水稻是辽宁省第二大粮食作物,种植面积约为49.27万hm2[1]。特别是位于辽河三角洲中心地带的滨海盐碱稻区,近10年种植面积平均为24万hm2[2],但氮肥施用量高达260～280kg/hm2,明显高于东北其他稻区,氮肥利用率为35%左右,远低于世界平均水平[3,4,5]。该地区盐渍化土壤及生产中大量投入化学氮肥的现状不但增加了生产成本,还导致氮素流失、土壤养分失衡、水体污染等问题[6,7],减产同时严重影响农田可持续利用[8]。为缓解盲目施肥引发不良环境效应,减少稻田生态系统化肥投入和提高肥料利用率成为重要的农业和环境措施[9]。传统化肥利用率低,施入土壤后极易挥发、淋溶及发生反硝化反应,新型肥料的研发与应用成为重点发展趋势之一[10],筛选适合滨海盐碱地区水稻生产的新型缓/控释肥对当地实现化肥减施增效、协调农业生产与环境之间的关系有深远意义。

新型缓/控释肥通过理化途径调控养分溶出速率,根据作物各生育时期对营养物质的需求规律释放养分供其生长发育[11]。研究[12,13]发现,一次性基施缓/控释肥料可显著提高水稻产量和氮肥利用率,并减少农田氨挥发、氮素淋溶损失;侯红乾等[14]通过2年田间定位试验发现,在推荐施肥基础上减量20%施用缓/控释肥并不影响产量;陈蕾等[15]认为,水稻秸秆生物炭制成的炭基肥料具有固氮作用,可削减稻田氮素的流失。植物对氮素的吸收利用效率与氮代谢密切相关,而氮代谢途径需硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、亚硝酸还原酶(NiR)和谷氨酸合成酶(GOGAT)等一系列氮代谢关键酶的参与,并受环境、施肥措施等因素影响[16]。程金秋[17]研究发现,缓/控释肥可提高水稻氮代谢酶和蛋白水解酶活性;孙永健等[18]研究认为,水氮对水稻氮代谢酶活性有显著互作效应,并可用各生育时期功能叶GS活性评价植株氮素积累量,用抽穗期剑叶各氮代谢酶活性综合评价产量及氮效率。此外,可溶性蛋白是植物体内重要的有机渗透调节物质,其含量高低与基础氮代谢密切相关[19]。

不同稻区种植品种、气候条件、土壤背景值及农艺制度差异较大,有关新型肥料对水稻产量和氮肥利用影响方面的研究应结合区域特性开展。滨海盐碱地区作为辽宁省水稻主产区和高肥区,当前尚缺乏此方面的系统研究,特别是从氮代谢角度解析缓/控释肥效应的研究更加少见。为此,本研究以该地区主栽品种“盐丰47”为试材,选择中科虹稳定性复合肥和炭基肥料开展大田定位试验,系统研究2种肥料对水稻产量形成和氮代谢酶活性的影响,以期为缓/控释肥的应用效果研究和因地制宜科学选用新型肥料提供理论依据。

1、材料与方法

1.1 试验区概况

滨海盐碱稻区位于辽河平原境内,属温带半湿润季风气候类型。试验区土壤为盐渍型水稻土,耕层土壤(0—20cm)背景值为:pH7.40,有机质含量26.47g/kg,全氮含量1.55g/kg,速效氮含量129.00mg/kg,全磷含量1.34g/kg,有效磷含量60.00mg/kg,全钾含量25.20g/kg,有效钾含量224.00mg/kg。

