水氮耦合對(duì)黑土稻作產(chǎn)量與氮素吸收利用的影響

秦子元 張忠學(xué) 孫 迪 宋 健 張作合 李鐵成

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030；3.綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院， 綏化 152061)

0 引言

水稻是我國主要糧食作物，2021年我國水稻總產(chǎn)量預(yù)計(jì)達(dá)到2.14億t，約占我國糧食總產(chǎn)量的1/3[1]。在耕地?cái)?shù)量有限、人口持續(xù)增長的背景下，到2030年，我國水稻產(chǎn)量需提高20%，才能滿足國內(nèi)糧食需求[2]。農(nóng)民通常施用高量氮肥，以求最大限度地提升水稻產(chǎn)量，但持續(xù)的高量投入水氮資源也帶來了諸多負(fù)面影響[3]。一方面，由于過量施用氮肥、施肥方式不當(dāng)以及田間水分管理不協(xié)調(diào)等因素，使得我國氮肥利用率僅為30%～35%，大量氮肥通過氨揮發(fā)、硝化與反硝化、地表徑流和淋溶等方式損失，導(dǎo)致土壤酸化、河流湖泊富營養(yǎng)化、地下水污染、溫室氣體排放加劇等環(huán)境問題[4]；另一方面，我國水資源短缺嚴(yán)重，而有約70%的農(nóng)業(yè)用水用于稻田灌溉，傳統(tǒng)淹水灌溉模式不斷增加耗水，隨著水資源供應(yīng)緊缺，稻田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力將受到嚴(yán)重威脅[5]。目前，我國正在引導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從單純追求高產(chǎn)向穩(wěn)定生產(chǎn)且注重資源節(jié)約和環(huán)境友好的新型農(nóng)業(yè)發(fā)展，因此，推進(jìn)節(jié)水灌溉和優(yōu)化施肥技術(shù)的研究，對(duì)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近30年，我國東北平原稻田平均施氮量為159 kg/hm2，遠(yuǎn)高于99.5 kg/hm2的世界平均水平，減氮潛力巨大[6]。同時(shí)，隨著我國糧食生產(chǎn)重心北移，黑龍江省逐漸成為我國主要糧食生產(chǎn)基地和糧食戰(zhàn)略儲(chǔ)備基地，農(nóng)業(yè)水資源消耗日益增加不僅加重了潛在旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)而且削弱了水體自凈能力[7]。近年來，隨著農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾加劇、環(huán)境污染事件頻發(fā)，以節(jié)水灌溉和優(yōu)化施肥來實(shí)現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的理論和技術(shù)研究成為熱點(diǎn)[8]。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)于水氮耦合對(duì)水稻產(chǎn)量和氮素吸收利用已有諸多研究[9-14]。以往研究大多關(guān)注于水稻產(chǎn)量、氮素吸收和水氮利用效率等方面，而對(duì)水稻干物質(zhì)和氮素累積速率系統(tǒng)的研究較少，且適宜水氮耦合方式能否進(jìn)一步提升水稻產(chǎn)量與植株氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以及干物質(zhì)和氮素累積速率的協(xié)同性還需探討。

本文基于大田試驗(yàn)，研究黑土地區(qū)不同水氮耦合條件下的水稻產(chǎn)量、水氮利用效率、植株干物質(zhì)累積量及累積速率、氮素累積量及累積速率、氮素在不同器官中的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律以及產(chǎn)量相關(guān)性分析，旨在為建立區(qū)域性節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)、減排的高效水氮耦合方式提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年5—10月在黑龍江省慶安國家灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站(46°58′8″N，127°40′2″E)進(jìn)行。試驗(yàn)田位于慶安縣平安鎮(zhèn)，地處松嫩平原呼蘭河流域中下游，是典型的寒地黑土分布區(qū)，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季溫?zé)岫嘤?，冬季寒冷干燥。全年無霜期約128 d，多年平均氣溫2.9℃，多年平均蒸發(fā)量為1 213.4 mm，多年平均降水量559.8 mm，降水多集中在7、8月。供試土壤類型為黑土型水稻土，試驗(yàn)前耕層土壤(0～20 cm)基本理化性質(zhì)如下：pH值6.47，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比43.1 g/kg，全氮質(zhì)量比1.69 g/kg，全磷質(zhì)量比0.67 g/kg，全鉀質(zhì)量比19.99 g/kg，堿解氮質(zhì)量比159.21 mg/kg，速效磷質(zhì)量比27.56 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比158.3 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用灌溉模式和施氮量2因素全面試驗(yàn)。設(shè)置常規(guī)淹灌(F)、淺濕灌溉(W)和控制灌溉(C)3種，常規(guī)淹灌在水稻返青期后保持30～50 mm水層；淺濕灌溉采用“前水不見后水”的灌溉方式，待田面呈濕潤狀態(tài)，再灌下次水；控制灌溉田面不再長時(shí)間建立水層，以根層土壤含水率及土壤表相確定灌水時(shí)間、灌水次數(shù)及灌水定額。不同灌溉模式各生育期水分管理見表1。全生育期施氮量設(shè)置4個(gè)水平：0、85、110、135 kg/hm2(N0、N1、N2、N3)。試驗(yàn)共計(jì)12個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共36個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，各試驗(yàn)小區(qū)面積為100 m2(10 m×10 m)，田埂高20 cm，寬25 cm，小區(qū)四側(cè)布置塑料板和水泥埂，以減少串流和側(cè)滲。各小區(qū)單獨(dú)灌排，進(jìn)水管接裝小型水表。

