不同有機無機肥氮投入比例對雙季水稻生理特性與產量的影響

唐海明， 李超， 肖小平， 湯文光， 程凱凱， 潘孝晨，汪柯， 李微艷

(湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125)

合理施肥對土壤理化特性和土壤肥力等方面均具有十分重要的影響，進而影響農業的可持續發展[1]。有研究顯示，有機無機肥配施均有利于改善土壤理化特性、維持稻田土壤生態環境，增加土壤養分含量、培肥土壤，提高肥料利用率和作物生理特性，維持農業的可持續生產[2]。近年來，大量學者開展了不同施肥條件下稻田土壤理化特性、水稻植株生物學和營養特性及產量等方面變化的研究，劉恩科等[3]研究認為，長期施肥處理稻田土壤微生物生物量碳、氮均明顯高于不施肥處理；前人研究結果表明，長期有機無機肥配施有利于培肥土壤，增加水稻植株干物質積累量，改善植株各部位營養物質的分配與轉運，獲得較高的水稻產量[4-7]；在不同施肥模式對植株理化特性影響方面，改善施肥模式(有機無機肥配施、科學的施肥比例)均有利于增強水稻植株功能葉的生理特性(保護酶活性、葉綠素含量和凈光合速率)，延緩葉片的衰老，從而提高水稻產量[8-11]。雖然近年來相關學者關于不同施肥管理措施對水稻植株理化特性開展了相應的研究，但是由于各個區域的外界氣象因素、農作制度、施肥等田間管理措施不同，在不同施肥條件下水稻植株理化特性的研究結果存在一定的差異。

湖南是我國重要的雙季稻主產區，采取不同的施肥措施是維護稻田養分循環及生態環境等方面的重要基礎，該區域糧食產量對保障我國糧食生產安全具有重要的戰略意義。近年來，有學者開展了不同施肥模式下雙季稻某一時期稻田土壤理化特性和土壤微生物學特性等方面的研究[12-13]，雖對早、晚稻各個主要生育時期植株生物學和生理特性開展了部分研究[14-15]，但在不同有機肥氮素占總氮投入百分比施肥措施條件下雙季稻植株葉片生理生化特性和產量的變化還沒有相應的研究。因此，本研究以南方雙季稻區不同施肥模式大田定位試驗為依托，開展不同有機肥氮素占總氮投入百分比施肥管理模式下雙季稻植株葉片生理生化特性和產量差異研究，以探明水稻獲得高產的生理基礎，為雙季稻區采取科學的施肥方式提供技術理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017-2018年在湖南省寧鄉市回龍鋪鎮回龍鋪村(N 28°07′, E 112°18′)進行，試驗地年均氣溫17.2 ℃，年平均降雨量1 553 mm，年蒸發量1 354 mm，無霜期274 d；試驗田土壤為水稻土，河沙泥土種，為典型的雙季稻主產區。種植制度為冬閑-雙季稻，土壤肥力中等，排灌條件良好。試驗前稻田耕層土壤(0～20 cm)基本理化特性為：有機碳22.75 g·kg-1、全氮2.24 g·kg-1、堿解氮178.90 mg·kg-1、全磷0.66 g·kg-1、有效磷18.45 mg·kg-1、全鉀14.45 g·kg-1、速效鉀69.50 mg·kg-1和pH 6.80。

1.2 試驗設計和田間管理措施

根據N肥的不同來源，設5個處理：① 化肥N(M1)，只施用氮、磷、鉀化肥；②30%有機肥N(M2)，30%有機肥N，70%化肥N；③50%有機肥N(M3)，50%有機肥N，50%化肥N；④100%有機肥N(M4)，100%有機肥N，不施化肥氮；⑤無N對照(M0)，不施N，施用磷、鉀化肥，磷、鉀肥與M1處理相同。每個處理小區面積266.0 m2(13.3 m×20.0 m)。每個小區間用田埂隔開，保證各小區不竄灌、竄排；由于采取機插方式，為方便機械操作，采取大區試驗，沒有設置重復。保證早稻季和晚稻季各處理間一致的N、P2O5、K2O施用量(總施用量為化肥與有機肥養分含量之和)，早稻季各施肥處理N、P2O5和K2O的總施用量分別為135.0、54.0和67.5 kg·hm-2；晚稻季各施肥處理N、P2O5和K2O的總施用量分別為165.0、45.0和90.0 kg·hm-2；施用有機肥的處理，早、晚稻季有機肥類型均為豆粕菜枯商品有機肥，早稻和晚稻季30%、50%和100%有機肥處理有機肥的施用量分別為828.0、1 380.0、2 760.0 kg·hm-2和1 012.5、1 687.5、3 375.0 kg·hm-2(有機肥養分含量均為N 4.89%、P2O51.73%和K2O 1.51%)，各處理中不足的N、P2O5和K2O用化肥補足；早稻和晚稻季，有機肥和P2O5均作基肥結合土壤翻耕一次性施入；N按基肥、分蘗肥和穗肥比例為6∶3∶1三次施入，基肥和分蘗肥分別在稻田土壤翻耕和水稻移栽后7 d施用，穗肥在幼穗開始分化時施用；K2O按基肥和穗肥比例為5∶5兩次施入，基肥和穗肥分別在土壤翻耕和幼穗開始分化時施用。其他田間管理措施均按徐一蘭等[14]的方法進行。

