董瑜皎,袁 江,呂世華*
(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所,四川 成都 610066; 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,北京 100193)
【研究意義】隨著對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究的加強,針對中國水資源短缺,時空分布不均,南方季節(jié)性干旱頻繁的現(xiàn)狀,近年來水稻地膜覆蓋旱作栽培技術(shù)得到了進一步的發(fā)展與推廣,成為節(jié)水灌溉中的研究熱點。對該技術(shù)節(jié)水保墑、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的效果及機制,一些學(xué)者也進行了較為詳細(xì)的研究[1-4]。
隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的改善和作物產(chǎn)量的提高,改善作物品質(zhì)更應(yīng)受到重視。鋅是動植物和人體所必需的微量元素[5],當(dāng)土壤供鋅不足時,農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)會顯著降低,對于依靠禾谷類作物為主食或居住在礦質(zhì)元素不平衡甚至缺乏地區(qū)的人群,微量元素缺乏往往更容易發(fā)生[6]。人體缺鋅會引起多種疾病,被列為發(fā)展中國家導(dǎo)致疾病和死亡的10個最重要影響因子的第5位[5]。目前中國人均鋅日攝入量僅達到了標(biāo)準(zhǔn)每日鋅供給量(RAD 12 mg)的80.4 %[5],在一些貧困地區(qū),小麥、水稻等糧食作物的籽粒是人體所需鋅的主要來源,但籽粒中的鋅含量普通較低,無法滿足人們對鋅的需求。為了改善糧食作物的鋅營養(yǎng)品質(zhì),施用鋅肥已引起普遍重視。
【前人研究進展】有學(xué)者指出鋅缺乏主要發(fā)生在pH值大于7的石灰性土壤[7-8],以及施磷過多的土壤[8-11],國際水稻研究所提出土壤有效鋅的最低臨界指標(biāo)為0.8 mg/kg[8,11]。有研究表明在水稻秧田基施鋅肥可以提高秧苗素質(zhì),在水稻秧苗期噴施鋅肥能增加株高和分蘗,提高成穗率,分蘗期噴施鋅肥還能促根、壯根,增強碳酸同化,提高水稻產(chǎn)量[12-13]。在花前7 d追施鋅肥可以使得糙米中鋅的含量提高[12],而噴施50 mg/kg濃度的鋅肥,對糙米中的鋅含量及水稻產(chǎn)量影響不顯著[13]?!颈狙芯壳腥朦c】目前關(guān)于在覆膜栽培條件下,不同施鋅方式對水稻生產(chǎn)力和鋅肥利用的研究仍較少。植株體內(nèi)任何2種元素都存在著相互的影響,許多試驗已經(jīng)證實氮、鋅配施對作物有明顯的增產(chǎn)效果,氮肥施用也會影響籽粒的微量元素吸收積累[14-15]。水稻覆膜栽培條件下,隨著氮肥施用量的增加水稻產(chǎn)量也會增加,當(dāng)?shù)适┯昧窟_到150 kg/hm2后,產(chǎn)量增長緩慢[16]。而川中丘陵區(qū)農(nóng)民習(xí)慣施氮量高于此量,故氮、鋅配施下不同施氮水平對覆膜水稻的產(chǎn)量以及對鋅肥的吸收利用影響如何,也是值得關(guān)注的問題。
【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究旨在討論不同施鋅方式對覆膜栽培水稻生產(chǎn)力及鋅肥利用的影響,為實現(xiàn)覆膜水稻的高產(chǎn)高效進一步提供參考依據(jù)。
