朱 寒，時(shí)元智，洪大林，程一帆，王 力

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210024；3.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

水稻是我國(guó)最重要的糧食作物之一，水熱條件和施肥狀況是影響水稻生長(zhǎng)與最終產(chǎn)量的限制性因素[1,2]，以實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)為目標(biāo)的水肥調(diào)控與管理模式研究受到廣泛關(guān)注[3-5]。研究表明，水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)與其生長(zhǎng)周期內(nèi)的光合作用密不可分，而葉片葉綠素含量的高低是表征水稻光合效率與生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)[6-8]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，掌握“灌溉施肥—葉綠素含量—產(chǎn)量”之間的相關(guān)關(guān)系，定時(shí)監(jiān)測(cè)作物葉綠素含量及健康狀況，并根據(jù)反饋結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)控水肥用量，是提高水肥利用率、實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效途徑[5,8-10]。SPAD-502型葉綠素計(jì)(Konica Minolta，日本)[11]測(cè)定的數(shù)值可用來(lái)表征植物葉片葉綠素的相對(duì)含量，稱(chēng)之為“SPAD值”。研究表明，SPAD值與作物氮素營(yíng)養(yǎng)水平具有一定相關(guān)性[12,13]，可通過(guò)建立基于SPAD值的水稻施氮模型[9]，實(shí)現(xiàn)作物氮素營(yíng)養(yǎng)實(shí)時(shí)診斷，進(jìn)而優(yōu)化氮肥管理[10]，提高氮肥利用率。與植物組織分析方法[14]或光譜遙感方法[15]相比，SPAD-502能經(jīng)濟(jì)、便捷、實(shí)時(shí)、無(wú)損地診斷作物氮素營(yíng)養(yǎng)水平，易于推廣應(yīng)用[16,17]。

在一定范圍內(nèi)，水氮互作對(duì)植物葉綠素含量會(huì)產(chǎn)生水肥耦合效應(yīng)，但不同植物存在差異。水氮對(duì)黃瓜、番茄和桉樹(shù)苗木SPAD值存在耦合正效應(yīng)[10,18,19]，即在同一施氮水平下，增加灌水量對(duì)葉綠素含量的提高起到了促進(jìn)作用；相反地，隨著水分脅迫的加劇，3種氮素水平下的小麥葉片葉綠素含量表現(xiàn)出增大趨勢(shì)[20]。對(duì)于水稻，以往研究多側(cè)重單因子(例如氮素)對(duì)葉片SPAD值的影響，而SPAD值及產(chǎn)量對(duì)水氮因子交互作用的響應(yīng)研究較少。此外，施肥定量條件下肥料分配(施肥次數(shù))對(duì)水稻葉片SPAD值的影響研究也鮮有報(bào)道。本文以鄱陽(yáng)湖流域贛撫平原灌區(qū)典型稻田為研究對(duì)象，分析了以水氮互作及施肥次數(shù)為關(guān)鍵的水肥調(diào)控模式對(duì)水稻葉片SPAD值及產(chǎn)量的影響，旨在揭示灌溉、施肥與葉綠素相對(duì)含量及產(chǎn)量的關(guān)系，以期為水稻水肥管理提供科學(xué)依據(jù)和有效建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在位于鄱陽(yáng)湖流域贛撫平原灌區(qū)內(nèi)的江西省灌溉試驗(yàn)中心站進(jìn)行(116°0′E，28°26′N(xiāo))。贛撫平原灌區(qū)位于贛江和撫河下游的三角洲平原地帶，有效灌溉面積6.7 萬(wàn)hm2，作物以水稻為主，是江西省的糧食主產(chǎn)區(qū)。灌區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫18.1 ℃，年平均降雨量1 747 mm，年平均蒸發(fā)量1 139 mm。試驗(yàn)站水稻種植區(qū)耕作層厚度約20 cm，土壤類(lèi)型為壤砂土，平均密度1.36 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量17.4 g/kg，全氮1.02 g/kg，全磷0.29 g/kg，速效鉀74.8 mg/kg，pH值6.8。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)水稻品種為陸兩優(yōu)996，2013年4月25日插秧，7月12日收割，生育期79 d。

