叶龄调控下水肥耦合对寒地水稻生物学特征及水肥利用效率的影响

2020-07-20徐飞隋文志张拓怀宝东杨雪

中国水稻科学 2020年4期

徐飞隋文志张拓怀宝东杨雪

(1黑龙江省农垦科学院, 哈尔滨 150038；2西华师范大学环境科学与工程学院，四川南充 637002； *通信联系人，E-mail: suiwz@sina.com)

我国是全球粳稻种植面积最大、总产量最高的国家，粳稻年产量7 020万t，约占全球粳稻总产量的68%[1]。由于粳稻具有耐低温、生长周期短、口感佳等优点，在我国东北地区得到迅速发展，种植面积超过全国粳稻总种植面积的50%，仅黑龙江省的水稻种植面积已经超过400万hm2，成为我国乃至全球重要的寒地水稻生产基地之一[2]。随着水稻种植规模和产量的不断提高，化肥施用量和灌溉用水量也在持续增加[3]。化肥与水资源的过量投入和低效利用直接导致一系列不良的环境反应，农田土壤退化问题日益严重，水资源储量急剧下降，大量化肥因灌溉方法不当而流失，造成了江河湖泊的富营养化和地下水污染[4-5]。而寒地水稻由于环境积温不足，生长发育期相对较短，水肥用量巨大且投放时间集中，更易造成水肥资源紧缺和浪费，并且过量的化肥投入还会造成水稻倒伏、贪青晚熟，降低稻米的品质和产量[6]。依赖水肥资源的过量投入来提高作物产量与资源可持续利用之间的矛盾已成为国内外关注的热点，发达国家在这个问题上往往采取环境优先的原则，以大规模的旱地直播喷灌技术为主，机械化程度高且实施与大豆轮作的种植模式[7]。而我国人多地少，基础配套设施相对落后，为了保证水稻产量，水肥等成本的投入仍十分巨大[8]。因此，研发丰产节水节肥栽培技术是化解资源危机和突破水稻生产可持续发展瓶颈的必由之路。

近10多年来，我国开展了大量关于水稻品种密植、施肥模式、水层管理等方面的栽培技术研发[9-11]。研究表明，改善水肥管理是影响水稻生长进程最直接有效的农艺措施，水稻灌溉模式从传统的淹灌模式逐渐向干湿交替灌溉方式转变，干湿交替灌溉可提高孕穗前水稻群体净光合速率、水稻生长后期的光合作用和群体透光率，促进干物质的转化和积累[12]。此外，水肥之间还存在着显著的互作效应，灌溉与氮肥的有效协同管理可以显著节约水资源，提高水稻光合作用和氮肥利用率，对水稻丰产有着积极的影响[13,14]。然而，大多数研究仅探讨了单一因素对水稻生长及产量的影响，鲜有关于我国寒冷地区水稻水肥耦合的多因素干预栽培技术研究，尤其是水稻全生育期的调水控温和调水节肥的技术集成研究严重不足[15,16]。为此，本研究以“水稻叶龄模式理论”为基础，结合北方寒冷地区的气候特点，按照11～12片叶粳稻品种的生理需水、生态需水规律和水稻叶龄生长发育进程进行水肥调控，综合考虑降雨、冷害、生物肥补偿等方面因素，制定适合北方寒地气候特点、可全程机械化生产的不同叶龄期水稻施肥灌溉栽培技术模式，以解决多个水稻生产环节中的水肥流失问题。基于大田试验，研究了叶龄施肥灌溉耦合对水稻形态特征、光合特性和水肥利用效率的影响，分析了北方寒地水稻节水节肥技术的经济效益，为水稻栽培中大水漫灌造成的水资源浪费问题提供解决方案，为我国水稻高产与水肥资源高效利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于黑龙江省八五二农场(46°58′N,132°16′E)。该区域地势平坦，土壤肥沃，海拔高度74 m左右，属于寒温带大陆性季风气候，年平均降水量550 mm左右，雨量多集中在6－9月，占全年总降水量的 60%左右。年活动积温在2300℃～2500℃，有效积温 2400℃左右，无霜期120～160 d，全年日照时数2400 h，土壤冻结期10月初至翌年5月上旬，结冻时长120～140 d[17]。灌溉水源为地表水，试验地土壤为白浆土，pH 值6.05,有机质 43.77 g/kg，全氮 2.54 g/kg，速效磷 37.18 mg/kg，速效钾156.04 mg/kg。

