葉齡調控下水肥耦合對寒地水稻生物學特征及水肥利用效率的影響

徐飛 隋文志 張拓 懷寶東 楊雪

(1黑龍江省農墾科學院, 哈爾濱 150038；2西華師范大學 環境科學與工程學院，四川 南充 637002； *通信聯系人，E-mail: suiwz@sina.com)

我國是全球粳稻種植面積最大、總產量最高的國家，粳稻年產量7 020萬t，約占全球粳稻總產量的68%[1]。由于粳稻具有耐低溫、生長周期短、口感佳等優點，在我國東北地區得到迅速發展，種植面積超過全國粳稻總種植面積的50%，僅黑龍江省的水稻種植面積已經超過400萬hm2，成為我國乃至全球重要的寒地水稻生產基地之一[2]。隨著水稻種植規模和產量的不斷提高，化肥施用量和灌溉用水量也在持續增加[3]。化肥與水資源的過量投入和低效利用直接導致一系列不良的環境反應，農田土壤退化問題日益嚴重，水資源儲量急劇下降，大量化肥因灌溉方法不當而流失，造成了江河湖泊的富營養化和地下水污染[4-5]。而寒地水稻由于環境積溫不足，生長發育期相對較短，水肥用量巨大且投放時間集中，更易造成水肥資源緊缺和浪費，并且過量的化肥投入還會造成水稻倒伏、貪青晚熟，降低稻米的品質和產量[6]。依賴水肥資源的過量投入來提高作物產量與資源可持續利用之間的矛盾已成為國內外關注的熱點，發達國家在這個問題上往往采取環境優先的原則，以大規模的旱地直播噴灌技術為主，機械化程度高且實施與大豆輪作的種植模式[7]。而我國人多地少，基礎配套設施相對落后，為了保證水稻產量，水肥等成本的投入仍十分巨大[8]。因此，研發豐產節水節肥栽培技術是化解資源危機和突破水稻生產可持續發展瓶頸的必由之路。

近10多年來，我國開展了大量關于水稻品種密植、施肥模式、水層管理等方面的栽培技術研發[9-11]。研究表明，改善水肥管理是影響水稻生長進程最直接有效的農藝措施，水稻灌溉模式從傳統的淹灌模式逐漸向干濕交替灌溉方式轉變，干濕交替灌溉可提高孕穗前水稻群體凈光合速率、水稻生長后期的光合作用和群體透光率，促進干物質的轉化和積累[12]。此外，水肥之間還存在著顯著的互作效應，灌溉與氮肥的有效協同管理可以顯著節約水資源，提高水稻光合作用和氮肥利用率，對水稻豐產有著積極的影響[13,14]。然而，大多數研究僅探討了單一因素對水稻生長及產量的影響，鮮有關于我國寒冷地區水稻水肥耦合的多因素干預栽培技術研究，尤其是水稻全生育期的調水控溫和調水節肥的技術集成研究嚴重不足[15,16]。為此，本研究以“水稻葉齡模式理論”為基礎，結合北方寒冷地區的氣候特點，按照11～12片葉粳稻品種的生理需水、生態需水規律和水稻葉齡生長發育進程進行水肥調控，綜合考慮降雨、冷害、生物肥補償等方面因素，制定適合北方寒地氣候特點、可全程機械化生產的不同葉齡期水稻施肥灌溉栽培技術模式，以解決多個水稻生產環節中的水肥流失問題?；诖筇镌囼?，研究了葉齡施肥灌溉耦合對水稻形態特征、光合特性和水肥利用效率的影響，分析了北方寒地水稻節水節肥技術的經濟效益，為水稻栽培中大水漫灌造成的水資源浪費問題提供解決方案，為我國水稻高產與水肥資源高效利用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于黑龍江省八五二農場(46°58′N,132°16′E)。該區域地勢平坦，土壤肥沃，海拔高度74 m左右，屬于寒溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量550 mm左右，雨量多集中在6－9月，占全年總降水量的 60%左右。年活動積溫在2300℃～2500℃，有效積溫 2400℃左右，無霜期120～160 d，全年日照時數2400 h，土壤凍結期10月初至翌年5月上旬，結凍時長120～140 d[17]。灌溉水源為地表水，試驗地土壤為白漿土，pH 值6.05,有機質 43.77 g/kg，全氮 2.54 g/kg，速效磷 37.18 mg/kg，速效鉀156.04 mg/kg。