試驗于2010-2011年在四川資陽雁江區(qū)響水村進行。試驗地位于E104°34′,N30°05′,平均海拔為395 m,該地區(qū)平均降雨量為965.8 m,季節(jié)性暴雨突出,春旱嚴(yán)重。供試土壤為壤土,粘粒含量9.8 %, pH值7.4,有機質(zhì)3.8 %,有效氮174.0 mg/kg,有效磷22.4 mg/kg,有效鋅0.79 mg/kg。
試驗為2因素設(shè)計:因素1是4種施鋅方式:Zn0(作物不施鋅肥),ZnS(土壤中施入ZnSO4·7H2O 50 kg/hm2),ZnL(葉面噴施0.3 %濃度的ZnSO4·7H2O),ZnS+L(土壤施入50 kg/hm2ZnSO4·7H2O+葉面噴施0.3 %濃度的ZnSO4·7H2O);因素2是2個氮水平:N120(覆膜栽培水稻推薦施氮120 kg/hm2),N180(當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)水稻種植施氮180 kg/hm2)。試驗共8個處理,每個處理重復(fù)3次,共24個小區(qū),隨機區(qū)組排列。所有氮肥和75 kg/hm2P2O5、75 kg/hm2K2O作為基肥于水稻移栽前混施入土壤,鋅肥在播種前撒施入土壤,噴施鋅肥時要使所有葉片全部濕潤但不形成水滴流走,分2次噴施,第一次在穗發(fā)育期之前,第二次在開花后一周。氮肥為尿素,磷肥為過磷酸鈣,鉀肥為氯化鉀,鋅肥為ZnSO4·7H2O。
供試水稻品種是四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所選育的“川香8108”。 按照水稻覆膜節(jié)水抗旱高產(chǎn)技術(shù)規(guī)程[17]要求起廂、覆膜,其中廂面寬度145 cm,兩廂之間開寬 20 cm左右、深15 cm左右的廂溝,將底肥施于廂面上,擱置2天待廂面水分較少時覆膜,地膜規(guī)格為寬2 m、厚度0.004 mm,地膜緊貼地面。采用旱育秧,待有兩片完全葉開始移栽,移栽按“大三圍”強化栽培要求,每3穴構(gòu)成一個小三角形,每穴之間的距離為10~15 cm,每3個小三角形構(gòu)成一個大三角形,他們之間距離為40~50 cm,移栽密度為18 0000 苗/hm2。整個生育期主要以雨水淋灌為主。
在水稻成熟期每處理取3叢進行室內(nèi)拷種分析,分別測籽粒和秸稈中鋅含量。用德國耶拿coN180rAA700原子吸收光譜儀測定鋅含量[18],用FOSS FIAstar 5000流動注射分析儀測定全氮含量,所有數(shù)據(jù)均采用DPS系統(tǒng)軟件統(tǒng)計檢驗,用LSD法進行方差分析。
不同施鋅方式覆膜水稻的秸稈生物量、籽粒產(chǎn)量、總生物量及經(jīng)濟系數(shù)差異不顯著(表1)。N120水平覆膜水稻秸稈生物量稍高于N180水平,在Zn0、ZnS、ZnL ZnS+L 4種不同施鋅方式下秸稈生物量分別高出了1.4 %、5.7 %、6.8 %和1.9 %。2種施氮水平下,覆膜水稻秸稈生物量均以ZnS+L處理最高,而Zn0處理不同施氮水平秸稈生物量的差異僅71 kg/hm2。 N180水平,Zn0處理秸稈生物量僅次于ZnS+L處理,其次分別為ZnS處理和ZnL處理。而N120水平下,施鋅處理的秸稈生物量均高于不施鋅處理,ZnS+L處理的秸稈生物量最高,其次是ZnS處理。
