趙鋒　程建平　汪本福等

摘要：為了明確氮肥運籌對早稻兩優(yōu)287機械栽植產(chǎn)量形成的作用機制，在總施氮量（純氮）為150 kg/hm2條件下，設(shè)置基肥、分蘗肥、穗肥比例分別為7∶3∶0（N1）、6∶3∶1（N2）、5∶3∶2（N3）、4∶3∶3（N4）和3∶3∶4（N5）5個氮肥運籌模式，分析水稻根系形態(tài)與傷流量、葉綠素、莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運和產(chǎn)量構(gòu)成因素等狀況。結(jié)果表明，①各處理間產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學(xué)利用率均以N3最高，與其他處理間差異達顯著水平；以N5最低，與其他處理間差異也均達顯著水平。②隨著氮肥的后移，水稻總根長和根比表面積呈降低趨勢，根數(shù)和根干重以N3最大，其根系傷流量也最大。③N5水稻葉片SPAD值灌漿期和收獲期相對較高，出現(xiàn)貪青現(xiàn)象。④N3和N4的莖鞘物質(zhì)輸出率和莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)換率較低，葉片干物質(zhì)輸出率為負值。從而得知，早稻兩優(yōu)287機械栽植，在基肥、分蘗肥、穗肥中氮比例為5∶3∶2時有利于提高生育后期的根系活力、形成有效利用養(yǎng)分的根系特征、促進葉片光合能力的發(fā)揮，最終取得較高產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：氮肥運籌；早稻；機械栽植；根系特征；產(chǎn)量

中圖分類號：S511.3+1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）07-1505-05

氮素是蛋白質(zhì)形成的基礎(chǔ)，施用氮肥能夠提高水稻株高、葉綠素含量、蛋白質(zhì)水平，最終提高水稻產(chǎn)量[1]。然而，氮肥施用過量會導(dǎo)致氮肥利用率（Nitrogen use efficiency，NUE）降低以及水污染[2]。在現(xiàn)代水稻栽培體系中，合理的氮肥運籌對促進水稻大面積均衡增產(chǎn)至關(guān)重要。

氮肥運籌對水稻產(chǎn)量及品質(zhì)作用效果受水稻品種、種植制度、土壤肥力等因素的影響[3-7]。由于植物根系是水分和養(yǎng)分吸收的主要器官，其形態(tài)和生理特性與地上部的生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成密切相關(guān)，根系形態(tài)和活力一定程度上限定了氮肥的利用狀況[8，9]。機械栽植與傳統(tǒng)手插在苗齡和傷根狀況上不同，機械栽植一般采用小苗移栽，傷根現(xiàn)象較手插嚴(yán)重。因此，根系發(fā)育進程與傳統(tǒng)移栽差異較大，其吸收功能也不盡相同。前人的研究表明，根系性狀與水稻品種的氮吸收量關(guān)系密切[10]。通過氮肥調(diào)控可以促進水稻地上、地下協(xié)調(diào)發(fā)展，進而提高產(chǎn)量[11]。水稻中后期光合效率和莖葉干物質(zhì)輸出量與其產(chǎn)量關(guān)系密切[12]，氮肥適當(dāng)后移能夠提高群體光合勢、產(chǎn)量以及氮肥當(dāng)季利用率[13]。

水稻機械栽植通過定行、定穴、定苗栽插有利于合理調(diào)控水稻群體質(zhì)量。目前，中國水稻機械化栽植面積占全國水稻種植面積的13%，2010年新增面積預(yù)計達100萬hm2，占全國水稻種植面積的16%[14]。本研究采用湖北省早稻機械栽植氮肥運籌的幾種常見模式，以主推品種兩優(yōu)287為研究對象[15]，以明確不同氮肥運籌模式對水稻產(chǎn)量形成的生物學(xué)機制，旨在為水稻機械化高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗地點設(shè)置在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院南湖試驗站和湖北省京山縣（112°43′-113°39′ E，30°42′-31°27′ N），屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。年日照時數(shù)1 978.8～2 012.8 h，年太陽輻射總量452.2～460.5 kJ/m2，年平均氣溫16.1 ℃，無霜期230 d左右，年均降雨量1 020～1 150 mm，41%～45%的雨量集中在夏季。光熱豐富、降雨充沛、雨熱同期，具有發(fā)展農(nóng)業(yè)的優(yōu)越氣候條件。所選試驗田塊連續(xù)多年種植水稻，土地平整，肥力均一，交通方便，灌排條件完善。土壤類型為黃棕壤瀦育型水稻土，土壤有機質(zhì)含量為25.2 g/kg、堿解氮含量為137.9 mg/kg、速效磷含量為10.2 mg/kg、速效鉀含量為54.4 mg/kg、pH為5.3。