1.2 試驗設計與材料

我們于 2016—2017年開展了水稻節水節肥生產實驗，共設置了2種灌溉模式：1) 年灌水量約為5 000～5 500 t/hm2，按照水稻不同葉齡期灌溉施肥技術規程進行灌溉，命名為葉齡灌溉模式(leaf age irrigation mode, LI)[18]。2) 年灌水量約 6 000～6 500 t/hm2，水稻生育期內每次灌溉間隔10 d，水層深度5～8 cm，6月22日排水曬田7 d，水稻黃熟期，停止灌溉，命名為常規漫灌模式(regular irrigation mode, RI)。試驗期間無重大自然災害發生，灌溉期從4月15日至8月20日結束，2年試驗期間的降雨量分別為276 mm和287 mm。2種灌溉模式的本田旱整地和水整地方法一致。

設置了2個施肥模式：1) 年施肥量：尿素230 kg/hm2，磷酸二銨100 kg/hm2，硫酸鉀120 kg/hm2及生物有機肥15 kg/hm2，分4個時期施用(基肥、分蘗肥、調節肥、穗肥)，在水稻插秧機上安裝側深施肥裝置，在水稻插秧時施用基肥，基肥中氮肥占全生育期氮肥量的40%，磷肥100%，鉀肥50%。施肥位置為水稻秧苗條帶側3 cm，深5 cm的土層中；葉齡為5葉1心期，人工撒施分蘗肥，施用量為氮肥總量的30%及全部生物有機肥；水稻倒4葉期施氮肥量的10%作為調節肥，水稻倒2.5葉露尖至一半人工施用穗肥，穗肥氮肥用量為全部氮肥量的20%，鉀肥為全部鉀肥量的50%，命名為葉齡側深施肥模式(SF, side deep fertilization mode)[18]。2)年施肥量：尿素260 kg/hm2，磷酸二銨120 kg/hm2及硫酸鉀120 kg/hm2，分4個時期施用(基肥、返青肥、分蘗肥、穗肥)。在稻田旋耕前或水整地初平后，采用人工撒施的方法施入基肥，基肥中氮肥占全生育期氮肥量的50%，磷肥100%，鉀肥50%。返青期，人工撒施返青肥，施用量為氮肥總量的20%；分蘗期，人工撒施分蘗肥，施用量為氮肥總量的10%；倒 2.5葉露尖至一半施用穗肥，穗肥中氮肥為全部氮肥量的20%，鉀肥為全部鉀肥量的50%，為常規施肥模式(RF, regular fertilization mode)。

供試水稻為墾稻24(主莖葉片數為12)，插秧時間為5月15日，9月21日收獲。插秧株數一般為5～8棵/穴，行距30 cm，穴距14 cm。

1.3 取樣與測定

1.3.1 形態特征指標與測定

于灌漿期，在每個模式小區內隨機選取50株，測定分蘗數和株高。使用便攜式葉面積測定儀(YMJ-A，浙江托普儀器有限公司)，測定有效分蘗的全部功能葉的葉面積[19]。用鐵板取根器按原狀土柱法以稻株為中心掘取長等于行距(30 cm)，寬等于株距(14 cm)，深 20 cm的土柱，裝入0.4 mm孔徑尼龍網袋中，浸泡6 h后洗去泥土雜質，獲得單株完整根系，用根系掃描儀(Expression 10 000XL，Epson，日本)掃描后，采用WinRHIZO Prov. 2009c軟件分析總根長、不定根數、總根表面積及體積[20]。

1.3.2 光合特性指標與測定

選擇晴朗無風天氣，于齊穗期上午9:00－11:30在各小區隨機選取 50片水稻劍葉，使用便攜式光合作用測定系統(CIRAS-3，PP systems，美國)測定其凈光合速率、呼吸速率、胞間CO2濃度、氣孔導度[21]。采用開放氣路，葉室溫度為 28℃～30℃，氣體流量 500 μmol/s，光合光量子通量密度 1 200 μmol/(m2·s)。呼吸速率是使用遮光布遮蔽檢測儀的葉室，在300－600 s后檢測CO2的增加速率，待呼吸速率趨于穩定后記錄數值。隨機選取 30 株水稻，于齊穗期上午 9:00－10:00光照強度較穩定的時段利用葉綠素測定儀(SPAD-502，柯尼卡美能達，日本)測定最上部完全展開葉上、中、下 3個部位的葉綠素含量，取平均值[22]。

