不同轮作制度减量施肥对水稻群体质量及产量的影响

周昱磊，陈轩敬，杨 敏，张跃强，3＊，石孝均，3

（1．重庆市第十八中学，重庆400020；2．西南大学资源环境学院，重庆400716；3．国家紫色土肥力与肥料效益监测基地，重庆400716）

不同轮作制度减量施肥对水稻群体质量及产量的影响

周昱磊1，陈轩敬2，杨 敏2，张跃强2，3＊，石孝均2，3

（1．重庆市第十八中学，重庆400020；2．西南大学资源环境学院，重庆400716；3．国家紫色土肥力与肥料效益监测基地，重庆400716）

为四川盆地农业生产模式转型提供理论依据，采用双因素试验研究水稻－榨菜（RV）、水稻－冬闲（RF）和水稻－小麦（RW）3种轮作体系（以下简称3种体系）4种减量施肥养分管理方式（缺氮、缺磷、优化施肥及农民常规施肥）对水稻分蘖、干物质积累和产量形成的影响。结果表明：3种体系适当减量施肥均可减少无效分蘖，改善水稻群体质量，控制水稻齐穗前期干物质的积累，增加齐穗后干物质和养分积累，在显著降低水稻氮肥施用量的前提下增加水稻的产量。其中，优化施肥处理3种体系的分蘖数分别较缺氮处理提高32．7%、37．2%和54．8%；在水稻－冬闲和水稻－小麦两种轮作体系中，优化施肥较农民常规施肥无效分蘖分别减少29．7%和22．13%；成熟期的干物质积累量较农民常规施肥处理分别提高8．4%、114．6%和41．4%；3种轮作体系优化施肥处理产量均最高，分别为9 292kg／hm2、7 389kg／hm2和6 741kg／hm2，较农民习惯处理分别提高15．9%、10．8%和11．6%。

水稻；轮作；施肥；分蘖；干物质积累；产量

水稻是我国主要的粮食作物之一，我国有60%以上的人以大米为主食。研究［1－2］表明，随着我国人口的持续增长，到2030年水稻生产量需较2010年增加13．8%以上才能保证我国粮食安全。养分管理是提高水稻产量的重要措施之一，但是目前我国小农户为生产主体较多，在水稻生产中普遍存在肥水管理不科学的问题，直接或间接地造成水稻倒伏，产量、品质和氮肥利用率降低，水体富营养化、温室气体排放、生物多样性减少和土壤质量退化等一系列环境问题［3－4］。张福锁等［5］研究发现，中国水稻氮磷钾肥的农学效率平均为10．4kg／kg、9．0kg／kg 和6．3kg／kg，利用率为28．3%、13．1%和32．4%，远低于国际水平；且过量施肥和忽视土壤养分供是导致中国肥料利用偏低的重要原因。确定合适养分管理措施，使施肥与作物需肥规律相一致一直是国内外研究热点。在粮食安全和生态安全问题日益突出的今天，如何实现高产高效和持续发展是农业生产的重要课题。

