不同灌溉條件下氮肥配施模式對水稻干物質和產量的影響

潘晨，楊宇，漆棟良

不同灌溉條件下氮肥配施模式對水稻干物質和產量的影響

潘晨，楊宇，漆棟良*

（長江大學 農學院，湖北 荊州 434025）

【目的】明確不同灌溉模式下普通尿素與控釋尿素配施對水稻干物質積累、分配和產量的影響。【方法】以“超級稻-兩優152”為供試作物，采取完全隨機設計，灌溉方式設置常規灌溉（CF）和干濕交替灌溉（AWD）2種，氮肥配施模式設置100%普通尿素（N1），60%控釋尿素+40%普通尿素（N2）和100%控釋尿素（N3），施氮總量均為240 kg/hm2。測定不同處理組合下各生育期水稻葉片值、株高、抽穗期和成熟期各器官干物質量、莖蘗數、籽粒產量及其構成因素。【結果】同一施氮模式下，與CF處理相比，AWD處理下拔節—灌漿期水稻葉片的值、作物生長速率、莖蘗成穗率、干物質積累量及其向籽粒的分配比例增加。同一灌溉模式下，與N1處理相比，N2、N3處理的莖蘗成穗率、作物生長速率、干物質積累量、穗粒數、千粒質量、結實率及籽粒產量增加，其中N2處理籽粒產量的增加幅度要高于N3處理。整體來看，與其他處理相比，AWDN2處理獲得較高的值、莖蘗成穗率、作物生長速率、干物質積累量、收獲指數、穗粒數、千粒質量、結實率和籽粒產量。【結論】干濕交替灌溉耦合60%控釋尿素+40%普通尿素有利于減少水稻的無效分蘗，改善植株的氮營養狀況，促進干物質的積累及其向籽粒的分配，從而提高產量。

水稻；干濕交替灌溉；控釋尿素；收獲指數；干物質

0 引言

【研究意義】水稻是我國最主要的糧食作物之一，同時中國也是全球第一大稻米生產國，其產量約占全球總產量的31%。目前，我國水稻氮肥表觀利用率為39%～52%[1]，水分利用率為55.4%[2]。長期過量或不合理的水肥管理，不僅容易降低水氮利用效率，造成農業資源浪費，同時還會引發水體污染、土壤酸化和溫室氣體排放加劇[3]等問題。因此，在水資源日益短缺、農業面源污染日益嚴重的情況下，發展節水灌溉技術，并優化氮肥施用模式對農業可持續發展具有重要意義。【研究進展】水氮管理措施對水稻生長存在明顯的互作效應[4-5]。例如采用干濕交替灌溉耦合適宜施氮量及施氮方式能提高水氮利用率及水稻產量[6-8]。干濕交替灌溉是我國水稻生產中推廣應用面積最廣也是最有效的節水灌溉技術[9]，它能減少CH4的排放[10]和病蟲害的危害[11]。與傳統常規灌溉相比，部分研究[12-14]認為干濕交替灌溉能提高水稻產量，部分研究[15-16]認為干濕交替灌溉只能維持產量，另外一些研究[17-18]結果表現為減產，研究差異較大，可能是因為不同氣候條件、土壤質地等因素所致的。氮素也是決定作物產量的關鍵因子，近年來，緩/控肥料的研發與推廣迅速展開。緩/控肥料利用多種調控機制使養分按照設定的釋放速率和周期緩釋或控制釋放，以滿足作物生長季內各生育時期對養分的需求，可有效降低施肥勞動強度和成本提高肥料利用率[19-20]。控釋氮肥是目前簡化施肥技術的主要載體，隨著廉價、環保包膜材料的不斷發展，進一步增加了其生產運用前景。傳統常規灌溉下施用控釋氮肥可顯著降低稻田表層水中銨態氮量，減少氮素因氨揮發而造成的損失，提高葉片氮代謝酶活性，改善根系構型，延緩根系衰老，達到穩定水稻產量的同時適當減少施氮量、提高氮肥利用率的目的[21-22]。采用控釋氮肥和尿素配施，在實現多級供氮的基礎上，有利于進一步減少控釋氮肥使用成本，是當前優化控釋氮肥運用的主要方式。同一施氮水平下，70%緩釋氮肥+30%尿素氮肥1次基施的產量及氮肥利用率與常規一基二追相近，實現了高產高效、簡化施肥的目標[23]。【切入點】然而，干濕交替灌溉條件下，控釋尿素與普通尿素配施對水稻生長及產量影響的研究較少，且其高效耦合的機制尚不明確。【擬解決的關鍵問題】為此，從灌溉方式與普通尿素及控釋尿素配施著手，研究不同灌溉條件下氮肥配施模式對水稻植株生長、干物質積累及分配和產量形成的影響，以探索水稻高效水肥管理模式，為水稻生產中水肥科學管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2021年3—7月在湖北省荊州市荊州區農業氣象試驗站（30.349 5°N，112.154 4°E，海拔28 m）進行，2021年3月28日播種，7月25日收獲。試驗站所在地區屬亞熱帶季風氣候區，多年平均降水量1 089 mm，氣溫16.5 ℃，日照時間1 742.4 h。試驗地土壤肥力中等，土壤類型為水稻土，田間質量持水率為23.8%，飽和含水率為28.6%，體積質量為1.5 g/cm3。播種前土壤0～40 cm基本化學性狀見表1。

