江苏如东草甸土水稻穗肥减氮运筹技术研究

石 吕 石晓旭 李 赢 薛亚光 魏亚凤 韩 笑 杨美英 刘 建

（江苏沿江地区农业科学研究所/南通市循环农业重点实验室，江苏 如皋 226541）

水稻穗分化期是吸氮最快的阶段，该时期适时、合理施用穗肥不仅有利于群体质量的改善和氮肥利用率的提高，而且能够兼顾促花与保花作用［1-3］，并协同提高稻米加工品质、外观品质及蒸煮食味品质［4-5］。过早施用穗肥易导致高峰苗过多、群体质量恶化、成穗率下降，而过迟施用则易导致每穗粒数和高效叶面积指数减少、籽粒蛋白质含量增加，最终均不利于水稻高产优质［6］。穗肥最佳施用时期因水稻品种类型、生育期长短、生产目标以及施用次数等而异［4，7］。

水稻穗肥施用必须围绕提高抽穗后群体物质生产能力这一目标，通过调整抽穗期干物质量至适宜水平，增加有效和高效叶面积率、总颖花量和粒叶比来协调源库关系；同时降低花后叶面积衰减速率，促进光合势与净同化率的优化，增加成熟期干物质量和收获指数，才能达到较好的增产效果［6］。前人针对穗肥运筹做了大量研究，发现水稻产量、品质和氮肥利用率等与氮素穗肥施用总量、施用时期、施肥次数及栽培水稻品种类型（伸长节间数）和土壤肥力等密切相关［1-4，6-10］。就穗肥施用次数而言，生产上水稻高产优质群体培育一般推荐穗分化始期（倒4 叶出生）和倒2 叶期两次施用［11］。倒4 叶期施入促花肥有利于群体颖花量的增加，倒2 叶期施入保花肥可减少颖花退化，提高结实率和千粒重［3，9］。不同地区、不同生产条件水平下的氮肥施用策略不尽相同，如何合理施用穗肥仍是水稻生产上氮肥管理的难点与重点。

江苏省如东县是全国商品粮生产基地、全国粮食生产先进县、全省首批“亩产吨粮县”之一，也是水稻种植历史最为悠久的县域之一［12］。如东典型土类之一的水稻土是由长江冲击形成的2 万公顷草甸土，素有“苏北乌克兰”之称，符合无公害稻米产地环境条件［13］。由于对如东草甸土水稻氮肥特别是穗肥的使用技术系统研究较少，生产实际中一般常规施氮量为345～405 kg·hm-2，不仅肥料利用率低，流失多，还易导致严重的环境污染，尤其是移栽后雨水多的年份［14］。因此，本研究拟通过田间试验，在穗肥减氮10%的情况下，进一步研究不同促花肥、保花肥比例对水稻群体质量、光合特性、产量品质及土壤性状的影响，以期为如东草甸土水稻绿色高质高效生产技术的规范提供基础数据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年5—10月在江苏省如东县曹埠镇直港村大田（32°15′56″N，120°59′58″E）进行。该地属典型的海洋性气候，年日照时数2 147.4 h，年平均气温14.8 ℃，降雨量1 028.5 mm，无霜期长达224 d［13］。试验地前茬作物为小麦，秸秆全量还田，土壤类型为草甸土（具体理化性质见表1）。

表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Basic properties of test soil

1.2 试验材料

供试肥料：复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）、普通尿素（N 46%）和氯化钾（K2O 60%）。供试水稻品种：南粳9108，采用旱育秧方式育秧，5 月13 日育秧，播种量为26.25 kg·hm-2，6月21日机插，机插每丛苗数为5苗，行距30 cm，株距14 cm。供试材料均购自如皋市远发农技推广服务部。

1.3 试验设计

以当地农户模式（A）为对照，即施纯氮330 kg·hm-2、P2O5132 kg·hm-2、K2O 198 kg·hm-2，磷肥全部作为基肥施用，钾肥按照基肥∶穗肥=2∶1 施用，基肥采用机械深施，钾肥作穗肥时于倒4叶期施用，氮肥按基肥∶蘖肥∶穗肥=4∶2∶4 施用，分蘖肥两次各按50%施用，促花肥于倒4叶期施用，保花肥于倒2叶期施用。在统一基蘖肥和磷钾肥用量基础上，设置5 个不同的穗肥减氮10%处理，各处理具体氮肥用量及运筹如表2 所示。随机区组设计，各小区面积为135 m2，3 次重复。每个小区用装饰板间隔以防止窜水窜肥，单排单灌，其他田间管理参照当地高产田块进行。

