蔡威威，艾天成，李 然，金紫緣，徐金剛，曹坤坤

(長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025)

水稻是世界各國(guó)特別是亞洲地區(qū)主要的糧食作物，而中國(guó)是世界上最大的水稻生產(chǎn)國(guó)，水稻產(chǎn)量位居全球首位[1]。水稻整個(gè)生育期累積的干物質(zhì)超過(guò)90%來(lái)自光合產(chǎn)物，其中90%以上依靠水稻葉片光合作用產(chǎn)生[2]，而其中又以水稻劍葉對(duì)產(chǎn)量的影響最為顯著，水稻產(chǎn)量的40%～60%由劍葉光合作用貢獻(xiàn)[3]。中國(guó)的氮肥消耗位居全球第一，氮肥用量約占全球總氮肥用量的37%，其中約占全國(guó)總氮肥用量的24%用于水稻生產(chǎn)[4]。但是我國(guó)稻田氮肥利用率只有20%～40%[5]，遠(yuǎn)低于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，稻田中氮肥損失高于50%，稻田氮素的損失不僅降低了氮肥利用率，增加了種植成本，同時(shí)氮素通過(guò)氨揮發(fā)、淋溶、徑流等造成水體富營(yíng)養(yǎng)化等一系列污染環(huán)境問(wèn)題[6-7]。因此為了提高氮肥利用率，減輕環(huán)境污染，包膜和添加劑等新型尿素被研制出來(lái)，相比普通尿素，新型尿素具有肥效持久、養(yǎng)分利用率高、污染小、能促進(jìn)作物的生長(zhǎng)和增加產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。微生物菌劑與氮肥配施，能夠起到改良土壤微生物結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，促進(jìn)作物高質(zhì)、高產(chǎn)等作用[10]。

以往新型氮肥在水稻上的研究多集中在單一的新型氮肥試驗(yàn)，而本文選取4種最有代表性的新型氮肥作為研究對(duì)象，進(jìn)行雙季稻的大田試驗(yàn)，探究不同類型氮肥對(duì)水稻不同生育期葉片光合特性、生物量累積以及最終產(chǎn)量的影響，以期為新型氮肥在水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖北省荊州市荊州區(qū)氣象局農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站內(nèi)(30°21′N，112°09′E)。該地區(qū)作為江漢平原的代表站點(diǎn)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，光能充足、熱量豐富。太陽(yáng)年輻射總量為435～461 kJ·cm-2，年平均氣溫15.9～16.6℃，年平均降水量1 100～1 300 mm，主要集中在早、晚稻季，年日照時(shí)數(shù)1 800～2 000 h。土壤為內(nèi)陸河湖交替沉積形成的水稻土，保水保肥能力良好，質(zhì)地為粉質(zhì)中壤土。當(dāng)?shù)貙儆陔p季稻作區(qū)，耕層0～20 cm土壤的基本理化性質(zhì)為：容重1.44 g·cm-3，有機(jī)質(zhì)28.38 g·kg-1，全氮1.37 g·kg-1，有效磷15.38 mg·kg-1，速效鉀62.51 mg·kg-1，pH值(H2O)7.20。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

雙季稻大田試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)5個(gè)不同的氮肥處理。(1)CK：為普通尿素(N 46%，下同)，作為對(duì)照處理，根據(jù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施肥方式來(lái)進(jìn)行；(2)CRU：為樹(shù)脂包膜控釋尿素(N 42%)，控釋期90 d；(3)NU：為尿素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的硝化抑制劑氯甲基吡啶；(4)DMPP：為尿素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的硝化抑制劑二甲基吡唑磷酸鹽；(5)EM：為尿素配施200倍等重的EM 菌液(有效微生物菌2×109cfu·mL-1，主要包括酵母菌群、乳酸菌群、光合菌群、芽孢桿菌群和放線菌群等)，配制方法為菌劑∶紅糖∶水=1∶1∶200培養(yǎng)48 h。所有處理的磷肥均為過(guò)磷酸鈣(P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)。每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)15個(gè)小區(qū)，小區(qū)長(zhǎng)6 m，寬4.5 m。