1.2 试验设计与材料

我们于 2016—2017年开展了水稻节水节肥生产实验，共设置了2种灌溉模式：1) 年灌水量约为5 000～5 500 t/hm2，按照水稻不同叶龄期灌溉施肥技术规程进行灌溉，命名为叶龄灌溉模式(leaf age irrigation mode, LI)[18]。2) 年灌水量约 6 000～6 500 t/hm2，水稻生育期内每次灌溉间隔10 d，水层深度5～8 cm，6月22日排水晒田7 d，水稻黄熟期，停止灌溉，命名为常规漫灌模式(regular irrigation mode, RI)。试验期间无重大自然灾害发生，灌溉期从4月15日至8月20日结束，2年试验期间的降雨量分别为276 mm和287 mm。2种灌溉模式的本田旱整地和水整地方法一致。

设置了2个施肥模式：1) 年施肥量：尿素230 kg/hm2，磷酸二铵100 kg/hm2，硫酸钾120 kg/hm2及生物有机肥15 kg/hm2，分4个时期施用(基肥、分蘖肥、调节肥、穗肥)，在水稻插秧机上安装侧深施肥装置，在水稻插秧时施用基肥，基肥中氮肥占全生育期氮肥量的40%，磷肥100%，钾肥50%。施肥位置为水稻秧苗条带侧3 cm，深5 cm的土层中；叶龄为5叶1心期，人工撒施分蘖肥，施用量为氮肥总量的30%及全部生物有机肥；水稻倒4叶期施氮肥量的10%作为调节肥，水稻倒2.5叶露尖至一半人工施用穗肥，穗肥氮肥用量为全部氮肥量的20%，钾肥为全部钾肥量的50%，命名为叶龄侧深施肥模式(SF, side deep fertilization mode)[18]。2)年施肥量：尿素260 kg/hm2，磷酸二铵120 kg/hm2及硫酸钾120 kg/hm2，分4个时期施用(基肥、返青肥、分蘖肥、穗肥)。在稻田旋耕前或水整地初平后，采用人工撒施的方法施入基肥，基肥中氮肥占全生育期氮肥量的50%，磷肥100%，钾肥50%。返青期，人工撒施返青肥，施用量为氮肥总量的20%；分蘖期，人工撒施分蘖肥，施用量为氮肥总量的10%；倒 2.5叶露尖至一半施用穗肥，穗肥中氮肥为全部氮肥量的20%，钾肥为全部钾肥量的50%，为常规施肥模式(RF, regular fertilization mode)。

供试水稻为垦稻24(主茎叶片数为12)，插秧时间为5月15日，9月21日收获。插秧株数一般为5～8棵/穴，行距30 cm，穴距14 cm。

1.3 取样与测定

1.3.1 形态特征指标与测定

于灌浆期，在每个模式小区内随机选取50株，测定分蘖数和株高。使用便携式叶面积测定仪(YMJ-A，浙江托普仪器有限公司)，测定有效分蘖的全部功能叶的叶面积[19]。用铁板取根器按原状土柱法以稻株为中心掘取长等于行距(30 cm)，宽等于株距(14 cm)，深 20 cm的土柱，装入0.4 mm孔径尼龙网袋中，浸泡6 h后洗去泥土杂质，获得单株完整根系，用根系扫描仪(Expression 10 000XL，Epson，日本)扫描后，采用WinRHIZO Prov. 2009c软件分析总根长、不定根数、总根表面积及体积[20]。

1.3.2 光合特性指标与测定

选择晴朗无风天气，于齐穗期上午9:00－11:30在各小区随机选取 50片水稻剑叶，使用便携式光合作用测定系统(CIRAS-3，PP systems，美国)测定其净光合速率、呼吸速率、胞间CO2浓度、气孔导度[21]。采用开放气路，叶室温度为 28℃～30℃，气体流量 500 μmol/s，光合光量子通量密度 1 200 μmol/(m2·s)。呼吸速率是使用遮光布遮蔽检测仪的叶室，在300－600 s后检测CO2的增加速率，待呼吸速率趋于稳定后记录数值。随机选取 30 株水稻，于齐穗期上午 9:00－10:00光照强度较稳定的时段利用叶绿素测定仪(SPAD-502，柯尼卡美能达，日本)测定最上部完全展开叶上、中、下 3个部位的叶绿素含量，取平均值[22]。

