劉迎霞,婁運(yùn)生*,王坤,邢鈺媛,劉健,蘇磊,湯麗玲
(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210044;3.中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所,河北 廊坊 065000)
水稻是我國主要糧食作物,種植面積達(dá)到2 969.4萬hm2,占谷物種植總面積的30.35%,產(chǎn)量達(dá)到20 961.4萬t,占谷物總產(chǎn)量的34.16%[1]。因此,保障水稻生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定對(duì)國家糧食安全意義重大。氣候變化導(dǎo)致太陽輻射減少,陰雨寡照及霾天氣發(fā)生頻率增多[2],我國東部地區(qū)太陽輻射也呈減弱趨勢[3]。太陽輻射減弱影響水稻生長、生理、產(chǎn)量和品質(zhì)等方面。大多數(shù)研究認(rèn)為,光照不足會(huì)降低水稻株高、分蘗數(shù)、葉面積指數(shù),提高葉綠素含量[4?7],也有研究認(rèn)為,遮光網(wǎng)模擬弱光條件下水稻株高增加,葉面積指數(shù)呈現(xiàn)先增后減的趨勢[8?10]。大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn),采用遮陽網(wǎng)進(jìn)行遮陰處理可降低水稻凈光合速率,減少植株干物質(zhì)積累,影響水稻產(chǎn)量及品質(zhì)[11?13]??梢?,遮陰顯著影響水稻生長及光合作用,但結(jié)果不一致,這可能與所用遮陰材料、遮陰強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間、試驗(yàn)環(huán)境條件等有關(guān)[4]。
施肥對(duì)水稻植株生長、生理、產(chǎn)量和品質(zhì)有重要影響。大多數(shù)研究認(rèn)為,施用氮磷鉀肥可有效促進(jìn)水稻生長發(fā)育,增強(qiáng)水稻植株光合能力,增加產(chǎn)量,改善稻米品質(zhì)[14?15]。施用硅肥可促進(jìn)水稻植株對(duì)氮磷鉀元素的吸收利用,有效增加分蘗數(shù)、葉面積指數(shù)和葉綠素含量,提高凈光合速率[16?18]。
關(guān)于遮陰和施肥對(duì)水稻生產(chǎn)的影響研究已有報(bào)道,但大多基于單一因素或某個(gè)生育期,而對(duì)不同生育期遮陰、肥料種類和施肥量多因素對(duì)水稻生產(chǎn)的耦合影響關(guān)注較少。本研究通過大田模擬試驗(yàn),探討了遮陰、肥料種類和施肥量對(duì)水稻生長及光合生理特性的影響,為區(qū)域水稻可持續(xù)生產(chǎn)及應(yīng)對(duì)氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。
田間試驗(yàn)在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(32.0°N,118.8°E)進(jìn)行,試驗(yàn)時(shí)間于2019 年6 月開始,結(jié)束于同年10 月。試驗(yàn)站位于亞熱帶濕潤氣候區(qū),年均氣溫15.6 ℃,降水量1 100 mm。試驗(yàn)田土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土(黏粒含量26.1 g·kg?1),土壤類型為潴育型水稻土,土屬為灰馬肝土,呈弱酸性,pH 為6.2(土水比1∶1)。土壤中有機(jī)碳、全氮、有效磷、速效鉀含量分別為19.4、1.45 g·kg?1、16.2 mg·kg?1和112.6 mg·kg?1。供試復(fù)合肥為高濃度氮磷鉀肥(N?P2O5?K2O,俄羅斯產(chǎn)),供試硅肥選用含有效硅(SiO2)14.21%、鐵氧化物(Fe2O3)22.89%的鋼渣粉,呈弱堿性,pH 8.09(土水比1∶10)。試驗(yàn)水稻選用南粳5055,該水稻品種適宜在江蘇沿江及蘇南地區(qū)種植,其特點(diǎn)為株高適中、抗倒伏性強(qiáng)。
