不同氮素水平对旱直播粳稻产量和氮素利用率的影响

韦志恒 李韫哲 姜浩 宋泽 吴美康 于恒 韩驰 魏晓双 田平 杨美英 王冠 武志海

摘  要：采用大田小区试验，分析不同施氮水平旱直播湿润管理下粳稻不同生育时期干物质和氮素积累、转运的差异。结果表明，增施氮肥显著提高茎、叶、穗中干物质和氮積累水平以及旱直播湿润管理下粳稻的产量，T3处理产量最高，为8 660.63 kg/hm2。不同施氮水平下氮素的积累及物质转运对籽粒的贡献率随施氮量增加呈上升的趋势，随着氮素水平的提高氮素吸收利用效率呈上升趋势。相关性分析表明，齐穗期和成熟期茎、叶、穗氮积累量与旱直播粳稻产量均呈极显著正相关。旱直播粳稻产量与播种-分蘖-齐穗期的茎叶氮积累速率呈显著正相关。旱直播粳稻产量与齐穗-成熟期茎的氮转运量呈显著正相关，与齐穗-成熟期的叶的氮转运量呈极显著正相关。总体上，T3处理能够提高旱直播湿润管理下的结实率，增加穗数、穗粒数，有利于促进营养器官氮素积累并向籽粒转运，提高氮肥利用效率并提升产量，是适宜吉林省中部地区旱直播湿润管理粳稻的施氮水平。

关键词：水稻；旱直播粳稻；氮肥利用率；产量

中图分类号：S511.062                         文献标志码：A文章编号：1673-6737（2024）01-0001-07

Effects of Different Nitrogen Levels on Yield and Nitrogen Utilisation

of Dry-drained Japonica Rice

WEI Zhi-heng1 ， LI Yun-zhe1 ， JIANG Hao1 ， SONG Ze1 ， WU Mei-kang1 ， YU Heng1 ， HAN Chi1 ，

WEI Xiao-shuang1 ， TIAN Ping1 ， YANG Mei-ying2 ， WANG Guang1 ， WU Zhi-hai1*

（1 College of Agriculture， Jilin Agricultural University， Changchun130118， China;

2 College of Life， Jilin Agricultural University， Changchun130118， China）

Abstract： A field plot experiment was used to analyse the differences in dry matter and nitrogen accumulation and transport in different fertility periods of japonica rice under dry-directed wet management under different N application levels. The results showed that the application of nitrogen fertiliser significantly increased the levels of dry matter and nitrogen accumulation in stems， leaves and spikes， and the yield of japonica rice under the wet management of dry direct seeding， and the yield of the T3 treatment was the highest at 8 660.63 kg/hm2. The contribution of nitrogen accumulation and nitrogen transport to the seed grain under different nitrogen application levels tended to increase with the increase of nitrogen application， and the efficiency of nitrogen uptake and use tended to rise with the increase of nitrogen level. Correlation analyses showed that stem， leaf and spike nitrogen accumulations at the flush and maturity stages were all positively correlated with the yield of dry-directed japonica rice. The yield of dry-directed japonica rice was significantly positively correlated with the N accumulation rate of stem and leaf at the sowing-tillering-flush stage. The yield of dry-directed japonica rice was significantly and positively correlated with the N transfer rate of stems at the flush-maturity stage， and was highly significantly and positively correlated with the N transfer rate of leaves at the flush-maturity stage. Overall， the T3 treatment was able to improve the fruiting rate， increase the number of spikes， the number of grains in pikes  under the dry-directed wet management， which was conducive to promoting the accumulation of nitrogen in the nutrient organs and the transfer of nitrogen to the grains， and improving the nitrogen utilisation efficiency and yield， and it was a suitable nitrogen level for the dry-directed wet management of japonica rice in the central area of Jilin Province.

