增密減氮對(duì)雙季稻光合特性及水分利用率的影響

周文濤，龍文飛，戈家敏，龍攀，徐瑩，傅志強(qiáng)*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.作物生理與分子生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128；3.農(nóng)業(yè)部華中地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

適宜的施肥水平和種植密度是水稻栽培高產(chǎn)、高效的重要因素[1-2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素的轉(zhuǎn)化效率與氮肥的投入極其相關(guān)[3]。過(guò)度的施用氮肥會(huì)造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[4]。高密度種植會(huì)增加群體內(nèi)部個(gè)體對(duì)光溫資源以及養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致單株地上部分干物質(zhì)積累量減小，植株容易倒伏且病蟲(chóng)害發(fā)生頻繁[5]。合理的種植密度，配合減氮種植手段，可以達(dá)到水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的目的[6-8]。適度增密減氮不僅有利于氮肥高效利用和溫室氣體減排，還可兼顧水稻高產(chǎn)[9-10]。有研究[11]表明，適中密度和適宜施氮量可以增加有效分蘗，促進(jìn)水稻拔節(jié)，提高群體光合勢(shì)、生長(zhǎng)率和產(chǎn)量。

研究[12]表明，水稻劍葉是向穗部輸送光合產(chǎn)物的主要供應(yīng)者。水稻90%以上的生物量來(lái)自光合產(chǎn)物，其中90%以上的光合產(chǎn)物又是依靠葉片的光合作用產(chǎn)生的[13]。合理的施肥和密度措施，對(duì)凈光合速率、氣孔導(dǎo)度影響顯著[8]。氮肥、種植密度互作可以提高水稻生育前期與后期的光合作用，維持生育中期光合作用大小，從而提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[14]。以往研究[15-16]都趨向探究氮肥、密度互作對(duì)水稻光合特性、產(chǎn)量、氮肥利用率的影響，對(duì)“早蓄晚灌”（早稻小區(qū)蓄的水用于晚稻灌溉）節(jié)水背景下，增密減氮與雙季稻的光合特性、水分利用效率、產(chǎn)量相關(guān)性研究較少。本研究中，根據(jù)當(dāng)?shù)氐氖┓屎头N植習(xí)慣，設(shè)置5 個(gè)處理，通過(guò)減少蘗肥，增加單位面積水稻穴數(shù)的方式，探究最佳施肥與種植密度組合，以達(dá)到水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、水分高效利用的目的。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016 年在湖南省瀏陽(yáng)市沿溪鎮(zhèn)科研試驗(yàn)基地（113.49°E, 28.18°N）進(jìn)行。該基地海拔高度44.9 m，年平均溫度≥10 ℃，積溫5300～6500 ℃，年降水量約1400 mm，為南方典型的雙季稻生產(chǎn)區(qū)。試驗(yàn)田土壤為第四紀(jì)紅壤發(fā)育的紅黃泥水稻土，其耕前理化性狀為：堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為142.51、53.11、97.06 mg/kg，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別為33.17、2.39、0.63、7.11 g/kg，pH 5.85。

2 材料與方法

2.1 供試材料

早稻陸兩優(yōu)996 種子和晚稻豐源優(yōu)299 種子均購(gòu)于湖南金色農(nóng)豐種業(yè)有限公司。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)不施氮處理（N0）、3 個(gè)增密減氮處理（IR1、IR2、IR3）和對(duì)照（CK），隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。3 次重復(fù)。小區(qū)面積25 m2。各小區(qū)間用田埂分開(kāi)，田埂覆膜以防肥水串灌。每個(gè)小區(qū)單獨(dú)排灌。早、晚稻小區(qū)設(shè)計(jì)、移栽方式等均一致。蘗肥于插秧后5 d施入。穗肥分2 次施入，第1 次在幼穗分化時(shí)期施用；第2 次在移栽35 d 后曬田5 d，灌水后施入。灌漿后蓄水，保持“寸水”左右，其余時(shí)期采用薄水層 （10～20 mm）與無(wú)水層相間的灌水方式。早晚稻磷鉀肥施入量為：過(guò)磷酸鈣750 kg/hm2，氯化鉀201 kg/hm2。磷肥作蘗肥一次性施入，鉀肥中蘗肥、穗肥的施用比例為5∶5。所有處理磷、鉀肥施用方法一致。氮肥施用和栽植密度如下。

