施肥對不同生育期遮陰水稻干物質積累、產量和品質的影響

摘要：為了探討復合肥配施硅肥對不同時期遮陰水稻產量和品質的影響，采用3因素3水平正交試驗設計。遮陰為因素A，設3水平，即S0（不遮陰）、S1（開花-成熟期遮陰）、S2（分蘗-成熟期遮陰），S1、S2處理平均遮陰率均為68%；復合肥施用量為因素B，設3水平，即F1（100 kg/hm²）、F2（200 kg/hm²）、F3（300 kg/hm²）；施硅（SiO₂）量為因素C，設3水平，即R0（不施硅）、R1（200 kg/hm²）、R2（400 kg/hm²）。結果表明，S1處理顯著促進水稻花后干物質積累，而S2處理則顯著抑制花后干物質積累；S1、S2處理均顯著降低水稻結實率、千粒重、產量，減產率分別為43.99%、54.24%；F1處理明顯提高水稻花后干物質積累量、結實率、千粒重、產量；R1、R2處理明顯提高千粒重、產量，增產率分別為27.18%、14.04%。遮陰顯著降低水稻籽粒的加工品質，明顯降低稻米中直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉的含量，S1、S2處理明顯提高稻米的蛋白質含量；F1處理改善稻米加工品質，F2處理提高稻米中直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉的含量，F3處理提高稻米的蛋白質含量；施硅（R1、R2）明顯降低稻米的支鏈淀粉含量、總淀粉含量、蛋白質含量，R1處理明顯改善籽粒加工品質。得出結論，遮陰顯著降低水稻產量和品質，通過合理施肥能明顯提升和改善水稻的產量和品質，復合肥200 kg/hm²配施鋼渣硅肥（SiO₂）200 kg/hm²，可有效減緩遮陰對長江下游水稻生產的不利影響。

關鍵詞：遮陰；施肥；水稻；產量；品質

中圖分類號：S511.06 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）21-0077-07

收稿日期：2023-10-31

基金項目：國家自然科學基金面上項目（編號：41875177）。

作者簡介：潘德豐（1999—），男，福建廈門人，碩士研究生，研究方向為農業氣象與氣候變化。E-mail：1145198476@qq.com。

通信作者：婁運生，博士，教授，主要從事農業氣象與氣候變化研究。E-mail：yslou@nuist.edu.cn。

水稻是我國主要糧食作物之一。據統計，2021年我國水稻種植面積占糧食作物總面積的 25.44%，水稻產量占糧食總產量的33.64%^［1］。保持水稻穩定生產，對我國糧食安全至關重要。地表太陽總輻射減少是氣候變化的主要表現之一。人類活動作用下，氣溶膠、溫室氣體排放導致的輻射強迫已經成為關注熱點^［2-3］。1750—2011年，由人類活動導致的氣溶膠增加使輻射強迫降低0.9 W/m²，引起地表太陽輻射減弱^［4］。1961—2008年，我國東南部地區的地表太陽輻射年變化率為－10.17 MJ/m²，其中江蘇省南京市及周圍地區的地表太陽輻射日變化率為 -0.2 MJ/m^2［5-6］。糧食作物光合作用的能量主要來自太陽輻射能，太陽輻射減少對作物生產的影響較大。水稻是典型的喜光作物，植株的生長發育、光合同化、產量形成與光照條件密切相關^［7］。據報道，太陽輻射減弱不利于水稻生長，會引起水稻產量和品質下降^［8-11］。不同生長時期進行遮陰處理均可引起水稻產量明顯降低，生育后期遮陰對產量形成的抑制作用更大^［8，12］。拔節期弱光條件下，水稻植株干物質積累量、穗粒數、千粒重降低，產量下降；抽穗期遮陰處理下，水稻結實率和千粒重降低，影響籽粒充實度，產量大幅度降低^［12］。水稻灌漿期遮陰處理，直接影響植株光合固碳和碳水化合物合成，降低灌漿速度，導致千粒重和結實率下降^［13-14］。上述報道大多關注遮陰對水稻植株干物質積累、產量及其構成的影響，而對品質影響的相關報道較少。

合理的施肥技術如調控施肥量、不同營養元素肥料配施等，是水稻優質高產的重要管理措施。據統計，施用化肥對中國糧食增產的貢獻約占50%^［15］。氮磷鉀元素是肥料三要素，氮磷鉀復合肥被廣泛用于作物生產，而過量施肥易造成養分淋失、流失，肥料利用率下降，同時導致水體和大氣環境污染^［16-22］。硅是水稻、小麥等禾谷類作物生長的有益元素。施用硅肥可促進水稻生產，但過量施硅則會產生負面效果，引起產量下降^［23-30］。研究發現，適量施硅能夠顯著提高水稻葉片的葉綠素含量、葉面積指數、穗后干物質積累量；有效硅施用量為30.00～47.68 kg/hm²時產量最大；施用量高于47.68 kg/hm²時，則會降低水稻穗數、穗粒數、千粒重和產量^［31］。在一定的氮磷鉀用量下，隨著施硅量的增加，早稻、晚稻產量均呈先增后減趨勢，早稻、晚稻平均產量增幅分別為26.0%、38.7%^［32］。有關施肥對水稻品質指標（如蛋白質、淀粉等含量）影響的報道較少，還需開展深入研究。

