水磷運籌對水稻產量和磷素吸收與利用的影響

張忠學 姜麗莉 陳 鵬 聶堂哲 陳帥宏 趙 健

(1.東北農業(yè)大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030；2.東北農業(yè)大學農業(yè)農村部農業(yè)水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

水稻是我國65%以上人口的主要糧食，在我國有著廣闊的種植面積[1]。面對我國農業(yè)用水占全國總用水量60%以上、且水資源匱乏的基本國情，我國通過大面積推廣水稻節(jié)水灌溉技術來緩解水資源危機[2-3]。除水分外，肥料也是影響作物生長的重要可控因素。磷在植物的許多生理過程中扮演著重要角色。土壤的高固磷能力導致作物對土壤中磷素的吸收利用能力較差，因此，世界各國均施用大量磷肥，以滿足作物生長發(fā)育過程中對磷素的需求[4-5]，但磷肥施用不合理會導致土壤酸化板結、土壤結構破壞、肥料利用率下降及水體富營養(yǎng)化等問題。水稻對土壤中磷養(yǎng)分的吸收主要與根系性狀有關，如根干質量、根長密度和比根長[6]，發(fā)育較好的水稻根系可以增大根系與土壤的接觸面積，從而增加水稻對土壤中磷素的吸收。由于根系單位表面積的土壤體積較大，認為比根長較高的作物對于土壤中磷素的吸收能力更強[7]，但是，目前作物根系直徑與磷素吸收的關系仍不明確。張瑜等[8]研究發(fā)現(xiàn)，雖然蠶豆的比根長較玉米大，但是單位根長吸磷量明顯低于玉米，玉米較大的單位根長吸磷量可以彌補根長較短的缺點。目前關于不同水磷條件下水稻磷素吸收與根系性狀關系和不同水分條件下適宜施磷量的研究較少，不利于進一步分析水稻在控灌、淹灌兩種灌溉模式下養(yǎng)分吸收的差異，并制定符合寒地黑土區(qū)水稻生產要求的田間管理模式。

本文通過設置不同灌溉模式和施磷量，對比分析水磷運籌對水稻地上部分干物質量、產量及其構成因素、收獲指數(shù)、磷素吸收和利用、根系性狀及單位根長吸磷量的影響，得到在兩種灌溉模式下水稻吸收磷素的不同策略及適宜施磷量，以期滿足水稻高產潛力的同時節(jié)約水資源，減少環(huán)境污染。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年5—10月在黑龍江省水稻灌溉試驗中心站進行，該站(東經127°40′45″,北緯46°57′28″)位于慶安縣和平鎮(zhèn)，地處低山丘陵平原區(qū)，是典型的寒地黑土分布區(qū)。多年平均氣溫2.5℃，多年平均降水量550 mm，多年平均水面蒸發(fā)量750 mm，水稻全生育期內的日氣溫和降雨量變化如圖1所示。作物水熱生長期為156～171 d，全年無霜期128 d。氣候特征屬寒溫帶大陸性季風氣候。土壤類型為白漿土型水稻土，容重1.01 g/cm3，孔隙度61.8%。土壤基本理化性質為：有機質質量比41.4 g/kg、pH值6.40、全氮質量比15.06 g/kg、全磷質量比15.23 g/kg、全鉀質量比20.11 g/kg、堿解氮質量比154.36 mg/kg、有效磷質量比25.33 mg/kg和速效鉀質量比157.25 mg/kg。

圖1 2018年水稻生育期內氣溫和降雨量的日變化Fig.1 Daily variation of air temperature and rainfall during rice growth period in 2018

