朱從樺 李旭毅 陳惠哲 武 輝 歐陽裕元 余俊奇 黃豹明 羅 粞

(1四川省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所，四川 成都 610066；2中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，浙江 杭州 311400；3宜賓學院，四川 宜賓 644000)

水稻機械直播是一項輕簡化、標準化水平較高的種植技術，能夠提高生產(chǎn)效率，減輕農(nóng)民負擔，節(jié)約勞動力，實現(xiàn)增產(chǎn)增收[1-2]。水稻直播和育苗移栽在氮肥管理方面存在較大差異[3]，合理的氮肥運籌能促進直播水稻根系生長[4]，提高群體光合生產(chǎn)力[5]，增加氮肥利用率和稻谷產(chǎn)量[6-8]。目前，為實現(xiàn)直播水稻高效、節(jié)肥、綠色的生產(chǎn)目標，仍需優(yōu)化施肥方式。已有研究表明肥料深施是一種節(jié)本增效的施肥方式，相比撒施可有效減少肥料揮發(fā)、淋失和滲漏，提高水稻肥料吸收利用率[9-11]。水稻機械直播同步側深施肥技術在播種的同時通過側深施肥機將顆粒肥料精準施于種子一側土壤中，既能提高機械直播種植的效率[2]，又能提高稻谷的產(chǎn)量和氮肥利用率[12-14]。Pan 等[14]研究認為普通復合肥機械側深施能夠提高直播水稻齊穗期至成熟期葉面積指數(shù)，增強齊穗期劍葉光合速率，增加齊穗期至成熟期干物質積累量，提高直播水稻的有效穗數(shù)和穗粒數(shù)并獲得高產(chǎn)。舒時富等[15]研究發(fā)現(xiàn)緩釋肥機械深施能夠提高齊穗期、齊穗期后15 d、成熟期劍葉中超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性。以緩釋、多肽復合肥為肥源，步側位深施較人工撒施顯著提高了穴播水稻根區(qū)0～5 和5～10 cm 土層中堿解氮、有效磷和速效鉀含量，且0 ～5 cm 土層中堿解氮有效磷和速效鉀的增加量大于5 ～10 cm 土層[16]。機械側深施緩釋氮肥可以減少氮肥淋失，降低稻田氮素揮發(fā)損失，提高根區(qū)土壤供氮能力，更有利于水稻根系吸收氮素，提高產(chǎn)量和氮肥利用率，并已在機插秧上取得了較好的效果[17-19]，而機械側深施緩釋尿素能否較好地適用于機械直播水稻生產(chǎn)尚不清楚。為此，本研究以常規(guī)秈稻黃華占為試驗材料，研究不同類型氮肥和機械側深施肥方式對川西平原稻麥輪作區(qū)直播水稻產(chǎn)量形成和氮素利用的影響，以期為該區(qū)水稻機械直播節(jié)肥增效技術提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗于2018年5-9月，在四川省德陽市綿竹市孝德鎮(zhèn)金星村(104°14′E，31°15′N)進行。該區(qū)域為四川盆地中亞熱帶濕潤氣候區(qū)，月平均氣溫、最高溫度、最低溫度、總降水量、相對濕度和日照時數(shù)詳見表1。

表1 水稻生長季平均氣溫、最高溫度、最低溫度、蒸發(fā)量、降水量、相對濕度和日照時數(shù)Table1 Mean monthly air temperature，maximum temperature，minimum temperature，vaporization，precipitation，relative humidity and sunshine hours in rice growth seasons

試驗田為沙壤土，排灌方便，前茬為小麥，試驗前0 ～25 cm 耕層土壤基本性質:pH 值5.82，有機質20.63 g·kg-1、速效氮55.21 mg·kg-1、速效磷11.82 mg·kg-1、速效鉀75.29 mg·kg-1、全氮1.65 g·kg-1、全磷0.93 g·kg-1、全鉀17.99 g·kg-1。

供試材料選用常規(guī)秈稻黃華占，株型適宜，葉片長、直。氮肥類型為尿素(N 含量≥46.1%，四川美豐化工股份有限公司生產(chǎn))和緩釋尿素(N 含量≥3.0%，金正大生態(tài)工程集團股份有限公司生產(chǎn)，25℃釋放期平均為80 d)。

1.2 試驗設計

試驗采用單因素隨機區(qū)組驗設計，設置5 個處理:不施氮肥(N0)；尿素按照基肥∶分蘗肥＝7∶3，分2 次撒施(TF)；尿素全作基肥，播種前撒施(UB)；尿素全作基肥，播種時采用機械側深施(UM)；尿素和緩釋尿素(分別占總氮的68%和32%)混勻后全作基肥，播種時采用機械側深施(SRUM)。