試驗(yàn)考慮灌溉方式、施氮水平和追肥方式3個(gè)因素，設(shè)2種灌溉方式：淹水灌溉(W0)、間歇灌溉(W1)，水層控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)文獻(xiàn)21；4個(gè)施氮水平(尿素，以純N計(jì))：0 kg/hm2(N0)、135 kg/hm2(N1)、180 kg/hm2(N2)、225 kg/hm2(N3)；2種追肥方式：2次施肥(F1)，即插秧前1 d先施50%氮肥作基肥，移栽后10 d再施剩余50%氮肥作分蘗肥。3次施肥(F2)，即插秧前1 d先施50%氮肥作基肥，移栽后10 d再施30%氮肥作分蘗肥，移栽后35～40 d施剩余20%氮肥作穗肥。

經(jīng)組合，試驗(yàn)共設(shè)14個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)站水稻種植區(qū)內(nèi)設(shè)42個(gè)標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)，各小區(qū)面積75 m2，采用高30 cm的田埂隔開(kāi)。水稻種植區(qū)四周設(shè)有寬1 m的保護(hù)行。同一區(qū)組內(nèi)小區(qū)隨機(jī)排列，區(qū)組間用排灌溝分開(kāi)。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Tab.1 Design of experimental treatment

各處理磷肥、鉀肥施用標(biāo)準(zhǔn)與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣相同，即：磷肥(鈣鎂磷肥，以P2O5計(jì)，67.5 kg/hm2)全部用作基肥；鉀肥(氯化鉀，以K2O計(jì)，150 kg/hm2)按基肥∶穗肥=9∶11施用。

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

(1)SPAD值。試驗(yàn)采用SPAD-502型葉綠素計(jì)測(cè)定各處理水稻葉片的SPAD值，結(jié)果以葉綠素計(jì)測(cè)定葉片中部的讀數(shù)為準(zhǔn)。每個(gè)小區(qū)選定10株長(zhǎng)勢(shì)均勻的水稻，分別測(cè)定分蘗后期(5月22日)、拔節(jié)孕穗期(6月4日)的倒1、倒2、倒3完全張開(kāi)葉，抽穗開(kāi)花期(6月24日)的倒1、倒2完全張開(kāi)葉以及乳熟期(7月4日)的劍葉、倒2完全張開(kāi)葉的SPAD值。各生育期開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)，每層測(cè)量10～20片葉，各小區(qū)共計(jì)測(cè)量30～60片葉，其平均值作為該處理在該生育期的SPAD值。

(2)產(chǎn)量。黃熟期水分落干后，各小區(qū)選定5 m2作為測(cè)產(chǎn)區(qū)域，單打單收，測(cè)定稻谷重量。將稻谷烘干至恒重，計(jì)算其含水率，最后統(tǒng)一折算為13.5%含水率的實(shí)收產(chǎn)量?？疾旄餍^(qū)實(shí)割蔸數(shù)、單兜實(shí)際產(chǎn)量，最終算出每公頃的理論產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2013、SPSS 21.0 Origin 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和作圖。顯著性差異分析采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)、單因素方差分析、單變量方差分析等統(tǒng)計(jì)方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理SPAD值動(dòng)態(tài)變化及產(chǎn)量分析

由圖1和圖2可知，水稻葉片SPAD值(葉綠素相對(duì)含量)隨作物生育期的推進(jìn)表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且不同水、氮處理呈現(xiàn)相對(duì)一致的變化特征。不同水、氮處理下葉片SPAD值大多在水稻抽穗開(kāi)花期到達(dá)峰值，轉(zhuǎn)而逐漸下降。原因是水稻自孕穗后進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段，氮素供應(yīng)開(kāi)始由葉片轉(zhuǎn)向籽粒，葉片中葉綠素含量隨之下降，葉片逐漸發(fā)黃老化，至黃熟期時(shí)，氮素供應(yīng)已主要轉(zhuǎn)向穗部，SPAD值降至最低。

圖1 2種灌溉模式下水稻葉片SPAD值動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of rice's leaf SPAD values under two irrigation patterns

圖2 不同施氮水平下水稻葉片SPAD值動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of rice's leaf SPAD values under four nitrogen levels

