实时实地氮肥管理对水稻产量、品质和氮效率影响的研究

论文摘要

氮肥利用率低是我国水稻生产中的突出问题。水稻实时（Real-time NitrogenManagement，RTNM）、实地（Site-specific Nitrogen Management，SSNM）氮肥管理是中国科学家根据国际水稻研究所的实时实地养分管理（Real-time and Site-specificNutrient Management）原理，结合中国水稻生产的特点，研创的以氮肥管理为中心的一项新型水稻高产高效氮肥管理技术。本项研究在2004和2005年于湖北省孝南区新铺镇徐山村的大田条件下进行。采用叶绿素速测仪（SPAD-502）监测水稻氮素营养状况，RTNM根据移栽后每周一次SPAD测定值确定是否施氮：SSNM则根据关键生育期SPAD测定值确定施氮量。研究了不同施氮模式对两系杂交稻两优培九和三系杂交稻汕优63的生长发育、稻谷产量、氮肥利用率、冠层小气候和稻米品质的影响。旨在评价RTNM和SSNM对不同水稻品种产量、品质、氮肥利用率的影响，为生产上推广应用实时实地氮肥管理，选择适宜的SPAD阈值。主要的研究结果如下：（1）在实时实地氮肥管理模式下，SPAD阈值设置越高施氮量越多，两供试品种的施氮量与SPAD阈值均呈极显著的正相关；但施氮量与SPAD阈值的相关回归方程的斜率年度之间相差较大，这说明实时实地氮肥管理能根据不同气候条件实行氮肥用量的动态调节。在RTNM模式下，随着SPAD阈值的提高，施肥次数和施肥量随之增加；在相同的SPAD阈值下，汕优63比两优培九多增加一次施肥次数，施氮量增加30kg N．hm-2-45kg N．hm-2。在SSNM模式下，采用相同的SPAD阈值时汕优63比两优培九施氮量增加10kg N．hm-2-20kg N．hm-2。（2）在实时氮肥管理模式下，水稻干物质积累量随SAPD阈值的升高而增加，但当SPAD阈值提高到一定值后，再提高SPAD阈值对增加干物质的效果不明显。施肥时期和施氮量相同的情况下，两优培九成熟期的干物质积累总量比汕优63高；在抽穗期以前，汕优63和两优培九干物质积累量接近；抽穗后，两优培九干物质生产能力高于汕优63，最终干物质积累量增加10％左右：这是两优培九最终产量较高的主要生物学基础。（3）在实时实地氮肥管理模式下，稻谷产量与SPAD阈值及施氮量均呈二项式相关，存在一个最适SPAD阈值（最适施氮量值）。不同水稻品种在达到最高产量时的最适施氮量不同，汕优63达到其最高产量时的需氮量比两优培九少，且汕优63达到最高产量时的最适SPAD阈值比两优培九小。这表明在应用实时实地氮肥管理时，对于与汕优63品种特性相类似的品种或组合，在生产中应采用较小的SPAD阈值；而对与两优培九品种特性相类似的品种或组合，在生产中应适当调高SPAD阈值。不同SPAD阈值处理对水稻的产量及产量形成的影响各不相同。两优培九在RTNM模式下，以SPAD阈值39-41(氮肥用量：155kg N·hm-2-165kg N·hm-2)时施氮量中等，产量较高；相应地汕优63以SPAD阈值在36-37(氮肥用量：120kgN·hm-2-165kg N·hm-2)为适。（4）在实时氮肥管理模式下，随SPAD阈值的提高，施氮量增加，两优培九和汕优63两个品种的氮素干物质生产效率、氮素稻谷生产效率、氮收获指数、氮肥农学利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生产力总体趋势是下降的。两优培九和汕优63的SPAD阈值分别为35-39、34-36时能获得较高的氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生产力。两个品种基于实地氮肥管理模式处理的氮肥利用率各项指标相比其在实时氮肥管理模式下的最优值，两品种的氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率均较佳。在RTNM模式下，具有相同的施氮量和施氮时期，对两品种比较分析发现，当施氮量为90kgN.hm-2时，汕优63的氮肥吸收利用率比两优培九高70.7％，但生理利用率却比两优培九低16.6％；当施氮量为120 kgN．hm-2以上时，两优培九比汕优63具有更高的氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率；这表明汕优63具有更高的利用低氮能力，而两优培九利用高氮的能力强。（5）在RTNM模式下，SPAD阈值设置越高施氮量增加相应地影响稻米品质。