試驗(yàn)采用3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。因素A為遮陰,設(shè)3 水平:不遮陰(S0,遮陰率0)、開花?成熟期遮陰(S1,遮陰率64%)和分蘗?成熟期遮陰(S2,遮陰率64%);因素B 為施復(fù)合肥(N?P2O5?K2O),設(shè)3 水平:100(F1)、200 kg·hm?2(F2)和300 kg·hm?2(F3);因素C 為施硅肥,設(shè)3 水平:不施硅(R0)、鋼渣200 kg·hm?2(R1)和鋼渣400 kg·hm?2(R2)。遮陰處理采用普通黑色遮陽網(wǎng)覆蓋植株冠層,遮陽網(wǎng)與冠層間距離保持0.3 m以上,并隨水稻生長及時(shí)調(diào)整,始終保持冠層通風(fēng)良好。本次試驗(yàn)設(shè)9 個(gè)處理,每個(gè)處理小區(qū)面積2 m×2 m=4 m2,按照L9(34)正交表安排處理(表1)。
表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案(L9(34))Table 1 Schedule of L9(34)orthogonal test
水稻于2019 年5 月10 日育苗,6 月14 日移栽,株行距為20 cm×20 cm。育苗移栽前對(duì)大田進(jìn)行耕作整地,育苗前1 d進(jìn)行施肥。根據(jù)不同施肥處理,每小區(qū)將復(fù)合肥(N?P2O5?K2O)和硅肥(鋼渣)作為基肥施入。在水稻生長期內(nèi)合理灌溉,水層約為10 cm。2019 年7 月27 日至8 月12 日曬田,曬田結(jié)束后灌溉復(fù)水,10月4日停止灌溉直至收獲。大田病蟲害防治根據(jù)實(shí)際情況處理。
在水稻分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期、灌漿期和成熟期,分別測定植株生長及生理指標(biāo),測定時(shí)間為上午9:00—11:00。
1.3.1 分蘗數(shù)及株高
分別在水稻生長前期記錄其分蘗數(shù),全生育期記錄株高,每個(gè)處理小區(qū)測定3組,并以3組平均值作為最終測定值。
1.3.2 葉面積指數(shù)(LAI)
采用手持葉面積儀(LAI?2000)測定,以3次測量的平均值作為該生育期最終測定值。
1.3.3 葉綠素含量(SPAD)
采用葉綠素儀(SPAD?502)測定葉綠素含量,每小區(qū)選取3片劍葉,分別測定葉片上、中、下3個(gè)部位,取其平均數(shù)作為該葉片的SPAD 值,3 組葉片平均值作為最終測定值。
1.3.4 光合參數(shù)
采用便攜式光合作用儀(Li?6400,美國)測定各生育期水稻葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)及胞間CO2濃度(Ci)等,每小區(qū)選取3 片劍葉,選擇晴天時(shí)測定,以平均值作為最終數(shù)值。
1.3.5 產(chǎn)量
水稻成熟期,選取各小區(qū)中心區(qū)域0.25 m2作為考種樣區(qū),剪下該樣區(qū)內(nèi)稻穗并進(jìn)行脫谷,記錄下各小區(qū)產(chǎn)量。
