微咸水灌溉下硅肥对水稻生长性状的影响研究

2022-02-13韩晓楠孙书洪马文慧

节水灌溉 2022年1期

韩晓楠，孙书洪，2，马文慧，薛铸，2

（1.天津农学院水利工程学院，天津300384；2.天津市农业水利技术工程中心，天津300384）

0 引言

随着水资源短缺问题日益严重，在农业灌溉方面，合理开发利用微咸水资源成为解决问题的一个重要途径。硅肥是水稻生长所需的第四大营养元素，能促进水稻根系发育，改变叶片形态、提高抗倒性、增加干物质积累。水稻作为重要的粮食作物之一，探究其合理的硅肥-微咸水灌溉方式，对于开发利用微咸水资源，减轻土壤盐渍化，提高肥料的使用效率，以及发展农业、种植业等方面有着十分重要的现实应用意义。国外的一些学者采用2.4～4.8 g/L微咸水灌溉，在合理的田间管理下，棉花的产量较之前淡水灌溉反而有所增加[1]。在我国，通过开展微咸水灌溉，发现土壤中累积的盐分有着明显的下降，微咸水灌溉对盐分可以起到一定的淋洗作用[2]；而在微咸水灌溉的基础上，通过施肥管理等手段可以进一步起到控盐增产的作用[3]。目前在微咸水灌溉条件下，施加硅肥对水稻盐分胁迫的缓解作用尚未有系统研究。因此本试验通过开展试验研究，探究不同盐分胁迫下施加不同硅肥量对水稻生长性状的影响，以期找到最佳水肥盐调控方案。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在滨海地区农业节水研究中心试验站进行，地处北纬38°85′，东经117°21″，属华北平原，地势平坦。试验地属暖温带季风型气候，全年降雨天数约为65～75 d，年平均降水量550～650 mm，降雨多集中在6-8月，降雨量占全年约70%左右。日照时数约为2 600～2 800 h，日照时间较长。在试验基地内布设气象站，全年对降雨及蒸发进行监测，水稻生育期内气象条件见图1。试验地四季变化明显，春季约70 d 左右；夏季长达90～110 d，天气炎热，风速较小；秋季约65 d左右，降雨集中，风速较小；冬季天气寒冷，风速较大，平均风速为2～4 m/s，平均气温在10～13 ℃，多为西南风。试验基地地势平坦，0～60 cm 土层干容重为1.46 g/cm3。试验区土壤中有机质含量为11.9 g/kg，水解氮含量为55.4 mg/kg，速效磷含量为6.4 mg/kg，速效钾含量为156 mg/kg，硝态氮含量为8.1 mg/kg，土壤pH值为7.93，见表1。

表1 土壤的基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil

图1 2020年生育期内气象数据Fig.1 2020 meteorological data during the reproductive period

1.2 试验设计

水稻品种选用“津原89”，采用田间小区试验。水稻试验测坑尺寸为1.2 m×0.9 m×1.0 m(长×宽×高)。每测坑栽插24 穴、每穴6 苗、行距30 cm、株距15 cm。试验肥料统一采用尿素（N 46%），复合肥（N 24%，P2O520%，K2O 10%），硅肥（SiO2≥290 g/L）采用叶面喷施。在各生育期分别对水稻进行不同矿化度的微咸水灌溉，设置3 个微咸水矿化度处理(W1，W2，W3)和1个对照处理（CK），矿化度分别为3、4、5 g/L和0；设置3 个硅肥水平（F0，F1，F2），施肥量为0、6、12 kg/hm2，共12 种处理方式[4]，每种处理方式3 组重复。试验期间，对不同处理组的水稻均进行充分灌溉，试验处理见表2。

表2 试验处理设计Tab.2 Design of experimental treatment

表3 2020年施肥情况Tab.3 Fertilization in 2020

1.3 指标测定方法

1.3.1 株高测定

选取各个不同试验处理的测坑里代表性5穴，测量由土面量至第二高度叶尖与第三高度叶尖，取其平均值为该穴平均株高。

1.3.2 叶面积测定

水稻叶面积计算式为：

式中：k为修正系数，取0.75；L为叶片最大长度，cm；W为叶片最大宽度，cm。

1.3.3 水稻穗粒数测定

选取不同试验处理的测坑里代表性5穴，数出每穗所结穗粒数，最终取其平均值。

20世纪90年代，美国哈佛大学的教授根据服务性企业的数据，对利润与市场份额在企业中两者的关系进行研究。研究发现，在企业的利润中顾客的忠诚度是一个相当重要的重要因素。每争取一位新顾客所花成本是维系一位老顾客的5-10倍；而维系一位老顾客给予企业的价值是开发一个新顾客所无法给予的。在20世纪初意大利经济学家帕累托提出的二八营销法则也表明，80%的公司利润来自20%的重要客户，企业经营利润的最大来源是占企业顾客群体中20%的忠诚顾客的重复购买[2]。这些数据表明了忠实顾客对于企业的重要性，及提高顾客忠诚度的必要性。

