水氮互作对水稻产量形成的影响研究进展

协同利用水分和氮素这两个相互促进、相互制约的因子是提高作物产量与水氮利用效率的重要途径。本文从水氮互作的效应、水氮互作对水稻产量形成的影响以及高产高效栽培技术等方面进行了综述,并总结了存在的问题,提出了研究展望,以期为水稻高产、优质、高效栽培提供理论参考。     

不同小麦品种产量和氮素吸收利用的差异

为明确不同氮肥水平下不同小麦品种产量、氮素吸收和利用的差异,在大田条件下,以山东省主推的21个小麦品种为材料,研究了0、120、180、240和300kg·hm~(-2)共5个氮肥水平下不同小麦品种的产量、氮素利用率、氮素吸收效率和氮素利用效率等指标。结果表明,氮肥、品种及两者的互作效应显著影响冬小麦籽粒产量、氮素利用率、氮素吸收效率和利用效率;氮肥水平不同则品种间的氮效率差异程度不同。大部分供试品种的氮效率类型在不同氮肥水平下的聚类结果不一致,仅临麦4号、鲁原502、泰山28和山农25在各氮肥水平下的产量、氮素利用率均较高,可划为氮高效品种。氮高效品种达到高氮效率的途径不同,临麦4号通过高氮素吸收效率、泰山28通过高氮素利用效率、鲁原502和山农25通过氮素吸收效率和利用效率共同作用实现氮高效。由此可知,应在不同氮肥水平下对冬小麦品种进行产量和氮素利用率的综合评价,以筛选出适应不同地力环境的品种和与品种特性相适应的施肥技术;在氮高效品种的选育和推广中,应针对不同小麦品种的氮素吸收和利用特性进行鉴别和调控,才能最大程度挖掘和利用其高产、高效潜力,实现增产增效。     

不同灌溉方式及施氮量对水稻生长和氮素利用效率的影响

以T-43为材料开展田间小区试验,研究不同灌溉方式及施氮量对水稻干物质积累量及分配率、氮素积累、氮素利用效率及产量的影响。结果表明,淹灌处理水稻干物质积累量和氮素积累量显著大于膜下滴灌处理;施用氮肥显著提高了水稻的氮素积累量,水稻产量在施氮量为480 kg/hm~2时最大;与淹灌处理相比,滴灌处理的水稻产量降低了19.02%,氮肥利用率提高了1.92个百分点,水分利用效率提高了0.21 kg/m~3(105%)。     

不同氮肥运筹对东北春玉米氮素吸收和土壤氮素平衡的影响

在吉林省榆树市粮食高产示范区,以先玉335为试验材料,通过田间试验研究不同氮肥运筹对春玉米的生长、产量及土壤氮素平衡的影响。结果表明,适宜氮肥运筹方式能显著提高玉米产量,施氮量200 kg/hm2,全部用作基肥不追肥(基追比1∶0)处理前期氮素供应过量,导致氮素向子粒转运量减少,过多保留在营养体中,致使产量和氮素利用效率相对其他处理较低;氮肥1/5基施,2/5拔节期追施,2/5大喇叭口期追施(基追比为1∶2∶2)的处理有较高的氮肥农学利用率、氮肥利用率和氮肥偏生产力。玉米生育期田间氮肥的表观损失主要由一次性过量施肥造成,增大拔节后追肥比例增加了收获后土壤的无机氮残留。对氮肥的调控应结合作物养分不同阶段需求及土壤养分供应,达到玉米高产和提高氮肥利用效率,减少氮肥损失对环境带来的危害。     

水氮互作对作物生理特性和氮素利用影响的研究进展

水、肥是作物生长发育过程中既相互促进又相互制约的两个因子。随着农业水资源紧缺日趋严峻和不合理施肥造成的污染范围扩大,减少作物灌溉用水、提高肥料利用效率以实现农作物稳产高产的理论和技术研究受到广泛重视。本文就水氮互作对作物生长发育、光合特性、产量和氮素利用的影响、水氮互作对作物响应干旱胁迫的调控研究现状进行了综述,并对目前水氮互作研究中存在的问题进行了分析和讨论。     