根據當地的生產實際情況，試驗均采用當地主推水稻品種。為了減少水稻品種的差異對研究結果造成的影響，在2個不同年份中早稻均為常規稻，晚稻均為雜交稻。2017年，早稻和晚稻供試品種分別為湘早秈24號和金優59；2018年，早稻和晚稻供試品種分別為中早25和H優518；上述供試試驗品種均從市場上購買。早稻和晚稻均采用機械移栽，行株距均為25.0 cm×14.0 cm，移栽密度均為28.61×104株·hm-2。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1樣品采集 2017年和2018年，分別于早稻和晚稻的苗期(seedling stage，SS)、分蘗盛期(tillering stage，TS)、孕穗期(booting stage，BS)、齊穗期(heading stage，HS)和成熟期(maturity stage，MS)進行植株葉片樣品的采集；水稻苗期和分蘗盛期，采集植株主莖最上展開葉；孕穗期、齊穗期和成熟期，采集主莖劍葉；上述早稻和晚稻的各個主要生育時期，每一小區隨機選擇15蔸水稻植株進行樣品采集。

1.3.2葉片理化特性測定 葉片的理化特性測定指標包括：丙二醛(malondialdehyde，MDA)和脯氨酸(proline，Pro)含量，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(peroxidase，POD)和過氧化氫酶(catalase，CAT)活性，均按參考文獻[16]中的方法進行測定。

1.3.3植株光合特性測定 2017和2018年，分別于早稻和晚稻各個主要生育時期進行植株葉片光合特性測定，測定指標為：SPAD值、凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導度(stomatal conductance，Gs)和蒸騰速率(transpiration rate，Tr)，具體的測定時期、部位和方法等均參照參考文獻[15]。

1.3.4水稻產量和產量構成因素 分別于早稻和晚稻成熟收獲時進行水稻產量和產量構成因素測定，其測定指標和方法等均參照參考文獻[15]。

1.4 數據處理

采用Excel 2003和DPS 3.11軟件對數據進行統計分析，采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同處理下水稻葉片丙二醛含量

圖1顯示，早、晚稻各個主要生育時期，不同施肥處理水稻植株葉片丙二醛(MDA)含量均呈不斷增加的變化趨勢；在各個施肥處理中，均以無N肥(M0)處理為最高值，均顯著高于30%有機肥N(M2)和50%有機肥N(M3)處理(P<0.05)。早稻各個主要生育時期，均以100%有機肥N(M4)處理葉片MDA含量為最高，與化肥N(M1)處理的差異均達顯著水平(P<0.05)；各處理葉片MDA含量大小順序均表現為M0>M4>M3>M2>M1。晚稻各個主要生育時期，各處理植株葉片MDA含量大小順序分別表現為M0>M4>M3>M2>M1(2017年)和M0>M1>M2>M3>M4(2018年)。

注：不同字母表示同一生育期各處理間的差異在P<0.05水平具有統計學意義。

2.2 不同處理下水稻葉片脯氨酸含量

從圖2可以看出，早稻和晚稻整個生育期，各處理水稻植株葉片脯氨酸(Pro)含量呈拋物線變化趨勢，均于齊穗期達到最大值；在各個處理中，Pro含量均以M0處理為最高，均顯著高于M2處理(P<0.05)(圖2)。早稻各個主要生育時期，M4處理葉片Pro含量與M1和M2處理間的差異均達顯著水平(P<0.05)；分蘗盛期、孕穗期、齊穗期和成熟期，M2處理葉片Pro含量均高于M1處理，但均無顯著性差異(P>0.05)。晚稻各個主要生育時期，各處理植株葉片Pro含量大小順序分別表現為M0>M4>M3>M2>M1(2017年)和M0>M1>M2>M3>M4(2018年)。