表1 水稻各生育期水分管理Tab.1 Water management during each growth period of rice field

供試水稻品種為當(dāng)?shù)貜V泛種植的“綏粳18”，水稻插秧每穴定3株，株行距為10 cm×30 cm。供試氮肥為尿素(含N 46%)，分基肥(45%)、蘗肥(20%)和穗肥(35%)施用；磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)，P2O5施入量為45 kg/hm2，全部作為基肥施入；鉀肥為硫酸鉀(含K2O 60%)，K2O施入量為80 kg/hm2，按基肥(50%)和8.5葉齡(50%)分施。2020年5月19日大田施基肥，5月20日水稻幼苗移栽大田，6月11日施蘗肥，7月18日施穗肥，9月25日收獲。稻田田間管理如病蟲草害防治等與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)相同。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1氣象數(shù)據(jù)測(cè)定

降水量和氣溫等氣象數(shù)據(jù)由自動(dòng)氣象站(DZZ 2型，天津氣象儀器廠)記錄(圖1)。

1.3.2灌溉水量測(cè)定

水稻移栽大田后，每日于固定時(shí)刻用毫米刻度尺讀取田面水層深度(當(dāng)田面有水層時(shí))，或用土壤水分檢測(cè)儀測(cè)定大田土壤含水率(當(dāng)田面無水層時(shí))，當(dāng)田面水層深度或土壤含水率達(dá)到各生育期水分管理下限時(shí)，則灌水至水分管理上限，記錄灌溉日期，并用小型水表計(jì)算各次灌溉水量。

1.3.3干物質(zhì)量與氮素含量測(cè)定

各小區(qū)分別于分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期和成熟期隨機(jī)選取水稻5穴，將整株水稻挖起，剪去根部后裝入自封袋運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室清洗，泥土清洗干凈后，將植株分為葉、莖鞘和穗(抽穗后)分別裝入袋中，置于干燥箱中105℃殺青0.5 h，然后80℃干燥至質(zhì)量恒定，冷卻至室溫用精度0.01 g電子天平測(cè)定各部分器官干物質(zhì)量。稱量后用粉碎機(jī)將植株各部分器官粉碎后過80目(0.18 mm)網(wǎng)篩，經(jīng)H2SO4-H2O2法消煮后，取待測(cè)液用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AutoAnalyzer-3型，德國 Bran+Luebbe公司)測(cè)定氮素含量。

1.3.4土壤無機(jī)氮含量測(cè)定

各小區(qū)分別于水稻施基肥前和收獲后，用土鉆按照五點(diǎn)取樣法取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm共3層土壤樣品，裝入自封袋混合均勻后，-20℃保存，各層土壤用100 mL環(huán)刀取土，密封后立即帶回實(shí)驗(yàn)室，105℃干燥至質(zhì)量恒定，計(jì)算土壤容重和含水率。土壤樣品解凍后，稱取5 g過2 mm篩孔新鮮土樣于250 mL廣口瓶中，并加1 mol/L KCl 100 mL充分浸提后，經(jīng)定性濾紙過濾，待測(cè)液用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AutoAnalyzer-3型，德國 Bran+Luebbe公司)測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

1.3.5產(chǎn)量測(cè)定

水稻成熟期，各試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取1 m2水稻人工收割，用脫粒機(jī)脫粒，稻谷攤開晾曬至含水率約14%時(shí)稱量測(cè)產(chǎn)。

1.4 計(jì)算方法

采用Logistic生長方程進(jìn)行水稻干物質(zhì)、氮素累積量的非線性回歸擬合[15]，其函數(shù)表達(dá)式為

y=a/(1+be-kt)

(1)

式中y——水稻地上部干物質(zhì)或氮素累積量，kg/hm2

a——干物質(zhì)或氮素累積量的潛在最大值，kg/hm2

b——與干物質(zhì)或氮素累積量有關(guān)的回歸參數(shù)，b>0

k——干物質(zhì)或氮素累積量的增長率，k<0

t——水稻移栽后時(shí)間，d

對(duì)Logistic函數(shù)分別求一階、二階導(dǎo)數(shù)，并求其特征值方程，可得Logistic曲線3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，其橫坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)始盛期(T1，d)、高峰期(T2，d)和盛末期(T3，d)，以及最快增長速率(Vmax，kg/(hm2·d))，利用始盛期和盛末期可將Logistic曲線擬合的生長過程分為漸增期(0～T1)、快增期(T1～T3)和緩增期(T3～∞)。特征值方程分別為

