增密减氮对双季稻光合特性及水分利用率的影响

周文涛，龙文飞，戈家敏，龙攀，徐莹，傅志强*

（1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2.作物生理与分子生物学教育部重点实验室，湖南 长沙 410128；3.农业部华中地区作物栽培科学观测实验站，湖南 长沙 410128）

适宜的施肥水平和种植密度是水稻栽培高产、高效的重要因素[1-2]。农田生态系统氮素的转化效率与氮肥的投入极其相关[3]。过度的施用氮肥会造成资源浪费和环境污染[4]。高密度种植会增加群体内部个体对光温资源以及养分的竞争，导致单株地上部分干物质积累量减小，植株容易倒伏且病虫害发生频繁[5]。合理的种植密度，配合减氮种植手段，可以达到水稻高产、稳产的目的[6-8]。适度增密减氮不仅有利于氮肥高效利用和温室气体减排，还可兼顾水稻高产[9-10]。有研究[11]表明，适中密度和适宜施氮量可以增加有效分蘖，促进水稻拔节，提高群体光合势、生长率和产量。

研究[12]表明，水稻剑叶是向穗部输送光合产物的主要供应者。水稻90%以上的生物量来自光合产物，其中90%以上的光合产物又是依靠叶片的光合作用产生的[13]。合理的施肥和密度措施，对净光合速率、气孔导度影响显著[8]。氮肥、种植密度互作可以提高水稻生育前期与后期的光合作用，维持生育中期光合作用大小，从而提高经济产量[14]。以往研究[15-16]都趋向探究氮肥、密度互作对水稻光合特性、产量、氮肥利用率的影响，对“早蓄晚灌”（早稻小区蓄的水用于晚稻灌溉）节水背景下，增密减氮与双季稻的光合特性、水分利用效率、产量相关性研究较少。本研究中，根据当地的施肥和种植习惯，设置5 个处理，通过减少蘖肥，增加单位面积水稻穴数的方式，探究最佳施肥与种植密度组合，以达到水稻高产稳产、水分高效利用的目的。

1 试验地概况

试验于2016 年在湖南省浏阳市沿溪镇科研试验基地（113.49°E, 28.18°N）进行。该基地海拔高度44.9 m，年平均温度≥10 ℃，积温5300～6500 ℃，年降水量约1400 mm，为南方典型的双季稻生产区。试验田土壤为第四纪红壤发育的红黄泥水稻土，其耕前理化性状为：碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为142.51、53.11、97.06 mg/kg，有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为33.17、2.39、0.63、7.11 g/kg，pH 5.85。

2 材料与方法

2.1 供试材料

早稻陆两优996 种子和晚稻丰源优299 种子均购于湖南金色农丰种业有限公司。

2.2 试验设计

试验设不施氮处理（N0）、3 个增密减氮处理（IR1、IR2、IR3）和对照（CK），随机区组设计。3 次重复。小区面积25 m2。各小区间用田埂分开，田埂覆膜以防肥水串灌。每个小区单独排灌。早、晚稻小区设计、移栽方式等均一致。蘖肥于插秧后5 d施入。穗肥分2 次施入，第1 次在幼穗分化时期施用；第2 次在移栽35 d 后晒田5 d，灌水后施入。灌浆后蓄水，保持“寸水”左右，其余时期采用薄水层 （10～20 mm）与无水层相间的灌水方式。早晚稻磷钾肥施入量为：过磷酸钙750 kg/hm2，氯化钾201 kg/hm2。磷肥作蘖肥一次性施入，钾肥中蘖肥、穗肥的施用比例为5∶5。所有处理磷、钾肥施用方法一致。氮肥施用和栽植密度如下。

早稻：CK，施氮量120 kg/hm2，蘖肥84 kg/hm2，密度2.8×105株/hm2；IR1，施氮量103.2 kg/hm2，蘖肥67.2 kg/hm2，密度3.2×105株/hm2；IR2，施氮量86.4 kg/hm2，蘖肥50.4 kg/hm2，密度3.6×105株/hm2；IR3，施氮量69.6 kg/hm2，蘖肥33.6 kg/hm2，密度4.0×105株/hm2；N0，不施氮，密度及其他管理同CK。

