水氮耦合下黑土稻作碳氮磷累積分配和化學(xué)計(jì)量特征

秦子元 張忠學(xué) 杜思澄 黃 彥 王 柏 張作合

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030；3.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080； 4.綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院， 綏化 152061)

0 引言

水稻作為我國主要糧食作物，在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位十分突出[1]。1990年以來，我國農(nóng)業(yè)用水總量整體呈下降趨勢(shì)，到2003年降到最低點(diǎn)，近年來，農(nóng)業(yè)用水總量穩(wěn)定在3.8×1011m3左右[2]，隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程加快，農(nóng)業(yè)用水必將被擠占，而在耕地?cái)?shù)量有限、人口持續(xù)增長(zhǎng)的背景下，到2030年，我國水稻產(chǎn)量需提高20%，才能滿足國內(nèi)糧食需要，“水減糧增”矛盾突出[3]。大量氮肥被用于稻田生產(chǎn)以期產(chǎn)量最大化，“愈多愈好”不科學(xué)的施肥方式使氮素?fù)p失增加，而過量施用氮肥加上不合理的水分管理方式導(dǎo)致水氮利用效率降低，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生極大危害[4]。碳氮磷是生態(tài)系統(tǒng)中最主要的三大生命元素，其中碳是植物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，氮磷是限制碳同化、植物生長(zhǎng)和其他生物過程最重要的營養(yǎng)元素[5]。由于植物碳氮磷生化功能密切耦合，其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征在探索生態(tài)系統(tǒng)中生物地球化學(xué)循環(huán)、多元素平衡和養(yǎng)分限制等方面起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也可以揭示變化環(huán)境下生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定的維持機(jī)制[6]。對(duì)植物生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究將有助于更深入理解植物生長(zhǎng)和營養(yǎng)利用策略，以及植物對(duì)各種環(huán)境脅迫的響應(yīng)[7]，從而優(yōu)化田間水氮耦合模式，實(shí)現(xiàn)水稻的可持續(xù)生產(chǎn)。

不同的化學(xué)計(jì)量比有不同的指示意義，碳氮比(C/N)可反映植株吸收養(yǎng)分所能同化碳的能力，能在一定程度上表征植物碳氮代謝協(xié)調(diào)程度，碳磷比(C/P)可衡量植物生長(zhǎng)速率，氮磷比(N/P)可作為判斷氮磷養(yǎng)分限制狀況的關(guān)鍵指標(biāo)[8]。目前，關(guān)于植物、凋落物和土壤等的化學(xué)計(jì)量特征與外部環(huán)境間的關(guān)系已得到廣泛研究和應(yīng)用[9-13]。然而，目前關(guān)于水稻生育期內(nèi)碳氮磷化學(xué)計(jì)量關(guān)系的變化趨勢(shì)和量化特征研究較少，其對(duì)不同水氮耦合及其交互效應(yīng)的響應(yīng)更鮮有報(bào)道。

本文通過大田試驗(yàn)研究黑土地區(qū)不同水氮耦合條件下水稻地上部各器官碳氮磷含量、累積量、分配比例及化學(xué)計(jì)量比的動(dòng)態(tài)變化，揭示水稻成熟期各器官碳氮磷化學(xué)計(jì)量比與水稻產(chǎn)量之間的相互關(guān)系，并通過碳氮磷化學(xué)計(jì)量比評(píng)估氮磷限制格局，以期為水氮耦合模式下植株生長(zhǎng)機(jī)理及養(yǎng)分回報(bào)的動(dòng)態(tài)模型建立提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年5—10月在黑龍江省慶安國家灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站(46°58′8″ N，127°40′2″ E)進(jìn)行。試驗(yàn)田位于慶安縣平安鎮(zhèn)，地處松嫩平原呼蘭河流域中下游，是典型的寒地黑土分布區(qū)，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季溫?zé)岫嘤?，冬季寒冷干燥。全年無霜期約128 d，多年平均氣溫2.9℃，多年平均蒸發(fā)量為1 213.4 mm，多年平均降水量559.8 mm，降水多集中在7、8月。供試土壤類型為黑土型水稻土，試驗(yàn)前耕層土壤(0～20 cm)基本理化性質(zhì)為：pH值6.47，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比43.1 g/kg，全氮質(zhì)量比1.69 g/kg，全磷質(zhì)量比0.67 g/kg，全鉀質(zhì)量比19.99 g/kg，堿解氮質(zhì)量比159.21 mg/kg，速效磷質(zhì)量比27.56 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比158.3 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用灌溉模式和施氮量2因素全面試驗(yàn)。設(shè)置常規(guī)淹灌(F)、淺濕灌溉(S)和控制灌溉(C)3種灌溉模式，常規(guī)淹灌在水稻返青期后保持30～50 mm水層；淺濕灌溉采用“前水不見后水”的灌溉方式，待田面呈濕潤(rùn)狀態(tài)，再灌下次水；控制灌溉田面基本不再長(zhǎng)時(shí)間建立水層，以根層土壤含水率及土壤表相確定灌水時(shí)間、灌水次數(shù)及灌水定額。不同灌溉模式各生育期水分管理見表1。全生育期施氮量設(shè)置4個(gè)水平：0、85、110、135 kg/hm2(N0、N1、N2、N3)。試驗(yàn)共計(jì)12個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共36個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，各試驗(yàn)小區(qū)面積為100 m2(10 m×10 m)，田埂高20 cm，寬25 cm，小區(qū)四側(cè)布置塑料板和水泥埂，以減少串流和側(cè)滲。各小區(qū)單獨(dú)灌排，進(jìn)水管接裝小型水表。