1.3.3 生物学产量指标与测定

收获后，每区随机选取植株 50穴，测定单位面积穗数、每穗粒数、结实率、千粒重、单位产量。千粒重采用感量为0.01 g的天平称量，千粒重是根据稻谷国家标准(GB 1350－2009)换算成粳稻标准含水率(14.5%)的质量，两次称重之差不得大于3%。理论产量是按单位面积有效穗数、每穗实粒数和千粒重计算出的产量。实际产量是在稻田中实测1000 m2收获晒干扬净后的稻谷产量[23]。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 不同灌溉施肥模式下寒地水稻形态特征的差异

由表1可见，与RI+RF相比，LI+RF模式对水稻不定根数、总根表面积的影响差异显著(P＜0.05)，分别提高了19.7%和43.1%，对其他指标的影响不显著。LI+SF模式显著提高了叶面积指数、单株不定根数、总根长、总根表面积及总体积(P＜0.05)，分别提高了21.2%、22.7%、20.8%、45.2%和17.8%。另外，不同年份相同灌溉施肥模式对各项根系形态特征指标的影响相近，表明LI+SF模式对水稻根系的促生作用显著且较为稳定。

2.2 不同灌溉施肥模式下寒地水稻光合特性的差异

研究表明(表2)，RI+SF模式对水稻光合速率、净光合速率及叶绿素含量的影响差异显著(P＜0.05)，与RI+RF相比，分别提高了14.9%、15.8%和20.8%。LI+SF模式对灌浆期水稻光合速率、净光合速率、叶绿素含量及气孔导度的影响均呈现显著差异(P＜0.05)，分别提高了17.4%、18.4%、26.8%和40.1%，且4项指标的变化趋势表现一致，表明LI+SF模式对北方寒地水稻光合作用具有更显著的促进作用。

表2 不同灌溉施肥模式下水稻光合特性的差异Table 2. Difference in photosynthetic characteristics under different irrigation and fertilization modes.

2.3 不同灌溉施肥模式下寒地水稻产量指标的差异

水稻生物学产量是反映其生长发育状况的重要指标，可用于衡量水稻的增产效果。研究表明 (表3)，与RI+RF相比，RI+SF模式对水稻千粒重和理论产量的影响差异显著 (P＜0.05)，实收产量平均增加2.3%。LI+SF模式对灌浆期水稻结实率、千粒重和理论产量的影响差异显著 (P＜0.05)，分别提高了6.3%、2.4%和28.2%，实收产量平均增加5.2%。表明叶龄调控侧深施肥是水稻增产的主要因素，LI+SF模式的水肥耦合作用显著，可进一步提高水稻叶龄调控侧深施肥的增产能力。

2.4 不同灌溉施肥模式下寒地水稻水、氮肥利用效率的差异

结果表明 (表 4)， LI+RF模式与 LI+SF模式对水分利用率的影响差异显著 (P＜0.05)，与RI+RF相比，水分利用率提高 10%以上。RI+SF模式和LI+SF模式下，氮肥农学利用率、籽粒吸收氮量、产谷利用效率、氮肥偏生产力及氮收获指数的影响均有显著的差异 (P＜0.05)，LI+SF模式分别提高了11.1%、6.9%、5.8%、13.6%和 8.0%，表明 LI+SF模式能够更充分发挥节水节肥作用。

2.5 寒地水稻生物学产量与形态特征及水肥利用效率的关系

水稻产量与形态特征的相关性分析表明 (表5)：叶面积指数、不定根数、总根长、总根表面积、总根体积与穗长、结实率、千粒重及产量显著正相关(P＜0.05)，表明水稻根叶的生长状态对水稻产量有显著的影响。

表3 不同灌溉施肥模式下水稻产量的差异Table 3. Difference in rice yield under different irrigation and fertilization modes.

表4 不同灌溉施肥模式水稻水分与氮肥利用效率的差异Table 4. Difference in water and N fertilizer use efficiency under different irrigation and fertilization modes.