1.2 育秧與栽插

供試水稻品種為感溫性早秈稻品種兩優(yōu)287。2011年3月15日育秧。開溝做秧床，秧床寬1.4 m，溝寬0.4 m，溝深0.15 m。要求廂面平整，灌透底水。采用小拱棚旱育秧，竹片起拱，竹拱間距60～100 cm，拱高40～45 cm，覆蓋地膜，四周蓋嚴(yán)、捂實。播種到出苗前一般不灌水，出苗到2葉期前膜內(nèi)溫度應(yīng)控制在25 ℃以內(nèi)，2葉期開始應(yīng)看天氣通風(fēng)煉苗，并于3葉期左右徹底揭膜。育秧前期均勻澆水，盤邊可略重；后期主要澆盤邊。秧盤直徑為58 cm×28 cm，播種量80～100 g/盤。4月18日移栽。采用手扶式插秧機，插秧規(guī)格為13.3 cm×30.0 cm。每穴取苗量為2～3株。每公頃基本苗為24.0萬～25.5萬穴。試驗所用插秧機型號為東洋PF355S。

1.3 試驗處理與田間管理

氮肥按基肥、分蘗肥和穗肥不同施用比例設(shè)置5個氮肥運籌模式，即基肥、分蘗肥、穗肥中氮肥比例分別為7∶3∶0（N1）、6∶3∶1（N2）、5∶3∶2（N3）、4∶3∶3（N4）和3∶3∶4（N5），同時另設(shè)無氮處理（N0）以考察氮肥農(nóng)學(xué)利用率。施氮（N）、磷（P2O5）、鉀 （K2O）總量分別為150、94、131 kg/hm2。磷肥作為基肥一次施入，鉀肥分別以基肥和穗肥平均施入?；视谝圃郧? d施入，分蘗肥移栽后10 d施用，穗肥于倒三葉期施入。各處理均設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積為12 m×15 m。同時施入“大粒鋅”3 kg/hm2、“大粒硅”60 kg/hm2。其余田間管理按當(dāng)?shù)亓?xí)慣操作。

1.4 研究項目與方法

1.4.1 根系形態(tài) 于分蘗期和齊穗期分別按小區(qū)平均莖蘗數(shù)選擇2穴水稻，利用地面半徑為10 cm的圓柱形不銹鋼取樣器（兩半圓弧面相扣構(gòu)成），以水稻根基部為中心，打入土面以下40 cm深，移出取樣器，打開取出土柱（包括根），裝入塑料網(wǎng)袋后，依次用自來水、去離子水沖洗干凈，采用WinRHIZO Pro根系分析系統(tǒng)（型號為LA2400，加拿大產(chǎn)）獲取根系總長度、根直徑、根表面積、根體積和根尖數(shù)等相關(guān)參數(shù)，同時采用直尺量取根系最長根長。

1.4.2 根系傷流量 分別于齊穗期和收獲期按小區(qū)平均莖蘗選擇2穴，用剪刀在根基部以上15 cm處平齊剪斷，傷口擦拭后，用預(yù)先稱重的脫脂棉包裹，上面用塑料薄膜覆蓋后用皮筋固定。傷流吸收時間段保持在下午6∶00至次日上午8∶00之間，保證吸收時間在14 h左右。吸收傷流后的脫脂棉稱重。兩次稱重之差為吸取傷流的重量。同時調(diào)查傷流所在水稻的分蘗數(shù)。

1.4.3 葉綠素 利用葉片SPAD值指示葉綠素含量，分別于分蘗期、齊穗期、灌漿期和收獲期采用SPAD儀測定主莖倒一葉和倒二葉葉片的SPAD值，測定部位為上部、中部、下部，取平均值，連續(xù)測定10穴植株。

1.4.4 干物質(zhì)轉(zhuǎn)運 莖鞘物質(zhì)輸出率（EPMSS，Exporting percentage of matter of stem and sheath）、莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)換率（TPMSS，Transporting percentage of matter of stem and sheath）和葉片物質(zhì)輸出率（EPML，Exporting percentage of matter of leaves）的計算參照趙步洪等[16]的方法，具體計算公式為：