T1=(lnb-1.317)/k

(2)

T2=lnb/k

(3)

T3=(lnb+1.317)/k

(4)

ΔT=T3-T1

(5)

Vmax=ak/4

(6)

式中 ΔT——快增期持續(xù)時(shí)間，d

作物耗水量(ET，mm)計(jì)算公式為

ET=P+I+G+ΔW-R-D

(7)

式中P——降水量，mm

I——單位面積灌水量，mm

G——地下水補(bǔ)給量，mm，由于試驗(yàn)區(qū)地下水埋深較大，故G取零

ΔW——水稻移栽和收獲時(shí)0～60 cm土壤儲(chǔ)水變化量，mm

R——水稻生育期內(nèi)排水量，mm

D——深層滲漏量，mm

灌溉水分利用效率(IWUE，kg/m3)計(jì)算公式為

IWUE=Y/I

(8)

式中Y——水稻產(chǎn)量，kg/hm2

水分生產(chǎn)效率(WUE，kg/m3)計(jì)算公式為

WUE=Y/ET

(9)

氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(AEN，kg/kg)計(jì)算公式為

AEN=(Ya-Yb)/Na

(10)

式中Ya——施氮處理水稻產(chǎn)量，kg/hm2

Yb——不施氮處理水稻產(chǎn)量，kg/hm2

Na——施氮量，kg/hm2

氮素籽粒生產(chǎn)效率(NGPE，kg/kg)計(jì)算公式為

NGPE=Y/Tn

(11)

式中Tn——水稻氮素總累積量，kg/hm2

氮肥偏生產(chǎn)力(PFP，kg/kg)計(jì)算公式為

PFP=Ya/Na

(12)

氮素收獲指數(shù)(NHI，%)計(jì)算公式為

NHI=Pn/Tn×100%

(13)

式中Pn——水稻穗部氮素累積量，kg/hm2

百千克籽粒吸氮量(NUG，kg)計(jì)算公式為

NUG=Tn/Y×100

(14)

氮素吸收量(Nu，kg/hm2)計(jì)算公式為

Nu=NDm

(15)

式中N——水稻植株氮素含量，%

Dm——水稻干物質(zhì)量，kg/hm2

氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量(Nt，kg/hm2)計(jì)算公式為

Nt=Nh-Nm

(16)

式中Nh——抽穗期水稻莖鞘或葉氮素累積量，kg/hm2

Nm——成熟期水稻莖鞘或葉氮素滯留量，kg/hm2

氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率(Nte，%)計(jì)算公式為

Nte=Nt/Nh×100%

(17)

氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率(Ntce，%)計(jì)算公式為

Ntce=(Nlt+Nsst)/Npt×100%

(18)

式中Nlt——水稻葉氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量，kg/hm2

Nsst——水稻莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量，kg/hm2

Npt——抽穗期至成熟期水稻穗氮素增加量，kg/hm2

土壤氮素表觀盈虧量(Sapl，kg/hm2)計(jì)算公式為

Sapl=Na+Nsi-Tn-Nsr

(19)

其中

Nsi(sr)=0.1dρω(N)

(20)

式中Nsi——土壤初始無機(jī)氮量，kg/hm2

Nsr——土壤殘留無機(jī)氮量，kg/hm2

d——土層厚度，cm

ρ——土壤容重，g/cm3

ω(N)——土壤中無機(jī)氮質(zhì)量比，mg/kg

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019和Origin 2017處理數(shù)據(jù)及作圖，利用SPSS 22.0進(jìn)行方差分析，運(yùn)用Origin 2017軟件進(jìn)行Logistic生長函數(shù)擬合，模型有效性通過效率系數(shù)(EF)、一致性指數(shù)(AI)[16-17]和決定系數(shù)(R2)評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對(duì)水稻收獲后地上部干物質(zhì)、氮素累積量的影響