注：不同字母表示同一生育期各處理間的差異在P<0.05水平具有統計學意義。

2.3 水稻植株葉片保護性酶活性

2.3.1葉片SOD活性 圖3顯示，早稻和晚稻整個生育期，各處理葉片SOD活性均于齊穗期達到峰值；M1、M2、M3和M4處理SOD活性均顯著高于M0處理(P<0.05)。早稻各個主要生育時期，M1、M2、M3和M4處理葉片SOD活性均顯著高于M0處理(P<0.05)；其大小順序均表現為M1>M2>M3>M4>M0。晚稻各個主要生育時期，各處理植株葉片SOD活性大小順序分別表現為M1>M2>M3>M4>M0(2017年)和M4>M3>M2>M1>M0(2018年)。

注：不同字母表示同一生育期各處理間的差異在P<0.05水平具有統計學意義。

2.3.2葉片POD活性 圖4顯示，早稻和晚稻各個主要生育時期，各處理葉片POD活性均于齊穗期達到最大值；M1、M2、M3和M4處理葉片POD活性均顯著高于M0處理(P<0.05)。早稻全生育期，M1處理葉片POD活性與其他處理間的差異均達顯著水平(P<0.05)。晚稻全生育期，2個不同年份，植株葉片POD活性分別以M1和M4處理為最高，與其他處理的差異均達顯著水平(P<0.05)。

注：不同字母表示同一生育期各處理間的差異在P<0.05水平具有統計學意義。

2.3.3葉片CAT活性 從圖5可以看出，早、晚稻整個生育期，不同處理植株葉片CAT活性均于分蘗期達到最大值；M1、M2、M3和M4處理葉片CAT活性均顯著高于M0處理(P<0.05)。早稻全生育期，M1處理葉片CAT活性與其他處理間的差異均達顯著水平(P<0.05)。晚稻全生育期，M1和M4處理葉片CAT活性與其他處理間的差異均達顯著水平(P<0.05)。

注：不同字母表示同一生育期各處理間的差異在P<0.05水平具有統計學意義。

2.4 水稻植株葉片光合特性

2.4.1葉片SPAD 早稻和晚稻整個生育期，各處理植株葉片SPAD值均于分蘗盛期達到峰值(圖6)。早稻各個主要生育時期，SPAD值大小順序表現：M1>M2>M3>M4>M0；其中，以M1和M2處理葉片SPAD值均為最高，均顯著高于M4和M0處理(P<0.05)；M3處理葉片SPAD值與M0處理的差異達顯著水平(P<0.05)。晚稻整個生育期，M2和M3處理葉片SPAD值均顯著高于M0處理(P<0.05)；各處理葉片SPAD值大小順序分別表現為M1>M2>M3>M4>M0(2017年)和M4>M3>M2>M1>M0(2018年)。

注：不同字母表示同一生育期各處理間的差異在P<0.05水平具有統計學意義。

2.4.2葉片凈光合速率 圖7顯示，早、晚稻整個生育期，不同處理植株葉片凈光合速率(Pn)整體為拋物線的變化趨勢，均于齊穗期達到峰值。早稻全生育期，M1處理葉片Pn與其他處理間的差異均達顯著水平(P<0.05)；M2、M3、M4處理葉片Pn與M0處理間的差異均達顯著水平(P<0.05)。晚稻全生育期，M1、M2、M3和M4處理葉片Pn均顯著高于M0處理(P<0.05)；其大小順序分別表現為M1>M2>M3>M4>M0(2017年)和M4>M3>M2>M1>M0(2018年)。

2.4.3葉片氣孔導度 早稻和晚稻各個主要生育時期，各處理葉片氣孔導度(Gs)表現為先增加后降低的變化趨勢，均于分蘗期達到峰值(圖8)。早稻和晚稻各主要生育時期，M1、M2、M3和M4處理葉片Gs均顯著高于M0處理(P<0.05)。

2.4.4葉片蒸騰速率 從圖9可以看出，早稻和晚稻各個主要生育時期，各處理植株葉片蒸騰速率(Tr)均于齊穗期達到最大值。早稻和晚稻各個主要生育時期，M1、M2、M3和M4處理植株葉片Tr均顯著高于M0處理(P<0.05)；但M1、M2、M3和M4處理間葉片Tr均無顯著性差異(P>0.05)(圖9)。