1.3.4 水稻千粒重及产量测定

（1）先将样本穗子的籽粒全部脱粒，然后用清水漂洗，将空秕粒和饱粒分开，沉入水底的是饱粒，漂浮在水面上的是空秕粒，分别捞出置于烘箱中烘干或太阳下晒干后，分别计数。

（2）饱粒数的计数方法。先称取饱粒总重(精确至0.01 g)，然后随机称取3个30 g饱粒，分别数记其粒数，求得饱粒平均千粒重，就可算得总饱粒数。

（3）结实率和千粒重。结实率为饱粒数占总粒数的百分率。千粒重为1 000个饱粒重量，单位为g。

（4）产量。在成熟期时，于每测坑随机抽取5 穴进行取样，测定其有效穗数、每穗总粒数、每穗成粒数、千粒重等。此外，还统计每穗粒数、结实率及千粒重(选取1 000粒进行测定)，并求出其理论产量[5]。

1.3.5 水分利用效率

水分利用效率计算公式为：

式中：WUE为水稻灌溉水利用效率，kg/m3；Y为作物产量，kg/m3；I为灌溉用水量，m3/hm2，P为降雨量，m3/hm2。

1.4 数据处理

试验针对水稻全生育期，在各生育期对其生长形状进行测量取样，数据分析采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 26.0 数据处理系统进行统计分析。试验结果趋势一致，重复性较好，以2020年的试验数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同硅肥量对水稻株高的影响

不同微咸水灌溉模式下对水稻株高的影响不同，水稻植株生长环境的肥力水平影响着株高的发育，施加一定量的硅肥能整体促进株高的增长，进而影响水稻产量。由图2（a）可知，水稻在全生育期淡水灌溉下，适量施加硅肥能明显发现株高增加，而由硅肥施用量为6 kg/hm2增至12 kg/hm2时，株高反而由提高4.96%变成减少11.24%，说明硅肥在淡水灌溉处理下并不是一味的促使株高增加，反而会在一定程度上影响水稻株高，在该灌水矿化度下，硅肥施用量为6 g/hm2最佳。由图2（b）可知，在全生育期3 g/L 微咸水灌溉下，能发现硅肥的施用能使株高增长，少量的硅肥不能明显促进株高的增长，当施加12 kg/hm2硅肥时，株高可提高14.51%，在该灌水处理下，说明硅肥能促进水稻株高增长。由图2（c）可知，在全生育期4 g/L 微咸水灌溉下，水稻株高随着硅肥施用量的增加呈递增趋势，施加6 kg/hm2、12 kg/hm2硅肥比未施加硅肥的处理分别提高7.62%、20.00%，说明硅肥能缓解盐分胁迫，促进植株的生长发育。由图2（d）观察可知，在全生育期5 g/L微咸水灌溉下，施加硅肥对水稻株高的增长无明显变化，此时12 g/hm2的硅肥施用量已经不能抑制该矿化度下的盐分胁迫，该矿化度能够明显抑制水稻生长，对其生理发育造成影响，施加硅肥已无法缓解其盐分毒害。经过分析水稻株高在不同灌水矿化度下的变化情况，能够发现硅肥在淡水情况下作用效果不明显，而在盐分胁迫下能够明显起到缓解作用，促进植株生长发育，但在重度盐分胁迫下已无法缓解其盐分胁迫对水稻生理损害。

图2 不同水处理下硅肥对株高的影响Fig.2 Effect of silicon fertilizer on plant height under different water treatment

由表4可以看出在所有处理中，各个生育期对水稻株高的影响未存在显著差异。在淡水灌溉水平下，施加硅肥，分蘖期、拔节期存在差异。在3 g/L 微咸水灌溉水平下，施加硅肥在拔节期对水稻株高有影响。在4 g/L 微咸水灌溉水平下，施加不同硅肥量在不同生育期对株高的影响有明显差异，在灌浆期、成熟期差异尤为明显，说明硅肥在该矿化度下作用显著。在5 g/L 微咸水灌溉水平下，施加硅肥株高增长显著的为拔节期、孕穗期，显著性表现为F2=F1＞F0，说明硅肥在该矿化度下作用效果不明显。根据表4，分析施加硅肥在不同处理下各生育期的株高变化，表明施加硅肥在盐分胁迫下作用效果明显，能在一定程度上抑制盐分胁迫，在不同的盐分胁迫下，应调节适宜的硅肥量，才能促进水稻株高的增长，从而促进植株的生长发育，提高产量。