早稻：CK，施氮量120 kg/hm2，蘗肥84 kg/hm2，密度2.8×105株/hm2；IR1，施氮量103.2 kg/hm2，蘗肥67.2 kg/hm2，密度3.2×105株/hm2；IR2，施氮量86.4 kg/hm2，蘗肥50.4 kg/hm2，密度3.6×105株/hm2；IR3，施氮量69.6 kg/hm2，蘗肥33.6 kg/hm2，密度4.0×105株/hm2；N0，不施氮，密度及其他管理同CK。

晚稻：CK，施氮量150 kg/hm2，蘗肥105 kg/hm2，密度2.4×105株/hm2；IR1，施氮量129 kg/hm2，蘗肥84 kg/hm2，密度2.8×105株/hm2；IR2，施氮量108 kg/hm2，蘗肥63 kg/hm2，密度3.2×105株/hm2；IR3，施氮量87 kg/hm2，蘗肥42 kg/hm2，密度3.6×105株/hm2；N0，不施氮，密度及其他管理同CK 處理。

2.3 觀測(cè)指標(biāo)與方法

2.3.1 葉綠素相對(duì)含量的測(cè)定

在水稻主要生育期的晴天09: 00—11: 30，每個(gè)小區(qū)選取具有代表性的10 片葉，利用 SPAD-502葉綠素儀（日本柯尼卡美能達(dá)）測(cè)量葉片基部、中部、尖部的葉綠素相對(duì)含量（SPAD 值），分蘗期和孕穗期測(cè)倒2 葉，齊穗（抽穗）期和乳熟期測(cè)劍葉，計(jì)算平均值。

2.3.2 光合速率和水分利用效率(WUE)的測(cè)定

在水稻主要生育期的晴天09: 00—11: 30，每個(gè)小區(qū)選取具有代表性的5 片葉，采用LI-6400XT 光合測(cè)量?jī)x測(cè)定分蘗期和孕穗期倒2 葉、齊穗（抽穗）期和乳熟期劍葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr），并計(jì)算水分利用效率（WUE）。

2.3.3 產(chǎn)量的測(cè)定

在水稻成熟期，每個(gè)小區(qū)內(nèi)收割2 m2范圍內(nèi)的水稻（移栽后作好標(biāo)記，為測(cè)產(chǎn)區(qū)域），用小型脫粒機(jī)脫粒后曬干，稱(chēng)其質(zhì)量。從中取少量谷粒，75 ℃烘至恒重，稱(chēng)重，并測(cè)定其含水率。根據(jù)公式（2）計(jì)算供試品種的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量[17]。

式中：RY 表示稻谷標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量；DW 表示稻谷烘干質(zhì)量；0.14 為秈稻品種的標(biāo)準(zhǔn)含水率（適合倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)的含水率）。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Excel 2003 和 SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析；采用新復(fù)極差法（Duncan）進(jìn)行多重比較；采用Pearson 法進(jìn)行相關(guān)性分析；采用Excel 2003 繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 增密減氮對(duì)雙季稻光合特性的影響

3.1.1 增密減氮對(duì)雙季稻葉綠素含量的影響

從表1 可知，早稻CK、IR1、IR2、IR3的葉綠素相對(duì)含量（SPAD 值）在分蘗到齊穗過(guò)程中不斷升高，到乳熟期下降；各生育期N0的SPAD 值不斷下降且均小于其他處理。在分蘗期、孕穗期、齊穗期IR3的SPAD 值均大于其他處理的，較CK 的分別高2.55%、2.57%、1.47%。在乳熟期IR1、CK、IR2、IR3、N0的SPAD 值依次降低。

表1 不同生育時(shí)期水稻各處理的SPAD 值Table 1 SPAD values of each treatment at different stages

晚稻各個(gè)生育時(shí)期，水稻植株葉片SPAD 值的變化趨勢(shì)與早稻的基本相同，但晚稻SPAD 值的增長(zhǎng)程度稍高，峰值點(diǎn)較早稻高1.55。在分蘗期，以IR2的最高，增密減氮處理的SPAD 值均高于CK 的；在孕穗期、齊穗期，以IR3的最高，較CK 分別高2.90%、1.56%；在乳熟期，CK 的SPAD 值最高，N0的最低。綜上所述，早、晚稻增密減氮處理的SPAD值均較高，施氮處理比不施氮處理的SPAD 值高。