表2 氮素穗肥运筹设计Table 2 Nitrogen panicle fertilizer operation design

1.4 测定项目与方法

1.4.1 光合速率测定 于灌浆期（齐穗后7 d）使用LI-6400 便携式光合仪（美国LI-COR 公司）测定晴天9：30—11：00水稻上3叶的净光合速率（net photosynthetic rate，Pn），使用内置式CO2钢瓶提供气源，CO2浓度为400 μmol·mol-1，使用内置6400-02B 红蓝光源，光照强度为1 200 μmol·m-2·s-1，每小区选取5 个代表性单茎进行测定。

1.4.2 干物质积累、转运与叶面积指标测定 于抽穗期和成熟期在每小区以平均茎蘖（穗）数为标准，选取5 穴有代表性植株，去根，清洗。抽穗期分别测定倒1 叶、倒2 叶、倒3 叶的叶长和叶宽，并按照小叶干重法［10］测算不同功能叶叶面积指数（leaf area index，LAI），成熟期按照小叶干重法［10］测算绿叶实际叶面积。所有样品最终均分为茎鞘、叶片、穗，置于烘箱中105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重后称其干重，并按以下公式计算茎叶干物质转运量、转运率、贡献率及叶面积衰减率：

茎叶干物质转运量（t·hm-2）=抽穗期茎叶干物质量-成熟期茎叶干物质量；

茎叶干物质转运率=茎叶干物质转运量/抽穗期茎叶干物质量×100%；

茎叶干物质贡献率=茎叶干物质转运量/成熟期籽粒干物质量×100%；

叶面积衰减率=（抽穗期LAI-成熟期LAI）/抽穗期LAI×100%。

1.4.3 产量及稻米品质测定 于成熟期在各小区调查有效穗（50穴），并按平均有效穗数取样5穴，调查每穗粒数、结实率和千粒重等性状。各小区实收30 m2左右水稻进行测产。各小区籽粒晒干并存放3 个月以上，使其含水量稳定在14%左右，用LTJM-160 精米机（上海青浦绿洲检测仪器有限公司）将稻谷加工成精米，用FW100 型高速万能粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）磨成米粉，过100 目筛，供品质分析用。参照《NY/T 83-2017 米质测定方法》［15］测定稻米加工品质（糙米率、精米率、整精米率）、外观品质（垩白粒率、垩白度、长宽比）、蒸煮品质（直链淀粉含量和胶稠度）。营养品质（精米中蛋白质含量）采用凯氏定氮法［16］测定。

1.4.4 氨基酸含量测定 称取一定量样品，在水解管内加6 mol·L-1盐酸10～15 mL，加入新蒸馏的苯酚3～4滴，再将水解管放入冷冻剂中，冷冻3～5 min，抽真空，然后充入高纯氮气，重复3次。将水解管放入110 ℃烘箱水解22 h后取出冷却。将水解液转移到50 mL 容量瓶定容过滤。吸取滤液1 mL 于5 mL 容量瓶内，真空干燥，残留物用1～2 mL 水溶解，再干燥，反复进行2 次。最后蒸干，用1 mL pH 值2.2 的缓冲液溶解，使用日立835-50 型氨基酸自动分析仪（日本日立公司）测定氨基酸含量。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2003软件整理数据，Sigmaplot 10.0绘图，DPS 7.05进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 氮素穗肥减量运筹对水稻产量及其构成因素的影响

由表3可知，与对照（A）相比，穗肥减氮10%，仅施用保花肥（F）处理表现为减产6.67%，并以每穗粒数降幅最大，显著降低8.95%；而其余4 个处理则均表现为增产，其中，当促花肥与保花肥施用量相同时（C），增产幅度最大，为2.47%，主要表现为结实率与千粒重的提高。相同施氮量条件下，穗肥一次施用水稻产量显著低于分两次施用（P＜0.05），仅施促花肥处理（E）主要降低结实率和千粒重，仅施保花肥处理（F）主要降低每穗粒数（P＜0.05）。

