施氮量對(duì)覆膜旱作水稻產(chǎn)量形成和冠層光譜特性的影響

郭 琳，王化宏，程道德，彭 希，胡克林，左 強(qiáng)，林 杉

1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193：2. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，南昌 330045； 3. 湖北省十堰市房縣農(nóng)業(yè)局，湖北 十堰 442000

隨著人口增長(zhǎng)、工業(yè)和生活用水?dāng)?shù)量增加以及耕地面積減少，傳統(tǒng)淹水水稻生產(chǎn)正面臨著前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-2]．因此，發(fā)展和推廣水稻節(jié)水栽培技術(shù)，已引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注．已有文獻(xiàn)證實(shí)，水稻覆膜旱作可顯著提高籽粒產(chǎn)量[3-4]和灌溉水利用效率[5-6]、減少溫室氣體排放[7]、增加土壤碳氮儲(chǔ)量[8]．氮素和水分管理在覆膜旱作節(jié)水、增產(chǎn)效果中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[9]．隨著施氮量增加，水稻產(chǎn)量相應(yīng)提高[10]，且不同施氮水平對(duì)水稻生育期有很大影響．然而，覆膜后追肥困難，一次性基施氮肥過(guò)多，可能導(dǎo)致水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)旺，生殖生長(zhǎng)缺氮早衰[11]．覆膜栽培條件下，氮肥一次性基施過(guò)多可導(dǎo)致生育期延長(zhǎng)，易貪青晚熟和倒伏[12]．合理施用氮肥，減少無(wú)效分蘗、提高成穗率、保證單位面積有效穗數(shù)、提高結(jié)實(shí)率和增加穗實(shí)粒數(shù)是促進(jìn)覆膜栽培水稻增產(chǎn)的重要技術(shù)措施[13]．營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和生殖生長(zhǎng)期作物生長(zhǎng)速率和氮素吸收速率，可以用于覆膜旱作水稻的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷[11，14]，但不能滿足即時(shí)診斷和確定氮肥施用量的需求．

植株氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，常常用于診斷水稻氮素營(yíng)養(yǎng)狀況．然而，植株氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定無(wú)法原位進(jìn)行、時(shí)效性差，且耗費(fèi)人力物力．而葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的直接測(cè)定和便攜式SPAD儀間接測(cè)定方法，不能很好地反映群體營(yíng)養(yǎng)狀況，代表性不足．高光譜技術(shù)可以快速、無(wú)損地反映作物冠層信息，近年來(lái)在作物營(yíng)養(yǎng)診斷和產(chǎn)量估測(cè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用[15-16]．已有研究表明，高光譜診斷技術(shù)可用于水稻氮素營(yíng)養(yǎng)診斷和產(chǎn)量估算[17]，但相關(guān)研究均是在常規(guī)淹水種植方式下進(jìn)行的[17-19]．近期應(yīng)用高光譜診斷技術(shù)對(duì)覆膜旱作水稻氮素診斷和產(chǎn)量估算，獲得了良好的效果[20]．然而，冠層高光譜技術(shù)能否表征覆膜旱作水稻生長(zhǎng)狀況、產(chǎn)量構(gòu)成因子和氮肥利用效率，以及氮肥施用量對(duì)覆膜旱作水稻產(chǎn)量和生長(zhǎng)的影響則鮮見(jiàn)報(bào)道．本研究以湖北房縣山區(qū)覆膜旱作水稻為研究對(duì)象，分析不同氮肥處理水平下的水稻冠層光譜指數(shù)與水稻產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因子以及氮肥利用效率的關(guān)系，旨在為覆膜旱作水稻的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷和優(yōu)化氮肥管理提供快速有效的原位無(wú)損檢測(cè)方法．

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

于2018年在湖北省十堰市房縣(32°07′ N，110°43′ E，海拔440 m)布置大田試驗(yàn)．房縣位于中國(guó)中部山區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均降水量830 mm，年平均氣溫14.2 ℃．年均太陽(yáng)輻射量(1 850±150) h，無(wú)霜期(225±15) d[5]．降水量、氣溫和太陽(yáng)輻射量來(lái)自位于試驗(yàn)小區(qū)約100 m的氣象站，多年氣象資料來(lái)自房縣農(nóng)業(yè)局．0～20 cm 土壤砂粒、粉粒和黏粒占比分別為20%，60%和20%，土壤有機(jī)質(zhì)和總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為21.3 g/kg和1.31 g/kg，pH值為6.0．

