不同氮肥运筹模式对双季稻植株生理特性和产量的影响

徐一兰,付爱斌,刘唐兴

(湖南生物机电职业技术学院,湖南 长沙 410127)

摘要:为探明双季稻区不同氮(N)肥运筹模式对双季水稻植株叶片生理特性及产量的影响,以早稻和晚稻均不施N肥为对照(CK),系统比较研究了早稻施N 120.0 kg/hm2+晚稻施N 210.0 kg/hm2(N120 ∶210)、早稻施N 150.0 kg/hm2+晚稻施N 180.0 kg/hm2(N150 ∶180)、早稻施N 180.0 kg/hm2+晚稻施N 150.0 kg/hm2(N180 ∶150)、早稻施N 210.0 kg/hm2+晚稻施N 120.0 kg/hm2(N210 ∶120)5种N肥运筹模式条件下双季水稻植株叶片保护性酶活性、光合特性及产量的变化。研究结果表明,不同施N水平下,早、晚稻各个生育时期植株叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性提高,丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)含量降低;早稻和晚稻各个主要生育时期,叶片净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)大小顺序均分别表现为N150 ∶180>N180 ∶150>N210 ∶120>N120 ∶210>CK和N150 ∶180>N180 ∶150>N120 ∶210>N210 ∶120>CK;早稻和晚稻各个主要生育时期叶片气孔导度(Gs)分别表现为N210 ∶120>N180 ∶150>N150 ∶180>N120 ∶210>CK和N120 ∶210>N150 ∶180>N180 ∶150>N210 ∶120>CK。各处理间水稻植株的千粒质量均无显著性差异;早稻和晚稻产量均以N150 ∶180处理为最高,分别比对照增加1 849.5,1 879.5 kg/hm2。因此,早稻施N 150.0 kg/hm2和晚稻施N 180.0 kg/hm2的施肥模式,有利于提高双季水稻叶片保护性酶活性和光合特性,改善产量构成因素,从而获得较高的水稻产量。

关键词:水稻;氮肥运筹模式;生理特性;保护性酶;产量

我国是世界上水稻(Olyza Sativa L.)生产与需求大国,水稻的种植面积和稻谷总产均位于世界前列;全国有70%以上人们均以水稻为主要食物来源[1]。氮是水稻产量关键的影响因素,氮肥施用量的多少影响水稻的生长发育,从而最终影响水稻产量的高低[2]。 在常规的水稻生产过程中,人们为了追求更高的水稻产量,施肥过程中偏向于施用氮肥,缺少施用磷、钾肥,采取不科学的施用技术,降低肥料的利用率,造成肥料等投入过多、增加水稻生产成本,从而影响稻田生态环境,如造成水体污染、富营养化和促进稻田温室气体排放等[3-5]。随着我国耕地面积的不断减少和人口数量的不断增长,自然资源与粮食生产安全和稻田生态环境间的矛盾日趋严重,这与施肥量、施肥比例等方面的关系密切[6]。因此,在保持水稻高产、稳产条件下,如何科学合理施用氮肥、提高氮肥利用率、保护稻田生态环境,是目前我国水稻生产中急需解决的现实问题,对于稻田可持续发展具有十分重要的意义[7-8]

因此,前人开展了周年氮肥运筹对稻田土壤肥力、生态环境、水稻植株生物学和营养特性及水稻产量等方面影响的研究。林忠成等[9]的研究表明,通过减少基肥氮比例、增加蘖肥氮和穗粒肥氮比例等氮后移的优化措施,可以减少由氨挥发造成的损失,显著提高最大库容量(总实粒数)和产量,有效减少施氮量。姬广梅等[10]研究认为,增加施氮量有利于提高水稻植株的干物质量。王允青等[11]研究结果表明,水稻产量、干物质积累随氮追肥用量的合理提高而增加,但后期施氮比例过高则不利于产量及干物质积累。贾东等[12]研究认为,氮肥后移措施能抑制水稻分蘖,减少有效穗数,降低植株的叶面积指数和干物质积累量。吴文革等[13]研究结果表明,210 kg/hm2的施氮量,基蘖肥 ∶ 穗肥为6∶4的运筹方式有利于提高成穗率,提高中、后期的叶面积指数和干物质积累,优化群体质量。贾东等[14]研究结果认为,氮素后移措施有利于建立科学的水稻群体,协调各产量构成因素。田智慧等[15]研究表明,相同施氮水平(240 kg/hm2)下,水稻产量随中、后期施氮比例的增加而增加。潘圣刚等[16]研究发现,施氮量为240 kg/hm2及基肥、蘖肥、穗粒肥为3 ∶2 ∶5的施氮处理是兼顾产量和环境的最佳氮肥运筹方式。前人开展的关于不同氮肥运筹方式下水稻生长发育、植株干物质积累及产量变化的研究结果因试验周期、研究对象、栽培方式和所在区域气候条件等不同,其研究结果存在较大的不同。