表4 不同处理下各生育期株高的变化 cmTab.4 Changes of plant height at different growth stages under different treatments

2.2 不同硅肥量对水稻叶面积的影响

水稻叶面积的大小是反映水稻光合能力的重要指标之一，良好的叶面积指数有利于水稻提高光合速率，从而提高光合同化能力，增加同化物的积累，加快同化物的转运，最终影响产量。由图3（a）分析可得，在淡水处理下，施加6 kg/hm2硅肥比未施加硅肥的处理叶面积增长0.56%，而硅肥量为12 kg/hm2比未施加硅肥的处理叶面积反而降低14.86%，施加硅肥比未施加硅肥处理下的叶面积增长更低，说明单方面增加硅肥量不能保证其叶面积增加，硅肥在淡水处理中的效果并不明显。如图3（b），在全生育期3 g/L 微咸水灌溉下，随着施加硅肥量的增加能促使水稻叶面积增加，当硅肥量为12 kg/hm2时比未施加硅肥的处理最多增长16.19%，说明硅肥能在一定程度上抑制盐分胁迫，增大叶面积，促进水稻生长发育。由图3（c）可知，在全生育期4 g/L 微咸水灌溉下，增加硅肥施用量能使水稻叶面积明显高于其他处理，施加6 kg/hm2及12 kg/hm2硅肥相较于未施加硅肥的处理，叶面积分别增长6.13%、18.45%，说明硅肥能促进水稻生长发育。由图3（d）可知，在全生育期5 g/L 微咸水灌溉下，能发现施加硅肥，可以保证水稻的基本生长，但在该盐分胁迫下，施加硅肥已不能起到明显的促进作用，考虑盐分胁迫对其根部造成损伤，阻碍营养物质的吸收，影响叶面积的生长。经过分析不同矿化度下施加硅肥对水稻叶面积的变化，说明在一定盐分胁迫下，施加适量硅肥能缓解盐分胁迫，增大水稻叶面积，促进植株生长发育。

图3 不同水处理下硅肥对叶面积的影响Fig.3 Effect of silicon fertilizer on leaf area under different water treatment

由表5可以看出在所有处理中，各个生育期对水稻叶面积的影响存在显著差异。在淡水灌溉水平下，施加不同硅肥量，只有分蘖期有差异。在3 g/L 微咸水灌溉水平下，随着硅肥施用量的增加，水稻叶面积有差异，不施加硅肥与施加6 kg/hm2及12 kg/hm2硅肥之间无明显差异。在4 g/L 微咸水灌溉水平下，施加不同硅肥量在不同生育期对叶面积的影响无明显差异。在5 g/L 微咸水灌溉水平下，施加不同硅肥量对叶面积的影响并不显著，在拔节孕穗其有显著性差异为F2＞F1=F0。表明施加硅肥能在一定程度上抑制盐分胁迫，在不同的盐分胁迫下，应调节适宜的硅肥量，才能促进水稻叶面积的增加，从而促进植株的生长发育，提高产量。

2.3 不同硅肥量对水稻产量及灌溉水利用效率的影响

由表6可以看出在所有处理中，各个生育期对水稻产量的影响存在显著差异。在淡水灌溉水平下，施加不同硅肥量，产量存在差异，其中施加6 kg/hm2硅肥比未施加硅肥的处理减产19.15%。在3 g/L 微咸水灌溉水平下，施加不同硅肥量对穗粒数有明显差异，而穗粒数对产量的影响较大，施加12 kg/hm2硅肥量的处理差异最为显著，比未施加硅肥的处理产量提高12.80%。在4 g/L 微咸水灌溉水平下，同样是穗粒数中的差异最为明显，差异表现为F2＞F1＞F0，施加6 kg/hm2、12 kg/hm2硅肥相较于未施加硅肥的处理，产量分别提高10.12%、14.66%。在5 g/L 微咸水灌溉水平下，施加不同硅肥量对穗粒数、产量的影响最为显著，显著性表现为F2＞F0＞F1，在硅肥量为12 kg/hm2水平下，产量提高11.02%，表明施加硅肥能在一定程度上抑制盐分胁迫，在不同的盐分胁迫下，应调节适宜的硅肥量，才能促进植株的生长发育，提高产量。