1.3.3 生物學產量指標與測定

收獲后，每區隨機選取植株 50穴，測定單位面積穗數、每穗粒數、結實率、千粒重、單位產量。千粒重采用感量為0.01 g的天平稱量，千粒重是根據稻谷國家標準(GB 1350－2009)換算成粳稻標準含水率(14.5%)的質量，兩次稱重之差不得大于3%。理論產量是按單位面積有效穗數、每穗實粒數和千粒重計算出的產量。實際產量是在稻田中實測1000 m2收獲曬干揚凈后的稻谷產量[23]。

1.4 數據處理

相關參數計算公式如下：

葉面積指數=葉片總面積/土地面積；

光合速率=凈光合速率+呼吸速率；

水分利用效率=稻谷產量/(灌溉用水量+降雨量)；

氮肥偏生產力(kg/kg)=稻谷產量/施氮量；

產谷利用效率(kg/kg)=稻谷產量/稻株氮素吸收量；

氮收獲指數=成熟期單位面積植株穗部氮積累量/植株氮素積累總量；

氮肥農學效率=(施肥區作物產量-不施肥區作物產量)/施氮量。

式中，無肥區作物產量分別采用常規灌溉(不施肥)和葉齡灌溉(不施肥)作物產量。

經濟效益=產值-總成本。

式中，產值為稻谷產量×價格；總成本包括土地成本、肥料成本、種子成本、灌溉成本、農藥成本、人工成本、租用農機成本。

使用SPSS 22.0軟件進行數據統計分析；相關性分析采用Pearson法；多組樣本間的差異顯著性采用單因素方差分析的Duncan多重比較檢驗法[19,23]。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉施肥模式下寒地水稻形態特征的差異

由表1可見，與RI+RF相比，LI+RF模式對水稻不定根數、總根表面積的影響差異顯著(P＜0.05)，分別提高了19.7%和43.1%，對其他指標的影響不顯著。LI+SF模式顯著提高了葉面積指數、單株不定根數、總根長、總根表面積及總體積(P＜0.05)，分別提高了21.2%、22.7%、20.8%、45.2%和17.8%。另外，不同年份相同灌溉施肥模式對各項根系形態特征指標的影響相近，表明LI+SF模式對水稻根系的促生作用顯著且較為穩定。

2.2 不同灌溉施肥模式下寒地水稻光合特性的差異

研究表明(表2)，RI+SF模式對水稻光合速率、凈光合速率及葉綠素含量的影響差異顯著(P＜0.05)，與RI+RF相比，分別提高了14.9%、15.8%和20.8%。LI+SF模式對灌漿期水稻光合速率、凈光合速率、葉綠素含量及氣孔導度的影響均呈現顯著差異(P＜0.05)，分別提高了17.4%、18.4%、26.8%和40.1%，且4項指標的變化趨勢表現一致，表明LI+SF模式對北方寒地水稻光合作用具有更顯著的促進作用。

表2 不同灌溉施肥模式下水稻光合特性的差異Table 2. Difference in photosynthetic characteristics under different irrigation and fertilization modes.

2.3 不同灌溉施肥模式下寒地水稻產量指標的差異

水稻生物學產量是反映其生長發育狀況的重要指標，可用于衡量水稻的增產效果。研究表明 (表3)，與RI+RF相比，RI+SF模式對水稻千粒重和理論產量的影響差異顯著 (P＜0.05)，實收產量平均增加2.3%。LI+SF模式對灌漿期水稻結實率、千粒重和理論產量的影響差異顯著 (P＜0.05)，分別提高了6.3%、2.4%和28.2%，實收產量平均增加5.2%。表明葉齡調控側深施肥是水稻增產的主要因素，LI+SF模式的水肥耦合作用顯著，可進一步提高水稻葉齡調控側深施肥的增產能力。

2.4 不同灌溉施肥模式下寒地水稻水、氮肥利用效率的差異

結果表明 (表 4)， LI+RF模式與 LI+SF模式對水分利用率的影響差異顯著 (P＜0.05)，與RI+RF相比，水分利用率提高 10%以上。RI+SF模式和LI+SF模式下，氮肥農學利用率、籽粒吸收氮量、產谷利用效率、氮肥偏生產力及氮收獲指數的影響均有顯著的差異 (P＜0.05)，LI+SF模式分別提高了11.1%、6.9%、5.8%、13.6%和 8.0%，表明 LI+SF模式能夠更充分發揮節水節肥作用。

2.5 寒地水稻生物學產量與形態特征及水肥利用效率的關系

水稻產量與形態特征的相關性分析表明 (表5)：葉面積指數、不定根數、總根長、總根表面積、總根體積與穗長、結實率、千粒重及產量顯著正相關(P＜0.05)，表明水稻根葉的生長狀態對水稻產量有顯著的影響。

表3 不同灌溉施肥模式下水稻產量的差異Table 3. Difference in rice yield under different irrigation and fertilization modes.