晚稻：CK，施氮量150 kg/hm2，蘖肥105 kg/hm2，密度2.4×105株/hm2；IR1，施氮量129 kg/hm2，蘖肥84 kg/hm2，密度2.8×105株/hm2；IR2，施氮量108 kg/hm2，蘖肥63 kg/hm2，密度3.2×105株/hm2；IR3，施氮量87 kg/hm2，蘖肥42 kg/hm2，密度3.6×105株/hm2；N0，不施氮，密度及其他管理同CK 处理。

2.3 观测指标与方法

2.3.1 叶绿素相对含量的测定

在水稻主要生育期的晴天09: 00—11: 30，每个小区选取具有代表性的10 片叶，利用 SPAD-502叶绿素仪（日本柯尼卡美能达）测量叶片基部、中部、尖部的叶绿素相对含量（SPAD 值），分蘖期和孕穗期测倒2 叶，齐穗（抽穗）期和乳熟期测剑叶，计算平均值。

2.3.2 光合速率和水分利用效率(WUE)的测定

在水稻主要生育期的晴天09: 00—11: 30，每个小区选取具有代表性的5 片叶，采用LI-6400XT 光合测量仪测定分蘖期和孕穗期倒2 叶、齐穗（抽穗）期和乳熟期剑叶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr），并计算水分利用效率（WUE）。

2.3.3 产量的测定

在水稻成熟期，每个小区内收割2 m2范围内的水稻（移栽后作好标记，为测产区域），用小型脱粒机脱粒后晒干，称其质量。从中取少量谷粒，75 ℃烘至恒重，称重，并测定其含水率。根据公式（2）计算供试品种的标准产量[17]。

式中：RY 表示稻谷标准产量；DW 表示稻谷烘干质量；0.14 为籼稻品种的标准含水率（适合仓库存储的含水率）。

2.4 数据处理与分析

采用 Excel 2003 和 SPSS 17.0进行数据统计分析；采用新复极差法（Duncan）进行多重比较；采用Pearson 法进行相关性分析；采用Excel 2003 绘图。

3 结果与分析

3.1 增密减氮对双季稻光合特性的影响

3.1.1 增密减氮对双季稻叶绿素含量的影响

从表1 可知，早稻CK、IR1、IR2、IR3的叶绿素相对含量（SPAD 值）在分蘖到齐穗过程中不断升高，到乳熟期下降；各生育期N0的SPAD 值不断下降且均小于其他处理。在分蘖期、孕穗期、齐穗期IR3的SPAD 值均大于其他处理的，较CK 的分别高2.55%、2.57%、1.47%。在乳熟期IR1、CK、IR2、IR3、N0的SPAD 值依次降低。

表1 不同生育时期水稻各处理的SPAD 值Table 1 SPAD values of each treatment at different stages

晚稻各个生育时期，水稻植株叶片SPAD 值的变化趋势与早稻的基本相同，但晚稻SPAD 值的增长程度稍高，峰值点较早稻高1.55。在分蘖期，以IR2的最高，增密减氮处理的SPAD 值均高于CK 的；在孕穗期、齐穗期，以IR3的最高，较CK 分别高2.90%、1.56%；在乳熟期，CK 的SPAD 值最高，N0的最低。综上所述，早、晚稻增密减氮处理的SPAD值均较高，施氮处理比不施氮处理的SPAD 值高。

3.1.2 增密减氮对双季稻净光合速率的影响

由图1 可知，早稻在整个生育时期每个处理的净光合速率（Pn）随生育进程呈逐渐下降的趋势，乳熟期的Pn 最低。在分蘖期IR3的Pn 明显高于其他处理的，N0与IR1、IR2的差异不显著，IR1的最低。在孕穗期IR3的Pn 最高，CK 与N0、IR1与IR2的差异不显著；在齐穗期CK、IR3、IR1、N0、IR2的Pn依次降低，其中N0与IR1、IR2差异不显著；在乳熟期IR3的Pn 显著高于其他4 个处理的，分别较CK、IR1、IR2、N0高8.4%、37.9%、29.38%、12.08%，IR1与IR2的Pn 差异不显著。