就覆膜水稻籽粒產(chǎn)量而言,相同氮水平不同施鋅方式下均無顯著差異。N120水平籽粒產(chǎn)量稍高于N180水平。其中Zn0處理,2個施氮水平籽粒產(chǎn)量相等,均為6585 kg/hm2。N120水平下,ZnS處理籽粒產(chǎn)量最高,達到6890 kg/hm2,其次是ZnS+L處理。N180水平下,Zn0處理水稻籽粒最高,其次是ZnS處理,且N120 ZnS處理的產(chǎn)量顯著高于N180 ZnL和N180 ZnS+L處理。
覆膜水稻成熟期總生物量在不同施鋅處理下差異不顯著,以N120 ZnS處理和N120 ZnS+L處理最高,分別達到了12190和12018 kg hm-2。N120水平下Zn0、ZnS、ZnL和ZnS+L 4個不同施鋅處理的覆膜水稻總生物量較N180水平分別高出了0.6 %、5.1 %、4.7 %和4.5 %。N180 ZnL處理的經(jīng)濟系數(shù)最高,達到了57.3 %,N180 ZnS+L處理的經(jīng)濟系數(shù)最低,僅54.5 %。在N120水平下,ZnS處理經(jīng)濟系數(shù)最高,達到56.6 %,Zn0處理次之,其次為ZnL和ZnS+L處理。
不同施鋅方式下覆膜水稻的有效穗、成穗率有顯著差異(表2),且都表現(xiàn)出N120水平下,不同施鋅方式處理的有效穗和成穗率高于N180水平的相同處理,2種施氮水平下,ZnS處理的有效穗和成穗率均最高,ZnL處理與ZnS+L處理間有效穗和成穗率差異不顯著,其中N120 ZnS處理的有效穗和成穗率均最高,N120 ZnS+L處理次之,以N180 ZnS+L處理的有效穗和成穗率均最低??梢姡╀\能夠增加覆膜水稻的有效穗,其中ZnS處理能顯著提高覆膜水稻的有效穗數(shù),進而提高覆膜水稻的成穗率。N120水平相對于N180更能有效提高各施鋅處理下覆膜水稻的有效穗和成穗率。
N120水平下覆膜水稻各個施鋅處理的穗實粒數(shù)和結(jié)實率相對高于N180水平下相同處理,N120 Zn0處理的穗實粒數(shù)最高,N120 ZnS處理的結(jié)實率達到85.3 %為最高。不同施鋅方式下覆膜水稻的穗實粒數(shù)和結(jié)實率差異不顯著。N120水平下,ZnS處理的千粒重最高,ZnL處理次之,不同處理間差異不顯著,均顯著高于N180水平下的ZnS處理,相同施氮條件下的四個施鋅處理間千粒重差異均不顯著,這可能和品種的遺傳力高有關(guān)。
2.2.1 施鋅方式對覆膜水稻鋅吸收的影響 不同施鋅方式覆膜水稻秸稈和籽粒中的鋅含量如圖1。覆膜水稻籽粒中的鋅含量在N120和N180水平下,不同處理間差異均不顯著,且都表現(xiàn)為ZnS+L處理的籽粒鋅含量最高,分別為31.5和31.7 mg/kg。N120水平下,ZnL處理籽粒鋅含量最低,較ZnS+L處理低3.4 mg/kg。N180 水平下籽粒鋅含量表現(xiàn)為ZnS+L>ZnL>ZnS>Zn0,且不同施鋅處理覆膜水稻籽粒中的鋅含量均稍高于N120水平下的相同處理。N120 ZnS+L處理水稻秸稈的鋅含量最高,達到37.2 mg/kg,分別高出Zn0處理和ZnS處理7.5和7.0 mg/kg,ZnL處理次之,秸稈鋅含量為34.2 mg/kg。 而N180水平下,以ZnL處理秸稈的鋅含量最高,達到33.9 mg/kg,其次是ZnS 和ZnS+L處理,Zn0處理秸稈鋅含量最低僅為為30.7 mg/kg。其中Zn0處理和ZnS處理,N180水平下覆膜水稻秸稈的鋅含量高于N120水平,而ZnL處理和ZnS+L處理,則表現(xiàn)為N120水平下秸稈鋅含量更高。
表1 施鋅方式對覆膜水稻成熟期各部位生物量的影響