表1 水稻各生育期水分管理Tab.1 Water management during each growth period of rice field

供試水稻品種為當(dāng)?shù)貜V泛種植的“綏粳18”，水稻插秧每穴定3株，株行距為10 cm×30 cm。供試氮肥為尿素(含N 46%)，分基肥(45%)、蘗肥(20%)和穗肥(35%)施用；磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)，P2O5施入量為45 kg/hm2，全部作為基肥施入；鉀肥為硫酸鉀(含K2O 60%)，K2O施入量為80 kg/hm2，按基肥(50%)和8.5葉齡(50%)分施。2020年5月19日大田施基肥，5月20日水稻幼苗移栽大田，6月11日施蘗肥，7月18日施穗肥，9月25日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1氣象數(shù)據(jù)測(cè)定

降水量和氣溫等氣象數(shù)據(jù)由自動(dòng)氣象站(DZZ 2型，天津氣象儀器廠)記錄(圖1)。

圖1 2020年水稻生長(zhǎng)期氣溫和降水量日變化Fig.1 Daily variation of air temperature and precipitation during rice growing season in 2020

1.3.2干物質(zhì)量與碳氮磷含量測(cè)定

各小區(qū)分別于分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、成熟期隨機(jī)選取水稻5穴，剪去根部后，將植株分為葉、莖鞘和穗(抽穗后)并用去離子水洗凈，置于干燥箱中105℃殺青0.5 h，然后80℃干燥至質(zhì)量恒定。稱量干物質(zhì)量后用高速粉碎機(jī)將植株各部分器官粉碎，過80目(0.18 mm)網(wǎng)篩，裝入自封袋待用。使用總有機(jī)碳分析儀(Elementar vario TOC)測(cè)定植株碳含量；樣品經(jīng)H2SO4-H2O2法消煮后，取待測(cè)液用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AutoAnalyzer-3型，Bran+Luebbe公司，德國)測(cè)定植株氮磷含量。

1.3.3產(chǎn)量測(cè)定

水稻成熟期，各試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取1 m2水稻人工收獲，用脫粒機(jī)脫粒，稻谷攤開晾曬至含水率約14%時(shí)稱量測(cè)產(chǎn)。

1.4 計(jì)算方法

水稻不同組織碳氮磷累積量計(jì)算公式為

CAi=CiDMi

(1)

NAi=NiDMi

(2)

PAi=PiDMi

(3)

式中CAi、NAi、PAi——水稻各組織碳、氮、磷累積量，kg/hm2

Ci、Ni、Pi——水稻各組織碳、氮、磷含量，%

DMi——水稻各組織干物質(zhì)量，kg/hm2

其中i為水稻不同組織，取l、ss、p時(shí)分別代表葉、莖鞘、穗。

圖2 水氮耦合下不同生育期水稻莖鞘碳氮磷含量Fig.2 Contents of carbon, nitrogen and phosphorus in rice stem sheath at different growth stages under water and nitrogen coupling

水稻不同組織碳氮磷化學(xué)計(jì)量比計(jì)算公式為

C/Ni=Ci/Ni

(4)

C/Pi=Ci/Pi

(5)

N/Pi=Ni/Pi

(6)

式中C/Ni、C/Pi、N/Pi——水稻各組織碳氮比、碳磷比、氮磷比

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019和Origin 2021處理數(shù)據(jù)及作圖，利用SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)中Duncan法進(jìn)行處理間多重比較；采用一般線性模型中多變量雙因素方差分析確定灌溉模式和施氮量對(duì)各指標(biāo)的主效應(yīng)和交互效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對(duì)水稻碳氮磷含量的影響