整精米率随SPAD阈值的增加而升高，当SPAD阈值过大时，整精米率下降，两品种表现的趋势基本一致；不同品种整精米率的最高值所对应的SPAD阈值不一致，对两优培九，以SPAD为39的处理整精米率最高，而对汕优63则宜选择SPAD38左右。在适宜的SPAD阈值下稻米垩白率和垩白度较低，过高时垩白率和垩白度增加。两优培九的整精米率显著高于汕优63，粒型优于汕优63，而垩白率和垩白度则比汕优63的低，差异均达显著水平。综合分析RTNM对稻米各项品质指标的影响，可知，两优培九以SPAD阈值38-41(氮肥用量120kg N．hm-2～165kg N．hm-2)有利于改善稻米外观品质和加工品质：而对汕优63 SPAD阈值为36-39(氮肥用量：120kg N．hm-2～165kg N hm2)。而在采用SSNM时，对于两优培九及其类似品种应选用38-39作为SPAD阈值；而对于汕优63及其类似品种应选用36左右作为SPAD阈值。（6）以微型温湿度自动记录仪记录和冠层取样测定相结合，研究了不同施氮处理水稻冠层内的温度与相对湿度变化，结果表明：a)水稻冠层内的温、湿度受冠层外大气的影响，但昼夜变化趋势与冠层外大气一致。温度在夜间（19：00-7：oo）低且稳定，白天（7：00-19：oo）高且变化幅度大，至13：00左右达最高值。冠内最高温度与冠外大气最高温度之间呈显著线性相关关系，群体越大，冠内的温度变幅越小。冠层相对湿度在夜间高且稳定（达90％-10096），在白天小但变幅大，至13：00左右达最低值。b)水稻冠层内温度、湿度的昼夜变化幅度受群体大小的影响显著，处理组合之间温度变化的差异，主要表现为昼温的差异，以日最高温度的变异最大，处理间可达2℃-5℃。冠内昼温在处理间的变化规律表现为：随施氮量的增加昼温依次的差异，以日最低相对湿度的差异最大，处理之间相差可达25％。冠内湿度在处理之间的变化规律表现为：随施氮量的增加昼湿依次增大，与群体大小相对应：冠内日相对湿度总体表现是大于冠外大气。c)冠内温、湿度大小受生长期的影响。从分蘖期至蜡熟期，处理之间以在分蘖期差异最小，齐穗前后差异最大。d)水稻株高、茎蘖数、LAI与冠内日最高温度呈显著负相关，与冠内日最低相对湿度显著呈正相关，冠层昼温、冠层昼湿与LAI和茎蘖数的多元线性回归关系达极显著水平，齐穗期单位株高的冠层降温效应为0.216℃，增湿效应为0.53％。（7）本研究证明，在实时实地氮肥管理中，SPAD阈值设置越高，所有品种在全生育期中叶片的氮浓度较高，需要施用更多的氮肥。设置为同样的SPAD阈值时，叶色偏淡、叶片较薄的水稻品种或组合相比叶色较深、叶片较厚的需要施用更多的氮肥。因此，在生产上如果根据实时实地氮肥管理模式设定SPAD阈值时，需要考虑品种的叶色深浅和叶片厚薄（比叶重的大小）作适当调整。叶色较深、叶片较厚的品种或组合，采用的SPAD施肥阈值应适当提高。对于与汕优63品种特性相类似品种或组合，适宜SPAD阈值为36左右，而与两优培九品种特性相类似品种或组合则为39左右。而且，在采用实时实地氮肥管理选择SPAD阈值时，应当考虑品种的差异作出相应调整，对于同一品种在不同年度之间可保持不变。综合考虑不同水稻品种特性，产量，施氮量，氮肥利用率及氮肥对稻米品质的影响；在生产上应用实地氮肥管理模式时，对于与汕优63品种特性相类似的品种或组合，SPAD阈值以36为宜；如果采用实时氮肥管理模式，SPAD阈值为36-38时进行氮肥运筹能获得较高的产量和农学利用率。对于与两优培九品种特性相类似的水稻品种或组合，应适当提高SPAD施肥阈值（如SPAD=38-39），以采用实地氮肥管理模式为佳。这样氮肥施用量适宜，可获得较高的产量和氮肥利用率，增产增收。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩写符号列表
• 前言
• 1 水稻的氮素营养
• 1.1 水稻吸收和利用氮素营养的特性
• 1.2 氮素对水稻光合作用的影响
• 1.3 氮素对水稻产量形成的影响
• 1.4 水稻对氮肥的响应特性
• 2 水稻的氮肥利用率
• 2.1 氮肥利用率的定义
• 2.2 水稻氮肥利用率的测定方法
• 2.3 不同类型水稻对氮素吸收和利用的差异
• 3 稻田氮肥使用现状及存在问题
• 3.1 稻田氮肥施用现状
• 3.2 稻田氮肥利用率与国外的比较
• 3.3 稻田氮肥利用率低给环境带来的影响
• 4 提高氮肥利用率措施及实地实时营养管理的研究进展
• 4.1 氮肥深施
• 4.2 新型肥料
• 4.3 氮肥增效剂
• 4.4 平衡施肥
• 4.5 计算机决策支持系统指导施肥
• 4.6 实地施肥管理模式（Site-specific Nutrient Management，SSNM）
