间歇灌溉下不同生育时期喷施水溶性硅肥对水稻产量及品质的影响

邱菁华，薛 铸,2，孙书洪,2，彭劲舟，张鹏飞，董建舒，衣若晨

（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）

我国水资源相对短缺，农业用水量消耗较大，约占总用水量62.14%[1-2]。实现农业节水，对缓解我国用水紧张现状并实现可持续发展具有重要意义。水稻是我国主要粮食作物之一[1]，又是半水生性粮食作物，在种植过程中用水量较大，灌水量是其他作物2～3倍[3]。

研究水稻节水灌溉技术，是实现农业节水关键。众多学者以高产、高效、节水为目标，从水稻需水规律及耕作模式出发，提出多种节水灌溉技术，并取得显著成果，如控制灌溉、间歇灌溉、滴灌等[4]。与淹灌相比，间歇灌溉可提高水稻生长后期抗旱能力，减少25%～77.80%稻田灌水量，提高水分利用效率，有利于水稻植株干物质积累[5-6]。因此，研究水稻间歇灌溉技术，为缓解水资源短缺造成的经济、社会效益压力具有重要意义。

硅对植物生长发育起重要作用[7]。水稻为喜硅植物，硅肥可提高水稻吸收氮、磷、钾等营养元素的能力，促进水稻光合作用，提高水稻抗逆性[8-9]。适宜的硅肥可增强作物抗旱能力，有助于缓减干旱胁迫对荞麦幼苗和生菜的损伤，增加玉米在干旱或半干旱地区的产量[10-12]。同时，国内外研究表明，硅肥在增加旱作水稻根系活力、促进干物质积累、提高水稻每穗粒数、结实率和千粒重等方面作用显著[13-14]，有利于提高水稻产量并改善其品质[15-16]。

目前，间歇灌溉下不同生育时期施硅肥研究较少。因此，本研究以间歇灌溉技术与硅肥施用相结合为切入点，研究间歇灌溉下不同生育时期施硅肥对水稻农艺性状、产量、灌水利用效率及品质的影响，综合分析适宜施硅时期，以期为间歇灌溉下水稻施硅制度确立提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于天津农学院西校区试验基地（N39°16′，E116°97′），属于华北平原东北部，地势平坦，海拔为7 m。试验区所属气候为暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温13℃，年降水量510.80 mm，年日照时数2 338 h，其中最热月份为7月，最冷月份为1月，夏季降水量最多，春季日照时数最多。土壤为沙质土壤，土壤pH为7.91，水解氮61.08 mg·kg-1，速效磷62.28 mg·kg-1，速效钾216.50 mg·kg-1，有机质为0.91%。0～100 cm土层平均土壤饱和含水率为27.58%，干容重为1.52 g·cm-3。试验区内布设气象站，全年监测气象条件。水稻生育期内平均气温为22.40℃，降雨量为442.30 mm，最大一次降雨量出现在7月，为67.70 mm。水稻生育期试验地气象条件见图1。

图1 水稻生育期试验地气象条件Fig.1 Meteorological conditions of experimental sites in rice growth period

1.2 试验设计

试验采用田间测坑随机布置，测坑用砖砌水泥砂浆抹面修筑，有底且覆盖有塑料薄膜，可避免水肥串流。测坑尺寸为2 m×2 m×1.50 m（长×宽×高），间距为1 m。以水稻“津原85”为研究对象，栽插行距30 cm、株距20 cm，每个测坑共计54穴、每穴6苗。根据《灌溉试验规范》（2004版本）相关规定划分水稻生育期[17]，水稻各生育时期日期及天数详见表1。试验以不同生育时期施硅肥设置6个处理，分别为分蘖期施硅肥（S1）、拔节期施硅肥（S2）、孕穗期施硅肥（S3）、抽穗期施硅肥（S4）和扬花灌浆期施硅肥（S5），以不施硅肥（CK）为对照处理，每个处理3个重复。

