王悅 吳周周 劉佳欣 周嬋嬋* 王術(shù) 賈寶艷 黃元財 王巖 王韻 馮躍

（1 沈陽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/作物生理研究所，沈陽 110866；2中國水稻研究所，杭州 311401；第一作者：2021220267@stu.syau.edu.cn；*通信作者：zhouchan@syau.edu.cn）

水稻生長發(fā)育所需的水分和氮素都需要通過灌溉和氮肥的輸入[1]。由于全球水資源分配不均衡，導致水資源短缺現(xiàn)象時有發(fā)生[2]。我國水稻生產(chǎn)中長期存在的問題是如何在保持穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的同時，最大限度減少水資源的投入，實現(xiàn)水資源的有效利用，把發(fā)展水稻高產(chǎn)節(jié)水灌溉技術(shù)作為中國的重要戰(zhàn)略需求[3]。為此，農(nóng)業(yè)科技工作者研發(fā)了多種節(jié)水灌溉技術(shù)，包括干濕交替灌溉[4]、旱作[5-6]、淺濕灌溉、控制灌溉和間歇灌溉[7-8]等等。

氮素是水稻生產(chǎn)中最重要的養(yǎng)分之一。目前我國水稻氮肥表觀利用率很低[9]，不合理的水氮管理不僅降低水氮的利用效率，還造成了環(huán)境污染。LIU 等[10]指出，有效分配水與氮的比例，會增加作物產(chǎn)量。王玉雯等[11]研究表明，氮肥優(yōu)化管理不僅利于同化物生產(chǎn)，而且還可以促進光合產(chǎn)物向穗部轉(zhuǎn)運，使水稻庫容和充實度增加，進而提高水稻產(chǎn)量。

水和肥是水稻生長發(fā)育過程中相互影響和制約的兩個因子，兩者的協(xié)調(diào)作用影響水稻的生理特性，進而影響水稻產(chǎn)量[12]。潘晨等[13]研究指出，干濕交替灌溉結(jié)合合理施用氮肥，有利于促進氮素向籽粒分配，提高氮素收獲指數(shù)和水稻葉片的SPAD 值，進而提高作物生長速率和干物質(zhì)積累。干濕交替灌溉可以提高土壤溶解氧含量和還原電位，增強根際硝化速率，并促進水稻根系銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收，提高水稻干物質(zhì)積累[14]。一些研究表明，水稻開花前增加干物質(zhì)積累對籽粒產(chǎn)量有重要影響[15-16]，但是越來越多的研究表明，水稻花后干物質(zhì)積累在決定產(chǎn)量方面起著更重要作用[17-18]。有關(guān)節(jié)水灌溉模式與施氮比例對干物質(zhì)和水稻產(chǎn)量的影響國內(nèi)外研究較多，但研究結(jié)果因地區(qū)不同，尚未得出一致結(jié)論。本試驗以遼寧省主栽常規(guī)水稻品種沈稻47為試驗材料，在同一施氮水平下，通過設(shè)置不同的施氮比例，結(jié)合節(jié)水灌溉模式，分析水稻產(chǎn)量以及產(chǎn)量構(gòu)成因素、干物質(zhì)積累量等指標，以期探索節(jié)水灌溉模式下最佳的施氮比例，為水稻高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021—2022 年在沈陽農(nóng)業(yè)大學科研試驗基地進行，該地屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，年平均氣溫8.7 ℃，年平均降水量914 mm。試驗田土壤為棕壤土，地力中等，試驗地0～20 cm 耕作層土壤理化性質(zhì)：有機質(zhì)含量26.15 g/kg，全氮1.30 g/kg，速效氮84.35 mg/kg，速效磷43.26 mg/kg，速效鉀89.33 mg/kg，pH 值6.6。