Key words： Rice; Dry direct seeding; Nitrogen use efficiency rice quality; Yield

水稻是世界人口的主要粮食来源，目前是30亿人的主食，传统水稻种植过程中需水量大。全球范围内70%～80%的淡水用于农业，水稻占其中85%[1]。但据预测，到2025年仅亚洲就有大约3900万公顷灌溉水稻面临经济或物理水资源短缺[2]。因此，从传统的移植式水稻转向其他不影响产量但能提高水分利用率的种植方式有着广阔的前景[3]。旱直播稻不需经过育苗和移栽过程，除了减少劳动力需求外，也要减少大量用水，同时也实现了轻简栽培的稻作方式[4]。目前我国对水稻旱直播栽培模式已经开展了广泛研究并取得了较好的效果[5，6]。研究表明，旱直播水稻秧苗的素质高于移栽稻[7]，在旱直播方式下水稻秧苗抗逆性强，分蘖发生早且快，茎蘖成穗率高。旱直播稻群体较协调，光合能力强，干物质累积速率快。也有研究表明旱直播水田土壤通气效果好，根系活力较强[8]。但旱直播与传统的移栽相比，由于缺少苗床的培育时期导致太阳总辐射量减少，对水稻产量有一定的负面影响[9]。同时宋玉秋等研究认为旱直播稻的单位面积穗数、每穗粒数、结实率、千粒质量以及产量均显著低于移栽稻; 但通过采用可降解种膜则能显著提高产量[10]。

一直以来增施氮肥是提高作物单产的主要途径[11]。但持续的施加氮肥导致氮肥利用率仅为30%左右[12]，大量的氮素积累形成了氮素的奢侈吸收[13]。有研究表明，过量施氮会造成植株过度生长，叶片早衰，光合能力下降，营养器官的干物质积累量在生育后期较高，茎秆对氮素过度吸收，不利于氮素从茎、叶、根转移到谷物中，导致产量下降[14，15]。孙琪等研究表明抽穗后叶片氮素积累量与转运量的提高可以增加穗部氮素积累量，对产量的形成有重要影响[16]。因此增加氮素向籽粒的转运[17]，形成高效的氮肥施用模式是当前稻作生产的主要研究方向之一。

旱直播粳稻在氮肥运筹的相关研究在我国已有一定进展[18，19]。贾维强[20]研究表明，不同氮肥运筹下，机械穴直播早稻增施分蘖肥对增加干物质积累量有促进作用。传统水稻前期投入大量氮肥，试图一次施足水稻整个生育期所需的氮肥，因此探索旱直播粳稻氮肥管理，优化氮管理的关键是确保作物在生长过程中的同季氮供应与氮需求的同步[21]。因此本研究探讨不同氮素水平对旱直播粳稻氮养分吸收转运及利用的影响，为吉林省直播水稻适宜氮量的选择提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  试验地点概况

试验于2020年在吉林省长春市吉林农业大学国家农作物品种审定特性鉴定站（东经125°39E，北纬44°46N）进行。该地区无霜期135～140 d，前茬水稻，0～20 cm土壤基础养分为：有机质含量18.7 g/kg，碱解氮含量119.02 mg/kg，速效钾含量231.33 mg/kg，速效磷含量43.7 mg/kg，pH值6.7。于2020年5月2日采用人工条播，9月28日收获。

1.2  试验设计

供试材料选用“绥粳18”（黑审稻2014021），行距30 cm，条播，播种量为180 kg/hm2。采用旱直播水管模式。设置5种氮肥水平，以不施氮肥为对照，分别为0 kg/hm2、70 kg/hm2、140 kg/hm2、210 kg/hm2、280 kg/hm2，每个处理设置4次重复，每个小区面积为30 m2，采用随机区组排列。氮肥使用尿素（含N46%），以基肥：分蘖肥：穗肥=6：3：1施入；磷肥（过磷酸钙，含P2O512%）和钾肥（硫酸钾，含K2SO450%）均以75 kg/hm2作基肥施入。采用旱直播湿润管理模式，在旱地直接播种，播种后采用滴灌方式或利用自然降水保持土壤湿润， 整个小区灌水均匀，整个生育期田面无水层，其他农艺管理措施同大田管理。

