潘韜文，陳 俁，蔡昆爭①

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，廣東 廣州 510642；3.廣東省生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510642)

水稻是世界主要糧食作物之一，在我國2/3人口以水稻為主食。氮是植物蛋白質(zhì)、葉綠素的重要組成元素，直接參與作物的光合作用和物質(zhì)積累，影響水稻生長。此外，氮是決定作物生產(chǎn)力水平的最重要營養(yǎng)元素。施用氮肥是提高作物氮營養(yǎng)的主要途徑，但作物生產(chǎn)中大量施用氮肥，不僅增加生產(chǎn)成本，還會帶來一系列環(huán)境問題。過多或不正確地施用氮肥，會造成土壤酸化、有機質(zhì)含量減少、土壤板結(jié)和水體富營養(yǎng)化等問題。合理施用氮肥不僅提升水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和氮肥利用率，還可以減少因過量施用所帶來的污染問題。

硅(Si)是地球表面第2大富集元素，由于其對植物的許多有益作用，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域迅速受到關(guān)注[1]。適量施用硅肥可以促進農(nóng)作物生長發(fā)育、調(diào)節(jié)作物養(yǎng)分吸收[2]及提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量[3]等。此外，水稻是一種喜硅、富硅作物，素有硅酸植物之稱，對硅的需求僅次于氮、磷、鉀3大元素[4]。此外，氮硅合理配施可以使各生育期水稻植株氮、磷、鉀、硅含量維持在一個合適水平[5]。同時，利用有效氮、硅是提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本的重要補充策略[6]，可促進水稻對其他元素的吸收和利用，從而達(dá)到高效、高產(chǎn)目的[7]。筆者以南方推廣面積較大的優(yōu)質(zhì)水稻為材料，研究氮硅配施對不同品種水稻植株養(yǎng)分含量、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，篩選合理的氮肥和硅肥施用量，從而為減氮、施硅的水稻生產(chǎn)技術(shù)提供參考依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為華南地區(qū)優(yōu)質(zhì)稻“桂農(nóng)占”和“黃華占”，由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所提供。

1.2 試驗土壤

試驗在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗農(nóng)場進行。土壤主要理化性質(zhì)如下：pH 為6.48，有機質(zhì)含量為17.32 g·kg-1，全氮含量為0.91 mg·g-1，速效磷含量為31.70 mg·kg-1，速效鉀含量為165.38 mg·kg-1，土壤有效硅含量為167.88 mg·kg-1。試驗所用硅肥為山西省曲沃縣瑞豐硅肥廠生產(chǎn)的特種硅鈣鉀肥，有效硅(SiO2)、鈣(CaO)和鉀(K2O)質(zhì)量含量分別為20%、16%和5%。

1.3 試驗設(shè)計

于2011年進行早季(4—7月)和晚季(8—11月)大田試驗，桂農(nóng)占和黃華占2個水稻品種設(shè)3個供氮水平和3個供硅水平。3個供氮水平為低氮(N1)、中氮(N2)和高氮(N3)，對應(yīng)施氮量分別為120、180和240 kg·hm-2。3個供硅水平為低硅(Si1)、中硅(Si2)和高硅(Si3)，對應(yīng)施硅量分別為0、225和450 kg·hm-2。每個品種設(shè)9個處理，進行硅氮互作，每個處理設(shè)3個重復(fù)，隨機區(qū)組排列，共54個小區(qū)，小區(qū)面積為12 m2(長6 m，寬2 m)。氮肥為尿素，施用量均以純氮計，硅肥施用形式為硅鈣鉀肥。由于存在硅鈣鉀肥所帶來的鈣、鉀不等量問題，故各處理均需補齊鈣、鉀含量。

除氮和硅外，所有處理磷肥和鉀肥施用量均相同。磷肥(過磷酸鈣)施用量為375 kg·hm-2，作為基肥，插秧前整地時期一次性施用。鉀肥(氯化鉀)施用量為150 kg·hm-2，基施鉀肥量占總施用量的40%，分蘗肥(插秧后15 d)追施30%，穗肥(插秧后30 d)追施30%。2個水稻品種的生育期大體一致，于同一時間取樣。早、晚季試驗中不同處理在水稻生長的分蘗期、抽穗期、成熟期取樣測定植株葉片全氮、全磷、全鉀及硅含量；在成熟期測定產(chǎn)量指標(biāo)和稻米品質(zhì)。由于早季和晚季試驗結(jié)果一致，僅展示2011年早季試驗結(jié)果。

