秸稈還田下氮鉀肥配施對寒地水稻抗倒伏性能的影響

張雪松，張 鵬，汪秀志，陳榮發(fā)，王文玉，萬思宇，宋維民，張鞏亮，李 逸，錢永德

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學 農(nóng)學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術與作物種質改良重點試驗室，黑龍江 大慶 163319)

水稻是我國主要的糧食作物，其生產(chǎn)對我國糧食安全具有重要意義。在水稻生產(chǎn)中，倒伏是影響水稻高產(chǎn)、優(yōu)質的重要因素[1-3]。研究表明，氮肥在水稻抗倒伏能力及產(chǎn)量中起著重要的作用[4]。適宜的施氮水平和施氮方式可以優(yōu)化水稻群體結構，降低倒伏風險[5]；而施氮水平過高不利于莖稈基部碳水化合物的積累,導致莖稈基部節(jié)間細長,增加倒伏風險[6-7]。鉀素作為水稻生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素,對水稻抗倒伏能力有明顯的調節(jié)作用[8-9]，充足的鉀營養(yǎng)會使植物莖稈粗壯，強度增大，機械性能改善，提高抗倒伏能力[10]。秸稈還田可以提高作物的抗倒伏性，例如秸稈還田可使小麥株高降低、節(jié)間變短、莖稈壁變厚，有利于小麥抗倒伏[11]；還可增加玉米穗位高、重心高度和莖稈抗折力,提高玉米抗倒伏能力[12]。目前，關于栽培管理措施對水稻植株抗倒伏性能的影響研究主要集中在灌溉[13]、種植密度[14-15]、肥料的種類和用量[16-20]、激素[21]、水分管理[17-18,22]等方面，有關秸稈還田條件下氮鉀肥配施對植株抗倒伏能力的影響研究還鮮有報道。為此，在秸稈還田的基礎上，以寒地超級稻品種墾粳8號為試驗材料，研究氮鉀肥配施對水稻莖稈抗倒伏性的影響，旨在為寒地水稻超高產(chǎn)抗倒栽培技術的建立提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況和試驗材料

試驗于2019年5—10月在黑龍江八一農(nóng)墾大學(125°16′E、46°58′N)進行。該地區(qū)海拔146 m，為中溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度為 4.2 ℃，降水量約411 mm。試驗地土壤為中肥力土壤，土壤類型為白漿土，土壤含有機質35.54 g/kg、堿解氮184.11 mg/kg、速效鉀165.5 mg/kg、有效磷112.5 mg/kg，pH值8.1。

供試水稻品種為墾粳8號(13葉)。供試肥料為尿素(含N 45%)、重過磷酸鈣(含P2O543%)、硫酸鉀(含K2O 50%)。

1.2 試驗設計

采用桶栽(桶高 30.5 cm，上直徑 31 cm，下直徑 26 cm)試驗，每桶裝粉碎、過篩細土 12.5 kg，加入5～10 cm長的秸稈小段48.58 g(秸稈常規(guī)還田量)，翻埋3～5 cm。以移栽后的施氮(N)量和施鉀(K)量為處理因素，各因素分別設3個水平，分別為62.592、125.184、187.776 kg/hm2和45、90、135 kg/hm2(表1)，共9個處理，每處理3次重復。4 月 17日播種，5 月 23 日移栽，每桶4穴，每穴4株，穴距12 cm，其他肥水管理同常規(guī)。

1.3 測定項目與方法

于齊穗后20 d，測量水稻株高、重心高、穗長及莖基部各節(jié)間 [第二節(jié)間(A2)、第三節(jié)間(A3)、第四節(jié)間(A4)]長、粗、莖壁厚度、彎曲力矩、折斷彎矩、抗折力、倒伏指數(shù)。其中，株高與基部各節(jié)間長用直尺測量；節(jié)間粗和莖壁厚度用電子游標卡尺測量；重心高：將植株水平放置于刀口上，重心高為該植株保持平衡時與刀口接觸點到莖稈基部的距離。

