不同氮素水平對旱直播粳稻產量和氮素利用率的影響

韋志恒 李韞哲 姜浩 宋澤 吳美康 于恒 韓馳 魏曉雙 田平 楊美英 王冠 武志海

摘? 要：采用大田小區試驗，分析不同施氮水平旱直播濕潤管理下粳稻不同生育時期干物質和氮素積累、轉運的差異。結果表明，增施氮肥顯著提高莖、葉、穗中干物質和氮積累水平以及旱直播濕潤管理下粳稻的產量，T3處理產量最高，為8 660.63 kg/hm2。不同施氮水平下氮素的積累及物質轉運對籽粒的貢獻率隨施氮量增加呈上升的趨勢，隨著氮素水平的提高氮素吸收利用效率呈上升趨勢。相關性分析表明，齊穗期和成熟期莖、葉、穗氮積累量與旱直播粳稻產量均呈極顯著正相關。旱直播粳稻產量與播種-分蘗-齊穗期的莖葉氮積累速率呈顯著正相關。旱直播粳稻產量與齊穗-成熟期莖的氮轉運量呈顯著正相關，與齊穗-成熟期的葉的氮轉運量呈極顯著正相關?？傮w上，T3處理能夠提高旱直播濕潤管理下的結實率，增加穗數、穗粒數，有利于促進營養器官氮素積累并向籽粒轉運，提高氮肥利用效率并提升產量，是適宜吉林省中部地區旱直播濕潤管理粳稻的施氮水平。

關鍵詞：水稻；旱直播粳稻；氮肥利用率；產量

中圖分類號：S511.062? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A文章編號：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糧食來源，目前是30億人的主食，傳統水稻種植過程中需水量大。全球范圍內70%～80%的淡水用于農業，水稻占其中85%[1]。但據預測，到2025年僅亞洲就有大約3900萬公頃灌溉水稻面臨經濟或物理水資源短缺[2]。因此，從傳統的移植式水稻轉向其他不影響產量但能提高水分利用率的種植方式有著廣闊的前景[3]。旱直播稻不需經過育苗和移栽過程，除了減少勞動力需求外，也要減少大量用水，同時也實現了輕簡栽培的稻作方式[4]。目前我國對水稻旱直播栽培模式已經開展了廣泛研究并取得了較好的效果[5，6]。研究表明，旱直播水稻秧苗的素質高于移栽稻[7]，在旱直播方式下水稻秧苗抗逆性強，分蘗發生早且快，莖蘗成穗率高。旱直播稻群體較協調，光合能力強，干物質累積速率快。也有研究表明旱直播水田土壤通氣效果好，根系活力較強[8]。但旱直播與傳統的移栽相比，由于缺少苗床的培育時期導致太陽總輻射量減少，對水稻產量有一定的負面影響[9]。同時宋玉秋等研究認為旱直播稻的單位面積穗數、每穗粒數、結實率、千粒質量以及產量均顯著低于移栽稻; 但通過采用可降解種膜則能顯著提高產量[10]。

一直以來增施氮肥是提高作物單產的主要途徑[11]。但持續的施加氮肥導致氮肥利用率僅為30%左右[12]，大量的氮素積累形成了氮素的奢侈吸收[13]。有研究表明，過量施氮會造成植株過度生長，葉片早衰，光合能力下降，營養器官的干物質積累量在生育后期較高，莖稈對氮素過度吸收，不利于氮素從莖、葉、根轉移到谷物中，導致產量下降[14，15]。孫琪等研究表明抽穗后葉片氮素積累量與轉運量的提高可以增加穗部氮素積累量，對產量的形成有重要影響[16]。因此增加氮素向籽粒的轉運[17]，形成高效的氮肥施用模式是當前稻作生產的主要研究方向之一。

旱直播粳稻在氮肥運籌的相關研究在我國已有一定進展[18，19]。賈維強[20]研究表明，不同氮肥運籌下，機械穴直播早稻增施分蘗肥對增加干物質積累量有促進作用。傳統水稻前期投入大量氮肥，試圖一次施足水稻整個生育期所需的氮肥，因此探索旱直播粳稻氮肥管理，優化氮管理的關鍵是確保作物在生長過程中的同季氮供應與氮需求的同步[21]。因此本研究探討不同氮素水平對旱直播粳稻氮養分吸收轉運及利用的影響，為吉林省直播水稻適宜氮量的選擇提供理論依據。