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻莖鞘碳氮磷含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見圖2(圖中W表示灌溉模式，N表示施氮量，*表示影響顯著，**表示影響極顯著，不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同水氮耦合處理下，生育期內(nèi)莖鞘碳氮磷含量分別為35.87%～39.43%、0.44%～2.19%、0.14%～0.32%。相同灌溉模式下，莖鞘碳含量隨生育期推進(jìn)小幅升高，莖鞘氮磷含量隨生育期推進(jìn)呈下降趨勢(shì)。相同施氮量下，分蘗期莖鞘碳氮磷含量，按灌溉模式由大到小依次為：常規(guī)淹灌、淺濕灌溉、控制灌溉，常規(guī)淹灌莖鞘平均碳氮磷含量比淺濕灌溉分別提高0.57%、4.11%、17.11%，比控制灌溉分別提高1.67%、9.87%、23.29%；拔節(jié)孕穗期至成熟期莖鞘碳氮含量，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規(guī)淹灌，而常規(guī)淹灌莖鞘磷含量始終高于淺濕灌溉和控制灌溉。相同灌溉模式，成熟期莖鞘碳含量差異不顯著(P>0.05)，莖鞘氮含量差異顯著(P<0.05)，施氮處理莖鞘磷含量顯著高于不施氮處理(P<0.05)?？刂乒喔瘸墒炱谇o鞘平均碳氮含量比淺濕灌溉分別提高1.13%、3.97%，比常規(guī)淹灌分別提高1.21%、10.66%，常規(guī)淹灌成熟期莖鞘平均磷含量比淺濕灌溉提高16.91%，比控制灌溉提高29.73%。

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻葉碳氮磷含量見圖3。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同水氮耦合處理下，生育期內(nèi)葉碳氮磷含量分別為36.34%～40.83%、0.76%～3.70%、0.14%～0.36%。相同灌溉模式下，葉碳氮磷含量隨生育期推進(jìn)呈下降趨勢(shì)。相同施氮量，分蘗期葉碳氮磷含量，按灌溉模式由大到小依次為：常規(guī)淹灌、淺濕灌溉、控制灌溉，常規(guī)淹灌葉平均碳氮磷含量比淺濕灌溉分別提高1.28%、3.57%、9.33%，比控制灌溉分別提高1.97%、7.16%、28.6%；拔節(jié)孕穗期至成熟期葉碳氮含量，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規(guī)淹灌，而常規(guī)淹灌葉磷含量始終高于淺濕灌溉和控制灌溉。相同灌溉模式，成熟期葉碳含量差異不顯著(P>0.05)，葉氮含量差異顯著(P<0.05)，施氮處理葉磷含量顯著高于不施氮處理(P<0.05)。控制灌溉成熟期葉平均碳氮含量比淺濕灌溉分別提高1.18%、0.40%，比常規(guī)淹灌分別提高1.44%、4.39%，常規(guī)淹灌成熟期葉平均磷含量比淺濕灌溉提高12.49%，比控制灌溉提高40.09%。

圖3 水氮耦合下不同生育期水稻葉碳氮磷含量Fig.3 Contents of carbon, nitrogen and phosphorus in rice leaf at different growth stages under water and nitrogen coupling

圖4 水氮耦合下不同生育期水稻穗碳氮磷含量Fig.4 Contents of carbon, nitrogen and phosphorus in rice panicle at different growth stages under water and nitrogen coupling

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻穗碳氮磷含量見圖4。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同水氮耦合處理下，生育期內(nèi)穗碳氮磷含量分別為37.05%～41.72%、0.82%～1.63%、0.24%～0.39%。相同灌溉模式下，成熟期穗碳磷含量高于拔節(jié)孕穗期，穗氮含量隨生育期推進(jìn)呈下降趨勢(shì)。相同施氮量下，生育期內(nèi)水稻穗碳氮含量，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規(guī)淹灌，常規(guī)淹灌水稻穗磷含量始終高于淺濕灌溉和控制灌溉。相同灌溉模式，成熟期水稻穗碳含量差異不顯著(P>0.05)，穗氮含量差異顯著(P<0.05)，施氮處理穗磷含量顯著高于不施氮處理(P<0.05)。控制灌溉成熟期穗平均碳氮含量比淺濕灌溉分別提高0.54%、3.64%，比常規(guī)淹灌分別提高1.22%、7.97%，常規(guī)淹灌成熟期穗平均磷含量比淺濕灌溉提高9.01%，比控制灌溉提高20.98%。

2.2 水氮耦合對(duì)水稻碳氮磷累積量的影響

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻碳氮磷累積量見圖5。試驗(yàn)結(jié)果表明，相同灌溉模式下，水稻地上部碳氮磷累積量隨生育期推進(jìn)呈上升趨勢(shì)。不同水氮耦合處理，莖鞘碳氮磷累積量、葉磷累積量基本在拔節(jié)孕穗期達(dá)到最大值，葉碳氮累積量基本在抽穗開花期達(dá)到最大值，穗碳氮磷累積量均在成熟期達(dá)到最大值。相同施氮量，分蘗期水稻碳氮磷累積量，按灌溉模式由大到小依次為：常規(guī)淹灌、淺濕灌溉、控制灌溉，常規(guī)淹灌平均碳氮磷累積量比淺濕灌溉分別提高6.24%、9.08%、19.62%，比控制灌溉分別提高12.54%、19.31%、39.14%；拔節(jié)孕穗期至成熟期碳氮累積量，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規(guī)淹灌，常規(guī)淹灌磷累積量始終高于淺濕灌溉和控制灌溉。相同灌溉模式，成熟期水稻碳氮磷累積量差異顯著(P<0.05)，不施氮處理碳氮磷累積量顯著低于施氮處理(P<0.05)，CN2和CN3處理碳磷累積量差異不顯著(P>0.05)。成熟期下，CN3處理碳氮累積量均為最大，分別為7 186.46、215.15 kg/hm2，F(xiàn)N3處理磷累積量最大，為51.25 kg/hm2；控制灌溉平均碳氮累積量比淺濕灌溉分別提高8.33%、11.21%，比常規(guī)淹灌分別提高12.49%、20.05%，常規(guī)淹灌平均磷累積量比淺濕灌溉提高7.90%，比控制灌溉提高12.23%；N1、N2、N3處理較N0處理碳累積量分別提高31.46%、52.55%、57.37%，氮累積量分別提高52.98%、117.63%、144.88%，磷累積量分別提高50.28%、79.85%、93.89%。

