下适宜水稻高产栽培的不同成穗方式比较却鲜有报道。因此，本试验以常规粳稻为材料，在全程氮素一次性基施条件下设置了3个不同基本苗，分别代表分蘖为主成穗型、主茎分蘖并重成穗型和主茎为主成穗型，以比较不同成穗方式下直播常规粳稻的产量。结果表明，随着基本苗的增加，水稻主茎占有效穗数的比例逐渐提高，且在各密度适宜的控释氮肥与速效氮肥配施比例下，随着主茎占有效穗数比例的增加，水稻产量逐渐增加，即以主茎为主的成穗方式下(主茎占有效穗比例为82.8%～88.0%)水稻产量最高。相较于D2和D3基本苗下5∶5处理，D1基本苗下7∶3处理产量的提高在产量构成因素方面主要表现为有效穗数和群体颖花量的显著增加，光合物质生产方面主要表现为抽穗至成熟期较高的光合势、群体生长率和净同化率，以及较高的阶段干物质积累量。而D2和D3基本苗所代表的主茎分蘖并重型(主茎占有效穗比例为52.4%～57.4%)和分蘖为主成穗型(主茎占有效穗比例为31.0%～34.6%)2种成穗方式在直播条件下水稻未能实现高产可能与直播稻生育前期田间环境条件有关。以江苏地区为例，江苏省直播稻播种时间多集中在每年六月中上旬，此时正值梅雨季节，播种后排水不利易导致烂种和烂苗，播种量低易导致基本苗不足，影响水稻安全齐苗，且D2和D3基本苗在控释氮肥与速效氮肥以适宜比例基施下速效氮肥占总施氮量比例较高(50%)，水稻生育前期难以全部吸收，在雨水较多且高温高湿的梅雨季节易通过径流和挥发方式增加氮素损失[33-34]。因此，仅从产量出发，适当提高水稻基本苗，以主茎成穗为主的水稻群体配套控释氮肥配方与速效氮肥以7∶3的纯氮比例配施的一次性基施氮肥技术是实现江苏省稻麦轮作地区旱直播水稻高产高效栽培的潜力型种植方式。