灌溉模式對(duì)水稻葉片SPAD值的影響主要體現(xiàn)在生育中后期，水稻孕穗-抽穗以后，淹灌模式下葉片SPAD值顯著大于間歇灌溉模式(P<0.05)。這表明，水稻在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，葉綠素的合成對(duì)水分的需求不太敏感；進(jìn)入生殖生長(zhǎng)后，充足的水分供應(yīng)(維持田面一定水層)能促進(jìn)水稻葉片葉綠素含量的提高。但從產(chǎn)量上看(圖3)，2種灌溉模式下的平均產(chǎn)量基本一致，無(wú)顯著性差異。可見(jiàn)，作物產(chǎn)量的形成機(jī)制較為復(fù)雜，并非由葉綠素含量這一單一因素決定。

施氮量對(duì)葉片SPAD值的影響體現(xiàn)在水稻的全生育期。N0處理下水稻的葉片SPAD值顯著低于施氮處理(P<0.01)，氮肥虧缺限制葉綠素合成及葉片光合能力，最終導(dǎo)致稻谷減產(chǎn)(P<0.01)。施氮可顯著提高水稻葉片葉綠素含量，有利于葉片持續(xù)性保綠和增產(chǎn)。隨施氮量的增加，葉片SPAD值逐漸增大，各生育期不同施氮量處理間的SPAD值存在顯著差異(P<0.05)，且該差異在生育后期愈發(fā)顯著。高氮(N3)處理下水稻在乳熟期呈現(xiàn)“貪青現(xiàn)象”，SPAD值下降不明顯，但N3與N2處理在作物產(chǎn)量上無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，N2產(chǎn)量均值略大于N3。這表明，氮肥供應(yīng)對(duì)產(chǎn)量的影響存在邊際效應(yīng)，過(guò)量的氮肥供應(yīng)并不能使作物增產(chǎn)。

結(jié)合不同灌溉模式下產(chǎn)量分析來(lái)看，水稻葉片的葉綠素含量可能存在一個(gè)閾值，當(dāng)葉綠素含量小于該值時(shí)，充足的水、氮供應(yīng)能提高作物葉綠素含量及其光合能力，促進(jìn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和籽粒積累；過(guò)量的水、氮供應(yīng)使得葉綠素含量大于該值時(shí)，作物產(chǎn)量便不再受其限制，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)效應(yīng)。

2.2 追肥方式對(duì)SPAD值和產(chǎn)量的影響

三次施肥(F2)方式與二次施肥(F1)方式在基肥階段的氮素施用量和施用時(shí)間均一致，故分蘗期前的水稻葉片SPAD值無(wú)顯著差異。F2和F1在水稻分蘗期均追肥一次(施分蘗肥)，盡管施用量有所不同，但從SPAD值來(lái)看，分蘗肥用量差異對(duì)水稻拔節(jié)至開(kāi)花期的葉片SPAD值影響較小。后續(xù)有無(wú)追肥是影響抽穗開(kāi)花期以后葉片SPAD值高低的關(guān)鍵，多追肥一次的F2方式的水稻葉片SPAD值顯著大于穗期不再施肥的F1方式(圖4)，即本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的追肥方式對(duì)水稻葉片SPAD值的影響在乳熟期達(dá)到顯著水平(P<0.05)。圖4表明，F(xiàn)2方式下作物平均產(chǎn)量比F1方式增產(chǎn)約5%。這表明，相同施氮量下，與農(nóng)民傳統(tǒng)施肥2次相比，通過(guò)合理調(diào)整追肥方式和次數(shù)，在抽穗期增加追肥1次能明顯減緩葉片SPAD值下降的速度，延緩植株衰老，增加作物生長(zhǎng)后期光合效率，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。

圖4 不同追肥方式下水稻SPAD值及產(chǎn)量的對(duì)比Fig.4 Comparison of rice's leaf rice SPAD values and yield under different topdressing methods