圖5 水氮耦合下不同生育期水稻碳氮磷累積量Fig.5 Accumulation of carbon, nitrogen and phosphorus in rice at different growth stages under water and nitrogen coupling

2.3 水氮耦合對(duì)水稻碳氮磷分配比例的影響

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻碳氮磷分配比例見圖6。試驗(yàn)結(jié)果表明，水稻不同組織碳氮磷分配比例隨生育期變化規(guī)律相似，莖鞘碳氮磷分配比例先增后減，在拔節(jié)孕穗期達(dá)到最大值，葉碳氮磷分配比例持續(xù)減小，穗碳氮磷比例持續(xù)增加。水稻生育期內(nèi)，常規(guī)淹灌、淺濕灌溉、控制灌溉模式下莖鞘碳平均分配比例范圍分別為33.33%～79.83%、33.56%～80.71%、33.00%～80.34%，莖鞘氮平均分配比例范圍分別為23.22%～66.53%、23.83%～67.41%、23.37%～66.21%，莖鞘磷平均分配比例范圍分別為23.89%～78.08%、23.07%～77.64%、22.71%～78.19%，葉碳平均分配比例范圍分別為6.16%～44.62%、6.67%～44.53%、7.11%～44.54%，葉氮平均分配比例范圍分別為7.77%～60.30%、8.35%～60.43%、8.60%～60.88%，葉磷平均分配比例范圍分別為5.15%～46.09%、5.53%～47.86%、5.25%～45.00%，穗碳平均分配比例范圍分別為29.84%～60.51%、30.31%～59.77%、29.17%～59.89%，穗氮平均分配比例范圍分別為28.86%～69.01%、28.76%～67.82%、28.56%～68.03%，穗磷平均分配比例范圍分別為36.35%～70.95%、36.99%～71.40%、36.61%～72.05%。成熟期N3、N2、N1處理較N0處理穗碳分配比例分別提高5.56%、6.10%、4.92%，穗磷分配比例分別提高3.73%、3.83%、2.42%，N2處理穗氮分配比例最高，為69.41%。

圖6 水氮耦合下不同生育期水稻碳氮磷分配比例Fig.6 Distribution of carbon, nitrogen and phosphorus in rice at different growth stages under water and nitrogen coupling

2.4 水氮耦合對(duì)水稻碳氮磷化學(xué)計(jì)量比的影響

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻莖鞘碳氮磷化學(xué)計(jì)量比見圖7。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同水氮耦合處理下，生育期內(nèi)莖鞘C/N、C/P、N/P范圍分別為17.29～84.50、118.60～264.12、2.67～7.90。相同灌溉模式下，水稻莖鞘C/N、C/P隨生育期推進(jìn)呈上升趨勢(shì)，莖鞘N/P隨生育期推進(jìn)呈下降趨勢(shì)，分蘗期控制灌溉莖鞘平均C/N高于淺濕灌溉和常規(guī)淹灌，拔節(jié)孕穗期至成熟期常規(guī)淹灌莖鞘平均C/N高于淺濕灌溉和控制灌溉，不同生育期莖鞘平均C/P、N/P，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規(guī)淹灌(分蘗期淺濕灌溉莖鞘平均N/P高于控制灌溉)。施氮處理顯著降低水稻莖鞘C/N、C/P，顯著提高水稻莖鞘N/P(P<0.05)，在分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、成熟期，各施氮處理較N0處理莖鞘C/N分別降低29.15%～59.06%、24.82%～48.42%、20.35%～28.08%、19.97%～40.93%，莖鞘C/P分別降低7.73%～16.25%、8.07%～16.41%、9.93%～19.42%、7.78%～24.55%，莖鞘N/P分別提高26.86%～115.65%、21.42%～64.92%、6.47%～20.34%、2.01%～41.63%。在成熟期，常規(guī)淹灌莖鞘平均C/N比淺濕灌溉、控制灌溉分別提高6.52%、10.94%，控制灌溉莖鞘平均C/P、N/P比淺濕灌溉提高11.77%、15.73%，比常規(guī)淹灌提高29.86%、44.09%。