表3 氮素穗肥减量运筹对水稻产量性状的影响Table 3 Effects of nitrogen panicle fertilizer reduction on rice yield traits

2.2 氮素穗肥减量运筹对水稻干物质积累及其转运的影响

由表4 可知，不同氮素穗肥运筹下水稻群体抽穗期和成熟期总干物质积累量及花后（抽穗-成熟）总干物质积累量存在明显差异，总体呈现与产量一致的变化趋势。与对照相比，穗肥减氮10%总体降低了茎叶干物质转运量、转运率和贡献率，其中处理E无显著变化（P＞0.05）。等量穗肥条件下，与产量变化趋势类似，除仅施保花肥处理（F）总干物质积累量、茎叶干物质转运及贡献率最低外，其余4 个处理花后和成熟期干物质积累量均表现出随保花肥比例增加而增加趋势，而花前（抽穗期）干物质积累量表现为促花肥和保花肥比例相同处理（C）显著高于其他处理（P＜0.05）；在物质转运方面，其余4 个处理茎叶干物质转运量、转运率和贡献率与花后及成熟期干物质积累规律明显相反，表现出随保花肥比例增加而降低的趋势。

表4 氮素穗肥减量运筹对干物质积累与同化物转运的影响Table 4 Effects of nitrogen panicle fertilizer reduction on dry matter accumulation and assimilate transport

由图1 可知，成熟期干物质积累量和花后干物质积累量均与产量呈极显著正相关关系（P＜0.01），相关系数分别为0.979和0.965。

图1 成熟期和花后干物质积累量与产量的相关性Fig.1 Correlation between dry matter accumulation and yield at maturity and after anthesis

2.3 氮素穗肥减量运筹对水稻叶面积的影响

由表5可知，与对照（A）相比，穗肥减氮10%后，仅施促花肥处理（E）对上3叶叶长和叶面积表现出一定的促生作用，而其他处理则总体降低了抽穗期上3叶叶长和叶面积；不同处理间叶长和叶面积表现为E＞A＞D＞B＞C＞F，且处理E 与A 之间无显著差异（P＞0.05）；不同处理间上3叶叶宽均无显著差异（P＞0.05）。等量穗肥条件下，随着促花肥比例的增加，上3 叶叶长和叶面积均表现出增加趋势，其中倒1叶变化较明显，倒2叶次之。

由表6可知，与对照（A）相比，穗肥减氮10%后，仅施促花肥处理（E）抽穗期上3叶叶面积指数、总叶面积指数、高效叶面积率和叶面积衰减率均有所增加，而其他处理则表现出相反趋势。抽穗期不同处理指标间呈现E＞A＞D＞B＞C＞F 的趋势；叶面积衰减率表现为E＞A＞D＞F＞B＞C，以处理C叶面积衰减率最低，较对照显著降低了8.73个百分点（P＜0.05）；而成熟期叶面积指数则有明显相反的趋势，表现为C＞B＞D＞A＞F＞E，处理C 较对照显著提高了15.19%（P＜0.05）。此外，等量穗肥条件下，随着促花肥比例的增加，抽穗期各指标以及叶面积衰减率均表现出整体增加趋势，而成熟期叶面积指数则相反。

表6 氮素穗肥减量运筹对叶面积指数的影响Table 6 Effects of nitrogen panicle fertilizer reduction on leaf area index

2.4 氮素穗肥减量运筹对水稻灌浆期叶片光合速率的影响

由图2 可知，穗肥减氮10%对上3 叶净光合速率有明显影响。与对照（A）相比，就倒1 叶而言，当保花肥比值大于或等于1.5时，叶片净光合速率无显著变化（P＞0.05），反之，叶片净光合速率显著降低（P＜0.05），且与保花肥施用比例呈正比；就倒2 叶和倒3 叶而言，叶片净光合速率变化趋势一致，均表现为F＞C＞B＞D＞A＞E，亦与保花肥施用比例呈正相关，其中处理F 与处理C、处理B 与处理D、处理A 与处理E 之间均无显著差异（P＞0.05）。

