水氮耦合下黑土稻作碳氮磷累積分配和化學計量特征

秦子元 張忠學 杜思澄 黃 彥 王 柏 張作合

(1.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030；2.東北農業大學農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030；3.黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080； 4.綏化學院農業與水利工程學院， 綏化 152061)

0 引言

水稻作為我國主要糧食作物，在國民經濟和社會發展中的戰略地位十分突出[1]。1990年以來，我國農業用水總量整體呈下降趨勢，到2003年降到最低點，近年來，農業用水總量穩定在3.8×1011m3左右[2]，隨著我國城鎮化、工業化進程加快，農業用水必將被擠占，而在耕地數量有限、人口持續增長的背景下，到2030年，我國水稻產量需提高20%，才能滿足國內糧食需要，“水減糧增”矛盾突出[3]。大量氮肥被用于稻田生產以期產量最大化，“愈多愈好”不科學的施肥方式使氮素損失增加，而過量施用氮肥加上不合理的水分管理方式導致水氮利用效率降低，對生態環境和人類健康產生極大危害[4]。碳氮磷是生態系統中最主要的三大生命元素，其中碳是植物結構的基礎，氮磷是限制碳同化、植物生長和其他生物過程最重要的營養元素[5]。由于植物碳氮磷生化功能密切耦合，其生態化學計量特征在探索生態系統中生物地球化學循環、多元素平衡和養分限制等方面起著至關重要的作用，同時也可以揭示變化環境下生態系統功能和穩定的維持機制[6]。對植物生態化學計量學的研究將有助于更深入理解植物生長和營養利用策略，以及植物對各種環境脅迫的響應[7]，從而優化田間水氮耦合模式，實現水稻的可持續生產。

不同的化學計量比有不同的指示意義，碳氮比(C/N)可反映植株吸收養分所能同化碳的能力，能在一定程度上表征植物碳氮代謝協調程度，碳磷比(C/P)可衡量植物生長速率，氮磷比(N/P)可作為判斷氮磷養分限制狀況的關鍵指標[8]。目前，關于植物、凋落物和土壤等的化學計量特征與外部環境間的關系已得到廣泛研究和應用[9-13]。然而，目前關于水稻生育期內碳氮磷化學計量關系的變化趨勢和量化特征研究較少，其對不同水氮耦合及其交互效應的響應更鮮有報道。

本文通過大田試驗研究黑土地區不同水氮耦合條件下水稻地上部各器官碳氮磷含量、累積量、分配比例及化學計量比的動態變化，揭示水稻成熟期各器官碳氮磷化學計量比與水稻產量之間的相互關系，并通過碳氮磷化學計量比評估氮磷限制格局，以期為水氮耦合模式下植株生長機理及養分回報的動態模型建立提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2020年5—10月在黑龍江省慶安國家灌溉試驗重點站(46°58′8″ N，127°40′2″ E)進行。試驗田位于慶安縣平安鎮，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，屬寒溫帶大陸性季風氣候，夏季溫熱多雨，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，試驗前耕層土壤(0～20 cm)基本理化性質為：pH值6.47，有機質質量比43.1 g/kg，全氮質量比1.69 g/kg，全磷質量比0.67 g/kg，全鉀質量比19.99 g/kg，堿解氮質量比159.21 mg/kg，速效磷質量比27.56 mg/kg，速效鉀質量比158.3 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用灌溉模式和施氮量2因素全面試驗。設置常規淹灌(F)、淺濕灌溉(S)和控制灌溉(C)3種灌溉模式，常規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，再灌下次水；控制灌溉田面基本不再長時間建立水層，以根層土壤含水率及土壤表相確定灌水時間、灌水次數及灌水定額。不同灌溉模式各生育期水分管理見表1。全生育期施氮量設置4個水平：0、85、110、135 kg/hm2(N0、N1、N2、N3)。試驗共計12個處理，每個處理3次重復，共36個小區，隨機區組排列，各試驗小區面積為100 m2(10 m×10 m)，田埂高20 cm，寬25 cm，小區四側布置塑料板和水泥埂，以減少串流和側滲。各小區單獨灌排，進水管接裝小型水表。