表1 水稻各生育时期日期及天数Table 1 Dates and days of each growth stage of rice

试验肥料统一采用复合肥（15-15-15，N 15%，P2O515%，K2O 15%）作为基肥，600 kg·hm-2；尿素（含N≥46%）作为追肥，172.50 kg·hm-2，其中返青期施37.50 kg·hm-2，分蘖期、孕穗期和抽穗期分别施45 kg·hm-2；硅肥（SiO2≥290 g·L-1）作为供试肥采用叶面喷施，6 kg·hm-2。采用间歇灌溉模式灌水，即在返青期维持30～50 mm水层，分蘖末期晒田，黄熟期停止灌溉，自然落干。其他时间采取间歇淹水每4～6 d灌水1次，每次灌水30～50 mm，使田面保持15～20 mm水层，有水层和无水层各2～3 d[5]。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 株高及功能叶的叶面积

水稻齐穗后12 d，每测坑除去边行外随机选择5穴，测量土面至最高穗顶（不计芒）高度为水稻株高。

水稻齐穗后12 d，每测坑除去边行外随机选取3株，测量功能叶的叶片长度和宽度，计算功能叶的叶面积。

式（1）中，S为功能叶的叶面积（cm2），Li为水稻叶片长度（cm），Di为水稻叶片最大宽度（cm），K为校正系数，取为0.75。

1.3.2 产量及产量构成

水稻成熟时，每测坑除去边行外选取长势平均的5穴带回室内测定其穗长、有效穗数、每穗总粒数、每穗实粒数、千粒重并求出水稻结实率及理论产量。

1.3.3 灌水利用效率

式（2）中，WUE为灌水利用效率（kg·m-3），Y为水稻产量（kg·hm-2），L为灌水量（m3·hm-2）。

1.3.4 品质

水稻风干后，采用SY-88-TH型砻谷机和CBS-300型精米机测定加工品质（糙米率、精米率）；采用RJQI20型颗粒评定仪测定精米相关外观品质（稻米长度、宽度和长宽比）；采用SATAKE型稻米食味计测定精米营养品质（蛋白质含量）和食味品质（直链淀粉含量）。

1.3.5 统计分析

试验各指标数据均测定至少3个平行样，利用SPSS 22.0对数据作单因素方差（ANOVA）分析（图中及数据不同英文字母表示P=0.05水平差异显著）。利用隶属函数法对水稻产量、灌水利用效率及品质作综合评价。计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥对水稻株高及功能叶的叶面积影响

由图2可知，间歇灌溉下施硅肥，对水稻株高无显著影响，但可促进水稻功能叶生长。与CK相比，功能叶的叶面积在增施硅肥后均显著增加，增长为12.33%～39.70%。各处理间，功能叶的叶面积在S3处理下最大，S1次之，分别为114.82和111.13 cm2，与其他各处理相比差异显著。

图2 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥对水稻株高及功能叶的叶面积的影响Fig.2 Effects of silicon fertilizer application at different growth stages on rice plant height and functional leaf area under intermittent irrigation

结果表明，间歇灌溉下施硅肥有利于水稻功能叶生长，且分蘖期、孕穗期施硅肥对功能叶生长发挥重要作用。水稻功能叶为籽粒灌浆成熟提供光合产物，功能叶光合作用能力直接影响产量，对品质影响较大。因此，间歇灌溉下在分蘖期、孕穗期施硅肥可能对水稻产量和品质产生显著影响。

2.2 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥对水稻产量构成、产量和灌水利用效率的影响

由表2可知，各处理间穗长和千粒重差异未达显著水平；各处理间穗数以S1处理最大为362.96个·m-2，与其他处理相比达显著水平；与CK相比，间歇灌溉下施硅肥使实穗粒数和结实率显著提高，分别增长1.89%～5.66%、0.16%～1.89%。实穗粒数在S3、S5处理下最大，结实率在S3处理下最大，与其他处理相比差异显著。与CK相比，间歇灌溉下施硅肥对水稻产量及灌水利用效率均有显著促进作用，并在S1处理下最大，为9 825.20 kg·hm-2、1.51 kg·m-3，S3处理次之，为9 752.90 kg·hm-2、1.50 kg·m-3。