1.2 試驗設計

試驗設置灌溉模式和施磷量2個因素，灌溉模式分別為長期淹灌(F，簡稱淹灌)、控制灌溉(C，簡稱控灌)，不同灌溉模式的水分管理如表1所示。施磷量分別為0、15、30、45、60、75 kg/hm2(P0、P1、P2、P3、P4、P5處理)，均為元素量。共12個處理，每個處理重復3次，共計36個小區(qū)。每個小區(qū)面積為100 m2(10 m×10 m)。為降低各小區(qū)間水磷的側向滲透對試驗的影響，四周設置田埂和水泥梗作為隔斷，埋深至地表以下40 cm。在水稻的各生育階段嚴格按照高產田要求精細管理，防治病蟲害。供試水稻品種為當?shù)仄贩N“綏粳18”，種植密度為30 cm×10 cm，每穴3株。移栽日期為2018年5月18日，收獲日期為2018年9月17日。供試的化肥分別為尿素(含N質量分數(shù) 46%)、過磷酸鈣(含P質量分數(shù)12%)、氧化鉀(含K質量分數(shù)50%)，各處理施用氮肥110 kg/hm2(基肥、分蘗肥、促花肥、?；ǚ时壤秊?.5∶2∶1.5∶2)，鉀肥80 kg/hm2(基肥、8.5葉齡比例為1∶1)，磷肥作為基肥一次性施入。

表1 不同灌溉模式水分管理Tab.1 Water management of different irrigation modes

注：θs為根層土壤飽和含水率。“～”前數(shù)據(jù)為水分控制下限，“～”后數(shù)據(jù)為水分控制上限。

1.3 觀測內容與方法

1.3.1干物質量

于成熟期，在每個小區(qū)隨機選擇長勢均勻有代表性的水稻各3穴，沖洗干凈后，裝入自封袋，將植株地上部分分為穗部和秸稈兩部分，分別放入干燥箱于105℃殺青30 min，然后80℃干燥至質量恒定，稱量地上部分的干物質量并記錄(精確至0.01 g)。

1.3.2根系形態(tài)和根干質量

于抽穗開花期，在每個小區(qū)選取長勢均勻有代表性的水稻各3穴，用鐵板取根器以每穴水稻根為中心挖取長、寬、高均為20 cm的土柱，將挖取的原狀土柱裝于70目網(wǎng)袋中，用水緩慢沖洗，剪下完整水稻根系，使用根系掃描儀(Epson Expression 10000XL型，日本)進行根系掃描，并采用WinRHIZO Pro軟件進行根系分析，獲取根系形態(tài)參數(shù)。然后放入80℃干燥箱中干燥至質量恒定，稱量根干質量并記錄(精確至0.01 g)。

1.3.3植株磷含量

將干燥的干物質樣品利用粉碎機粉碎并過0.18 mm篩，濃H2SO4-H2O2法消解[9]，再采用AA3型連續(xù)流動分析儀測定植株全磷含量。

1.3.4產量及其構成

于成熟期，在每個小區(qū)選取長勢均勻有代表性的水稻各10穴，考察有效穗數(shù)、結實率、每穗粒數(shù)和千粒質量，依據(jù)水稻群體密度計算水稻理論產量。

1.3.5相關指標計算公式

相關指標計算公式[10-13]分別為

AGDM=Y+SDM

(1)

式中AGDM——地上部分干物質量，kg/hm2

Y——水稻產量，kg/hm2

SDM——秸稈干質量，kg/hm2

HI=Y/AGDM

(2)

式中HI——收獲指數(shù)

PAG=YPCG

(3)

式中PAG——籽粒磷素積累量，kg/hm2

PCG——籽粒磷含量，%

PAP=YPCGSDMPCS

(4)

式中PAP——植株磷素積累量，kg/hm2

PCS——秸稈磷含量，%

PHI=PAG/PAP

(5)

式中PHI——磷素收獲指數(shù)

PGUE=Y/PAP

(6)

式中PGUE——磷素籽粒利用效率，kg/kg

PDMUE=AGDM/PAP

(7)

式中PDMUE——磷素干物質利用效率，kg/kg

PFPP=PAY/PAA

(8)

式中PFPP——磷肥偏生產力，kg/kg

PAY——施磷產量，kg/hm2

PAA——施磷量，kg/hm2

PUE=PAP/PAA

(9)

式中PUE——磷肥吸收效率，kg/kg

RLD=TRL/SV

(10)

式中RLD——根長密度，cm/cm3

TRL——總根長，cm

SV——土壤體積，cm3

SRL=TRL/RDM

(11)

式中SRL——比根長，cm/g

RDM——根干質量，g

PUPRL=PAP/TRL

(12)