表1 試驗土壤基本化學性狀

1.2 試驗設計

灌水方式設置常規灌溉（除分蘗期曬田外，整個生育期保持2～3 cm的水層，直至收獲前自然落干，記為CF）和干濕交替灌溉（水稻移栽后返青前一直保持2～3 cm的水層，分蘗末期曬田，其他各生育期均先保持2～3 cm的水層，直至0～20 cm土層土壤水勢降到-20 KPa時再灌水至2～3 cm的水層，如此反復，至收獲前7天左右斷水[24]，記為AWD）2種模式。氮肥配施模式設置單施普通尿素（N1），普通尿素與控釋尿素配施（60%控釋尿素+40%普通尿素，N2）和全部施用控釋尿素（N3）3個水平。試驗使用的普通尿素含氮量為46%，控釋尿素為樹脂包膜尿素，含氮量43%，釋放期為3個月。各處理的總施氮量為240 kg/hm2，N1處理與當地農民做法一致，采用一基二追的常規模式，即水稻基施40%+分蘗期30%+孕穗期30%。N2處理采用一基一追的模式，即基施60%控釋肥，孕穗期追施40%尿素。N3處理在移栽前1天以基肥施入。所有小區P2O5（過磷酸鈣，P2O5≥12%）和K2O（氯化鉀，K2O≥60%）用量分別為90、120 kg/hm2，全部作基肥插秧前1次施用。

每個處理3次重復，采用完全隨機設計，共計18個試驗小區。試驗小區面積為5.92 m2（2.62 m×2.26 m），小區四周用高60 cm（田間土壤表面以上及以下各30 cm），寬30 cm防滲水泥墻隔開，防止試驗過程中小區串水。試驗供試水稻品種為“超級稻-兩優152”，行距18 cm，株距12 cm。

1.3 測定指標與方法

1）株高：在水稻各生育期，每小區測量10株株高（測量時從植株的基部發根處至最上部葉片的頂端）。

2）葉綠素的測定：在水稻各生育期，每小區隨機選取10株水稻，用日本美能達便攜式SPAD-502葉綠素儀測定劍葉的上、中、下3個部位的值，取其平均值。

3）干物質的測定：分別于水稻抽穗期和成熟期進行田間取樣，選擇具有代表性的3穴稻株。將樣株的莖、葉、穗分解后分別裝袋，烘箱105 ℃下殺青30 min后，然后80 ℃下烘干至恒質量稱量。

4）莖蘗數的測定：每小區選10穴具有代表性的植株，分別于拔節期、抽穗期和成熟期觀測其分蘗數、總莖數和成穗數。

5）產量及產量組成：收獲前1天按5點取樣法每小區選取5穴植株帶回室內考種，調查穗粒數、千粒質量、結實率等產量組成因素，并用水選法將實粒和空粒分開，放置烘箱烘至恒質量后，測定實粒數、空粒數、實粒質量和空粒質量；各小區籽粒產量采用實收實打方式測定。