1.2 試驗設(shè)計

以遼寧省主栽的常規(guī)水稻品種沈稻47 為試驗材料，該品種全生育期157 d 左右。試驗采用裂區(qū)試驗設(shè)計，灌溉模式為主區(qū)，施氮方式為副區(qū)，3 次重復。試驗設(shè)2 種灌溉模式：W1，淹水灌溉，全生育期保持1~2 cm水層，收獲前1 周斷水；W2，干濕交替灌溉，秧苗移栽后7~10 d 田間保持1~2 cm 水層，確保秧苗返青成活，之后當土壤自然落干至土壤水勢-15 kPa，灌水1~2 cm，生育期間如此循環(huán)，收獲前1 周斷水。在氮肥用量200 kg/hm2條件下，共設(shè)置3 種施氮方式：F1，基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶3∶2；F2，基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶5∶1；F3，基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3。基肥在移栽前1 d 施入，分蘗肥于分蘗期施入，穗肥于孕穗期施入。試驗用氮肥為尿素（含N 46%）。每個處理各施磷肥90 kg/hm2（過磷酸鈣，含P2O512%）、鉀肥90 kg/hm2（硫酸鉀，含K2O 50%），磷、鉀肥作基肥一次性施入。肥料均采用人工撒施。2 年試驗均為4 月17 日播種，5 月24 日移栽，10 月1 日收獲。栽插行株距30.0 cm×16.5 cm（當?shù)鼐境Ｒ?guī)種植密度），每穴插3 株苗。小區(qū)面積13.0 m2，7 行區(qū)，6.0 m行長，不同小區(qū)之間采用30.0 cm 高隔水板（埋入地下20.0 cm）隔離，防止小區(qū)間竄水竄肥，做到單排單灌。病蟲害防治按當?shù)爻Ｒ?guī)高產(chǎn)栽培要求進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

成熟期每個小區(qū)除去邊行，按實際收獲面積計算產(chǎn)量，測定稻谷水分含量，然后折合為14.5%含水量的稻谷產(chǎn)量；每個小區(qū)按照分蘗平均數(shù)取樣，取有代表性植株5 穴用于室內(nèi)考種，記錄單叢穗數(shù)和穗質(zhì)量后進行脫粒，計算單位面積有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重。

1.3.2 莖蘗動態(tài)

從移栽后7 d 開始，每個小區(qū)每隔7 d 定點調(diào)查30 穴植株的莖蘗情況，至齊穗期，并在成熟期再調(diào)查1 次，計算單位面積莖蘗數(shù)及分蘗成穗率。

1.3.3 SPAD 值

于移栽后50 d 開始用SPAD-502 葉綠素儀分別測定劍葉的上、中、下3 個部分，取3 次測定的平均值作為劍葉的SPAD 值，每個小區(qū)測定5 片葉，取其平均值作為該小區(qū)的葉片SPAD 值，每隔7 d 測定1 次。

1.3.4 干物質(zhì)和葉面積指數(shù)（LAI）

分別于抽穗期和成熟期取樣，每小區(qū)按照平均莖蘗數(shù)選取有代表性植株5 穴，分為綠葉、枯葉、莖和穗，放置烘箱中經(jīng)過105 ℃殺青1 h 后，于80 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱取各器官干物質(zhì)量。計算莖鞘物質(zhì)輸出率、莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)化率、葉片物質(zhì)輸出率、葉片物質(zhì)轉(zhuǎn)化率等物質(zhì)積累與分配轉(zhuǎn)運情況。采用長寬系數(shù)法測定各時期葉片面積，測定葉面積后的葉片在80 ℃恒溫下烘干至恒質(zhì)量，然后根據(jù)比葉重法計算LAI。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016 與SPSS 26 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用新復極差法（Duncan’s）進行方差分析和多重比較（α=0.05），圖表中數(shù)據(jù)為平均值。使用Origin 2021繪圖。2 年試驗結(jié)果趨勢一致，若無特殊說明，均以2021 年的數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉模式與施氮方式對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.1.1 對產(chǎn)量的影響

從表1 可見，灌溉模式（W）、施氮方式（F）以及其互作（W×F）對水稻產(chǎn)量影響極顯著。與W1 處理相比，W2 處理增產(chǎn)3.90%。在W1 模式下，F(xiàn)1 處理產(chǎn)量最高，為10.10 t/hm2，比F2 和F3 處理分別增產(chǎn)5.98%和4.88%。在W2 模式下，F(xiàn)3 處理產(chǎn)量最高，為10.35 t/hm2，比F1 和F2 處理分別增產(chǎn)3.19%和3.40%。各處理間產(chǎn)量以W2F3 處理最高。

表1 灌溉模式與施氮方式對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.1.2 對單位面積有效穗數(shù)的影響

從表1 可見，灌溉模式、施氮方式以及其互作對水稻單位面積有效穗數(shù)影響極顯著。在W1 模式下，F(xiàn)1 處理的有效穗數(shù)較F2 和F3 處理分別增加1.83%和4.77%；在W2 模式下，F(xiàn)3 處理的有效穗數(shù)較F1 和F2處理分別增加7.29%和3.49%。與W1 模式相比，W2 模式下水稻有效穗數(shù)明顯提高。