式中PUPRL——單位根長吸磷量，mg/m

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

采用Excel 2007及SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行整理畫圖和統(tǒng)計分析，采用Duncan多重比較法進行處理間的差異顯著性分析及兩指標間的相關分析。

2 結果與分析

2.1 水磷運籌對地上部分干物質量、收獲指數(shù)、產量及其構成因素的影響

由表2可知，在兩種灌溉模式下，隨著施磷量的增加，地上部分干物質量、產量、有效穗數(shù)和結實率均呈先增加后降低的趨勢。CP2處理和FP3處理的地上部分干物質量、產量、有效穗數(shù)及結實率分別達到控灌和淹灌模式下的最大值，后者分別比前者高出2.72%、2.27%、10.61%、1.06%。在兩種灌溉模式下，收獲指數(shù)與地上部分干物質量和產量的變化趨勢相反，其隨著施磷量增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，是因為生產單位面積干物質所消耗的氮素隨著植株磷素含量的提高呈增加趨勢，并且氮素在水稻分蘗期起到主導作用[14]。

表2 水磷耦合對地上部分干物質量、收獲指數(shù)、產量及產量構成的影響Tab.2 Effects of water and phosphorus on above-ground dry matter, harvest index, yield and its components

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P>0.05)。*、** 分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著。下同。

由表2可知，與對照P0處理相比，施用磷肥極顯著提高了水稻地上部分干物質量(P<0.01)，提高幅度達1.76%～42.61%。灌溉模式對地上部分干物質量和收獲指數(shù)的影響未達到顯著水平(P>0.05)。在P0、P1、P2、P4、P5處理下，與淹灌模式相比，控灌增加了地上部分干物質量和收獲指數(shù)，增幅分別為0.31%～10.30%和1.06%～3.75%，這是由于控灌抑制了水稻的無效分蘗，促進有效分蘗且提高根系活力，進而提高了水稻的成穗率[15-16]。說明在相同施磷處理下，控灌較淹灌更有利于水稻地上部分干物質量和籽粒干物質量的積累。施磷與灌溉模式的交互作用分析結果表明，互作水稻對地上部分干物質量和收獲指數(shù)的影響均未達到顯著水平(P>0.05)。

從產量構成因素可看出(表2)，在相同灌溉模式下，施用磷肥增加了有效穗數(shù)和結實率，從而提高了水稻產量。與對照處理相比，施用磷肥促進了水稻的增產，增幅達0.52%～44.23%。在相同施磷水平下，控灌較淹灌顯著增加了每穗粒數(shù)(P<0.05)，進而促進了水稻產量的提高。在P0、P2、P4、P5處理下，控灌模式的產量與淹灌相比分別增加5.48%、10.17%、5.82%、4.19%，說明在相同施磷處理下，控灌較淹灌更有利于產量的形成。施磷處理與灌溉模式的交互作用分析結果表明，互作對水稻產量及其構成因素的影響均未達到顯著水平(P>0.05)。

圖2表明，地上部分干物質量與產量呈極顯著正相關(R2≥0.907 5，P<0.01)，收獲指數(shù)與產量呈顯著負相關(R2≥0.721 3，P<0.05)。

圖2 地上部分干物質量和收獲指數(shù)與產量的關系Fig.2 Relationship between above-ground dry matter, harvest index and yield

2.2 水磷運籌對籽粒磷素積累量、植株磷素積累量和磷素收獲指數(shù)的影響

由表3可知，施磷處理對籽粒磷素積累量、植株磷素積累量和磷素收獲指數(shù)的影響均達到極顯著水平(P<0.01)。在兩種灌溉模式下，隨著施磷量的增加，籽粒磷素積累量和植株磷素積累量均呈先增加后降低的趨勢，磷素收獲指數(shù)則呈先降低后增加的趨勢。CP2處理和FP3處理的籽粒磷素積累量和植株磷素積累量分別達到控灌和淹灌模式下的最大值，磷素收獲指數(shù)達到最小值，且CP2處理分別較FP3處理高出11.85%、8.83%、2.77%。與對照處理相比，施磷增加了植株磷素積累量和籽粒磷素積累量，增幅為1.42%～69.76%和0.96%～43.93%，但過量施加磷肥時，控灌模式下的籽粒磷素積累量下降，說明在兩種灌溉模式下，施加磷肥對水稻籽粒和地上部分磷素的積累起到促進作用，但過量施磷會對水稻籽粒磷素積累量起到抑制作用[17]。