图1 早、晚稻不同生育期的净光合速率Fig.1 Net photosynthetic rate at different growth stages of early rice and late rice

晚稻各处理的植株叶片Pn 在分蘖期最高，孕穗期最低。在分蘖期CK 的Pn 最高，IR2的最低，IR1、IR3、N0的差异不显著；在孕穗期各处理之间差异明显，IR3、N0、IR1、CK、IR2的Pn 依次降低；在齐穗期、乳熟期均以IR3的Pn 最高。

3.1.3 增密减氮对双季稻气孔导度的影响

从图2 可知，早稻各处理的气孔导度（Gs）在乳熟期最低，孕穗期最高。分蘖期以CK 的Gs 最高，IR3的最低，IR2与N0的Gs 差异不显著；孕穗期、齐穗期均以IR1的气孔导度最高，CK、IR2和IR3的差异均不显著；乳熟期IR3、N0的差异不显著，但明显高于IR1、IR2。

图2 早、晚稻不同生育期的气孔导度Fig.2 Conductance to H2O at different growth stages of early rice and late rice

在全生育时期晚稻各处理的Gs 随生育进程呈逐渐下降的趋势。分蘖期、孕穗期CK 的Gs 最高；3 个增密减氮处理以IR2的Gs 最高；N0的Gs 在分蘖期仅次于CK 的，在孕穗期为最低。齐穗期IR3的Gs 最高，与IR1差异不显著，N0的最低；乳熟期仍以IR3的Gs 最高，CK、IR1、IR2、N0的差异不显著。

3.1.4 增密减氮对双季稻胞间CO2浓度的影响

从图3 可以看出，早稻的胞间CO2浓度（Ci）在乳熟期最低。分蘖期IR3的Ci 最高，明显高于IR1、IR2、N0，与CK 差异不显著；孕穗期IR1的Ci 最高，显著高于N0，与IR3、IR2、CK 的差异不显著；齐穗期CK 的Ci 最高，明显高于其他4 个处理；乳熟期IR2的Ci 最高，CK 与IR1差异不显著，IR3与N0的差异不显著。

图3 早、晚稻不同生育期的胞间CO2 浓度Fig.3 Intercellular CO2 concentrations at different growth stages of early rice and late rice

晚稻的Ci 在齐穗期最低。分蘖期IR3的Ci 最高，孕穗期、齐穗期均以IR1的最高。乳熟期N0的Ci 最高，明显高于其他处理，CK 与IR3、IR1与IR2的差异均不显著。

3.1.5 增密减氮对双季稻蒸腾速率的影响

如图4 所示，早稻在分蘖期N0的蒸腾速率（Tr）最高，明显高于CK、IR2、IR3，与IR1差异不显著；孕穗期IR1与IR2的Tr 差异不显著，以IR1的最高，CK 的最低；齐穗期、乳熟期各个处理之间的差异不显著。

图4 早、晚稻不同生育期的蒸腾速率Fig.4 Transpiration rates at different growth stages of early rice and late rice

晚稻各处理的Tr 在分蘖期最高，乳熟期最低。分蘖期N0的Tr 最高，显著高于其他4 个处理，CK与IR3、IR1与IR2差异不显著；孕穗期以IR1的Tr最高，显著高于其他4 个处理，CK 与IR2、IR3的差异不显著；齐穗期、乳熟期IR1的Tr 最高，IR2、IR3、N0的Tr 差异不显著。