采用Microsoft Excel 2016 處理試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)及編制計(jì)算表格進(jìn)行極差分析,用SPSS 21.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)方差分析。
2.1.1 株高
方差分析結(jié)果(表2)表明,遮陰在孕穗期、灌漿期對(duì)株高有顯著影響(P<0.05),開花期對(duì)株高有極顯著影響(P<0.01)。施用復(fù)合肥在開花期對(duì)株高有顯著影響(P<0.05),施用硅肥在開花期對(duì)株高有極顯著影響(P<0.01)。極差分析結(jié)果(表3)表明,3 因素對(duì)株高的影響依次為:遮陰>施用復(fù)合肥>施用硅肥。S0 條件下株高最高,S2 條件下株高最小。與F1 相比,F(xiàn)2 和F3 分別增加了1.23%和2.53%,與R0 相比,R1 降低1.26%,R2 增加0.50%。S0F3R2 處理組株高均值最高(圖1)。
可見,遮陰處理在多個(gè)關(guān)鍵生育期影響水稻株高,而施復(fù)合肥和施硅肥僅在開花期顯著影響株高,且隨著施肥量的增加株高增加明顯,但并不能顯著改善S2 對(duì)水稻株高的影響,可在一定程度上緩解S1 對(duì)株高的影響。
2.1.2 分蘗數(shù)
方差分析結(jié)果(表2)顯示,遮陰、施復(fù)合肥和施用硅肥對(duì)分蘗數(shù)無顯著影響(P>0.05)。極差分析結(jié)果(表3)表明,3 因素對(duì)分蘗數(shù)的影響依次為:遮陰>施用硅肥>施用復(fù)合肥。S1處理下分蘗數(shù)最大,S2處理下分蘗數(shù)最小。與F1 相比,F(xiàn)2 和F3 分別增加0.61%和8.86%,與R0 相比,R1 降低4.77%,R2 增加13.77%,S1F3R2處理顯著增加水稻分蘗數(shù)(圖1)。
可見,施復(fù)合肥F3 和施硅肥R2 可增加水稻分蘗數(shù),由于S1 遮陰處理時(shí)期為開花?分蘗期,此時(shí)遮陰對(duì)分蘗幾乎無影響,因此,S1F3R2處理分蘗數(shù)增加可能的原因在于處理中所施用的復(fù)合肥和硅肥。
2.1.3 葉面積指數(shù)(LAI)
方差分析結(jié)果(表2)表明,遮陰在水稻分蘗期、孕穗期對(duì)LAI 有顯著影響(P<0.05),在成熟期對(duì)LAI有極顯著影響(P<0.01)。復(fù)合肥對(duì)水稻葉片LAI 無顯著影響(P>0.05),硅肥在成熟期對(duì)LAI 具有極顯著影響(P<0.01)。極差分析結(jié)果(表3)表明,3 因素對(duì)全生育期LAI的影響程度依次為:遮陰>施用復(fù)合肥>施用硅肥。與S0 的LAI 相比,S1 和S2 分別降低20.52%和43.32%,與F1 的LAI 相比,F(xiàn)2 降低9.08%,F(xiàn)3 增加12.43%,與R0 的LAI相比,R1 和R2 分別增加1.42%和7.54%。最適處理組為S0F3R2(圖1)。
可見,LAI 隨著施肥量的增加而變大,遮陰在水稻生長前期和末期對(duì)LAI 有顯著影響。因此S2 條件下LAI 降幅較大,該處理下施肥并不能緩解LAI 的降低。
2.1.4 葉片葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)
方差分析結(jié)果(表2)顯示,遮陰在分蘗期對(duì)SPAD 有極顯著影響(P<0.01),施用復(fù)合肥在拔節(jié)期對(duì)SPAD 有顯著影響(P<0.05),施用硅肥對(duì)SPAD 值無顯著影響(P>0.05)。極差分析結(jié)果(表3)表明,3因素對(duì)SPAD 的影響程度依次為:施用復(fù)合肥>施用硅肥>遮陰,其中S2 處理下SPAD 值最高,與F1 相比,F(xiàn)2 和F3 分別增加6.25%和10.67%,與R0 相比,R1 和R2 分別降低5.08%和9.43%,S2F3R0 為最適處理(圖1)。