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.4.1葉片的養(yǎng)分指標(biāo)

全氮含量采用瑞典FOSS公司生產(chǎn)的Kjeltec-2300型全自動凱氏定氮儀對水稻葉片磨細(xì)粉末的消煮液進行測定。全磷含量采用H2SO4-H2O2消煮、釩鉬黃比色法[8]268-270測定。全鉀含量采用H2SO4-H2O2消煮、火焰光度計法[8]270-271測定。硅含量采用高溫堿熔解法[9]測定。

1.4.2產(chǎn)量指標(biāo)

實際產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素：待水稻成熟后測產(chǎn)，并取樣進行考種，包括有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重。

1.4.3稻米品質(zhì)

參照NY 147—88《中華人民共和國農(nóng)業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn) 米質(zhì)測定方法》，包括碾磨品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮與食味品質(zhì)等。稻谷在收獲曬干后須存放3個月以上，待理化性狀穩(wěn)定后方可進行分析。測定指標(biāo)包括出糙率、整精米率、堊白粒率、堊白度、膠稠度和直鏈淀粉含量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

采用Microsoft Excel 2007對數(shù)據(jù)進行計算，采用SPSS 16.0進行統(tǒng)計分析，采用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅氮配施對水稻葉片養(yǎng)分含量的影響

表1顯示，隨施氮水平升高，在分蘗期和抽穗期2個水稻品種葉片氮含量大幅增加，而對成熟期氮含量無顯著影響。在中、高氮水平下，隨生育期的推進，2個水稻品種葉片氮含量逐漸降低。在分蘗期，不同氮、硅水平及氮硅配施下桂農(nóng)占葉片氮含量均有顯著差異，而黃華占只在氮水平下有顯著差異。在抽穗期，不同氮、硅、氮硅配施下2個水稻品種葉片氮含量均有顯著差異，而在成熟期，不同因素對其無顯著影響和交互作用。在分蘗期與抽穗期，N1-Si3處理桂農(nóng)占葉片氮含量比N1-Si1處理分別增加73.3%和17.0%，黃華占與其相似。

表1 硅氮配施對2個品種水稻葉片氮含量的影響

N1、N2和N3分別為低、中和高3個供氮水平，Si1、Si2和Si3分別為低、中和高3個供硅水平。同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示處理間氮含量差異顯著(P<0.05)。ns、*和**分別表示未達(dá)顯著水平以及在0.05和0.01水平上顯著。

對氮硅施用后水稻葉片磷含量變化進行雙因素方差分析的結(jié)果(表2)表明，除了氮、硅、氮硅配施對黃華占抽穗期磷含量具有顯著影響，硅水平對黃華占成熟期具有顯著影響外，其他因素對各個時期2個水稻品種葉片磷含量沒有顯著影響。此外，隨著生育期的推進，在中、高氮水平下2個品種水稻葉片磷含量逐漸降低，與氮含量變化比較類似，但其降低幅度比氮含量要小。

表2 硅氮配施對2個品種水稻葉片磷含量的影響

表3顯示，與氮和磷類似，隨著生育期的推進，不同處理水稻葉片鉀含量逐漸減少。雙因素方差分析表明，除了氮硅配施在成熟期對黃華占鉀含量有顯著影響外，其他因素對2個水稻品種鉀含量無顯著影響。

就不同處理水稻葉片硅含量變化(表4)而言，在分蘗期和抽穗期的3個氮水平下，施用硅顯著增加桂農(nóng)占葉片硅含量，例如在分蘗期和抽穗期，N2-Si3處理葉片硅含量比N2-Si1處理分別增加35.3%和10.0%。而硅氮配施對2個水稻品種成熟期葉片硅含量無顯著影響。此外，在分蘗期，N1-Si3和N2-Si2處理黃華占葉片硅含量較高；在抽穗期和成熟期黃華占硅吸收情況與桂農(nóng)占相似。