3.1.2 增密減氮對(duì)雙季稻凈光合速率的影響

由圖1 可知，早稻在整個(gè)生育時(shí)期每個(gè)處理的凈光合速率（Pn）隨生育進(jìn)程呈逐漸下降的趨勢(shì)，乳熟期的Pn 最低。在分蘗期IR3的Pn 明顯高于其他處理的，N0與IR1、IR2的差異不顯著，IR1的最低。在孕穗期IR3的Pn 最高，CK 與N0、IR1與IR2的差異不顯著；在齊穗期CK、IR3、IR1、N0、IR2的Pn依次降低，其中N0與IR1、IR2差異不顯著；在乳熟期IR3的Pn 顯著高于其他4 個(gè)處理的，分別較CK、IR1、IR2、N0高8.4%、37.9%、29.38%、12.08%，IR1與IR2的Pn 差異不顯著。

圖1 早、晚稻不同生育期的凈光合速率Fig.1 Net photosynthetic rate at different growth stages of early rice and late rice

晚稻各處理的植株葉片Pn 在分蘗期最高，孕穗期最低。在分蘗期CK 的Pn 最高，IR2的最低，IR1、IR3、N0的差異不顯著；在孕穗期各處理之間差異明顯，IR3、N0、IR1、CK、IR2的Pn 依次降低；在齊穗期、乳熟期均以IR3的Pn 最高。

3.1.3 增密減氮對(duì)雙季稻氣孔導(dǎo)度的影響

從圖2 可知，早稻各處理的氣孔導(dǎo)度（Gs）在乳熟期最低，孕穗期最高。分蘗期以CK 的Gs 最高，IR3的最低，IR2與N0的Gs 差異不顯著；孕穗期、齊穗期均以IR1的氣孔導(dǎo)度最高，CK、IR2和IR3的差異均不顯著；乳熟期IR3、N0的差異不顯著，但明顯高于IR1、IR2。

圖2 早、晚稻不同生育期的氣孔導(dǎo)度Fig.2 Conductance to H2O at different growth stages of early rice and late rice

在全生育時(shí)期晚稻各處理的Gs 隨生育進(jìn)程呈逐漸下降的趨勢(shì)。分蘗期、孕穗期CK 的Gs 最高；3 個(gè)增密減氮處理以IR2的Gs 最高；N0的Gs 在分蘗期僅次于CK 的，在孕穗期為最低。齊穗期IR3的Gs 最高，與IR1差異不顯著，N0的最低；乳熟期仍以IR3的Gs 最高，CK、IR1、IR2、N0的差異不顯著。

3.1.4 增密減氮對(duì)雙季稻胞間CO2濃度的影響

從圖3 可以看出，早稻的胞間CO2濃度（Ci）在乳熟期最低。分蘗期IR3的Ci 最高，明顯高于IR1、IR2、N0，與CK 差異不顯著；孕穗期IR1的Ci 最高，顯著高于N0，與IR3、IR2、CK 的差異不顯著；齊穗期CK 的Ci 最高，明顯高于其他4 個(gè)處理；乳熟期IR2的Ci 最高，CK 與IR1差異不顯著，IR3與N0的差異不顯著。

圖3 早、晚稻不同生育期的胞間CO2 濃度Fig.3 Intercellular CO2 concentrations at different growth stages of early rice and late rice

晚稻的Ci 在齊穗期最低。分蘗期IR3的Ci 最高，孕穗期、齊穗期均以IR1的最高。乳熟期N0的Ci 最高，明顯高于其他處理，CK 與IR3、IR1與IR2的差異均不顯著。

3.1.5 增密減氮對(duì)雙季稻蒸騰速率的影響

如圖4 所示，早稻在分蘗期N0的蒸騰速率（Tr）最高，明顯高于CK、IR2、IR3，與IR1差異不顯著；孕穗期IR1與IR2的Tr 差異不顯著，以IR1的最高，CK 的最低；齊穗期、乳熟期各個(gè)處理之間的差異不顯著。

圖4 早、晚稻不同生育期的蒸騰速率Fig.4 Transpiration rates at different growth stages of early rice and late rice

晚稻各處理的Tr 在分蘗期最高，乳熟期最低。分蘗期N0的Tr 最高，顯著高于其他4 個(gè)處理，CK與IR3、IR1與IR2差異不顯著；孕穗期以IR1的Tr最高，顯著高于其他4 個(gè)處理，CK 與IR2、IR3的差異不顯著；齊穗期、乳熟期IR1的Tr 最高，IR2、IR3、N0的Tr 差異不顯著。

3.2 雙季稻產(chǎn)量與不同生育期光合特性的相關(guān)性分析

雙季稻4 個(gè)生育時(shí)期的光合特性與產(chǎn)量相關(guān)性分析的結(jié)果如表2 所示。在早稻的各個(gè)處理中，分蘗期的SPAD 值與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，Tr 與產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)；孕穗期的SPAD 值、Gs 與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)；齊穗期的SPAD 與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，乳熟期的Pn 與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。在晚稻的各個(gè)處理中，分蘗期的Tr 與產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)；孕穗期的Gs、Ci與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)；齊穗期的SPAD值、Ci 與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，乳熟期的SPAD 值 與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，而Ci 與產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)。