5月4日采用水稻“種肥藥”一體化水稻精量直播機(上海世達爾現(xiàn)代農(nóng)機有限公司)播種，播種行距20 cm，穴距16 cm，每穴播種4 ～5 粒，施肥溝距離水稻種子為5.5±0.5 cm，施肥深度5.0±0.5 cm，詳見圖1。播種時采用丙草胺＋吡嘧磺隆進行封閉除草，水稻植株三葉一心時采用五氟磺草胺＋氰氟草酯進行莖葉除草，每穴定2 苗。純氮用量為180 kg·hm-2，按照試驗設計施用；P2O5用量為93.6 kg·hm-2，K2O 用量為93.6 kg·hm-2，磷肥和鉀肥全作基肥。小區(qū)面積為60 m2，設置3 次重復，小區(qū)間作田埂(寬40 cm，高35 cm)并覆黑色塑料膜，其余田間管理同當?shù)貦C械直播大面積生產(chǎn)田塊。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質重 在穗分化期、齊穗期和成熟期，每小區(qū)挖取6 穴代表性稻株，按照葉、莖(含葉鞘)和穗(齊穗期和成熟期)分別裝袋，于鼓風干燥箱(DHG-9 920A，上海一恒科學儀器有限公司)105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，稱重后得到植株各部位干物質重，重復3 次。

1.3.2 植株氮含量 利用1.3.1 的烘干樣，磨粉過80 目篩，稱取0.2 g 粉樣，先用濃H2SO4-H2O2消解2 h(溫度420℃)，再用凱氏定氮法測定全氮含量[20]。

1.3.3 收獲與計產(chǎn) 收獲前，按照平均穗數(shù)取30 穴代表性植株，調查結實率、每穗粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量構成因素；各小區(qū)選取15 m2人工脫粒，曬干后換算成標準含水量(13.5%)計產(chǎn)，重復3 次。

1.3.4 參數(shù)計算 相關指標計算參考文獻[5-6]:

莖葉干物質輸出量(t·hm-2)＝齊穗期莖葉干物質重-成熟期莖葉干重

圖1 “種肥藥”一體化水稻精量直播機(A)、田間播種圖(B)和側深施肥技術示意圖(C)Fig.1 Rice precision hill-drop drilling synchronized with side deep fertilization and closed weeding machinery(A)，seed location in field after direct-seeding(B)，and schematic diagram of side deep fertilization technology(C)

莖葉干物質轉運率＝莖葉干物質輸出量/齊穗期莖葉物質干重×100%

莖葉氮素表觀轉移量＝齊穗期莖葉氮素積累量-成熟期莖葉氮素積累量

莖葉氮素表觀轉移率＝莖葉氮素表觀轉移量/齊穗期莖葉氮素積累量×100%

莖葉轉移的氮對籽粒氮的貢獻率＝莖葉氮素表觀轉移量/成熟期籽粒中氮素積累量×100%

莖鞘(葉片)氮素表觀轉移量＝齊穗期莖鞘(葉片)氮素積累量-成熟期莖鞘(葉片)氮素積累量

莖鞘(葉片)氮素表觀轉移率＝莖鞘(葉片)氮素轉移量/齊穗期莖鞘(葉片)氮素積累量×100%

氮素干物質生產(chǎn)效率＝成熟期地上部干物質積累量/成熟期地上部氮素積累量

氮素稻谷生產(chǎn)效率＝籽粒產(chǎn)量/成熟期地上部氮素積累量

氮肥吸收利用率＝(成熟期施氮區(qū)地上部氮素積累量-成熟期不施氮區(qū)地上部氮素積累量)/施氮量×100%

氮肥農(nóng)學利用率＝(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用DPS 7.05 軟件進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用最小顯著差法LSD 檢驗平均數(shù)(P＜0.05)，用Origin Pro 2017 軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構成

由表2可知，施肥方式顯著影響直播水稻有效穗數(shù)。與UB 相比，UM 產(chǎn)量提高8.00%，差異不顯著，SRUM 產(chǎn)量顯著提高12.95%。與TF 相比，UM 產(chǎn)量提高1.91%，SRUM 產(chǎn)量提高6.59%，差異均未達到顯著水平。比較產(chǎn)量構成因素發(fā)現(xiàn)，各施氮處理間結實率、千粒重均無顯著差異；UM、SRUM 有效穗數(shù)則顯著高于其他處理?？梢姡瑱C械側深施氮處理水稻產(chǎn)量的增加主要依賴于有效穗數(shù)的提高。