圖7 水氮耦合下不同生育期水稻莖鞘碳氮磷化學(xué)計(jì)量比Fig.7 Stoichiometric ratio of carbon, nitrogen and phosphorus in rice stem sheath at different growth stages under water and nitrogen coupling

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻葉碳氮磷化學(xué)計(jì)量比見圖8。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同水氮耦合處理下，生育期內(nèi)葉C/N、C/P、N/P范圍分別為11.04～47.92、113.85～259.32、6.91～13.44。相同灌溉模式下，水稻葉C/N、C/P隨生育期推進(jìn)呈上升趨勢(shì)，葉N/P隨生育期推進(jìn)先降后升再大幅度下降，分蘗期控制灌溉葉平均C/N比淺濕灌溉和常規(guī)淹灌高3.07%、6.63%，拔節(jié)孕穗期至成熟期常規(guī)淹灌葉平均C/N高于淺濕灌溉和控制灌溉，不同生育期葉平均C/P、N/P，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規(guī)淹灌。施氮處理顯著降低水稻葉C/N、C/P(P<0.05)，在分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、成熟期，各施氮處理較N0處理葉C/N分別降低23.90%～43.53%、3.96%～31.99%、5.87%～31.04%、6.67%～40.60%，葉C/P分別降低7.73%～16.25%、8.07%～16.41%、9.93%～19.42%、7.78%～24.55%，成熟期N0、N1處理葉N/P顯著低于N2、N3處理(P<0.05)，N2、N3處理葉N/P較N0處理提高19.23%～48.07%。在成熟期，常規(guī)淹灌葉平均C/N比淺濕灌溉、控制灌溉分別提高3.50%、4.98%，控制灌溉葉平均C/P、N/P比淺濕灌溉提高25.52%、25.49%，比常規(guī)淹灌提高41.66%、46.50%。

圖8 水氮耦合下不同生育期水稻葉碳氮磷化學(xué)計(jì)量比Fig.8 Stoichiometric ratio of carbon, nitrogen and phosphorus in rice leaf at different growth stages under water and nitrogen coupling

不同水氮耦合處理下，各生育期水稻穗碳氮磷化學(xué)計(jì)量比見圖9。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同水氮耦合處理下，生育期內(nèi)穗C/N、C/P、N/P范圍分別為29.76～49.19、109.55～149.35、2.59～4.37。相同灌溉模式下，水稻穗C/N隨生育期推進(jìn)呈上升趨勢(shì)，穗C/P、N/P隨生育期推進(jìn)呈下降趨勢(shì)(常規(guī)淹灌穗C/P除外)。各生育期穗平均C/N，按灌溉模式由大到小依次為：常規(guī)淹灌、淺濕灌溉、控制灌溉，各生育期穗平均C/P、N/P，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規(guī)淹灌。施氮處理顯著降低水稻穗C/N、C/P(P<0.05)，在抽穗開花期、成熟期，各施氮處理較N0處理穗C/N分別降低9.90%～45.39%、4.76%～36.19%，穗C/P分別降低10.22%～16.78%、8.81%～18.43%，N3處理比其他處理穗N/P分別提高9.63%～55.72%、0.93%～35.00%。在成熟期，常規(guī)淹灌穗平均C/N比淺濕灌溉、控制灌溉分別提高4.67%、8.27%，控制灌溉穗平均C/P、N/P比淺濕灌溉提高7.91%、11.23%，比常規(guī)淹灌提高17.55%、25.74%。

2.5 相關(guān)性分析

水稻產(chǎn)量和碳氮磷化學(xué)計(jì)量比間相關(guān)分析見表2。水稻產(chǎn)量Y與C/Nss、C/Nl、C/Np、C/Pp間呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與N/Pss、N/Pl、N/Pp間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與C/Pss、C/Pl間相關(guān)性不顯著(P>0.05)，說明水稻器官C/N和N/P在表達(dá)水稻產(chǎn)量與化學(xué)計(jì)量比的關(guān)系方面可能比C/P更具指導(dǎo)意義。C/Nss、C/Nl、C/Np間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，C/Pss、C/Pl、C/Pp間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，N/Pss、N/Pl、N/Pp間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，水稻不同器官C/N與其C/P呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān)，與N/P呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，說明碳氮磷化學(xué)計(jì)量比在水稻器官內(nèi)和器官間高度相關(guān)。