施肥共分3次，一次基肥在水稻移栽前施用，兩次追肥分別在分蘗期和抽穗期施用。施肥總養(yǎng)分量根據(jù)江漢平原地區(qū)相關(guān)專家的研究和荊州土肥站的推薦，按以下設(shè)置(各處理總養(yǎng)分量均一致)：總施肥量氮肥早稻為N 165 kg·hm-2，晚稻為N 180 kg·hm-2，各階段施氮量根據(jù)肥料種類和特性而定，為當(dāng)?shù)刈顑?yōu)施肥方式，具體施氮方案如表1所示。鑒于包膜控釋肥養(yǎng)分釋放的長(zhǎng)效性，只采用一次追施；為了保證單一變量差異，添加劑處理施氮量與CK保持一致。磷肥均為P2O560 kg·hm-2，作為基肥全部施入，鉀肥均為K2O 90 kg·hm-2，按比例2∶1∶3分3次施入。選用的早、晚稻品種分別為兩優(yōu)287和湘豐優(yōu)9號(hào)，皆為當(dāng)?shù)刂魍破贩N，早稻和晚稻的大田移栽時(shí)間分別為4月27日和7月26日，移栽密度為21萬(wàn)穴·hm-2，每穴2株。

表1 雙季稻氮肥施用方案 (N kg·hm-2)

試驗(yàn)小區(qū)間均用田埂分隔，各小區(qū)四周田埂寬30 cm，高20 cm，并用塑料薄膜覆蓋，每個(gè)小區(qū)都有單獨(dú)的排水溝，以減少串流和側(cè)滲。各個(gè)小區(qū)田間管理一致，全部依照當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)管理進(jìn)行。水分管理依照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)習(xí)慣進(jìn)行，即前期淹水，中期曬田，后期干濕交替，完熟落干。除草及病蟲害防治均根據(jù)需要參照習(xí)慣種植模式統(tǒng)一進(jìn)行。

1.3 測(cè)定方法

分別在早、晚稻的分蘗盛期、孕穗期、揚(yáng)花期和成熟期，使用便攜式光合測(cè)定儀(LI-6400，USA)對(duì)水稻葉片進(jìn)行光合測(cè)定，每次測(cè)定選在晴朗天氣的9：00～11:00進(jìn)行，每個(gè)小區(qū)固定5株長(zhǎng)勢(shì)一致的水稻，選取水稻劍葉進(jìn)行測(cè)定，3次重復(fù)。測(cè)量指標(biāo)主要有凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。測(cè)定時(shí)使用內(nèi)置紅藍(lán)光源，測(cè)定氣體流速為500 μmol·s-1，光照強(qiáng)度為1 500 μmol·m-2·s-1，測(cè)定溫度與當(dāng)時(shí)葉溫一致，CO2濃度為大氣CO2濃度，測(cè)定過(guò)程中適時(shí)進(jìn)行匹配，以保證測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

同時(shí)在對(duì)應(yīng)的生育期分別測(cè)定植株地上部生物量，在成熟收獲時(shí)對(duì)小區(qū)進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖，DPS 7.05進(jìn)行方差分析。圖、表中不同字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)雙季稻光合特性的影響

2.1.1 不同施肥處理對(duì)雙季稻凈光合速率的影響

圖1表示不同施肥處理之間，雙季稻各生育期凈光合速率的變化特征。早稻4個(gè)生育期中，各處理凈光合速率呈現(xiàn)先逐步上升，到揚(yáng)花期達(dá)到最大，后隨早稻進(jìn)入生育晚期而逐漸下降的變化趨勢(shì)。分蘗盛期、孕穗期CRU的凈光合速率相對(duì)最高，但各處理之間差異未達(dá)到顯著水平(P>0.05)；揚(yáng)花期CK低于其它4個(gè)處理，且與CRU差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，與CRU相比凈光合速率降幅達(dá)到12.9%；成熟期CRU極顯著高于CK和DMPP(P<0.01)，但CK與DMPP差異不顯著。晚稻從分蘗盛期到成熟期，各處理凈光合速率均呈下降規(guī)律。分蘗盛期，與CK相比，其他4個(gè)處理均提高了晚稻葉片的凈光合速率，且DMPP與CK差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；孕穗期DMPP與CRU、EM差異顯著，其他各處理間無(wú)顯著性差異；揚(yáng)花期凈光合速率與分蘗盛期相似，CK與DMPP之間存在顯著差異(P<0.05)；晚稻成熟期，水稻進(jìn)入生育晚期，葉片逐漸黃枯，各處理凈光合速率均下降明顯，最終各處理間未發(fā)現(xiàn)顯著差異。綜合早、晚稻數(shù)據(jù)來(lái)看，與CK相比，DMPP、EM、NU和CRU均能一定程度地提高水稻凈光合速率，早稻以CRU提高效果最為顯著，晚稻以DMPP提高效果最為明顯。

