王振洋 王冀川* 袁杰 王奉斌
(1 塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300;2新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院核技術(shù)生物技術(shù)研究所,烏魯木齊 830091;3新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所,烏魯木齊 830091;第一作者:583775080@qq.com;*通信作者:wjcwzy@126.com)
南疆的葉爾羌河、塔里木河上游流域地區(qū)水資源充足,能夠滿足水稻生長所需[1]。但由于南疆土壤主要以沙壤土為主,養(yǎng)分含量低且鹽堿重,為提高農(nóng)作物單產(chǎn),當(dāng)?shù)仄毡樘岣呤┓柿浚@導(dǎo)致了農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降和土壤酸化、鹽堿化程度加劇。高施氮量雖促進(jìn)了水稻穗部發(fā)育但也增大了植株倒伏的概率[2-4]。通過適當(dāng)密植并減少施氮量的栽培手段能夠協(xié)調(diào)水稻莖、葉、穗生長,實(shí)現(xiàn)高效抗倒群體構(gòu)建[5]。高效高產(chǎn)是干物質(zhì)積累與分配協(xié)同的結(jié)果[6]。根據(jù)南疆地區(qū)獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境,確定適宜當(dāng)?shù)厮旧L的施氮量和栽插密度,發(fā)揮二者耦合效應(yīng)是保證水稻高效高產(chǎn)的關(guān)鍵。本研究以高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻品種新稻36 號為試驗(yàn)材料,研究了南疆地區(qū)水稻在不同施氮量與栽插密度下的莖稈倒伏特性、干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)差異,明確當(dāng)?shù)厮痉拭苷{(diào)控的響應(yīng)特征,以期為南疆水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2021 年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所阿克蘇地區(qū)溫宿縣水稻試驗(yàn)站進(jìn)行。該試驗(yàn)區(qū)位于塔里木盆地西北邊緣,海拔1 012.2 m,年平均氣溫10.8 ℃,年均降水量51.3 mm,年均蒸發(fā)量1 988.4 mm,年均相對濕度在55%以下。土壤質(zhì)地為沙壤土,耕作層土壤pH 為8.06,含鹽量2.40 g/kg,有機(jī)質(zhì)20.56 g/kg,堿解氮119.40 mg/kg,速效磷88.10 mg/kg,速效鉀320.00 mg/kg。
雙因素裂區(qū)試驗(yàn),主區(qū)為施氮量,設(shè)N0(CK,不施氮肥)、N1(低氮,純氮120 kg/hm2)、N2(中氮,純氮240 kg/hm2)和N3(高氮,純氮360 kg/hm2)4 個水平;副區(qū)為栽插密度,設(shè)D1(30 cm×24 cm,13.89 萬叢/hm2)、D2(30 cm×20 cm,16.67 萬叢/hm2)、D3(30 cm×16 cm,20.83 萬叢/hm2)、D4(30 cm×12 cm,27.78 萬叢/hm2)和D5(30 cm×8 cm,41.67 萬叢/hm2)5 個水平。試驗(yàn)共20 個組合處理,隨機(jī)區(qū)組排列,每個組合處理3 次重復(fù),小區(qū)面積64 m2。主區(qū)之間筑埂隔開,獨(dú)立灌、排水,并覆塑料膜包裹埂體防止竄水竄肥。試驗(yàn)地于4 月下旬整地,翻地前撒施基肥,磷肥(重過磷酸鈣)225 kg/hm2、鉀肥(硫酸鉀)75 kg/hm2于栽插前一次性施入,氮肥按基肥∶追肥=2∶8 的比例施用并按設(shè)計(jì)用量折算為尿素,生育期共追肥5 次,按照返青期∶分蘗初期∶分蘗盛期∶拔節(jié)期∶孕穗期=2∶3∶2∶2∶1 的比例施用。5 月8 日移栽,秧齡40 d,每叢栽2 株苗。水層與除草防蟲管理均按當(dāng)?shù)爻R?guī)栽培方式進(jìn)行。