表2 水稻各生育期生長指標(biāo)方差分析(F值)Table 2 Variance analysis of growth indexes in different growth periods of rice(F value)
表3 水稻全生育期生長指標(biāo)均值極差分析Table 3 Range analysis of the average growth indexes in the whole growth period of rice
遮陰處理下(64%),水稻葉片SPAD 隨著遮陰時(shí)間延長而增加,原因在于遮陰下葉片光照不足,光合能力減弱,一定程度上延緩了葉片衰老,從而使SPAD值較高。氮素水平與SPAD 值呈正相關(guān),因此,SPAD 值隨復(fù)合肥施用量增加而增加。隨著施硅肥量的增加SPAD值降低,施用硅肥不能顯著提高SPAD值。
2.2.1 凈光合速率(Pn)
方差分析結(jié)果(表4)表明,遮陰在拔節(jié)期、開花期對(duì)Pn 有極顯著影響(P<0.01);施用復(fù)合肥在拔節(jié)期對(duì)Pn 產(chǎn)生極顯著影響(P<0.01),在開花期對(duì)Pn 有顯著影響(P<0.05);施用硅肥在拔節(jié)期和開花期對(duì)Pn 有顯著影響(P<0.05)。極差分析結(jié)果(表5)表明,3因素對(duì)Pn的影響程度為:施用硅肥>施用復(fù)合肥>遮陰。S1 條 件下Pn 值最大,S2條件下Pn 值最小。與F1 相比,F(xiàn)2 和F3 分別增加5.28%和13.33%,與R0 相比,R1 和R2 分別增加12.75%和16.02%,S1F3R2 為最適處理組(圖2)。
Pn 隨復(fù)合肥、硅肥的施用量增加而增大,說明施用復(fù)合肥和硅肥在一定程度上增強(qiáng)水稻葉片的光合能力。S2 處理降低Pn 值,而S1 處理下Pn 值增加,說明開花?灌漿時(shí)期,外界環(huán)境溫度較高時(shí),適度遮陰反而能夠優(yōu)化光合條件,增強(qiáng)水稻生長活力。
2.2.2 氣孔導(dǎo)度(Gs)
方差分析結(jié)果(表4)顯示,遮陰在孕穗期對(duì)Gs有顯著影響(P<0.05),施用復(fù)合肥和施用硅肥在各生育期對(duì)Gs均無顯著影響(P>0.05)。極差分析結(jié)果(表5)表明,3因素對(duì)Gs的影響程度為:遮陰>施用復(fù)合肥>施用硅肥。S2條件下Gs值最低,與F1相比,F(xiàn)2和F3分別降低2.44%和12.20%,與R0 相比,R1 和R2 分別增加8.11%和5.41%。S1F1R1為最適處理(圖2)。
表4 水稻各生育期光合參數(shù)方差分析(F值)Table 4 Variance analysis of photosynthetic parameters in different growth periods of rice(F value)
S2 處理下Gs 降低明顯,而S1 處理對(duì)Gs 影響較小,可見光照不足主要在水稻生長前期對(duì)Gs 影響較大。
2.2.3 胞間CO2濃度(Ci)
方差分析結(jié)果(表4)顯示,遮陰在孕穗期對(duì)Ci有顯著影響(P<0.05),施用復(fù)合肥和施用硅肥在各生育期均無顯著影響(P>0.05)。極差分析結(jié)果(表5)表明,3 因素對(duì)Ci 的影響程度為:遮陰>施用復(fù)合肥>施用硅肥。S0 條件下Ci 最高,S2 條件下Ci 最低。與F1 相比,F(xiàn)2 和F3 分別降低了3.41%和4.51%,與R0相比,R1 和R2 分別降低0.38%和6.35%。S0F1R0 為最適處理(圖2)。Ci 隨著遮陰時(shí)間延長而降低,同時(shí)隨施肥量增加而降低,施用復(fù)合肥和硅肥并不能改善遮陰對(duì)Ci的影響。
