水氮互作對水稻產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

郭群善， 賀 瑋

(1.新鄉(xiāng)市水利勘測設(shè)計院，河南 新鄉(xiāng) 453000；2. 新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學院，河南 新鄉(xiāng) 453006)

水稻是我國第一大高產(chǎn)糧食作物，其播種面積雖然僅占全國糧食種植總面積的30%左右，但稻谷產(chǎn)量卻占全國糧食總產(chǎn)的40%左右，全國有60%以上的人口以稻米為主食，84%的稻米是直接消費的口糧[1-3]。河南省常年水稻種植面積67萬hm2左右，其中秈稻種植面積50萬hm2左右[4]。

河南省是農(nóng)業(yè)大省，人均水量和畝均水量只相當全國的1/5和1/6，且時空分布很不均勻，其中農(nóng)業(yè)用水占全省年平均用水量的70%以上[5]。近年來，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工業(yè)用水、居民生活用水和農(nóng)業(yè)用水之間的矛盾日益突出，加上氣候異常，旱、澇災(zāi)害時有發(fā)生，水資源短缺已嚴重影響了我省的經(jīng)濟發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。水稻作為農(nóng)業(yè)用水大戶，在其生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的灌溉方式造成水分生產(chǎn)效率低下、水資源浪費的現(xiàn)象仍較普遍，嚴重制約著水稻生產(chǎn)的發(fā)展，對區(qū)域農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)造成嚴重威脅[6,7]。因此,開展水稻高效用水研究迫在眉睫。以肥、水高投入為主要特征的現(xiàn)代稻作方式在實現(xiàn)水稻增產(chǎn)的同時，對稻米品質(zhì)也產(chǎn)生了嚴重的負面影響[8]。開展高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)的稻作理論與技術(shù)研究對于提升我國稻作水平，增加優(yōu)質(zhì)米供應(yīng)具有重要意義。

有關(guān)水肥的耦合特別是土壤水分與氮肥的協(xié)同作用對水稻生理特性、產(chǎn)量形成、物質(zhì)運轉(zhuǎn)以及籽粒灌漿特性的影響方面的研究較多，涉及到稻米品質(zhì)也多集中于外觀品質(zhì)和碾磨品質(zhì)方面[9-11]，而從水分利用的角度解析稻米品質(zhì)形成機理方面的研究內(nèi)容卻少有報道?；诖?，本項目通過田間小區(qū)試驗，設(shè)置不同灌溉方式和施氮水平處理，從水分利用的角度研究水、氮互作對水稻水分利用及產(chǎn)量和品質(zhì)形成的影響，為發(fā)展水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

供試材料為鄭稻18和信粳18，5月16日播種，旱育秧，6月17日單苗移栽，株行距為20 cm×20 cm，移栽葉齡為四葉一心，10月13日收獲，全生育期152 d。

試驗設(shè)置常規(guī)灌溉(CI)、濕潤灌溉(SI)和控制灌溉(KI)3種灌溉方式，控制灌溉除返青期保持0～25 mm的水層和黃熟期自然落干以外，其他各生育期均無灌溉水層，土壤含水率上限為飽和含水率，分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期及乳熟期的根層土壤含水率下限取飽和含水率的60%和70%進行組合；濕潤灌溉抽穗后干濕交替，即當土壤含水率降至飽和含水率的90%時灌溉至薄水層，黃熟期自然落干，抽穗前按常規(guī)灌溉管理；常規(guī)灌溉返青期保持0～25 mm的水層，分蘗后期曬田，黃熟期自然落干，其他各生育期建立0～40 mm水層。氮肥施用尿素，設(shè)中等施肥量(MN，225 kg/hm2)和高施肥量(HN，300 kg/hm2)，以不施肥(CK)為對照。小區(qū)筑埂并用塑料薄膜包裹以防串水串肥，面積28 m2，3次重復(fù)。