施氮量对稻季氨挥发特点与氮素利用的影响

 在砂土和黏土两种土壤类型上,研究了施氮量对田面水NH4+ N浓度、氨挥发损失量、水稻产量、氮肥利用效率和土壤剖面氮素含量的影响。施氮后田面水NH4+ N浓度和氨挥发量都随着施氮量的增加而增加,且在施氮后1~3 d达到峰值,黏土要低于砂土;氨挥发损失量为分蘖肥时期＞倒4叶穗肥期＞基肥时期＞倒2叶穗肥期;黏土上稻季氨挥发总损失量为10.49~87.06 kg/hm2,占施氮量的10.92％~21.76％;砂土上稻季氨挥发总损失量为11.32~102.43 kg/hm2,占施氮量的11.32％~25.61％;施氮后氨挥发峰值和田面水铵态氮峰值同步出现,以分蘖肥时期最大,两者比值范围为23.76％~3365％;随着施氮量的增加,水稻产量增加,氮素积累量也增加,而氮肥利用效率降低;黏土上的水稻产量和氮素积累量要略高于砂土上的;土壤氮素含量在土壤深度40~50 cm处最低,相应各层土壤氮素含量随着施氮量的增加而提高,黏土要高于砂土。从氨挥发损失的角度来看,当施氮量超过250 kg/hm2时,氨挥发损失总量将跃增; 而从水稻获得高产的角度来看,施氮量应为300 kg/hm2左右,因此,试验条件下水稻高产且环境安全的适宜施氮量为250~300 kg/hm2。     

水氮限量供给下两个高产小麦品种氮素吸收与利用特征

为给华北地区冬小麦节水高产高效栽培提供理论依据,选用当地两个主栽冬小麦品种济麦22和石麦15为材料,在大田春灌一水(W1)和春灌二水(W2)2个灌水条件下均设置192kg.hm-2(N1)和270kg.hm-2(N2)2个施氮水平,研究了在水氮限量供给下冬小麦氮素吸收利用特征。结果表明:(1)在W1水平下,济麦22籽粒产量N1与N2处理无显著差异,石麦15籽粒产量N1处理显著高于N2处理;在W2水平下,两个小麦品种均以N1处理籽粒产量最高;在相同施氮水平下,两个小麦品种籽粒产量均以W2处理最高;在不同水氮处理下,济麦22籽粒产量高于石麦15。(2)在相同灌溉水平下,两品种氮素利用效率和氮肥生产效率均以N1处理较高;在相同施氮水平下,两个品种氮素利用效率和氮肥生产效率均以W2处理较高;在不同水氮处理下,济麦22氮素利用效率和氮肥生产效率高于石麦15。(3)在相同灌溉水平下,两小麦品种花后氮素积累量和分配比例均以N1处理最高;在相同施氮水平下,两小麦品种花后氮素积累量和分配比例均以W2处理最高。在不同水氮处理下,石麦15花后氮素积累量和分配比例高于济麦22。(4)方差分析表明,灌溉、品种、氮肥以及氮肥与品种、灌溉与氮肥的互作对籽粒产量影响均达显著水平,其中灌溉效应起主导作用。综合分析认为,两个小麦品种在限量供水(W2水平)、适量供氮(N1)处理下可以协调促进花后氮素积累、分配和有效转运,获得高产、高氮素利用效率和高氮肥生产效率。     