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)氮肥施用量處理，分別為 0，60，120，180，240 kg/hm2，重復(fù)3次，共15個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列．由于覆膜后無(wú)法追肥，氮肥(尿素)、磷肥(過(guò)磷酸鈣，105 kg/hm2)和鉀肥(氯化鉀，135 kg/hm2)均作為基肥，于插秧前一次性基施．供試水稻品種為宜香3728，株距18 cm，行距 26 cm．2018年4月29日移栽．小區(qū)面積4 m×4 m，小區(qū)內(nèi)分設(shè)3個(gè)種植廂面，試驗(yàn)期間嚴(yán)格按照覆膜旱作栽培體系技術(shù)要求進(jìn)行水分管理．全生育期內(nèi)不建立水層，溝中有水，廂面無(wú)水．移栽至最大分蘗期，維持土壤含水量基本處于飽和狀態(tài)：最大分蘗期后土壤含水量保持在田間最大持水量的80%左右．每個(gè)小區(qū)在90 cm深處安裝水表，用來(lái)監(jiān)測(cè)水分投入和流失．本試驗(yàn)所用灌溉水來(lái)自于試驗(yàn)地附近的水井，由水泵恒定供水．所有覆膜小區(qū)土壤含水量均由電容探頭(Diviner 2000，Sentek，Australia)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)．

1.3 植株樣品采集與測(cè)定

在拔節(jié)期(7月13日)和抽穗期(8月1日)采集水稻植株樣品，每小區(qū)3穴．用元素分析儀(EA1108，F(xiàn)isons Instruments，Italy)測(cè)定植株樣品全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

收獲期實(shí)際測(cè)產(chǎn)面積為9 m2(3 m×3 m)．實(shí)際測(cè)產(chǎn)前，在每個(gè)采樣地塊的實(shí)際測(cè)產(chǎn)區(qū)域內(nèi)，選取具有代表性的8穴水稻植株樣品用于考種．將考種的8穴水稻植株樣品分成秸稈和穗，調(diào)查有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和結(jié)實(shí)率(穗實(shí)粒數(shù)/穗粒數(shù)×100 %)，計(jì)算水稻理論產(chǎn)量．

TY=PT×SP×PFG(%)×TGW

其中，TY表示理論產(chǎn)量，PT表示有效穗數(shù)，SP表示穗粒數(shù)，PFG表示結(jié)實(shí)率，TGW表示千粒質(zhì)量．

AE=(GYN-GYN0)/NAR

其中，AE表示氮肥農(nóng)學(xué)利用效率，GYN表示施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量，GYN0表示不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量，NAR表示施氮量．

1.4 光譜測(cè)定

在水稻拔節(jié)期和抽穗期，采用便攜式光譜儀(GER 1500，SVC Co. U.S.)進(jìn)行冠層光譜測(cè)定，光譜測(cè)量范圍為350～1 050 nm，采樣間隔為1.6 nm，光譜分辨率為1.5 nm．測(cè)定時(shí)間為11：00-14：00．測(cè)定時(shí)，鏡頭垂直于水稻冠層，與冠層頂相距約0.5 m，高光譜儀視場(chǎng)角為23°．每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集10個(gè)點(diǎn)，取平均值作為該小區(qū)的光譜反射值．本研究選用綠光區(qū)的552 nm、紅光區(qū)的674 nm和近紅外區(qū)的890 nm共3個(gè)敏感波段，分別計(jì)算差值植被指數(shù)(DVI-1和DVI-2)、比值植被指數(shù)(RVI-1和RVI-2)、歸一化植被指數(shù)NDVI和綠色歸一化植被指數(shù)GNDVI，用于描述覆膜旱作水稻的光譜特征[20]．

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Shapiro-Wilk過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)．如果數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，則采用非參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)．本文采用統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)(SAS)8.2版本對(duì)水稻籽粒理論產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量、籽粒實(shí)際產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因子進(jìn)行了相關(guān)性分析，用Pearson’s系數(shù)表示．對(duì)不同氮肥處理間的水稻產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因子和氮肥利用效率采用SAS中廣義線性模型(GLM)進(jìn)行方差分析．最后，通過(guò)二次多項(xiàng)式回歸分析，確定覆膜旱作水稻不同生育期的最佳光譜指數(shù)．