圖1 不同施肥處理對(duì)雙季稻凈光合速率的影響

2.1.2 不同施肥處理對(duì)雙季稻氣孔導(dǎo)度的影響

圖2表示雙季稻葉片氣孔導(dǎo)度對(duì)不同施肥處理的響應(yīng)情況。早稻的氣孔導(dǎo)度隨著水稻生育期的進(jìn)行，總體呈現(xiàn)一定的波動(dòng)趨勢(shì)，揚(yáng)花期各處理葉片氣孔導(dǎo)度達(dá)到最大，但處理之間無(wú)顯著性差異；分蘗盛期處理之間也無(wú)顯著差異；孕穗期CK、DMPP數(shù)值高于其它3個(gè)處理，且CK與CRU差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；成熟期CK、NU高于其他3個(gè)處理，且CK相比CRU，氣孔導(dǎo)度顯著增大了24%，其他各處理之間無(wú)顯著差異。晚稻葉片氣孔導(dǎo)度數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，從分蘗盛期到孕穗期，氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)先小幅度減小，到揚(yáng)花期快速下降，成熟期降到最低的變化特點(diǎn)。分蘗盛期CK氣孔導(dǎo)度低于其它4個(gè)處理，且DMPP與CK差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；晚稻孕穗期、揚(yáng)花期、成熟期，相比CK，DMPP能一定程度地增大晚稻葉片氣孔導(dǎo)度，但5個(gè)處理彼此之間差異不顯著。

圖2 不同施肥處理對(duì)雙季稻氣孔導(dǎo)度的影響

2.1.3 不同施肥處理對(duì)雙季稻胞間CO2濃度的影響

水稻葉片胞間CO2濃度在不同施肥條件下變化如圖3所示，早稻季水稻胞間CO2濃度變化趨勢(shì)呈現(xiàn)分蘗盛期到孕穗期降低，揚(yáng)花期、成熟期升高的特點(diǎn)。分蘗盛期各處理胞間CO2濃度均維持在280 μmol·mL-1的較高水平，處理間差異不顯著；孕穗期，與其它4個(gè)施肥處理對(duì)比，CK顯著升高了胞間CO2濃度(P<0.05)，增幅分別達(dá)到35.4%(差異達(dá)極顯著水平，P<0.01)、23.4%(差異達(dá)極顯著水平，P<0.01)、13.7%和17.4%；揚(yáng)花期CK與CRU、NU差異顯著(P<0.05)；成熟期CK與CRU、EM差異達(dá)到顯著水平。晚稻季4個(gè)主要生育期的葉片胞間CO2濃度均維持在較高水平，僅在成熟期隨生育末期的臨近而降低。分蘗盛期，和其它4個(gè)處理對(duì)比，CK顯著降低了葉片胞間CO2濃度(P<0.05)；孕穗期、揚(yáng)花期各處理之間無(wú)顯著差異；成熟期CRU與CK、EM差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，其余處理間差異不顯著。綜合早、晚稻數(shù)據(jù)來(lái)看，CRU顯著降低了早稻葉片的胞間CO2濃度，而晚稻季各處理間胞間CO2濃度的變化在不同生育期中存在變異。

圖3 不同施肥處理對(duì)雙季稻氣孔導(dǎo)度的影響

2.1.4 不同施肥處理對(duì)雙季稻蒸騰速率的影響

不同施肥處理對(duì)雙季早晚稻蒸騰速率的影響如圖4所示，早稻的蒸騰速率變化情況，和其它處理相比，分蘗盛期CK降低了葉片的蒸騰速率，但僅與EM差異顯著(P<0.05)；孕穗期CRU、NU和對(duì)照CK、DMPP、EM相比，顯著地降低了蒸騰速率(P<0.05)；揚(yáng)花期結(jié)果與孕穗期類似；成熟期CRU與CK仍然差異顯著。晚稻的蒸騰速率變化情況與早稻有所不同，晚稻蒸騰速率隨生育期的進(jìn)行逐漸降低，分蘗盛期CRU、NU、DMPP以及EM均顯著地提高了蒸騰速率；孕穗期DMPP處理蒸騰速率最高，且與CRU、NU、EM差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；揚(yáng)花期處理之間差異不顯著；成熟期水稻葉片蒸騰速率降到最低，且DMPP與EM存在顯著差異(P<0.05)。整個(gè)早、晚稻季來(lái)看，CRU顯著地降低了早稻葉片的蒸騰速率，而晚稻蒸騰速率在不同生育期的不同處理之間變異較大。

