不同水分和氮素处理对寒地水稻生育及产量的影响

田亚芹，冯利平，邹海平，张祖建， 朱化敏，苗宇新

(1. 中国农业大学资源与环境学院， 北京 100193； 2. 河北省气象服务中心，石家庄 050021；3. 扬州大学农学院，扬州 225009； 4. 黑龙江省农垦总局建三江分局农业科学研究所，建三江 156300)

寒地水稻区是指北纬43°以北的黑龙江省全省以及吉林省北部部分县市的水稻种植区。黑龙江省是国家重要的商品稻谷产地之一，2011年黑龙江水稻种植面积超过340万hm2，稻谷产量达到2062.0 万t，成为全国稻谷产量第二大省[1]。

水分、氮素是影响水稻生长发育及产量的重要因素。我国水稻节水灌溉主要模式归纳为浅、湿、晒结合，间歇淹水，半旱栽培和蓄雨等4类[2]。吕艳东等[3]在寒地稻作区进行水稻全生育期间歇控水盆栽试验，认为间歇控水引起品种有效穗数降低，穗粒数增多，结实率提高，千粒重增加。王秋菊[4]研究表明适当控水灌溉可以增加水稻根系长度、数量、根体积，干物重及增强水稻根系活力。有些学者[5- 7]在进行氮素对寒地水稻的影响研究中认为，中国水稻生产氮肥施用量较高而利用率较低。我国寒地稻作条件和日本相似，水稻产量两地相差不大，但寒地氮肥用量过高，施肥时期不合理，致使氮肥偏生产力低。

目前在我国南方稻作区进行过较多的水氮及其耦合对水稻生长及产量的影响研究[8- 11]，而在寒地水稻区多为单一因素的影响研究[3- 7]，而关于不同水分和氮素处理对中国东北寒地水稻生育及产量影响的研究尚未见报道。本文通过两年不同水氮处理的大田试验研究水分和氮素对中国东北地区寒地水稻生育及产量的影响，以期为该地水稻田水肥科学管理，实现水稻生产高产高效提供理论依据。

1 材料与方法

试验设在黑龙江省富锦市建三江(47.28°N，132.63 °E，海拔64.8 m)，当地无霜期110—130 d，活动积温2300—2500 ℃，日照时数2200—2400 h；夏季短温度低，冬季长而寒冷，一年一熟，属高寒稻作区[1]。

1.1 试验设计

试验于2010—2011年5—9月在建三江科研所进行，两年供试品种均为空育131(11叶)和龙粳21(12叶)。设灌溉方式、施氮量二因素试验，随机区组设计，3次重复，小区面积40 m2。试验地土壤为粘壤土，有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为3.20%、145 mg/kg、30.0 mg/kg和106.8 mg/kg，pH值为6.0，土壤容重为1.25 g/cm3。

2010年灌溉处理设雨养(W0，只在返青期及施肥期进行必要的适量灌溉)、间歇灌溉(W1，土壤水势保持在-10 —-25 kPa)、水层灌溉(W2，土壤水势为0 kPa)。施氮处理设常规水平(F1，施纯氮总量为112.5 kg/hm2，分别作基肥:分蘖肥:穗肥施氮比例为4∶2∶4)、高氮水平(F2，施纯氮总量为142.5 kg/hm2，分别作基肥∶分蘖肥∶穗肥施氮比例为3∶3∶4)。2011年灌溉处理设置同2010年。施氮处理设不施氮(F0)、常规水平(F1，施纯氮总量为135 kg/hm2，分别作基肥∶分蘖肥∶穗肥施氮比例为4∶2∶4)、高氮水平(F2，施纯氮总量为172.5 kg/hm2，分别作基肥∶分蘖肥∶穗肥施氮比例为3∶3∶4)。两年试验均施用磷肥(P2O5)纯量45 kg/hm2，作基肥一次性施入；钾肥(K2O)纯量120 kg/hm2，分基肥和穗肥两次施入，比例1∶1。

寒地水稻大田生长期主要集中在5月至9月上旬。在塑料大棚中采用旱育秧，4月中上旬播种，4月下旬出苗，5月中下旬整地打浆，使用机械打匀打深，小区之间以田埂和水渠隔开，每个小区能够单独灌溉。在5月下旬3—3.5叶龄移栽，移栽密度28—31 穴/m2，4—5 株/穴。病虫害防治及除草等栽培管理同当地大田水稻生产。

1.2 测定项目与方法

调查记载水稻发育期。

各器官干物重与叶面积系数(LAI)的测定：在苗期、幼穗分化期、抽穗期、抽穗后20d和成熟期测定茎、叶、穗各器官的干物重。方法是将取回的植株样品洗净后剪去根系，按茎叶穗分开置于烘箱中，105 ℃杀青半小时后，调至75 ℃烘干至恒重，称重。叶面积系数测定采用比叶重法，选取其中10个平均大小的单茎，对上三叶测定最大叶宽后，剪取中间3 cm长叶片片段，单独烘干称重，求算比叶重，最后根据样品总叶重和比叶重计算出样本叶面积。