2 結(jié)果分析

2.1 水稻產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因子與氮肥利用效率

隨著施氮量增加，覆膜旱作水稻籽粒和秸稈產(chǎn)量均逐漸增加(圖1)．施氮量為240 kg/hm2的處理籽粒產(chǎn)量顯著高于其他處理：施氮量介于60～180 kg/hm2之間，籽粒產(chǎn)量不存在差異，但均顯著高于不施氮處理．4個(gè)施用氮肥的處理秸稈產(chǎn)量不存在顯著差異，但施氮量180 kg/hm2和240 kg/hm2處理顯著高于不施氮處理．各處理收獲指數(shù)不存在差異(圖1)．

不同大寫(xiě)字母表示不同質(zhì)量濃度施氮量間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．圖1 5個(gè)施氮量處理下覆膜旱作水稻栽培體系的籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和收獲指數(shù)(n=3)．

圖2 籽粒實(shí)際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的相關(guān)性(n=15)

水稻籽粒理論產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(圖2)．覆膜旱作水稻有效穗隨施氮量增加而逐漸增加：4個(gè)施氮處理間有效穗不存在差異(不施氮處理除外)，但均顯著高于不施氮處理(圖3a)．穗粒數(shù)隨著施氮量增加亦呈增加趨勢(shì)：施氮量介于120～240 kg/hm2，穗粒數(shù)不存在顯著差異(圖3b)，但240 kg/hm2施氮量處理顯著高于不施氮和施氮量60 kg/hm2處理．4個(gè)施用氮肥處理千粒質(zhì)量不存在差異，但顯著高于不施氮處理(圖3c)．所有施氮處理的結(jié)實(shí)率，均不存在差異(圖3d)．施氮量60 kg/hm2處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率顯著高于施氮量120 kg/hm2，180 kg/hm2，240 kg/hm2處理：施氮量高于120 kg/hm2，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率沒(méi)有差異(圖4)．

不同大寫(xiě)字母表示不同施氮量間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．圖3 5個(gè)施氮量處理下的覆膜旱作水稻栽培體系的有效穗a，穗粒數(shù)b，千粒質(zhì)量c(n=3)，結(jié)實(shí)率d

不同大寫(xiě)字母表示不同施氮量間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．圖4 4個(gè)施氮量處理下覆膜旱作水稻栽培體系的 氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(n=3)

2.2 基于光譜指數(shù)的水稻產(chǎn)量形成和氮肥利用效率估算模型

拔節(jié)期，冠層差值植被指數(shù)(DVI)、比值植被指數(shù)(RVI)和歸一化植被指數(shù)(NDVI和GNDVI)與水稻結(jié)實(shí)率，均不存在顯著正相關(guān)關(guān)系(表1)，但與含氮量、籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量、氮肥利用效率、有效穗、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量存在不同程度的相關(guān)關(guān)系．抽穗期上述3種光譜指數(shù)與水稻施氮量、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有效穗存在不同程度的相關(guān)關(guān)系(數(shù)據(jù)未展示)：與籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量、氮肥利用效率、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和結(jié)實(shí)率均不存在相關(guān)關(guān)系或弱相關(guān)關(guān)系．

拔節(jié)期冠層比值植被指數(shù)(RVI)與施氮量、含氮量、氮肥利用效率、有效穗和穗粒數(shù)相關(guān)關(guān)系的決定系數(shù)，高于差值和歸一化植被指數(shù)(表1)．基于二次多項(xiàng)式模型，比值植被指數(shù)(RVI)與施氮量和氮肥利用效率呈顯著正相關(guān)關(guān)系：據(jù)此構(gòu)建的比值光譜指數(shù)RVI-2與水稻產(chǎn)量因子的估算模型見(jiàn)表2．

依據(jù)表2的模型，估算的籽粒產(chǎn)量、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氮肥利用效率、有效穗、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，分別與實(shí)測(cè)值之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，表明覆膜旱作水稻拔節(jié)期光譜指數(shù)回歸模型，可較好地用于覆膜旱作水稻氮素營(yíng)養(yǎng)診斷和產(chǎn)量估計(jì)．

表1 拔節(jié)期水稻光譜指數(shù)與氮肥施用量、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、籽粒和秸稈產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因子和 氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的二次多項(xiàng)式?jīng)Q定系數(shù)(n=15)

表2 拔節(jié)期光譜參數(shù)RVI-2與水稻籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)， 氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、有效穗、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量的回歸方程(n=15)