1? 材料與方法

1.1? 試驗地點概況

試驗于2020年在吉林省長春市吉林農業大學國家農作物品種審定特性鑒定站（東經125°39E，北緯44°46N）進行。該地區無霜期135～140 d，前茬水稻，0～20 cm土壤基礎養分為：有機質含量18.7 g/kg，堿解氮含量119.02 mg/kg，速效鉀含量231.33 mg/kg，速效磷含量43.7 mg/kg，pH值6.7。于2020年5月2日采用人工條播，9月28日收獲。

1.2? 試驗設計

供試材料選用“綏粳18”（黑審稻2014021），行距30 cm，條播，播種量為180 kg/hm2。采用旱直播水管模式。設置5種氮肥水平，以不施氮肥為對照，分別為0 kg/hm2、70 kg/hm2、140 kg/hm2、210 kg/hm2、280 kg/hm2，每個處理設置4次重復，每個小區面積為30 m2，采用隨機區組排列。氮肥使用尿素（含N46%），以基肥：分蘗肥：穗肥=6：3：1施入；磷肥（過磷酸鈣，含P2O512%）和鉀肥（硫酸鉀，含K2SO450%）均以75 kg/hm2作基肥施入。采用旱直播濕潤管理模式，在旱地直接播種，播種后采用滴灌方式或利用自然降水保持土壤濕潤， 整個小區灌水均勻，整個生育期田面無水層，其他農藝管理措施同大田管理。

1.3? 測定指標及方法

1.3.1? 植株氮含量測定? 于分蘗期、拔節孕穗期、齊穗期、灌漿期和成熟期樣品采集處理后，采用凱氏定氮法測定水稻莖、葉、籽粒氮含量。

1.3.2? 干物質含量測定? 于分蘗期、拔節孕穗期、齊穗期、灌漿期和成熟期，每個處理分別取6株水稻植株，除去根部，按莖、葉、穗分開，于105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在80 ℃下烘干至恒重，冷卻至室溫后稱取干重。

1.3.3? 產量及產量構成的測定? 成熟期隨機取15株測定穗粒數、實粒數、千粒重和計算結實率。每小區隨機選取3 m2測有效穗數和產量。收獲時每小區單打單收，曬干后測定稻谷質量和含水量，按標準含水量13.5%折算得出水稻產量。

1.4? 數據計算和統計分析

各器官氮素積累量（kg/hm2）=干物質含氮量×干物質量[22]

營養器官氮素轉運量（kg/hm2）=齊穗期營養器官氮素積累量-成熟期營養器官氮素積累量

營養器官氮素轉運率（%）=營養器官氮素轉運量/齊穗期營養器官氮素積累量×100

營養器官轉運氮素對籽粒氮素的貢獻率（%）=營養器官氮素轉運量/成熟期籽粒氮素積累量×100

氮肥農學效率（NAE）=（施氮區產量-不施氮區產量）/施氮量

氮肥偏生產力（PEP）=籽粒產量/施氮量

氮肥生理效率（NPE）=（施氮區產量-不施氮區產量）/（施氮區地上部氮積累量-不施氮區地上部氮積累量）

氮素吸收利用率（NRE）=（施氮區植株氮素積累量-無氮區植株氮素積累量）/施氮量×100

氮積累速率（kg/hm2）=某生育階段單位面積單位時間某器官的氮積累量

所有數據采用Excel2019軟件進行處理繪制表格，用SPSS24.0進行方差分析并建立線性加平臺模型計算最佳施氮量。

2? 結果與分析

2.1? 不同氮素水平對旱直播粳稻產量及構成因素的影響

由表1可知，施氮水平對旱直播粳稻產量有顯著影響，T0處理的產量顯著低于其他處理，T3處理下產量和結實率高于其他處理，分別達到8 660.63 kg/hm2和95.51%。T3處理與T1、T2處理相比，單位面積穗數增加了25.33%和17.03%。T3處理穗粒數比T1處理提高51.14%，但與T2處理相比下降了12.89%。T4處理的穗數相比T3處理增加了19.9%，但穗粒數下降了17.9%，產量下降了3.25%，但兩個處理千粒重并無顯著差異。說明適當的氮肥可以增加穗數、穗粒數和結實率，過量施氮會導致穗粒數減少。

以各處理純氮施用量為自變量，水稻產量為因變量，對二者進行二次曲線模擬（圖1），水稻產量和氮量存在顯著相關性，模擬曲線為y=-0.1145x2+54.482x+2243.1，R2=0.9408。從曲線可以看出，水稻產量在一定施氮量范圍內隨氮肥施用量的增加而增加，當氮肥施用量達到一定程度時，產量隨著施氮量的增加而降低?？梢杂迷撃Ｐ凸浪闼镜淖罴咽┑?，即當純氮施用量為218.19 kg/hm2時，水稻產量達到最大值，為10 414.83 kg/hm2。