在抽穗期和成熟期将干物重样本粉碎，测定样品植株茎、叶、穗各器官含氮量，采用H2SO4-H2O2消煮定氮法[12]。

进行产量测定与考种。在成熟期，于测产区域中割取1 m2样本，3个重复，分别脱粒计产，并测定有效穗数、每穗粒数、千粒重、结实率等。

采用真空表式土壤负压计测定土壤水势，埋深15 cm，每隔2—3 d读1次数。

1.3 数据处理与计算方法

计算水稻吸氮量和氮肥吸收利用率，其公式分别为：

器官吸氮量=器官含氮量×器官干物重

氮肥吸收利用率(%)=(施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量)/ 施氮量×100%

通过Excel 2007进行试验数据处理，运用SPSS17.0软件方差分析方法(LSD)对不同水分管理和施氮量处理进行生物量及产量的显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同水分和氮素处理对水稻发育期的影响

龙粳21的总生育期比空育131长5—8 d，其中龙粳21在移栽-穗分化时期比空育131长6 d，而在灌浆期比空育131短2 d。同一水分处理下，不施氮处理水稻生育期比常规施氮(F1)缩短2—5 d，而高氮下水稻生育期延长2—4 d，间歇灌溉与水层灌溉同一氮素水平下的水稻生育期相同，而雨养处理能够使水稻生育期缩短1—5 d(表1)。

表1 2011年不同品种各处理水稻关键生育期(月-日)

2010年试验结果不同处理生育期表现与此相似。两年试验表现出雨养处理下生育期缩短，低氮处理生育期缩短。

2.2 不同水分和氮素处理对水稻叶面积指数的影响

两年试验中，两品种叶面积指数(LAI)在分蘖盛期后迅速增加，在抽穗期前后达到最大，此后逐渐下降 (图1)。

两年中在水稻抽穗期两品种氮素处理间叶面积指数有显著差异，空育131、龙粳21高氮处理的LAI分别显著高出常规施氮处理15%、16%，常规施氮处理LAI显著高出不施氮处理20%、31%。间歇灌溉与水层灌溉之间差异不显著，空育131间歇灌溉、水层灌溉显著高出雨养处理11%、13%；龙粳21间歇灌溉、水层灌溉显著高出雨养处理26%、18%。

在F0处理条件下，在水稻抽穗期空育131、龙粳21间歇灌溉LAI比雨养条件下分别高出30%、36%，而在高氮F2条件下比雨养下仅高出2%、8%。可见，在低氮条件下，水分不足的限制作用明显，而高氮则能一定程度地弥补水分的限制，促进叶片的生长。

2.3 不同水分和氮素处理对水稻地上部总干物重影响

地上部干物质总重随发育进程不断增加，在水稻营养生长阶段茎重、叶重不断增加，地上部干物质总重增加迅速，在生殖生长阶段茎重、叶重开始降低，穗重增加，总干物重增加减缓，地上部总干物重在成熟期达到最大值(图2)。

水稻成熟期干物重雨养与水层灌溉、雨养与间歇灌溉之间差异显著，间歇灌溉与水层灌溉之间差异不显著，比雨养处理高出12%左右。

水分处理相同时，随着施氮量的增加地上部总干物重显著增加。在雨养条件下，这种趋势在水稻生长早期即开始出现。在不施氮条件下，雨养处理与水层灌溉相比，茎重最大值降低20%左右，叶重最大值降低43%左右，在成熟期叶重降低57%。在高氮条件下，雨养处理比水层灌溉茎重降低仅为8%—11%，叶重降低2%—6%，同样在不施氮情况下，间歇灌溉与水层灌溉分别比雨养条件下穗重高17%、14%；在高氮条件下，水层灌溉、间歇灌溉、雨养处理之间的穗重相差较小，说明当地水稻生产中氮肥作用大于水分，增加施氮量可以在一定程度上减缓水分胁迫对水稻的影响。

图1 不同处理两品种叶面积指数(LAI)的动态变化(2010—2011)

图2 不同处理空育131品种地上部总干物质积累动态(2010—2011)

2.4 不同水分和氮素处理对水稻产量及产量构成因素影响

不同水分处理和氮素对水稻生长发育及生理活动所产生的各种影响，最终会影响到水稻产量形成。由表2 可见，施氮量对水稻产量影响达极显著水平。相同水分条件下，空育131和龙粳21高氮产量分别较不施氮分别提高了50%、38%、36%、30%、46%、66%。

表2 不同处理两品种水稻产量构成因素(2010—2011)