3 結(jié) 語(yǔ)

3.1 增施氮肥有助于提高覆膜旱作水稻有效穗和籽粒產(chǎn)量

水稻覆膜旱作追肥困難，栽培技術(shù)指南要求一次性基施150 kg/hm2尿素，并且配施有機(jī)肥，以解決一次性大量施用化學(xué)氮肥可能導(dǎo)致水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)旺和生殖生長(zhǎng)缺氮的問(wèn)題[11]．然而，由于當(dāng)?shù)赜袡C(jī)肥資源短缺，施用有機(jī)肥耗費(fèi)人力，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中往往簡(jiǎn)化成僅僅施用150 kg/hm2尿素[14，4]．本項(xiàng)研究結(jié)果表明，隨著氮肥施用量增加可顯著提高覆膜旱作水稻籽粒和秸稈產(chǎn)量：施用量達(dá)240 kg/hm2，籽粒產(chǎn)量顯著高于施氮量介于60～180 kg/hm2的處理．進(jìn)一步分析表明，隨著施氮量增加覆膜旱作水稻有效穗、千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)顯著提高，而結(jié)實(shí)率無(wú)差異．隨著施氮量增加，覆膜旱作水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用效率呈下降趨勢(shì)：然而施氮量介于120～240 kg/hm2之間，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率不存在顯著差異．這與先前在東北寒地稻作區(qū)[14]和貴州山區(qū)[13]水稻覆膜旱作研究報(bào)道的施氮量120 kg/hm2，并不一致，其主要原因在于上述研究區(qū)域土壤有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于本研究區(qū)．針對(duì)不同土壤條件，選擇合理的施氮量，對(duì)于進(jìn)一步發(fā)揮覆膜旱作水稻的增產(chǎn)潛力具有十分重要的意義．

過(guò)量基施化學(xué)氮肥可能導(dǎo)致覆膜旱作水稻生育期延長(zhǎng)、無(wú)效分蘗過(guò)多、貪青晚熟和倒伏[12，5]．最新的研究結(jié)果認(rèn)為，采用生物可降解膜和氮肥分次施用，可以解決上述營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)氮素供應(yīng)不均衡的問(wèn)題，從而進(jìn)一步顯著提高覆膜旱作水稻產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率．然而，生物可降解膜成本高，生產(chǎn)上尚未推廣應(yīng)用．如何依據(jù)土壤、氣候和栽培條件的差異，即時(shí)診斷和確定覆膜旱作水稻最佳施氮量，對(duì)于進(jìn)一步發(fā)揮覆膜旱作水稻的增產(chǎn)潛力尤顯重要．

3.2 冠層比值植被指數(shù)可用于覆膜旱作水稻氮素營(yíng)養(yǎng)快速診斷

常規(guī)淹水栽培體系拔節(jié)期和抽穗期，水稻籽粒產(chǎn)量與水稻冠層歸一化植被指數(shù)(NDVI)顯著相關(guān)[19]．然而，我們的結(jié)果表明，相對(duì)于冠層差值植被指數(shù)(DVI)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)和綠色歸一化植被指數(shù)(GNDVI)，拔節(jié)期比值植被指數(shù)(RVI)能夠更好地反映覆膜旱作水稻植株氮素營(yíng)養(yǎng)狀況和產(chǎn)量構(gòu)成因子(表1)．這可能是由于覆膜旱作水稻追肥困難，所有氮肥一次性基施，從而導(dǎo)致水稻氮素轉(zhuǎn)運(yùn)和累積與常規(guī)淹水栽培不同[11]．拔節(jié)期，冠層比值植被指數(shù)(RVI)與施氮量、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氮肥利用效率、有效穗和穗粒數(shù)相關(guān)關(guān)系的決定系數(shù)高于差值和歸一化植被指數(shù)．這與先前有關(guān)RVI與覆膜旱作水稻籽粒產(chǎn)量擬合度高的研究結(jié)果基本一致[20]．基于比值植被指數(shù)RVI高光譜模型所估算的籽粒產(chǎn)量、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氮肥利用效率、有效穗、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量分別與實(shí)測(cè)值之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系．本研究所構(gòu)建的高光譜估算模型，可為水稻覆膜旱作水稻氮素營(yíng)養(yǎng)診斷和優(yōu)化氮肥管理，提供快速有效的原位無(wú)損檢測(cè)方法．