表5 水稻产量指标与形态特征的相关系数Table 5. Correlation coefficients (r) between water use efficiency and rice yield index.

生物学产量与水肥利用效率的相关性分析表明(表6)：水分利用率、氮肥利用效率、籽粒吸氮量、产谷利用效率、氮肥偏生产力、氮收获指数与结实率、千粒重及产量显著正相关，表明水分利用率、氮肥利用效率、籽粒吸收氮量、产谷利用效率、氮肥偏生产力、氮收获指数对结实率、千粒重及产量是结实率、千粒重和理论产量的关键影响因子。

2.6 不同灌溉施肥模式的经济效益分析

由表7可见，由于黑龙江垦区农业灌溉的水资源使用费按种植面积收取，因此不同灌溉模式的灌溉水成本相同，而LI+RF模式与LI+SF模式的人工成本高于RI+RF模式和RI+SF模式，其他成本相同。以2017年当地水稻收购价格2.76元/kg计算，4种灌溉施肥模式的年平均收入依次为 6 141元/hm2、5 865.2 元/hm2、6 606.8 元/hm2、6 952 元/hm2，LI+SF模式比RI+RF模式纯收入增加13.21%。另外，LI+RF模式与LI+SF模式可以使灌溉水用量节约1 000 t/hm2，节水率达10%～20%，如果水资源使用费按照用水量征收，LI+RF模式与LI+SF模式可显著节约灌溉水成本。

3 讨论

3.1 叶龄调控水肥耦合对水稻产量形成的影响

水稻产量与植株发达的根系、良好的生长发育、强大的光合生产能力以及水肥高效利用具有紧密的联系，如何提升各项生理指标和资源利用率对水稻丰产的影响十分重要[24]。叶龄调控水肥是利用水稻主茎的叶片数目精确划分水稻生育进程，综合考虑降雨、冷害、生物肥补偿等方面因素，通过优化各生育进程的间歇水肥供给，控制水稻生产环节中的水肥流失来改善水稻的各项生理指标。水稻灌浆期的根系形态特征是植株根系活力的主要表征指标，也是养分吸收与积累的基础[20,25]。叶龄灌溉+叶龄调控侧深施肥模式(LI+SF)能够显著提高水稻单株不定根数、总根长、总根表面积及总体积(P＜0.05)，这表明叶龄调控水肥能够满足12片叶水稻品种灌浆期的生理水肥需求，使肥料发挥了更大的作用。在12叶水稻品种的8～10.5叶龄期，该灌溉施肥模式采用的是常规湿润灌溉调节施肥方法，将此期间缩短1个叶龄期即可适用于11片叶水稻品种，完全可以满足11片叶水稻品种的水肥需求。程建平等[26]研究发现，间歇灌溉对水稻叶面积和光合作用具有明显地促进作用，与本研究一致。LI+SF模式通过优化间歇灌溉与肥料的耦合作用，对灌浆期水稻光合速率、净光合速率、叶绿素含量及气孔导度起到显著的促进效果，这表明叶龄调控水肥能够保证光合作用对水分的需求，增强水稻的光合作用，为水稻后期的丰产奠定基础。

表6 水稻产量指标与水、氮肥利用效率的相关系数Table 6. Correlation coefficients (r) between rice yield index and use efficiencies of water and N.

表7 不同灌溉施肥模式的经济效益分析Table 7. Economic benefit analysis of different irrigation and fertilization modes. 元/hm2