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

供試水稻品種為當地廣泛種植的“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。

1.3 測定項目與方法

1.3.1氣象數據測定

降水量和氣溫等氣象數據由自動氣象站(DZZ 2型，天津氣象儀器廠)記錄(圖1)。

圖1 2020年水稻生長期氣溫和降水量日變化Fig.1 Daily variation of air temperature and precipitation during rice growing season in 2020

1.3.2干物質量與碳氮磷含量測定

各小區分別于分蘗期、拔節孕穗期、抽穗開花期、成熟期隨機選取水稻5穴，剪去根部后，將植株分為葉、莖鞘和穗(抽穗后)并用去離子水洗凈，置于干燥箱中105℃殺青0.5 h，然后80℃干燥至質量恒定。稱量干物質量后用高速粉碎機將植株各部分器官粉碎，過80目(0.18 mm)網篩，裝入自封袋待用。使用總有機碳分析儀(Elementar vario TOC)測定植株碳含量；樣品經H2SO4-H2O2法消煮后，取待測液用連續流動分析儀(AutoAnalyzer-3型，Bran+Luebbe公司，德國)測定植株氮磷含量。

1.3.3產量測定

水稻成熟期，各試驗小區隨機選取1 m2水稻人工收獲，用脫粒機脫粒，稻谷攤開晾曬至含水率約14%時稱量測產。

1.4 計算方法

水稻不同組織碳氮磷累積量計算公式為

CAi=CiDMi

(1)

NAi=NiDMi

(2)

PAi=PiDMi

(3)

式中CAi、NAi、PAi——水稻各組織碳、氮、磷累積量，kg/hm2

Ci、Ni、Pi——水稻各組織碳、氮、磷含量，%

DMi——水稻各組織干物質量，kg/hm2

其中i為水稻不同組織，取l、ss、p時分別代表葉、莖鞘、穗。

圖2 水氮耦合下不同生育期水稻莖鞘碳氮磷含量Fig.2 Contents of carbon, nitrogen and phosphorus in rice stem sheath at different growth stages under water and nitrogen coupling

水稻不同組織碳氮磷化學計量比計算公式為

C/Ni=Ci/Ni

(4)

C/Pi=Ci/Pi

(5)

N/Pi=Ni/Pi

(6)

式中C/Ni、C/Pi、N/Pi——水稻各組織碳氮比、碳磷比、氮磷比

1.5 數據分析

采用Excel 2019和Origin 2021處理數據及作圖，利用SPSS 22.0進行統計分析。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)中Duncan法進行處理間多重比較；采用一般線性模型中多變量雙因素方差分析確定灌溉模式和施氮量對各指標的主效應和交互效應。

2 結果與分析

2.1 水氮耦合對水稻碳氮磷含量的影響

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻莖鞘碳氮磷含量(質量分數)見圖2(圖中W表示灌溉模式，N表示施氮量，*表示影響顯著，**表示影響極顯著，不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)。試驗結果表明，不同水氮耦合處理下，生育期內莖鞘碳氮磷含量分別為35.87%～39.43%、0.44%～2.19%、0.14%～0.32%。相同灌溉模式下，莖鞘碳含量隨生育期推進小幅升高，莖鞘氮磷含量隨生育期推進呈下降趨勢。相同施氮量下，分蘗期莖鞘碳氮磷含量，按灌溉模式由大到小依次為：常規淹灌、淺濕灌溉、控制灌溉，常規淹灌莖鞘平均碳氮磷含量比淺濕灌溉分別提高0.57%、4.11%、17.11%，比控制灌溉分別提高1.67%、9.87%、23.29%；拔節孕穗期至成熟期莖鞘碳氮含量，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規淹灌，而常規淹灌莖鞘磷含量始終高于淺濕灌溉和控制灌溉。相同灌溉模式，成熟期莖鞘碳含量差異不顯著(P>0.05)，莖鞘氮含量差異顯著(P<0.05)，施氮處理莖鞘磷含量顯著高于不施氮處理(P<0.05)。控制灌溉成熟期莖鞘平均碳氮含量比淺濕灌溉分別提高1.13%、3.97%，比常規淹灌分別提高1.21%、10.66%，常規淹灌成熟期莖鞘平均磷含量比淺濕灌溉提高16.91%，比控制灌溉提高29.73%。