水氮互作对旱地春小麦氮肥利用效率和经济产量的影响

为明确水氮互作对旱地春小麦氮素利用效率和经济产量的影响,通过盆栽试验分析了不同水氮处理下春小麦关键生育期茎秆、叶片、麦穗（不含籽粒）和籽粒的全氮含量及经济产量。结果表明,水氮互作下,春小麦茎秆、叶片和麦穗（不含籽粒）的全氮含量均随生长发育进程的推进而呈现下降趋势;正常水分条件（土壤含水量为最大持水量的75%～85%）下,春小麦茎秆、叶片、麦穗（不含籽粒）和籽粒的全氮含量均表现为中氮处理（每公斤土壤施纯氮0.１5 g）＞高氮处理（每公斤土壤施纯氮0.25 g）＞空白对照（不施氮肥）,且中氮处理的氮肥利用率、农学效率和生产效率均显著高于高氮处理（P＜0.05）,但经济产量却显著低于高氮处理（P＜0.05）;水分胁迫条件（土壤含水量为最大持水量的35%～45%）下,春小麦茎秆、叶片、麦穗（不含籽粒）和籽粒的全氮含量均表现为高氮处理＞中氮处理＞空白对照,但中氮处理的氮肥利用率、农学效率和生产效率及经济产量均显著高于高氮处理（P＜0.05）。说明正常水分条件下,增加氮肥用量有利于提高旱地春小麦的经济产量,而水分胁迫条件下,减少氮肥用量更有利于旱地春小麦的生产。     

不同水氮管理模式对杂交籼稻F优498产量及水氮利用效率的影响

以F优498为材料,设置淹灌和控制性间歇灌溉方式以及5种施氮水平共10个处理,研究其对水稻产量及水、氮利用效率的影响。结果表明,合理的水氮管理模式能够提高水稻产量及水、氮利用效率。控制性间歇灌溉模式较淹灌模式产量平均提高3.22%,其增产原因是每穗总粒数、结实率、千粒重均有一定程度的提高;淹灌模式能够获得较多的有效穗数,从而保证产量不显著降低。与淹灌模式相比,控制性间歇灌溉模式能增加水稻生育后期的氮素积累,促进茎鞘氮素转运,提高氮素利用效率,提高水分生产效率和灌溉水生产力。综合产量与水、氮利用效率,淹灌模式下施氮量180 kg/hm~2表现较好,控制性间歇灌溉模式下施氮量135 kg/hm~2节水节肥效果较明显。     

水稻节氮高产高效栽培技术策略及实践

分析中国水稻生产上氮肥施用现状及其负面影响,探讨提高水稻节氮高产高效栽培的主要技术途径。从水稻基因型、物化技术等水稻节氮配套栽培技术研究实践出发,分析水稻生产上节氮栽培的可行性,及节氮栽培的主要途径。缓/控释肥料能显著提高水稻对氮素的吸收利用效率,从而大大减少氮肥施用总量,减少施氮30%时,水稻产量有所提高。提高水稻产量的主要技术对策是:改良水稻品种,培育耐低氮的高效、广适性水稻良种,推广水稻缓释肥料等物化技术,研究配套栽培技术节氮栽培潜力。     