遮陰或施肥（氮、磷、鉀、硅）對水稻干物質生產、產量和品質影響的研究多集中于單因子或雙因子（如不同施肥量、遮陰強度等）試驗；大田試驗受多因素影響，而有關多因素對水稻生產影響（如復合肥配施硅肥、不同生育期遮陰等，尤其對品質影響方面）的相關報道較少。因此，本研究通過大田模擬試驗，分析氮磷鉀肥配施硅肥對不同生育期遮陰水稻干物質積累、產量和品質的影響，旨在通過合理的施肥技術調控水稻生產，減輕太陽輻射減少所產生的不利影響，為保障區域水稻持續穩定生產提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 試驗田概況

田間模擬試驗于2020年6—10月在江蘇省南京市浦口區農業試驗站（32.0°N，118.8°E）進行。該站屬于亞熱帶季風氣候，水稻生長季平均氣溫為25.84 ℃，累計降水量為877.2 mm（圖1）。供試土壤為水稻土，壤質黏土，黏粒含量為26.10 g/kg；土壤有機碳、全氮含量分別為19.40、1.45 g/kg，有效磷、速效鉀含量分別為16.20、112.60 mg/kg，有效硅含量為84.5 mg/kg，pH值為6.2，水土重量比為 1∶1。供試氮磷鉀礦質肥料為高濃度復合肥（N、P₂O₅、K₂O含量均為15%）；供試硅肥為鋼渣硅肥，有效硅（SiO₂）含量為14.21%。供試品種為粳稻南粳5055，抗倒伏能力較強，是研究區稻田種植的代表性水稻品種。

1.2 試驗設計

田間模擬試驗采用3因素3水平正交設計，遮陰為因素A，設3水平，即S0（不遮陰）、S1（開花—成熟期遮陰）、S2（分蘗—成熟期遮陰），S1、S2處理的平均遮陰率均為68%；復合肥施用量為因素B，設3水平，即F1（100 kg/hm²）、F2（200 kg/hm²）、F3（300 kg/hm²）；施硅（SiO₂）量為因素C，設3水平，即R0（不施硅）、R1（200 kg/hm²）、R2（400 kg/hm²）。按照L₉（3⁴）正交表安排試驗處理，共9個處理。每個處理小區面積為4 m²。試驗開始前，在小區四周搭設高度可調的鋼管支架，將黑色遮陰網固定于鋼架頂部，覆蓋水稻植株冠層以形成遮陰環境，模擬地表太陽輻射減弱，隨著生育期進程及時調節遮陰網高度，使遮陰網與冠層的間距gt;30 cm，便于試驗觀測和采樣。采用植物冠層分析儀（AccuPAR，DECAGON LP-80，美國）測定遮陰率，各生育期選取晴朗無云天氣，分別測定遮陰網上面和下面冠層處的光強度，計算平均遮陰率。

供試種子經消毒和浸種等處理，2020年5月8日播入苗床育苗，6月13日按株行距20 cm×20 cm進行幼苗移栽。試驗田耕作后，參照試驗設計，移栽前1 d將復合肥與硅肥分別以基肥方式施入土壤。水稻分蘗期及孕穗期各追施尿素20 kg/hm²。采用常規灌溉方式，稻田淹水期保持水層為5～10 cm。曬田于2020年7月22日至8月6日進行，之后再進行淹水灌溉，10月4日灌溉停止，做好收獲準備。試驗田環境溫度、降水量等氣象數據采集通過附近氣象站自動記錄。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 干物質積累量

于水稻開花期、灌漿期、成熟期在各小區分別采集植株樣品1株，將植株分為莖、葉、穗部，分別置于事先稱重的樣品紙袋中，將烘箱調至105 ℃殺青20 min，再降至70 ℃烘干至恒重。

1.3.2 產量和品質

水稻成熟后，在各小區的中心區域選取0.5 m×0.5 m作為考種樣區，分別測定樣區內水稻植株穗部的空粒、秕粒、飽粒數，并計算結實率，經脫粒、風干、稱重后，測定千粒重和產量。