四川盆地处于长江上游，是全国的主要水稻主产区之一，常年种植面积在220万hm2左右，分布区域广，稻田轮作体系主要有水稻－冬闲、水稻－小麦、水稻－蔬菜、水稻－油菜等轮作体系，稻作环境差异较大［6］。近年来，随着四川盆地土地流转的加快，劳动力紧缺，种植小麦经济效益不高，且小麦－水稻轮作麦季氮素淋洗损失高于水稻季［7］，单季水稻种植，冬季农田闲置现象越来越普遍。由于高养分投入，管理粗放，施肥随意性大等特点，在水稻和小麦的生产中一直存在产量低，养分易流失，污染周围水体安全等问题［3，8－10］。三峡库区榨菜－水稻轮作体系种植面积达5．67万hm2，种植区域集中在长江沿岸，是三峡库区农民增收的支柱产业之一，且稻菜轮作经济效益逐年改善，轮作面积有逐年扩大的趋势［11］。氮肥施用量大，施用方法不合理已成为水稻生产的最主要问题，不仅造成资源浪费，而且会导致严重的环境污染［12－13］。陈新平等［14］研究表明，提高综合的土壤－作物管理技术可在获得作物高产的同时降低环境代价。分析不同轮作条件下作物养分的合理运筹，不仅有利于作物对养分的有效利用，还是实现作物高产、资源高效和环境保护的必要条件［8］。减量施肥旨在采取综合养分管理措施保证粮食生产的同时，协调养分有效利用与环境友好之间的关系［15－17］。目前，关于不同轮作体系中优化施肥对水稻生长及其产量影响的研究鲜见报道。为此，笔者于2015年采用双因素试验设计研究不同轮作以及减量施肥条件对水稻群体质量及产量的影响，以期为四川盆地农业生产模式转型提供理论依据。

1材料与方法

1．1供试土壤

试验于2015年3—9月在重庆市江津区永兴镇黄庄现代粮油科技园（N 29°3′51″，E 106°11′22″）进行，海拔270m，年均降水量1 016．6mm，年平均气温18．4℃。试验田为典型紫色土丘陵区，土壤为沙溪庙组紫色母岩经水耕熟化发育而成的水稻田，其土壤基础养分状况：pH 4．8、有机质27．64g／kg、碱解氮119．7mg／kg、速效磷8．43mg／kg、速效钾120．2mg／kg、全氮2．03g／kg、全磷0．30g／kg和全钾16．60g／kg。

1．2试验方法

1．2．1试验设计 采用双因素试验设计，其中：1）A为轮作体系。A1，冬水田（Rice－Fallow，RF），每年四月中旬种植水稻，只种植一季中稻，冬季闲置；A2，稻麦轮作（Rice－Wheat，RW），每年5月上旬种植水稻，9月上旬收获，11月上旬种植小麦，次年5月上旬收获，小麦收获后，立即种植水稻，依次循环；A3，稻菜轮作（Rice－Vegetable，RV），10月下旬种植榨菜，次年2月下旬收获，次年4月中旬种植水稻，9月上旬收获，依次循环。2）B为减量施肥。B1，不施氮肥对照（N）；B2，不施磷肥对照（P）；B3，优化施肥（O）；B4，农民常规施肥（H）。各处理施肥量见表1。

冬水田与稻麦轮作缺氮，缺磷处理小区面积为20m2，优化习惯处理小区面积为40m2，稻菜轮作体系中缺氮，缺磷处理小区面积为13．5m2，优化习惯处理小区面积为27m2。各处理4次重复。为防止处理间水肥串灌，小区之间用水泥埂隔开，各重复之间设有排水沟，四周设有保护行。试验所用肥料为尿素（N 46%），普通过磷酸钙（P2O512%），氯化钾（K2O 60%）。水稻常规施肥处理氮肥基追肥各50%（基肥＋分蘖肥），磷肥和钾肥全部基施；优化施肥处理氮肥基肥50%，分蘖肥30%和穗肥20%，磷肥和钾肥全部基施；缺氮与缺磷处理的施肥方式同优化处理。小麦常规施肥处理氮肥基肥60%穴施、40%拔节前（2叶一心），磷钾肥全部基施；优化施肥处理氮肥基肥40%穴施、60%拔节前（2叶一心），磷钾肥全部基施；缺氮缺磷处理同优化处理。榨菜不同处理施肥方式均为基肥氮肥25%、磷肥50%及钾肥50%，移栽后5～7d施用（缓苗后施用，施在离幼苗2～5cm的地方）；第1次追肥氮肥60%、磷肥50%及钾肥50%，移栽30d后穴施；第2次追肥氮肥15%，移栽后60d施用。

