魏 征,彭世彰,孔偉麗,高煥芝

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;3.衢州市水利水電勘測設(shè)計有限公司,浙江衢州 324000)

水、肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及作物生長的重要影響因子,如何提高其利用效率以促進(jìn)作物生長發(fā)育是目前研究的重要內(nèi)容.水肥合理配合能夠有效提高作物根冠干物質(zhì)累積、產(chǎn)量及水肥利用率,且水氮配合作用對產(chǎn)量的影響最大,形成“以水促肥,以肥調(diào)水”的互補關(guān)系[1-3].

要充分發(fā)揮水分和養(yǎng)分的增產(chǎn)效應(yīng),必須確定水分、養(yǎng)分配合的關(guān)鍵時期,特別是水分、養(yǎng)分虧缺復(fù)水后的補償效應(yīng).本文通過盆栽試驗研究不同施氮水平和不同生育階段水分控制下限復(fù)水后對水稻根冠干物質(zhì)累積、產(chǎn)量構(gòu)成因子及水肥利用率的影響,旨在為水稻水分脅迫后復(fù)水補償機理和后效應(yīng)研究提供理論依據(jù).

1 試驗方法

試驗于2008年6—10月在河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室昆山試驗基地進(jìn)行,基地屬亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫15.5℃,年降雨量1097.1mm,年蒸發(fā)量1365.9mm,日照時數(shù)2085.9h,平均無霜期234d.當(dāng)?shù)亓?xí)慣稻麥輪作,土壤為潴育型水稻土,耕層土壤為重壤土.0～18cm土層土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.3g/kg,全氮為1.79g/kg,全磷為1.4g/kg,全鉀為20.86g/kg,pH值為7.40;0～30cm土壤密度為1.3g/cm3.供試盆缽為封底聚乙烯(PVC)管,盆缽內(nèi)徑16cm,高45cm,置于土槽內(nèi),縫隙間用秸稈充填以削弱熱效應(yīng),供試水稻品種為粳稻(嘉04-33),每盆定苗3株.四周設(shè)保護田,并設(shè)有軌道式活動防雨棚以隔絕降雨.

試驗采用裂區(qū)設(shè)計,主處理以不同生育階段按占土壤飽和體積含水率的百分比設(shè)3個水分水平,共有7個水分處理,即控制灌溉(CK)[4]、中度水分脅迫W1處理(分蘗末期(S1)、拔節(jié)孕穗后期(S2)、抽穗開花期(S3)各脅迫階段水分控制下限分別為50%,65%和70%)和重度水分脅迫W2處理(分蘗末期(S1)、拔節(jié)孕穗后期(S2)、抽穗開花期(S3)各脅迫階段水分控制下限分別為40%,55%和60%).副處理為2種氮肥水平(300kg/hm2,200kg/hm2,分別記為N1和N2).14個處理分別為S1W1N1,S1W1N2,S1W2N1,S1W2N2,S2W1N1,S2W1N2,S2W2N1,S2W2N2,S3W1N1,S3W1N2,S3W2N1,S3W2N2及對照處理CKN1和CKN2,每個處理設(shè)6個重復(fù),總共84個小區(qū),另外設(shè)置氮空白小區(qū),記為CKN0,磷鉀肥作為基肥一次施入,均為105kg/hm2.

利用隔日稱重法監(jiān)測土壤水分變化,電子天平感量為2g;于水稻分蘗末期、拔節(jié)孕穗前期、拔節(jié)孕穗后期、抽穗開花期、乳熟期和黃熟期取樣,采用烘干法測定根、冠干質(zhì)量;成熟期考種測產(chǎn).

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同水分下限對水稻根冠干物質(zhì)累積規(guī)律的影響

不同水氮處理水稻地上部干物質(zhì)從抽穗開花期至黃熟期,隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)逐漸增加,而根冠比逐漸減小(表1).

表1 不同水氮處理水稻干物質(zhì)累積量及根冠比Table 1 Dry matter accumulation and root/shoot ratio of rice under different nitrogen treatments

同一水分水平下,高氮(N1)處理的地上部干物質(zhì)大于低氮(N2)處理,且差距由抽穗開花期的5～7g/盆,加大到黃熟期的10～18g/盆,表明低施氮量阻礙水稻代謝轉(zhuǎn)換和營養(yǎng)物質(zhì)的累積和分配,抑制水稻的生長發(fā)育;CKN1處理、S1W1N1處理、S1W2N1處理和S2W2N1處理的根冠比均是在抽穗開花期和乳熟期高于N2處理,而在黃熟期低于N2處理,而S2W2N1以及S3N1處理根冠比高于N2處理,表明施氮量對水稻根冠比的影響與水分脅迫階段及脅迫程度有關(guān).