• 4.7 实时氮肥管理（Real-time Nitrogen Management，RINM）
• 5 稻田氮肥利用率低的原因分析
• 5.1 土壤背景氮（Indigenous N supply）
• 5.2 杂交水稻
• 5.3 超级稻育种
• 5.4 氮肥施用时期
• 5.5 中期搁田
• 6 本研究的目的与意义
• 第一章 实时实地氮肥管理对水稻的生长及产量形成的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 试验设计
• 1.3 测定项目与测定方法
• 1.4 数据整理与分析
• 2 结果与分析
• 2.1 茎蘖的动态变化
• 2.2 株高与冠层高
• 2.3 叶面积扩展与比叶重
• 2.4 颖花、粒叶比
• 2.5 干物质生产与分配
• 2.6 水稻的产量构成与稻谷产量
• 3 讨论
• 3.1 实时实地氮肥管理对水稻的产量及产量形成的影响
• 3.2 以SPAD仪为指导的实时实地氮肥管理的技术特点
• 第二章 实时实地氮肥管理模式下不同类型水稻氮肥利用率的比较研究
• 1 材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 试验设计
• 1.3 测定项目与测定方法
• 1.4 数据整理与分析
• 2 结果与分析
• 2.1 植株各器官氮含量
• 2.2 单位叶片面积氮积累量
• 2.3 氮素积累与分配
• 2.4 不同时期氮素干物质生产效率
• 2.5 百千克籽粒需氮量
• 2.6 氮肥利用率
• 3 讨论
• 3.1 氮肥利用率的评价
• 3.2 土壤背景氮对氮肥利用率的影响
• 3.3 常规推荐施肥与实时实地氮肥管理
• 第三章 不同氮肥水平对水稻冠层小气候与群体植冠结构的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 群体构建
• 1.2 冠层小气候观测与计算
• 1.3 统计分析
• 2 结果与分析
• 2.1 不同处理组合的水稻冠层结构
• 2.2 冠层温度的昼夜变化
• 2.4 不同时期冠层内温度、湿度的变化
• 2.5 冠层内温度、湿度与冠层外大气温度、湿度的关系
• 2.6 群体结构对冠层小气候的影响
• 3 讨论
• 第四章 水稻实时实地氮肥管理最适SPAD阈值的筛选
• 1 材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 试验设计
• 1.3 测定项目与测定方法
• 1.4 数据整理与分析
• 2 结果与分析
• 2.1 不同SPAD阈值处理对施氮量及叶片SRAD测定值的影响
• 2.2 产量、施肥量与SPAD施肥阈值的相关性
• 2.3 产量与叶面积指数的相关性
• 2.4 不同水稻品种的干物质、氮素的积累动态
• 2.5 相同SPAD施肥阈值处理品种间的产量的表现
• 3 讨论
• 3.1 不同水稻品种SRAD推荐施肥阈值
• 3.2 基于不同目的SPAD推荐施肥阈值
• 3.3 实时实地氮肥管理大面积推广的可行性
• 第五章 实时实地氮肥管理对水稻稻米品质的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 试验设计
• 1.3 测定项目与测定方法
• 1.4 数据整理与分析
• 2 结果与分析
• 2.1 实地实时氮肥管理对加工品质的影响
• 2.2 实地实时氮肥管理对外观品质的影响
• 2.3 实地实时氮肥管理对蒸煮、营养品质的影响
• 2.4 相同施肥条件两个品种稻米品质的表现
• 2.5 相同SPAD阈值处理品种间的品质表现
• 3 讨论
• 第六章 结语
• 1 研究小结
• 1.1 实时实地氮肥管理对水稻的产量及产量形成的影响
• 1.2 实时实地氮肥管理对水稻氮肥利用率的影响
• 1.3 水稻冠层的小气候特征及其与群体植冠结构的关系
• 1.4 水稻实时实地氮肥管理最适SRAD阈值的筛选
• 1.5 实时实地氮肥管理对水稻稻米品质的影响
• 2 本研究的创新点
• 2.1 研究手段与方法有创新
• 2.2 明确了实时实地氮肥管理对水稻产量、品质和氮肥利用率的影响
• 2.3 明确了水稻冠层内小气候的特点与影响因素
• 2.4 提出了针对不同水稻品种的SRAD阈值
• 3 本研究存在的问题及进一步研究的思路
• 3.1 存在问题
• 3.2 进一步研究的思路
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文情况