不同水分和氮素處理對寒地水稻生育及產(chǎn)量的影響

田亞芹，馮利平，鄒海平，張祖建， 朱化敏，苗宇新

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193； 2. 河北省氣象服務(wù)中心，石家莊 050021；3. 揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，揚州 225009； 4. 黑龍江省農(nóng)墾總局建三江分局農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，建三江 156300)

寒地水稻區(qū)是指北緯43°以北的黑龍江省全省以及吉林省北部部分縣市的水稻種植區(qū)。黑龍江省是國家重要的商品稻谷產(chǎn)地之一，2011年黑龍江水稻種植面積超過340萬hm2，稻谷產(chǎn)量達(dá)到2062.0 萬t，成為全國稻谷產(chǎn)量第二大省[1]。

水分、氮素是影響水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量的重要因素。我國水稻節(jié)水灌溉主要模式歸納為淺、濕、曬結(jié)合，間歇淹水，半旱栽培和蓄雨等4類[2]。呂艷東等[3]在寒地稻作區(qū)進(jìn)行水稻全生育期間歇控水盆栽試驗，認(rèn)為間歇控水引起品種有效穗數(shù)降低，穗粒數(shù)增多，結(jié)實率提高，千粒重增加。王秋菊[4]研究表明適當(dāng)控水灌溉可以增加水稻根系長度、數(shù)量、根體積，干物重及增強水稻根系活力。有些學(xué)者[5- 7]在進(jìn)行氮素對寒地水稻的影響研究中認(rèn)為，中國水稻生產(chǎn)氮肥施用量較高而利用率較低。我國寒地稻作條件和日本相似，水稻產(chǎn)量兩地相差不大，但寒地氮肥用量過高，施肥時期不合理，致使氮肥偏生產(chǎn)力低。

目前在我國南方稻作區(qū)進(jìn)行過較多的水氮及其耦合對水稻生長及產(chǎn)量的影響研究[8- 11]，而在寒地水稻區(qū)多為單一因素的影響研究[3- 7]，而關(guān)于不同水分和氮素處理對中國東北寒地水稻生育及產(chǎn)量影響的研究尚未見報道。本文通過兩年不同水氮處理的大田試驗研究水分和氮素對中國東北地區(qū)寒地水稻生育及產(chǎn)量的影響，以期為該地水稻田水肥科學(xué)管理，實現(xiàn)水稻生產(chǎn)高產(chǎn)高效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗設(shè)在黑龍江省富錦市建三江(47.28°N，132.63 °E，海拔64.8 m)，當(dāng)?shù)責(zé)o霜期110—130 d，活動積溫2300—2500 ℃，日照時數(shù)2200—2400 h；夏季短溫度低，冬季長而寒冷，一年一熟，屬高寒稻作區(qū)[1]。

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2010—2011年5—9月在建三江科研所進(jìn)行，兩年供試品種均為空育131(11葉)和龍粳21(12葉)。設(shè)灌溉方式、施氮量二因素試驗，隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積40 m2。試驗地土壤為粘壤土，有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為3.20%、145 mg/kg、30.0 mg/kg和106.8 mg/kg，pH值為6.0，土壤容重為1.25 g/cm3。

2010年灌溉處理設(shè)雨養(yǎng)(W0，只在返青期及施肥期進(jìn)行必要的適量灌溉)、間歇灌溉(W1，土壤水勢保持在-10 —-25 kPa)、水層灌溉(W2，土壤水勢為0 kPa)。施氮處理設(shè)常規(guī)水平(F1，施純氮總量為112.5 kg/hm2，分別作基肥:分蘗肥:穗肥施氮比例為4∶2∶4)、高氮水平(F2，施純氮總量為142.5 kg/hm2，分別作基肥∶分蘗肥∶穗肥施氮比例為3∶3∶4)。2011年灌溉處理設(shè)置同2010年。施氮處理設(shè)不施氮(F0)、常規(guī)水平(F1，施純氮總量為135 kg/hm2，分別作基肥∶分蘗肥∶穗肥施氮比例為4∶2∶4)、高氮水平(F2，施純氮總量為172.5 kg/hm2，分別作基肥∶分蘗肥∶穗肥施氮比例為3∶3∶4)。兩年試驗均施用磷肥(P2O5)純量45 kg/hm2，作基肥一次性施入；鉀肥(K2O)純量120 kg/hm2，分基肥和穗肥兩次施入，比例1∶1。