EPMSS=（A1-A2）/A1×100%

TPMSS=（A1-A2）/C2×100%

EPML=（B1-B2）/B1×100%

式中，A1、B1分別為齊穗期莖鞘、葉片的干物質(zhì)量；A2、B2和C2分別為收獲期莖鞘、葉片和穗的干物質(zhì)量，取樣方法同1.4.1。

1.4.5 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 谷粒成熟時去邊行后，以5點取樣法取樣，各小區(qū)樣點連續(xù)取10穴，共50穴，統(tǒng)計有效穗數(shù)。根據(jù)其平均值選取有代表性的植株10穴，測定水稻各經(jīng)濟性狀，包括有效穗數(shù)、每穗穎花數(shù)、結(jié)實率、千粒重。同時，在每小區(qū)實收單打計算實際產(chǎn)量。

1.4.6 氮肥農(nóng)學(xué)利用率 采用氮肥農(nóng)學(xué)利用率（Nitrogen agronomic efficiency， NAE）作為衡量氮肥利用的指標(biāo)，其計算公式為：氮肥農(nóng)學(xué)利用率（NAE）=（施氮區(qū)稻谷產(chǎn)量-不施氮區(qū)稻谷產(chǎn)量）/施氮量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計

采集的數(shù)據(jù)采用EXCEL和SPSS 11.5軟件進行統(tǒng)計分析，處理間差異采用LSD檢驗或Duncans新復(fù)極差檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥運籌模式對根系特征的影響

早稻兩優(yōu)287根系形態(tài)特征隨氮肥在水稻不同生育時期施用的比例不同呈現(xiàn)規(guī)律性的變化（表1）。隨氮肥后移，總根長和根表面積降低，與N1相比，N2、N3、N4和N5總根長分別減少3.1%、9.2%、19.0%和34.8%，而根表面積分別減少17.3%、18.8%、22.3%和35.6%。水稻最長根長隨氮肥后移而伸長。根數(shù)和根干重以N3最大，與其他處理間差異顯著；與N3比較，氮肥前移或后移根數(shù)和根干重均逐漸減少。

2.2 不同氮肥運籌模式對根系傷流量的影響

由圖1可見，不同氮肥運籌模式下，機插早稻兩優(yōu)287根系傷流強度齊穗期和成熟期均存在差異。齊穗期N3根系傷流量最大，其中與N4和N5差異達顯著水平，分別較二者上升了23.8%和24.6%。成熟期水稻根系傷流量均顯著降低，其中N2和N5下降幅度最大。成熟期，N3根系傷流量依舊最大，顯著高于N1、N2和N5。N4由于降低幅度較小，其傷流量與N3差異未達到顯著水平，N5此時僅為N3的51.0%。

2.3 不同氮肥運籌模式對葉片SPAD值的影響

由表2可知，不同氮肥運籌對機插早稻兩優(yōu)287葉片SPAD值在不同生育時期的影響不同。在分蘗期，N3倒一葉SPAD值顯著高于N1和N2，倒二葉僅顯著高于N2，與其余處理間差異不顯著。齊穗期水稻此兩個葉位SPAD值在處理間均無顯著性差異。灌漿期，N5倒一葉SPAD值顯著高于N1，但與其余處理間差異不顯著；而倒二葉除與N4差異不顯著外，均顯著高于其余處理。當(dāng)?shù)屎笠茣r，水稻灌漿期葉片SPAD值有上升的趨勢，而在收獲期這一趨勢表現(xiàn)的更為明顯。N5的倒一葉和倒二葉SPAD值在收獲期顯著高于其余處理，水稻群體表現(xiàn)明顯的貪青現(xiàn)象。

2.4 不同氮肥運籌模式對光合物質(zhì)轉(zhuǎn)運的影響

齊穗期早稻兩優(yōu)287干物質(zhì)總量不同氮肥運籌處理間均無顯著差異，但收獲期差異顯著，其中N3和N4顯著高于其余處理（表3）。N3和N4的EPMSS和TPMSS較低，與N1相比，N3的EPMSS和TPMSS降低了55.5%和67.3%，N4降低了92.5%和94.9%，差異均達顯著水平。N5的TPMSS較N1也顯著降低。由此可見，N3和N4相對其余處理，穗部干物質(zhì)的增加對齊穗前干物質(zhì)積累量的依賴程度較小。從EPML上看，N3、N4兩處理均為負值，說明齊穗后葉片干物質(zhì)積累量有所增加。綜上可知，齊穗后N3和N4葉片依然保持較強的光合能力，增加了對穗部干物質(zhì)的輸送比例。

2.5 不同氮肥運籌模式對氮肥農(nóng)學(xué)利用率的影響

由圖2可見，水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率以N3最高，與其他處理間差異均達顯著水平；N5最低，與其他處理間也均達顯著水平；其余3個處理間差異不顯著。

