田亞芹，馮利平，鄒海平，張祖建， 朱化敏，苗宇新

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193； 2. 河北省氣象服務(wù)中心，石家莊 050021；3. 揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，揚(yáng)州 225009； 4. 黑龍江省農(nóng)墾總局建三江分局農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，建三江 156300)

寒地水稻區(qū)是指北緯43°以北的黑龍江省全省以及吉林省北部部分縣市的水稻種植區(qū)。黑龍江省是國家重要的商品稻谷產(chǎn)地之一，2011年黑龍江水稻種植面積超過340萬hm2，稻谷產(chǎn)量達(dá)到2062.0 萬t，成為全國稻谷產(chǎn)量第二大省[1]。

水分、氮素是影響水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量的重要因素。我國水稻節(jié)水灌溉主要模式歸納為淺、濕、曬結(jié)合，間歇淹水，半旱栽培和蓄雨等4類[2]。呂艷東等[3]在寒地稻作區(qū)進(jìn)行水稻全生育期間歇控水盆栽試驗(yàn)，認(rèn)為間歇控水引起品種有效穗數(shù)降低，穗粒數(shù)增多，結(jié)實(shí)率提高，千粒重增加。王秋菊[4]研究表明適當(dāng)控水灌溉可以增加水稻根系長度、數(shù)量、根體積，干物重及增強(qiáng)水稻根系活力。有些學(xué)者[5- 7]在進(jìn)行氮素對(duì)寒地水稻的影響研究中認(rèn)為，中國水稻生產(chǎn)氮肥施用量較高而利用率較低。我國寒地稻作條件和日本相似，水稻產(chǎn)量兩地相差不大，但寒地氮肥用量過高，施肥時(shí)期不合理，致使氮肥偏生產(chǎn)力低。

目前在我國南方稻作區(qū)進(jìn)行過較多的水氮及其耦合對(duì)水稻生長及產(chǎn)量的影響研究[8- 11]，而在寒地水稻區(qū)多為單一因素的影響研究[3- 7]，而關(guān)于不同水分和氮素處理對(duì)中國東北寒地水稻生育及產(chǎn)量影響的研究尚未見報(bào)道。本文通過兩年不同水氮處理的大田試驗(yàn)研究水分和氮素對(duì)中國東北地區(qū)寒地水稻生育及產(chǎn)量的影響，以期為該地水稻田水肥科學(xué)管理，實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)高產(chǎn)高效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)設(shè)在黑龍江省富錦市建三江(47.28°N，132.63 °E，海拔64.8 m)，當(dāng)?shù)責(zé)o霜期110—130 d，活動(dòng)積溫2300—2500 ℃，日照時(shí)數(shù)2200—2400 h；夏季短溫度低，冬季長而寒冷，一年一熟，屬高寒稻作區(qū)[1]。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2010—2011年5—9月在建三江科研所進(jìn)行，兩年供試品種均為空育131(11葉)和龍粳21(12葉)。設(shè)灌溉方式、施氮量二因素試驗(yàn)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積40 m2。試驗(yàn)地土壤為粘壤土，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為3.20%、145 mg/kg、30.0 mg/kg和106.8 mg/kg，pH值為6.0，土壤容重為1.25 g/cm3。

2010年灌溉處理設(shè)雨養(yǎng)(W0，只在返青期及施肥期進(jìn)行必要的適量灌溉)、間歇灌溉(W1，土壤水勢保持在-10 —-25 kPa)、水層灌溉(W2，土壤水勢為0 kPa)。施氮處理設(shè)常規(guī)水平(F1，施純氮總量為112.5 kg/hm2，分別作基肥:分蘗肥:穗肥施氮比例為4∶2∶4)、高氮水平(F2，施純氮總量為142.5 kg/hm2，分別作基肥∶分蘗肥∶穗肥施氮比例為3∶3∶4)。2011年灌溉處理設(shè)置同2010年。施氮處理設(shè)不施氮(F0)、常規(guī)水平(F1，施純氮總量為135 kg/hm2，分別作基肥∶分蘗肥∶穗肥施氮比例為4∶2∶4)、高氮水平(F2，施純氮總量為172.5 kg/hm2，分別作基肥∶分蘗肥∶穗肥施氮比例為3∶3∶4)。兩年試驗(yàn)均施用磷肥(P2O5)純量45 kg/hm2，作基肥一次性施入；鉀肥(K2O)純量120 kg/hm2，分基肥和穗肥兩次施入，比例1∶1。