莖基部各節(jié)間的彎曲力矩、折斷彎矩、抗折力和倒伏指數(shù)的計算參照瀨古秀生[23]、辛柳等[24]的方法?？拐哿τ米孕性O計的簡單儀器測定，將待測定的節(jié)間 (不失水、保留葉鞘)置于自制的簡單支架上，該節(jié)間中點與支架中點對應(支點間距為5 cm)，在節(jié)間中點掛一適當?shù)乃苣z容器，逐漸加入砝碼至莖稈快要折斷時，再逐漸向盤中加入砂子直至莖稈折斷，此時砝碼、砂子及塑膠容器的質量之和即為該節(jié)間的抗折力。彎曲力矩=節(jié)間基部至穗頂長度×該節(jié)間基部至穗頂鮮質量。倒伏指數(shù)=彎曲力矩/抗折力×100。

表1 不同處理的施肥量Tab.1 Fertilizer rate of different treatments kg/hm2

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，用DPS 9.05進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田下氮鉀肥配施對水稻各節(jié)間長、株高、重心高和穗長的影響

由表2可以看出，在不同施氮水平下，節(jié)間長、株高、重心高隨著施鉀量的增加變化趨勢不同，在N1、N2水平下表現(xiàn)為K1>K2>K3，N3水平下則表現(xiàn)為K3>K1>K2。鉀肥對重心高的影響達到了極顯著水平，對第三、四節(jié)間長的影響達到了顯著水平，均表現(xiàn)為K1>K2>K3。對于氮肥，穗長表現(xiàn)為N3>N2>N1，第二、三節(jié)間長和株高表現(xiàn)為N1

表2 秸稈還田下氮鉀肥配施對水稻各節(jié)間長、株高、重心高和穗長的影響Tab.2 The effects of combined application of nitrogen and potassium fertilizers on internode length,plant height,barycenter height and panicle length of rice under straw returned to field cm

氮鉀互作對基部第四節(jié)間長和重心高的影響達到了極顯著水平，對基部第二節(jié)間長的影響達到了顯著水平，以N2K1處理的節(jié)間長最長，株高最高，重心高較高；N2K3處理節(jié)間長較短，株高和重心高較低。

2.2 秸稈還田下氮鉀肥配施對水稻節(jié)間粗、莖壁厚度的影響

由表3可知，氮肥對水稻各節(jié)間莖壁厚度及第三節(jié)間粗的影響均達到極顯著水平，對水稻莖稈第四節(jié)間粗具有顯著影響，第二節(jié)間莖壁厚度表現(xiàn)為N2>N3>N1，第二、三、四節(jié)間粗及第三、四節(jié)間莖壁厚度均表現(xiàn)為N2>N1>N3；鉀肥對第二節(jié)間莖壁厚度及第三節(jié)間粗的影響均達到了極顯著水平，對第三、四節(jié)間莖壁厚度的影響顯著，均表現(xiàn)為K3>K2>K1。在N1、N2水平下，隨著鉀肥施用量的提高，節(jié)間粗和莖壁厚度均逐漸增加；在N3水平下，第二、四節(jié)間粗和莖壁厚度均先升高后降低，第三節(jié)間粗和莖壁厚度均逐漸降低。

氮鉀互作對莖稈第三節(jié)間粗的影響達到了顯著水平，對第四節(jié)間莖壁厚度的影響達到了極顯著水平。其中，N2K3處理的各節(jié)間粗和莖壁厚度均最大。

表3 秸稈還田下氮鉀肥配施對水稻各節(jié)間粗、莖壁厚度的影響Tab.3 The effects of combined application of nitrogen and potassium fertilizers on internode diameter and stem wall thickness of rice under straw returned to field mm

2.3 秸稈還田下氮鉀肥配施對水稻各節(jié)間抗折力、彎曲力矩、倒伏指數(shù)的影響

由表4可知，水稻植株抗折力受氮肥極顯著影響,受鉀肥顯著影響,隨著施氮水平的提高，各節(jié)間抗折力均呈先增加后下降的變化趨勢，且均在N2水平時達到最高值；隨著施鉀水平的提高，總體上莖稈第二、三節(jié)間抗折力呈遞增趨勢，第四節(jié)間呈先增加后降低的趨勢；氮鉀互作對莖稈第二、三節(jié)間抗折力的影響達顯著水平，對第四節(jié)間抗折力的影響不顯著，其中各節(jié)間抗折力均以N2K3最大，分別為1 034.90 g、604.80 g和340.10 g。