1.4 數據處理及計算

Excel 2010、DPS軟件處理試驗數據；多重比較采用最小顯著性差異法（LSD）。

莖蘗成穗率（%）=（成熟期有效穗數/拔節期莖蘗數）×100，（1）

收獲指數（Harvest Index,, %）=（稻谷籽粒產量/成熟期地上部干物質質量）×100，（2）

作物生長速率（Crop growth rate,,g/（m2·d））=（2-1）/（2-1），（3）

式中：1和2為前后2次測定的地上部干物質質量（g/m2）；1和2為前后測定的時間（d）。

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理對水稻葉片SPAD值的影響

圖1為不同水氮處理下水稻值，圖中同一生育期不同字母表示各處理在0.05水平差異顯著；下同。由圖1可知，各處理水稻葉片值從拔節期到灌漿期逐步提升，在灌漿期達到最大值，成熟期水稻葉片值迅速降低。任一施氮模式下，與常規灌溉相比，干濕交替灌溉下拔節—灌漿期的值增加，而成熟期值在2種灌溉方式間無顯著差異（>0.05）。任一灌溉模式下，與N1處理相比，拔節—孕穗期N2、N3處理的值減少，而抽穗—成熟期N2、N3處理的值增加，且差異在成熟期達到顯著水平（<0.05）。與常規灌溉單施普通尿素相比，干濕交替灌溉耦合（60%控釋尿素+40%普通尿素）或100%控釋尿素有利于提高生育期內水稻葉片的值。

圖1 不同水氮處理下水稻SPAD值

2.2 不同水氮處理對水稻株高的影響

由圖2可知，任一施氮模式下，與常規灌溉相比，干濕交替灌溉下各生育期的水稻株高均增加。任一灌溉模式下，與N1處理相比，拔節期N2、N3處理的株高減少，而孕穗—成熟期N2、N3處理的株高增加，且N2處理的株高較N3處理的株高增加。與常規灌溉單施普通尿素相比，干濕交替灌溉耦合（60%控釋尿素+40%普通尿素）或100%控釋尿素下水稻抽穗—成熟期的株高增加。

圖2 不同水氮處理對水稻株高的影響

2.3 不同水氮處理對水稻干物質量和作物生長速率的影響

由表2可知，任一施氮模式下，與常規灌溉相比，干濕交替灌溉下作物生長速率增加。任一灌溉模式下，與N1處理相比，N2、N3處理作物生長速率增加。任一施氮模式下，與常規灌溉相比，干濕交替灌溉下抽穗期莖、葉、穗的干物質積累量均減少，而成熟期莖、葉、穗的干物質量和總干物質量均增加。任一灌溉模式下，與N1處理相比，抽穗期和成熟期N2、N3處理各器官干物質積累量均增加。CFN3、AWDN2、AWDN3處理的成熟期總干物質積累量較大。

表2 抽穗期和成熟期不同水氮處理下水稻干物質量的變化

注 同列數字后不同字母表示差異性達0.05顯著水平；下同。

2.4 不同水氮處理對成熟期水稻各器官干物質分配的影響

由表3可知，成熟期各處理水稻各器官干物質分配有差異，從干物質在各器官分配比例來看，表現為穗＞莖＞葉。莖占干物質總量的比例在不同處理間無顯著差異，葉占干物質總量的比例表現為：同一灌溉模式下，不同施氮模式間無顯著差異；而同一施氮模式下，CF處理顯著大于AWD處理。穗占干物質總量的比例變化與葉占干物質總量的比例相反，說明干濕交替灌溉有利于促進干物質向籽粒的分配。

表3 成熟期不同水氮處理下水稻干物質分配比例

2.5 不同水氮處理對水稻莖蘗數及莖蘗成穗率的影響

由表4可知，任一施氮模式下，與常規灌溉相比，干濕交替灌溉下拔節期和抽穗期的莖蘗數減少，成熟期的莖蘗數無顯著差異，而其莖蘗成穗率增加。任一灌溉模式下，與N1處理相比，拔節期、抽穗期和成熟期N2、N3處理的莖蘗數均減少，而N2、N3處理的莖蘗成穗率增加。與CFN1處理相比，AWDN2、AWDN3處理的莖蘗數顯著減少，而莖蘗成穗率顯著增加（<0.05）。說明干濕交替灌溉耦合（60%控釋尿素+40%普通尿素）或100%控釋尿素有利于減少水稻無效分蘗，提高莖蘗成穗率。

2.6 不同水氮處理水稻產量及構成因素的差異

由表5可知，任一施氮模式下，與常規灌溉模式相比，干濕交替灌溉下水稻產量顯著增加。任一灌溉模式下，與N1處理相比，N2、N3處理的產量和收獲指數都顯著增加，且在AWDN2處理下達到最大值。就產量構成因素來說，任一施氮模式下，與常規灌溉相比，干濕交替灌溉下有效穗數、穗粒數、結實率和千粒質量均增加。任一灌溉模式下，與N1處理相比，N2、N3處理均提高了有效穗數、穗粒數、結實率和千粒質量。AWDN2處理的穗粒數、結實率、千粒質量和收獲指數最高。說明干濕交替灌溉耦合（60%控釋尿素+40%普通尿素）或100%控釋尿素有利于提高水稻產量及收獲指數。