表5 水稻全生育期光合參數(shù)均值極差分析Table 5 Range analysis of the average photosynthetic parameters in the whole growth period of rice
2.2.4 蒸騰速率(Tr)
方差分析結(jié)果表明(表4),遮陰、施用復(fù)合肥和施用硅肥在各個(gè)生育期對(duì)Tr 均無顯著影響(P>0.05)。極差分析結(jié)果顯示(表5),3 因素對(duì)Tr 影響程度為,施用硅肥>遮陰>施用復(fù)合肥。S1 條件下Tr 最高,與F1 相比,F(xiàn)2 和F3 分別增加2.57%和1.88%,與R0 相 比,R1 和R2 分別增加8.81% 和11.15%,S1F2R2 為最適處理組(圖2)。S1 遮陰處理下Pn、Gs增加,因此Tr 最大,可見,S1 遮陰處理利于植株進(jìn)行光合作用。
方差分析結(jié)果(表6)表明,遮陰、施復(fù)合肥和施硅肥對(duì)產(chǎn)量均無顯著影響。極差分析結(jié)果(表7)顯示,3 因素對(duì)產(chǎn)量的影響依次為:遮陰>施硅肥>施復(fù)合肥,與S0 相比,S1、S2 遮陰條件下產(chǎn)量分別降低44.02%和54.29%,與R0 相比,R1、R2 處理下產(chǎn)量分別增加27.15%和13.97%,施復(fù)合肥處理下水稻產(chǎn)量相差較小。S0F1R1 為最適處理組,S1 處理下施用復(fù)合肥F1 和硅肥R1 增產(chǎn)效果明顯(表7),S2 處理下施用復(fù)合肥F3和施硅肥R2增產(chǎn)效果明顯(圖3)。說明不遮陰、開花?成熟期遮陰處理下少量配施復(fù)合肥和硅肥對(duì)水稻產(chǎn)量形成較為有利,全生育期遮陰處理下配施較多復(fù)合肥和硅肥可增產(chǎn)。
表6 水稻產(chǎn)量方差分析(F值)Table 6 Variance analysis of rice yield(F value)
表7 水稻產(chǎn)量極差分析Table 7 Range analysis of the rice yield
光照影響植物外部形態(tài)變化[19]。本研究中,遮陰抑制水稻株高和LAI,隨著遮陰時(shí)間增長抑制加強(qiáng),但也有研究認(rèn)為,遮陰使水稻株高和LAI 增加[11],這與本研究結(jié)果相悖,原因在于光照強(qiáng)度變化顯著影響葉片生長,但不同品種對(duì)弱光反應(yīng)不同[20],弱光脅迫不利于本試驗(yàn)供試水稻品種株高增加;此外,遮陰程度及時(shí)間對(duì)結(jié)果也有較大影響[21],本研究遮陰率達(dá)64%,遮陰時(shí)間從水稻營養(yǎng)生長期持續(xù)到生殖生長期,因此對(duì)水稻生長影響更大。本研究中,分蘗?成熟期遮陰(遮陰率64%)條件下,水稻分蘗數(shù)明顯降低,且施肥處理并未顯著改善這一現(xiàn)象,原因在于全生育期遮陰作用于水稻營養(yǎng)生長關(guān)鍵時(shí)期,對(duì)水稻形態(tài)發(fā)育影響較大[22]。光照與水稻葉綠素含量密切相關(guān),但遮陰對(duì)葉綠素含量的影響結(jié)果不一致[23?24]。本研究中,開花?成熟期遮陰與對(duì)照(不遮陰)相比SPAD 值降低,但分蘗?成熟期遮陰SPAD 值增加??梢?,SPAD 值增減與遮陰程度有關(guān)[4],遮陰持續(xù)時(shí)間長,葉片衰老速度慢,葉片顏色較深,葉綠素含量較高。盡管分蘗?成熟期遮陰條件下SPAD 值增加,但Pn 降低也最多,因此,光合能力并未增強(qiáng)。本研究發(fā)現(xiàn),施硅肥對(duì)SPAD 值無顯著影響,這與前人研究結(jié)果一致[25],施用復(fù)合肥可增加水稻SPAD值,且隨著施肥量增加,SPAD值明顯增加,這是由于氮素營養(yǎng)與葉綠素含量顯著正相關(guān)[24],施加復(fù)合肥可顯著提高氮素水平,從而增加SPAD值。