1.2 试验设计

以中晚熟粳稻“盐丰47”为材料,分别于2018年和2019年4—10月在盘山县坝墙子农场(122°14′17″N,41°09′31″E)开展大田试验。共设4种处理:(1)N1(常规化肥),供试肥料为46%尿素、12%过磷酸钙和60%氯化钾,氮肥施用量为当地习惯施用量260kg/hm2(纯N),磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)施用量均为90kg/hm2;(2)N2(中国科学院研制的中科虹稳定性复合肥,委托沈阳中科新型肥料有限公司生产,N、P2O5、K2O养分质量比为26∶10∶12,释放期120天);(3)N3(沈阳农业大学研制的炭基肥料,委托沈阳隆泰生物工程有限公司生产,N、P2O5、K2O养分质量比为24∶8∶10,生物炭10%,含硅、钙、锌等):(4)N0(空白对照),不施氮肥,磷肥和钾肥施用量及施用方式与N1处理相同,N2、N3处理肥料施用量均为600kg/hm2。N1处理中氮肥分基肥、蘖肥和穗肥3次施入(4∶3∶3),磷肥作为基肥一次性全量施入,钾肥分基肥和穗肥2次等量施入,中科虹复合肥和炭基肥料均作为基肥一次性施入。第1年试验于2018年4月16日育苗,5月25日移栽,10月5日收获。第2年试验于2019年4月18日育苗,5月26日移栽,10月9日收获。每种处理3次重复,随机区组排列,各处理之间筑埂分隔(面积为25×20=500m2),单独排灌。插秧苗龄为3叶1心期,行穴距为30cm×16.7cm,每穴3株秧苗,田间管理措施与当地生产保持一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 茎蘖动态

每种处理定点选取有代表性的植株10穴,自移栽后7天开始,每隔6天调查1次茎蘖数,直到茎蘖数不再变化为止。

1.3.2 产量

于成熟期(2018年10月3日和2019年10月7日)进行取样,每个小区收获5cm2(去除边行),脱粒后按照标准含水量(14%)计算产量。

1.3.3 产量构成

成熟期(2018年10月3日和2019年10月7日)各处理选取5穴(3次重复),按照标准含水量(14%)分别调查有效穗数、每粒数、结实率和千粒重。

1.3.4 可溶性蛋白含量

分别在齐穗期(2019年8月7日)和灌浆期(2019年9月4日)取剑叶,用液氮固定后置于超低温冰箱(-80℃)内保存待测,用ModefiedBraford蛋白质浓度试剂盒测定可溶性蛋白含量,具体步骤参照Bradford[20]的方法。每种处理3次重复。

1.3.5 氮代谢关键酶活性

分别在齐穗期(2019年8月7日)和灌浆期(2019年9月4日)取剑叶,液氮固定后置于超低温冰箱(-80℃)中保存待测,NR和GS活性测定方法参照Foyer等[21]和Hayakawa等[22]的离体法,NiR和GOGAT活性使用生化试剂盒测定,试剂盒购于苏州科铭生物技术有限公司,每种处理3次重复。

1.4 数据分析

采用Microsoftexcel2010进行数据整理及图表制作,采用SPSS21.0(Chicago,USA)软件进行方差分析及显著性检验,采用Origin8.0软件绘图。

2、结果与分析

2.1 试验区气候条件分析

2018年和2019年2个生长季气象数据均来自盘山国家基本气象站(NationalClimatologicalBaseStationofPanshan),数据真实可靠,可代表试验区气候特性。由图1可知,2个生长季温差不大,2018年生长季总日照时间略高于2019年,尤其是齐穗期(7月25日至8月9日)和灌浆中期(8月25日至9月9日)较明显;而2019年生长季总降水量达683.00mm,比2018年高256.30mm,且主要集中在返青期(5月25日至6月9日)、齐穗期(7月25日至8月9日)和灌浆初期(8月10日至8月24日)。

图12018年和2019年生育期试验区气温、降水量及日照时间

2.2 不同类型肥料对水稻茎蘖动态的影响

随着生育进程的推进,水稻茎蘖数均呈先增加后下降的单峰曲线趋势。分蘖初期,各处理茎蘖数基本一致(N0除外),而N1处理的茎蘖数加速最快,N2、N3次之,N0最低,到7月4日茎蘖数达峰值,之后开始逐渐下降,直到齐穗期趋于平缓(图2a)。由图2b可知,N1和N2处理显著增加了水稻茎蘖数,保证了较多有效分蘖。处理之间的差异可能由肥料的组分、养分质量比及运筹模式不同导致。总体来看,中科虹稳定性复合肥可保证在肥料总量、次数减少前提下维持较多有效分蘖,具有保蘖增穗作用。