對同一施氮水平,在N1處理條件下,S1W1N1和S1W2N1處理地上部干物質(zhì)和根冠比差異較小,且與CKN1基本一致,差異幅度僅為2.1%～4.5%,補償效應(yīng)明顯,表明分蘗末期水分虧缺對水稻地上部干物質(zhì)和根冠比影響較小,與已有的研究結(jié)果一致[5];S2W1N1處理地上部干物質(zhì)分別較CKN1降低1.9%,5.4%和9.0%,而S2W2N1處理則較CKN1下降13.2%,7.8%和12.9%,下降幅度較大;S3W1N1處理在乳熟期和黃熟期較CKN1下降17.8%和17%,而S3W2N1處理較CKN1下降19.5%和20.5%,下降幅度最大.而拔節(jié)后期(S2)和抽穗開花期(S3)脅迫階段水分處理根冠比低于對照,降低幅度為4.0%～18.1%和0～9.1%,表明拔節(jié)后期和抽穗開花期水分脅迫致使水稻干質(zhì)量降低,同時對水稻根的抑制作用大于冠,且以抽穗開花期對根、冠的影響更大,并且無法得到恢復(fù).在N2處理條件下,地上部干物質(zhì)與根質(zhì)量基本隨著水分脅迫程度的加深而減小,且以S3W2N2處理在乳熟期和黃熟期降低幅度最大,為26.9%和20.3%;而S1W1N2和S1W2N2處理根冠比多高于CKN2,增大幅度為4.1%～8.7%,-0.1%～6.2%和1.5%～2.3%,表明分蘗末期低施氮量通過調(diào)整根、冠關(guān)系使得干物質(zhì)分配比例更側(cè)重根系生長,而其他脅迫階段根冠比的變化則更多的受到水分脅迫的影響.

2.2 不同水分下限對根冠異速生長關(guān)系的影響

根冠異速生長關(guān)系是能夠簡單表述根冠平衡研究的經(jīng)驗實用性表達(dá)方式,其基本數(shù)學(xué)表達(dá)可轉(zhuǎn)化為根冠的對數(shù)線性方程:lgS=a+blgR,其中S,R為冠、根干質(zhì)量;Hunt等[6]研究認(rèn)為回歸系數(shù)b＜1時,表明根系相對生長速度比冠層大;b＞1時,則相反.對比水稻根、冠異速生長關(guān)系(表2)可知,水肥條件顯著影響根、冠生長關(guān)系,各處理b值均不為零,且統(tǒng)計檢驗(α＜0.001)差異顯著.

同一水分處理下,N1處理的b值均高于N2處理,S1,S2和S3階段增大幅度分別為2.2%～2.6%,3.0%～3.8%和0.8%～1.6%,表明低施氮量能夠加大根、冠異速性生長,且以拔節(jié)孕穗期(S2)根、冠異速性生長差異最大,而抽穗開花期(S3)差異最小.

對同一施氮水平,在N1處理條件下,不同水分脅迫處理b值均高于CKN1,S1,S2和S3階段增大幅度分別為0.74%～0.79%,3.2%～3.5%和2.89%,且以S1階段增大幅度最小;在N2處理條件下,S1階段水分處理均低于對照,分別為1.2%和0.76%,而S2,S3階段W1,W2處理均高于CKN2,增大幅度分別為0.5%～1.0%和1.9%～2.7%,表明根、冠異速性隨脅迫階段的推進(jìn)而降低.

在高氮處理條件下,分蘗末期(S1)水分虧缺不僅能夠降低根、冠異速性生長關(guān)系,調(diào)節(jié)根、冠生長向優(yōu)化方向發(fā)展,而且b值降低幅度最小,即干物質(zhì)累積受到影響最小.

表2 水稻根、冠間異速生長關(guān)系Table 2 Allometric growth relationship of rice

2.3 水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子對水分虧缺的相對敏感性分析

由表3可知,對比水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的相對敏感性[7],同一水分處理,穗數(shù)、千粒質(zhì)量以及產(chǎn)量敏感因子均隨脅迫階段的推進(jìn)逐漸增大,表明隨著脅迫階段的推進(jìn),水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子受到的影響會加大,從而產(chǎn)量會降低,這與張玉屏等[8]研究一致;而N1處理的穗數(shù)和千粒質(zhì)量敏感因子較N2處理大,即低施氮量(200kg/hm2)沒有超過氮素虧缺閾值,水稻千粒質(zhì)量以及有效穗數(shù)受到的影響較N1處理小;而N2處理的穗粒和產(chǎn)量敏感因子較N1處理大,即低施氮量主要通過減少穗粒數(shù)降低產(chǎn)量,實際減產(chǎn)幅度為9.2%～19.6%,與陳曉遠(yuǎn)等[9]研究一致.