不同水氮耦合處理下，水稻收獲后地上部干物質(zhì)、氮素累積量見圖2(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)。試驗(yàn)結(jié)果表明，常規(guī)淹灌和淺濕灌溉模式下，水稻地上部各器官干物質(zhì)累積量隨施氮量增加而增大；控制灌溉模式下，地上部各器官干物質(zhì)累積量隨施氮量增加先增大后減小。除CN0處理莖鞘干物質(zhì)累積量低于WN0，CN0處理穗干物質(zhì)累積量低于WN0和FN0外，相同施氮量下，各處理不同器官干物質(zhì)累積量，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規(guī)淹灌。各處理穗干物質(zhì)累積量均高于葉和莖鞘干物質(zhì)累積量，葉、莖鞘和穗的干物質(zhì)累積量分別占地上部干物質(zhì)累積量的8.72%～11.24%、34.50%～38.17%、50.59%～56.15%，CN2處理穗部干物質(zhì)累積量最大，但與CN3處理不存在顯著性差異(P>0.05)。3種灌溉模式下，水稻地上部不同器官氮素累積量均隨施氮量的增加而增大。相同施氮量下，常規(guī)淹灌和淺濕灌溉模式水稻地上部不同器官氮素累積量均低于控制灌溉；相同灌溉模式下，除FN0和FN1莖鞘氮素累積量不存在顯著性差異外(P>0.05)，其余各施氮處理莖鞘和穗的氮素累積量顯著高于不施氮處理(P<0.05)。從不同器官來看，葉、莖鞘和穗的干物質(zhì)累積量分別占地上部氮素累積量的7.24%～9.26%、21.73%～26.67%、65.99%～70.55%，葉、莖鞘和穗的平均氮素累積量分別為12.03、33.43、98.11 kg/hm2，分別占地上部平均氮素累積量的8.38%、23.28%、68.34%，其中CN3處理葉、莖鞘和穗的氮素累積量最大，分別為19.71、49.62、145.81 kg/hm2。控制灌溉處理相同施氮量下的葉、莖鞘和穗的氮素累積量較常規(guī)淹灌提高了27.80%～43.42%、18.32%～24.97%、13.85%～24.25%，較淺濕灌溉提高了0.96%～13.18%、10.73%～12.86%、10.53%～12.61%。

2.2 水氮耦合對(duì)水稻地上部干物質(zhì)、氮素積累速率的影響

不同水氮耦合處理下，水稻地上部干物質(zhì)、氮素積累量的Logistic生長方程擬合及模型有效性評(píng)估如表2所示。不同處理水稻地上部干物質(zhì)、氮素累積量Logistic生長模型一致性指數(shù)分別為0.998 4～0.999 8、0.996 1～0.999 2，效率系數(shù)分別為0.955 0～0.995 3、0.890 1～0.977 9，決定系數(shù)R2均不低于0.975 6，模型有效性評(píng)估表明，利用Logistic生長方程擬合干物質(zhì)、氮素累積過程效果較好，模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合度較高。擬合結(jié)果顯示，不同水氮耦合條件下各處理水稻地上部干物質(zhì)、氮素累積的理論最大值分別為11 073.51～17 738.81 kg/hm2、73.49～213.89 kg/hm2，其中CN2處理干物質(zhì)累積理論最大值較其他處理高0.05%～63.87%，CN3處理氮素累積理論最大值較其他處理高10.15%～191.04%。

對(duì)Logistic生長方程求一階導(dǎo)數(shù)，得到水稻地上部干物質(zhì)、氮素累積速率隨移栽后時(shí)間的變化曲線(圖3)。水稻地上部干物質(zhì)、氮素累積速率的變化曲線為單峰曲線，隨移栽后時(shí)間的推進(jìn)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，不同水氮耦合方式下，氮素累積速率達(dá)到峰值時(shí)間早于干物質(zhì)累積速率達(dá)到峰值的時(shí)間。相同灌溉模式下，水稻地上部干物質(zhì)、氮素累積速率隨施氮量的增加而增大，但當(dāng)施氮量為135 kg/hm2時(shí)，干物質(zhì)、氮素累積速率明顯減緩。相同施氮量下，3種灌溉模式干物質(zhì)、氮素累積速率由大到小依次為控制灌溉、淺濕灌溉、常規(guī)淹灌。

對(duì)Logistic生長方程求二階導(dǎo)數(shù)，得到水稻地上部干物質(zhì)、氮素累積過程主要特征參數(shù)(表3)。不同水氮耦合處理地上部干物質(zhì)、氮素累積速率平均快增期分別為34.37 d和30.72 d，地上部干物質(zhì)、氮素累積達(dá)到最大增長速率分別為第71.44天和第60.05天，平均氮素累積速率達(dá)到峰值時(shí)間比平均干物質(zhì)累積速率達(dá)到峰值時(shí)間提前11.39 d。3種灌溉模式下，干物質(zhì)、氮素累積始盛期隨施氮量提升而提前，施氮處理平均干物質(zhì)、氮素累積速率始盛期比不施氮處理提前3.08、6.20 d。在快增期內(nèi)，施氮量為135 kg/hm2時(shí)，各灌水模式下的地上部干物質(zhì)、氮素最大增長速率達(dá)到最大值，其中CN3處理地上部干物質(zhì)、氮素最大增長速率為340.95、4.97 kg/(hm2·d)，與其他處理相比分別提升了2.55%～63.84%、12.56%～229.56%。