注:同一列數(shù)據(jù)不同小寫字母代表不同處理之間差異達到5 %顯著水平, Zn0:作物不施鋅肥,ZnS:土壤中施入ZnSO4·7H2O 50 kg/hm2,ZnL:葉面噴施0.3 %濃度的ZnSO4·7H2O,ZnS+L:土壤施入50 kg/hm2ZnSO4·7H2O+葉面噴施0.3 %濃度的ZnSO4·7H2O,N120:推薦施氮120 kg/hm2,N180:傳統(tǒng)施氮180 kg/hm2,下同。
圖1 施鋅方式對覆膜水稻籽粒秸稈鋅含量的影響Fig.1 Response of zinc content in film mulching rice grain and straw to supply of zinc solution
將收獲后覆膜水稻秸稈和籽粒中的鋅含量結(jié)合實際收獲量換算成鋅吸收量之后可以得到圖2。施鋅處理的覆膜水稻秸稈和籽粒鋅吸收量均高于不施鋅處理,N120水平下不同施鋅方式水稻秸稈和籽粒的鋅吸收量均相對高于N180水平下的相同處理。秸稈鋅吸收量以N120 ZnS+L處理最高,為198.6 g/hm2。N120 ZnL處理次之,達到174.5 g/hm2,且N120 ZnS+L處理秸稈鋅吸收量顯著高于其余6個處理。N120 Zn0處理的秸稈鋅吸收量最低,僅為152.2 g/hm2??梢妵娛╀\肥對促進覆膜水稻秸稈的鋅吸收有利。不同施鋅處理下覆膜水稻籽粒鋅吸收量差異不顯著。以N120 ZnS+L處理最高,籽粒鋅吸收量為212.2 g/hm2,N120 ZnS處理次之,為199.9 g/hm2,N180 ZnS+L處理鋅吸收量也達到了198.1 g/hm2,其余各處理的差異不大。即土施鋅肥更利于促進覆膜水稻籽粒對鋅的吸收。地上部分總的鋅吸收量各個不同處理間差異不顯著,N120 ZnS+L處理地上部分鋅吸收量最高達到了410.8 g/hm2,其次是ZnL,以N120 Zn0處理最低,僅為336.3 g/hm2。
圖2 施鋅方式對覆膜水稻地上部分鋅吸收量的影響Fig.2 Response of zinc uptake in film mulching rice shoot to supply of zinc solution
2.2.2 施鋅方式對覆膜水稻氮肥利用的影響 覆膜水稻秸稈和籽粒的氮吸收量如圖3所示。籽粒的氮吸收量高于秸稈的氮吸收量。各施鋅處理水稻秸稈和籽粒中的氮吸收量均高于不施鋅肥處理。N120水平下不同施鋅方式覆膜水稻秸稈和籽粒中的氮吸收量均顯著低于N180水平下的相同處理。以N180 ZnS+L處理的秸稈氮吸收量最高,為28.0kg/hm2,其次是N180 ZnL處理,為26.1 kg/hm2。N120水平下,ZnS+L處理的秸稈吸氮量最高,Zn0處理最低,僅為11.8 kg/hm2,比N180 ZnS+L處理少了6.1 kg/hm2。就籽粒氮吸收量而言,以N180 ZnS處理的籽粒氮吸收量50.5 kg/hm2為最高,其次是N180 ZnL處理,為50.3 kg/hm2。N180水平下的4個施鋅處理籽粒氮吸收量都顯著高于N120 Zn0、N120 ZnS、N120 ZnL處理。N120條件下,秸稈和籽粒的氮吸收量均表現(xiàn)為ZnS+L> ZnS> ZnL> Zn0。
表2 施鋅方式對覆膜水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響
表3 施鋅方式對覆膜水稻地上部分吸氮量的影響
地上部分總吸氮量以N180 水平下的ZnS+L、ZnS、ZnL3個施鋅處理較高,分別為76.3和77.4 kg/hm2,并顯著高于 N120 水平下的各個處理。N120 Zn0處理地上部分總吸氮量最低,僅為43.8 kg/hm2。