光照條件的改變可顯著影響植物葉片光合作用以及植株對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收分配過程,進(jìn)而影響作物產(chǎn)量及品質(zhì)[26?28]。本研究中,與不遮陰相比,分蘗?成熟期遮陰降低Pn 和Gs,而開花?成熟期遮陰提高Pn、Gs 和Tr。原因在于全生育期遮陰影響水稻營養(yǎng)生長和生殖生長,稻株長期光照不足,不利于光合作用[29],因此Pn 降低,而Gs 的功能在于保證光合碳同化能力,且最小化水分散失,其與光合速率通常表現(xiàn)為顯著正相關(guān)[30],隨著Pn 的降低也表現(xiàn)為減小的趨勢;此外,水稻開花?成熟期處于夏季高溫期,遮陰處理降低冠層溫度,優(yōu)化光合條件,使葉綠體中的類囊體形成密集捕獲光能的結(jié)構(gòu),增強(qiáng)光能在類囊體的傳輸能力[22],從而提高了Pn、Gs 和Tr。本研究發(fā)現(xiàn)施用復(fù)合肥和施用硅肥均能增加Pn和Tr,施用硅肥可增加Gs,表明遮陰處理下,施加適量復(fù)合肥和硅肥可改善稻株光合性狀,一定程度上緩解遮陰帶來的不利影響。本研究中,遮陰、施用復(fù)合肥(與F1相比)和施用硅肥均會(huì)降低Ci。這是由于Ci 大小取決于周圍空氣CO2濃度、葉片氣孔導(dǎo)度、葉肉導(dǎo)度和葉肉細(xì)胞光合活性,受環(huán)境影響較大[31]。
本研究發(fā)現(xiàn),遮陰、施用復(fù)合肥和硅肥對(duì)水稻生長及生理特性有顯著影響,分蘗?成熟期遮陰對(duì)水稻生長及生理特性影響較大,該處理下產(chǎn)量降幅更大,而施復(fù)合肥和硅肥可使產(chǎn)量增加。開花?成熟期遮陰處理下少量配施復(fù)合肥和硅肥利于產(chǎn)量形成,這是由于配施硅肥能促進(jìn)稻株對(duì)復(fù)合肥中氮磷鉀元素的吸收利用[17],提高復(fù)合肥利用率,從而促進(jìn)產(chǎn)量形成。全生育期遮陰處理下則需要配施較多復(fù)合肥和硅肥,可適當(dāng)緩解遮陰對(duì)產(chǎn)量的影響。
綜上,本研究發(fā)現(xiàn),施用適量復(fù)合肥和硅肥可改善遮陰對(duì)水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的不利影響,開花?成熟期遮陰(遮陰率64%)處理下改善效果較好。因此,施肥在一定程度上可緩解太陽輻射減弱對(duì)水稻生長及光合生理的不利影響,保持較高產(chǎn)量。
(1)遮陰在水稻關(guān)鍵生育期顯著影響株高、LAI、SPAD 值、Pn、Gs 和Ci。分蘗?成熟期遮陰(遮陰率64%)降低株高、分蘗數(shù)、LAI、Pn、Gs 和Ci,提高SPAD值;開花?成熟期遮陰(遮陰率64%)提高Pn、Gs和Tr。
(2)施用復(fù)合肥可提高水稻株高、分蘗數(shù)、LAI、SPAD 值、Pn、Tr 和Gs;施用硅肥可增加LAI、Pn、Gs 和Tr,降低SPAD 值。株高、分蘗數(shù)、LAI、Pn和Tr均隨施肥量的增加而增加,遮陰處理下(遮陰率64%)施復(fù)合肥和硅肥可保證產(chǎn)量。
(3)綜合平衡法結(jié)果顯示,影響水稻生長及生理特性的因素依次為:遮陰>施復(fù)合肥>施硅肥。太陽輻射減弱背景下,施用復(fù)合肥300 kg·hm?2和鋼渣硅肥400 kg·hm?2可促進(jìn)水稻生長發(fā)育,保證較高產(chǎn)量。未來將進(jìn)一步研究施肥種類和施肥量在太陽輻射減弱條件下對(duì)水稻生產(chǎn)的影響。