表2 水稻地上部干物質(zhì)、氮素累積量的Logistic生長方程擬合及模型有效性Tab.2 Logistic growth equation fitting and model validity of dry matter and nitrogen accumulation in shoots of rice

表3 水稻地上部干物質(zhì)、氮素累積過程主要特征值Tab.3 Main characteristic values of dry matter and nitrogen accumulation process in shoots of rice

2.3 水氮耦合對(duì)水稻抽穗后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

不同水氮耦合處理下，水稻抽穗期至成熟期的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)見表4。試驗(yàn)結(jié)果表明，灌溉模式和施氮量對(duì)葉片和莖鞘的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率，穗部氮素增加量和氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率均有極顯著影響(P<0.01)，灌溉模式和施氮量的交互效應(yīng)對(duì)葉片和莖鞘的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率有顯著影響(P<0.05)，對(duì)穗部氮素增加量和氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率有極顯著影響(P<0.01)。水稻抽穗期至成熟期葉片和莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量變化趨勢(shì)一致，在0～110 kg/hm2施氮量范圍內(nèi)，相同灌溉模式下，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量隨施氮量的增加而增大，施氮量為135 kg/hm2時(shí)，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量略有降低，但與施氮量為110 kg/hm2時(shí)的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量差異不顯著(P>0.05)。水稻抽穗期至成熟期葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率高于莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率，相同灌溉模式下，葉片和莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率以及氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率隨施氮量的增加而減小，穗部氮素增加量隨施氮量增加而增大。相同施氮量，3種灌溉模式對(duì)葉片和莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量以及穗部氮素增加量的影響，均以控制灌溉處理最高，表明適宜水分脅迫可促進(jìn)葉片和莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)以及籽粒氮素累積。

表4 不同水氮處理水稻抽穗期至成熟期的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)Tab.4 Nitrogen transfer from heading stage to maturity stage of rice treated with different water and nitrogen treatments

2.4 水氮耦合對(duì)水稻產(chǎn)量和水氮利用效率的影響

不同水氮耦合處理下，水稻產(chǎn)量和水分利用效率如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，相同灌溉模式，不施氮處理水稻產(chǎn)量顯著低于施氮處理(P<0.05)，常規(guī)淹灌、淺濕灌溉和控制灌溉增產(chǎn)幅度分別為24.45%～76.31%、31.03%～62.37%和66.30%～99.78%。常規(guī)淹灌和淺濕灌溉處理水稻產(chǎn)量隨施氮量的增加而提升，施氮量超過110 kg/hm2時(shí)，水稻增產(chǎn)幅度相對(duì)較?。豢刂乒喔忍幚硭井a(chǎn)量隨施氮量的增加先增加后小幅度下降，CN2處理水稻產(chǎn)量最高，為10 272.57 kg/hm2，但CN2和CN3處理水稻產(chǎn)量差異不顯著(P>0.05)。相同施氮量，除CN0外，控制灌溉模式各處理水稻產(chǎn)量均高于常規(guī)淹灌和淺濕灌溉模式水稻產(chǎn)量。施氮量為110、135 kg/hm2時(shí)，3種灌溉模式的IWUE和WUE差異不顯著(P>0.05)，常規(guī)淹灌和淺濕灌溉處理IWUE和WUE隨施氮量增加而增大，控制灌溉處理IWUE和WUE隨施氮量增加先增后降，CN2處理IWUE和WUE均最高，分別為3.14、2.04 kg/m3，與CN0相比提高了96.25%和70.57%。

不同水氮耦合處理對(duì)水稻氮素利用的影響如表5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，灌溉模式、施氮量以及灌溉模式和施氮量的交互效應(yīng)對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、百千克籽粒吸氮量、氮素籽粒生產(chǎn)效率和氮素收獲指數(shù)均有極顯著影響(P<0.01)。CN2處理氮肥農(nóng)學(xué)利用率顯著高于其他處理(P<0.05)，當(dāng)施氮量相同時(shí)，常規(guī)淹灌和淺濕灌溉模式各處理氮肥農(nóng)學(xué)利用率均小于控制灌溉模式。相同灌溉模式下，氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量的增加而降低，施氮量相同時(shí)，3種灌溉模式的氮肥偏生產(chǎn)力由大到小依次為控制灌溉、淺濕灌溉、常規(guī)淹灌，控制灌溉下氮肥偏生產(chǎn)力比常規(guī)淹灌和淺濕灌溉分別提升了4.77%～28.03%和3.79%～14.41%。控制灌溉模式下水稻平均百千克籽粒吸氮量為1.84 kg，較淺濕灌溉和常規(guī)淹灌分別提高了6.84%和7.97%。施氮量為110、135 kg/hm2時(shí)，常規(guī)淹灌和淺濕灌溉模式下氮素籽粒生產(chǎn)效率無顯著差異(P>0.05)，控制灌溉模式下氮素籽粒生產(chǎn)效率差異顯著(P<0.05)。不同處理間氮素收獲指數(shù)介于65.99%～70.55%之間，表明水稻吸收的氮素大部分用于形成籽粒。