注：不同字母表示同一生育期各處理間的差異在P<0.05水平具有統計學意義。

2.5 水稻產量及其構成因素

表1表明，2017年和2018年早稻M1、M2、M3、M4和M0處理間的千粒重均無顯著性差異(P>0.05)；M1處理的有效穗和每穗粒數均顯著高于M0處理(P<0.05)，M0處理結實率與其他處理的差異均達顯著水平(P<0.05)。M1和M2處理早稻產量均為最高，均顯著高于M0和M4處理(P<0.05)；M1、M2、M3和M4處理產量均高于M0處理，分別比M0處理增加1 680.0、1 606.5、1 267.5、795.0 kg·hm-2和2 401.5、2 339.0、2 212.0、2 143.0 kg·hm-2。M1、M2、M3和M4處理晚稻有效穗均顯著高于M0處理(P<0.05)，但這4個處理間均無顯著性差異(P>0.05)；M1處理每穗粒數均顯著高于M0處理(P<0.05)；M0處理結實率與其他處理的差異均達顯著水平(P<0.05)；千粒重在各處理間無顯著差異(P>0.05)；M1、M2、M3和M4處理晚稻產量均顯著高于M0處理(P<0.05)，分別比M0處理增加 2 382.0、2 196.0、2 091.0、1 830.0 kg·hm-2和 1 962.8、2 041.5、2 096.0、2 182.0 kg·hm-2。

表1 不同施肥模式下水稻產量及構成因素

3 討論

3.1 不同施肥措施對水稻產量的影響

稻田土壤肥力和水稻產量受較多因素影響，施肥措施是重要的影響因素之一，其中有機無機肥配施條件下培肥土壤和水稻增產的效果均為最佳[4, 17]。本研究結果表明，與無N肥處理相比，各施肥處理(M1、M2、M3和M4)均有利于增加水稻產量，其可能的原因是施肥措施可維持土壤肥力或培肥土壤[14]，為水稻植株生理活動提供養分來源、改善植株的光合特性，擴大水稻的“源”，并協調植株的“源”和“庫”關系，促進物質向“庫”轉運[7]，為水稻獲得高產提供了物質保障，這與唐海明等[5]和徐一蘭等[6]的研究結果相似。

在本試驗條件下，不同施肥處理下早稻產量大小順序表現為M1>M2>M3>M4。其研究結果與徐一蘭等[6]的研究結果不同，其原因可能是由于早稻所采用的品種均為常規稻，植株長勢和對營養物質吸收能力一般、生育期較短，且在該階段內外界氣溫較低，采取基肥：分蘗肥：穗肥的施肥模式有利于為植株全生育期生長發育提供均衡的養分[11]，增強了植株對營養物質吸收利用、葉片保護性酶活性和光合特性，為植株干物質積累提供了光合物質來源，為水稻高產奠定了物質基礎；在施用有機肥的處理中，其產量隨著有機肥施入量比例的增加呈下降的變化趨勢，其可能的原因是早稻生育期較短，且在該階段內外界氣溫較低，所施用的有機肥分解緩慢、分解過程中土壤微生物與植株生長出現競爭，影響植株對營養物質吸收利用和生長發育，降低了植株部分生理特性和光合產物來源、干物質積累，進而影響水稻產量。