2.2? 不同氮素水平下旱直播粳稻各器官干物質的動態積累過程

不同氮素水平對旱直播粳稻不同時期以及不同器官的干物質積累量有一定影響。各處理間顯著性結果如表2所示：齊穗期到成熟期，T3處理穗的干物質增長量較T2處理增加了2.09%。T2、T3和T4處理的莖葉兩個部位在分蘗末期至成熟期的干物質積累量處于上升趨勢，在T2、T3和T4處理下齊穗期時莖>穗>葉，成熟期穗>莖>葉，說明隨著生育進程的推進干物質的積累逐漸從莖葉向穗部轉移。灌漿期至成熟期T3和T4處理下穗部干物質量顯著增加，提高施氮量有助于干物質的積累和轉運。

2.3? 不同氮素水平對旱直播粳稻氮素積累與轉運的影響

2.3.1? 不同氮素水平對旱直播粳稻氮素積累的影響? 由圖2可知，生育后期營養器官大部分氮素轉移至籽粒中，因此籽粒中氮素積累量最高，高于各營養器官。灌漿期除T0外，各處理間氮素積累量均表現為穗>葉>莖；成熟期氮素積累量均表現為穗>莖>葉。

2.3.2? 不同氮素水平對旱直播粳稻營養器官氮素轉運的影響? ?由表3可以看出，從齊穗期至成熟期，T3處理下莖部氮素轉運量隨N水平增加而增加，T3處理與T2處理相比增加了82.44%，T4處理略高于T3但差異不顯著，T4處理較T3處理氮素轉運率與氮素轉運貢獻率分別下降4.93、5.03個百分點。T3處理下葉部齊穗期至成熟期氮素轉運量比T2處理增加27.42%，T3和T2處理氮素轉運率與氮素轉運貢獻率無顯著差異。相反在T4處理下穗部氮素增加量顯著高于其他處理；T4處理和T3處理氮素轉運貢獻率兩者并無顯著差異。

2.3.3? 不同氮素水平對旱直播粳稻氮素利用率的影響? 如表4所示，氮肥偏生產力、氮肥農學效率和氮肥生理效率均隨施氮量升高而下降，氮肥偏生產力和氮肥生理效率在各氮素水平間差異顯著。與T2相比，T3和T4 的氮肥偏生產力分別降低了27.22%和40.42%。氮素吸收利用率在T4水平下達到最大值，和T1相比，T2～T4 的氮素吸收利用率分別平均上升了16.66 、15.53 和27.97個百分點。與T1相比，T2～T4 處理的氮肥農學效率分別平均下降了2.91、11.51和15.6個百分點。氮肥生理效率T1～T4處理間差異顯著，和T2相比，T3和T4處理的氮肥生理效率分別平均降低了24.02和45.67個百分點。

2.3.4? 水稻各器官氮素積累量與產量的關系? 從表5中可以看出，除了分蘗期莖和葉的氮積累量與旱直播粳稻產量呈顯著正相關，主要生育期莖、葉和穗氮積累量與產量均呈極顯著正相關。旱直播粳稻產量與播種-分蘗-齊穗期的莖葉氮積累速率呈顯著正相關。旱直播粳稻產量與齊穗-成熟期的莖的氮轉運量呈顯著正相關，與齊穗-成熟期的葉的氮轉運量呈極顯著正相關。旱直播粳稻產量與齊穗-成熟期莖的氮轉運率無顯著關系，與葉的氮轉運率呈極顯著負相關。

3? 討論

3.1? 不同氮素水平對旱直播粳稻干物質和氮素積累的影響

水稻抽穗前干物質和氮素主要分別積累在莖鞘和葉片，而成熟期積累的干物質和氮主要分配在穗部。本研究水稻分蘗期干物質在莖部和葉部隨著氮肥升高差異顯著，齊穗期至成熟期階段則主要轉移集中至穗部；隨生育進程推進，氮素從營養器官向生殖器官轉運，分蘗期主要集中在葉片，齊穗期集中于莖鞘，齊穗期至成熟期主要集中在穗部，這與霍中洋等[23]的結果基本一致。同時，江立庚等[24]指出水稻抽穗前積累的氮主要分配在葉片，本研究結果表明在齊穗期前水稻氮素主要集中于葉片，這與前者的研究一致。本研究取樣時期在齊穗期，處于養分從“源”向“庫”轉運的關鍵時期，因此齊穗期莖部干物質、氮素積累量顯著大于葉部。同時本研究發現隨著施氮量的增加旱直播水稻的干物質積累量和氮素積累量呈上升趨勢，而產量呈現先升后降的趨勢，最大產量為T3處理，因此可以得出單位面積水稻干物質積累量、氮素積累量和產量之間成拋物線關系，這與Haefele[25]的研究一致