1．2．2项目测定

1）水稻分蘖数。分别在水稻分蘖期（MT）、幼穗分化期（PI）、齐穗期（FH）、灌浆期（FL）和成熟期（MA）调查水稻分蘖数，每个小区连续选取具有代表性的植株20穴，调查水稻分蘖数，取平均值为该小区的分蘖数。

表1 不同处理作物肥料的施用量Table 1 Fertilizer application in different treatment for different grain kg／hm2

2）干物质累积量。分别在幼穗分化期（6月27日）、齐穗期（7月19日）、灌浆期（8月7日）和成熟期（8月26日）按每个小区有效平均分蘖数取5窝具有代表性植株，除去根系后，将植株按叶片、茎鞘和穗分开并装袋，放入烘箱105℃杀青30min，然后70℃烘干至恒重。

3）考种与测产。在成熟期于各小区选取具代表性的植株连续10窝，测定其结实率和千粒重。每个小区全部收获用于计算实际产量。

1．3数据统计与分析

数据采用Excel 2016软件处理，其中统计部分用SPSS 19．0软件统计分析，图表分别用Excel 2016和Sigma Plot 12．0绘制。

2结果分析

2．1 3种轮作体系减量施肥处理水稻的分蘖数

水稻分蘖消长是水稻基本生长发育特性之一，是形成健康水稻群体的前提。水稻分蘖受到多种环境条件的影响，氮素营养状况是影响水稻分蘖的重要因子。不同时期施用氮肥必定会影响水稻分蘖的发生。由图1可知，3种轮作体系不同处理间水稻的分蘖数差异明显。其中，缺氮处理（N）各生育期单株的平均分蘖数均最低，表明，氮肥是影响水稻分蘖的主要因素。水稻分蘖动态主要表现为从苗期开始增加，在幼穗分化期达最高，之后分蘖数开始下降，即无效分蘖开始衰亡，最后在齐穗期趋于稳定。1）水稻榨菜轮作（RV）。缺氮处理（N）成熟期有效分蘖数为11个／穴，分别较冬水田（RF）和稻麦（RW）轮作提高22．2%和28．5%，常规施肥（H）处理平均有效分蘖数为18．8个／穴，分别较优化（O）和缺磷（P）处理提高28．8%和39．3%。2）冬水田（RF）。总体表现为O＞H＞P＞N。H前期分蘖数在幼穗分化期达最高，平均分蘖数为16．5个／穴，后期无效分蘖衰亡，在成熟期有效分蘖数下降且低于优化处理6．5%。3）稻麦轮作（RW）。水稻分蘖动态与冬水田的变化趋势相似，在成熟期O与H处理平均有效分蘖数基本一致，均为13．3个／穴，分别较缺氮和缺磷处理提高55．3%和8．1%。表明，氮肥可以显著提高水稻分蘖数量，但过量施氮（H）会导致有效分蘖数下降。究其原因在于前期水稻营养生长旺盛，产生了大量的无效分蘖，导致群体透光条件差，显著降低分蘖成穗率。优化施肥通过适当减少基蘖肥的用量，可以适当减少无效分蘖，同时增加穗肥的比例，从而使茎蘖成穗率显著提高，进而提升水稻群体的质量。

图1 3种轮作体系减量施肥水稻的分蘖数Fig．1 Rice tillering in three different rotation systems with reduced chemical fertilizer application

2．2 3种轮作体系减量施肥水稻的干物质积累

水稻干物质累积是形成产量的基础和先决条件。从光合作用和物质生产的角度看，产量的形成是干物质积累与分配的过程［18］。不同养分管理条件下水稻群体干物质生产能力和分配方式不同，直接影响最终经济产量的形成。监测水稻不同养分管理的干物质积累特征，合理调控其养分对实现高产高效具有重要意义。