2.6 不同氮肥運籌模式對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

隨氮肥后移，水稻產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢（表4）。與N1相比，N2、N3和N4實際產(chǎn)量分別提高了1.6%、3.7%和1.2%，而N5降低了10.3%。當(dāng)穗肥中追施氮肥比例過大時，水稻明顯出現(xiàn)貪青的現(xiàn)象，顯著降低水稻產(chǎn)量。理論產(chǎn)量也呈類似規(guī)律。有效穗數(shù)以N4最高，N1最低，N1顯著低于其余處理。每穗總粒數(shù)和千粒重各處理間差異不顯著。結(jié)實率N4顯著低于N1、N2和N3，但與N5差異不顯著。

3 討論

3.1 氮肥運籌對早稻機械栽植根系特征的影響

根系形態(tài)結(jié)構(gòu)與活性及其與產(chǎn)量的關(guān)系一直是水稻根系研究的一個熱點[8]，而氮素高效吸收取決于水稻根系的生物學(xué)特征。張岳芳等[10]研究表明，改良抽穗期單株根系性狀（根數(shù)、根干重、總根長、總吸收面積、根系活力）有利于提高氮的吸收量，也有利于提高產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，水稻齊穗期總根長和根表面積隨氮肥后移而逐漸減小，而最長根長逐漸增加（表1）。說明隨后期氮肥用量增加，水稻扎根更深，而前期多施氮量有利于提高根數(shù)。N3產(chǎn)量最高，其根系傷流量、根數(shù)和根干重等指標(biāo)均較其余處理大。潘曉華等[17]研究認(rèn)為，根系活力和根干重與水稻產(chǎn)量正相關(guān)，這一研究結(jié)果與本研究結(jié)果是一致的。但也有研究認(rèn)為根干重和根系傷流量不一定能反映水稻的高產(chǎn)性狀[18，19]。但更多觀點認(rèn)為，根干重和根系傷流量與產(chǎn)量有很密切的相關(guān)性[20-22]。造成判斷根系指標(biāo)與產(chǎn)量相關(guān)性結(jié)論差異的原因可能與品種和種植制度有關(guān)。氮素養(yǎng)分的吸收對根系活力有重要影響，合理的氮肥配比有利于根系傷流量的提高[22]。本研究結(jié)果表明，當(dāng)基肥、分蘗肥、穗肥比例為5∶3∶2（即N3）時的氮肥配比有利于根系傷流量的提高，與之前研究結(jié)果一致。

3.2 氮肥運籌對早稻機械栽植光合物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運及產(chǎn)量的影響

水稻產(chǎn)量的高低主要決定于抽穗至成熟期的光合生產(chǎn)能力，子粒產(chǎn)量的絕大部分來源于抽穗后的光合產(chǎn)物，一般占子粒產(chǎn)量的70%～90%[23]。本研究表明，氮肥運籌模式是影響機插早稻中后期光合物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運的重要原因。通過氮肥后移可以提高灌漿期水稻葉片的SPAD值，能較好地提高此階段品種光合潛力的發(fā)揮（表2）。N5的SPAD值雖然最高，從光合物質(zhì)的轉(zhuǎn)運情況看，其EPMSS和TPMSS依然很高，其主要原因是后期氮肥施用較多導(dǎo)致貪青，光合物質(zhì)不能順利向庫（穎果）中充實。因此，在總施氮量適宜的情況下，適當(dāng)減少生育前期施氮量，控制群體物質(zhì)生長量，在保證苗夠的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加生育后期施氮量，提高后期葉片光合能力，可使抽穗至成熟階段有較大的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力，顯著提高作物的氮肥農(nóng)學(xué)利用率（圖2）和產(chǎn)量（表4），這與我們前期對秈型中稻機械栽插的研究結(jié)果是一致的[24]。Li等[25]研究認(rèn)為分蘗期氮肥用量過大，而CO2相對不足，會抑制水稻光合能力的發(fā)揮，最終導(dǎo)致氮肥利用率的下降，這可能是氮肥適當(dāng)后移水稻增產(chǎn)的原因。

4 結(jié)論

提高群體有效穗數(shù)是氮肥后移在早稻兩優(yōu)287機械栽植中產(chǎn)量提高的主要原因。在施用純氮總量為150 kg/hm2條件下，氮肥在基肥、分蘗肥、穗肥中比例分別為5∶3∶2時，機械栽插水稻兩優(yōu)287產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學(xué)利用率最高。在此氮肥運籌模式下，水稻具有較多的根數(shù)、適宜的根長和表面積以及較強的根系活力，可為水稻齊穗后地上部養(yǎng)分吸收提供根系形態(tài)和功能支持，進而提高其齊穗后葉片光合功能和干物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)運。

參考文獻：

[1] DING L， WANG K J， JIANG G M， et al. Effects of nitrogen deficiency on photosynthetic traits of maize hybrids released in different years [J]. Ann Bot，2005，96（5）：925-930.