表4 不同水氮處理下水稻的分蘗數及莖蘗成穗率

表5 不同水氮處理下水稻產量及其構成

3 討論

光合作用是作物生長發育最重要的作用之一，水稻產量的80%～90%都來自光合作用[25]。葉綠素是植物進行光合作用最主要的光合色素，葉綠素量高低可反映出光合能力的強弱，而值能間接反映植株葉片葉綠素的高低。本研究表明，常規灌溉會降低拔節—灌漿期水稻葉片葉綠素量，這與前人[26-27]研究一致。這是因為常規灌溉條件下長期淹水后產生過量的H2O2積累，致使葉綠體結構遭到破壞[28]，此外由于長期淹水導致葉片碳氮比失調，葉綠體的分解大于合成，致使葉綠素量降低[29]，進而降低了作物光合作用，導致光合產物減少。然而，成熟期2種灌水方式下值差異不顯著。這可能與干濕交替灌溉促進氮素向籽粒分配、提高氮素收獲指數有關[8]，從而使葉片值降低。但其生理機制尚不明確，有待進一步研究。本研究還發現，與N1處理相比，N2、N3處理降低抽穗期前水稻葉片的值，而提高抽穗期后的值。這與不同類型的氮肥供氮差異有關。普通尿素施入土壤后，在脲酶的作用下迅速釋放大量作物所需要的氮[30]。而控釋尿素的氮素釋放速率較慢，在水稻生長中后期可維持較高的土壤氮素供應[20]。而且，與N3處理相比，N2處理提高拔節—灌漿期的值，說明控釋尿素與普通尿素配施（60%控釋尿素+40%普通尿素）有利于維持較高的值。這是因為該施氮模式下水稻對氮素的需求與土壤氮素的供給更加協調[30]。因此，干濕交替灌溉耦合控釋尿素與普通尿素配施提高水稻葉片的值。這也是干濕交替灌溉耦合控釋尿素與普通尿素配施下水稻株高、作物生長速率和干物質積累較高的原因。

干濕交替灌溉能否提高水稻產量還存在分歧[12-18]。本研究發現，與常規灌溉相比，干濕交替灌溉下N1處理的水稻產量無顯著差異，而N2、N3處理的產量顯著提高。說明干濕交替灌溉是否提高水稻產量與氮肥管理策略密切相關，適宜施氮模式（N2、N3處理）利于提高干濕交替灌溉下水稻的產量。這與Sun等[7]的研究結果相一致。原因在于與普通尿素相比，控釋尿素的施用有利于促進吸收的氮素及積累的干物質向籽粒部分轉移[21]，N2、N3處理下穗粒數、結實率、千粒質量及收獲指數較高（表5）證實了這一點。有效穗數是決定水稻高產的關鍵所在，而有效穗數的多少取決于水稻分蘗數及莖蘗成穗率[36]。本研究中拔節期、抽穗期和成熟期N2、N3處理下的莖蘗數顯著低于N1處理，而莖蘗成穗率和有效穗數高于N1處理（表4、表5）。這可能是因為普通尿素在前期供應了過多的氮素，增加了無效分蘗，而控釋肥釋放期長，能均勻滿足水稻整個生育期對氮肥的需求，從而減少了無效分蘗，提高了莖蘗成穗率和有效穗數。本研究還發現，干濕交替灌溉下60%控釋尿素+40%普通尿素較100%控釋尿素的水稻產量進一步提高。可能原因是，與傳統常規灌溉相比，干濕交替灌溉顯著提高了復水期的根系氧化活性和光合速率，它們的增加有效地增加了生長季節（尤其是從抽穗期到成熟期）根系和干物質積累量、葉片光合勢和作物生長速率[38]。而且，干濕交替灌溉處理減少了拔節期和抽穗期的分蘗數，有效提高了成熟期干物質向穗的分配比例（表3）和莖蘗成穗率（表4），減少多余的營養生長有助于提高冠層質量[38]，獲得較高的收獲指數。提高收獲指數是水稻獲得高產的關鍵[40]。與此同時，控釋尿素與普通尿素配施模式下土壤氮素供應較好地滿足水稻各生育期對氮素的需求[21]，獲得最高的干物質積累量（表2），為水稻高產奠定了堅實的基礎[27]。因此，干濕交替灌溉與60%控釋尿素+40%普通尿素耦合時，二者互作對水稻生長及產量形成的促進效應疊加，表現為該處理下水稻葉片值、莖蘗成穗率、作物生長速率、干物質積累量、收獲指數、穗粒數、千粒質量和結實率較高，從而實現水稻高產。這與前人[7-8]關于水稻水氮高效耦合機制的研究結果一致。本研究證實干濕交替灌溉結合60%控釋尿素+40%普通尿素有利于提高水稻產量，但是本文只研究了水稻地上部分的農藝性狀。根系作為植株吸收水分和養分的重要器官，其形態結構、生理特性與地上部的關系都十分重要。因此，關于干濕交替灌溉結合60%控釋尿素+40%普通尿素對水稻根系生理生態特性的影響有待進一步研究。