根據GB/T 17891—2017《優質稻谷》國家標準，經過壟谷機脫殼后，對糙米進行精米加工，用不銹鋼網篩（孔徑2.5 mm）除去不完整的精米，計算糙米率、精米率、整精米率^［33］。參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》、GB/T 15683—2008《大米 直鏈淀粉含量的測定》，測定稻米的蛋白質、直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量^［34-35］。

1.4 數據處理與統計分析

采用Excel 2023處理數據，生成極差分析表；采用IBM SPSS 25.0進行單變量方差分析；采用Origin 2021繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 干物質積累量

方差分析結果表明，遮陰顯著影響水稻花后干物質積累量（Plt;0.05）（表1）。3因素對水稻花后干物質積累量的影響由大到小依次為遮陰gt;施硅肥gt;施復合肥（表2）。與不遮陰相比（S0），開花—成熟期遮陰（S1）下的花后干物質積累量增加13.19%，而分蘗—成熟期遮陰（S2）下則降低37.26%。與F1相比，施復合肥F2使花后干物質積累量減少3.35%，F3則降低1.18%。相比不施硅肥（R0），施硅肥（R1、R2）使花后干物質積累量分別增加5.57%、7.91%。綜合分析，有助于水稻花后干物質積累的最佳處理組合為S1F1R2。

2.2 產量

方差分析結果（表3）表明，遮陰顯著影響水稻的千粒重和結實率（Plt;0.05），對水稻產量的影響達到極顯著水平（Plt;0.01）；而施復合肥或施硅肥對千粒重、結實率、產量的影響未達顯著水平。根據極差分析結果（表4），3因素對千粒重的影響依次為遮陰＞施復合肥＞施硅肥；對結實率影響由大到小依次為遮陰gt;施復合肥gt;施硅肥；對產量影響由大到小依次為遮陰＞施硅肥＞施復合肥。相比不遮陰（S0），S1、S2處理使千粒重分別降低14.90%、10.68%，結實率分別降低35.40%、10.09%，產量分別降低43.99%、54.24%。相比F1處理，施復合肥F2、F3處理的千粒重分別下降7.77%、7.14%，結實率分別降低8.55%、12.34%，產量分別降低13.28%、6.81%。相比不施硅肥（R0），施硅肥R1、R2處理的千粒重分別增加4.25%、2.72%；R1處理的結實率增加0.77%，R2處理則降低2.26%；產量分別增加27.18%、14.04%。可見，遮陰顯著降低了水稻的千粒重和結實率、引起產量下降，適量施復合肥和硅肥可提高千粒重、結實率、產量。水稻增產最佳處理組合為S0F1R1。

2.3 品質

2.3.1 加工品質

方差分析結果（表5）表明，遮陰極顯著影響水稻的糙米率（Plt;0.01），顯著影響精米率、整精米率（Plt;0.05）；而施硅肥和施復合肥對糙米率、精米率、整精米率的影響未達顯著水平。極差分析結果（表6）表明，3因素對糙米率、精米率、整精米率的影響依次為遮陰＞施硅肥＞施復合肥。相比S0處理，S1處理的水稻糙米率、精米率、整精米率分別下降8.61%、8.80%、9.01%，S2處理分別下降3.91%、3.66%、2.34%。相比F1處理，F2處理的水稻糙米率、精米率、整精米率分別下降2.29%、2.73%、2.96%，F3處理分別下降2.65%、1.76%、2.07%。相比R0處理，R1處理的水稻糙米率、精米率、整精米率分別提高3.34%、3.42%、4.94%，R2處理分別提高2.54%、1.84%、1.76%。綜上，遮陰能顯著降低水稻加工品質，適量施硅肥可改善稻米的加工品質；有利于稻米加工品質的最佳處理組合為S0F2R1。

2.3.2 營養品質

方差分析結果（表7）表明，3個因素對稻米直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉、蛋白質含量均無顯著影響。極差分析結果（表8）表明，對直鏈淀粉含量的影響依次為施硅肥＞施復合肥＞遮陰，對支鏈淀粉含量影響依次為施復合肥＞施硅肥＞遮陰，對總淀粉含量影響依次為施復合肥＞施硅肥＞遮陰，對蛋白質含量影響依次為遮陰＞施硅肥＞施復合肥。與不遮陰（S0）相比，S1處理的稻米直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量分別降低11.08%、0.48%、2.39%，S2處理分別降低4.73%、3.38%、3.62%，除直鏈淀粉含量外，支鏈淀粉、總淀粉含量均隨遮陰時間延長而降低。相比F1處理，F2處理的稻米直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量分別增加6.30%、3.97%、4.41%，F3處理的稻米直鏈淀粉、總淀粉含量分別下降22.11%、3.28%，支鏈淀粉含量增加1.00%。相比不施硅肥（R0）處理，R1處理的直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量分別降低37.16%、0.48%、7.42%，R2處理分別下降4.50%、3.38%、1.89%。相比不遮陰（S0），S1、S2處理使蛋白質含量分別增加46.51%、20.25%。相比F1處理，F2、F3處理的蛋白質含量分別增加11.53%、14.91%。相比不施硅肥（R0）處理，R1、R2處理的蛋白質含量分別降低15.45%、15.60%。