表3 硅氮配施對2個品種水稻葉片鉀含量的影響

表4 硅氮配施對2個品種水稻葉片硅含量的影響

2.2 硅氮配施對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

表5顯示，在低、中、高氮水平下，桂農(nóng)占每穗粒數(shù)均表現(xiàn)為中硅與其配比的施氮處理達(dá)最大值，且差異顯著；在低氮水平下，N1-Si3處理有助于其結(jié)實率的增加。除N3-Si1處理外，其他處理對桂農(nóng)占千粒重?zé)o顯著影響。此外，桂農(nóng)占實際產(chǎn)量受結(jié)實率影響較大，各施氮水平下實際產(chǎn)量情況與結(jié)實率相一致。對黃華占而言，各處理間其有效穗數(shù)、千粒重和實際產(chǎn)量無顯著差異。此外，在低氮水平下桂農(nóng)占實際產(chǎn)量隨著硅含量提高而呈增加趨勢，但未達(dá)顯著水平。在所有處理中，N2-Si1處理桂農(nóng)占實際產(chǎn)量最高，達(dá)8 976.0 kg·hm-2。在中、高氮水平下黃華占實際產(chǎn)量也有相同趨勢，實際產(chǎn)量隨著硅含量的提高而增加，但未達(dá)顯著水平。

2.3 硅氮配施對水稻品質(zhì)的影響

由表6可知，硅氮互作對2個水稻品種的出糙率、堊白度無顯著影響。而在不同氮水平下，2個水稻品種整精米率隨硅含量增加而升高。例如，桂農(nóng)占在中氮水平下，高硅處理整精米率比低硅處理提高8.9%；而黃華占更為顯著，N1-Si3處理比N1-Si1處理提高51.3%。

表5 硅氮配施對2個品種水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

表6 硅氮配施對2個品種水稻品質(zhì)的影響

在不同氮水平下，2個水稻品種直鏈淀粉含量變化卻與硅含量變化呈相反趨勢，即硅施用量越高，水稻籽粒直鏈淀粉含量就越低，且達(dá)顯著水平。例如，在高氮水平下，低、中、高硅水平處理桂農(nóng)占籽粒直鏈淀粉含量分別為24.1%、19.5%和17.1%。

2.4 水稻種植施硅減氮經(jīng)濟效益分析與硅氮優(yōu)化施肥方案推薦

根據(jù)硅氮配施對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響(表5)分析， N2-Si1處理桂農(nóng)占產(chǎn)量最高，為8 976.0 kg·hm-2。另外，在低氮水平下隨著硅含量的升高，桂農(nóng)占產(chǎn)量逐漸提高，N1-Si3處理桂農(nóng)占產(chǎn)量達(dá)到8 188.5 kg·hm-2。N3-Si3處理黃華占產(chǎn)量最高，為8 260.5 kg·hm-2。按照尿素2 200元·t-1、硅肥2 000元·t-1計，N2-Si1處理施肥投入為861.3元·hm-2，N1-Si3處理投入為1 384.2元·hm-2，N3-Si3處理投入為2 048.4元·hm-2?？梢杂嬎愕玫絅2-Si1和N1-Si3處理桂農(nóng)占產(chǎn)投比分別為10.42和5.92；N3-Si3處理黃華占產(chǎn)投比為4.03。筆者通過試驗發(fā)現(xiàn)，硅能夠替代一部分氮肥投入，從而達(dá)到高產(chǎn)目的，并降低氮肥施用過量對環(huán)境造成的污染，因此推薦N1-Si3和N2-Si1的施肥方案用于水稻的實際生產(chǎn)中。

3 討論

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，硅已被公認(rèn)為是許多作物特別是水稻和甘蔗的功能性營養(yǎng)元素，并且在作物特別是禾本科作物的生長和發(fā)育中起著重要作用[10]。由于硅的協(xié)同效應(yīng)，施硅能提高水稻最佳氮效率，從而提高水稻生產(chǎn)率[11]。此外，磷硅配施可降低土壤鉛的有效性[12]，有利于緩解其對作物的毒害。

有研究表明，水稻施用硅肥后，可降低水稻高氮的負(fù)面影響[13]，配施硅肥可以避免過量施氮而增加的倒伏風(fēng)險，進而提高水稻產(chǎn)量和抗倒伏性[14]。筆者試驗結(jié)果表明，施用硅肥可以調(diào)節(jié)水稻在不同時期對氮、磷、鉀元素的需求，當(dāng)施用過量時，有抑制供給的作用。例如，在低氮水平下，施用硅肥能促進氮、磷、鉀肥吸收，并且隨著氮、磷、鉀含量升高，促進作用增強。但當(dāng)?shù)窟^高時，施用硅肥能夠平衡水稻對3種元素的吸收比率，以免氮肥過多引起徒長而導(dǎo)致缺素癥。筆者研究表明，施用硅肥可以促進水稻對氮、磷的吸收，在低氮水平下，加硅處理氮吸收量比不加硅處理明顯增多，而硅氮互作對鉀含量影響不大。