3 討論

3.1 水氮耦合對(duì)碳氮磷含量、累積和分配的影響

碳氮磷在不同器官中的含量、累積和分配受到生長(zhǎng)條件和自身結(jié)構(gòu)特征制約[14]。水氮作為水稻生長(zhǎng)的主要限制因子，適宜水氮耦合模式不僅可以調(diào)節(jié)水稻體內(nèi)主要養(yǎng)分元素含量，同時(shí)也能夠提高植物光合速率和產(chǎn)量[15]。植物生長(zhǎng)快慢與蛋白質(zhì)合成速率關(guān)系密切，細(xì)胞中核磷酸是磷存在的主要形式(RNA磷約占細(xì)胞質(zhì)量的9%)，所以，植株生長(zhǎng)速度較快階段對(duì)應(yīng)磷含量也相對(duì)較高，碳代謝作為植物體內(nèi)最重要的基礎(chǔ)代謝，可為氮代謝提供碳架和能量，碳氮代謝的動(dòng)態(tài)變化則會(huì)影響可溶性糖累積、淀粉合成酶產(chǎn)生、養(yǎng)分元素吸收及蛋白質(zhì)合成等過程[16]，因此，碳氮磷含量也是反映碳氮代謝水平、植株生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)。KOERSELMAN等[17]研究表明，濕地植物氮磷質(zhì)量比低于10、1.1 g/kg時(shí)，生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制；FAGERIA等[18]研究指出，水稻生育期內(nèi)植株氮質(zhì)量比在26～42 g/kg范圍內(nèi)為充足水平，成熟期植株磷質(zhì)量比為1.6 g/kg屬于充足水平。本研究中，3種灌溉模式下各施氮處理莖鞘、葉和穗的氮磷含量基本處于上述文獻(xiàn)范圍內(nèi)，氮磷供應(yīng)相對(duì)充足。本試驗(yàn)水稻各器官碳氮磷含量變化趨勢(shì)有所差異，莖鞘、葉、穗碳含量變化較小；莖鞘、葉、穗氮含量隨生育期推進(jìn)呈下降趨勢(shì)，唐美玲等[19]研究結(jié)果也表明，根系、秸稈和穗氮含量隨水稻生長(zhǎng)發(fā)育逐漸降低，這種現(xiàn)象是由于植株干物質(zhì)累積產(chǎn)生稀釋效應(yīng)而引起；莖鞘、葉磷含量隨生育期推進(jìn)呈下降趨勢(shì)，而穗磷含量從抽穗開花期到成熟期持續(xù)上升，這可能歸因于籽粒在生殖生長(zhǎng)階段需要更多富磷核糖體RNA來維持蛋白質(zhì)高速合成。水稻生育期內(nèi)，3種灌溉模式對(duì)不同器官碳氮磷含量有不同影響，分蘗期常規(guī)淹灌水稻碳氮含量高于淺濕灌溉和控制灌溉，拔節(jié)孕穗期至成熟期控制灌溉水稻碳氮含量高于淺濕灌溉和常規(guī)淹灌，而生育期內(nèi)常規(guī)淹灌水稻磷含量始終高于淺濕灌溉和控制灌溉，這是因?yàn)樗痉登嗥诤?，淺濕灌溉和控制灌溉田面只保持薄水層或不長(zhǎng)時(shí)間建立水層，這一時(shí)期的秧苗對(duì)水分相對(duì)敏感，水稻從土壤吸收的養(yǎng)分不足，一定程度上抑制水稻生長(zhǎng)發(fā)育，而在水稻生長(zhǎng)發(fā)育中后期，控制灌溉和淺濕灌溉改善了稻田水土條件，為水稻根系生長(zhǎng)提供了更適宜的環(huán)境，促進(jìn)根系生長(zhǎng)的同時(shí)還能延緩根系衰老，進(jìn)而對(duì)植株體內(nèi)碳氮代謝和累積產(chǎn)生一定補(bǔ)償作用[20]。呂國安等[21]研究表明，節(jié)水灌溉能改善稻田通氣性，降低土壤磷有效性，抑制水稻植株磷吸收，這與本文研究結(jié)果相似，表明植株磷含量與碳氮含量形成過程有所差異，這可能是由于碳氮元素具有相對(duì)豐富的自然來源，而磷的自然來源主要為土壤磷素礦化。本文中，相同灌溉模式下，施氮處理水稻各器官氮磷含量較不施氮處理顯著提升，而施氮對(duì)水稻各器官碳含量影響較小，這與YE等[22]研究結(jié)果一致，這是因?yàn)橹仓昃哂蟹€(wěn)定的碳組成和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，施氮可以促進(jìn)根系吸收更多氮磷養(yǎng)分，同時(shí)增強(qiáng)細(xì)胞外磷酸酶活性，促進(jìn)磷的吸收。拔節(jié)孕穗期至成熟期，相同施氮量下，淺濕灌溉、控制灌溉可提高水稻碳氮累積量，降低磷累積量，這可能是因?yàn)樵诠?jié)水灌溉模式下，植株吸氮量增加，碳同化作用增強(qiáng)，加快了地上部生物量累積，同時(shí)土壤有效磷含量降低，植株吸磷量減少，因此，節(jié)水灌溉模式下應(yīng)加強(qiáng)對(duì)磷素的協(xié)調(diào)和供應(yīng)。本文中，不同水氮耦合處理下，成熟期水稻穗碳氮磷的分配比例分別為57.05%～61.55%、66.00%～70.55%、69.37%～73.12%，說明水稻生殖生長(zhǎng)階段相比于碳需要更多氮磷，這與馮蕾等[23]研究結(jié)果一致。