基于本试验研究，在未施加硅肥、施加6 kg/hm2以及施加12 kg/hm2硅肥处理下，将水稻产量曲线拟合后，分别得到产量随盐分浓度的关系式，如图4所示。曲线拟合相关系数R2分别达到0.952 6、0.943 4、0.938 7，对拟合曲线求解极值点，得出微咸水矿化度分别为2.12 g/L、2.49 g/L、2.56 g/L 时，产量有最大值为9 904.46 kg/hm2、11 015.65 kg/hm2、11 454.03 kg/hm2。因此，在考虑最优产的情况下，微咸水灌溉为2.56 g/L，硅肥量为12 kg/hm2时，产量可达11 454.03 kg/hm2。

由表6可知，各处理在灌水量相同情况下，同一矿化度微咸水不同硅肥处理的水分利用效率均有差异，淡水灌溉下，增加硅肥施用量能提高水分利用效率；在3 g/L 微咸水灌溉水平下，施加少量硅肥和未施硅肥无明显差异，施加12 kg/hm2硅肥差异明显，水分利用效率提高12.84%；在4 g/L 微咸水灌溉水平下，施加硅肥能明显提高水分利用效率，分别提高10.01%、14.61%；在5 g/L 微咸水灌溉水平下，施加12 kg/hm2有明显差异，相较未施加硅肥提高10.95%，以上数据分析均说明在同一灌水处理下，施加硅肥有利于水稻水分利用效率的提高。

表6 不同处理对产量的影响Tab.6 Effect of different treatments on yield

3 讨论

水稻植株生长环境的肥力水平影响着其群体和个体的发育，进而影响水稻产量及水稻种植的经济效益。硅是水稻等禾本科作物生长发育的有益元素，对作物生长具有促进作用，能明显提高作物的干物质积累，减缓病害的发生，缓解作物的生物和非生物胁迫[6]。有研究表明，在不同灌溉处理下，增加氮肥施用量均能显著增加水稻地上部的干物质积累量，水稻有效穗数显著增加，但可能会导致水稻千粒重的降低[7]。史栩帆通过模型对夏玉米在微咸水灌溉下的土壤水盐动态进行模拟，为微咸水的合理利用提供了参考依据[8]。牟晓宇等通过对冬小麦进行微咸水、淡水交替灌溉，发现在80 mm 淡水+80 mm 微咸水+80 mm 微咸水的处理下既保证作物的生长需求，同时能够节约淡水资源[9]。陈小飞等研究表明，适当的水氮耦合处理，在适当减少氮肥施用量的情况下，产量不但不降低反而有所提高，表明适当的低氮处理和浅湿干间歇灌溉模式有利于群体高产[10]。相关学者还以粳稻为试验材料开展了许多研究，张国良等[9]对水稻施加硅肥（0～450 kg/hm2）的研究表明，在大田基施适量硅肥，随硅肥施用量的增加，产量呈先增加后降低的趋势；商全玉等[11]认为施用适量硅肥（180～240 kg/hm2），能有效增产11.4%～24.4%；韦还和等[11]研究表明，硅肥的施用量为225 kg/hm2时能有效增产，最高产量为1.27 万kg/hm2，而产量随硅肥施用量增加而递增，结实率和千粒重则随之递减。杨国英等[12]研究表明，硅肥采用叶面喷施的方式，施硅量为15 kg/hm2时效果最佳，水稻产量及品质最优。

本试验以天津地区“津原89”为研究材料开展试验，通过对生长性状及产量等数据分析，发现硅肥的施用在该试验中也是同样情况，随着硅肥施用量的增加，能有效促进水稻株高、叶面积的增长，提高水稻产量，这与相关学者研究施用硅肥可促进光合作用，提高产量与米质等的结论相似[12]。通过试验研究，验证了良好的水肥耦合模式，不仅能减少用水量，还能使作物生长更优，并提高作物产量，通过分析在2.56 g/L微咸水灌溉，硅肥（SiO2≥290 g/L）施用量为12 kg/hm2时，产量最高为11 454.03 kg/hm2；在矿化度为5 g/L 的微咸水灌溉下，施加的硅肥量不能达到最优效果，但可发现硅肥能明显抑制盐分胁迫，促进水稻的生长发育，具体施肥量可进一步研究讨论。