3.2 双季稻产量与不同生育期光合特性的相关性分析

双季稻4 个生育时期的光合特性与产量相关性分析的结果如表2 所示。在早稻的各个处理中，分蘖期的SPAD 值与产量呈显著正相关，Tr 与产量呈显著负相关；孕穗期的SPAD 值、Gs 与产量呈极显著正相关；齐穗期的SPAD 与产量呈显著正相关，乳熟期的Pn 与产量呈显著正相关。在晚稻的各个处理中，分蘖期的Tr 与产量呈极显著负相关；孕穗期的Gs、Ci与产量呈极显著正相关；齐穗期的SPAD值、Ci 与产量呈极显著正相关，乳熟期的SPAD 值 与产量呈显著正相关，而Ci 与产量呈显著负相关。

表2 不同生育期光合特性与经济产量的相关系数Table 2 Correlation coefficient between photosynthetic characteristics and economic yield at different growth stages

3.3 增密减氮对双季稻叶片水分利用效率的影响

由表3 可知，早稻在齐穗期水分利用效率最高；分蘖期、孕穗期、乳熟期IR3的水分利用效率最高，比各个时期的CK 分别高4.9%、3.5%、4.7%；齐穗期CK 的水分利用效率最高，显著高于其他处理的，比IR3高10.0%。晚稻的生育进程中，分蘖期CK的水分利用效率最高，明显高于其他处理，其后依次是IR1、IR3、IR2、N0；孕穗期、齐穗期、乳熟期IR3的水分利用效率最高，较CK 分别高13.2%、16.6%、11.3%。

表3 双季稻叶片水分利用效率Table 3 Leaf water use efficiency of double cropping rice μmol/mmol

4 结论与讨论

刘文祥等[18]研究发现，中氮和中密组合处理下早稻的SPAD 值在齐穗期最高。本研究中，早、晚稻在分蘖到齐穗过程中，4 个施肥处理的SPAD 值不断升高，在齐穗期最高，而不施肥处理（N0）的SPAD值不断下降，且明显低于施肥处理的。这是因为施氮在一定程度上可延缓叶片衰老[19]。同时适宜的栽植密度，可以保证个体的正常发育和群体的协调发展，减少氮肥，个体的分蘖能力虽减少[20]，但群体的分蘖数量增加了，可以更有效地利用光能，从而有利于叶绿素含量的提高。本研究中，早稻分蘖、孕穗、乳熟期IR3的Pn 均最高，在晚稻季孕穗、齐穗、乳熟期IR3的Pn 也最高，可见，IR3处理能提高双季稻的净光合速率，尤其是在水稻生长发育的后期阶段。有研究[21]认为，水稻结实期叶片的净光合能力是影响产量的关键因素，产量的80%以上来自水稻抽穗后叶片的光合作用[22]。本研究发现，早稻乳熟期的Pn 与产量具有显著正相关性，晚稻齐穗期的SPAD值与产量呈极显著正相关（相关系数为0.99），这说明早、晚稻在抽穗期以后有效利用养分和截取太阳辐射对于确保水稻产量至关重要[23]。

水稻叶片净光合速率（Pn）增加，叶片水分利用效率（WUE）则会增加；叶片的蒸腾速率增加会导致WUE 降低。本研究中，IR3处理的Pn 在早稻的分蘖期、孕穗期、乳熟期均高于其他处理，在晚稻的孕穗、齐穗、乳熟期，IR3处理的Pn 也最高，说明IR3处理能明显提高叶片水分利用效率。以上结果说明土壤水分一定时, 氮肥和种植密度合理组合,有利于养分的转化和供给, 使水、肥、种植密度间发挥良好的协同效应。在“早蓄晚灌”节水背景下,IR3的栽植密度和减氮施用有利于提高水稻群体间对水分的利用效率。

综上所述，IR3处理对于提高双季稻光合作用以及叶片水分利用效率的效果最好。氮素在一定程度上为植株提供养分，有助于光合作用以及叶片水分转化。节约氮肥投入、增加植株密度并没有降低群体生产力，甚至还明显提高了水分利用效率，充分利用了地力。较高的栽植密度和较低的氮素水平，可调节氮素养分与环境之间的矛盾，有利于集约化农业的可持续发展，符合资源节约与环境友好型的社会发展。但长期减氮和较高的植株密度是否会对土壤环境以及稻米品质造成不利影响还需作进一步探究。