图2 氮素穗肥减量运筹对灌浆期上3叶光合速率（Pn）的影响Fig.2 Effects of reduced nitrogen application on photosynthetic rate （Pn） of upper three leaves at filling stage

2.5 氮素穗肥减量运筹对水稻经济效益的影响

由表7可知，与对照（A）相比，穗肥减氮10%后，仅施保花肥处理（F）产值、纯收入和产/投比均明显降低，其余处理则表现为增加趋势，其中，当促花肥与保花肥施用量相同时（C），增幅最大，产值、纯收入和产/投比分别增加2.48%、17.31%和3.38%。

表7 氮素穗肥减量运筹对水稻经济效益的影响Table 7 Effect of nitrogen panicle fertilizer reduction on economic benefit of rice

2.6 氮素穗肥减量运筹对稻米品质的影响

由表8可知，与对照（A）相比，穗肥减氮10%后，各处理稻米加工品质和外观品质均有所改善，并以整精米率增加较显著，蒸煮品质（直链淀粉含量和胶稠度）均有所提高，营养品质（蛋白质含量）亦呈增加趋势（除处理D、E 蛋白质含量外），其中，处理C 蒸煮营养品质与对照无显著差异（P＞0.05）。等量穗肥条件下，加工品质（糙米率、精米率、整精米率）表现为穗肥一次施用相对优于分两次施用，其中穗肥一次施用以处理F（仅施保花肥）最优，整精米率较对照显著增加16.33 个百分点（P＜0.05），穗肥分两次施用以处理C改善较明显，整精米率较对照显著增加7.31个百分点（P＜0.05）；外观品质（垩白粒率、垩白度）中，处理E（仅施促花肥）最佳，处理F（仅施保花肥）最劣，穗肥分两次施用以促花肥与保花肥施用量相同时（C）最佳；蒸煮营养品质中，处理D直链淀粉含量最高，胶稠度最长，蛋白质含量最低，而处理C 直链淀粉含量相对较低，胶稠度较长（仅次于处理D），蛋白质含量适中。

表8 氮素穗肥减施及运筹对常规稻米品质的影响Table 8 Effects of nitrogen panicle fertilizer reduction and management on conventional rice quality

由图3可知，不同处理氨基酸总量表现为C＞F＞A＞D＞E＞B，与对照（A）相比，处理C 和F 氨基酸总量分别增加了8.05%和7.03%，且三者间无显著差异（P＞0.05）。在必需氨基酸中，不同处理以亮氨酸含量最高，其次为苯丙氨酸，缬氨酸含量最低；在非必需氨基酸中，不同处理表现为谷氨酸含量最高，其次为精氨酸、天冬氨酸，酪氨酸和组氨酸含量相对较低。

图3 氮素穗肥减量运筹对精米氨基酸含量的影响Fig.3 Effects of nitrogen panicle fertilizer reduction on amino acid content in milled rice

而不同处理间（非）必需氨基酸总量总体表现出与氨基酸总量相同的变化趋势，且必需氨基酸总量显著低于非必需氨基酸总量（P＜0.05）。与对照相比，对于必需氨基酸，处理C主要提高了蛋氨酸、缬氨酸含量（增幅＞5%），处理F 主要提高了苯丙氨酸、苏氨酸含量（增幅＞5%）；对于非必需氨基酸，处理C 主要提高了谷氨酸、精氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、组氨酸含量（增幅＞10%），处理F主要提高了精氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、酪氨酸、组氨酸含量（增幅＞10%）。可见，非必需氨基酸对穗肥减氮的响应相对于必需氨基酸更为敏感。

