朱從樺 李旭毅 陳惠哲 武 輝 歐陽(yáng)裕元 余俊奇 黃豹明 羅 粞

(1四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，四川 成都 610066；2中國(guó)水稻研究所/水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311400；3宜賓學(xué)院，四川 宜賓 644000)

水稻機(jī)械直播是一項(xiàng)輕簡(jiǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化水平較高的種植技術(shù)，能夠提高生產(chǎn)效率，減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，節(jié)約勞動(dòng)力，實(shí)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(yùn)籌能促進(jìn)直播水稻根系生長(zhǎng)[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(shí)現(xiàn)直播水稻高效、節(jié)肥、綠色的生產(chǎn)目標(biāo)，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(jī)械直播同步側(cè)深施肥技術(shù)在播種的同時(shí)通過(guò)側(cè)深施肥機(jī)將顆粒肥料精準(zhǔn)施于種子一側(cè)土壤中，既能提高機(jī)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(rèn)為普通復(fù)合肥機(jī)械側(cè)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(qiáng)齊穗期劍葉光合速率，增加齊穗期至成熟期干物質(zhì)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(shí)富等[15]研究發(fā)現(xiàn)緩釋肥機(jī)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(guò)氧化物酶活性。以緩釋、多肽復(fù)合肥為肥源，步側(cè)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(jī)械側(cè)深施緩釋氮肥可以減少氮肥淋失，降低稻田氮素?fù)]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(jī)插秧上取得了較好的效果[17-19]，而機(jī)械側(cè)深施緩釋尿素能否較好地適用于機(jī)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(yàn)材料，研究不同類(lèi)型氮肥和機(jī)械側(cè)深施肥方式對(duì)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(jī)械直播節(jié)肥增效技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年5-9月，在四川省德陽(yáng)市綿竹市孝德鎮(zhèn)金星村(104°14′E，31°15′N(xiāo))進(jìn)行。該區(qū)域?yàn)樗拇ㄅ璧刂衼啛釒駶?rùn)氣候區(qū)，月平均氣溫、最高溫度、最低溫度、總降水量、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)詳見(jiàn)表1。

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

試驗(yàn)田為沙壤土，排灌方便，前茬為小麥，試驗(yàn)前0 ～25 cm 耕層土壤基本性質(zhì):pH 值5.82，有機(jī)質(zhì)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(zhǎng)、直。氮肥類(lèi)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(tuán)股份有限公司生產(chǎn)，25℃釋放期平均為80 d)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置5 個(gè)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(shí)采用機(jī)械側(cè)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(shí)采用機(jī)械側(cè)深施(SRUM)。

5月4日采用水稻“種肥藥”一體化水稻精量直播機(jī)(上海世達(dá)爾現(xiàn)代農(nóng)機(jī)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(jiàn)圖1。播種時(shí)采用丙草胺＋吡嘧磺隆進(jìn)行封閉除草，水稻植株三葉一心時(shí)采用五氟磺草胺＋氰氟草酯進(jìn)行莖葉除草，每穴定2 苗。純氮用量為180 kg·hm-2，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shè)置3 次重復(fù)，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(dāng)?shù)貦C(jī)械直播大面積生產(chǎn)田塊。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 干物質(zhì)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(fēng)干燥箱(DHG-9 920A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司)105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，稱(chēng)重后得到植株各部位干物質(zhì)重，重復(fù)3 次。

1.3.2 植株氮含量 利用1.3.1 的烘干樣，磨粉過(guò)80 目篩，稱(chēng)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(cè)定全氮含量[20]。

1.3.3 收獲與計(jì)產(chǎn) 收獲前，按照平均穗數(shù)取30 穴代表性植株，調(diào)查結(jié)實(shí)率、每穗粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素；各小區(qū)選取15 m2人工脫粒，曬干后換算成標(biāo)準(zhǔn)含水量(13.5%)計(jì)產(chǎn)，重復(fù)3 次。

1.3.4 參數(shù)計(jì)算 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算參考文獻(xiàn)[5-6]:

莖葉干物質(zhì)輸出量(t·hm-2)＝齊穗期莖葉干物質(zhì)重-成熟期莖葉干重

圖1 “種肥藥”一體化水稻精量直播機(jī)(A)、田間播種圖(B)和側(cè)深施肥技術(shù)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(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率＝莖葉干物質(zhì)輸出量/齊穗期莖葉物質(zhì)干重×100%

莖葉氮素表觀轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移率＝莖葉氮素表觀轉(zhuǎn)移量/齊穗期莖葉氮素積累量×100%

莖葉轉(zhuǎn)移的氮對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率＝莖葉氮素表觀轉(zhuǎn)移量/成熟期籽粒中氮素積累量×100%

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

氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率＝成熟期地上部干物質(zhì)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(xué)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(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用最小顯著差法LSD 檢驗(yàn)平均數(shù)(P＜0.05)，用Origin Pro 2017 軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)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(dá)到顯著水平。比較產(chǎn)量構(gòu)成因素發(fā)現(xiàn)，各施氮處理間結(jié)實(shí)率、千粒重均無(wú)顯著差異；UM、SRUM 有效穗數(shù)則顯著高于其他處理。可見(jiàn)，機(jī)械側(cè)深施氮處理水稻產(chǎn)量的增加主要依賴(lài)于有效穗數(shù)的提高。

表2 機(jī)械側(cè)深施氮對(duì)直播水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)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(duì)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(zhì)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(xué)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(xué)利用率提高7.22%、25.88%?？梢?jiàn)，SRUM 是提高直播稻氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率的最佳施肥方式。