1.3.1 株高
于水稻關(guān)鍵生育時期各小區(qū)定點(diǎn)測連續(xù)10 叢稻株的株高,抽穗前測定地面到葉尖的距離,抽穗后為地面到穗部頂端的距離,每叢以最高株為代表。
1.3.2 倒伏性狀
于齊穗后選取長勢較一致的3 叢稻株,從每叢中選取有代表性的3 個單莖,去除地下部分,洗凈后測定以下指標(biāo):
單莖鮮物質(zhì)量:在莖稈失水前測量單莖質(zhì)量。
節(jié)間長度與鮮物質(zhì)量:將稻株單莖按節(jié)間分開,近地面基部第1 節(jié)伸長節(jié)間記為I1,依次向上,第2、第3和第4 節(jié)間分別記為I2、I3 和I4,測量各節(jié)間長度并稱量鮮物質(zhì)量。
抗折力:使用托普云農(nóng)YYD-1 型莖稈強(qiáng)度儀測定,將莖稈放置于間隔2 cm 的支點(diǎn)上,在節(jié)間中點(diǎn)處施加作用力使其折斷,記錄折斷時作用力的大?。╧g),計(jì)算彎曲力矩[彎曲力矩=節(jié)間基部至穗頂?shù)孽r物質(zhì)量(g)×節(jié)間基部至穗頂?shù)拈L度(cm)]與倒伏指數(shù)[倒伏指數(shù)=彎曲力矩(g/cm)/抗折力(g)×100]。
1.3.3 地上部干物質(zhì)積累量
于各生育時期在各小區(qū)取5 叢具有代表性的稻株,分器官在105 ℃下殺青30 min,然后85 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量后稱量。
花前干物質(zhì)積累量(t/hm2)=開花期干物質(zhì)量;
花后干物質(zhì)積累量(t/hm2)=成熟期干物質(zhì)積累量-開花期干物質(zhì)積累量;
花前干物質(zhì)積累率(%)=開花期干物質(zhì)積累量/成熟期干物質(zhì)積累量×100;
花后干物質(zhì)積累率(%)=花后干物質(zhì)積累量/成熟期干物質(zhì)積累量×100;
營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量(t/hm2)=開花期干物質(zhì)積累量-成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量;
營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率(%)=干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/開花期干物質(zhì)積累量×100;
干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量對籽粒貢獻(xiàn)率(%)=營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒干物質(zhì)量×100;花后干物質(zhì)積累量對籽粒貢獻(xiàn)率(%)=花后干物質(zhì)積累量/成熟期籽粒干物質(zhì)量×100。
用Microsoft Excel 2013 和DPS V9. 50 統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù),使用Origin 9.0 軟件作圖,采用LSD 法進(jìn)行多重比較。
由圖1 可知,同等密度下隨施氮量的增加植株重心高度隨之升高,各施氮處理間差異均達(dá)極顯著水平。N3 處理最高,平均達(dá)52.04 cm;N0 處理最低,平均為39.40 cm。同等施氮條件下則表現(xiàn)出隨栽插密度增大植株重心高度降低,D4 和D5 處理之間差異不顯著但顯著低于D3 處理,D2、D1 之間差異不顯著但顯著高于其他處理。D5、D4 處理相較于D3 處理重心高度下降了5.64%~6.75%,相較于D1、D2 處理下降了9.89%~13.57%。重心高度的變異系數(shù)在不同施氮量與不同密度處理下分別為11.96%與6.36%,說明施氮量對植株高度的影響更大。