从表2可见：1）稻菜轮作体系（RV）。水稻干物质积累量量在到达齐穗期之前，H与N、N与O处理之间差异均达到显著水平，幼穗分化期时H处理干物质量较其他处理分别提高29．4%、6．1% 和8．5%；齐穗期分别提高25．0%、17．9%和8．5%。O处理从幼穗分化期至成熟期水稻干物质量增长109．5%，所以至成熟期其干物质量仅较H处理降低5．7%，且差异不显著。N处理水稻成熟期的干物质积累量较P、O和H处理分别降低16．3%、19．5%和24．2%，且差异显著，表明氮肥是影响干物质形成与运转的重要因素。2）冬水田体系（RF）。在齐穗期之前，H处理干物质积累量均与其他3个处理差异显著。其中，幼穗分化期，H处理分别比N、P和O处理提高27．5%、43．01%和14．5%；齐穗期，H处理分别比N、P和O处理提高21．5%、18．1%和10．4%。但从灌浆期至成熟期，O处理的干物质量较H处理分别提高8．9%和5．0%，且差异显著。表明H处理后期干物质的增长率明显低于O处理。3）稻麦轮作体系（RW）。幼穗分化期，H处理干物质积累量为4 369kg／hm2，N、P 和O处理分别较H处理降低61．6%、40．51%和14．63%；齐穗期，N、P和O处理分别比H处理降低39．4%、5．01%和1．1%。与RF轮作体系相似，灌浆期至成熟期，O处理的干物质量比H处理分别提高8．8%和7．5%，且在成熟期差异显著。生育期内，N处理干物质积累量均低于其他处理，且差异显著。总体上，水稻在抽穗之后，RV、RF和RW 3种轮作体系O处理干物质的积累量分别较H处理提高8．4%、114．6%和41．4%。表明，优化施肥方式较常规施肥可以显著提高水稻群体后期干物质的增加速率。优化施肥处理能够保证水稻前期具有适宜的干物质积累量，重点增加穗分化和抽穗后的干物质积累，可以有效控制无效分蘖发生，实现对水稻群体合理的调控，有利于形成健康水稻群体，提高水稻群体质量。而常规施肥处理高N高P施肥水平，植株前期干物质积累快，中后期枝叶繁茂，互相遮光严重，导致后期群体质量恶化，成穗率下降，干物质积累减少，从而造成减产。

表2 3种轮作体系减量施肥水稻不同生育期的干物质积累Table 2 Dry matter weight at different growth stage in three different rotation systems with reduced chemical fertilizer applicationkg／hm2

2．3 3种轮作体系减量施肥水稻的产量

从图2可见，3种轮作体系均以优化处理的产量最高，分别为9 292kg／hm2、7 389kg／hm2和6 741kg／hm2。不施氮肥不仅影响水稻的分蘖和干物质的积累，且导致其产量均较优化处理低，分别降低4．73%、19．80%和23．35%。过量施肥且主要集中在水稻生育前期施用可导致前期无效分蘖过多，后期群体质量恶化，成熟期产量下降，且均低于优化处理，分别较优化处理降低15．9%、10．8%和11．6%，差异显著。在RV轮作体系中，N处理产量高达8 852kg／hm2，比H处理提高13．3%，且分别比RF和RW轮作体系中优化处理提高16．5%和23．8%。RV轮作体系的水稻产量明显高于RF和RW，RW轮作体系水稻产量最低。主要原因是RV轮作体系从2014年才开始第1季轮作试验，基础地力较高，缺素症状还未明显表现，且在蔬菜季磷肥和钾肥施入量较高，所以即使缺氮处理其养分仍比较充足，可得到较高的产量；常规施肥处理表明，过量施入氮肥可导致产量下降。在RV、RF和RW轮作体系中，P处理产量分别较优化处理降低12．4%、2．5%和2．8%，但差异不显著。

图2 3种轮作体系减量施肥水稻的产量Fig．2 Rice yield in three different rotation systems with reduced chemical fertilizer application