水氮管理对不同氮效率水稻根系性状、氮素吸收利用及产量的影响

【目的】探究水氮管理措施对不同氮效率水稻根系构型、氮素吸收利用和产量形成的影响,以及根系性状特征与氮素吸收利用和产量关系。【方法】试验采用三因素裂裂区设计,主区为2个不同氮效率水稻品种德香4103(氮高效型)和宜香3724(氮低效型),裂区设置"常规灌溉"和"控制性交替灌溉"2种水分管理方式,裂裂区为SPAD指导施肥、优化施肥以及农民习惯施肥3种施氮模式,运用岭回归分析方法探究根系构型与氮素吸收利用和产量的关系。【结果】水稻抽穗期根系性状、产量、每穗粒数、千粒重及总颖花量均存在显著的基因型差异。氮高效品种德香4103每穗粒数多,群体库容量大,产量较氮低效品种宜香3724高0.24%~11.31%;控制性交替灌溉有利于水稻千粒重的增长,常规灌溉则对水稻有效穗数、每穗粒数及群体颖花量提高更为有利;SPAD指导施肥和优化施肥处理能够提高水稻有效穗数和每穗粒数,扩大群体颖花量以保证其对农民习惯施肥的产量优势;由于水氮互作效应的存在,控制性交替灌溉下施氮处理与空白处理水稻千粒重的差距比常规灌溉的大幅降低,使得控制性交替灌溉下施用氮肥的增产效果更佳。德香4103的氮肥生理利用率较宜香3724平均高8.69%,常规灌溉下水稻氮积累量较高,控制性交替灌溉下氮肥回收率、农学利用率、生理利用率均较优;与农民习惯施肥处理相比,SPAD指导施肥与优化施肥模式更有利于水稻氮素吸收利用效率的提高。拔节期、抽穗期和成熟期水稻根系构型与产量岭回归方程的决定系数范围为0.4198~0.9028,其中,抽穗期根系性状与产量关系最为密切,氮高效和氮低效品种的决定系数均超过0.9。在拔节期,水稻细分枝根长对产量影响最大;在抽穗期,氮高效和氮低效品种存在差异,前者是粗分枝根长,后者是细分枝根表面积对产量影响最大;在成熟期,不定根长与产量关系最为密切。水稻抽穗期根系构型对氮积累量变化的解释程度较高,岭回归方程决定系数均接近0.7。就水氮管理措施而言,氮高效和氮低效水稻均应采用常规灌溉配套SPAD指导施肥或控制性交替灌溉结合优化施肥来实现产量的提高。【结论】水稻抽穗期根系构型与产量、氮积累量关系密切,采用合理的水氮管理措施能够实现水稻产量和氮素吸收利用效率的同步提高。     

灌溉模式与施氮量交互作用对水稻产量以及水、氮利用效率的影响

【目的】研究不同水、氮管理模式对水稻产量以及水、氮利用效率的影响,以期为水稻高产与水、氮高效利用提供理论依据和技术参考。【方法】大田试验于2015-2016年在浙江富阳进行,供试品种为三系籼型杂交稻天优华占。设置常规灌溉(CI)和干湿交替灌溉(AWD)两种灌溉模式,同时设置低氮(LN,80 kg/hm~2)、中氮(MN,160kg/hm~2)和高氮(HN,240 kg/hm~2)3种施氮水平。【结果】灌溉模式与施氮量对水稻产量以及水、氮利用效率有显著互作效应。与CI相比,AWD抑制无效分蘖,分蘖成穗率提高8.1%~10.7%;提高抽穗期至成熟期的光合势(LAD)与群体生长率(CGR);促进根系下扎,10~20 cm根层根系生物量增加了24.4%~32.3%,同时提高了结实期根系活性;促使茎鞘中非结构性碳水化合物(NSC)向籽粒中运转;且AWD在160 kg/hm~2(中氮)施氮水平下可显著提高产量与水、氮利用效率,为本研究最佳的水、氮运筹模式。【结论】通过适宜的水、氮运筹可充分发挥其互作效应,提高水稻产量与水、氮利用效率。     

不同氮利用率粳稻品种的碳氮积累与转运特征及其生理机制

【目的】探明不同氮利用率水稻品种的氮素积累与转运特征及其机制。【方法】2个氮高效品种(武运粳30号和连粳7号)和2个氮低效品种(扬粳4038和宁粳1号)种植于大田,设置2个施氮量：全生育期不施氮(0 N)和全生育期施氮180 kg/hm² (180N),比较分析了不同氮利用率粳稻品种干物质生产、氮素积累与转运差异及其机制。【结果】与氮低效品种相比,氮高效品种具有较高的产量、氮肥利用率、总颖花量和结实率,较高的花前干物质转运量和花后干物质积累量,分蘖至穗分化始期和抽穗至成熟期较高的净同化率和作物生长率,抽穗期较高的糖花比,灌浆期较高的籽粒库活性、籽粒中脱落酸与1-氨基环丙烷-1-羧酸含量的比值和茎鞘中较高的非结构性碳水化合物的转运和蔗糖合成相关酶活性以及蔗糖转运蛋白基因的表达量,抽穗后较高的氮转运、氮素吸收量,灌浆期较高的比叶氮含量、叶片中细胞分裂素含量、氮代谢酶活性以及氮素转运相关基因的表达量。【结论】氮高效品种穗分化前和抽穗后较高的物质生产效率以及灌浆期较高的碳氮转运与积累是产量和氮肥利用率协同提高的重要机制。     