表2 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥对水稻产量构成、产量和灌水利用效率的影响Table 2 Effects of silicon fertilizer application at different growth stages on rice yield composition,yield and irrigation water use efficiency under intermittent irrigation

以上结果表明，间歇灌溉下施硅肥有利于提高水稻产量和灌水利用效率，分蘖期、孕穗期为关键施硅时期。可能由于分蘖期施硅肥增加有效分蘖，促进有效穗数提高，而孕穗期施硅有利于籽粒灌浆成熟，促进结实率提高，实现增产。

2.3 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥对稻米品质的影响

由表3可知，与CK相比，其他处理糙米率有不同程度增加，增幅为0.84%～1.87%，并在S4处理下最大糙米率为79.08%，差异显著；各处理间精米率、长度和宽度未达显著水平；与CK相比，S4、S5长宽比增加2.60%，差异显著；与CK相比，其他处理蛋白质和直链淀粉含量有不同程度增加，增幅分别为5.04%～10.35%、2.39%～6.04%，其中S5处理蛋白质、直链淀粉含量最大值分别为12.47%和25.27%，差异显著。

表3 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥对稻米品质的影响Table 3 Effects of silicon fertilizer application on rice quality at different growth stages under intermittent irrigation

以上结果表明，间歇灌溉下增施硅肥可提高糙米率，改善加工品质，并显著提高稻米蛋白质含量，改善营养品质，但促进稻米直链淀粉积累，不利于食味提高。抽穗期、扬花灌浆期施硅对改善稻米品质的作用最为显著。可能是因为稻米品质形成实质是水稻体内碳、氮代谢以及籽粒灌浆充实过程，而抽穗期和扬花灌浆期是籽粒灌浆充实关键时期，此时人工施用矿质元素对稻米品质的影响十分重要。

2.4 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥的水稻综合评价

间歇灌溉下不同生育时期施硅对水稻的作用不同，选取施硅肥后影响显著且增幅较大的蛋白质、直链淀粉作为评价水稻品质指标，运用隶属函数法将水稻品质、产量及灌水利用效率作综合评价。首先计算各指标隶属函数值，再求得其隶属函数值平均值，数值越大代表水稻综合评价越好，反之越差。

由图3可知，间歇灌溉模式不同处理下水稻产量、灌水利用效率和品质综合排名为S1＞S3＞S4＞S5＞S2＞CK。

图3 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥的水稻综合评价Fig.3 Comprehensive evaluation of rice application of silicon fertilizer in different growth periods under intermittent irrigation

2.5 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥对经济效益的影响

由表4可知，与不施硅肥相比，S1～S5处理经济产值增加2.01%～8.63%，差异显著；肥料成本增加210元·hm-2，人工投入增加200元·hm-2；与CK相比，经济效益在S2处理下减少39元·hm-2，在S1处理下增加最高，为1 151元·hm-2；产投比在S1处理下最大，为2.56，S3处理次之，为2.55，其他处理与CK相比均有降低。

表4 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥对经济效益的影响Table 4 Effects of silicon fertilizers at different growth stages on economic benefit under intermittent irrigation

以上结果表明，间歇灌溉下不同生育时期施硅肥虽有利于提高水稻经济产值，但随肥料成本和人工投入增加，经济效益和产投比可能降低。说明选择适宜的施硅肥时期十分重要，分蘖期施硅肥可使经济产值、经济效益、产投比最优。

3 讨 论

3.1 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥对水稻株高及功能叶的叶面积的影响

水稻株高受数量基因和环境共同控制，品种和环境不同均可造成结论差异，可能是间歇灌溉下水稻增施硅肥对株高无显著影响的原因，有待深入研究。水稻抽穗后上三叶被称为功能叶，对水稻产量和品质发挥重要作用。研究发现间歇灌溉下增施硅肥有利于水稻功能叶生长，可提高功能叶的叶面积，与蔡德龙研究结果一致[18]。研究还发现，间歇灌溉下在孕穗期施硅对功能叶的叶面积作用最大，可能原因是孕穗期施硅可保护功能叶，防止早衰，需进一步试验研究其机理。