2.1.3 對穗粒數(shù)的影響

從表1 可見，灌溉模式、施氮方式以及其互作對穗粒數(shù)影響極顯著。在W1 模式下，F(xiàn)1 處理的穗粒數(shù)分別比F2 和F3 處理顯著增加5.04%和2.28%；在W2 模式下，F(xiàn)3 處理穗粒數(shù)分別比F1 和F2 處理顯著增加0.64%和4.44%。

2.1.4 對結(jié)實率的影響

從表1 可見，在2 種灌溉模式下，各處理間結(jié)實率差異顯著，且均表現(xiàn)為F3>F1>F2。

2.1.5 對千粒重的影響

從表1 可見，灌溉模式對水稻千粒重影響不顯著，施氮方式及灌溉模式與施氮方式之間的互作對千粒重影響極顯著。在W1 模式下，F(xiàn)1 處理千粒重較F2 和F3處理分別顯著增加1.95%和1.66%；在W2 模式下，F(xiàn)3處理千粒重較F1 和F2 處理顯著增加0.68%和0.93%。

2.2 灌溉模式與施氮方式對水稻莖蘗動態(tài)及莖蘗成穗率的影響

由圖1 可知，莖蘗動態(tài)變化表現(xiàn)為先升高后降低最終趨于平衡，而且W2 模式下的分蘗數(shù)整體高于W1模式，這可能是在W2 模式下，其土壤的透氣性較好，更利于水稻分蘗的生長；2 種灌溉模式下達到分蘗最高峰的施氮方式都為基蘗肥用量大的施氮方式，即F2處理。2 種灌溉模式下均在移栽后42 d 達到分蘗盛期。

圖1 不同處理莖蘗動態(tài)

分蘗成穗率是衡量水稻群體質(zhì)量的重要指標。由圖2 可知，W2 模式下的水稻分蘗成穗率整體高于W1模式。在W1 模式下，F(xiàn)1 處理的分蘗成穗率最高；在W2 模式下，F(xiàn)3 處理的分蘗成穗率最高。從整體來看，W2F3 處理分蘗成穗率最高，為86.95%，較W2F1 和W2F2 處理分別高9.33%和16.76%，W1F2 處理分蘗成穗率為各處理最低。表明W2 模式更有利于水稻分蘗成穗。

圖2 不同處理莖蘗成穗率

2.3 灌溉模式與施氮方式對水稻劍葉SPAD 的影響

由圖3 可知，2 種灌溉模式下，3 種施氮方式處理的劍葉SPAD 值變化趨勢一致，即均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，并且在移栽75 d 后達到峰值。在同一種灌溉模式下，在一定范圍內(nèi)，隨著穗肥比例的增加，SPAD 值增加，即F3>F1>F2，表明適當增加穗肥比例有利于提高葉片SPAD 值，可以維持水稻生育后期功能葉片較高的活力，進而促進籽粒灌漿。

圖3 不同處理對劍葉SPAD 值的影響

2.4 灌溉模式與施氮方式對葉面積指數(shù)（LAI）的影響

由圖4 可知，灌溉模式、施氮方式及其互作對于抽穗期和成熟期的LAI 影響顯著。LAI 在抽穗期至成熟期呈下降趨勢，在抽穗期以W2F3 處理最大，為8.06。在2 種灌溉模式下，F(xiàn)2 處理的LAI 均較低。在成熟期，在W1 模式下F2 與F3 處理之間差異不顯著，在W2模式下F1 與F2 處理之間差異不顯著，W2F3 處理的LAI 在各處理間最高，達到4.32。表明穗肥比例增加能促進LAI 的提高。

圖4 不同處理對葉面積指數(shù)（LAI）的影響

2.5 灌溉模式與施氮方式對水稻干物質(zhì)積累的影響

由表2 可見，灌溉模式、施氮方式及其互作對水稻干物質(zhì)積累、抽穗后干物質(zhì)積累所占比例、干物質(zhì)總積累量以及收獲指數(shù)影響均極顯著。整體上看，W2 模式下的收獲指數(shù)較W1 模式高；W1 模式下，隨著穗肥比例的增加收獲指數(shù)呈增加趨勢，在W2 模式下收獲指數(shù)表現(xiàn)為F3>F2>F1，所有處理中W1F1 和W2F3 收獲指數(shù)最大，均為0.62。