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻葉碳氮磷含量見圖3。試驗結果表明，不同水氮耦合處理下，生育期內葉碳氮磷含量分別為36.34%～40.83%、0.76%～3.70%、0.14%～0.36%。相同灌溉模式下，葉碳氮磷含量隨生育期推進呈下降趨勢。相同施氮量，分蘗期葉碳氮磷含量，按灌溉模式由大到小依次為：常規淹灌、淺濕灌溉、控制灌溉，常規淹灌葉平均碳氮磷含量比淺濕灌溉分別提高1.28%、3.57%、9.33%，比控制灌溉分別提高1.97%、7.16%、28.6%；拔節孕穗期至成熟期葉碳氮含量，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規淹灌，而常規淹灌葉磷含量始終高于淺濕灌溉和控制灌溉。相同灌溉模式，成熟期葉碳含量差異不顯著(P>0.05)，葉氮含量差異顯著(P<0.05)，施氮處理葉磷含量顯著高于不施氮處理(P<0.05)。控制灌溉成熟期葉平均碳氮含量比淺濕灌溉分別提高1.18%、0.40%，比常規淹灌分別提高1.44%、4.39%，常規淹灌成熟期葉平均磷含量比淺濕灌溉提高12.49%，比控制灌溉提高40.09%。

圖3 水氮耦合下不同生育期水稻葉碳氮磷含量Fig.3 Contents of carbon, nitrogen and phosphorus in rice leaf at different growth stages under water and nitrogen coupling

圖4 水氮耦合下不同生育期水稻穗碳氮磷含量Fig.4 Contents of carbon, nitrogen and phosphorus in rice panicle at different growth stages under water and nitrogen coupling

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻穗碳氮磷含量見圖4。試驗結果表明，不同水氮耦合處理下，生育期內穗碳氮磷含量分別為37.05%～41.72%、0.82%～1.63%、0.24%～0.39%。相同灌溉模式下，成熟期穗碳磷含量高于拔節孕穗期，穗氮含量隨生育期推進呈下降趨勢。相同施氮量下，生育期內水稻穗碳氮含量，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規淹灌，常規淹灌水稻穗磷含量始終高于淺濕灌溉和控制灌溉。相同灌溉模式，成熟期水稻穗碳含量差異不顯著(P>0.05)，穗氮含量差異顯著(P<0.05)，施氮處理穗磷含量顯著高于不施氮處理(P<0.05)。控制灌溉成熟期穗平均碳氮含量比淺濕灌溉分別提高0.54%、3.64%，比常規淹灌分別提高1.22%、7.97%，常規淹灌成熟期穗平均磷含量比淺濕灌溉提高9.01%，比控制灌溉提高20.98%。

2.2 水氮耦合對水稻碳氮磷累積量的影響

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻碳氮磷累積量見圖5。試驗結果表明，相同灌溉模式下，水稻地上部碳氮磷累積量隨生育期推進呈上升趨勢。不同水氮耦合處理，莖鞘碳氮磷累積量、葉磷累積量基本在拔節孕穗期達到最大值，葉碳氮累積量基本在抽穗開花期達到最大值，穗碳氮磷累積量均在成熟期達到最大值。相同施氮量，分蘗期水稻碳氮磷累積量，按灌溉模式由大到小依次為：常規淹灌、淺濕灌溉、控制灌溉，常規淹灌平均碳氮磷累積量比淺濕灌溉分別提高6.24%、9.08%、19.62%，比控制灌溉分別提高12.54%、19.31%、39.14%；拔節孕穗期至成熟期碳氮累積量，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規淹灌，常規淹灌磷累積量始終高于淺濕灌溉和控制灌溉。相同灌溉模式，成熟期水稻碳氮磷累積量差異顯著(P<0.05)，不施氮處理碳氮磷累積量顯著低于施氮處理(P<0.05)，CN2和CN3處理碳磷累積量差異不顯著(P>0.05)。成熟期下，CN3處理碳氮累積量均為最大，分別為7 186.46、215.15 kg/hm2，FN3處理磷累積量最大，為51.25 kg/hm2；控制灌溉平均碳氮累積量比淺濕灌溉分別提高8.33%、11.21%，比常規淹灌分別提高12.49%、20.05%，常規淹灌平均磷累積量比淺濕灌溉提高7.90%，比控制灌溉提高12.23%；N1、N2、N3處理較N0處理碳累積量分別提高31.46%、52.55%、57.37%，氮累積量分別提高52.98%、117.63%、144.88%，磷累積量分別提高50.28%、79.85%、93.89%。