表2 機械側深施氮對直播水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構成的影響Table2 Effects of mechanized side deep placement of nitrogen fertilizer on yield and the yield components of direct seeding rice

2.2 氮素利用率

由表3可知，施肥方式對直播水稻氮素利用的影響存在顯著差異。與N0 相比，TF、UB、UM、SRUM 的氮素干物質生產(chǎn)效率、氮素稻谷生產(chǎn)效率分別下降16.64%～23.08%、15.84% ～27.03%。與UB 相比，UM、SRUM 可以顯著提高直播水稻氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學利用率。與TF 相比，UM、SRUM 的氮肥吸收利用率分別提高11.35%、46.94%，氮肥農(nóng)學利用率提高7.22%、25.88%?？梢?，SRUM 是提高直播稻氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學利用率的最佳施肥方式。

表3 機械側深施氮對直播水稻氮素利用的影響Table3 Effects of mechanized side deep placement of nitrogen fertilizer on nitrogen utilization efficiency of direct-seeded rice

2.3 干物質積累、轉運和收獲指數(shù)

由表4可知，施肥方式能夠顯著影響直播水稻齊穗期和成熟期干物質積累、莖葉干物質轉運量。與N0相比，各施氮處理水稻孕穗期、齊穗期和成熟期的干物質積累量均顯著增加。各施氮處理直播水稻干物質積累量在孕穗期、齊穗期和成熟期均表現(xiàn)為SRUM>UM>TF>UB。與TF、UB 相比，UM、SRUM 齊穗后干物質積累所占比例未顯著降低，莖葉干物質轉運量顯著提高。TF、UB、UM、SRUM 齊穗后干物質積累量和收獲指數(shù)無顯著差異。SRUM 莖葉干物質轉運量顯著高于UB，增幅達28.97%。

2.4 氮素積累和分配

由圖2可知，施氮方式對直播水稻氮素吸收總量的影響存在明顯差異，且側深施氮能提高直播水稻氮素積累量。在齊穗期、成熟期，各施肥處理間直播水稻氮素吸收總量均表現(xiàn)為SRUM>UM>TF>UB>N0，且處理間差異顯著。在成熟期，穗部氮素分配比例為64.03%～71.58%，且各處理表現(xiàn)為N0>UB>TF>UM>SRUM。相比其他施氮處理，SRUM 成熟期莖葉鞘中氮素吸收總量最高，這意味著該處理收獲后稻草還田腐解后能夠為下季作物提供更多的氮源。

2.5 莖葉氮素轉移量、氮素轉移率及貢獻率

由表5可知，施氮方式對直播水稻莖葉氮素表觀轉移量、莖葉氮素表觀轉移率和莖葉轉移的氮對籽粒氮的貢獻率有顯著影響。與TF、UB 相比，UM、SRUM可顯著提高直播水稻莖鞘氮素轉移量。各施肥處理間莖鞘氮素轉移率和葉片氮素轉移量無顯著差異。SRUM 葉片氮素轉移率顯著低于UB?？梢?，SRUM 不僅可以促進灌漿結實期莖葉中氮素向籽粒轉移，還能夠避免稻株貪青徒長。

表4 機械側深施氮對直播水稻干物質積累、轉運和收獲指數(shù)的影響Table4 Effects of mechanized side deep placement of nitrogen fertilizer on dry matter accumulation，transportation and harvest index of direct-seeded rice

表5 機械側深施氮對直播水稻氮素轉移的影響Table5 Effects of mechanized side deep placement of nitrogen fertilizer on nitrogen transport of direct-seeded rice

3 討論

3.1 側深施氮條件下機械直播水稻產(chǎn)量形成特點

水稻直播栽培技術因其省工節(jié)本，高效而迅速發(fā)展。適宜的施肥方式可以通過協(xié)調群體和個體生長實現(xiàn)增穗、增粒，是直播水稻高產(chǎn)的重要栽培措施之一，其中，氮素用量、施肥時間、施用方法等均對其具有顯著影響[3，5，14]。機械側深施肥不僅能提高直播水稻氮肥利用效率，也能夠通過增加結實率和單位面積穗數(shù)來提高產(chǎn)量，增產(chǎn)達到1.50%～10.42%[14]。本研究結果也表明，相比撒施，側深施肥方式顯著提高了機械直播水稻的有效穗數(shù)，其中SRUM 的增產(chǎn)效果更明顯，增幅為6.59%～12.95%。