2.3 缓/控释肥对水稻氮代谢关键酶活性和可溶性蛋白含量的影响

由表1可知,不同生育时期氮代谢酶和可溶性蛋白的活跃程度不同,灌浆期水稻功能叶NR、GS、NiR和GOGAT较齐穗期分别下降16.73%,50.39%,15.00%和5.87%,而可溶性蛋白含量提高61.82%,即氮代谢酶在齐穗期活性较高,而可溶性蛋白在灌浆期积累较多。从施肥处理来看,齐穗期N2、N3处理在NR、GS、NiR及可溶性蛋白表现较大优势,而N1处理GOGAT活性最高,差异达显著水平;灌浆期各处理组之间NR、GS、NiR和GOGAT活性差异不显著,而N2处理可溶性蛋白含量低于其他处理。由此可见,本研究中不同肥料对水稻氮代谢关键酶和可溶性蛋白的影响主要表现在齐穗期。

图2缓/控释肥料对水稻茎蘖数的影响

2.4 缓/控释肥对水稻地上部生物量的影响

从图3可以看出,不同肥料对水稻地上部生物量影响呈显著差异(P<0.05)。齐穗期总体表现为秸秆>籽粒,而成熟期表现相反。齐穗期秸秆生物量以N1、N2处理最高,分别为6.20,6.03t/hm2,显著高于N1、N3,但此时期各处理籽粒生物量差异不显著(图3a)。成熟期N2处理秸秆生物量最高,N1、N3次之,N0最低(P<0.05),而籽粒生物量最高为N1、N2处理,分别为14.52,14.08t/hm2(P<0.05,图3b)。因此,常规化肥和中科虹稳定性复合肥可显著增加水稻地上部生物量,但二者对籽粒生物量的贡献无显著差异。

图3缓/控释肥料对水稻地上部生物量的影响

2.5 缓/控释肥对水稻产量及其构成的影响

由表2可知,施肥可以显著提高水稻籽粒产量(P<0.05),而N1、N2和N3产量无显著差异。不同施肥处理对产量构成影响不同,且年际之间表现不完全一致,但2个生长季产量变化趋势相同,显著高于N0处理。2018年各处理有效穗数、穗粒数、结实率之间差异不显著,而N1处理有效穗数显著高于N2、N3;2019年N1、N2处理有效穗数显著高于N3和N0,而N3处理在穗粒数、结实率和千粒重均维持较高水平。

总体来看,N1、N2处理高产主要归因于较多有效穗数,而N3处理依靠穗粒数、结实率和千粒重维持产量,且补偿了有效穗数的不足。年际重复之间的差异可能由气候差异导致,尤其是2019年生殖生长期降水较多(图1),推测不同肥料对温度、光照和降水等因素的响应存在差异。