圖9 水氮耦合下不同生育期水稻穗碳氮磷化學(xué)計(jì)量比Fig.9 Stoichiometric ratio of carbon, nitrogen and phosphorus in rice panicle at different growth stages under water and nitrogen coupling

表2 水稻產(chǎn)量與碳氮磷化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient between rice yield and stoichiometric ratio of carbon, nitrogen and phosphorus

3.2 應(yīng)用碳氮磷化學(xué)計(jì)量比評(píng)估氮磷限制格局

碳氮磷化學(xué)計(jì)量比是反映多樣化生態(tài)過程重要且敏感的指標(biāo)，其化學(xué)計(jì)量關(guān)系受生物因素和非生物因素共同影響，根據(jù)“內(nèi)穩(wěn)態(tài)理論”，植物可調(diào)節(jié)自身養(yǎng)分元素，使其與變化環(huán)境中養(yǎng)分元素供應(yīng)保持動(dòng)態(tài)平衡，說明植物體內(nèi)存在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的C/N、C/P、N/P關(guān)系[24]，因此，通過碳氮磷化學(xué)計(jì)量比的變化情況，可以分析植物營養(yǎng)動(dòng)態(tài)，并判斷養(yǎng)分限制狀況。本文研究表明，不同水氮耦合處理下，水稻分蘗期至成熟期莖鞘、葉的C/N和C/P呈上升趨勢(shì)，這與阮新民等[25]得出的無氮區(qū)和施氮區(qū)水稻葉C/N分別從抽穗期(26.77、20.81)先增加到灌漿期(36.15、30.56)再上升到成熟期(43.59、31.95)的研究結(jié)果相似，這是由于水稻營養(yǎng)器官氮磷含量隨生育期推進(jìn)不斷降低導(dǎo)致。本文中，水稻穗C/P、N/P持續(xù)下降，且抽穗開花期和成熟期穗C/P、N/P均低于莖鞘和葉，這與生長(zhǎng)速率假說相符合，該假說認(rèn)為生物體低C/P、N/P是高生長(zhǎng)速率的表現(xiàn)，因?yàn)橹参矬w碳氮代謝等生理活動(dòng)增強(qiáng)會(huì)使吸磷量提高以維持高速率的核糖體RNA合成[26]。植物葉片光合速率受水分有效性影響，不同灌溉模式水分供應(yīng)條件不同，植物生長(zhǎng)發(fā)育、營養(yǎng)狀況會(huì)有所差異，進(jìn)而改變植物不同器官的化學(xué)計(jì)量關(guān)系[27]。本文中，不同灌溉模式對(duì)水稻碳含量影響不顯著(P>0.05)，對(duì)氮含量影響極顯著(P<0.01)，因而3種灌溉模式下植株C/N存在差異，常規(guī)淹灌模式下水稻C/N高于淺濕灌溉和控制灌溉，這與鄭恩楠等[28]研究結(jié)果一致，這是由于節(jié)水灌溉較常規(guī)淹灌更能提高水稻氮含量。SARDANS等[29]研究發(fā)現(xiàn)，水分虧缺會(huì)導(dǎo)致植物葉片和凋落物C/P偏高，本研究中淺濕灌溉和控制灌溉模式下水稻C/P和N/P均高于常規(guī)淹灌，這是由于節(jié)水灌溉模式降低土壤磷有效性導(dǎo)致植株吸磷量減少。不同灌溉模式分蘗期至拔節(jié)孕穗期水稻莖鞘、葉C/N較C/P和N/P更穩(wěn)定，說明C/N對(duì)水分的敏感性遠(yuǎn)低于C/P和N/P，同時(shí)也證實(shí)節(jié)水灌溉對(duì)稻田生產(chǎn)系統(tǒng)中植物介導(dǎo)的碳氮磷生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義。大量研究發(fā)現(xiàn)，氮素有效性是影響植株碳氮磷化學(xué)計(jì)量關(guān)系的主要因素，施氮使土壤氮素有效性增加，會(huì)降低植株C/N并提高N/P[30]，本文研究表明，施氮顯著降低水稻各器官C/N和C/P(P<0.05)，對(duì)N/P有一定提升作用。在植物碳氮磷化學(xué)計(jì)量關(guān)系中，N/P通常用來表征植物養(yǎng)分限制狀況，這是因?yàn)橹仓曛懈缓牡鞍踪|(zhì)和富含磷的RNA存在相互制約關(guān)系。李比希定理表明相對(duì)需求量而言供應(yīng)量最少的養(yǎng)分將成為生物體限制性養(yǎng)分，其中植物體中存在一個(gè)最佳N/P，植株N/P低于該比值相對(duì)受氮限制，高于該比值相對(duì)受磷限制，處于該比值范圍內(nèi)則受氮磷共同限制。已有研究發(fā)現(xiàn)[31]，主要谷類作物秸稈和籽粒的最佳N/P介于4.2～6.7之間，本研究中，水稻地上部N/P均隨生育期推進(jìn)呈下降趨勢(shì)，常規(guī)淹灌、淺濕灌溉和控制灌溉平均N/P分別為3.11～6.75、3.62～7.39、4.20～7.84，根據(jù)谷類作物最佳秸稈和籽粒N/P，可解釋常規(guī)淹灌和淺濕灌溉模式下，水稻地上部植株從磷限制過渡到氮磷共同限制再到氮限制狀態(tài)，而控制灌溉模式下只經(jīng)歷從磷限制過渡到氮磷共同限制的過程。不同水氮耦合處理下成熟期水稻產(chǎn)量與地上部氮磷含量相關(guān)關(guān)系見圖10，控制灌溉模式水稻產(chǎn)量和地上部氮磷含量擬合趨勢(shì)線與淺濕灌溉和常規(guī)淹灌明顯不同，表明成熟期水稻所受氮磷限制存在差異。稻作控制灌溉模式下，水稻產(chǎn)量隨地上部氮磷含量的增加先增大后減小，說明水稻植株對(duì)氮磷吸收存在閾值，過高氮磷含量并不利于水稻產(chǎn)量形成，這進(jìn)一步證實(shí)了不同灌溉模式下，寒地黑土區(qū)稻作產(chǎn)量受不同氮磷條件限制。