氮肥對莖稈彎曲力矩的影響不顯著，第二、三節(jié)間彎曲力矩均表現(xiàn)為N2>N3>N1，第四節(jié)間彎曲力矩表現(xiàn)為N3>N2>N1；鉀肥對莖稈第二、三節(jié)間彎曲力矩的影響顯著，隨著鉀肥施用量的增加，總體上莖稈第二節(jié)間彎曲力矩表現(xiàn)為K3>K2>K1，第三節(jié)間表現(xiàn)為K2、K3>K1，第四節(jié)間表現(xiàn)為K2>K3、K1；氮鉀互作對水稻莖稈第四節(jié)間彎曲力矩的影響極顯著，總體以N2K3處理彎曲力矩最大。

在倒伏指數(shù)方面，水稻植株倒伏指數(shù)受氮肥顯著(第三節(jié)間)、極顯著(第二、四節(jié)間)影響，倒伏指數(shù)表現(xiàn)為N3>N1>N2；鉀肥對水稻植株倒伏指數(shù)的影響不顯著，水稻莖稈第二節(jié)間倒伏指數(shù)隨施鉀量的增加呈降低趨勢，而第三、四節(jié)間的倒伏指數(shù)則隨施鉀量的增加呈先降低后升高的趨勢。氮鉀互作對各節(jié)間倒伏指數(shù)的影響不顯著，以N2K3處理各節(jié)間的倒伏指數(shù)最小。

表4 秸稈還田下氮鉀肥配施對水稻各節(jié)間抗折力、彎曲力矩、倒伏指數(shù)的影響Tab.4 The effects of combined application of nitrogen and potassium fertilizers on bending force,bending moment and lodging index of internode in rice under straw returned to field

2.4 秸稈還田下氮鉀肥配施對水稻節(jié)間折斷彎矩的影響

由表5可知，氮肥對水稻各節(jié)間折斷彎矩的影響均達到極顯著水平，表現(xiàn)為N2>N1>N3。鉀肥對各節(jié)間折斷彎矩的影響均達到顯著水平，第二節(jié)間表現(xiàn)為K3>K2>K1，第三、四節(jié)間均表現(xiàn)為K2>K3>K1。氮鉀互作對各節(jié)間折斷彎矩的影響均達到了顯著水平，在N1、N2水平下，隨著鉀肥施用量的提高，各節(jié)間折斷彎矩逐漸增加，N3水平下表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，以N2K3處理各節(jié)間的折斷彎矩最大。

表5 秸稈還田下氮鉀肥配施對水稻各節(jié)間折斷彎矩的影響Tab.5 The effects of combined application of nitrogen and potassium fertilizers on the anti-breaking moment of internode of rice under straw returned to field g·cm

2.5 抗折力和倒伏指數(shù)與莖稈主要物理性狀的相關性

由表6可知，株高、節(jié)間長與水稻莖稈抗折力均呈負相關，與倒伏指數(shù)均呈正相關，其中節(jié)間長對莖稈第四節(jié)間抗折力的影響達到顯著水平；重心高與各節(jié)間抗折力呈極顯著負相關，與倒伏指數(shù)呈極顯著正相關，其中重心高與第四節(jié)間抗折力及倒伏指數(shù)的相關性最大；節(jié)間粗、莖壁厚度與抗折力分別呈極顯著、顯著或極顯著正相關，與倒伏指數(shù)分別呈極顯著、顯著或極顯著負相關，節(jié)間粗、莖壁厚度與第二節(jié)間抗折力及倒伏指數(shù)相關性最大，說明莖稈不同物理性狀對不同節(jié)間抗折力及倒伏指數(shù)的影響不同。因此，適當降低株高、節(jié)間長、重心高，增加節(jié)間粗、莖壁厚度有利于提高莖稈各節(jié)間綜合抗倒伏能力。

表6 抗折力和倒伏指數(shù)與莖稈主要物理性狀的相關系數(shù) Tab.6 Correlation coefficients between breaking resistance,lodging index and main physical characteristics of culm