1.3  测定指标及方法

1.3.1  植株氮含量测定  于分蘖期、拔节孕穗期、齐穗期、灌浆期和成熟期样品采集处理后，采用凯氏定氮法测定水稻茎、叶、籽粒氮含量。

1.3.2  干物质含量测定  于分蘖期、拔节孕穗期、齐穗期、灌浆期和成熟期，每个处理分别取6株水稻植株，除去根部，按茎、叶、穗分开，于105 ℃烘箱中杀青30 min，然后在80 ℃下烘干至恒重，冷却至室温后称取干重。

1.3.3  产量及产量构成的测定  成熟期随机取15株测定穗粒数、实粒数、千粒重和计算结实率。每小区随机选取3 m2测有效穗数和产量。收获时每小区单打单收，晒干后测定稻谷质量和含水量，按标准含水量13.5%折算得出水稻产量。

1.4  数据计算和统计分析

各器官氮素積累量（kg/hm2）=干物质含氮量×干物质量[22]

营养器官氮素转运量（kg/hm2）=齐穗期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量

营养器官氮素转运率（%）=营养器官氮素转运量/齐穗期营养器官氮素积累量×100

营养器官转运氮素对籽粒氮素的贡献率（%）=营养器官氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100

氮肥农学效率（NAE）=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量

氮肥偏生产力（PEP）=籽粒产量/施氮量

氮肥生理效率（NPE）=（施氮区产量-不施氮区产量）/（施氮区地上部氮积累量-不施氮区地上部氮积累量）

氮素吸收利用率（NRE）=（施氮区植株氮素积累量-无氮区植株氮素积累量）/施氮量×100

氮积累速率（kg/hm2）=某生育阶段单位面积单位时间某器官的氮积累量

所有数据采用Excel2019软件进行处理绘制表格，用SPSS24.0进行方差分析并建立线性加平台模型计算最佳施氮量。

2  结果与分析

2.1  不同氮素水平对旱直播粳稻产量及构成因素的影响

由表1可知，施氮水平对旱直播粳稻产量有显著影响，T0处理的产量显著低于其他处理，T3处理下产量和结实率高于其他处理，分别达到8 660.63 kg/hm2和95.51%。T3处理与T1、T2处理相比，单位面积穗数增加了25.33%和17.03%。T3处理穗粒数比T1处理提高51.14%，但与T2处理相比下降了12.89%。T4处理的穗数相比T3处理增加了19.9%，但穗粒数下降了17.9%，产量下降了3.25%，但两个处理千粒重并无显著差异。说明适当的氮肥可以增加穗数、穗粒数和结实率，过量施氮会导致穗粒数减少。

以各处理纯氮施用量为自变量，水稻产量为因变量，对二者进行二次曲线模拟（图1），水稻产量和氮量存在显著相关性，模拟曲线为y=-0.1145x2+54.482x+2243.1，R2=0.9408。从曲线可以看出，水稻产量在一定施氮量范围内随氮肥施用量的增加而增加，当氮肥施用量达到一定程度时，产量随着施氮量的增加而降低。可以用该模型估算水稻的最佳施氮量，即当纯氮施用量为218.19 kg/hm2时，水稻产量达到最大值，为10 414.83 kg/hm2。

2.2  不同氮素水平下旱直播粳稻各器官干物质的动态积累过程

不同氮素水平对旱直播粳稻不同时期以及不同器官的干物质积累量有一定影响。各处理间显著性结果如表2所示：齐穗期到成熟期，T3处理穗的干物质增长量较T2处理增加了2.09%。T2、T3和T4处理的茎叶两个部位在分蘖末期至成熟期的干物质积累量处于上升趋势，在T2、T3和T4处理下齐穗期时茎>穗>叶，成熟期穗>茎>叶，说明随着生育进程的推进干物质的积累逐渐从茎叶向穗部转移。灌浆期至成熟期T3和T4处理下穗部干物质量显著增加，提高施氮量有助于干物质的积累和转运。