寒地水稻大田生長期主要集中在5月至9月上旬。在塑料大棚中采用旱育秧，4月中上旬播種，4月下旬出苗，5月中下旬整地打漿，使用機械打勻打深，小區(qū)之間以田埂和水渠隔開，每個小區(qū)能夠單獨灌溉。在5月下旬3—3.5葉齡移栽，移栽密度28—31 穴/m2，4—5 株/穴。病蟲害防治及除草等栽培管理同當(dāng)?shù)卮筇锼旧a(chǎn)。

1.2 測定項目與方法

調(diào)查記載水稻發(fā)育期。

各器官干物重與葉面積系數(shù)(LAI)的測定：在苗期、幼穗分化期、抽穗期、抽穗后20d和成熟期測定莖、葉、穗各器官的干物重。方法是將取回的植株樣品洗凈后剪去根系，按莖葉穗分開置于烘箱中，105 ℃殺青半小時后，調(diào)至75 ℃烘干至恒重，稱重。葉面積系數(shù)測定采用比葉重法，選取其中10個平均大小的單莖，對上三葉測定最大葉寬后，剪取中間3 cm長葉片片段，單獨烘干稱重，求算比葉重，最后根據(jù)樣品總?cè)~重和比葉重計算出樣本葉面積。

在抽穗期和成熟期將干物重樣本粉碎，測定樣品植株莖、葉、穗各器官含氮量，采用H2SO4-H2O2消煮定氮法[12]。

進(jìn)行產(chǎn)量測定與考種。在成熟期，于測產(chǎn)區(qū)域中割取1 m2樣本，3個重復(fù)，分別脫粒計產(chǎn)，并測定有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實率等。

采用真空表式土壤負(fù)壓計測定土壤水勢，埋深15 cm，每隔2—3 d讀1次數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與計算方法

計算水稻吸氮量和氮肥吸收利用率，其公式分別為：

器官吸氮量=器官含氮量×器官干物重

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

通過Excel 2007進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理，運用SPSS17.0軟件方差分析方法(LSD)對不同水分管理和施氮量處理進(jìn)行生物量及產(chǎn)量的顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分和氮素處理對水稻發(fā)育期的影響

龍粳21的總生育期比空育131長5—8 d，其中龍粳21在移栽-穗分化時期比空育131長6 d，而在灌漿期比空育131短2 d。同一水分處理下，不施氮處理水稻生育期比常規(guī)施氮(F1)縮短2—5 d，而高氮下水稻生育期延長2—4 d，間歇灌溉與水層灌溉同一氮素水平下的水稻生育期相同，而雨養(yǎng)處理能夠使水稻生育期縮短1—5 d(表1)。

表1 2011年不同品種各處理水稻關(guān)鍵生育期(月-日)

2010年試驗結(jié)果不同處理生育期表現(xiàn)與此相似。兩年試驗表現(xiàn)出雨養(yǎng)處理下生育期縮短，低氮處理生育期縮短。

2.2 不同水分和氮素處理對水稻葉面積指數(shù)的影響

兩年試驗中，兩品種葉面積指數(shù)(LAI)在分蘗盛期后迅速增加，在抽穗期前后達(dá)到最大，此后逐漸下降 (圖1)。

兩年中在水稻抽穗期兩品種氮素處理間葉面積指數(shù)有顯著差異，空育131、龍粳21高氮處理的LAI分別顯著高出常規(guī)施氮處理15%、16%，常規(guī)施氮處理LAI顯著高出不施氮處理20%、31%。間歇灌溉與水層灌溉之間差異不顯著，空育131間歇灌溉、水層灌溉顯著高出雨養(yǎng)處理11%、13%；龍粳21間歇灌溉、水層灌溉顯著高出雨養(yǎng)處理26%、18%。

在F0處理條件下，在水稻抽穗期空育131、龍粳21間歇灌溉LAI比雨養(yǎng)條件下分別高出30%、36%，而在高氮F2條件下比雨養(yǎng)下僅高出2%、8%。可見，在低氮條件下，水分不足的限制作用明顯，而高氮則能一定程度地彌補水分的限制，促進(jìn)葉片的生長。