表5 水氮耦合對(duì)水稻氮素利用的影響Tab.5 Effect of water and nitrogen interaction on rice nitrogen utilization

2.5 水稻產(chǎn)量相關(guān)性分析

水稻產(chǎn)量與植株成熟期地上部干物質(zhì)、氮素累積量關(guān)系如圖5所示。不同灌溉模式下，水稻產(chǎn)量和成熟期地上部干物質(zhì)、氮素累積量之間存在顯著或極顯著的正相關(guān)(R2為0.937 1～0.998 4)，水稻成熟期干物質(zhì)、氮素累積量均可作為衡量產(chǎn)量的評(píng)價(jià)依據(jù)或指標(biāo)，稻作控制灌溉模式下，水稻產(chǎn)量隨地上部氮素累積量的增加先增大后減小，表明水稻植株對(duì)氮素吸收存在閾值，過多氮素累積不利于產(chǎn)量形成。水稻產(chǎn)量和水氮利用效率間相關(guān)分析見表6。水稻產(chǎn)量與IWUE、WUE、AEN、NUG之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與NGPE之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與其他指標(biāo)之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)；IWUE與WUE、AEN之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與NUG之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；WUE與AEN之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與PFP之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；AEN與PFP之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；PFP與NUG之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與NGPE之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；NUG與NGPE之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與NHI之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

3 討論

水稻地上部干物質(zhì)、氮素積累量能反映作物的生產(chǎn)能力[18]，是影響水稻產(chǎn)量的重要指標(biāo)，水氮條件作為水稻生長發(fā)育的主要限制因子，適宜的水氮耦合模式不僅可以提高水稻產(chǎn)量和水氮利用效率，而且能夠影響水稻不同器官中干物質(zhì)、氮素累積和分配，對(duì)提高水稻干物質(zhì)、氮素累積量產(chǎn)生正效應(yīng)[19]，但過量的水氮供應(yīng)也會(huì)使作物“徒長”，不利于產(chǎn)量形成[20]。本研究表明，稻作控制灌溉模式下，施氮處理地上部不同器官干物質(zhì)累積量高于常規(guī)淹灌和淺濕灌溉，控制灌溉地上部各器官干物質(zhì)累積量隨施氮量增加先增大后減小，這是因?yàn)榭刂乒喔饶Ｊ较氯~片光合能力提升，有利于有機(jī)質(zhì)累積，同時(shí)控制灌溉可以改變土壤水分狀況，改善根區(qū)通氣條件，為水稻根系生長提供適宜環(huán)境，不僅能夠促進(jìn)根系發(fā)育，還能延緩后期根系衰老和退化，使得水稻在生長中后期能吸收更多養(yǎng)分[21]，這與孟翔燕等[22]的研究結(jié)果一致，但當(dāng)施氮量為135 kg/hm2，控制灌溉模式下水稻出現(xiàn)“貪青”現(xiàn)象，過量氮肥施用使得水稻晚熟，生育期推遲，地上部各器官干物質(zhì)累積量小幅度下降，影響水稻產(chǎn)量。控制灌溉和淺濕灌溉模式下水稻地上部氮素累積量高于常規(guī)淹灌，水稻不同器官氮素累積量與施氮量呈正相關(guān)，控制灌溉和淺濕灌溉處理相同施氮量下的穗氮素累積量較常規(guī)淹灌提高了13.85%～24.25%、2.27%～10.09%，說明節(jié)水灌溉模式有利于氮素吸收轉(zhuǎn)化并促進(jìn)植株氮素向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)，這與崔遠(yuǎn)來等[23]的研究結(jié)果相似。

表6 水稻產(chǎn)量和水氮利用效率的相關(guān)系數(shù)Tab.6 Correlation coefficients between rice yield and water and nitrogen use efficiency