水分和养分供给是影响水稻产量形成的关键因素。邵玺文等[27]认为，在水稻分蘖期、孕穗期、开花期和灌浆期进行持续性的干旱水分胁迫处理能够造成不同程度的减产。而本研究中在水稻营养生长和生殖生长期内采用的叶龄调控灌溉方式并没有造成水稻减产，说明该间歇式调控灌溉模式与持续性的干旱水分胁迫具有本质上的不同。水稻在不同叶龄期对水分的要求不同，在关键生理需水期提高蓄水量即能保证水稻产量，其余生长期可以降低土壤水势，则以实现进一步节水的目的。姜萍等[28]研发现，湿润灌溉处理与常规淹灌处理相比，可减少8.9%的灌水量，如果能够合理配比施用有机肥与化肥，则可以提高5.5%的水稻籽粒产量。这与本研究结果较为接近，LI+SF模式通过逢雨蓄水、间歇式湿润灌溉及施肥后控制排水等具体操作减少了水肥流失，尤其是减少了分蘖肥的施氮量，使用生物有机肥进行营养补偿，可有效缓解因暴雨导致稻田被迫排水而造成的肥料流失，进一步保证了分蘖期至抽穗期土壤速效性养分的持续释放，该模式能够保证在水稻的干物质和养分累积时提供持续的、速效性养分的养分供给，从而提高了水稻千粒重和结实率，促进了水稻产量的提高，这也说明合理的施用生物有机肥和改善稻田土壤的保水保肥能力对水稻节水栽培至关重要[29]。另外，还发现仅采用叶龄灌溉措施不能显著提高寒地水稻产量，但是与水稻叶龄调控施肥模式联合使用比单独采用叶龄调控施肥对寒地水稻增产的影响更为显著。由此可见，LI+SF是一种适合北方机械化生产的精准灌溉施肥模式，可更好地发挥水肥耦合作用，在节水节肥的同时，能够使水稻产量提高了5.2%。

3.2 水肥耦合调控对水稻水肥利用效率的影响

精确划分水稻生育进程，因地制宜的在各生育阶段合理调控水肥能够提高水稻对水分和养分的利用效率[1]。谭亦杭等[30]研究表明，间歇灌溉的水分管理方式与长期淹水灌溉相比，可以显著提高水稻的水分利用率，对氮素吸收及氮肥利用率的影响差异不显著。这与本研究结果相近，叶龄灌溉可以显著提高水分利用效率，但是对氮肥农学利用率、籽粒吸收氮量、产谷利用效率、氮肥偏生产力及氮收获指数的影响差异不显著。这说明，在该地区常规施用化肥的条件下，水稻叶龄调控灌溉不能进一步提高水肥耦合作用。RI+SF模式和LI+SF模式对氮肥农学利用率、籽粒吸收氮量、产谷利用效率、氮肥偏生产力及氮收获指数具有相同的促进作用，并且LI+SF模式比RI+SF模式的水稻产量更高。这说明叶龄调控侧深施肥是促进水稻氮肥利用效率的有效施肥模式，在水分非亏缺条件下，LI+SF模式可充分发挥水肥耦合作用，获得高产和水肥高效利用的效果。

近年来，水稻水肥耦合效应的研究主要集中在灌溉模式与氮肥施用量或施肥模式对水稻植株形态和产量的影响[31,32]。这些研究的结论是，合理的水肥管理模式比大水漫灌条件下的高或低施肥量能够更显著的促进水稻生长发育和提高产量，其原因主要在于这种水肥管理模式增加了水稻各器官氮、磷、钾的吸收和利用，减少了肥料的流失[33]。叶龄调控施肥模式同样能够改善根系形态，提高光合生产能力和水肥利用效率，促进同化物运转，起到节本增效的作用。

4 结论

叶龄灌溉施肥模式(LI+SF)是按照叶龄生长发育进程调控水肥的水稻机械化生产栽培技术，在考虑避免水肥流失和冷害发生的前提下，能够合理利用适量的降雨，节约灌溉用水量，满足水稻生长的水肥需求。与常规灌溉施肥模式(RI+RF)相比，LI+SF模式可显著提高水稻的叶面积指数、单株不定根数、总根长、总根表面积、总根体积及灌浆期的光合速率、净光合速率、叶绿素含量和气孔导度，水稻的结实率、千粒重和理论产量均有不同程度增加，实收产量平均增加 5.2%。在肥料利用方面，LI+SF模式能够使水稻的氮肥农学利用率、籽粒吸收氮量、产谷利用效率、氮肥偏生产力及氮收获指数有所提高。单独采用叶龄灌溉模式(LI+RF)仅能够节约灌溉用水量，不会显著影响水稻的生长及产量。单独采用叶龄施肥模式(RI+SF)对水稻植株形态、光合特性、生物学产量和水肥利用率具有一定的促进作用，实收产量平均增加2.3%，不能充分发挥水肥耦合作用。因此，叶龄灌溉施肥模式为本研究最佳的精准灌溉施肥模式，也是适合在我国北方推广的寒地水稻节水、节肥、丰产技术模式。