2.3 不同水分和氮素處理對水稻地上部總干物重影響

地上部干物質(zhì)總重隨發(fā)育進(jìn)程不斷增加，在水稻營養(yǎng)生長階段莖重、葉重不斷增加，地上部干物質(zhì)總重增加迅速，在生殖生長階段莖重、葉重開始降低，穗重增加，總干物重增加減緩，地上部總干物重在成熟期達(dá)到最大值(圖2)。

水稻成熟期干物重雨養(yǎng)與水層灌溉、雨養(yǎng)與間歇灌溉之間差異顯著，間歇灌溉與水層灌溉之間差異不顯著，比雨養(yǎng)處理高出12%左右。

水分處理相同時，隨著施氮量的增加地上部總干物重顯著增加。在雨養(yǎng)條件下，這種趨勢在水稻生長早期即開始出現(xiàn)。在不施氮條件下，雨養(yǎng)處理與水層灌溉相比，莖重最大值降低20%左右，葉重最大值降低43%左右，在成熟期葉重降低57%。在高氮條件下，雨養(yǎng)處理比水層灌溉莖重降低僅為8%—11%，葉重降低2%—6%，同樣在不施氮情況下，間歇灌溉與水層灌溉分別比雨養(yǎng)條件下穗重高17%、14%；在高氮條件下，水層灌溉、間歇灌溉、雨養(yǎng)處理之間的穗重相差較小，說明當(dāng)?shù)厮旧a(chǎn)中氮肥作用大于水分，增加施氮量可以在一定程度上減緩水分脅迫對水稻的影響。

圖1 不同處理兩品種葉面積指數(shù)(LAI)的動態(tài)變化(2010—2011)

圖2 不同處理空育131品種地上部總干物質(zhì)積累動態(tài)(2010—2011)

2.4 不同水分和氮素處理對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素影響

不同水分處理和氮素對水稻生長發(fā)育及生理活動所產(chǎn)生的各種影響，最終會影響到水稻產(chǎn)量形成。由表2 可見，施氮量對水稻產(chǎn)量影響達(dá)極顯著水平。相同水分條件下，空育131和龍粳21高氮產(chǎn)量分別較不施氮分別提高了50%、38%、36%、30%、46%、66%。

表2 不同處理兩品種水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素(2010—2011)

水分處理對水稻產(chǎn)量影響顯著，均表現(xiàn)出兩品種水層灌溉與間歇灌溉之間產(chǎn)量差異不顯著，水層灌溉、間歇灌溉與雨養(yǎng)處理間差異顯著?？沼?31水層灌溉較雨養(yǎng)產(chǎn)量顯著提高23%、12%，龍粳21顯著提高20%、12%。由此可見，空育131、龍粳21品種在水層灌溉和高氮處理下均具較大增產(chǎn)潛力。雙因子方差分析表明，兩年度兩品種產(chǎn)量的水氮互作效應(yīng)均不顯著。

由表2可見，水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重，隨著施氮量的增加而增加。增加施氮量可以顯著地提高水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重。

在施氮水平一致的條件下，雨養(yǎng)處理水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)顯著降低。有效穗數(shù)、水層灌溉處理與間歇灌溉處理之間差異不顯著，水層灌溉、間歇灌溉與雨養(yǎng)處理之間有顯著性差異。

兩年度兩品種有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重水氮互作效應(yīng)均不顯著。

2010、2011年度空育131有效穗數(shù)比龍粳21有效穗數(shù)分別高36.7%、50.3%；而龍粳21的每穗粒數(shù)比空育131分別高61.5%、33%，說明空育131分蘗力強，有效穗數(shù)多，而龍粳21相比于空育131分蘗力弱，每穗粒數(shù)多。

2.5 不同水分和氮素處理對水稻氮素利用效率的影響

由表3可見在水分條件一致時，隨著施氮量的增加，兩品種莖、葉、穗吸氮量、氮肥吸收利用率顯著增加。空育131(除成熟期葉氮素積累量)水分處理間有顯著差異，而水氮交互作用(除抽穗期葉氮素積累量)不顯著；氮肥吸收利用率在間歇灌溉與水層處理條件下無顯著差異，二者分別顯著高出雨養(yǎng)處理63%、50%。