圖1 施氮量與栽插密度對水稻植株形態(tài)特征的影響
I1 長度隨施氮量的增加而增加,N3 處理顯著高于其他處理。I2 長度施氮處理與不施氮處理差異極顯著,其中,N1、N2 處理間差異不顯著,N3 處理較N0、N1 和N2 處理分別顯著提高35.91%、15.80%和11.50%。I3 長度僅在施氮處理與不施氮處理間存在極顯著差異。I4長度各施氮處理間差異較小。各節(jié)間長度與種植密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即隨密度的增加節(jié)間長度下降且低位節(jié)間趨勢更為明顯。I1 長度表現(xiàn)為D5<D4<D3<D2<D1,各處理間差異顯著;I2 長度表現(xiàn)與I1 長度大致相同,其中D3 處理略低于D4 處理,二者無顯著差異。I3長度D1、D2 處理間以及D3、D4 處理間無顯著差異,栽插密度越大節(jié)間長度越短。I4 長度不同處理間差異不大,D1、D2 處理略高于D3、D4 和D5 處理。
同等密度條件下,株高與施氮量呈正相關(guān)關(guān)系,N3處理較N0、N1 和N2 處理分別顯著增加20.51%、9.18%和3.42%。在同等施氮量條件下,隨栽插密度增加株高呈遞減趨勢,D5 處理株高較D1、D2、D3 和D4 處理分別顯著降低11.62%、10.48%、6.03%和2.69%。不同施氮量與密度處理下株高的變異系數(shù)分別為7.99%和5.28%,說明增加栽插密度有利于控制株高。
由表1 可知,節(jié)間抗折力與彎曲力矩均隨著節(jié)位的升高而下降,倒伏指數(shù)則表現(xiàn)為不斷升高。同等密度條件下,各節(jié)間抗折力隨施氮量的增加呈先增后降的趨勢,N2 處理下I1~I(xiàn)4 的抗折力較N0、N1 和N3 處理分別提高2.26%~32.12%、12.30%~26.85%、10.11%~25.64%和18.33%~42.00%。在同一施氮量處理下,隨栽插密度升高,抗折力也呈先增后降的趨勢,D4 處理下I1~I(xiàn)4 的抗折力較D1、D2、D3、D5 處理分別提高9.40%~23.05%、4.89%~25.23%、9.22%~27.78%和10.98%~42.19%。組合處理中以N2D4、N1D4、N1D5 處理I1 抗折力較強(qiáng),根據(jù)F值可以看出施氮量、栽插密度以及二者的組合處理均能夠?qū)?jié)間抗折力產(chǎn)生顯著或極顯著的影響。
表1 不同施氮量和栽插密度下水稻基部節(jié)間抗倒伏特性
彎曲力矩在同等栽插密度條件下與施氮量呈正相關(guān)關(guān)系,以N3 處理最高。N3 處理下I1~I(xiàn)4 的彎曲力矩較N0、N1 和N2 處理分別提高11.46%~41.93%、18.94%~59.72%、18.62%~34.87%和25.61%~58.84%。在同一施氮量處理下,彎曲力矩與栽插密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,D5 處理下I1~I(xiàn)4 的彎曲力矩較D2、D2、D3 和D4處理分別降低5.57%~25.72%、9.28%~25.26%、4.45%~25.03%和14.25%~41.04%。