1.2 觀測項目與方法

(1)土壤含水率。利用烘干法分層(每20 cm一層)觀測稻田0～100 cm土層土壤含水率；

(2)株高。在水稻生育期內(nèi)利用0.1 cm的直尺掛牌定點測量各處理的植株高度，每處理的3個小區(qū)分別選5穴測量；

(3)莖蘗動態(tài)。在生育期內(nèi)每小區(qū)選5穴每隔10 d測定單穴分蘗數(shù)；

(4)葉面積。分別于分蘗、拔節(jié)孕穗、齊穗、乳熟和黃熟期，按每小區(qū)莖蘗平均數(shù)取50 cm×50 cm面積的植株，采用比重法測定葉面積指數(shù)；

(5)植株地上部干物質(zhì)。分別于分蘗、拔節(jié)孕穗、齊穗、乳熟和黃熟期取3穴長勢一致的植株，分莖、鞘和葉片分別測定地上部干物質(zhì)質(zhì)量；

(6)籽粒品質(zhì)指標。按照中華人民共和國國家標準《GB/T17891-1999 優(yōu)質(zhì)稻谷》測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2007和SPASS軟件進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮互作對水稻產(chǎn)量及灌溉水利用效率的影響

3種灌溉方式對信粳18產(chǎn)量的影響未達顯著水平(見表1)，控制灌溉、濕潤灌溉和常規(guī)灌溉下產(chǎn)量分別為5 415.0、5 479.5和5 374.5 kg/hm2。與CK相比，施氮顯著增加了產(chǎn)量。3種灌溉方式下均表現(xiàn)為中等施氮量產(chǎn)量最高，高施氮量產(chǎn)量有所下降，濕潤灌溉達顯著水平。進一步分析產(chǎn)量構(gòu)成因素發(fā)現(xiàn)，3種灌溉方式對千粒重無顯著影響。與常規(guī)灌溉相比，控制灌溉和濕潤灌溉下產(chǎn)量較高，主要是由于穗粒數(shù)和結(jié)實率顯著增加。

水氮互作對鄭稻18產(chǎn)量的影響見表2。控制灌溉、濕潤灌溉和常規(guī)灌溉下產(chǎn)量分別為6 918.0、6 595.5和6 048.0 kg/hm2，差異不顯著。與CK相比，施氮顯著增加了產(chǎn)量?？刂乒喔认?，中等施氮量產(chǎn)量最高，各產(chǎn)量構(gòu)成因素與高施氮量相比無顯著差異；濕潤灌溉和常規(guī)灌溉下，產(chǎn)量及穗粒數(shù)隨施氮量增加而增加。

表1 水氮互作對信粳18產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

注：對同一參數(shù)標以不同字母的值表示在0.05水平上差異顯著，下同。

3種灌溉方式對信粳18的產(chǎn)量無顯著影響，而控制灌溉和濕潤灌溉顯著提高了鄭稻18的產(chǎn)量?？刂乒喔群蜐駶櫣喔认?個品種的畝穗數(shù)下降，但穗粒數(shù)和結(jié)實率不同程度的增加，產(chǎn)量較常規(guī)灌溉有所提高，表明適宜的灌溉方式可以優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)，進而提高產(chǎn)量。與CK相比，施氮顯著增加了產(chǎn)量，但隨著施氮量的增加，不同灌溉方式下2品種對氮肥的響應(yīng)有所差異，中等施氮量225 kg/hm2時，信粳18在3種灌溉方式下產(chǎn)量均最高，而鄭稻18在高施氮量300 kg/hm2時濕潤灌溉和常規(guī)灌溉下產(chǎn)量最高，控制灌溉下仍為中等施氮量高于高施氮量。此外，3種灌溉方式整個生育期的灌溉水量分別為285.5 m3(KI)、381.4 m3(SI)和437.6 m3(CI)，鄭稻18灌溉水利用效率平均分別為1.62、1.15和0.92，信粳18平均分別為1.26、0.96和0.82，進一步表明采用控制灌既方式在減少氮肥用量同時，一定程度上提高了產(chǎn)量和灌溉水利用效率，達到節(jié)水省肥的目的。