圖5 水氮耦合下不同生育期水稻碳氮磷累積量Fig.5 Accumulation of carbon, nitrogen and phosphorus in rice at different growth stages under water and nitrogen coupling

2.3 水氮耦合對水稻碳氮磷分配比例的影響

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻碳氮磷分配比例見圖6。試驗結果表明，水稻不同組織碳氮磷分配比例隨生育期變化規律相似，莖鞘碳氮磷分配比例先增后減，在拔節孕穗期達到最大值，葉碳氮磷分配比例持續減小，穗碳氮磷比例持續增加。水稻生育期內，常規淹灌、淺濕灌溉、控制灌溉模式下莖鞘碳平均分配比例范圍分別為33.33%～79.83%、33.56%～80.71%、33.00%～80.34%，莖鞘氮平均分配比例范圍分別為23.22%～66.53%、23.83%～67.41%、23.37%～66.21%，莖鞘磷平均分配比例范圍分別為23.89%～78.08%、23.07%～77.64%、22.71%～78.19%，葉碳平均分配比例范圍分別為6.16%～44.62%、6.67%～44.53%、7.11%～44.54%，葉氮平均分配比例范圍分別為7.77%～60.30%、8.35%～60.43%、8.60%～60.88%，葉磷平均分配比例范圍分別為5.15%～46.09%、5.53%～47.86%、5.25%～45.00%，穗碳平均分配比例范圍分別為29.84%～60.51%、30.31%～59.77%、29.17%～59.89%，穗氮平均分配比例范圍分別為28.86%～69.01%、28.76%～67.82%、28.56%～68.03%，穗磷平均分配比例范圍分別為36.35%～70.95%、36.99%～71.40%、36.61%～72.05%。成熟期N3、N2、N1處理較N0處理穗碳分配比例分別提高5.56%、6.10%、4.92%，穗磷分配比例分別提高3.73%、3.83%、2.42%，N2處理穗氮分配比例最高，為69.41%。

圖6 水氮耦合下不同生育期水稻碳氮磷分配比例Fig.6 Distribution of carbon, nitrogen and phosphorus in rice at different growth stages under water and nitrogen coupling

2.4 水氮耦合對水稻碳氮磷化學計量比的影響

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻莖鞘碳氮磷化學計量比見圖7。試驗結果表明，不同水氮耦合處理下，生育期內莖鞘C/N、C/P、N/P范圍分別為17.29～84.50、118.60～264.12、2.67～7.90。相同灌溉模式下，水稻莖鞘C/N、C/P隨生育期推進呈上升趨勢，莖鞘N/P隨生育期推進呈下降趨勢，分蘗期控制灌溉莖鞘平均C/N高于淺濕灌溉和常規淹灌，拔節孕穗期至成熟期常規淹灌莖鞘平均C/N高于淺濕灌溉和控制灌溉，不同生育期莖鞘平均C/P、N/P，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規淹灌(分蘗期淺濕灌溉莖鞘平均N/P高于控制灌溉)。施氮處理顯著降低水稻莖鞘C/N、C/P，顯著提高水稻莖鞘N/P(P<0.05)，在分蘗期、拔節孕穗期、抽穗開花期、成熟期，各施氮處理較N0處理莖鞘C/N分別降低29.15%～59.06%、24.82%～48.42%、20.35%～28.08%、19.97%～40.93%，莖鞘C/P分別降低7.73%～16.25%、8.07%～16.41%、9.93%～19.42%、7.78%～24.55%，莖鞘N/P分別提高26.86%～115.65%、21.42%～64.92%、6.47%～20.34%、2.01%～41.63%。在成熟期，常規淹灌莖鞘平均C/N比淺濕灌溉、控制灌溉分別提高6.52%、10.94%，控制灌溉莖鞘平均C/P、N/P比淺濕灌溉提高11.77%、15.73%，比常規淹灌提高29.86%、44.09%。