水分处理对水稻产量影响显著，均表现出两品种水层灌溉与间歇灌溉之间产量差异不显著，水层灌溉、间歇灌溉与雨养处理间差异显著。空育131水层灌溉较雨养产量显著提高23%、12%，龙粳21显著提高20%、12%。由此可见，空育131、龙粳21品种在水层灌溉和高氮处理下均具较大增产潜力。双因子方差分析表明，两年度两品种产量的水氮互作效应均不显著。

由表2可见，水稻有效穗数、每穗粒数、千粒重，随着施氮量的增加而增加。增加施氮量可以显著地提高水稻有效穗数、每穗粒数、千粒重。

在施氮水平一致的条件下，雨养处理水稻有效穗数、每穗粒数显著降低。有效穗数、水层灌溉处理与间歇灌溉处理之间差异不显著，水层灌溉、间歇灌溉与雨养处理之间有显著性差异。

两年度两品种有效穗数、每穗粒数、千粒重水氮互作效应均不显著。

2010、2011年度空育131有效穗数比龙粳21有效穗数分别高36.7%、50.3%；而龙粳21的每穗粒数比空育131分别高61.5%、33%，说明空育131分蘖力强，有效穗数多，而龙粳21相比于空育131分蘖力弱，每穗粒数多。

2.5 不同水分和氮素处理对水稻氮素利用效率的影响

由表3可见在水分条件一致时，随着施氮量的增加，两品种茎、叶、穗吸氮量、氮肥吸收利用率显著增加。空育131(除成熟期叶氮素积累量)水分处理间有显著差异，而水氮交互作用(除抽穗期叶氮素积累量)不显著；氮肥吸收利用率在间歇灌溉与水层处理条件下无显著差异，二者分别显著高出雨养处理63%、50%。

表3 不同水分和氮素处理对水稻植株氮素积累量及氮肥利用率的影响

龙粳21抽穗期茎、叶吸氮量及成熟期穗吸氮量水分处理间有显著差异，氮肥吸收利用率在间歇灌溉与水层处理条件下无显著差异，二者分别显著高出雨养处理24%、31%。穗吸氮量在抽穗期和成熟期均有显著互作效应。

3 讨论与结论

水氮是水稻生长的主要限制因子，寒地水稻区多为井灌区，并多采用水层灌溉方式，消耗地下水多。本文通过对2010—2011年水氮处理对水稻生长状况及产量的影响分析，认为间歇灌溉及高氮管理(142—173 kg/hm2)具有较好的增产效应及氮素利用率。周明耀[8]在南方稻作区研究认为间歇灌溉及适当氮素水平(202 kg/hm2)时产量及氮素利用率均较高，二者结果较为一致。

不同水氮处理条件下，雨养水稻氮素利用率显著降低，水层处理水分利用率显著降低，所以间歇灌溉能够使水稻产量不降低的情况下增加水稻氮素利用效率。这与前人研究结果一致[13- 15]。王绍华[10]研究也表明施氮量增加，水稻吸氮量增多，氮素利用率和产谷效率下降；水分胁迫增加，增强了氮肥降低水稻氮素利用率的效应。有研究表明[4,16]间歇灌溉处理使水稻蹲苗稳长，促进根系良好发育和对水分、养分的吸收，为水稻生长提供了有利条件，而缺水与缺氮使根分布浅，易早衰，对水稻的生长发育起到胁迫作用。因此雨养水稻的生长指标较之水层灌溉显著降低。本文得出，在低施氮条件下，水分不足的限制作用明显，而高施氮则能一定程度上弥补水分的限制，促进水稻的生长。当地水稻生产中氮肥作用大于水分，增加施氮量可以弥补水分限制对水稻的影响。

本研究表明，增加施氮量能显著地提高水稻有效穗数、每穗粒数，而水层灌溉处理与间歇灌溉处理之间二者差异均不显著，雨养水稻有效穗数显著降低，这造成了不同处理间的产量差异。这与Sun Yongjian[9]研究结果部分相似，本研究比较两品种产量构成因素可知，空育131分蘖力强，有效穗数多，而龙粳21相比于空育131分蘖力弱，每穗粒数多。

与以往寒地水稻研究中水分、氮素单因素研究相比[17- 18]，本文通过大田试验研究品种、水分、氮素及水氮互作对水稻生育期、叶面积、地上部干物重及水稻产量的影响，可深入了解水稻生产中水肥多因素互相制约、互相影响的问题。深入探讨水氮互作效应及合理的水肥管理措施，为生产管理提供理论依据。也有研究表明[19]，在南方常规施氮量(240 kg/hm2)下干湿交替灌溉对水稻产量无显著差异，但在高氮(300 kg/hm2)条件下干湿交替灌溉显著提高了水稻产量，其原因是由于干湿交替使得叶片光合速率和叶绿素含量下降较少，结实率和粒重增加明显超过光合作用下降造成的产量损失，产量明显提高。寒地水稻区由于土壤土壤肥力较高，当地的施肥水平在150 kg/hm2，对于进一步提高施氮水平，间歇灌溉的产量是否与南方水稻有一致的变化，还有待研究。

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