湖南是我国主要的双季稻主产区,该区域的水稻粮食产量在保障我国粮食生产安全方面具有十分重要的战略地位。前人虽然开展了不同施肥措施对水稻植株生长、部分生理和生物学特性、水稻产量等方面的研究[9,17-20],但在该区域保证周年双季水稻总施氮量一致条件下,不同氮肥运筹模式对双季水稻生理生化特性和产量变化特征的研究还有待进一步进行。因此,本试验开展不同氮肥施用措施对水稻植株叶片保护性酶和光合特性及水稻产量影响的研究,以明确各个氮肥运筹处理间双季稻产量差异的生理基础,从而为南方双季稻区水稻高产稳产科学选择最佳的氮肥施肥模式提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于湖南省醴陵市均楚镇(113°14′47″E,27°34′15″N),所在区域为典型的双季稻区。试验地年均气温为16.0~18.0 ℃,年均降水量为1 200~1 600 mm,≥10 ℃活动积温为5 000~5 800 ℃,无霜期为260~310 d。稻田土壤类型为红黄泥,试验前0~20 cm土壤的理化指标为:pH值5.20,有机碳含量22.68 g/kg,全氮3.48 g/kg,碱解氮272.5 mg/kg,全磷0.86 g/kg,有效磷48.7 mg/kg,全钾18.5 g/kg,速效钾86.5 mg/kg。

1.2 试验设计及田间管理

本试验设5个不同氮肥处理:N120 ∶210:早稻施纯氮量120.0 kg/hm2,晚稻施纯氮量210.0 kg/hm2; N150 ∶180:早稻施纯氮量150.0 kg/hm2,晚稻施纯氮量180.0 kg/hm2; N180 ∶150:早稻施纯氮量180.0 kg/hm2,晚稻施纯氮量150.0 kg/hm2; N210 ∶120:早稻施纯氮量210.0 kg/hm2,晚稻施纯氮量120.0 kg/hm2;无肥对照:早稻和晚稻均不施氮肥(CK)。每个处理均为3次重复,随机区组排列,各处理间用田埂覆膜隔开,进行单灌单排。各处理周年双季水稻的纯N总施用量均为330.0 kg/hm2;早稻和晚稻季各处理P2O5和K2O施用量分别为75.0,90.0 kg/hm2和60.0,120.0 kg/hm2。早稻和晚稻季,各处理P2O5均在稻田耕地时作基肥全部施入;N和K2O均按基 ∶追肥7 ∶3的比例施用,稻田耕地时施用基肥、水稻移栽后7 d施用追肥。其他田间管理措施均与常规大田生产一致。

早稻供试品种为株两优211,2017年4月上旬进行育秧,5月上旬进行大田翻耕和施基肥、水稻移栽,7月下旬收获;晚稻供试品种为丰源优299,6月下旬进行育秧,7月下旬进行大田翻耕和施基肥、水稻移栽,10月下旬收获。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 样品采集 早稻和晚稻的苗期(移栽后10 d)、分蘖盛期、孕穗期、齐穗期和成熟期10个时期进行样品采集;样品采集均按照唐海明等[19]的方法进行。

1.3.2 植株理化指标测定 植株叶片的理化指标包括丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)含量及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性,均按照李合生[21]的方法进行测定;每次测定时,各指标测定3次重复,结果取平均值。

1.3.3 植株光合特性测定 在早稻和晚稻的上述10个主要生育时期,测定各处理植株叶片的光合指标:净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)及SPAD值;上述各光合指标的测定时间、部位和重复数均按照唐海明等[19]的方法进行。