圖7 水氮耦合下不同生育期水稻莖鞘碳氮磷化學計量比Fig.7 Stoichiometric ratio of carbon, nitrogen and phosphorus in rice stem sheath at different growth stages under water and nitrogen coupling

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻葉碳氮磷化學計量比見圖8。試驗結果表明，不同水氮耦合處理下，生育期內葉C/N、C/P、N/P范圍分別為11.04～47.92、113.85～259.32、6.91～13.44。相同灌溉模式下，水稻葉C/N、C/P隨生育期推進呈上升趨勢，葉N/P隨生育期推進先降后升再大幅度下降，分蘗期控制灌溉葉平均C/N比淺濕灌溉和常規淹灌高3.07%、6.63%，拔節孕穗期至成熟期常規淹灌葉平均C/N高于淺濕灌溉和控制灌溉，不同生育期葉平均C/P、N/P，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規淹灌。施氮處理顯著降低水稻葉C/N、C/P(P<0.05)，在分蘗期、拔節孕穗期、抽穗開花期、成熟期，各施氮處理較N0處理葉C/N分別降低23.90%～43.53%、3.96%～31.99%、5.87%～31.04%、6.67%～40.60%，葉C/P分別降低7.73%～16.25%、8.07%～16.41%、9.93%～19.42%、7.78%～24.55%，成熟期N0、N1處理葉N/P顯著低于N2、N3處理(P<0.05)，N2、N3處理葉N/P較N0處理提高19.23%～48.07%。在成熟期，常規淹灌葉平均C/N比淺濕灌溉、控制灌溉分別提高3.50%、4.98%，控制灌溉葉平均C/P、N/P比淺濕灌溉提高25.52%、25.49%，比常規淹灌提高41.66%、46.50%。

圖8 水氮耦合下不同生育期水稻葉碳氮磷化學計量比Fig.8 Stoichiometric ratio of carbon, nitrogen and phosphorus in rice leaf at different growth stages under water and nitrogen coupling

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻穗碳氮磷化學計量比見圖9。試驗結果表明，不同水氮耦合處理下，生育期內穗C/N、C/P、N/P范圍分別為29.76～49.19、109.55～149.35、2.59～4.37。相同灌溉模式下，水稻穗C/N隨生育期推進呈上升趨勢，穗C/P、N/P隨生育期推進呈下降趨勢(常規淹灌穗C/P除外)。各生育期穗平均C/N，按灌溉模式由大到小依次為：常規淹灌、淺濕灌溉、控制灌溉，各生育期穗平均C/P、N/P，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規淹灌。施氮處理顯著降低水稻穗C/N、C/P(P<0.05)，在抽穗開花期、成熟期，各施氮處理較N0處理穗C/N分別降低9.90%～45.39%、4.76%～36.19%，穗C/P分別降低10.22%～16.78%、8.81%～18.43%，N3處理比其他處理穗N/P分別提高9.63%～55.72%、0.93%～35.00%。在成熟期，常規淹灌穗平均C/N比淺濕灌溉、控制灌溉分別提高4.67%、8.27%，控制灌溉穗平均C/P、N/P比淺濕灌溉提高7.91%、11.23%，比常規淹灌提高17.55%、25.74%。

2.5 相關性分析

水稻產量和碳氮磷化學計量比間相關分析見表2。水稻產量Y與C/Nss、C/Nl、C/Np、C/Pp間呈極顯著負相關(P<0.01)，與N/Pss、N/Pl、N/Pp間呈極顯著正相關(P<0.01)，與C/Pss、C/Pl間相關性不顯著(P>0.05)，說明水稻器官C/N和N/P在表達水稻產量與化學計量比的關系方面可能比C/P更具指導意義。C/Nss、C/Nl、C/Np間呈極顯著正相關(P<0.01)，C/Pss、C/Pl、C/Pp間呈極顯著正相關(P<0.01)，N/Pss、N/Pl、N/Pp間呈極顯著正相關(P<0.01)，水稻不同器官C/N與其C/P呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關，與N/P呈極顯著負相關(P<0.01)，說明碳氮磷化學計量比在水稻器官內和器官間高度相關。