表2 不同生育期光合特性與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between photosynthetic characteristics and economic yield at different growth stages

3.3 增密減氮對(duì)雙季稻葉片水分利用效率的影響

由表3 可知，早稻在齊穗期水分利用效率最高；分蘗期、孕穗期、乳熟期IR3的水分利用效率最高，比各個(gè)時(shí)期的CK 分別高4.9%、3.5%、4.7%；齊穗期CK 的水分利用效率最高，顯著高于其他處理的，比IR3高10.0%。晚稻的生育進(jìn)程中，分蘗期CK的水分利用效率最高，明顯高于其他處理，其后依次是IR1、IR3、IR2、N0；孕穗期、齊穗期、乳熟期IR3的水分利用效率最高，較CK 分別高13.2%、16.6%、11.3%。

表3 雙季稻葉片水分利用效率Table 3 Leaf water use efficiency of double cropping rice μmol/mmol

4 結(jié)論與討論

劉文祥等[18]研究發(fā)現(xiàn)，中氮和中密組合處理下早稻的SPAD 值在齊穗期最高。本研究中，早、晚稻在分蘗到齊穗過(guò)程中，4 個(gè)施肥處理的SPAD 值不斷升高，在齊穗期最高，而不施肥處理（N0）的SPAD值不斷下降，且明顯低于施肥處理的。這是因?yàn)槭┑谝欢ǔ潭壬峡裳泳徣~片衰老[19]。同時(shí)適宜的栽植密度，可以保證個(gè)體的正常發(fā)育和群體的協(xié)調(diào)發(fā)展，減少氮肥，個(gè)體的分蘗能力雖減少[20]，但群體的分蘗數(shù)量增加了，可以更有效地利用光能，從而有利于葉綠素含量的提高。本研究中，早稻分蘗、孕穗、乳熟期IR3的Pn 均最高，在晚稻季孕穗、齊穗、乳熟期IR3的Pn 也最高，可見(jiàn)，IR3處理能提高雙季稻的凈光合速率，尤其是在水稻生長(zhǎng)發(fā)育的后期階段。有研究[21]認(rèn)為，水稻結(jié)實(shí)期葉片的凈光合能力是影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，產(chǎn)量的80%以上來(lái)自水稻抽穗后葉片的光合作用[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，早稻乳熟期的Pn 與產(chǎn)量具有顯著正相關(guān)性，晚稻齊穗期的SPAD值與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.99），這說(shuō)明早、晚稻在抽穗期以后有效利用養(yǎng)分和截取太陽(yáng)輻射對(duì)于確保水稻產(chǎn)量至關(guān)重要[23]。

水稻葉片凈光合速率（Pn）增加，葉片水分利用效率（WUE）則會(huì)增加；葉片的蒸騰速率增加會(huì)導(dǎo)致WUE 降低。本研究中，IR3處理的Pn 在早稻的分蘗期、孕穗期、乳熟期均高于其他處理，在晚稻的孕穗、齊穗、乳熟期，IR3處理的Pn 也最高，說(shuō)明IR3處理能明顯提高葉片水分利用效率。以上結(jié)果說(shuō)明土壤水分一定時(shí), 氮肥和種植密度合理組合,有利于養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供給, 使水、肥、種植密度間發(fā)揮良好的協(xié)同效應(yīng)。在“早蓄晚灌”節(jié)水背景下,IR3的栽植密度和減氮施用有利于提高水稻群體間對(duì)水分的利用效率。

綜上所述，IR3處理對(duì)于提高雙季稻光合作用以及葉片水分利用效率的效果最好。氮素在一定程度上為植株提供養(yǎng)分，有助于光合作用以及葉片水分轉(zhuǎn)化。節(jié)約氮肥投入、增加植株密度并沒(méi)有降低群體生產(chǎn)力，甚至還明顯提高了水分利用效率，充分利用了地力。較高的栽植密度和較低的氮素水平，可調(diào)節(jié)氮素養(yǎng)分與環(huán)境之間的矛盾，有利于集約化農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，符合資源節(jié)約與環(huán)境友好型的社會(huì)發(fā)展。但長(zhǎng)期減氮和較高的植株密度是否會(huì)對(duì)土壤環(huán)境以及稻米品質(zhì)造成不利影響還需作進(jìn)一步探究。