水稻花前積累干物質的再轉運與籽粒灌漿和產(chǎn)量呈顯著正相關[21-22]。有研究表明，再分配至籽粒的花前積累干物質量占籽粒產(chǎn)量的比例可達到35%左右[23-25]。同步深施肥水稻精量直播機將肥料均勻施在種子一側土壤中，縮小稻株根系與肥料養(yǎng)分集中釋放區(qū)域的距離，有利于根系快速吸收利用氮素養(yǎng)分，既能減少肥料損失，又能提高水稻根區(qū)土壤氮素養(yǎng)分供應能力，更易形成良好的群體結構[14，16]。本研究中，與TF、UB 相比，UM、SRUM 顯著提高了植株成熟期干物質積累量以及莖葉干物質轉運量，而與莖葉干物質轉運率和齊穗后干物質積累所占比例相比無明顯差異；其中SRUM 齊穗前干物質積累量最高，更有利于增強灌漿結實期莖葉中干物質向籽粒轉運，莖葉干物質轉運量增幅達13.64%～28.97%。這也表明SRUM齊穗前莖葉干物質積累量更高，齊穗后莖葉中非結構性碳水化合物向籽粒的轉運量更大，更有利于形成高產(chǎn)。

3.2 側深施氮條件下機械直播水稻氮素吸收利用特點

圖2 機械側深施氮對直播水稻氮素吸收、分配的影響Fig.2 Effects of mechanized side deep placement of nitrogen fertilizer on nitrogen uptake and distribution of direct-seeded rice

氮肥深施能有效提高氮效率，增加水稻產(chǎn)量[14]。側深施肥通過減少氮肥淋失、揮發(fā)，提高根區(qū)土壤中銨態(tài)氮含量，其氮肥吸收利用率較傳統(tǒng)撒施方式提高15%以上，可減輕農(nóng)田氮素流失對環(huán)境的污染[14，17-18]，本研究結果與之基本一致。此外，本研究中UM 的氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學利用率較TF 和UB 分別增加11.35%～44.27%和7.22%～37.95%，SRUM 的氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學利用率較TF 和UB 分別增加46.94%～90.38%和25.88%～61.96%，SRUM 的氮肥吸收利用率顯著高于UM。這可能是因為尿素和緩釋尿素(分別占總氮的68%和32%)混合側深施于種子一側5.5±0.5 cm，深度為5.0±0.5 cm的土壤中，種子萌發(fā)生長期間該區(qū)域肥料氮釋放慢、釋放量少，秧苗開始分蘗后根系延伸至該區(qū)域能夠高效吸收肥料集中釋放的氮素養(yǎng)分；且緩釋尿素持續(xù)釋放氮素(25℃釋放期平均為80 d)也促使稻株能夠吸收更多氮素[18]。

莖葉氮素轉運會影響水稻產(chǎn)量和氮素利用效率，而氮素轉運效率與氮素在不同器官中的分配、轉運密切相關[5-6]。籽粒氮素主要來源于花前存儲氮的轉運和花后土壤氮的吸收[26-27]，且主要來源于前者[28-30]。Ntanos 等[24]研究表明花前存儲氮的轉運效率可達44.7%～66.7%。側深施肥更利于根系吸收，有效減少肥料氮淋失，促進植株氮素的有效積累[14，17]。本研究結果表明，SRUM、UM 齊穗期和成熟期植株氮積累量、莖葉氮素表觀轉移量、莖葉轉移的氮對籽粒氮的貢獻率均顯著高于TF。此外，機械側深施肥也促使稻株在齊穗后持續(xù)從根區(qū)吸收氮素來維持莖葉中較高的氮素積累水平，避免植株早衰，增強灌漿結實期的碳同化能力，合成更多碳水化合物，更有利于高產(chǎn)[14，17，27]。綜上所述，機械直播水稻采用尿素和緩釋尿素混合一次性側深施肥方式能夠減少一次施肥作業(yè)，提高產(chǎn)量和氮肥利用率，對加快推進川西平原稻麥輪作區(qū)水稻產(chǎn)業(yè)全程機械化生產(chǎn)具有重要意義。

4 結論

緩釋尿素替換部分普通尿素、機械側深施肥方式替代傳統(tǒng)撒施方式能夠顯著增加直播水稻齊穗期和成熟期干物質積累量，增加有效穗數(shù)，提高水稻齊穗期和成熟期氮素吸收總量，提高灌漿結實期莖葉氮素表觀轉移量和干物質轉運量，同步提高稻谷產(chǎn)量和氮肥吸收利用率。尿素和緩釋尿素混合機械側深施既能減少一次施肥作業(yè)，又能增產(chǎn)增效，適宜于川西平原稻麥輪作區(qū)機直播水稻的輕簡化生產(chǎn)，值得大面積推廣應用。