觀察各灌溉模式、施氮水平和追肥方式下水稻乳熟期SPAD值及其最終產(chǎn)量，當(dāng)SPAD值小于37時(shí)，乳熟期SPAD值的差異將導(dǎo)致較為明顯的產(chǎn)量差異；當(dāng)SPAD值大于40時(shí)，乳熟期維持高SPAD值并不能帶來(lái)產(chǎn)量上的大幅提升。因此，為獲得作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，對(duì)早稻品種“陸兩優(yōu)996”，應(yīng)通過(guò)水肥調(diào)控將乳熟期葉片SPAD值控制在37～40之間。

2.3 水氮耦合對(duì)SPAD值及產(chǎn)量的交互效應(yīng)分析

采用多因素隨機(jī)區(qū)組的單變量方差分析，結(jié)果見(jiàn)表2。灌溉模式、施氮水平以及追肥方式等水肥管理措施對(duì)水稻葉片SPAD值，特別是乳熟期葉片SPAD值的影響達(dá)到顯著或極顯著程度，但灌溉模式對(duì)水稻產(chǎn)量的影響不顯著，施氮量和追肥方式是決定產(chǎn)量高低的主要因素。灌溉模式*施氮量、施氮量*追肥方式、灌溉模式*追肥方式以及灌溉模式*施氮量*追肥方式的交互作用不明顯，施氮量和追肥方式的配合對(duì)乳熟期葉片SPAD值影響較顯著。在非水氮虧缺條件下(施氮量自由度為2)，水稻產(chǎn)量的主影響因素是施氮量，其次是追肥方式，水稻產(chǎn)量對(duì)氮素的敏感性大于水分。

表3為水稻各生育期葉片SPAD值與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，從Pearson相關(guān)性和顯著性分析可以看出，拔節(jié)孕穗期和乳熟期的葉片SPAD值與產(chǎn)量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，特別是在乳熟期，兩者表現(xiàn)為極顯著相關(guān)(P<0.01)。這表明提高乳熟期葉片SPAD值是水稻增產(chǎn)的有效手段。在實(shí)施水肥調(diào)控管理時(shí)，可通過(guò)監(jiān)測(cè)水稻乳熟期的葉片SPAD值來(lái)預(yù)測(cè)其產(chǎn)量水平，并根據(jù)反饋結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整灌溉施肥。

表2 水肥耦合對(duì)SPAD值和產(chǎn)量的交互效應(yīng)分析Tab.2 Interaction of water and fertilizer coupling on SPAD values and yield

注：**、*分別表示影響因素達(dá)到0.01、0.05的顯著水平。

表3 水稻各生育期SPAD值與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系Tab.3 Correlation between SPAD values and yield in different growth stages of rice

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)灌溉模式、施氮量和追肥方式均對(duì)水稻葉片SPAD值產(chǎn)生顯著影響，但影響階段有所差異。灌溉模式和追肥方式對(duì)SPAD值的影響體現(xiàn)在生殖生長(zhǎng)階段，施氮量則體現(xiàn)在作物全生育期。

(2)施氮量和追肥方式顯著影響水稻產(chǎn)量，而灌溉模式對(duì)產(chǎn)量的影響不顯著。氮肥虧缺會(huì)抑制水稻葉片葉綠素合成并導(dǎo)致作物產(chǎn)量低下，施氮?jiǎng)t會(huì)顯著提高葉片SPAD值和作物產(chǎn)量。隨著施氮量的增加，氮肥對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)表現(xiàn)出邊際效應(yīng)，高氮處理下水稻乳熟期葉片貪青，而產(chǎn)量無(wú)提升。相同施氮量下，抽穗期多追肥1次的三次施肥方式能明顯延緩作物生長(zhǎng)后期SPAD值的下降，提高作物產(chǎn)量。

(3)灌溉模式、施氮量和追肥方式等田間管理措施之間的交互作用不顯著，施氮是作物產(chǎn)量的主要影響因素，其次是追肥方式。從節(jié)水減排增產(chǎn)的角度，最優(yōu)田間管理措施為W1N2F2(間歇灌溉+180 kg/hm2施氮量+三次施肥方式)。

(4)水稻乳熟期SPAD值與產(chǎn)量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，提高乳熟期葉片葉綠素含量是水稻增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效手段。對(duì)早稻品種“陸兩優(yōu)996”，應(yīng)通過(guò)水肥調(diào)控將乳熟期葉片SPAD值控制在37～40之間。