3 討論

3.1 水氮耦合對碳氮磷含量、累積和分配的影響

碳氮磷在不同器官中的含量、累積和分配受到生長條件和自身結構特征制約[14]。水氮作為水稻生長的主要限制因子，適宜水氮耦合模式不僅可以調節水稻體內主要養分元素含量，同時也能夠提高植物光合速率和產量[15]。植物生長快慢與蛋白質合成速率關系密切，細胞中核磷酸是磷存在的主要形式(RNA磷約占細胞質量的9%)，所以，植株生長速度較快階段對應磷含量也相對較高，碳代謝作為植物體內最重要的基礎代謝，可為氮代謝提供碳架和能量，碳氮代謝的動態變化則會影響可溶性糖累積、淀粉合成酶產生、養分元素吸收及蛋白質合成等過程[16]，因此，碳氮磷含量也是反映碳氮代謝水平、植株生長狀況的重要指標。KOERSELMAN等[17]研究表明，濕地植物氮磷質量比低于10、1.1 g/kg時，生長發育受到抑制；FAGERIA等[18]研究指出，水稻生育期內植株氮質量比在26～42 g/kg范圍內為充足水平，成熟期植株磷質量比為1.6 g/kg屬于充足水平。本研究中，3種灌溉模式下各施氮處理莖鞘、葉和穗的氮磷含量基本處于上述文獻范圍內，氮磷供應相對充足。本試驗水稻各器官碳氮磷含量變化趨勢有所差異，莖鞘、葉、穗碳含量變化較小；莖鞘、葉、穗氮含量隨生育期推進呈下降趨勢，唐美玲等[19]研究結果也表明，根系、秸稈和穗氮含量隨水稻生長發育逐漸降低，這種現象是由于植株干物質累積產生稀釋效應而引起；莖鞘、葉磷含量隨生育期推進呈下降趨勢，而穗磷含量從抽穗開花期到成熟期持續上升，這可能歸因于籽粒在生殖生長階段需要更多富磷核糖體RNA來維持蛋白質高速合成。水稻生育期內，3種灌溉模式對不同器官碳氮磷含量有不同影響，分蘗期常規淹灌水稻碳氮含量高于淺濕灌溉和控制灌溉，拔節孕穗期至成熟期控制灌溉水稻碳氮含量高于淺濕灌溉和常規淹灌，而生育期內常規淹灌水稻磷含量始終高于淺濕灌溉和控制灌溉，這是因為水稻返青期后，淺濕灌溉和控制灌溉田面只保持薄水層或不長時間建立水層，這一時期的秧苗對水分相對敏感，水稻從土壤吸收的養分不足，一定程度上抑制水稻生長發育，而在水稻生長發育中后期，控制灌溉和淺濕灌溉改善了稻田水土條件，為水稻根系生長提供了更適宜的環境，促進根系生長的同時還能延緩根系衰老，進而對植株體內碳氮代謝和累積產生一定補償作用[20]。呂國安等[21]研究表明，節水灌溉能改善稻田通氣性，降低土壤磷有效性，抑制水稻植株磷吸收，這與本文研究結果相似，表明植株磷含量與碳氮含量形成過程有所差異，這可能是由于碳氮元素具有相對豐富的自然來源，而磷的自然來源主要為土壤磷素礦化。本文中，相同灌溉模式下，施氮處理水稻各器官氮磷含量較不施氮處理顯著提升，而施氮對水稻各器官碳含量影響較小，這與YE等[22]研究結果一致，這是因為植株具有穩定的碳組成和結構基礎，施氮可以促進根系吸收更多氮磷養分，同時增強細胞外磷酸酶活性，促進磷的吸收。拔節孕穗期至成熟期，相同施氮量下，淺濕灌溉、控制灌溉可提高水稻碳氮累積量，降低磷累積量，這可能是因為在節水灌溉模式下，植株吸氮量增加，碳同化作用增強，加快了地上部生物量累積，同時土壤有效磷含量降低，植株吸磷量減少，因此，節水灌溉模式下應加強對磷素的協調和供應。本文中，不同水氮耦合處理下，成熟期水稻穗碳氮磷的分配比例分別為57.05%～61.55%、66.00%～70.55%、69.37%～73.12%，說明水稻生殖生長階段相比于碳需要更多氮磷，這與馮蕾等[23]研究結果一致。