不同年份間各處理晚稻產量表現各異，第1年試驗施用化肥處理晚稻產量高于有機肥處理，其可能的原因是試驗初期早稻季所施入的有機肥在晚稻季的效果還未體現出來，且晚稻季所施用的有機肥在分解過程中對植株生長發育、部分生理活動均有不利的影響，從而影響干物質積累、分配及水稻產量。第2年試驗，有機肥處理晚稻產量均高于單獨施用化肥處理，其可能的原因為連續兩年定位施用有機肥有利于培肥土壤，為水稻生長提供良好的土壤生態環境和物質來源[7]；其次，隨著有機肥施用年限的增加，早稻季施用的有機肥在晚稻季具有一定的后效作用，緩解了有機肥分解過程中土壤微生物與植株生長的競爭；晚稻季外界氣溫較高、有機肥腐解快，能為水稻生長提供持續均衡的物質來源(緩效和速效養分)，為增加植株的生理活動和干物質積累提供了物質保障，從而有利于水稻高產；在各個有機肥處理間，水稻產量隨著有機肥施入量比例增加呈增加的變化趨勢，這可能是因為隨著有機肥施入量的增加改土培肥效果更為明顯，雖然在不同年份水稻品種不同，但由于定位施用有機肥處理后均能為植株生長提供良好的土壤生態環境和養分[18]，增加了植株各部位干物質積累量，從而有利于水稻獲得高產。另一方面，這也可能與所選擇水稻品種有關，其植株根系的生長特性、對營養物質的吸收利用均存在差異，進而影響植株生長發育、生理特性和生產能力，從而影響水稻產量[19]。在本研究中，水稻產量的高低還與所施用有機肥種類和外界氣溫差異等因素密切相關，其具體的影響效應還需開展長期定位試驗進行驗證。施用化肥也有利于增加晚稻產量，其原因可能是單獨施用化肥條件下，有利于改善土壤的部分理化性狀[14]，為植株的生長發育、干物質積累提供相應的養分來源，進而影響水稻產量。

3.2 不同施肥措施對水稻保護性酶活性和光合特性的影響

丙二醛和脯氨酸含量均是體現作物受滲透脅迫程度高低重要的指標[18，20]；保護酶系統是作物體內活性氧清除系統，在外界條件變化所引起的不利影響等方面起著保護作用[19]。光合產物是水稻干物質的主要來源，與品種類型、農作制度、施肥、灌溉、溫度和光照等因素密切相關[21]，其中施肥模式和品種類型均是影響植株生理活性的關鍵因素。在本研究中，與無N肥處理相比，各施肥處理(M1、M2、M3和M4)均不同程度地增加雙季稻植株葉片保護酶活性、降低MDA和Pro含量，增強葉片的光合特性，這與袁穎紅等[9]和唐海明等[15]的研究結果相似，其原因為施肥有利于改善土壤部分物理結構、增加土壤養分含量[14]，為水稻生理活動提供了良好的土壤生態環境和物質來源，從而減輕植株的膜脂過氧化、增強保護酶活性，降低丙二醛和脯氨酸含量；同時，施肥措施有利于協調水稻個體與群體間的矛盾，易形成高質量、高光效群體[8-9]，增強葉片光合物質生產能力和植株干物質積累量，為水稻獲得高產提供了物質保障，這與張玉平等[10]研究結果相一致。

本研究中，不同年份各處理水稻植株葉片保護性酶活性和光合特性表現不同，這可能是品種與施肥交互作用的結果。早稻生育期，施用化肥和30%有機肥處理提高水稻葉片保護性酶活性和光合特性效果最佳，其原因可能是早稻品種均為常規稻，植株地下和地上部長勢一般、肥水需求量較少，且在早稻季生育期較短、氣溫較低等因素的綜合影響下，施用化肥和30%有機肥的措施均能及時為水稻提供充足的養分來源，有利于植株生長發育和增強植株保護酶系統活性，其大小順序與早稻產量的順序一致。各施肥處理晚稻植株葉片保護性酶活性和光合特性在兩個年份的表現各異，第1年試驗施用化肥處理植株葉片保護性酶活性和光合特性均高于有機肥處理，這與唐海明等[15]的研究結果不同，其原因可能是早稻季所施用的有機肥在晚稻季的效果還未體現出來，施用化肥或高比例化肥處理所提供的速效和部分緩效養分均能滿足植株生理活動的需求，從而增強了植株保護酶系統活性和光合特性。第2年試驗，有機肥處理植株葉片保護性酶活性和光合特性均高于化肥處理，且隨著有機肥施入量比例增加呈增加的變化趨勢，這可能是因為在連續施用有機肥條件下改土培肥效果最佳[14]，為不同水稻品種植株生長發育提供良好的土壤生態環境和養分來源，減少其與根際土壤微生物的競爭，增強了植株保護酶系統活性和改善光合特性；另一方面，這也可能與不同年份所選擇水稻品種有關，其植株根系在不同生育階段生長特性、對營養物質吸收利用等方面均存在差異，進而影響植株生長發育，植株地上部生理特性和光合生產能力，從而影響水稻產量[19]。

本研究僅針對不同有機肥氮素占總氮投入百分比施肥條件下雙季稻植株葉片保護酶活性、光合特性和產量進行了研究，在長期定位試驗平臺條件下雙季稻田土壤微生物學和植株營養特性等方面的變化研究還有待進一步開展。