圖4 不同施肥處理對(duì)雙季稻蒸騰速率的影響

2.2 不同施肥處理對(duì)雙季稻生物量及產(chǎn)量的影響

新型氮肥對(duì)水稻各生育期的生物量及產(chǎn)量影響如表2所示。相比普通尿素CK，4種新型氮肥均顯著或極顯著地增加了早、晚稻各生育期的植株生物量。具體分析來(lái)看，CRU極顯著地增加了早、晚稻各生育期的植株生物量(P<0.01)，早、晚稻季4個(gè)生育期分別平均增加16.7%和22.7%；NU相比CK，早、晚稻季4個(gè)生育期生物量平均增幅分別為15.2%和11.6%；DMPP除晚稻成熟期與CK達(dá)到極顯著差異(P<0.01)以外，其余生育期生物量均顯著高于CK(P<0.05)，早、晚稻季4個(gè)生育期生物量平均增幅分別為9.0%、11.1%；EM菌劑相比CK，早、晚稻均顯著提高了植株的生物量(P<0.05)，增幅分別達(dá)到11.2%和11.5%。

相比普通尿素，新型氮肥的施用普遍增加了水稻的產(chǎn)量，早稻只有CRU與CK差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，增產(chǎn)幅度為19.8%；而晚稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)顯示，CRU、NU、DMPP以及EM相比CK處理均存在顯著增產(chǎn)效果(P<0.05)。綜合早、晚稻生物量以及產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)看，新型氮肥對(duì)水稻植株生物量的累積以及產(chǎn)量的增加均有一定的積極作用，控釋肥CRU的增產(chǎn)效果最為顯著且最穩(wěn)定，兩季平均增產(chǎn)20%左右；硝化抑制劑DMPP次之，兩季平均增產(chǎn)14%左右；NU和EM菌劑在早稻上的增產(chǎn)效果不明顯，但在晚稻可以增產(chǎn)14%左右。

表2 不同施肥處理對(duì)雙季稻生物量和產(chǎn)量的影響

注：大、小寫字母分別表示0.01、0.05顯著水平。

3 討論

3.1 不同氮肥處理對(duì)水稻光合特性的影響

水稻生育期光合特性的動(dòng)態(tài)變化可以有效地反映出不同施肥處理不同生育期水稻光合特性的大小趨勢(shì)，從而有針對(duì)性地采取合理的栽培管理措施，有效地提高水稻光合利用效率及產(chǎn)量。聶軍等[11]雙季稻試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施用控釋尿素較普通尿素對(duì)延緩早、晚稻功能葉的衰老和延長(zhǎng)葉片的光合功能期均具有明顯的效應(yīng)。本試驗(yàn)早稻光合速率變化與其研究結(jié)果一致，水稻進(jìn)入拔節(jié)期以后，施用控釋尿素的水稻葉片凈光合速率顯著高于普通尿素。晚稻凈光合速率的變化與早稻存在差異，晚稻以添加硝化抑制劑的施肥處理對(duì)凈光合速率提高最為明顯，晚稻生育中后期新型尿素的施用對(duì)于維持水稻較高的光合效能有積極作用，早、晚稻凈光合速率對(duì)不同氮肥施用的響應(yīng)存在差異，可能與早、晚稻品種不同，對(duì)肥料的利用以及生長(zhǎng)季跨度不同有關(guān)。