圖9 水氮耦合下不同生育期水稻穗碳氮磷化學計量比Fig.9 Stoichiometric ratio of carbon, nitrogen and phosphorus in rice panicle at different growth stages under water and nitrogen coupling

表2 水稻產量與碳氮磷化學計量比的相關系數Tab.2 Correlation coefficient between rice yield and stoichiometric ratio of carbon, nitrogen and phosphorus

3.2 應用碳氮磷化學計量比評估氮磷限制格局

碳氮磷化學計量比是反映多樣化生態過程重要且敏感的指標，其化學計量關系受生物因素和非生物因素共同影響，根據“內穩態理論”，植物可調節自身養分元素，使其與變化環境中養分元素供應保持動態平衡，說明植物體內存在一個相對穩定的C/N、C/P、N/P關系[24]，因此，通過碳氮磷化學計量比的變化情況，可以分析植物營養動態，并判斷養分限制狀況。本文研究表明，不同水氮耦合處理下，水稻分蘗期至成熟期莖鞘、葉的C/N和C/P呈上升趨勢，這與阮新民等[25]得出的無氮區和施氮區水稻葉C/N分別從抽穗期(26.77、20.81)先增加到灌漿期(36.15、30.56)再上升到成熟期(43.59、31.95)的研究結果相似，這是由于水稻營養器官氮磷含量隨生育期推進不斷降低導致。本文中，水稻穗C/P、N/P持續下降，且抽穗開花期和成熟期穗C/P、N/P均低于莖鞘和葉，這與生長速率假說相符合，該假說認為生物體低C/P、N/P是高生長速率的表現，因為植物體碳氮代謝等生理活動增強會使吸磷量提高以維持高速率的核糖體RNA合成[26]。植物葉片光合速率受水分有效性影響，不同灌溉模式水分供應條件不同，植物生長發育、營養狀況會有所差異，進而改變植物不同器官的化學計量關系[27]。本文中，不同灌溉模式對水稻碳含量影響不顯著(P>0.05)，對氮含量影響極顯著(P<0.01)，因而3種灌溉模式下植株C/N存在差異，常規淹灌模式下水稻C/N高于淺濕灌溉和控制灌溉，這與鄭恩楠等[28]研究結果一致，這是由于節水灌溉較常規淹灌更能提高水稻氮含量。SARDANS等[29]研究發現，水分虧缺會導致植物葉片和凋落物C/P偏高，本研究中淺濕灌溉和控制灌溉模式下水稻C/P和N/P均高于常規淹灌，這是由于節水灌溉模式降低土壤磷有效性導致植株吸磷量減少。不同灌溉模式分蘗期至拔節孕穗期水稻莖鞘、葉C/N較C/P和N/P更穩定，說明C/N對水分的敏感性遠低于C/P和N/P，同時也證實節水灌溉對稻田生產系統中植物介導的碳氮磷生物地球化學循環具有重要意義。大量研究發現，氮素有效性是影響植株碳氮磷化學計量關系的主要因素，施氮使土壤氮素有效性增加，會降低植株C/N并提高N/P[30]，本文研究表明，施氮顯著降低水稻各器官C/N和C/P(P<0.05)，對N/P有一定提升作用。在植物碳氮磷化學計量關系中，N/P通常用來表征植物養分限制狀況，這是因為植株中富含氮的蛋白質和富含磷的RNA存在相互制約關系。李比希定理表明相對需求量而言供應量最少的養分將成為生物體限制性養分，其中植物體中存在一個最佳N/P，植株N/P低于該比值相對受氮限制，高于該比值相對受磷限制，處于該比值范圍內則受氮磷共同限制。已有研究發現[31]，主要谷類作物秸稈和籽粒的最佳N/P介于4.2～6.7之間，本研究中，水稻地上部N/P均隨生育期推進呈下降趨勢，常規淹灌、淺濕灌溉和控制灌溉平均N/P分別為3.11～6.75、3.62～7.39、4.20～7.84，根據谷類作物最佳秸稈和籽粒N/P，可解釋常規淹灌和淺濕灌溉模式下，水稻地上部植株從磷限制過渡到氮磷共同限制再到氮限制狀態，而控制灌溉模式下只經歷從磷限制過渡到氮磷共同限制的過程。不同水氮耦合處理下成熟期水稻產量與地上部氮磷含量相關關系見圖10，控制灌溉模式水稻產量和地上部氮磷含量擬合趨勢線與淺濕灌溉和常規淹灌明顯不同，表明成熟期水稻所受氮磷限制存在差異。稻作控制灌溉模式下，水稻產量隨地上部氮磷含量的增加先增大后減小，說明水稻植株對氮磷吸收存在閾值，過高氮磷含量并不利于水稻產量形成，這進一步證實了不同灌溉模式下，寒地黑土區稻作產量受不同氮磷條件限制。