2.2 水氮互作對水稻生長的影響

2.2.1水氮互作對水稻株高的影響

水氮互作對信粳18和鄭稻18株高的影響見圖1和圖2。

表2 水氮互作對鄭稻18產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

圖1 水氮互作下信粳18株高變化

圖2 水氮互作下鄭稻18株高變化

圖1中可以看出，分蘗至拔節(jié)孕穗期和齊穗至乳熟期株高增長較快，拔節(jié)孕穗至齊穗期和乳熟至黃熟期株高增長較為緩慢。成熟時，控制灌溉下平均株高為101.0 cm，濕潤灌溉為100.8 cm，常規(guī)灌溉則為94.8 cm。KI-MN和SI-MN下株高較CK和HN低，在常規(guī)灌溉下株高隨施氮量增加而增加。

水氮互作對鄭稻18株高的影響與信粳18有所差異，整個生育期株高的增長均較快。成熟時，濕潤灌溉下平均株高最大為99.0 cm，常規(guī)灌溉最小為86.5 cm，控制灌溉為90.3 cm。3種灌溉方式均表現(xiàn)為隨施氮量增加株高增大。

2.2.2水氮互作對水稻莖蘗動態(tài)的影響

水氮互作下2品種莖蘗動態(tài)變化趨勢基本一致(見圖3和圖4)，移栽后30 d時(分蘗盛期)達最大，其后開始下降，分蘗末期曬田后趨于穩(wěn)定。不同灌溉方式對2品種莖蘗數(shù)無顯著影響。與CK相比，施氮顯著提高了分蘗數(shù)，3種灌溉方式均表現(xiàn)為MN條件下分蘗數(shù)略高于HN條件下。

圖3 水氮互作下信粳18莖蘗動態(tài)

圖4 水氮互作下鄭稻18莖蘗動態(tài)

2.2.3水氮互作對水稻葉面積指數(shù)的影響

分蘗至黃熟期2品種的葉面積指數(shù)變化規(guī)律不同(見圖5和圖6)，信粳18葉面積指數(shù)隨生育期變化較為平緩，齊穗期時達最大，之后逐漸減小。鄭稻18葉面積指數(shù)分蘗至齊穗期快速增加，齊穗至黃熟期快速下降。不同灌溉方式間葉面積指數(shù)無顯著差異。與CK相比，施氮顯著提高了葉面積指數(shù)。信粳18葉面積指數(shù)在KI-MN下較高，而在SI-HN和CI-HN下較低。鄭稻18葉面積指數(shù)在3種灌溉方式下均表現(xiàn)為MN下較高。

圖5 水氮互作下信粳18葉面積變化

圖6 水氮互作下鄭稻18葉面積變化

2.2.4水氮互作對水稻地上部干物重的影響

2品種地上部干物重的變化見圖7和圖8?？梢钥闯?，齊穗至乳熟期地上部干物重積累最快，其次為分蘗至齊穗期，到了灌漿末期趨于平緩，2品種變化規(guī)律基本一致。2品種各生育期地上部干物重表現(xiàn)為控制灌溉>濕潤灌溉>常規(guī)灌溉。與CK相比，施氮顯著增加了地上部干物重。信粳18和鄭稻18地上部干物重在3種灌溉方式下均表現(xiàn)為MN下較高。

圖7 水氮互作下信粳18地上部干物重

圖8 水氮互作下鄭稻18地上部干物重

2.3 水氮互作對稻米品質(zhì)的影響

水氮互作對稻米品質(zhì)各指標影響的方差分析見表3。從表3中可以看出，稻米品質(zhì)各指標的氮肥效應(yīng)大于灌溉方式，施氮對2品種出糙率、精米率、堊白粒率、堊白度、膠稠度、直鏈淀粉、蛋白質(zhì)和氨基酸等指標有顯著或極顯著的影響，灌溉方式對信粳18精米率、堊白粒率、膠稠度和氨基酸有顯著影響，對鄭稻18精米率、堊白度影響顯著。水氮互作對信粳18各品質(zhì)指標無顯著影響，而對鄭稻18膠稠度、直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)和氨基酸含量有極顯著影響。