3结论与讨论

在传统水稻种植管理中，强调水稻基蘖肥的施用，以促进分蘖早生快发［19］。稻麦轮作和冬水田中，与农民常规施肥相比，优化施肥处理水稻分蘖数并不高，并且在齐穗期要低于常规施肥处理，但是在收获期2处理分蘖数基本持平。说明，过量施基蘖肥不但未明显促进水稻分蘖早生快发，相反造成分蘖成穗率低。分蘖成穗率是衡量水稻群体质量的重要指标［20］。金传旭等［21］研究表明，提高分蘖成穗率，可以较好地协调水稻群体结构，从而减小分蘖间的营养竞争，使水稻群体质量表现较为合理，改善了中后期群体受光条件，延长后期水稻功能叶的生命，提高抽穗后群体光合效率与后期干物质的积累与转化，提高水稻产量。农民常规管理条件下前期营养生长旺盛，产生大量的无效分蘖，使群体通风透光条件差，后期缺少穗肥，产生脱肥现象，导致减产和养分利用效率低［22］。这与本研究结果相一致。在水稻生长中后期，干物质量累积重点在穗部，对提高产量至关重要［23］。优化处理通过减少前期氮肥用量，增加施用穗肥比例，可显著提高水稻产量及籽粒氮素的分配率；适宜的基蘖肥与穗粒肥比，也可提高氮素回收率、氮素收获指数与总氮素的生理利用率［24］。这可能是由于增加水稻生长后期的施氮比例，使得水稻叶片的氮素含量提高，增强了叶片的光合速率，保持水稻生长期旺盛生长，从而增加了水稻对养分的吸收利用［25］。

该研究结果表明，稻菜、冬水和稻麦轮作体系中缺氮处理产量分别较优化处理降低4．73%，19．80%和23．35%，且差异显著。稻菜轮作体系水稻氮肥的增产效应较低的主要原因是试验布置开始的第1年，稻田基础地力较高，未表现明显的缺素症状。冬水田与稻麦轮作试验已进行4年，可以明显表现氮素的增产效应。说明，在目前生产条件下，氮肥仍在水稻生产中发挥极为重要的作用。徐志平等［26］研究发现，在福建省早、中和晚稻适量施氮后的平均增产率分别为16．9%、16．5%和19．0%。王伟妮等［27］研究发现，湖北省早、中和晚稻，在施磷、钾肥的基础上，适量施氮其产量均有不同程度的增加，分别增产37．6%、27．5%和35．0%。这与本文研究结果相一致。该研究稻菜、冬水和稻麦轮作体系缺磷处理产量分别较优化处理降低12．4%、2．5%和2．8%，差异不显著；且干物质积累量与有效分蘖数均与优化处理差异不显著，表明磷肥增产效应明显低于氮肥。颜晓等［28］研究发现，在稻麦轮作体系下，连续不施磷肥，土壤Olsen－P在2年内就由7．56mg／kg降至5．83mg／kg，之后下降明显减缓。表明土壤Olsen－P含量在衰竭到一定程度以后基本不受土壤磷表观平衡的影响。水稻产量对磷肥的依赖性远小于氮肥。鲁如坤［29］的研究表明，土壤Olsen－P含量只要达5～7mg／kg即可满足水稻高产要求。长期定位试验表明，稻麦轮作系统土壤Olsen－P含量为11．1mg／kg即可满足作物生产的磷素养分需求［30］。