3.2? 不同氮素水平對旱直播粳稻氮素轉運的影響

氮素積累吸收是一個復雜生理的體現，在較高的氮肥水平下未被植物吸收利用的氮肥發生揮發、反硝化作用、侵蝕和淋溶的損失，容易發生氮損失[26]。本研究發現隨著氮素水平的提高旱直播粳稻的產量是先升高在降低，說明適量的增氮有利于旱直播粳稻的產量提升，但是過量的氮肥就會發生氮肥損失，氮素利用率下降的情況。在不影響產量的前提下，適當降低氮肥施用量可以顯著提高水稻的收獲指數、子粒氮利用效率以及氮肥偏生產力[27]。本研究中氮肥偏生產力、氮肥農學效率和氮肥生理效率均隨施氮量升高而下降。這與前者的研究一致。前者表明施氮量與氮素累積量呈正相關，與氮肥利用率呈負相關[28]。綜合來看適當的增加氮肥可以提高旱直播粳稻的氮素積累量與產量，同時氮素利用率總體隨著氮肥上升而上升。調節氮素利用與產量的矛盾就是選取適當的氮肥施用才能做到高產穩產。本研究中隨著氮肥的水平提高旱直播粳稻氮素轉運量上升，氮素積累也同樣上升，產量隨著氮肥的升高出現先上升后下降的過程，因此過高的氮肥同樣也要考慮到氮肥的損失和植物源庫的吸收利用的閾值。本研究中旱直播粳稻的氮素積累量在前期主要集中在葉部和莖部，隨著生育進程的推進，分蘗期氮素積累主要集中于葉片，到成熟期時氮素積累量主要集中在穗部，這與前人的研究結果一致?；糁醒蟮萚29]認為水稻氮素積累集中穗部與產量呈正相關。江立庚等[30]所提出的水稻抽穗前氮素主要積累于葉片，齊穗期主要集中于莖部，成熟期集中于穗部，齊穗期作為水稻生長的關鍵時期，此時營養生長與生殖生長并存，源庫之間的轉換開始，莖稈的氮素積累高于葉部。同時本研究中也發現產量與旱作稻齊穗期氮素積累量呈顯著相關，這與凌啟鴻[31]的研究一致，說明在此階段提高氮素積累量的積累有助于產量的提高。

3.3? 不同氮素水平對旱直播粳稻產量和氮素利用率的影響

本研究中也發現了齊穗后氮素積累量和氮素轉運量均與產量呈顯著正相關，這與張耀鴻等[32]的研究一致。生長后期各個處理中的營養器官對生殖器官的氮素貢獻率高達78.38%～86.68%，并且隨著氮肥水平的提高氮素利用率顯著提高，齊穗期到成熟期期間莖部和葉部的氮素轉運量均與產量成顯著相關，葉部T3處理的氮素轉運量和氮素轉運率與T4處理相比均顯著增加，莖部T3處理氮素轉運量與T4處理無顯著差異，莖部T3處理氮素轉運率顯著高于T4處理，T3處理下莖葉氮素轉運貢獻率顯著高于T4處理并且產量達到最大，說明高氮條件下莖葉氮素容易殘留。劉紅江等[33]研究表明，直播稻特別是旱直播稻有效穗數增多的同時，穗粒數、結實率和千粒重均有所下降，最終導致產量的降低與本研究結果略有不同，本研究結果表明，通過施氮量的提高，提高了氮素利用效率前期氮素積累集中于葉片后期轉移至穗部，從而做到穗數、穗粒數、結實率增多，從而試驗高產穩產。這與前者的研究一致，池忠志等表示，旱直播稻的有效穗數高于移栽稻，依靠增加的有效穗數，旱直播稻的產量甚至超過了移栽稻[34]。

4? 結論

研究表明施氮量為210 kg/hm2時，在該氮肥處理下旱直播濕潤管理，粳稻的氮素積累轉運與干物質積累的綜合效果最佳，產量達到最大（8 660.63 kg/hm2）。通過模擬方程可以得出理論最大產量為10 414.83 kg/hm2，獲得理論最大產量施氮量為218.19 kg/hm2。

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基金項目：吉林省科技發展計劃項目（20210509013RQ，20210101045JC，20200403016SF） ，吉林農業大學省級大創項目（不同旱作水稻品種苗期抗逆指標的差異、硅氮互作下對旱作水稻生長及產量的影響）的資助。

收稿日期：2023-07-17

作者簡介：韋志恒（1998—），男，在讀研究生，主要從事水稻生理栽培研究。

*通訊作者：武志海（1975—），男，主要從事作物生理栽培研究。