施用硅肥可增加水稻植株對硅和氮素的吸收，促進其營養(yǎng)生長。王顯等[15]研究表明，在大田基施硅肥0～262.5 kg·hm-2范圍內(nèi)，隨著施硅量的增加，低氮肥水平下水稻植株硅含量呈顯著增加趨勢，且植株硅積累量變化趨勢與硅含量變化趨勢基本一致。此外，植株內(nèi)氮含量的減少和硅含量的增加提高了水稻的抗倒伏能力[16]。筆者試驗中，在分蘗期和抽穗期低氮水平下2個水稻品種葉片硅含量隨施硅量的增加而增加，且達(dá)到顯著水平。筆者試驗中高硅水平下水稻吸硅能力增強，也進一步證明水稻是喜硅作物。

水稻生物產(chǎn)量是決定產(chǎn)量水平的重要因素[17]。關(guān)于硅肥能否促進水稻產(chǎn)量增加及其機制，前人做過很多研究。施氮肥往往會使水稻葉片下垂，而硅可使水稻保持直立，這使得光合作用增強，產(chǎn)量也有提高[11]。有研究發(fā)現(xiàn)，施硅肥對水稻增產(chǎn)效果顯著，特別是高氮水平下配合增施適當(dāng)硅肥有利于水稻增產(chǎn)[18]。氮肥主要通過影響有效穗、穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重而促進產(chǎn)量形成；硅肥主要通過影響千粒重、結(jié)實率、穗粒數(shù)和有效穗而促進產(chǎn)量形成[19]，增加作物生長過程中的干物質(zhì)積累量[20]。MAUAD等[7]研究發(fā)現(xiàn)，硅對水稻籽粒產(chǎn)量的影響不顯著，但導(dǎo)致粒重增加，穗部不育性降低。在氮、硅互作條件下，也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)適宜的氮素施用量和施肥時期，可以提高抽穗期群體源庫質(zhì)量和群體成穗率，形成高勢粒比群體而促成高產(chǎn)[21]。有研究表明，適量氮硅配施主要通過提高結(jié)實率從而增加水稻產(chǎn)量[22]，筆者試驗也得到類似結(jié)果，且其互作效果與氮肥、硅肥用量有關(guān)。

有研究發(fā)現(xiàn)，施硅不但顯著提高水稻產(chǎn)量，還顯著提高稻米整精米率，顯著降低堊白面積和直鏈淀粉含量[23]，而對稻米糙米率、堊白粒率和堊白度，多數(shù)研究認(rèn)為施硅對稻米食味無明顯影響[24]。筆者試驗中在低氮水平下，2個水稻品種整精米率隨施硅量增加而呈增加趨勢，直鏈淀粉含量呈下降趨勢；中氮水平下，膠稠度隨施硅量增加而呈先增加后減小趨勢，其變化規(guī)律與肖堯[25]研究結(jié)果一致。

筆者研究表明，通過減少氮肥投入，適當(dāng)配施硅肥，可以達(dá)到保證產(chǎn)量與保護生態(tài)環(huán)境相統(tǒng)一的目標(biāo)，為推廣硅氮種植模式提供強有力的理論依據(jù)。此外，水稻施硅時，不能僅考慮土壤有效硅含量高低以及施氮量和土壤供氮能力問題，不同水稻品種在不同氣候條件下的最適硅氮配施比以及施用硅肥后改善稻米品質(zhì)的機制等方面問題仍需進一步深入研究。

4 結(jié)論

硅肥和氮肥的合理配施可使水稻植株各生育期氮、磷、鉀和硅含量維持在一個合適的水平，對產(chǎn)量有一定的提高作用。此外，硅肥和氮肥配施通過增加精米率和膠稠度以及降低直鏈淀粉含量進一步改善水稻品質(zhì)。結(jié)合產(chǎn)投比等因素綜合考慮，N1-Si3和N2-Si1施肥方案有助于水稻生產(chǎn)以及經(jīng)濟效益的提高。