[2] JING Q， BOUMAN B A M， HENGSDIJK H， et al. Exploring options to combine high yields with high nitrogen rise efficiencies in irrigated rice in China[J]. Eur J Agron，2007，26：166-177.

[3] 張均華，劉建立，張佳寶，等.施氮量對稻麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運與氮肥利用的影響[J].作物學(xué)報，2010，36（10）：1736-1742.

[4] NAKANO H， MORITA S. Effects of time of first harvest ， total amount of nitrogen，and nitrogen application method on total dry matter yield in twice harvesting of rice[J]. Field Crops Research，2008，105：40-47.

[5] NTANOS D A， KOUTROUBAS S D. Dry matter and N accumulation and translocation for indica and japonica rice under Mediterranean condition[J]. Field Crops Reasearch，2002，74（1）：93-101.

[6] 江立庚，曹衛(wèi)星，甘秀芹，等.不同施氮水平對南方早稻氮素吸收利用及其產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004，37（4）：490-496.

[7] 潘興書，馮躍華，趙田徑，等.不同施氮條件下2個超級雜交稻干物質(zhì)生產(chǎn)特性[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2009，25（4）：726-730.

[8] 楊建昌.水稻根系形態(tài)生理與產(chǎn)量、品質(zhì)形成及養(yǎng)分吸收利用的關(guān)系[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，44（1）：36-46.

[9] 張傳勝，王余龍，龍銀成，等.影響秈稻品種產(chǎn)量水平的主要根系性狀[J].作物學(xué)報，2005，31（2）：137-143.

[10] 張岳芳，王余龍，張傳勝，等.秈稻品種的氮素累積量與根系性狀的關(guān)系[J].作物學(xué)報，2006，32（8）：1121-1129.

[11] 丁能飛，郭 彬，林義成，等.集約化稻田養(yǎng)分均衡調(diào)控研究[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，22（3）：349-353.

[12] 劉建豐，袁隆平，鄧啟云，等.超高產(chǎn)雜交稻的光合特征研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38（2）：258-264.

[13] 張洪程， 吳桂成，戴其根，等.水稻氮肥精確后移及其機制[J].作物學(xué)報，2011，37（10）：1837-1851.

[14] 張漢夫.我國水稻育插秧機械化呈現(xiàn)加速發(fā)展勢頭[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2010（1）：95-96.

[15] 吳和明，張忠元，盧開陽，等.早熟優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)雜交早稻兩優(yōu)287等品種的鑒定[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005（6）：26-29.

[16] 趙步洪， 奚嶺林， 楊建昌.兩系雜交稻莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)運與籽粒充實特征研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，32（10）：9-14.

[17] 潘曉華，王永銳，傅家銳.水稻根系生長生理的研究進展[J].植物學(xué)通報，1996，13（2）：13-20.

[18] SAMEJIMA H， KONDO M， ITO O， et al. Root-shoot interaction as a limiting factor of biomass productivity in new tropical rice lines[J]. Soil Science and Plant Nutrition，2004，50（4）：545-554.

[19] 楊建昌，徐國偉，仇 明，等.新株型水稻生育特性及產(chǎn)量形成特點的研究[J].揚州大學(xué)學(xué)報（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版），2002， 23（1）：45-50.

[20] YANG C M， YANG L Z， YANG Y X， et al. Rice root growth and nutrient uptake as influenced by organic manure in continuously and alternately flooded paddy soils [J]. Agric Water Manag，2004，70：67-81.

[21] LADHA J K， KIRK G J D， BENNETT J， et al. Opportunities for increased nitrogen-use efficiency from improved lowland rice germplasm [J]. Field Crops Res，1998，56：41-71.

[22] 樊劍波，張亞麗，萬小羽，等.水稻根系與氮素吸收利用之研究進展[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2007，23（2）：236-240.

[23] 薛亞光，楊建昌.水稻超高產(chǎn)生理特性與栽培技術(shù)[J].作物雜志，2009（6）：8-11.

[24] 程建平，張再君，趙 鋒，等.機械插秧密度和氮肥運籌對兩優(yōu)1528群體動態(tài)和產(chǎn)量的影響[J].雜交水稻，2011，26（6）：69-73.

[25] LI Y， YANG X X， REN B B， et al. Why nitrogen use efficiency decreases under high nitrogen supply in rice （Oryza sativa L.） seedlings[J]. J Plant Growth Regul，2012，31：47-52.