表3 水磷運籌對籽粒磷素積累量、植株磷素積累量和磷素收獲指數(shù)的影響Tab.3 Effects of water and phosphorus management on grain phosphorus accumulation, plant phosphorus accumulation and phosphorus harvest index

灌溉方式對籽粒磷素積累量、植株磷素積累量和磷素收獲指數(shù)的影響達到極顯著水平(P<0.01)。在相同的施磷水平下，控灌較淹灌增加了籽粒磷素積累量和磷素收獲指數(shù)，增幅分別為6.21%～31.62%和0.78%～15.41%。在P0、P1、P2、P4、P5處理下，控灌模式下植株磷素積累量較淹灌高出3.89%～30.60%，這是因為適當?shù)乃置{迫可以增加植株對養(yǎng)分的吸收利用[18]。

施磷處理與灌溉模式的交互作用分析結果表明，互作對籽粒磷素積累量的影響達到極顯著水平(P<0.01)，對植株磷素積累量的影響達到顯著水平(P<0.05)，對磷素收獲指數(shù)無顯著影響(P>0.05)。

2.3 水磷運籌對磷素籽粒利用效率和磷素干物質利用效率的影響

由圖3可知，磷素積累量與地上部分干物質量和產量均呈極顯著正相關(R2≥0.890 7，P<0.01)，回歸曲線的斜率分別表示控灌和淹灌模式下最大的磷素籽粒利用效率和磷素干物質利用效率。當水稻的磷素積累量相同時，淹灌的產量、地上部分干物質量、磷素籽粒利用效率和磷素干物質利用效率較控灌高，可能是因為適當?shù)乃置{迫促進了作物根系的發(fā)育，導致更多的光合物質分配給根系[19]，說明淹灌較控灌更有利于水稻將吸收到體內的磷素轉化成產量和地上部分干物質量。

圖3 植株磷素積累量與地上部分干質量和產量的關系Fig.3 Relationship between plant phosphorus accumulation, above-ground dry matter and yield

由表4可知，施磷處理對磷素籽粒利用效率和磷素干物質利用效率的影響達到極顯著水平(P<0.01)。兩種灌溉模式下，磷素籽粒利用效率和磷素干物質利用效率均隨施磷量的增加呈先降低后增加的趨勢。CP2處理和FP3處理的磷素籽粒利用效率和磷素干物質利用效率均達到控灌和淹灌模式下的最小值，且后者分別較前者高出11.30%和11.80%。

灌溉模式對磷素籽粒利用效率和磷素干物質利用效率的影響達到極顯著水平(P<0.01)。在P1、P2、P3、P4處理下，淹灌的磷素籽粒利用效率較控灌的高出2.23%～18.54%。在相同施磷水平下，淹灌較控灌增加了水稻的磷素干物質利用效率，增幅為3.42%～18.40%。

施磷處理與灌溉模式的交互作用分析結果表明，互作對磷素籽粒利用效率和磷素干物質利用效率的影響達到極顯著水平(P<0.01)。

表4 水磷運籌對磷素籽粒利用效率、磷素干物質利用效率、磷肥吸收效率和磷肥偏生產力的影響Tab.4 Effects of water and phosphorus management on phosphorus grain use efficiency, phosphorus dry matter use efficiency, phosphorus uptake efficiency and phosphorus fertilizer partial productivity kg/kg

2.4 水磷運籌對磷肥吸收效率和磷肥偏生產力的影響

由表4可知，施磷處理對磷肥吸收效率和磷肥偏生產力的影響達到極顯著水平(P<0.01)。在兩種灌溉模式下，磷肥吸收效率和磷肥偏生產力隨著施磷量的增加呈降低的趨勢，其降幅為33.82%～458.68%和61.72%～400.85%。