表3 機(jī)械側(cè)深施氮對(duì)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(zhì)積累、轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhì)積累、莖葉干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhì)積累量均顯著增加。各施氮處理直播水稻干物質(zhì)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(zhì)積累所占比例未顯著降低，莖葉干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量顯著提高。TF、UB、UM、SRUM 齊穗后干物質(zhì)積累量和收獲指數(shù)無(wú)顯著差異。SRUM 莖葉干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量顯著高于UB，增幅達(dá)28.97%。

2.4 氮素積累和分配

由圖2可知，施氮方式對(duì)直播水稻氮素吸收總量的影響存在明顯差異，且側(cè)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?yàn)橄录咀魑锾峁└嗟牡础?/p>

2.5 莖葉氮素轉(zhuǎn)移量、氮素轉(zhuǎn)移率及貢獻(xiàn)率

由表5可知，施氮方式對(duì)直播水稻莖葉氮素表觀轉(zhuǎn)移量、莖葉氮素表觀轉(zhuǎn)移率和莖葉轉(zhuǎn)移的氮對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)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(zhuǎn)移量。各施肥處理間莖鞘氮素轉(zhuǎn)移率和葉片氮素轉(zhuǎn)移量無(wú)顯著差異。SRUM 葉片氮素轉(zhuǎn)移率顯著低于UB?？梢?jiàn)，SRUM 不僅可以促進(jìn)灌漿結(jié)實(shí)期莖葉中氮素向籽粒轉(zhuǎn)移，還能夠避免稻株貪青徒長(zhǎng)。

表4 機(jī)械側(cè)深施氮對(duì)直播水稻干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)械側(cè)深施氮對(duì)直播水稻氮素轉(zhuǎn)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(cè)深施氮條件下機(jī)械直播水稻產(chǎn)量形成特點(diǎn)

水稻直播栽培技術(shù)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(guò)協(xié)調(diào)群體和個(gè)體生長(zhǎng)實(shí)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(shí)間、施用方法等均對(duì)其具有顯著影響[3，5，14]。機(jī)械側(cè)深施肥不僅能提高直播水稻氮肥利用效率，也能夠通過(guò)增加結(jié)實(shí)率和單位面積穗數(shù)來(lái)提高產(chǎn)量，增產(chǎn)達(dá)到1.50%～10.42%[14]。本研究結(jié)果也表明，相比撒施，側(cè)深施肥方式顯著提高了機(jī)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(zhì)的再轉(zhuǎn)運(yùn)與籽粒灌漿和產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)[21-22]。有研究表明，再分配至籽粒的花前積累干物質(zhì)量占籽粒產(chǎn)量的比例可達(dá)到35%左右[23-25]。同步深施肥水稻精量直播機(jī)將肥料均勻施在種子一側(cè)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(yīng)能力，更易形成良好的群體結(jié)構(gòu)[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(zhì)積累量以及莖葉干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量，而與莖葉干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率和齊穗后干物質(zhì)積累所占比例相比無(wú)明顯差異；其中SRUM 齊穗前干物質(zhì)積累量最高，更有利于增強(qiáng)灌漿結(jié)實(shí)期莖葉中干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)，莖葉干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量增幅達(dá)13.64%～28.97%。這也表明SRUM齊穗前莖葉干物質(zhì)積累量更高，齊穗后莖葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量更大，更有利于形成高產(chǎn)。

3.2 側(cè)深施氮條件下機(jī)械直播水稻氮素吸收利用特點(diǎn)

圖2 機(jī)械側(cè)深施氮對(duì)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(cè)深施肥通過(guò)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(duì)環(huán)境的污染[14，17-18]，本研究結(jié)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(xué)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(xué)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?yàn)槟蛩睾途忈屇蛩?分別占總氮的68%和32%)混合側(cè)深施于種子一側(cè)5.5±0.5 cm，深度為5.0±0.5 cm的土壤中，種子萌發(fā)生長(zhǎng)期間該區(qū)域肥料氮釋放慢、釋放量少，秧苗開(kāi)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(zhuǎn)運(yùn)會(huì)影響水稻產(chǎn)量和氮素利用效率，而氮素轉(zhuǎn)運(yùn)效率與氮素在不同器官中的分配、轉(zhuǎn)運(yùn)密切相關(guān)[5-6]。籽粒氮素主要來(lái)源于花前存儲(chǔ)氮的轉(zhuǎn)運(yùn)和花后土壤氮的吸收[26-27]，且主要來(lái)源于前者[28-30]。Ntanos 等[24]研究表明花前存儲(chǔ)氮的轉(zhuǎn)運(yùn)效率可達(dá)44.7%～66.7%。側(cè)深施肥更利于根系吸收，有效減少肥料氮淋失，促進(jìn)植株氮素的有效積累[14，17]。本研究結(jié)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(zhuǎn)移量、莖葉轉(zhuǎn)移的氮對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率均顯著高于TF。此外，機(jī)械側(cè)深施肥也促使稻株在齊穗后持續(xù)從根區(qū)吸收氮素來(lái)維持莖葉中較高的氮素積累水平，避免植株早衰，增強(qiáng)灌漿結(jié)實(shí)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(jī)械直播水稻采用尿素和緩釋尿素混合一次性側(cè)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(duì)加快推進(jìn)川西平原稻麥輪作區(qū)水稻產(chǎn)業(yè)全程機(jī)械化生產(chǎn)具有重要意義。

4 結(jié)論

緩釋尿素替換部分普通尿素、機(jī)械側(cè)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(zhì)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(jié)實(shí)期莖葉氮素表觀轉(zhuǎn)移量和干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)械側(cè)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(jī)直播水稻的輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)，值得大面積推廣應(yīng)用。