寒地水稻大田生長期主要集中在5月至9月上旬。在塑料大棚中采用旱育秧，4月中上旬播種，4月下旬出苗，5月中下旬整地打漿，使用機(jī)械打勻打深，小區(qū)之間以田埂和水渠隔開，每個(gè)小區(qū)能夠單獨(dú)灌溉。在5月下旬3—3.5葉齡移栽，移栽密度28—31 穴/m2，4—5 株/穴。病蟲害防治及除草等栽培管理同當(dāng)?shù)卮筇锼旧a(chǎn)。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

調(diào)查記載水稻發(fā)育期。

各器官干物重與葉面積系數(shù)(LAI)的測定：在苗期、幼穗分化期、抽穗期、抽穗后20d和成熟期測定莖、葉、穗各器官的干物重。方法是將取回的植株樣品洗凈后剪去根系，按莖葉穗分開置于烘箱中，105 ℃殺青半小時(shí)后，調(diào)至75 ℃烘干至恒重，稱重。葉面積系數(shù)測定采用比葉重法，選取其中10個(gè)平均大小的單莖，對(duì)上三葉測定最大葉寬后，剪取中間3 cm長葉片片段，單獨(dú)烘干稱重，求算比葉重，最后根據(jù)樣品總?cè)~重和比葉重計(jì)算出樣本葉面積。

在抽穗期和成熟期將干物重樣本粉碎，測定樣品植株莖、葉、穗各器官含氮量，采用H2SO4-H2O2消煮定氮法[12]。

進(jìn)行產(chǎn)量測定與考種。在成熟期，于測產(chǎn)區(qū)域中割取1 m2樣本，3個(gè)重復(fù)，分別脫粒計(jì)產(chǎn)，并測定有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實(shí)率等。

采用真空表式土壤負(fù)壓計(jì)測定土壤水勢，埋深15 cm，每隔2—3 d讀1次數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算方法

計(jì)算水稻吸氮量和氮肥吸收利用率，其公式分別為：

器官吸氮量=器官含氮量×器官干物重

氮肥吸收利用率(%)=(施氮區(qū)地上部吸氮量-不施氮區(qū)地上部吸氮量)/ 施氮量×100%

通過Excel 2007進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用SPSS17.0軟件方差分析方法(LSD)對(duì)不同水分管理和施氮量處理進(jìn)行生物量及產(chǎn)量的顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分和氮素處理對(duì)水稻發(fā)育期的影響

龍粳21的總生育期比空育131長5—8 d，其中龍粳21在移栽-穗分化時(shí)期比空育131長6 d，而在灌漿期比空育131短2 d。同一水分處理下，不施氮處理水稻生育期比常規(guī)施氮(F1)縮短2—5 d，而高氮下水稻生育期延長2—4 d，間歇灌溉與水層灌溉同一氮素水平下的水稻生育期相同，而雨養(yǎng)處理能夠使水稻生育期縮短1—5 d(表1)。

表1 2011年不同品種各處理水稻關(guān)鍵生育期(月-日)

2010年試驗(yàn)結(jié)果不同處理生育期表現(xiàn)與此相似。兩年試驗(yàn)表現(xiàn)出雨養(yǎng)處理下生育期縮短，低氮處理生育期縮短。

2.2 不同水分和氮素處理對(duì)水稻葉面積指數(shù)的影響

兩年試驗(yàn)中，兩品種葉面積指數(shù)(LAI)在分蘗盛期后迅速增加，在抽穗期前后達(dá)到最大，此后逐漸下降 (圖1)。

兩年中在水稻抽穗期兩品種氮素處理間葉面積指數(shù)有顯著差異，空育131、龍粳21高氮處理的LAI分別顯著高出常規(guī)施氮處理15%、16%，常規(guī)施氮處理LAI顯著高出不施氮處理20%、31%。間歇灌溉與水層灌溉之間差異不顯著，空育131間歇灌溉、水層灌溉顯著高出雨養(yǎng)處理11%、13%；龍粳21間歇灌溉、水層灌溉顯著高出雨養(yǎng)處理26%、18%。

在F0處理?xiàng)l件下，在水稻抽穗期空育131、龍粳21間歇灌溉LAI比雨養(yǎng)條件下分別高出30%、36%，而在高氮F2條件下比雨養(yǎng)下僅高出2%、8%。可見，在低氮條件下，水分不足的限制作用明顯，而高氮?jiǎng)t能一定程度地彌補(bǔ)水分的限制，促進(jìn)葉片的生長。