表2 不同處理對水稻干物質(zhì)積累的影響

由表2 可見，抽穗前干物質(zhì)積累表現(xiàn)為W2 模式大于W1 模式，在W1 模式下，F(xiàn)1 處理干物質(zhì)積累較高，在W2 模式下，F(xiàn)3 處理干物質(zhì)積累最高；抽穗后干物質(zhì)積累量變化規(guī)律與抽穗前一致。抽穗后干物質(zhì)積累所占比例整體表現(xiàn)為W2 模式大于W1 模式。各處理的干物質(zhì)總積累量以W2F3 處理最大，為24.17 t/hm2。

2.6 灌溉模式與施氮方式對水稻各器官干物質(zhì)積累的影響

由圖5 可知，灌溉模式與施氮方式對水稻不同生育階段各器官的干物質(zhì)積累影響顯著。整體來看，W2模式下的干物質(zhì)積累量明顯高于W1 模式。在抽穗期，W1 模式下F1 處理的干物質(zhì)積累量高，W2 模式下F3處理的干物質(zhì)積累量高。從抽穗期到成熟期，莖和葉的干物質(zhì)積累量均不同程度下降，穗的干物質(zhì)積累量則增加。抽穗期和成熟期干物質(zhì)積累均以W2F3 處理為高。說明干濕交替結(jié)合穗肥比例增加更有利于水稻后期干物質(zhì)的積累，進而有利于產(chǎn)量的增加。

圖5 不同處理對水稻各器官干物質(zhì)積累的影響

2.7 灌溉模式與施氮方式對水稻干物質(zhì)轉(zhuǎn)運特性的影響

由表3 可見，灌溉模式、施氮方式以及其互作對葉片和莖鞘的干物質(zhì)輸出率、轉(zhuǎn)化率都有顯著影響，不同處理水稻的莖鞘物質(zhì)輸出和轉(zhuǎn)化情況差異明顯。二者互作效應下，葉片物質(zhì)輸出率和轉(zhuǎn)化率分別在22.32%~31.91%和1.23%~2.11%范圍內(nèi)波動，莖鞘物質(zhì)輸出率和轉(zhuǎn)化率分別在31.86%~44.70%和3.19%~3.82%范圍內(nèi)波動。在W1 模式下，F(xiàn)2 處理的葉片物質(zhì)輸出率和轉(zhuǎn)化率均較高，而莖鞘物質(zhì)輸出率和轉(zhuǎn)化率均較低；在W2 模式下，葉片物質(zhì)輸出率和轉(zhuǎn)化率均以F1 處理最高，F(xiàn)3 處理最低，兩者輸出率相差3.99 個百分點，轉(zhuǎn)化率相差0.32 個百分點。

表3 不同處理對水稻干物質(zhì)轉(zhuǎn)運特性的影響

3 討論

3.1 灌溉模式和施氮方式對水稻產(chǎn)量形成的影響

為了增加水稻產(chǎn)量人們大量使用化肥[18]，生產(chǎn)過程中不合理的灌溉模式會造成稻田氨揮發(fā)、氮滲漏等損失，進而導致氮素利用效率降低[19]，造成資源的浪費并對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害。因此構(gòu)建協(xié)同提高水稻產(chǎn)量的適宜灌溉模式和施氮管理方式是水稻生產(chǎn)中迫切需要解決的重要問題。陳云等[20]研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)灌溉相比，干濕交替灌溉顯著提高水稻產(chǎn)量7.4%~9.1%。SU等[21]研究表明，干濕交替灌溉模式通過增加每穗穎花數(shù)、穗質(zhì)量和收獲指數(shù)來增加水稻籽粒產(chǎn)量。吳龍龍等[22]研究發(fā)現(xiàn)，干濕交替灌溉模式較淹水灌溉模式顯著提高了水稻有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和結(jié)實率。彭少兵等[23-24]研究表明，干濕交替灌溉模式可以使每穴分蘗增加到2個以上，并減少水稻無效分蘗的發(fā)生，進而提高水稻的莖蘗成穗率。YE 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，干濕交替灌溉模式和施氮均能提高水稻成熟期的穗部生物量。干濕交替灌溉處理的結(jié)實率和千粒重均高于常規(guī)灌溉處理，而且在相同的氮處理下，干濕交替灌溉處理也比常規(guī)灌溉表現(xiàn)出更高的收獲指數(shù)[26]。在本試驗中，干濕交替灌溉模式下的水稻產(chǎn)量顯著高于淹水灌溉模式，但由于施氮方式不同，各處理組合也有差異，以W2F3 處理組合的產(chǎn)量最高，分析其產(chǎn)量構(gòu)成因素，發(fā)現(xiàn)其單位面積有效穗數(shù)、穗粒數(shù)以及結(jié)實率都顯著高于其他處理組合，這可能是因為在該處理組合條件下，更利于水分和氮素的相互協(xié)調(diào)。CHEN 等[27]研究表明，優(yōu)化的栽培模式可以延緩根系衰老，保證水稻生長后期有一定的物質(zhì)吸收和轉(zhuǎn)運能力，進而增加水稻產(chǎn)量。本試驗的灌溉模式和施氮方式可能促進了水稻根系生長發(fā)育，增強了根系生理功能，提高了水稻根系對水分和養(yǎng)分的吸收能力，同時能夠促進地上部生長發(fā)育，從而有利于水稻產(chǎn)量的形成。