不同灌溉方式對信粳18精米率有極顯著影響(見表4)，濕潤灌溉下平均達67.6%，控制灌溉為66%，常規(guī)灌溉為65.6%?？刂乒喔认聢装琢Ｂ瘦^高，稻米外觀品質(zhì)一定程度上變差，膠稠度和氨基酸含量在控制灌溉和濕潤灌溉下顯著高于常規(guī)灌溉，而蛋白質(zhì)含量顯著低于常規(guī)灌溉。施氮能夠顯著提高籽粒中蛋白質(zhì)和氨基酸含量，3種灌溉方式下MN和HN處理間差異顯著。與CK相比，MN處理增加了稻米的堊白粒率和堊白度，但隨著施肥量的增加，HN處理下堊白粒率和堊白度反而有所下降，3種灌溉方式下MN和HN處理間差異顯著。

與濕潤灌溉和常規(guī)灌溉相比，控制灌溉顯著降低了鄭稻18的精米率和整精米率(見表5)。與控制灌溉和常規(guī)灌溉相比，濕潤灌溉顯著提高了稻米堊白度，降低了蛋白質(zhì)和氨基酸含量。3種灌溉方式下，增施氮肥顯著提高了蛋白質(zhì)和氨基酸含量。與CK相比，KI-MN處理和SI-MN顯著增加了稻米的堊白粒率和堊白度，但隨著施肥量的增加，HN處理下堊白粒率和堊白度反而有所下降，MN和HN處理間差異顯著。與CK相比，KI-MN處理稻米膠稠度顯著增加，KI-HN處理稻米直鏈淀粉含量顯著增加。

表3 稻米品質(zhì)的水氮互作效應(yīng)方差分析

注：A因素為灌溉方式，B因素為氮肥處理，A×B表示水氮互作效應(yīng)；表中數(shù)值為均方值；“*”和“**”表示0.05和0.01顯著水平。

表4 水氮互作對信粳18稻米品質(zhì)的影響

表5 水氮互作對鄭稻18稻米品質(zhì)的影響

3 結(jié) 論

本試驗條件下，控制灌溉和中等施肥量225 kg/hm2(KI-MN)條件下2品種單株莖蘗數(shù)、葉面積指數(shù)和地上部干物重等指標均高于其余處理；KI-MN條件下顯著提高了灌溉水生產(chǎn)效率，2品種產(chǎn)量較高，水氮互作對產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響主要是增加了穗粒數(shù)和結(jié)實率。

稻米品質(zhì)各指標的氮肥效應(yīng)大于灌溉方式，水氮互作對2品種加工、外觀及營養(yǎng)品質(zhì)的影響存在基因型差異，即對鄭稻18米質(zhì)的影響大于信粳18。隨施氮量的增加，籽粒中蛋白質(zhì)和氨基酸含量增加，營養(yǎng)品質(zhì)一定程度上得到改善，但外觀品質(zhì)隨之變差，主要表現(xiàn)為整精米率下降、堊白粒率和堊白度增加，中等施氮量225 kg/hm2較CK和高施氮量更有利于提高稻米品質(zhì)。不同灌溉方式對稻米品質(zhì)的影響較小，但綜合而言，在控制灌溉和濕潤灌溉方式下，稻米加工、外觀和營養(yǎng)品質(zhì)仍略優(yōu)于常規(guī)灌溉。

稻米品質(zhì)的形成是一個復(fù)雜的過程，受自身遺傳及外界環(huán)境因素(溫度、水分、肥料等)的影響[12,13]，本研究利用一個生長季的試驗資料，僅從栽培措施的角度考慮土壤水分和氮肥對稻米品質(zhì)(表觀現(xiàn)象)的影響，其生理機理還需通過多年的精細試驗進行補充完善。

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