灌溉模式對磷肥吸收效率和磷肥偏生產力的影響達到極顯著水平(P<0.01)。在P1、P2、P4、P5處理下，與淹灌相比，控灌提高了水稻的磷肥吸收效率和磷肥偏生產力，提高幅度為4.13%～30.60%和4.19%～10.17%。盡管水稻在兩種灌溉模式下磷肥吸收效率相差不大，但是其展現(xiàn)出了不同的應對策略來滿足水稻生長發(fā)育過程中對磷素的需求。由圖4可知，在兩種灌溉方式下，植株磷素積累量與根干質量和根長密度呈顯著正相關(R2≥0.748 7，P<0.05)。然而，在兩種灌溉模式下，當水稻有相同的植株磷素積累量時，控灌的根干質量較低，根長密度較高，此外，植株磷素積累量與比根長無關，但是控灌的比根長較淹灌的高，由此可推斷出，淹灌的單位根長吸磷量較控灌高(圖5)，在兩種灌溉模式下，單位根長吸磷量則隨著施磷量的增加，大致呈先降低后升高的趨勢。施磷量與灌溉方式的交互作用分析結果表明，水磷互作對磷肥吸收效率和磷肥偏生產力的影響達到極顯著水平(P<0.01)。

圖4 根干質量、根長密度和比根長與植株磷素積累量的關系Fig.4 Relationship between root dry weight, root length density and specific root length and plant phosphorus accumulation

圖5 水磷運籌對單位根長吸磷量的影響Fig.5 Effect of water and phosphorus management on phosphorus uptake per unit root length

3 討論

近年來，關于水磷運籌對水稻產量、養(yǎng)分吸收與利用及肥料利用率影響的相關研究已有很多[20-21]。施加磷肥和適當?shù)乃置{迫均能促進水稻根系的發(fā)育，有助于水稻對磷肥的吸收和利用，進而增加了水稻的地上部分干物質量的積累和產量的形成，但過量施磷會抑制水稻對磷素的吸收[22-26]。本研究也得到了相同的結論，在兩種灌溉模式下，CP2處理和FP3處理的地上部分干物質量、產量、籽粒磷素積累量和植株磷素積累量均達到最大，收獲指數(shù)、磷素收獲指數(shù)、磷素籽粒利用效率和磷素干物質利用效率均最小，F(xiàn)P3處理分別比CP2處理高出2.72%、2.27%、-11.91%、-8.87%、0、-2.13%、11.30%、11.80%。

本研究表明，產量與地上部分干物質量呈極顯著正相關(P<0.01)，與收獲指數(shù)和磷收獲指數(shù)呈負相關，這與瞿媛等[27]和SINGH等[28]的研究結果一致，但與李仁英等[29]通過分析不同品種水稻的產量對氮磷吸收的差異，發(fā)現(xiàn)產量與氮磷收獲指數(shù)呈正相關的結果相反。這說明在不同生長環(huán)境下，不同品種水稻的產量與收獲指數(shù)和磷收獲指數(shù)的關系仍不明確。在兩種灌溉模式下，收獲指數(shù)隨著施磷量增加呈先降低后增加的趨勢。其原因可能是適量施磷時，施加氮肥所提供氮素能滿足干物質生產中對氮素的需要，且施加磷肥促進水稻的分蘗，在增加有效穗數(shù)的同時降低成穗率，從而減小了收獲指數(shù)[30]。過量施磷則會由于干物質生產中對氮素的需求量增大，但施加的氮肥不能滿足其需要，且磷素過量會抑制水稻分蘗，在減少有效穗數(shù)的同時增加成穗率，因而增加了收獲指數(shù)[31]。

水稻的磷效率是指水分或養(yǎng)分脅迫下水稻所能生成的地上部分干物質量或產量，其很大程度上決定了水稻地上部分干物質積累量，而磷效率的高低由磷吸收效率(植株磷素積累量)、磷利用效率(磷素籽粒利用效率和磷素干物質利用效率)和磷轉運效率(磷素收獲指數(shù))三者的協(xié)同作用決定[32-33]。本研究發(fā)現(xiàn)，在P0、P2、P4、P5處理下，控灌模式下植株磷素積累量和磷素收獲指數(shù)均高于淹灌，而淹灌的磷利用效率較控灌的高，且在P0、P2、P4、P5處理下，控灌的產量高于淹灌，其原因可能是在大田試驗中，不同磷效率對產量的影響程度由大到小依次為磷吸收效率、磷利用效率、磷轉運效率[34-35]。