圖10 水氮耦合下成熟期水稻產量與地上部氮磷含量 相關關系Fig.10 Correlations between rice yield and nitrogen and phosphorus contents in shoot under coupling of water and nitrogen

總體上，控制灌溉可促進氮素吸收并提升水稻產量，綜合考慮CN2為最佳水氮耦合模式。

4 結論

(1)不同水氮耦合處理下，生育期內莖鞘碳氮磷含量分別為35.87%～39.43%、0.44%～2.19%、0.14%～0.32%，葉碳氮磷含量分別為36.34%～40.83%、0.76%～3.70%、0.14%～0.36%，穗碳氮磷含量分別為37.05%～41.72%、0.82%～1.63%、0.24%～0.39%。灌溉模式和施氮量對水稻不同器官氮磷含量影響均達到極顯著水平(P<0.01)，灌溉模式、灌溉模式和施氮量的交互效應對碳含量影響均不顯著(P>0.05)。

(2)相同灌溉模式下，水稻地上部碳氮磷累積量隨生育期推進呈上升趨勢。拔節孕穗期至成熟期碳氮累積量，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規淹灌，常規淹灌生育期內磷累積量始終高于淺濕灌溉和控制灌溉。成熟期N1、N2、N3處理較N0處理碳累積量分別提高31.46%、52.55%、57.37%，氮累積量分別提高52.98%、117.63%、144.88%，磷累積量分別提高50.28%、79.85%、93.89%。水稻不同組織碳氮磷分配比例隨生育期變化規律相似，莖鞘碳氮磷分配比例先增后減，葉碳氮磷分配比例持續減小，穗碳氮磷比例持續增加。

(3)與常規淹灌和淺濕灌溉相比，控制灌溉模式對水稻植株碳含量影響較小，但能提升水稻植株生長中后期氮含量，并降低植株磷含量，從而降低水稻C/N，提高水稻C/P和N/P。施氮處理顯著提高水稻植株氮含量，小幅提升水稻植株磷含量，對水稻植株碳含量影響相對較小，進而降低水稻植株C/N、C/P，提高水稻N/P。

(4)不同水氮耦合處理下，碳氮磷化學計量比在水稻器官內和器官間高度相關。水稻不同器官C/N和N/P在表達水稻產量與化學計量比的關系方面比C/P更具指導意義。應用地上部植株N/P解析寒地黑土區稻作氮磷限制狀態，常規淹灌和淺濕灌溉模式下，水稻地上部植株從磷限制過渡到氮磷共同限制再到氮限制狀態，控制灌溉模式下，水稻地上部植株僅從磷限制過渡到氮磷共同限制狀態。

(5)稻作控制灌溉模式可促進氮素吸收并提升水稻產量，但過高氮磷含量并不利于水稻產量形成。綜合考慮，CN2為最佳水氮耦合模式。