3 結論與討論

水稻植株抗倒伏能力與株高、重心高、節(jié)間長、節(jié)間粗、莖壁厚度等植株性狀的關系十分密切[19]，但其中主要決定倒伏能力的是植株上、下半部分莖稈之間的平衡性[25-27]。研究表明，適量增施鉀肥可以使水稻基部節(jié)間伸長并使株高顯著增加，而過量的鉀肥則會使其顯著降低[28]；株高與倒伏指數(shù)呈正相關，而重心高也隨著株高的增加而增加，但與莖稈抗倒伏能力呈負相關[29]。本研究結果表明，在相同施氮水平下，隨著鉀肥施用量的增加，株高和重心高均逐漸降低，倒伏指數(shù)下降，說明重心高越低抗倒伏性越強，增施鉀肥有利于植株抗倒伏，這與前人[28-29]研究結果相似。從氮鉀互作方面可以看出，當施鉀量從N2K2水平上升至N2K3水平時，重心高、倒伏指數(shù)均達到了各處理水平最小值，說明適量施氮的情況下增施鉀肥有助于增加莖稈抗倒伏能力。

本研究結果表明，在秸稈還田條件下，隨著施氮水平的增加水稻節(jié)間粗，各節(jié)間莖壁厚度，第二、三節(jié)間長均呈先增高后降低的趨勢；隨著施鉀水平的增加，各節(jié)間粗及莖壁厚度總體呈逐漸升高的趨勢; 氮鉀肥互作對水稻節(jié)間長、節(jié)間粗、莖壁厚度均有不同程度的影響，在低、中氮條件下，增施鉀肥有利于提高節(jié)間粗、莖壁厚度；高氮情況下，過量施用鉀肥反而會使節(jié)間粗和莖壁厚度降低，從而導致植株抗倒伏能力下降。這與前人研究結果類似[30-31]。

研究發(fā)現(xiàn)，施氮量的增加可以提高水稻的抗折力、彎曲力矩、折斷彎矩[32]。孫永健等[33]則認為,施氮量的增加會使水稻折斷彎矩出現(xiàn)不同程度的降低。本研究結果顯示，隨施氮水平的增加，抗折力、彎曲力矩、折斷彎矩呈先升高后降低的趨勢，倒伏指數(shù)呈先降低后升高的趨勢。吳海兵等[34]研究發(fā)現(xiàn)，增施鉀肥可以縮短第一、二、三節(jié)間長度，增加節(jié)間粗、莖壁厚度，從而使抗折力增加、倒伏指數(shù)降低。本研究結果表明，隨著施鉀水平的增加，第二、三節(jié)間的抗折力逐漸增加，第四節(jié)間的抗折力先增加后下降，倒伏指數(shù)則是第二節(jié)間逐漸下降，第三、四節(jié)間先下降后升高，說明鉀肥對各節(jié)間倒伏指數(shù)的影響不同，與吳海兵等[34]研究結果不太一致；氮鉀肥互作對水稻抗折力、彎曲力矩的影響隨著氮鉀施用量的增加呈現(xiàn)不同趨勢，部分節(jié)間影響達到顯著水平?？傮w來看，適宜的氮鉀配比(N2K3)可通過與秸稈還田結合優(yōu)化水稻植株莖稈質地，改善株型結構，最終提高植株抗倒伏能力。關于水稻抗倒伏能力與植株莖稈相關性的關系，國內外已有不少研究，有關節(jié)間粗和莖壁厚度對植株抗倒伏能力的影響研究表明，節(jié)間越粗、莖壁越厚，水稻抗倒伏能力越強[35]。本研究結果表明，節(jié)間粗、莖壁厚度與倒伏指數(shù)分別呈極顯著、顯著或極顯著負相關，與申廣勒等[35]研究結果一致。

秸稈還田條件下，合理的氮鉀肥配施可以通過縮短基部節(jié)間長，降低重心高，增加節(jié)間粗、莖壁厚度，提高節(jié)間莖稈抗折力及改善彎曲力矩、折斷彎矩，從而增強水稻植株莖稈機械強度，降低水稻倒伏指數(shù)，有效降低田間群體倒伏風險。綜合來看，秸稈還田條件下，寒地水稻墾粳8號莖稈抗倒伏的氮鉀最優(yōu)配施方案(N2K3)為施 N 125.184 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2，氮鉀配比為0.927∶1。