表4 不同灌溉施肥模式水稻水分與氮肥利用效率的差異Table 4. Difference in water and N fertilizer use efficiency under different irrigation and fertilization modes.

表5 水稻產量指標與形態特征的相關系數Table 5. Correlation coefficients (r) between water use efficiency and rice yield index.

生物學產量與水肥利用效率的相關性分析表明(表6)：水分利用率、氮肥利用效率、籽粒吸氮量、產谷利用效率、氮肥偏生產力、氮收獲指數與結實率、千粒重及產量顯著正相關，表明水分利用率、氮肥利用效率、籽粒吸收氮量、產谷利用效率、氮肥偏生產力、氮收獲指數對結實率、千粒重及產量是結實率、千粒重和理論產量的關鍵影響因子。

2.6 不同灌溉施肥模式的經濟效益分析

由表7可見，由于黑龍江墾區農業灌溉的水資源使用費按種植面積收取，因此不同灌溉模式的灌溉水成本相同，而LI+RF模式與LI+SF模式的人工成本高于RI+RF模式和RI+SF模式，其他成本相同。以2017年當地水稻收購價格2.76元/kg計算，4種灌溉施肥模式的年平均收入依次為 6 141元/hm2、5 865.2 元/hm2、6 606.8 元/hm2、6 952 元/hm2，LI+SF模式比RI+RF模式純收入增加13.21%。另外，LI+RF模式與LI+SF模式可以使灌溉水用量節約1 000 t/hm2，節水率達10%～20%，如果水資源使用費按照用水量征收，LI+RF模式與LI+SF模式可顯著節約灌溉水成本。

3 討論

3.1 葉齡調控水肥耦合對水稻產量形成的影響

水稻產量與植株發達的根系、良好的生長發育、強大的光合生產能力以及水肥高效利用具有緊密的聯系，如何提升各項生理指標和資源利用率對水稻豐產的影響十分重要[24]。葉齡調控水肥是利用水稻主莖的葉片數目精確劃分水稻生育進程，綜合考慮降雨、冷害、生物肥補償等方面因素，通過優化各生育進程的間歇水肥供給，控制水稻生產環節中的水肥流失來改善水稻的各項生理指標。水稻灌漿期的根系形態特征是植株根系活力的主要表征指標，也是養分吸收與積累的基礎[20,25]。葉齡灌溉+葉齡調控側深施肥模式(LI+SF)能夠顯著提高水稻單株不定根數、總根長、總根表面積及總體積(P＜0.05)，這表明葉齡調控水肥能夠滿足12片葉水稻品種灌漿期的生理水肥需求，使肥料發揮了更大的作用。在12葉水稻品種的8～10.5葉齡期，該灌溉施肥模式采用的是常規濕潤灌溉調節施肥方法，將此期間縮短1個葉齡期即可適用于11片葉水稻品種，完全可以滿足11片葉水稻品種的水肥需求。程建平等[26]研究發現，間歇灌溉對水稻葉面積和光合作用具有明顯地促進作用，與本研究一致。LI+SF模式通過優化間歇灌溉與肥料的耦合作用，對灌漿期水稻光合速率、凈光合速率、葉綠素含量及氣孔導度起到顯著的促進效果，這表明葉齡調控水肥能夠保證光合作用對水分的需求，增強水稻的光合作用，為水稻后期的豐產奠定基礎。

表6 水稻產量指標與水、氮肥利用效率的相關系數Table 6. Correlation coefficients (r) between rice yield index and use efficiencies of water and N.

表7 不同灌溉施肥模式的經濟效益分析Table 7. Economic benefit analysis of different irrigation and fertilization modes. 元/hm2