2.3  不同氮素水平对旱直播粳稻氮素积累与转运的影响

2.3.1  不同氮素水平对旱直播粳稻氮素积累的影响  由图2可知，生育后期营养器官大部分氮素转移至籽粒中，因此籽粒中氮素积累量最高，高于各营养器官。灌浆期除T0外，各处理间氮素积累量均表现为穗>叶>茎；成熟期氮素积累量均表现为穗>茎>叶。

2.3.2  不同氮素水平对旱直播粳稻营养器官氮素转运的影响   由表3可以看出，从齐穗期至成熟期，T3处理下茎部氮素转运量随N水平增加而增加，T3处理与T2处理相比增加了82.44%，T4处理略高于T3但差异不显著，T4处理较T3处理氮素转运率与氮素转运贡献率分别下降4.93、5.03个百分点。T3处理下叶部齐穗期至成熟期氮素转运量比T2处理增加27.42%，T3和T2处理氮素转运率与氮素转运贡献率无显著差异。相反在T4处理下穗部氮素增加量显著高于其他处理；T4处理和T3处理氮素转运贡献率两者并无显著差异。

2.3.3  不同氮素水平对旱直播粳稻氮素利用率的影响  如表4所示，氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥生理效率均随施氮量升高而下降，氮肥偏生产力和氮肥生理效率在各氮素水平间差异显著。与T2相比，T3和T4 的氮肥偏生产力分别降低了27.22%和40.42%。氮素吸收利用率在T4水平下达到最大值，和T1相比，T2～T4 的氮素吸收利用率分别平均上升了16.66 、15.53 和27.97个百分点。与T1相比，T2～T4 处理的氮肥农学效率分别平均下降了2.91、11.51和15.6个百分点。氮肥生理效率T1～T4处理间差异显著，和T2相比，T3和T4处理的氮肥生理效率分别平均降低了24.02和45.67个百分点。

2.3.4  水稻各器官氮素积累量与产量的关系  从表5中可以看出，除了分蘖期茎和叶的氮积累量与旱直播粳稻产量呈显著正相关，主要生育期茎、叶和穗氮积累量与产量均呈极显著正相关。旱直播粳稻产量与播种-分蘖-齐穗期的茎叶氮积累速率呈显著正相关。旱直播粳稻产量与齐穗-成熟期的茎的氮转运量呈显著正相关，与齐穗-成熟期的叶的氮转运量呈极显著正相关。旱直播粳稻产量与齐穗-成熟期茎的氮转运率无显著关系，与叶的氮转运率呈极显著负相关。

3  讨论

3.1  不同氮素水平对旱直播粳稻干物质和氮素积累的影响

水稻抽穗前干物质和氮素主要分别积累在茎鞘和叶片，而成熟期积累的干物质和氮主要分配在穗部。本研究水稻分蘖期干物质在茎部和叶部随着氮肥升高差异显著，齐穗期至成熟期阶段则主要转移集中至穗部；随生育进程推进，氮素从营养器官向生殖器官转运，分蘖期主要集中在叶片，齐穗期集中于茎鞘，齐穗期至成熟期主要集中在穗部，这与霍中洋等[23]的结果基本一致。同时，江立庚等[24]指出水稻抽穗前积累的氮主要分配在叶片，本研究结果表明在齐穗期前水稻氮素主要集中于叶片，这与前者的研究一致。本研究取样时期在齐穗期，处于养分从“源”向“库”转运的关键时期，因此齐穗期茎部干物质、氮素积累量显著大于叶部。同时本研究发现随着施氮量的增加旱直播水稻的干物质积累量和氮素积累量呈上升趋势，而产量呈现先升后降的趋势，最大产量为T3处理，因此可以得出单位面积水稻干物质积累量、氮素积累量和产量之间成抛物线关系，这与Haefele[25]的研究一致