前人研究表明，水稻基因型、水分狀況、施肥水平和氣象因素等均會(huì)影響植株干物質(zhì)和氮素累積過程，體現(xiàn)在Logistic模型上就是擬合參數(shù)的變化[24]。本研究結(jié)果表明，從水稻干物質(zhì)、氮素累積速率的變化過程看，不同水氮耦合模式基本不影響水稻干物質(zhì)、氮素累積速率的變化趨勢(shì)，各處理水稻干物質(zhì)、氮素累積速率隨移栽后時(shí)間的變化仍為單峰曲線，且隨移栽后時(shí)間的推進(jìn)先增后減，利用Logistic生長模型擬合效果較好，但不同水氮耦合模式下，水稻干物質(zhì)和氮素累積對(duì)應(yīng)的漸增期、快增期、緩增期、累積量和累積速率均有差異。葉廷紅等[25]研究表明，水稻氮素累積快增期明顯早于干物質(zhì)累積快增期，干物質(zhì)累積最大速率出現(xiàn)在拔節(jié)孕穗期，這與本文研究結(jié)果相似，這是由于水稻植株在分蘗期以生根、生葉和分蘗為主，需要大量的氮素來形成氮化物，當(dāng)養(yǎng)分累積足夠多時(shí)進(jìn)行大量物質(zhì)生產(chǎn)，因此，水稻氮素累積速率到達(dá)高峰期后，干物質(zhì)累積速率逐漸進(jìn)入始盛期。有關(guān)研究認(rèn)為，植株干物質(zhì)和氮素累積速率高峰期和最大增長速率出現(xiàn)時(shí)間越早，快增期持續(xù)時(shí)間越短，越有利于干物質(zhì)和氮素累積以及優(yōu)質(zhì)群體結(jié)構(gòu)的形成[26]，這與本文結(jié)論相似又有所不同，本研究表明，3種灌溉模式下，干物質(zhì)和氮素累積速率始盛期、高峰期和盛末期隨施氮量的增加而提前，但快增期持續(xù)時(shí)間并沒有隨施氮量的增加明顯縮短，甚至增加，相比于常規(guī)淹灌模式，淺濕灌溉和控制灌溉模式下水稻平均干物質(zhì)累積速率快增期縮短1.59 d和1.42 d，平均氮素累積速率快增期縮短3.35 d和6.00 d，從干物質(zhì)和氮素累積特征值看，節(jié)水灌溉處理具有快增期持續(xù)時(shí)間短和增長速率大的特征，更有利于水稻植株生長中期干物質(zhì)和氮素累積。稻作控制灌溉模式，從抽穗開花期開始N3水平下植株干物質(zhì)和氮素累積速率逐漸開始低于N2或N1水平，而成熟期水稻干物質(zhì)累積量隨施氮量的增加先增大后減小，氮素累積量隨施氮量的增大而增大，說明水稻植株對(duì)氮素養(yǎng)分的空間競爭使其對(duì)氮素吸收存在閾值，植株氮素吸收過多并不會(huì)使水稻干物質(zhì)量持續(xù)增加，反而會(huì)導(dǎo)致水稻減產(chǎn)和品質(zhì)下降[27]。相同灌溉模式下，當(dāng)施氮量為135 kg/hm2時(shí)，干物質(zhì)和氮素累積速率明顯減緩，高氮條件下，水稻對(duì)氮素的需求與氮肥養(yǎng)分釋放速率不匹配，氮肥的高投入并沒有帶來高回報(bào)。此外，本文Logistic模型是以移栽后時(shí)間為自變量對(duì)水稻生長過程進(jìn)行模擬分析，而年際間氣候狀況有所差異，單純通過移栽后時(shí)間表示植株不同生長過程可能會(huì)產(chǎn)生偏差，由于水稻生育期內(nèi)不同階段植株干物質(zhì)和氮素累積所需熱量固定，一些專家學(xué)者用有效積溫作為自變量對(duì)不同植株生長過程進(jìn)行Logistic模擬[28]，并取得良好效果，但目前尚無統(tǒng)一方法進(jìn)行植株Logistic生長過程模擬分析，這將是今后進(jìn)一步的研究重點(diǎn)。

水稻產(chǎn)量是植株干物質(zhì)積累、分配、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化的結(jié)果，水氮利用效率則可以反映作物生產(chǎn)過程中的能量轉(zhuǎn)化效率，也能衡量作物水氮限制條件下的生長適宜程度[29]。已有研究表明，一般情況下隨著施氮量的增加，水稻產(chǎn)量、水分利用效率增加，而氮肥利用率降低[30]。本研究表明，施氮量在0～135 kg/hm2范圍內(nèi)，常規(guī)淹灌和淺濕灌溉模式下水稻產(chǎn)量和水分利用效率隨著施氮量的增加而提升，控制灌溉模式下，當(dāng)施氮量為135 kg/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量和水分利用效率呈下降趨勢(shì)，同時(shí)，控制灌溉模式下施氮處理水稻產(chǎn)量和水分利用效率顯著高于常規(guī)淹灌和淺濕灌溉模式，其原因在于控制灌溉模式可增強(qiáng)水稻根區(qū)通氣性，改善稻田土壤條件，加速土壤有機(jī)質(zhì)礦化，促使水稻產(chǎn)量提高，同時(shí)，控制灌溉模式降低了灌水頻次和灌水量，田面不再長期建立水層，使得稻田滲漏量、蒸發(fā)量降低，田間蓄雨能力較常規(guī)淹灌和淺濕灌溉更高，徑流量減小，雨水利用率提升，進(jìn)而提升水分利用效率[31]。相同灌溉模式下，不施氮或低氮處理的氮肥偏生產(chǎn)力和氮素籽粒生產(chǎn)效率較高，但水稻產(chǎn)量和水分利用效率卻顯著低于適當(dāng)?shù)母呤┓侍幚?。因此，協(xié)調(diào)水稻產(chǎn)量和水氮利用效率之間的矛盾，應(yīng)在維持較高產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，提升水氮利用效率，同時(shí)降低水稻營養(yǎng)體對(duì)氮素的過多吸收。