在长期淹水稻田中，由于频繁地水耕使土壤结构破坏、耕层粘闭、土壤氧化还原电位低、次生潜育化普遍，影响了水稻根系活力和生长，容易形成“冷、酸、烂、毒”的低产田［31］。还原性物质多、通气性差、土温低、供肥缓慢是冷潜型水稻土低产的主要原因［32］。曾希柏等［33］研究发现，种植牧草或实行水旱轮作对提高淹水稻田经济效益、提升土壤肥力有较好效果；黄国勤等［34］研究认为，稻田轮作生态效应显著，可起到改善土壤理化性状，土壤通透性大大增强，有效阻止土壤次生潜育化和土壤酸化，提高土壤pH。李清华等［35］研究表明，与冬闲田相比，实行水旱轮作可以显著增加产量23．64%～55．49%，同时可以提高土壤全磷、有效磷及微生物生物量14．29%～40．00%，31．42%～105．61%和63．76%～83．22%。在本研究中，与冬闲优化施肥处理相比，稻菜轮作显著提高水稻干物质量和产量，增产25．8%，稻麦轮作优化处理水稻产量较冬闲优化施肥处理降低9．6%。稻麦轮作体系中水稻产量较低的主要原因是移栽日期晚于冬水田和稻菜轮作，所受积温与光照均小于冬水田与稻菜轮作。

稻－菜、稻－冬水田及稻－麦轮作体系中适当减量施肥均可减少无效分蘖的发生，提高分蘖成穗率，改善水稻群体质量；同时能控制水稻抽穗前期干物质的积累，增加抽穗后期干物质和养分积累，在显著降低水稻氮肥施用量的前提条件下，增加水稻产量。冬水田改制水旱轮作，可以显著改善水稻群体质量，提升其产量。推迟水稻移栽日期可使水稻干物质累积量减少，产量降低。

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（责任编辑：王 海）

Effects of Reducing Chemical Fertilizer Application on Rice Population Quality in Different Rotation System

ZHOU Yulei1，CHEN Xuanjing2，YANG Min2，ZHANG Yueqiang2，3＊，SHI Xiaojun2，3
（1．Chongqing18thSecondary School，Chongqing400020；2．College of Resources and Environment，Southwest University，Chongqing400716；3．National Monitoring Station of Soil Fertility and Fertilizer Efficiency on Purple Soils，Chongqing400716，China）

To provide the theoretical basis for agricultural production model transition in Sichuan Basin，the authors conducted experiments of four fertilization methods（nitrogen deficiency，phosphate deficiency，optimum fertilization and farmer’s fertilization practice）to study the effects of reducing chemical fertilizer application on tiller，dry matter accumulation and yield components of rice based on different rotation systems（Rice Vegetable，Rice Fallow and Rice Wheat）．Results：Appropriate reducing fertilization could reduce the occurrence of ineffective tillering and improve quality of rice population．At the same time，it could control the accumulation rate of dry matter in the early growth stage of rice and increase the dry matter and nutrient accumulation in the late heading stage to increase yield under the premise of reducing the amount of chemical fertilizer．Compared to nitrogen deficiency treatment，optimum fertilization increased tiller numbers by 32．7%，37．2%and 54．8%in RV，RF and RW during mature stage，respectively．In rice－fallow and rice－wheat rotation，compared to farmer’s fertilization practice，optimum fertilization reduced the occurrence of ineffective tiller of 29．7%and 22．13%．In addition，it also improved dry matter weight after heading by 8．4%，114．6%and 41．4%in different rotation，respectively．Yields of optimum fertilization treatment was the highest in three rotation systems which were 9 292kg／hm2，7 389kg／hm2and 6 741kg／hm2and was higher than farmer’s fertilization practice treatment by 15．9%，10．8%and 11．6%，respectively．

rice；rotation systems；fertilization；tillering；dry matter accumulation；yield

S511

A

1001－3601（2016）11－0468－0077－06

2016－06－25；2016－10－19修回

国家自然科学基金项目“四川盆地不同轮作制度净温室效应研究”（31471944）；中央高校学科团队基金项目“三峡库区化肥减施增效技术创新与集成”（2362015xk06）

周昱磊（1998－），女，高三学生，从事植物调查工作。E－mail：906268422＠qq．com

＊通讯作者：张跃强（1981－），男，副研究员，硕士生导师，从事植物营养及养分资源管理研究。E－mail：levinsky＠126．com