在同等密度條件下N0、N1、N2 處理倒伏指數(shù)差異較小,而N3 處理顯著增高。N3 處理下I1~I(xiàn)4 的倒伏指數(shù)較N0、N1 和N2 處理分別提高43.76%~54.02%、44.74%~51.80%、40.09%~48.91%和60.81%~83.68%。在同一施氮量處理下,倒伏指數(shù)與栽插密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,D1、D2 處理顯著高于D3、D4 和D5 處理。D1 處理下I1~I(xiàn)4 的倒伏指數(shù)較D3、D4、D5 處理分別增加35.23%~58.73%、40.10%~53.24%、38.23%~63.96%和74.46%~113.16%;D2 處理下I1~I(xiàn)4 的倒伏指數(shù)較D3、D4、D5 處理分別增加22.72%~44.05%、23.68%~35.27%、18.45%~40.50%和31.03%~58.29%。
由圖2 可見,隨生育進(jìn)程的推進(jìn),水稻營養(yǎng)器官的干物質(zhì)積累量先增后降,在穗期達(dá)到峰值;穗部干物質(zhì)積累量則持續(xù)呈上升趨勢。葉片、莖鞘、穗部干物質(zhì)積累量占總干物質(zhì)量比重拔節(jié)期分別為32.95%~40.95%、65.94%~74.29%、0;穗期分別為23.61%~28.30%、52.78%~63.90%、8.26%~23.33%;成熟期分別為10.16%~13.35%、24.33%~38.80%、48.01%~64.92%??梢?,莖鞘干物質(zhì)積累量均高于葉片。自抽穗后,莖鞘與葉片干物質(zhì)積累量開始下降,至完熟期平均下降33.61%、42.59%,穗部則增加438.51%。在栽插密度相同的情況下,葉片與莖鞘的干物質(zhì)積累量隨施氮量的增加而增加,二者干物質(zhì)積累量在整株中的占比也增加,且不同施氮處理間差異顯著,其中,在成熟期N3 處理的莖鞘、葉片干物質(zhì)積累量占稻株總干物質(zhì)積累量的比例達(dá)49.00%,較N0、N1 和N2 處理增加28.59%、36.86%和15.42%。在施氮量相同的情況下,隨著栽插密度的增加,莖鞘、葉片和穗部干物質(zhì)積累量先增后降,以D4 處理最大,其中莖、葉干物質(zhì)積累量占整株干物質(zhì)積累量比例差異較小。組合處理中N3D4、N3D5 營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量最大,而N2D4 處理穗部干物質(zhì)積累量最高,可見,240 kg/hm2施氮量時配合27.78 萬叢/hm2的處理組合有利于各器官干物質(zhì)積累。
圖2 施氮量與栽插密度對南疆水稻干物質(zhì)積累的影響
根據(jù)施氮量(N)、栽插密度(D)組合的產(chǎn)量數(shù)據(jù),進(jìn)行多次二項(xiàng)式逐步回歸,得到擬合方程:
Y=-0.081139+0.028487N+0.528057D-0.000054N2-0.009423D2+0.000126ND(R2=0.9057**)
對方程求極值得到產(chǎn)量最高為12.08 t/hm2(圖3)時,施氮量為297.19 kg/hm2、栽插密度為30.01 萬叢/hm2,與N2D4 處理最為接近。
圖3 施氮量與栽插密度對水稻產(chǎn)量的影響曲面圖
由表2 可以看出,花前干物質(zhì)積累量與積累率顯著高于花后。在同一密度水平下,花前干物質(zhì)積累量隨著施氮量的提高而增加,各施氮處理間差異顯著;花前干物質(zhì)積累率則隨著施氮量的提高先降后增,N0 和N3 處理較高。同一施氮水平下,花前干物質(zhì)積累量與栽插密度呈正相關(guān)關(guān)系,隨栽插密度的增加而增加,花前干物質(zhì)積累率則表現(xiàn)為D1<D2、D3、D4<D5,其中D2、D3、D4 處理間差異不顯著。花后干物質(zhì)積累量與積累率在同等栽插密度條件下隨施氮量的增加先增后降,在N2 處理時達(dá)到峰值,N2 處理的花后干物質(zhì)積累量與積累率較N0、N1、N3 處理分別增加106.99%、46.16%、9.81%和26.61%、9.39%、18.21%;同等施氮量條件下花后干物質(zhì)積累量隨栽插密度的提高呈單峰變化趨勢,峰值出現(xiàn)在D4 處理,D4 處理較其他處理提高18.06%~30.22%;組合處理中N2D4 處理花后干物質(zhì)積累量較其他處理顯著提高,達(dá)到6.92 t/hm2。可見,適合的肥密調(diào)控可以促進(jìn)花后干物質(zhì)積累量且對花后干物質(zhì)積累率無極顯著影響。