表3 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子對水氮的相對敏感性Table 3 Relative sensitivity of yield and components of rice to water nitrogen

同一施氮水平,穗數(shù)和產(chǎn)量敏感因子隨脅迫程度的加深逐漸增大,表明隨脅迫程度的加深,水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子會受到顯著影響,且在脅迫解除后也無法恢復(fù)至對照水平;千粒質(zhì)量敏感因子隨脅迫程度的加深逐漸降低,可見水分脅迫沒有超過閾值時,脅迫程度的加深使其千粒質(zhì)量提高.

不同水分脅迫程度以及施氮量能夠使得分蘗末期(S1)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng),即分蘗末期水分脅迫復(fù)水后的補償效應(yīng)能夠提高水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子,這與裴剛等[10]研究一致.

2.4 不同水分下限對水稻水氮利用效率的影響

對比水稻產(chǎn)量水平水分利用效率(表4)可知,同一水分處理下,水稻水分利用效率隨施氮量的增加而增大;同一施氮水平下,分蘗末期(S1)和拔節(jié)孕穗后期(S2)W1,W2處理的水分利用效率均高于對照,表明分蘗末期和拔節(jié)后期不同程度的水分脅迫均會提高水稻水分利用效率,這與李德福等[11]研究結(jié)果一致;抽穗開花期(S3)除W1N1處理水分利用效率高于對照外,其他處理均低于對照,表明S3階段水分和施肥量的減少大多會降低水稻水分利用效率.

表4 水稻水分利用效率及氮肥利用效率Table 4 Water and fertilizer utilization efficiency of rice

對比水稻氮肥利用效率(表4)可知,同一水分水平下,N2處理的氮肥利用效率[12]均高于N1處理,且差異幅度以分蘗末期水分脅迫處理最大(27.1%),拔節(jié)后期次之(21.6%),抽穗開花期最小(6.8%),隨著脅迫階段的推進(jìn),N2處理氮肥利用效率增加幅度降低,這與王秀芹等[13]研究結(jié)果一致.同一施氮水平下,S1階段水分脅迫處理氮肥利用效率高于對照;而S2和S3階段水分脅迫處理氮肥利用效率均低于對照,表明分蘗末期水分脅迫增強水稻植株吸氮能力,使其獲得較高的氮肥利用效率.

3 結(jié) 論

a.分蘗末期水分脅迫對水稻根、冠干物質(zhì)累積影響較小,且調(diào)節(jié)根、冠生長向優(yōu)化方向發(fā)展,表現(xiàn)出明顯的補償效應(yīng).同一施氮水平下,分蘗末期根、冠干物質(zhì)累積和根冠比與對照基本一致,且根、冠異速生長關(guān)系接近或超過對照,表現(xiàn)出明顯的生長補償;而拔節(jié)后期和抽穗開花期水分脅迫致使水稻根、冠干物質(zhì)累積和回歸系數(shù)b值變大,同時更大程度地抑制根的生長,以抽穗開花期對根、冠的影響程度最大,且無法恢復(fù).

b.分蘗末期水分脅迫有利于水稻獲得更高的產(chǎn)量及其構(gòu)成因子,且提高其水肥利用效率.同一水分水平下,低施氮量能夠降低水稻穗數(shù)和千粒質(zhì)量受到的不利影響,但主要通過穗粒數(shù)的減少降低水稻產(chǎn)量.拔節(jié)后期和抽穗開花期水分脅迫部分提高產(chǎn)量構(gòu)成因子,但產(chǎn)量明顯受到影響.低施氮量降低水稻產(chǎn)量和水分利用效率,而增加氮肥利用效率.拔節(jié)后期和抽穗開花期氮肥利用效率均低于對照,而水分利用效率前者高于對照,后者低于對照.

c.通過對水稻根冠干物質(zhì)累積規(guī)律、根冠異速生長關(guān)系、水稻產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥利用效率研究可知,分蘗末期(S1)高氮施肥水平(300kg/hm2)下,重度水分虧缺(40%土壤飽和體積含水率)復(fù)水后能夠較少影響水稻生長特性,可以看做是合理的水稻調(diào)虧控制指標(biāo).

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