3.2 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥对水稻产量构成、产量和灌水利用效率的影响

水稻产量受有效穗数、千粒重、结实率共同影响。间歇灌溉下水稻施硅有利于实穗粒数、结实率及产量提高，与王圣毅等研究结果一致[19]，但施硅对穗长和千粒重影响小，原因尚不明确。今后可针对间歇灌溉下增施硅肥对穗长和千粒重的影响展开进一步研究。硅肥施用有利于提高作物抗逆性，叶面喷施硅肥有助于产量提高[20]。韩晓楠等研究表明，增施硅可缓解盐分胁迫提高水稻产量和水分利用效率[21]。本研究也发现，在间歇灌溉下增施硅肥有利于缓解干旱胁迫，促进水稻生长并提高产量和灌水利用效率，其中分蘖期施硅肥作用最佳。

3.3 间歇灌溉下不同生育时期施硅肥对稻米品质的影响

关于水稻施硅肥对稻米品质的研究已有相关报道。任海等研究发现，水稻糙米率、精米率及整精米率在施加硅肥后有所提高，施加硅肥还增加稻米粒长、粒宽，但对长宽比影响较小[22]。刘奇华等研究表明，高温逆境下施硅肥有利于改善水稻营养品质,但促进直链淀粉积累不利于改善水稻食味品质[23]。Ahmad等研究发现，在水稻孕穗期喷洒1%硅肥后，水稻蛋白质含量较不施硅处理显著提高5.30%[24]。本研究也发现间歇灌溉下施硅肥提高水稻糙米率、蛋白质及直链淀粉含量，且抽穗期和扬花灌浆期是改善水稻品质施硅关键时期，但施硅对精米率及稻米粒长、粒宽无显著影响，造成这一结果原因有待深入研究，可能与水稻品种、灌水模式及硅肥施用量不同有关。

3.4 硅肥施用量及施用时期

试验所选硅肥为水溶性硅肥，可溶于水被农作物直接吸收，肥料利用率较高，因此试验中可不考虑人工回收硅肥的问题。水稻作为典型喜硅植物，学者已开展水稻施用硅肥研究，金正勋等研究韩国扩散型“Silica Tabs”和中国可溶性硅肥两种硅肥对寒地水稻产量及品质的影响，结果表明，寒地水稻在最高分蘖期至幼穗分化始期施用10 kg·hm-2中国可溶性硅肥可提高水稻单产和稻米蒸煮食味品质，而“Silica Tabs”硅肥最佳施用量为6 kg·hm-2[25]。吕健飞等研究发现，水稻“甬优6760”水溶性硅肥用量最佳为3 kg·hm-2，可使产量增幅达9.60%[26]。杨国英等认为，优质食味粳稻推荐硅肥施用方式为：苗期3 kg·hm-2、拔节期4.50 kg·hm-2、抽穗期7.50 kg·hm-2[27]。目前，水溶性硅肥用量及施用时期尚无统一标准，本研究选择施用6 kg·hm-2水溶性硅肥，表明间歇灌溉下分蘖期施硅肥的综合评价及经济效益最高，但仅为一年试验所得，未来关于间歇灌溉下硅肥适宜施用量和施用时期需进一步验证。

4 结论

在间歇灌溉下，喷施水溶性硅肥有利于水稻功能叶生长、产量及灌水利用效率提高，一定程度上改善稻米品质。不同生育时期施硅肥对水稻影响不同，孕穗期施硅有利于水稻功能叶生长，分蘖期施硅有利于水稻有效穗数增加，实现增产。抽穗期施硅对稻米出糙率影响最大，扬花灌浆期对稻米蛋白质和直链淀粉含量影响最显著。水稻综合评价及经济效益分析可知，分蘖期可作为间歇灌溉下水稻推荐施硅时期。本研究结果可为间歇灌溉下制定水稻施硅制度提供依据，未来需在不同灌溉间歇时间、施硅量和水稻品种下开展进一步研究。