表3 不同水分和氮素處理對水稻植株氮素積累量及氮肥利用率的影響

龍粳21抽穗期莖、葉吸氮量及成熟期穗吸氮量水分處理間有顯著差異，氮肥吸收利用率在間歇灌溉與水層處理條件下無顯著差異，二者分別顯著高出雨養(yǎng)處理24%、31%。穗吸氮量在抽穗期和成熟期均有顯著互作效應(yīng)。

3 討論與結(jié)論

水氮是水稻生長的主要限制因子，寒地水稻區(qū)多為井灌區(qū)，并多采用水層灌溉方式，消耗地下水多。本文通過對2010—2011年水氮處理對水稻生長狀況及產(chǎn)量的影響分析，認(rèn)為間歇灌溉及高氮管理(142—173 kg/hm2)具有較好的增產(chǎn)效應(yīng)及氮素利用率。周明耀[8]在南方稻作區(qū)研究認(rèn)為間歇灌溉及適當(dāng)?shù)厮?202 kg/hm2)時產(chǎn)量及氮素利用率均較高，二者結(jié)果較為一致。

不同水氮處理條件下，雨養(yǎng)水稻氮素利用率顯著降低，水層處理水分利用率顯著降低，所以間歇灌溉能夠使水稻產(chǎn)量不降低的情況下增加水稻氮素利用效率。這與前人研究結(jié)果一致[13- 15]。王紹華[10]研究也表明施氮量增加，水稻吸氮量增多，氮素利用率和產(chǎn)谷效率下降；水分脅迫增加，增強了氮肥降低水稻氮素利用率的效應(yīng)。有研究表明[4,16]間歇灌溉處理使水稻蹲苗穩(wěn)長，促進(jìn)根系良好發(fā)育和對水分、養(yǎng)分的吸收，為水稻生長提供了有利條件，而缺水與缺氮使根分布淺，易早衰，對水稻的生長發(fā)育起到脅迫作用。因此雨養(yǎng)水稻的生長指標(biāo)較之水層灌溉顯著降低。本文得出，在低施氮條件下，水分不足的限制作用明顯，而高施氮則能一定程度上彌補水分的限制，促進(jìn)水稻的生長。當(dāng)?shù)厮旧a(chǎn)中氮肥作用大于水分，增加施氮量可以彌補水分限制對水稻的影響。

本研究表明，增加施氮量能顯著地提高水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)，而水層灌溉處理與間歇灌溉處理之間二者差異均不顯著，雨養(yǎng)水稻有效穗數(shù)顯著降低，這造成了不同處理間的產(chǎn)量差異。這與Sun Yongjian[9]研究結(jié)果部分相似，本研究比較兩品種產(chǎn)量構(gòu)成因素可知，空育131分蘗力強，有效穗數(shù)多，而龍粳21相比于空育131分蘗力弱，每穗粒數(shù)多。

與以往寒地水稻研究中水分、氮素單因素研究相比[17- 18]，本文通過大田試驗研究品種、水分、氮素及水氮互作對水稻生育期、葉面積、地上部干物重及水稻產(chǎn)量的影響，可深入了解水稻生產(chǎn)中水肥多因素互相制約、互相影響的問題。深入探討水氮互作效應(yīng)及合理的水肥管理措施，為生產(chǎn)管理提供理論依據(jù)。也有研究表明[19]，在南方常規(guī)施氮量(240 kg/hm2)下干濕交替灌溉對水稻產(chǎn)量無顯著差異，但在高氮(300 kg/hm2)條件下干濕交替灌溉顯著提高了水稻產(chǎn)量，其原因是由于干濕交替使得葉片光合速率和葉綠素含量下降較少，結(jié)實率和粒重增加明顯超過光合作用下降造成的產(chǎn)量損失，產(chǎn)量明顯提高。寒地水稻區(qū)由于土壤土壤肥力較高，當(dāng)?shù)氐氖┓仕皆?50 kg/hm2，對于進(jìn)一步提高施氮水平，間歇灌溉的產(chǎn)量是否與南方水稻有一致的變化，還有待研究。

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