表2 不同施氮量和栽插密度下水稻干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)情況
從對籽粒的貢獻(xiàn)來看,營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)運(yùn)在各處理下對籽粒的貢獻(xiàn)均要小于花后干物質(zhì)積累對籽粒的貢獻(xiàn),隨著施氮量的增加,花后干物質(zhì)積累量對籽粒的貢獻(xiàn)率呈遞增趨勢,施氮與不施氮處理間差異顯著,說明增施氮肥有利于花后同化物在籽粒中的積累,N3 處理最高但與N2 處理差異較小。營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)運(yùn)干物質(zhì)對籽粒的貢獻(xiàn)隨施氮量的增加而降低,施氮處理與不施氮處理差異極顯著,其中N1 與N2 處理差異較小。在各栽插密度處理下干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量及花后干物質(zhì)積累對籽粒的貢獻(xiàn)均無明顯規(guī)律但各處理間無較大差異。各施氮處理下干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)對籽粒的貢獻(xiàn)與花后干物質(zhì)積累對籽粒的貢獻(xiàn)變異系數(shù)分別為13.69%和8.00%,不同栽插密度處理下則分別為5.06%和2.96%,可以看出,施氮處理的影響更大。
倒伏指數(shù)是衡量水稻抗倒伏能力的重要指標(biāo),倒伏指數(shù)越大,稻株倒伏的可能性越高[7]。彎曲力矩以及抗折力顯著影響倒伏指數(shù),彎曲力矩與抗折力又受到栽培措施的調(diào)控[8]。范存留等[9]研究表明,增加氮肥用量會使水稻株高變高,抗折力降低。本試驗(yàn)結(jié)果表明,增施氮肥使各節(jié)間長度顯著增加,導(dǎo)致株高變高,各節(jié)間抗折力與彎曲力矩均有顯著差異,不同的是抗折力隨施氮量的增加先增后降,可能是因?yàn)槟辖貐^(qū)土壤養(yǎng)分含量本身較低,不施氮或低氮導(dǎo)致莖稈細(xì)弱,進(jìn)而抗折力低,施用過量氮肥后又會導(dǎo)致基部節(jié)間長度增大,導(dǎo)致抗折力降低。這與張祖建等[10]研究結(jié)果中適量的氮肥能提高水稻抗倒伏能力的效應(yīng)一致。史占忠等[11]研究發(fā)現(xiàn),抗倒伏能力較強(qiáng)的品種株高大約在70~90 cm,高于90 cm 便會增大倒伏的可能性,且高施氮量處理的水稻田塊倒伏的可能要大于中等施氮量處理,低施氮田塊一般不發(fā)生倒伏。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),施氮量0~240 kg/hm2的處理株高在79.32~102.3 cm 之間,且均未發(fā)生倒伏現(xiàn)象,這與南疆日照時間長,莖稈干物質(zhì)積累量多,惡劣天氣少,無外力致使倒伏有關(guān)。另外,本研究發(fā)現(xiàn),基部節(jié)間倒伏指數(shù)隨施氮量的提高先增后降,這與徐文波等[12]研究發(fā)現(xiàn)相符。
栽插密度也會對稻株的抗倒伏能力產(chǎn)生極顯著影響。郭保衛(wèi)等[13]研究表明,過高的栽插密度會增強(qiáng)水稻群體對資源的競爭力,從而使群體過旺生長,導(dǎo)致個體發(fā)育失衡,莖稈細(xì)弱而誘發(fā)倒伏造成減產(chǎn)。本研究與前人研究結(jié)果相符,在D5 處理下各節(jié)間倒伏指數(shù)增大,抗折力顯著降低。肖立等[14]研究表明,適當(dāng)稀植,降低栽插密度有利于改善稻株形態(tài)特征,有效降低倒伏發(fā)生的可能性,有助于發(fā)揮稻株的產(chǎn)量潛力。本研究發(fā)現(xiàn),栽插密度為20.83~27.78 萬叢/hm2時莖稈抗折力較強(qiáng),當(dāng)密度在13.89~16.67 萬叢/hm2時抗折力較弱,可能是因?yàn)榈兔芏却龠M(jìn)了稻株個體發(fā)育,導(dǎo)致基部節(jié)間變長,從而不利于稻株抗倒。