水分和養分供給是影響水稻產量形成的關鍵因素。邵璽文等[27]認為，在水稻分蘗期、孕穗期、開花期和灌漿期進行持續性的干旱水分脅迫處理能夠造成不同程度的減產。而本研究中在水稻營養生長和生殖生長期內采用的葉齡調控灌溉方式并沒有造成水稻減產，說明該間歇式調控灌溉模式與持續性的干旱水分脅迫具有本質上的不同。水稻在不同葉齡期對水分的要求不同，在關鍵生理需水期提高蓄水量即能保證水稻產量，其余生長期可以降低土壤水勢，則以實現進一步節水的目的。姜萍等[28]研發現，濕潤灌溉處理與常規淹灌處理相比，可減少8.9%的灌水量，如果能夠合理配比施用有機肥與化肥，則可以提高5.5%的水稻籽粒產量。這與本研究結果較為接近，LI+SF模式通過逢雨蓄水、間歇式濕潤灌溉及施肥后控制排水等具體操作減少了水肥流失，尤其是減少了分蘗肥的施氮量，使用生物有機肥進行營養補償，可有效緩解因暴雨導致稻田被迫排水而造成的肥料流失，進一步保證了分蘗期至抽穗期土壤速效性養分的持續釋放，該模式能夠保證在水稻的干物質和養分累積時提供持續的、速效性養分的養分供給，從而提高了水稻千粒重和結實率，促進了水稻產量的提高，這也說明合理的施用生物有機肥和改善稻田土壤的保水保肥能力對水稻節水栽培至關重要[29]。另外，還發現僅采用葉齡灌溉措施不能顯著提高寒地水稻產量，但是與水稻葉齡調控施肥模式聯合使用比單獨采用葉齡調控施肥對寒地水稻增產的影響更為顯著。由此可見，LI+SF是一種適合北方機械化生產的精準灌溉施肥模式，可更好地發揮水肥耦合作用，在節水節肥的同時，能夠使水稻產量提高了5.2%。

3.2 水肥耦合調控對水稻水肥利用效率的影響

精確劃分水稻生育進程，因地制宜的在各生育階段合理調控水肥能夠提高水稻對水分和養分的利用效率[1]。譚亦杭等[30]研究表明，間歇灌溉的水分管理方式與長期淹水灌溉相比，可以顯著提高水稻的水分利用率，對氮素吸收及氮肥利用率的影響差異不顯著。這與本研究結果相近，葉齡灌溉可以顯著提高水分利用效率，但是對氮肥農學利用率、籽粒吸收氮量、產谷利用效率、氮肥偏生產力及氮收獲指數的影響差異不顯著。這說明，在該地區常規施用化肥的條件下，水稻葉齡調控灌溉不能進一步提高水肥耦合作用。RI+SF模式和LI+SF模式對氮肥農學利用率、籽粒吸收氮量、產谷利用效率、氮肥偏生產力及氮收獲指數具有相同的促進作用，并且LI+SF模式比RI+SF模式的水稻產量更高。這說明葉齡調控側深施肥是促進水稻氮肥利用效率的有效施肥模式，在水分非虧缺條件下，LI+SF模式可充分發揮水肥耦合作用，獲得高產和水肥高效利用的效果。

近年來，水稻水肥耦合效應的研究主要集中在灌溉模式與氮肥施用量或施肥模式對水稻植株形態和產量的影響[31,32]。這些研究的結論是，合理的水肥管理模式比大水漫灌條件下的高或低施肥量能夠更顯著的促進水稻生長發育和提高產量，其原因主要在于這種水肥管理模式增加了水稻各器官氮、磷、鉀的吸收和利用，減少了肥料的流失[33]。葉齡調控施肥模式同樣能夠改善根系形態，提高光合生產能力和水肥利用效率，促進同化物運轉，起到節本增效的作用。

4 結論

葉齡灌溉施肥模式(LI+SF)是按照葉齡生長發育進程調控水肥的水稻機械化生產栽培技術，在考慮避免水肥流失和冷害發生的前提下，能夠合理利用適量的降雨，節約灌溉用水量，滿足水稻生長的水肥需求。與常規灌溉施肥模式(RI+RF)相比，LI+SF模式可顯著提高水稻的葉面積指數、單株不定根數、總根長、總根表面積、總根體積及灌漿期的光合速率、凈光合速率、葉綠素含量和氣孔導度，水稻的結實率、千粒重和理論產量均有不同程度增加，實收產量平均增加 5.2%。在肥料利用方面，LI+SF模式能夠使水稻的氮肥農學利用率、籽粒吸收氮量、產谷利用效率、氮肥偏生產力及氮收獲指數有所提高。單獨采用葉齡灌溉模式(LI+RF)僅能夠節約灌溉用水量，不會顯著影響水稻的生長及產量。單獨采用葉齡施肥模式(RI+SF)對水稻植株形態、光合特性、生物學產量和水肥利用率具有一定的促進作用，實收產量平均增加2.3%，不能充分發揮水肥耦合作用。因此，葉齡灌溉施肥模式為本研究最佳的精準灌溉施肥模式，也是適合在我國北方推廣的寒地水稻節水、節肥、豐產技術模式。