3.2 灌溉模式和施氮方式對水稻干物質(zhì)積累與分配的影響

在水稻生產(chǎn)過程中，抽穗揚花期和成熟期是水稻物質(zhì)生產(chǎn)的關(guān)鍵時期。史鴻儒等[28]研究表明，水稻高產(chǎn)應適當后移施氮比例和調(diào)整粒肥施用時期，以適度降低最高分蘗數(shù)換取提高收獲指數(shù)。適當?shù)牡屎笠瓶梢杂行а泳徣~片衰老，從而延長光合作用活躍時間，提高后期凈光合能力，促進光合作用產(chǎn)物的積累和運轉(zhuǎn)，最終達到增產(chǎn)的目的。有研究指出，干濕交替灌溉模式活躍的根系代謝確保了足夠的養(yǎng)分和水分進入葉片，從而獲得了更高的光合作用速率和干物質(zhì)積累[29]。相關(guān)研究表明，水稻不同生長階段的干物質(zhì)生產(chǎn)比例協(xié)調(diào)，抽穗期至成熟期的干物質(zhì)積累量越多，越有利于水稻產(chǎn)量的提高[30]。抽穗前莖鞘所儲藏的光合產(chǎn)物向穗的輸出與轉(zhuǎn)換特性直接影響著水稻產(chǎn)量的形成。PAN等[31]研究發(fā)現(xiàn)，莖鞘的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物對籽粒產(chǎn)量的表觀貢獻率在正常氮肥水平下為1%~15%，莖鞘非結(jié)構(gòu)性碳水化合物向籽粒的再分配有利于水稻產(chǎn)量的形成，尤其是在脅迫條件下，促進其向籽粒轉(zhuǎn)運并適當彌補灌漿期同化物供應不足所引起的產(chǎn)量下降[32-33]。

在本試驗中，灌溉模式和施氮方式及其互作對水稻干物質(zhì)的積累存在極顯著的影響，這與鄧飛等[34]的研究結(jié)果基本一致。本試驗中W2F3 處理組合抽穗前、后干物質(zhì)總積累量和收獲指數(shù)表現(xiàn)最佳，分析其原因可能是水分和氮肥供應匹配合理，雙方相互促進。研究表明，將氮肥從幼穗分化期后移至穎花分化期施用[35]等氮肥管理方式，可提高弱勢籽粒庫的活性并促進莖鞘非結(jié)構(gòu)性碳水化合物向籽粒運輸，提高結(jié)實率。在本試驗中，在同一灌溉模式下，適當?shù)屎笠瓶梢蕴岣咚窘Y(jié)實率，這與前人研究一致。W1F3 和W2F3 處理的莖鞘干物質(zhì)輸出率和轉(zhuǎn)運率較高，兩者之間差異不顯著。此外，W1F2 和W2F1 處理顯著提高了葉片干物質(zhì)輸出率和轉(zhuǎn)運率。這種改善有利于源-庫-流關(guān)系的協(xié)調(diào)。在擴大“庫”容量的基礎(chǔ)上，保證供應“源”，實現(xiàn)源庫高度平衡，從而提高產(chǎn)量。

4 結(jié)論

灌溉模式與施氮方式通過協(xié)調(diào)水分和氮素，影響水稻地上部生物量的形成，進而影響產(chǎn)量的形成。其中，灌溉模式主要通過影響水稻的成穗率以及干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運影響產(chǎn)量的形成，而施氮方式主要通過影響莖蘗動態(tài)，增加分蘗使有效穗數(shù)提高，進而提高水稻產(chǎn)量。灌溉模式與施氮方式對水稻劍葉SPAD、LAI、干物質(zhì)積累與分配，以及干物質(zhì)轉(zhuǎn)運特性存在顯著交互作用。從水肥高效利用的角度綜合考慮，干濕交替灌溉模式下采用F3 施氮方式（基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3）水稻產(chǎn)量高，在生產(chǎn)上具有應用推廣價值。