4 結論

1）與CF處理相比，AWD處理有利于提高拔節期至灌漿期的水稻葉片的值，莖蘗成穗率，作物生長速率，干物質積累量及其向穗部的分配比例、有效穗數、穗粒數、結實率、千粒質量及籽粒產量。

2）同一灌溉水平下，與N1處理相比，N2、N3處理有利于提高水稻葉片的值，莖蘗成穗率，作物生長速率，干物質積累量及其向穗部的分配比例、有效穗數、穗粒數、結實率、千粒質量及籽粒產量。且N2處理較N3處理進一步提高籽粒產量。

3）干濕交替灌溉耦合60%控釋尿素+40%普通尿素有利于改善植株的氮營養狀況，提高水稻莖蘗成穗率，促進干物質的積累及其向籽粒的分配，從而獲得高產。

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The Combined Effect of Irrigation and Nitrogen Fertilization on Dry Matter and Yield of Rice

PAN Chen, YANG Yu, QI Dongliang*

(College of Agriculture, Yangtze University, Jingzhou 434025, China)

【Objective】Nitrogen uptake and its translocation in crops is modulated by soil water. In this paper, we studied the combined impact of different irrigations and fertilizations on dry matter accumulation and yield of rice.【Method】The experiment was carried out in the field, with the variety Liangyou 152 used as the model plant. The experiments consisted of two irrigation methods: conventional irrigation (CF) and alternating wet and dry irrigation (AWD). For reach irrigation method, there were three nitrogen applications: 240 kg/hm2of traditional urea (N1), 144 kg/hm2controlled-release urea + 96 kg/hm2traditional urea (N2), and 240 kg/hm2controlled-release urea (N3). For each treatment, we measured the change inin the leaves, plant height and the total numbers of heads, dry matter accumulation in each organ at the panicle extraction and maturity stages, as well as grain yield and its formation.【Result】When nitrogen application was the same, AWD increased, crop growth, tillering panicle formation rate, dry matter accumulation and distribution ratio of rice leaves from jointing to filling stages. When irrigation was the same, compared to N1, N2 and N3 increased the stem tillering panicle formation rate, crop growth rate, dry matter accumulation, the numbers of grains per panicle, 1 000-grain weight, fruiting rate and grain yield; the yield of N2 was higher than that of N3. Overall,AWD+N2 increased, stem tiller panicle rate, crop growth rate, dry matter accumulation, harvest index, panicle number, 1 000-grain weight, seed setting rate, and grain yield of rice, compared with other treatments.【Conclusion】Alternating wet and dry irrigation combined with fertilization of 144 kg/hm2controlled-release urea and 96 kg/hm2traditional urea is most effective to reduce ineffective tillering, improve nitrogen in the crop, and promote dry matter accumulation and its translocation to rice grains.

rice; alternate wetting and drying irrigation; controlled-release urea; harvest index;dry matter

1672 - 3317（2023）02 - 0073 - 07

S276.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022242

潘晨, 楊宇, 漆棟良. 不同灌溉條件下氮肥配施模式對水稻干物質和產量的影響[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(2): 73-78, 109.

PAN Chen, YANG Yu, QI Dongliang. The Combined Effect of Irrigation and Nitrogen Fertilization on Dry Matter and Yield of Rice[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(2): 73-78, 109.

2022-04-28

水資源與水電工程科學國家重點實驗室開放基金項目（2020NSG05）；濕地生態與農業利用教育部工程中心開放基金項目（KF202008）

潘晨（1998-），女。碩士研究生，主要從事農業資源環境方面的研究。E-mail:619475712@qq.com

漆棟良（1987-），男。副教授，主要從事農業水土環境調控及作物澇漬災害防控方面的研究。E-mail: qdl198799@126.com

責任編輯：白芳芳