由于磷在土壤中的移動性較差，根系的生長對于水稻獲取土壤中磷素非常重要[4,6]，這與明鳳等[36]的研究結果類似，在磷脅迫條件下，水稻根系發(fā)育相對較差，但單位根長吸磷量較高。本研究首次嘗試在大田試驗中評價不同水分和施磷條件下根系性狀與磷吸收之間關系，研究發(fā)現(xiàn)，兩種灌溉模式下，隨著施磷量的增加，水稻的單位根長吸磷量變化趨勢與根長和根干質量的變化趨勢相反，研究還發(fā)現(xiàn)由于兩種灌溉模式下磷肥吸收效率相差不大，在兩種灌溉模式下，水稻展示了不同的磷肥獲取策略。由于在相同施磷水平下，水稻在控灌模式下的根長較長，擴大了對土壤中磷素的吸收范圍，因此其獲取土壤中磷素的能力較強。但是，水稻在淹灌模式下的單位根長吸磷量較高，可以彌補根系較小的缺點[37]。

大量研究表明，施用磷肥可以顯著提高水稻產量，但磷肥吸收效率和磷肥偏生產力隨著施磷量的增加呈降低趨勢[38]。過多的磷肥施入土壤中，會造成肥料資源的浪費以及水土環(huán)境的污染，因此，在保證產量的前提下，提高磷肥吸收效率和磷肥偏生產力至關重要。本研究表明，在兩種灌溉模式下，施磷量為30 kg/hm2時，有利于提高水稻的磷肥吸收效率和磷肥偏生產力；但在淹灌模式下，施磷量45 kg/hm2處理的水稻產量最高；在控灌模式下，施磷量為30 kg/hm2處理的水稻產量最高，說明與淹灌相比，控灌在減少施磷量的同時能夠增加水稻產量并提高磷肥利用率，這與姜小鳳等[39]對小麥的研究結果基本一致。其原因可能是，與淹灌相比，控灌有利于促進水稻對養(yǎng)分的吸收和利用，生產單位質量地上部分干物質量所消耗的氮素隨著水稻植株磷含量的提高而增加，而施入土壤中的氮肥不能滿足控灌條件下施磷量超過30 kg/hm2時水稻對氮素的需求[14]，綜合考慮產量和磷肥利用效率，得到符合研究區(qū)水稻節(jié)水、高產要求的水磷運籌方案為控灌模式下施磷量30 kg/hm2。

4 結論

(1)在淹灌、控灌兩種灌溉模式下，隨著施磷量的增加，水稻地上部分干物質量、產量、有效穗數(shù)、結實率、籽粒磷素積累量和植株磷素積累量呈先增加、后減小的趨勢；收獲指數(shù)、磷素收獲指數(shù)、磷素籽粒利用效率和磷素干物質利用效率呈先減小、后增加的趨勢；磷肥吸收效率和磷肥偏生產力則呈降低的趨勢。水稻在控灌條件下的根長較長，在淹灌條件下的單位根長吸磷量較高，從而達到兩種灌溉模式下的磷肥吸收效率范圍相似。

(2)控灌模式下施磷量為30 kg/hm2時和淹灌模式下施磷量為45 kg/hm2時的水稻地上部分干物質量、產量、有效穗數(shù)、結實率、籽粒磷素積累量和植株磷素積累量分別達到最大值，收獲指數(shù)、磷素收獲指數(shù)、磷素籽粒利用效率和磷素干物質利用效率分別達最小值。

(3)相關性分析表明，產量與水稻地上部分干物質量呈極顯著正相關，與收獲指數(shù)呈顯著負相關；磷素積累量與水稻地上部分干物質量和產量均呈極顯著正相關；磷素積累量與根干質量和根長密度呈顯著正相關。

(4)與控灌模式下施磷量為30 kg/hm2的處理相比，淹灌模式下施磷量為45 kg/hm2時的產量僅高出2.27%，且磷肥偏生產力較低。因此，為滿足增產的同時達到節(jié)約資源和保護水土環(huán)境的目的，應選擇控灌模式下施磷量為30 kg/hm2作為合理的水肥處理模式。