水稻莖稈的抗折力與抗倒伏指數(shù)是多個因素影響下的綜合結(jié)果,如穗長、穗質(zhì)量、節(jié)間長度與充實(shí)度等[15]。株高是影響倒伏的直接因素,抗倒伏能力強(qiáng)的稻株株高矮、低位節(jié)間長度短、重心較低,但過度降低株高會導(dǎo)致生物量減少,不利于高產(chǎn)[16]。因此,挖掘株高外其他抗倒伏因素,協(xié)調(diào)產(chǎn)量與倒伏問題還需要深度研究。本研究發(fā)現(xiàn),在240 kg/hm2施氮量時配合20.83~27.78 萬叢/hm2栽插密度能夠使南疆水稻獲得較高產(chǎn)量且未發(fā)生倒伏現(xiàn)象。
干物質(zhì)的積累、轉(zhuǎn)運(yùn)與分配與籽粒灌漿的優(yōu)劣密切相關(guān),適宜的干物質(zhì)量是高產(chǎn)形成的基礎(chǔ)。謝力等[17]研究表明,增加施氮量與栽插密度能夠提高群體干物質(zhì)積累量,但碳水化合物在高氮條件下多作用于營養(yǎng)器官,且高密度下過大的群體會導(dǎo)致結(jié)實(shí)率降低、經(jīng)濟(jì)系數(shù)變小、倒伏等問題,使產(chǎn)量降低,這與本研究高氮量高密度處理N3 與D5 出現(xiàn)減產(chǎn)情況相似。花后干物質(zhì)分配及向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的比例對產(chǎn)量及品質(zhì)的高低有顯著影響,研究表明,花前同化物大約有30%左右轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒中[18]。本研究發(fā)現(xiàn),花前同化物轉(zhuǎn)運(yùn)對籽粒的貢獻(xiàn)為23.86%~48.31%,與前人研究結(jié)果相符。馬東輝等[19]研究發(fā)現(xiàn),稻麥類作物干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量會隨著氮肥施用量的增加而增加,而當(dāng)施氮量達(dá)到300 kg/hm2時會對干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)生不利影響。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),施氮量在0~240 kg/hm2時水稻干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量與之呈正相關(guān)關(guān)系,在360 kg/hm2時,轉(zhuǎn)運(yùn)量相較240 kg/hm2時下降19.55%。馬冬云等[20]研究發(fā)現(xiàn),高施氮量花前同化物多用于營養(yǎng)器官建成,對籽粒的貢獻(xiàn)就會下降,不施氮時莖葉中的氮、糖加速運(yùn)出,轉(zhuǎn)運(yùn)了較多貯藏物來充實(shí)籽粒。本研究結(jié)果表明,花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量對籽粒的貢獻(xiàn)率隨施氮量的提高而降低,與前人研究結(jié)果基本相符,同時還發(fā)現(xiàn)花后干物質(zhì)積累量在N3 處理下顯著降低,可能是因?yàn)槿~片相互蔭蔽影響了籽粒灌漿。本研究發(fā)現(xiàn),可以減少施氮量并適當(dāng)密植,主攻構(gòu)建大群體達(dá)到以大群體彌補(bǔ)小個體可能造成的減產(chǎn),240 kg/hm2施氮量配合27.78 萬叢/hm2栽插密度顯著改善了南疆水稻地上部分干物質(zhì)的比例及干物質(zhì)分配,有利于提高產(chǎn)量。