优化栽培模式对水稻根-冠生长特性、水氮利用效率和产量的影响

【目的】探明优化栽培模式对水稻根冠发育以及产量与肥水利用效率的影响。【方法】以甬优1540(三系籼/粳杂交稻)为材料,设置3个处理：0N(空白)栽培模式、当地农户习惯栽培模式(对照)以及优化栽培模式。【结果】优化栽培处理两年的平均产量为11.5 t/hm²,与对照差异不显著;但其氮肥偏生产力、产谷利用率以及水分利用率较对照显著提高。与对照相比,优化栽培处理改善了水稻根系形态与生理特征,降低了根系生物量与根-冠比,提高了深根比与比根长,增加了齐穗期与灌浆中期根系活跃吸收表面积,提高了灌浆中后期根系氧化力与根系伤流液中玉米素(Z)+玉米素核苷(ZR)的浓度。此外,与对照相比,优化栽培处理显著提高了灌浆中后期剑叶净光合速率、叶片中Z+ZR含量以及籽粒中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性。【结论】优化与集成现有栽培技术,可以改善水稻根系形态与生理特征,提高地上部生理活性,进而实现肥水利用效率的提高。     

Key Indicators for Assessing Nitrogen Use Efficiency in Cereal-Based Agroecosystems

SUMMARY

Improving nitrogen use efficiency (NUE) is an important objective of agroecosystem management. We define and demonstrate key indicators of NUE that enable a broader assessment of N management strategies. Nitrogen efficiency components and indexes were defined to assess soil and crop physiological processes, and agronomic and environmental factors related to N use. Measurements of grain yield, grain N, aboveground plant N, applied N, post-harvest root-zone soil N, and N losses via subsurface drains were used to assess N retention efficiency, available N uptake efficiency, N utilization efficiency, N harvest index, N yield efficiency, N reliance index, grain N accumulation efficiency, N balance index, N fertilizer utilization efficiency, and N loss index. Nitrogen use indicators were evaluated for two field studies: (1) hard red spring wheat with four N levels and two tillage treatments: no-tillage (NT) and conventional tillage (CT); and (2) corn in crop sequences of continuous corn (C-C), corn-soybean (C-S), two years of corn following alfalfa (ALF-C-C), and two years of corn following perennial grass (CRP-C-C). Tillage, crop rotation, and applied N had large and variable effects on different indicators of N use. N efficiency components and indexes were useful for monitoring cropping system N use, assessing N management strategies, and identifying key areas for improvements in NUE.     

Yield response of corn to irrigation and nitrogen fertilization in a Mediterranean environment