2.3 不同水分和氮素處理對(duì)水稻地上部總干物重影響

地上部干物質(zhì)總重隨發(fā)育進(jìn)程不斷增加，在水稻營養(yǎng)生長階段莖重、葉重不斷增加，地上部干物質(zhì)總重增加迅速，在生殖生長階段莖重、葉重開始降低，穗重增加，總干物重增加減緩，地上部總干物重在成熟期達(dá)到最大值(圖2)。

水稻成熟期干物重雨養(yǎng)與水層灌溉、雨養(yǎng)與間歇灌溉之間差異顯著，間歇灌溉與水層灌溉之間差異不顯著，比雨養(yǎng)處理高出12%左右。

水分處理相同時(shí)，隨著施氮量的增加地上部總干物重顯著增加。在雨養(yǎng)條件下，這種趨勢在水稻生長早期即開始出現(xiàn)。在不施氮條件下，雨養(yǎng)處理與水層灌溉相比，莖重最大值降低20%左右，葉重最大值降低43%左右，在成熟期葉重降低57%。在高氮條件下，雨養(yǎng)處理比水層灌溉莖重降低僅為8%—11%，葉重降低2%—6%，同樣在不施氮情況下，間歇灌溉與水層灌溉分別比雨養(yǎng)條件下穗重高17%、14%；在高氮條件下，水層灌溉、間歇灌溉、雨養(yǎng)處理之間的穗重相差較小，說明當(dāng)?shù)厮旧a(chǎn)中氮肥作用大于水分，增加施氮量可以在一定程度上減緩水分脅迫對(duì)水稻的影響。

圖1 不同處理兩品種葉面積指數(shù)(LAI)的動(dòng)態(tài)變化(2010—2011)

圖2 不同處理空育131品種地上部總干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)(2010—2011)

2.4 不同水分和氮素處理對(duì)水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素影響

不同水分處理和氮素對(duì)水稻生長發(fā)育及生理活動(dòng)所產(chǎn)生的各種影響，最終會(huì)影響到水稻產(chǎn)量形成。由表2 可見，施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量影響達(dá)極顯著水平。相同水分條件下，空育131和龍粳21高氮產(chǎn)量分別較不施氮分別提高了50%、38%、36%、30%、46%、66%。

表2 不同處理兩品種水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素(2010—2011)

水分處理對(duì)水稻產(chǎn)量影響顯著，均表現(xiàn)出兩品種水層灌溉與間歇灌溉之間產(chǎn)量差異不顯著，水層灌溉、間歇灌溉與雨養(yǎng)處理間差異顯著?？沼?31水層灌溉較雨養(yǎng)產(chǎn)量顯著提高23%、12%，龍粳21顯著提高20%、12%。由此可見，空育131、龍粳21品種在水層灌溉和高氮處理下均具較大增產(chǎn)潛力。雙因子方差分析表明，兩年度兩品種產(chǎn)量的水氮互作效應(yīng)均不顯著。

由表2可見，水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重，隨著施氮量的增加而增加。增加施氮量可以顯著地提高水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重。

在施氮水平一致的條件下，雨養(yǎng)處理水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)顯著降低。有效穗數(shù)、水層灌溉處理與間歇灌溉處理之間差異不顯著，水層灌溉、間歇灌溉與雨養(yǎng)處理之間有顯著性差異。

兩年度兩品種有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重水氮互作效應(yīng)均不顯著。

2010、2011年度空育131有效穗數(shù)比龍粳21有效穗數(shù)分別高36.7%、50.3%；而龍粳21的每穗粒數(shù)比空育131分別高61.5%、33%，說明空育131分蘗力強(qiáng)，有效穗數(shù)多，而龍粳21相比于空育131分蘗力弱，每穗粒數(shù)多。

2.5 不同水分和氮素處理對(duì)水稻氮素利用效率的影響

由表3可見在水分條件一致時(shí)，隨著施氮量的增加，兩品種莖、葉、穗吸氮量、氮肥吸收利用率顯著增加?？沼?31(除成熟期葉氮素積累量)水分處理間有顯著差異，而水氮交互作用(除抽穗期葉氮素積累量)不顯著；氮肥吸收利用率在間歇灌溉與水層處理?xiàng)l件下無顯著差異，二者分別顯著高出雨養(yǎng)處理63%、50%。