由于生物量和干物質(zhì)分配的差異導(dǎo)致了氮素分配的差異,即氮收獲指數(shù)的差異,氮收獲指數(shù)是指作物籽粒含氮量與地上部總吸氮量之比,表示水稻籽粒利用植株氮素的效率。不同施鋅處理間覆膜水稻的氮收獲指數(shù)差異并不顯著,在63 %~73 %的范圍之內(nèi),以N120 Zn0處理最高,為73.1 %,顯著高于N180 ZnS+L處理。N180水平下也是Zn0處理的氮收獲指數(shù)最高,即不施鋅處理的氮收獲指數(shù)高于施鋅處理,表現(xiàn)為Zn0>ZnS>ZnL>ZnS+L。
已有大量研究表明水稻施鋅能提高籽粒產(chǎn)量[14-15,19-20],這與鋅是植株體內(nèi)300多種酶的組成成分,參與生長素合成,促進結(jié)實期營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒運輸有關(guān)[15,21]。本研究結(jié)果表明在覆膜栽培模式下,施鋅后水稻秸稈和籽粒均增產(chǎn)但并不顯著。且 N120水平下各施鋅肥處理水稻秸稈生物量和籽粒產(chǎn)量均高于N180水平下相同處理,這和覆膜栽培能夠在保證水稻產(chǎn)量的前提下減少氮肥施用量有關(guān)[22-23]。而不同施鋅方式下水稻秸稈和籽粒產(chǎn)量也無顯著差異。已有研究認(rèn)為施鋅通過增加水稻有效穗、穗實粒數(shù)和提高結(jié)實率達到增產(chǎn)的效果[24],本研究在N120水平下不同施鋅方式的有效穗和成穗率均高于N180水平,N120水平下施鋅能夠提高水稻的有效穗, 葉面噴施鋅肥對其影響不顯著,以ZnS能顯著提高水稻有效穗。但不同施鋅方式下覆膜水稻的穗實粒數(shù)和結(jié)實率差異不顯著,這可能與覆膜栽培方式具有增溫保墑的作用有關(guān)[16,23],良好的水熱條件也能夠提高水稻的穗粒數(shù),結(jié)實率等[3],故縮小了不同施鋅處理間的差異。有研究認(rèn)為葉面噴施鋅肥能夠顯著提高千粒重和結(jié)實率,從而增產(chǎn)[25-26],本研究ZnL處理并未有顯著表現(xiàn),但ZnS+L處理在不同施氮水平下均可以提高覆膜水稻秸稈生物量。綜合水稻成熟期各部位的生物量及總生物量,水稻秸稈生物量以Zn S+L處理最高,籽粒產(chǎn)量以ZnS最高。
國際水稻研究所提出土壤有效鋅的最低臨界指標(biāo)為0.8 mg/kg[8]。種植在土壤不缺鋅的水稻增施鋅肥不能提高稻米中鋅的含量,但是在缺乏該微量元素的土壤中施用是有效的[27]。本試驗土壤有效鋅為0.79 mg/kg,屬于缺鋅臨界土壤,施用鋅肥之后促進了水稻籽粒和秸稈對鋅的吸收,印證了前人的結(jié)果[14,24]。已有研究表明在水稻孕穗期和開花后進行葉面噴施能夠提高水稻籽粒中的鋅含量,并優(yōu)于土施,這可能是土施鋅較易被復(fù)雜的土壤結(jié)構(gòu)所固定,葉面噴施減少了植物體中鋅往籽粒的轉(zhuǎn)運距離,進而提高了生物有效性所致[15,24]。但本試驗也在同樣生育期噴施鋅肥,結(jié)果卻有所不同: ZnL處理提高了水稻秸稈中的鋅積累量,ZnS提高了籽粒中的鋅積累量,以ZnS+L處理的鋅積累量最高。這一方面和籽粒秸稈中的鋅含量有關(guān),ZnS和ZnL在籽粒中的鋅含量并無差異,ZnL處理的秸稈鋅含量高于ZnS。另一方面和各處理的地上部生物量有關(guān),ZnS的秸稈生物量和籽粒產(chǎn)量均高于ZnL。各處理覆膜水稻籽粒中的鋅吸收量均稍高于秸稈中的鋅吸收量,這應(yīng)該和試驗的供鋅水平有關(guān),有研究認(rèn)為鋅可以從衰老部位向生長旺盛的部位轉(zhuǎn)移,在較低的供鋅水平下,鋅在水稻籽粒中的分配比例較高,在較高供鋅水平下,鋅在籽粒中的分配比例明顯下降[28]。而供鋅水平并不是越高越好,金靈娜等研究認(rèn)為在鋅源充足的情況下,旱稻對鋅會無節(jié)制的吸收積累,即使已經(jīng)產(chǎn)生毒害[29]。本試驗供鋅水平不高,故在籽粒中分配的比例較高。