3 讨论

3.1 氮素穗肥减量运筹对草甸土水稻产量及效益的影响

大量研究表明，穗肥两次均施相比一次施用更有利于群体质量的提高，能够增加齐穗后干物质积累量占籽粒产量百分比，进一步优化水稻产量结构［3，9-10］。本研究发现，相同施氮量下，穗肥一次施用水稻产量显著低于分两次施用（P＜0.05），其中处理E 和处理F 分别主要降低结实率（P＜0.05）、千粒重和每穗粒数（P＜0.05），再一次证实了前人相关研究结果［3，9-10，17］。合理施肥及均衡的土壤养分对提高作物产量和肥料利用率至关重要［18］。本研究发现，相同施氮量下，随着保花肥比例的降低，产量有逐渐降低的趋势，其中，当促花肥与保花肥施用量相同时（C）增产幅度最大，为2.47%，主要表现为结实率与千粒重的提高（P＜0.05）。表现在成本效益方面，产值、纯收入和产/投比亦为处理C 增幅最大。由此推测，均衡施肥有助于根际土壤养分增加［19］或田面水氮素最高浓度的降低，并可减少田间径流时单次氮素的损失量，促进水稻对氮素的吸收，从而提高氮肥利用效率和产量及其构成因素，但以上猜测均需开展进一步深入研究来进行证实。此外，卓鑫鑫［20］研究发现，氮素穗肥用量的增加在促进水稻氮素积累的同时会导致氮肥利用率等指标的降低，且优质食味水稻品种的最适穗肥施氮量略低于普通食味水稻品种，最适穗肥用量条件下的穗肥农学利用率和偏生产力则不同程度高于普通食味水稻。相关研究表明，降低施氮总量、减少生长前期施氮比例是大幅提高集约化稻作区氮肥农学利用效率的有效途径［21］；同时，提高穗分化始期二次追肥的分配比例有利于促进全氮吸收和生物量积累，最终提高籽粒产量和氮素利用效率［22］。而本研究则主要针对后期穗肥减氮进行研究，并未涉及前期的基蘖肥运筹比例，同时仅包含草甸土一种土壤类型和南粳9108 一种优良食味水稻品种，后续将围绕不同肥力土壤类型、水稻品种和基蘖穗肥设置比例开展系统研究工作。

研究证实，作物50%以上的氮素吸收由土壤氮的矿化提供［23］。高地力稻田土壤氮素依存率高、氮肥贡献率小、施肥增产潜力小，氮素过量易导致贪青晚熟和倒伏，减量并优化施肥可以降低水稻产量对土壤基础地力的依赖，提高氮肥利用率和稻米品质［1，24-25］。鉴于本试验中土壤类型为草甸土，其0～10 cm 土层有机质含量高达28.77 g·kg-1，土壤肥力较高，而过高的氮素投入可能不利于土壤中活性氮组分的转化，不能更好地协调作物需氮与土壤供氮之间的关系，从而降低氮肥利用率，并增加氮素在土壤中的损失［26］。因此，尽管本研究穗肥减氮10%，水稻仍能获得0.43%～2.47%的增产幅度。

3.2 氮素穗肥减量运筹对草甸土水稻群体质量的影响

水稻上3 叶（高效叶）的生长与穗分化同步，抽穗后籽粒充实也主要依靠它们，且其处于受光条件良好的群体的上层，叶的生理年龄又较轻，具有旺盛的光合功能，综合效能高［27］。本研究中，成熟期及花后干物质积累量与产量间均呈极显著正相关关系（P＜0.01），说明籽粒产量形成主要依靠花后光合积累量［27］。而穗肥施用正处于水稻株、叶型建成阶段，其对叶片形态、光合特性及最终产量的影响方面，本研究发现，穗肥减氮情况下，促花肥占比越低，上3 叶叶长和单叶面积越小，且倒1叶、倒2叶、倒3叶叶长和叶面积对氮素穗肥的响应依次减弱，这与前人研究结果基本一致［17］。根据叶片同伸发育规律，促花肥施用时（倒4叶期），倒1 叶、倒2 叶正处于叶原基分化形成阶段，因而受到促花肥的影响更大。大量研究表明，氮素穗肥对水稻叶片形态、叶片光合速率及群体质量影响显著［3，17，28-29］。本研究发现，促花肥比例的增加虽然提高了上3 叶叶面积指数和总叶面积指数，但导致了光合速率和成熟期叶面积指数的降低，从而致使叶面积衰减率有所增加，这可能与抽穗期叶面积过大、叶片基角和开张角变大、叶片发生披垂造成的群体低透光率存在一定联系［17］。而群体荫蔽效应会减少光合作用所需光照量，尤其对倒2 叶和倒3 叶的影响明显，最终使结实期光合积累量随之减少，产量降低［17］。表明水稻群体叶面积的垂直分布会影响水稻的冠层光能截获，维持一定的透光率有利于水稻产量的增加［30］。其中，当促花肥与保花肥施用量相同时（处理C），抽穗期叶面积相对适宜，叶面积衰减率最低，灌浆期上3 叶净光合速率相对较高，进而促进了抽穗-成熟期干物质积累并提高其对籽粒产量的贡献率，最终增加结实率与千粒重，提高产量。