Productivity and resource-use efficiency in corn (Zea mays L.) are crucial issues in sustainable agriculture, especially in high-demand resource crops such as corn. The aims of this research were to compare irrigation scheduling and nitrogen fertilization rates in corn, evaluating yield, water (WUE), irrigation water (IRRWUE) and nitrogen use (NUE) efficiencies. A 2-year field experiment was carried out in a Mediterranean coastal area of Central Italy (175 mm of rainfall in the corn-growing period) and corn was subjected to three irrigation levels (rainfed and supply at 50 and 100% of crop evapotranspiration, ETc) in interaction with three nitrogen fertilization levels (not fertilized, 15 and 30 g (N) m⁻²). The results indicated a large yearly variability, mainly due to a rainfall event at the silking stage in the first year; a significant irrigation effect was observed for all the variables under study, except for plant population. Nitrogen rates affected grain yield plant⁻¹ and ear⁻¹, grain and biomass yield, HI, WUE, IRRWUE and NUE, with significant differences between non-fertilized and the two fertilized treatments (15 and 30 g (N) m⁻²). Furthermore, deficit irrigation (50% of ETc) was to a large degree equal to 100% of the ETc irrigation regime. A significant interaction “N × I” was observed for grain yield and WUE. The effect of nitrogen availability was amplified at the maximum irrigation water regime. The relationships between grain yield and evapotranspiration showed basal ET, the amount necessary to start producing grain, of about 63 mm in the first and 206 mm in the second year. Rainfed crop depleted most of the water in the 0–0.6 m soil depth range, while irrigated scenarios absorbed soil water within the profile to a depth of 1.0 m. Corn in a Mediterranean area can be cultivated with acceptable yields while saving irrigation water and reducing nitrogen supply and also exploiting the positive interaction between these two factors, so maximizing resource-use efficiency.     

水氮供应对北疆春玉米产量、水氮利用及品质的影响

为了探明膜下滴灌条件下水氮供应对北疆春玉米产量、水氮利用效率以及子粒品质的影响，设计3个灌水量水平和4个施氮量水平共12个处理的双因素测坑试验。结果表明，在同一灌水量条件下，随施氮量的增加，春玉米子粒产量、水分利用效率(WUE)、地上部干物质量、氮素吸收量以及总淀粉和粗蛋白含量，均表现出先增后减的趋势，耗水量无显著变化，氮素利用效率(NUE)和粗脂肪含量分别表现出递增和递减的趋势。在同一施氮量条件下，随灌水量的增加，耗水量、子粒产量、NUE和总淀粉含量以及地上部干物质量与氮素吸收量，均表现出递增趋势，粗蛋白和粗脂肪含量相反，而WUE先增后减。通过CRITIC和TOPSIS综合评价排序，与试验地肥力相近的北疆膜下滴灌春玉米适宜的灌水量为5 100 m³/hm²、施氮量为460 kg/hm²。     

玉米秸秆还田条件下冬灌时间与施氮方式对冬小麦生长发育及水肥利用效率的影响

为给玉米秸秆还田条件下冬小麦的水氮运筹提供依据,以小麦品种临优2069为材料,研究了山西省小麦-玉米一年两熟区玉米秸秆还田条件下冬灌时间和施氮方式对冬小麦生长发育及水氮利用效率的影响。结果表明,随着冬前灌水时间的推迟,小麦总茎数、单株分蘖数、成穗数、产量、籽粒水分生产率、氮肥表观利用率均呈先升高后降低趋势,以11月25日冬灌的最高。在施氮量相同条件下,氮肥一次性底施(N10∶0)的拔节期总茎数、成穗数、产量、籽粒水分生产率和氮素吸收量、表观利用率高于氮肥70%底施+30%拔节期追施(N7∶3)处理,冬前总茎数、单株分蘖数则相反。冬前灌水时间提前和氮肥一次性底施有利于提高小麦前期单株干重;冬前灌水时间推迟和后期追氮则有利于灌浆期穗部和总干物质的积累。因此,山西省小麦-玉米一年两熟区,秸秆还田条件下氮肥采取一次性底施,并于11月25日冬灌,可实现冬小麦的高产高效栽培。     

小麦氮素高效育种研究进展

氮素是植物生长的必需元素,也是粮食作物产量的一个重要限制因素。培育氮素高效利用的农作物新品种不仅可以降低农业生产成本,还可以从根本上解决氮素施用不当造成的各种问题,是新一代绿色高效农业的发展方向。本文综述了当前小麦氮素高效利用育种研究进展,包括小麦氮素利用效率的评价、小麦氮素响应的基因型差异、影响小麦氮素利用率的形态及理化性状、小麦氮素利用相关基因的挖掘及分子育种与传统育种相结合提高氮素利用率等。