綜上，遮陰能明顯降低稻米的直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量，提高蛋白質含量；適量施復合肥可增加稻米直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉、蛋白質含量；施硅肥則使稻米直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉、蛋白質含量下降。綜合分析，有利于提高稻米營養品質的最佳處理組合為S0F2R0。

3 討論

本研究中，S1處理（開花—成熟期遮陰）可促進水稻花后干物質積累，原因在于花后遮陰可提高水稻葉片SPAD值，增強葉片光能利用率，光合能力較強，促進光合同化物轉運積累；S2處理（分蘗—成熟期遮陰）則降低花后干物質積累，水稻分蘗期遭遇弱光條件，嚴重影響植株正常分蘗，營養生長受弱光抑制，進而降低花后干物質積累^［36-37］。遮陰可降低水稻千粒重、結實率、產量，原因在于遮陰降低了作物灌漿速率和旗葉中碳水化合物的合成轉運，抑制干物質積累和產量形成，導致產量降低^［12］。施復合肥F1處理可促進水稻花后干物質積累，提高千粒重、結實率、產量，而施復合肥F2、F3處理則不同程度地降低花后干物質積累、千粒重、結實率、產量。適量施復合肥可促進水稻干物質積累和產量形成，達到增產效果，而過量施肥易引起植株碳氮代謝失衡，不利于產量形成^［38］。施硅肥R2處理提高水稻花后干物質積累，R1處理提高水稻千粒重、結實率、產量。硅是對禾谷類作物生長有益的營養元素，但在植株體內不參與碳氮代謝過程。適宜施硅肥可促進水稻產量形成，但過量施硅肥可能影響光合同化物源庫運轉，不利于產量形成，其作用機制還需深入研究^［39］。

遮陰顯著降低水稻籽粒糙米率、精米率、整精米率和稻米總淀粉、支鏈淀粉、直鏈淀粉含量，但能提高蛋白質含量，本研究結果與前人報道^［40-43］基本一致，但又有所不同。據報道，水稻結實期遮光降低整精米率、精米率、糙米率，使直鏈淀粉含量下降，蛋白質含量提高；水稻穗前遮陰顯著提高蛋白質含量及整精米率、糙米率、精米率，但降低總淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉含量^{［40，43］}。原因在于，不同試驗報道的水稻遮陰時期、遮陰強度、持續時間存在差異；此外，稻米品質受不同基因型品種影響，也受氣候、土壤環境條件及施肥、灌溉等栽培管理措施的影響^［44-47］。施用復合肥可改善水稻籽粒的外觀品質，提高營養品質，但適宜施肥量存在差異。原因在于，氮素營養狀況影響水稻植株光合生理及氮代謝過程，適量氮素可通過調節光合同化物合成、積累與轉運，促進籽粒灌漿充實，改善品質^{［40，48-50］}。施硅肥R1處理可改善稻米加工品質，但R2處理不利于稻米營養品質，施硅肥可促進植株對氮素的吸收利用，提高籽粒淀粉分支酶和葉片轉氨酶活性，從而促進氮素吸收，但植株氮素營養過剩則易引起植株出現早衰，導致籽粒灌漿不充實，并影響稻米品質形成^{［40，51-52］}。目前有關施硅肥對水稻籽粒品質影響的研究報道較少，其相關作用機制尚不清晰。

4 結論

開花—成熟期遮陰顯著促進花后干物質積累，而分蘗—成熟期遮陰則顯著抑制花后干物質積累。遮陰顯著降低結實率、千粒重及產量。復合肥和硅肥各施200 kg/hm²明顯提高結實率、千粒重、產量。

遮陰顯著降低水稻籽粒的加工品質，明顯提高稻米蛋白質含量，降低淀粉含量；施用復合肥F1處理（100 kg/hm²）明顯改善稻米加工品質，F2處理（200 kg/hm²）明顯提高稻米直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量，F3處理（300 kg/hm²）明顯提高稻米蛋白質含量；施硅肥R1處理（200 kg/hm²）明顯提高稻米糙米率、精米率、整精米率，R1、R2處理均明顯降低稻米支鏈淀粉、總淀粉、蛋白質含量。

遮陰顯著降低水稻產量和品質，通過合理施肥可明顯提升水稻產量和改善品質。綜合考慮產量和品質，復合肥200 kg/hm²，配施鋼渣硅肥200 kg/hm²，可有效減緩遮陰對長江下游水稻生產的不利影響。

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