氣孔導(dǎo)度表示植物葉片氣孔開(kāi)張的程度，影響植物的光合作用、呼吸作用及蒸騰作用。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，水稻植株葉片氣孔導(dǎo)度在早、晚稻同一生育期的不同施肥處理間變化較小，大部分生育期處理間均無(wú)顯著差異，可能原因是各種不同類型氮肥的施用能夠滿足水稻的正常生長(zhǎng)需求，水稻葉片氣孔導(dǎo)度受空氣溫度、CO2濃度的影響較多。胞間CO2是植物生理生態(tài)研究中經(jīng)常用到的一個(gè)參數(shù)，其大小取決于4個(gè)可能變化的因素:葉片周圍空氣的CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、葉肉導(dǎo)度和葉肉細(xì)胞的光合活性，其與凈光合速率間的關(guān)系也較為復(fù)雜[12]，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)早稻季，4種新型氮肥較普通尿素普遍降低了葉片胞間CO2濃度，且以控釋氮肥CRU效果最為顯著，結(jié)合凈光合速率數(shù)據(jù)，植物葉肉細(xì)胞進(jìn)行光合作用，細(xì)胞間CO2進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)被吸收利用，CRU處理的胞間CO2濃度低，表示細(xì)胞中CO2濃度高，從而更多CO2被用來(lái)進(jìn)行光合作用，提高葉片光合速率，可見(jiàn)早稻凈光合速率與胞間CO2濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。蒸騰速率是計(jì)量植物蒸騰作用強(qiáng)弱的一項(xiàng)重要生理指標(biāo)，蒸騰速率的快慢與植株形態(tài)結(jié)構(gòu)和外界多種因素相關(guān)。蒸騰速率的數(shù)據(jù)顯示早稻季控釋氮肥的施用較普通尿素顯著降低了水稻蒸騰速率，與其減小葉片氣孔導(dǎo)度有直接關(guān)系，而晚稻蒸騰速率在不同生育期處理間變異較大，可能與晚稻品種對(duì)不同氮肥吸收利用情況有關(guān)。

3.2 不同氮肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

和前人研究結(jié)果一致，新型氮肥擁有比普通尿素更穩(wěn)定和高效的氮素供應(yīng)，能夠促進(jìn)水稻在營(yíng)養(yǎng)生殖階段植株長(zhǎng)高、分蘗增多、葉綠素含量提高，從而提高水稻光合效率，進(jìn)一步在生殖生長(zhǎng)階段增加水稻穗數(shù)、穗粒數(shù)，提高結(jié)實(shí)率和千粒重，最終增加生物量和產(chǎn)量[13-16]。本研究中，相比普通尿素CK，4種新型氮肥均顯著或極顯著地增加了早、晚稻各生育期的植株生物量及最終產(chǎn)量，且晚稻的增產(chǎn)效果比早稻明顯，因?yàn)樵?、晚稻是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，早稻土壤中累積的氮素可以被晚稻生長(zhǎng)繼續(xù)利用，而且晚稻施氮量略高于早稻，結(jié)合早、晚稻季氣象數(shù)據(jù)來(lái)看，早、晚稻整個(gè)生育期的有效積溫、總降水量分別為1 270.9、1 413.8℃和509.1、422.3 mm，晚稻季有效積溫比早稻季高出約143℃，適當(dāng)?shù)母邷啬軌虼龠M(jìn)水稻植株新陳代謝，促進(jìn)肥料的養(yǎng)分釋放，同時(shí)早稻季降水量高于晚稻季，特別是在早稻的關(guān)鍵生育期，連續(xù)的陰雨天氣影響水稻的灌漿、抽穗，這一系列原因都可能導(dǎo)致兩季水稻產(chǎn)量的差異。

對(duì)于不同的施肥處理，樹(shù)脂包膜控釋尿素能夠按照水稻生長(zhǎng)的需肥曲線緩慢釋放氮素，特別在水稻生育中后期氮素釋放率高[15]，與水稻生育中后期吸氮量大的特點(diǎn)相吻合[17]，通過(guò)對(duì)水稻葉片中內(nèi)源激素含量及平衡的調(diào)控[18]，有效延緩葉片衰老，顯著提高水稻生育中后期葉片光合效率[15]，進(jìn)而提高水稻生物量及產(chǎn)量。

4 結(jié)論

新型氮肥通過(guò)調(diào)整氮肥的供應(yīng)量、供應(yīng)形式和供應(yīng)時(shí)間，能夠降低水稻葉片胞間CO2濃度、提高凈光合速率，促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育，累積更多有機(jī)物以及提高稻谷產(chǎn)量。施用包膜控釋肥、硝化抑制劑和生物菌劑能夠提高水稻產(chǎn)量，除DMPP外其他肥料價(jià)格均較低，值得今后深入研究和大面積推廣，其中樹(shù)脂包膜控釋尿素在水稻種植中施用具有更好的綜合效應(yīng)，更能實(shí)現(xiàn)水稻的高效高產(chǎn)。

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