3.3 氮素穗肥减量运筹对草甸土水稻稻米品质的影响

研究发现，高肥力土壤条件下减氮有利于改善稻米加工品质、外观品质和食味评分［31］，氮素穗肥减量均施通过降低直链淀粉含量提升稻米食味值［32］。蒸煮食味品质作为核心稻米品质，表现为胶稠度越高，稻米食味品质越好，直链淀粉和蛋白质含量过高则不利于优良食味品质的形成［10，33-34］。本研究发现，穗肥减氮10%后，糙米率、精米率和整精米率较对照有所增加，并以整精米率增加显著，直链淀粉含量、胶稠度和蛋白质含量亦呈增加趋势，垩白粒率和垩白度则降低。这与已有研究得出的减氮提高食味品质的结论并不一致［31-32］，可能与基础地力、当地温光资源、品种特性、不同生态区水稻常规施氮量、基蘖穗肥运筹或管理措施等差异有关，有待从生理品质方面进行年际间和多点重复试验以对需肥特性进行深入确切研究。

不同品种改善稻米品质［9，35］或兼顾优质与高产目标［35］的适宜穗肥施氮时期不同，总体表现为倒1、倒3 叶期或倒2、倒4 叶期较适宜。本研究发现，相同施氮量下，加工品质表现为穗肥一次施用相对优于分两次施用，穗肥分两次施用则以处理C改善较明显；外观品质以处理E 最佳，处理F 最劣，穗肥分两次施用则以处理C 最佳。可能是由于南粳9108 为粳稻品种，灌浆周期长且速率平缓，加之本试验是在秸秆还田条件下实施，后期会释放一定养分，仅施用促花肥或保花肥即可满足灌浆期的养分需求，因此穗肥一次施用的加工品质较优。而有关仅施保花肥外观品质最差的原因有待进一步深入研究。蒸煮营养品质中，处理C 直链淀粉含量相对较低，胶稠度较长，蛋白质含量适中。这与前人研究结果存在一定差异［10，36-37］，可能与穗肥施用时期及不同水稻品种品质特性对氮素穗肥的响应程度不同或环境互作有关。此外，氨基酸作为重要营养物质，与人体营养供给水平息息相关，施肥方式、施肥量等均较大程度地影响稻米氨基酸含量［38］。本研究中，与对照相比，穗肥减氮10%后，处理C 氨基酸总量增幅最大（8.05%），主要表现为提高了蛋氨酸、缬氨酸2 种必需氨基酸（增幅＞5%）和谷氨酸、精氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、组氨酸5 种非必需氨基酸（增幅＞10%）含量。综上，氮素穗肥施用对稻米品质影响的研究还有待进一步完善，且因各地区生态条件和品种差异等导致研究结果有差异甚至相反，鉴于其影响因素复杂，故今后还需进行深入研究。

4 结论

本试验中，与对照（A）相比，在氮素穗肥减少10%且促花肥与保花肥比例为1∶1时（处理C），水稻抽穗期群体叶面积相对适宜，叶面积衰减率最低，灌浆期上3叶净光合速率相对较高，抽穗-成熟期干物质积累及其对籽粒产量贡献率较高，结实率与千粒重增加，产量、产值、纯收入和产/投比分别较对照增加2.47%、2.48%、17.31%和3.38%。另外，处理C的加工品质和外观品质相对较佳，直链淀粉含量最低，胶稠度较长，蛋白质含量适中，氨基酸总量最高。综上，本研究认为，草甸土水稻高产优质高效氮素穗肥运筹方式为：在纯氮99 kg·hm-2情况下，按促花肥（倒4叶期）和保花肥（倒2叶期）分两次等量施用，切忌在倒2叶期作保花肥全部一次施用。