表3 不同水分和氮素處理對(duì)水稻植株氮素積累量及氮肥利用率的影響

龍粳21抽穗期莖、葉吸氮量及成熟期穗吸氮量水分處理間有顯著差異，氮肥吸收利用率在間歇灌溉與水層處理?xiàng)l件下無顯著差異，二者分別顯著高出雨養(yǎng)處理24%、31%。穗吸氮量在抽穗期和成熟期均有顯著互作效應(yīng)。

3 討論與結(jié)論

水氮是水稻生長的主要限制因子，寒地水稻區(qū)多為井灌區(qū)，并多采用水層灌溉方式，消耗地下水多。本文通過對(duì)2010—2011年水氮處理對(duì)水稻生長狀況及產(chǎn)量的影響分析，認(rèn)為間歇灌溉及高氮管理(142—173 kg/hm2)具有較好的增產(chǎn)效應(yīng)及氮素利用率。周明耀[8]在南方稻作區(qū)研究認(rèn)為間歇灌溉及適當(dāng)?shù)厮?202 kg/hm2)時(shí)產(chǎn)量及氮素利用率均較高，二者結(jié)果較為一致。

不同水氮處理?xiàng)l件下，雨養(yǎng)水稻氮素利用率顯著降低，水層處理水分利用率顯著降低，所以間歇灌溉能夠使水稻產(chǎn)量不降低的情況下增加水稻氮素利用效率。這與前人研究結(jié)果一致[13- 15]。王紹華[10]研究也表明施氮量增加，水稻吸氮量增多，氮素利用率和產(chǎn)谷效率下降；水分脅迫增加，增強(qiáng)了氮肥降低水稻氮素利用率的效應(yīng)。有研究表明[4,16]間歇灌溉處理使水稻蹲苗穩(wěn)長，促進(jìn)根系良好發(fā)育和對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收，為水稻生長提供了有利條件，而缺水與缺氮使根分布淺，易早衰，對(duì)水稻的生長發(fā)育起到脅迫作用。因此雨養(yǎng)水稻的生長指標(biāo)較之水層灌溉顯著降低。本文得出，在低施氮條件下，水分不足的限制作用明顯，而高施氮?jiǎng)t能一定程度上彌補(bǔ)水分的限制，促進(jìn)水稻的生長。當(dāng)?shù)厮旧a(chǎn)中氮肥作用大于水分，增加施氮量可以彌補(bǔ)水分限制對(duì)水稻的影響。

本研究表明，增加施氮量能顯著地提高水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)，而水層灌溉處理與間歇灌溉處理之間二者差異均不顯著，雨養(yǎng)水稻有效穗數(shù)顯著降低，這造成了不同處理間的產(chǎn)量差異。這與Sun Yongjian[9]研究結(jié)果部分相似，本研究比較兩品種產(chǎn)量構(gòu)成因素可知，空育131分蘗力強(qiáng)，有效穗數(shù)多，而龍粳21相比于空育131分蘗力弱，每穗粒數(shù)多。

與以往寒地水稻研究中水分、氮素單因素研究相比[17- 18]，本文通過大田試驗(yàn)研究品種、水分、氮素及水氮互作對(duì)水稻生育期、葉面積、地上部干物重及水稻產(chǎn)量的影響，可深入了解水稻生產(chǎn)中水肥多因素互相制約、互相影響的問題。深入探討水氮互作效應(yīng)及合理的水肥管理措施，為生產(chǎn)管理提供理論依據(jù)。也有研究表明[19]，在南方常規(guī)施氮量(240 kg/hm2)下干濕交替灌溉對(duì)水稻產(chǎn)量無顯著差異，但在高氮(300 kg/hm2)條件下干濕交替灌溉顯著提高了水稻產(chǎn)量，其原因是由于干濕交替使得葉片光合速率和葉綠素含量下降較少，結(jié)實(shí)率和粒重增加明顯超過光合作用下降造成的產(chǎn)量損失，產(chǎn)量明顯提高。寒地水稻區(qū)由于土壤土壤肥力較高，當(dāng)?shù)氐氖┓仕皆?50 kg/hm2，對(duì)于進(jìn)一步提高施氮水平，間歇灌溉的產(chǎn)量是否與南方水稻有一致的變化，還有待研究。

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