3.2  不同氮素水平对旱直播粳稻氮素转运的影响

氮素积累吸收是一个复杂生理的体现，在较高的氮肥水平下未被植物吸收利用的氮肥发生挥发、反硝化作用、侵蚀和淋溶的损失，容易发生氮损失[26]。本研究发现随着氮素水平的提高旱直播粳稻的产量是先升高在降低，说明适量的增氮有利于旱直播粳稻的产量提升，但是过量的氮肥就会发生氮肥损失，氮素利用率下降的情况。在不影响产量的前提下，适当降低氮肥施用量可以显著提高水稻的收获指数、子粒氮利用效率以及氮肥偏生产力[27]。本研究中氮肥偏生產力、氮肥农学效率和氮肥生理效率均随施氮量升高而下降。这与前者的研究一致。前者表明施氮量与氮素累积量呈正相关，与氮肥利用率呈负相关[28]。综合来看适当的增加氮肥可以提高旱直播粳稻的氮素积累量与产量，同时氮素利用率总体随着氮肥上升而上升。调节氮素利用与产量的矛盾就是选取适当的氮肥施用才能做到高产稳产。本研究中随着氮肥的水平提高旱直播粳稻氮素转运量上升，氮素积累也同样上升，产量随着氮肥的升高出现先上升后下降的过程，因此过高的氮肥同样也要考虑到氮肥的损失和植物源库的吸收利用的阈值。本研究中旱直播粳稻的氮素积累量在前期主要集中在叶部和茎部，随着生育进程的推进，分蘖期氮素积累主要集中于叶片，到成熟期时氮素积累量主要集中在穗部，这与前人的研究结果一致。霍中洋等[29]认为水稻氮素积累集中穗部与产量呈正相关。江立庚等[30]所提出的水稻抽穗前氮素主要积累于叶片，齐穗期主要集中于茎部，成熟期集中于穗部，齐穗期作为水稻生长的关键时期，此时营养生长与生殖生长并存，源库之间的转换开始，茎秆的氮素积累高于叶部。同时本研究中也发现产量与旱作稻齐穗期氮素积累量呈显著相关，这与凌启鸿[31]的研究一致，说明在此阶段提高氮素积累量的积累有助于产量的提高。

3.3  不同氮素水平对旱直播粳稻产量和氮素利用率的影响

本研究中也发现了齐穗后氮素积累量和氮素转运量均与产量呈显著正相关，这与张耀鸿等[32]的研究一致。生长后期各个处理中的营养器官对生殖器官的氮素贡献率高达78.38%～86.68%，并且随着氮肥水平的提高氮素利用率显著提高，齐穗期到成熟期期间茎部和叶部的氮素转运量均与产量成显著相关，叶部T3处理的氮素转运量和氮素转运率与T4处理相比均显著增加，茎部T3处理氮素转运量与T4处理无显著差异，茎部T3处理氮素转运率显著高于T4处理，T3处理下茎叶氮素转运贡献率显著高于T4处理并且产量达到最大，说明高氮条件下茎叶氮素容易残留。刘红江等[33]研究表明，直播稻特别是旱直播稻有效穗数增多的同时，穗粒数、结实率和千粒重均有所下降，最终导致产量的降低与本研究结果略有不同，本研究结果表明，通过施氮量的提高，提高了氮素利用效率前期氮素积累集中于叶片后期转移至穗部，从而做到穗数、穗粒数、结实率增多，从而试验高产稳产。这与前者的研究一致，池忠志等表示，旱直播稻的有效穗数高于移栽稻，依靠增加的有效穗数，旱直播稻的产量甚至超过了移栽稻[34]。

4  结论

研究表明施氮量为210 kg/hm2时，在该氮肥处理下旱直播湿润管理，粳稻的氮素积累转运与干物质积累的综合效果最佳，产量达到最大（8 660.63 kg/hm2）。通过模拟方程可以得出理论最大产量为10 414.83 kg/hm2，获得理论最大产量施氮量为218.19 kg/hm2。

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基金项目：吉林省科技发展计划项目（20210509013RQ，20210101045JC，20200403016SF） ，吉林农业大学省级大创项目（不同旱作水稻品种苗期抗逆指标的差异、硅氮互作下对旱作水稻生长及产量的影响）的资助。

收稿日期：2023-07-17

作者简介：韦志恒（1998—），男，在读研究生，主要从事水稻生理栽培研究。

*通讯作者：武志海（1975—），男，主要从事作物生理栽培研究。