圖10 水氮耦合下成熟期水稻產(chǎn)量與地上部氮磷含量 相關(guān)關(guān)系Fig.10 Correlations between rice yield and nitrogen and phosphorus contents in shoot under coupling of water and nitrogen

總體上，控制灌溉可促進(jìn)氮素吸收并提升水稻產(chǎn)量，綜合考慮CN2為最佳水氮耦合模式。

4 結(jié)論

(1)不同水氮耦合處理下，生育期內(nèi)莖鞘碳氮磷含量分別為35.87%～39.43%、0.44%～2.19%、0.14%～0.32%，葉碳氮磷含量分別為36.34%～40.83%、0.76%～3.70%、0.14%～0.36%，穗碳氮磷含量分別為37.05%～41.72%、0.82%～1.63%、0.24%～0.39%。灌溉模式和施氮量對(duì)水稻不同器官氮磷含量影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，灌溉模式、灌溉模式和施氮量的交互效應(yīng)對(duì)碳含量影響均不顯著(P>0.05)。

(2)相同灌溉模式下，水稻地上部碳氮磷累積量隨生育期推進(jìn)呈上升趨勢(shì)。拔節(jié)孕穗期至成熟期碳氮累積量，按灌溉模式由大到小依次為：控制灌溉、淺濕灌溉、常規(guī)淹灌，常規(guī)淹灌生育期內(nèi)磷累積量始終高于淺濕灌溉和控制灌溉。成熟期N1、N2、N3處理較N0處理碳累積量分別提高31.46%、52.55%、57.37%，氮累積量分別提高52.98%、117.63%、144.88%，磷累積量分別提高50.28%、79.85%、93.89%。水稻不同組織碳氮磷分配比例隨生育期變化規(guī)律相似，莖鞘碳氮磷分配比例先增后減，葉碳氮磷分配比例持續(xù)減小，穗碳氮磷比例持續(xù)增加。

(3)與常規(guī)淹灌和淺濕灌溉相比，控制灌溉模式對(duì)水稻植株碳含量影響較小，但能提升水稻植株生長(zhǎng)中后期氮含量，并降低植株磷含量，從而降低水稻C/N，提高水稻C/P和N/P。施氮處理顯著提高水稻植株氮含量，小幅提升水稻植株磷含量，對(duì)水稻植株碳含量影響相對(duì)較小，進(jìn)而降低水稻植株C/N、C/P，提高水稻N/P。

(4)不同水氮耦合處理下，碳氮磷化學(xué)計(jì)量比在水稻器官內(nèi)和器官間高度相關(guān)。水稻不同器官C/N和N/P在表達(dá)水稻產(chǎn)量與化學(xué)計(jì)量比的關(guān)系方面比C/P更具指導(dǎo)意義。應(yīng)用地上部植株N/P解析寒地黑土區(qū)稻作氮磷限制狀態(tài)，常規(guī)淹灌和淺濕灌溉模式下，水稻地上部植株從磷限制過渡到氮磷共同限制再到氮限制狀態(tài)，控制灌溉模式下，水稻地上部植株僅從磷限制過渡到氮磷共同限制狀態(tài)。

(5)稻作控制灌溉模式可促進(jìn)氮素吸收并提升水稻產(chǎn)量，但過高氮磷含量并不利于水稻產(chǎn)量形成。綜合考慮，CN2為最佳水氮耦合模式。