施氮能夠提高水稻產(chǎn)量,促進水稻對鋅的吸收積累[14],高施氮量更利于鋅在植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)移[20]。這與氮肥能夠促進水稻根系對鋅的吸收[14,30],并提高植物體內(nèi)鋅轉(zhuǎn)運蛋白活性,促進鋅在木質(zhì)部和韌皮部的轉(zhuǎn)運和再轉(zhuǎn)運[31-34],從而增加籽粒的鋅富集和提高蛋白質(zhì)含量有關(guān)[14]。在本試驗區(qū)在覆膜栽培模式下,N180水平籽粒中的鋅含量較N120水平更高但差異不顯著,最終以N120水平水稻地上部分鋅積累量更大,這與N120處理地上部生物量高于N180而導(dǎo)致鋅吸收量高有關(guān)。
而籽粒鋅含量和氮含量之間極顯著正相關(guān),存在協(xié)同生理調(diào)控效應(yīng)[15],鋅肥的施用也能夠增加水稻植株對氮的吸收利用[32,35-36]。本試驗在相同施氮水平下,各施鋅處理秸稈和籽粒的吸氮量及地上部分總吸氮量均高于不施鋅處理,說明覆膜水稻施鋅對水稻秸稈籽粒的氮吸收有所影響,這與鋅參加植物體內(nèi)多種氮代謝酶活動有關(guān)[37-38]。有研究表明莖葉中的高氮殘留會導(dǎo)致大量的氮素流失,而氮收獲指數(shù)越高,秸稈中的氮素積累量越小,有利于提高水稻的產(chǎn)量,也可以減輕環(huán)境污染[39]。本試驗N120水平下的各個施鋅處理覆膜水稻的氮收獲指數(shù)均高于N180水平下的各處理,可見多施氮肥并不意味著水稻籽粒利用氮素的效率高。ZnS處理氮收獲指數(shù)稍高于其他2個施鋅處理,而ZnS+L處理的氮收獲指數(shù)最低,可能與該處理能提高秸稈收獲量有關(guān)??傮w而言以N120 ZnS處理更有利于覆膜水稻對氮肥的高效利用。
通過對土施鋅肥,葉面噴施鋅肥及土施+噴施種不同施鋅方式,在推薦施氮(120 kg/hm2)和傳統(tǒng)施氮(180 kg/hm2)下覆膜旱作水稻籽粒和秸稈收獲量,鋅吸收量,吸氮量等的研究,可以得出以下結(jié)論。
(1)覆膜栽培水稻施鋅通過提高水稻有效穗來增產(chǎn)。在推薦施氮水平(120 kg/hm2)下,各施鋅處理均能提高覆膜水稻產(chǎn)量,以土施鋅肥為最優(yōu)處理。不同施氮水平下土施+噴施處理均可以提高覆膜水稻秸稈的收獲量,但籽粒產(chǎn)量沒有提高,經(jīng)濟系數(shù)最低。
(2)推薦施氮水平(120 kg/hm2)更利于覆膜水稻地上部分對鋅肥的吸收,施用鋅肥之后促進了覆膜水稻籽粒和秸稈對鋅的吸收,葉面噴施能促進覆膜水稻秸稈的鋅吸收,土施能促進覆膜水稻籽粒的鋅吸收,綜合地上部分鋅總吸收量以推薦施氮土施+噴施處理為最高。
(3)施鋅對覆膜水稻秸稈籽粒的氮吸收有一定影響,各施鋅處理秸稈和籽粒的吸氮量均高于不施鋅處理。不同施鋅處理間覆膜水稻的氮收獲指數(shù)差異不顯著,推薦施氮下的各個施鋅處理氮收獲指數(shù)均高于傳統(tǒng)施氮的各處理,以土施鋅肥處理氮收獲指數(shù)最高,土施+噴施處理的氮收獲指數(shù)最低。即多施氮肥并不能提高水稻籽粒對氮素的利用效率,以推薦施氮(120 kg/hm2)土施鋅肥處理更利于覆膜水稻對氮肥的高效利用。