3、讨论与结论

传统氮肥活性高,损失途径多,磷肥和钾离子易被土壤固定或受径流、淋溶等影响,加之我国化肥施用量居高不下,造成肥料利用率低及环境负荷严重,发展新型肥料对农业生产有重要意义[23]。Wang等[24]通过4年大田定位试验发现,控释尿素可促进植株对氮素的吸收,从而增加有效穗数和单位面积实粒数。田昌等[25]研究发现,控释尿素减氮20%～30%能保证水稻稳产和较高的氮素收获指数;侯红乾等[26]研究认为,缓/控释肥可通过增加植株吸氮量维持水稻产量,当前生产情况下减量20%可同时保证较高的产量和氮肥利用率。本研究表明,N2、N3处理养分含量(纯N+P2O5+K2O)较N1分别减少151.50,187.50kg/hm2,且均为一次性基施,同时减少了施肥总量和次数,但二者产量与常规化肥相比无显著差异,原因可能是缓/控释肥养分释放周期长,可在生长关键阶段持续提供营养物质,该结果与吴萍萍等[27]报道一致。此外,2种肥料产量构成表现不同(表2),N2处理有效穗数显著高于N3,而N3在穗粒数、结实率和千粒重上维持较高水平(P<0.05),此结果与前人[24]研究不完全一致,可能由于N2、N3组分释放特性不同导致。但本研究中2种新型肥料均通过增加植株吸氮量来维持水稻高产,只是效应时期不同,与过往研究[24,25,26]结果类似。中科虹稳定性复合肥中氮、磷、钾含量均比后者高12kg/hm2,且肥效期在120天以上,其养分供应可持续到生育后期,保证较多有效分蘖的同时,加速了灌浆期营养物质向籽粒库转运;而炭基肥料中除含有氮、磷、钾外,另含12kg/hm2生物炭及少量硅、钙、锌,生物炭的主要成分是有机碳,可提高土壤中提取态养分含量及其吸附能力,减少铵盐、硝酸盐等淋失,增强土壤氮素的有效性,间接影响产量[28,29]。本研究结果显示,N3处理有效穗数显著低于其他处理,可能由于组分中氮、磷、钾含量相对低于N1、N2处理,到分蘖末期养分释放效应未达高峰所致;该肥料显著增加了穗粒数、结实率和千粒重,推测生物炭表面疏松多孔的结构促进了土壤团聚体形成,增强了生育中后期植株对营养物质的同化能力。

NR是植物体内氮素同化的限速酶,也是代谢系统中催化NO3-发生还原反应的第1个酶,其活性与NO3-浓度有关[23];植物吸收的硝酸盐先由NR还原成亚硝酸盐,再被NiR还原成氨,最终参与蛋白质合成,NR和NiR在初级氮同化中起调控作用[30];GS作为NH4+同化不可缺少的关键酶,主要参与氨的初级同化和再同化,将植物体内无机氮转化为有机氮;GOGAT与GS协同构成GS/GOGAT途径,催化NH4+同化反应,此途径是整个氮代谢的中心,植株体内的氮大多经此途径进行氮同化[16]。初长江等[31]在花生的研究中发现,控释肥比普通无机肥更有利于生育后期氮素同化和蛋白质合成,可以延缓根系和叶片衰老;卫丽等[32]研究认为,控释肥能有效协调碳氮代谢,并且提高叶片可溶性蛋白含量和NR活性。本研究中,齐穗期N2、N3处理NR、GS和NiR活性显著高于N1处理,该研究结果与前人[31,32]研究相似,推测中科虹稳定性复合肥中的硝化抑制剂可阻缓土壤中铵态氮转化为硝态氮的反应速度,减少氮素的淋溶损失,脲酶抑制剂可阻碍脲酶合成途径,减少铵态氮挥发和硝化;炭基肥料中含10%生物炭,其较强吸附性提高了土壤对氮素的固持,减少了铵盐、硝酸盐等淋失,且硅、钙、锌可促进叶绿素和生长素合成,改善植株碳、氮代谢。齐穗期N1处理显著提高了GOGAT活性,可能与穗肥追施尿素有关,并且N2处理显著高于N3处理,推测由于中科虹稳定性复合肥中氮、磷、钾比例高于炭基肥料,促进了NH4+的同化,较长的肥效期增强了植株氮代谢能力,加速了氮素吸收和转化。此外,各处理在灌浆期氮代谢酶活性差异不大,说明影响氮代谢途径的主要时期为齐穗期,该研究结果与孙永健等[18]报道一致。

由此可见,在肥料投入较高的滨海盐碱稻区,中科虹稳定性复合肥和炭基肥料均能在保证产量的基础上实现化学肥料的减施,可真正实现养分高效利用和节约生产成本,为该地区水稻稳产增效和发展环境友好型稻作提供材料基础。

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基金:辽宁省博士科研启动基金计划项目(2019-BS-135);国家重点研发计划专项(2018YFD0200200,2018YFD0300300);兴辽英才计划项目(XLYC1802044).