水稻植株中來自土壤的氮素與土壤肥力關(guān)系密切，衡量最佳水氮耦合處理，不僅要考慮水稻產(chǎn)量、氮素吸收和水氮利用效率，還需考慮土壤氮素盈虧狀況。研究區(qū)黑土層厚度一般在53～58 cm之間，黑土區(qū)水稻吸收肥料氮素的比例遠(yuǎn)低于土壤氮素，本文將0～60 cm土體無機(jī)氮作為整體，研究土壤氮素表觀平衡，不同水氮處理下土壤氮素盈虧量見圖6。研究結(jié)果表明，相同施氮量下，不同灌溉模式對(duì)土壤氮素盈虧量的影響不顯著(P>0.05)，在施氮量0、85 kg/hm2條件下，土壤氮素虧損，在施氮量110、135 kg/hm2條件下，土壤氮素盈余，施氮量為85～110 kg/hm2時(shí)土壤氮素盈虧出現(xiàn)臨界點(diǎn)。在水稻生產(chǎn)中，土壤氮素高盈余意味著高的土壤氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)，這些氮素一部分殘留在土壤中供后季作物吸收利用，另一部分則通過淋溶、氨揮發(fā)和反硝化等途徑損失，增加了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)；土壤氮素長期虧損則會(huì)造成土壤退化，土壤氮素耗竭阻礙稻田系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，因此，根據(jù)黑土區(qū)環(huán)境特征選擇適宜水氮耦合模式，將土壤氮素盈虧控制在合理范圍內(nèi)極其重要。

4 結(jié)論

(1)水稻控制灌溉模式下，施氮處理地上部不同器官干物質(zhì)累積量高于常規(guī)淹灌和淺濕灌溉，控制灌溉地上部各器官干物質(zhì)累積量隨施氮量的增加先增大后減小，施氮量為135 kg/hm2時(shí)抑制水稻干物質(zhì)累積。相同灌溉模式下，水稻地上部不同器官氮素累積量隨施氮量的增加而增大，相同施氮量，控制灌溉模式下葉、莖鞘和穗的氮素累積量較常規(guī)淹灌提高了27.80%～43.42%、18.32%～24.97%、13.85%～24.25%，較淺濕灌溉提高了0.96%～13.18%、10.73%～12.86%、10.53%～12.61%。

(2)水稻地上部干物質(zhì)、氮素累積速率隨移栽后時(shí)間的推進(jìn)先增加后減小，平均氮素累積速率達(dá)到峰值時(shí)間比平均干物質(zhì)累積速率達(dá)到峰值時(shí)間提前11.39 d。相同灌溉模式下，干物質(zhì)、氮素累積始盛期隨施氮量增加而提前，干物質(zhì)、氮素累積速率隨施氮量的增加而增大，施氮量為135 kg/hm2時(shí)，干物質(zhì)、氮素累積速率明顯減緩。相同施氮量下，控制灌溉模式干物質(zhì)、氮素累積速率高于淺濕灌溉和常規(guī)淹灌。

(3)常規(guī)淹灌和淺濕灌溉模式水稻產(chǎn)量和水分利用效率隨施氮量的增加而增大，控制灌溉模式水稻產(chǎn)量和水分利用效率隨施氮量的增加先增大后減小，相同施氮量，控制灌溉模式水稻產(chǎn)量(CN0處理除外)和水分利用效率高于常規(guī)淹灌和淺濕灌溉模式，其中CN2處理水稻產(chǎn)量、IWUE和WUE均最大，分別為10 272.57 kg/hm2、3.14 kg/m3和2.04 kg/m3?？刂乒喔饶Ｊ娇娠@著提升水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力。

(4)相同灌溉模式下，水稻抽穗期至成熟期葉片和莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量隨施氮量的增加先增大后減小，葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率高于莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率，葉片和莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率以及氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率隨施氮量的增加而減小。相同施氮量，控制灌溉模式葉片和莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量以及穗部氮素增加量高于常規(guī)淹灌和控制灌溉。

(5)植株干物質(zhì)、氮素累積量能夠作為不同灌溉模式下衡量水稻產(chǎn)量的指示指標(biāo)。水稻產(chǎn)量與灌溉水分利用效率、水分生產(chǎn)效率、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、百千克籽粒吸氮量之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與氮素籽粒生產(chǎn)效率之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。綜合考慮水稻產(chǎn)量、氮素吸收、水氮利用效率和土壤氮素盈虧等方面，CN2處理為最佳水氮耦合模式。