1.3.4 产量与产量性状 早稻和晚稻成熟期,按照唐海明等[19]的方法进行水稻产量构成因素的测定;同时,对各个小区的水稻进行单打单收,测定实际产量。

1.4 数据统计与分析

本研究中相关数据均用Microsoft Excel 2003软件进行处理,运用SPSS统计软件进行各处理间所测定指标的方差分析。

2 结果与分析

2.1 水稻植株叶片SPAD值变化动态

早稻和晚稻各个主要生育时期,不同施肥处理植株叶片SPAD值均于分蘖期达到峰值,然后呈下降的变化趋势(图1)。

早稻各个主要生育时期,N150 ∶180和N180 ∶150处理植株叶片SPAD值均显著高于N120 ∶210和CK处理(P<0.05),N210 ∶120和N120 ∶210处理植株叶片SPAD值均显著高于CK处理(P<0.05);各处理叶片SPAD值大小顺序均表现为N150 ∶180>N180 ∶150>N210 ∶120> N120 ∶210>CK。晚稻各个主要生育时期,N150 ∶180和N180 ∶150处理植株叶片SPAD值均显著高于N120 ∶210、N210 ∶120和CK处理(P<0.05),N120 ∶210和N210 ∶120处理间植株叶片SPAD值均无显著性差异(P>0.05);各处理植株叶片SPAD值大小顺序均表现为N150 ∶180>N180 ∶150>N120 ∶210>N210 ∶120>CK。

SS.苗期;TS.分蘖期;BS.孕穗期;FS.齐穗期;MS.成熟期。结果表示为平均值±标准误。
图中不同小写字母表示不同处理之间差异达到5%的显著水平。图2-9同。
SS. Seedling stage; TS. Tillering stage; BS. Booting stage; FS. Full heading stage; MS. Maturity stage. Results stand for means ± standard errors. Different lowercase letters in the graph indicated that the significantly differences at the 5% leve1 among different treatments. The same as Fig.2-9.

图1 不同氮肥运筹模式对水稻植株叶片SPAD值的影响
Fig.1 Effects of different nitrogen application patterns on SPAD of rice leaves

2.2 水稻叶片MDA和Pro含量变化动态

各施肥处理植株叶片MDA含量均随着生育期的推进不断增加,于成熟期达到最高值;CK处理植株叶片的MDA含量与其他处理间的差异均达显著水平(P<0.05)(图2)。

早稻主要生育时期,N120 ∶210处理植株叶片MDA含量与N180 ∶150和N150 ∶180处理的差异均达显著水平(P<0.05);各处理植株叶片MDA含量的大小顺序均为CK>N120 ∶210>N210:120>N180 ∶150>N150 ∶180。晚稻各个主要生育时期,N210 ∶120处理植株叶片MDA含量与N180 ∶150和N150 ∶180处理的差异均达显著水平(P<0.05);孕穗期和齐穗期,N120 ∶210处理叶片MDA含量均显著高于N180 ∶150和N150 ∶180处理(P<0.05);各处理叶片MDA含量大小顺序均表现为CK>N210 ∶120>N120 ∶210>N180 ∶150>N150 ∶180

图2 不同氮肥运筹模式对水稻植株叶片MDA含量的影响
Fig.2 Effects of different nitrogen application patterns on MDA content of rice leaves

早稻和晚稻生育前期,各施肥处理植株叶片Pro含量均随着生育期的推进不断增加,于齐穗期达到峰值;CK处理植株叶片Pro含量与N180 ∶150和N150 ∶180处理的差异均达显著水平(图3)。

早稻分蘖期-成熟期,N120 ∶210处理植株叶片Pro含量均显著高于N210 ∶120、N180 ∶150和N150 ∶180处理(P<0.05);齐穗期和成熟期,N210 ∶120处理植株叶片Pro含量与N150 ∶180和N180 ∶150处理的差异均达显著水平(P<0.05);分蘖期-成熟期,N150 ∶180和N180 ∶150处理间植株叶片Pro含量均无明显的差异(P>0.05)。晚稻主要生育时期,CK和N210:120处理植株叶片Pro含量均显著高于N150 ∶180和N180 ∶150处理(P<0.05);孕穗期、齐穗期和成熟期,N120 ∶210处理植株叶片Pro含量均显著高于N180 ∶150和N150 ∶180处理(P<0.05);分蘖期-成熟期,N180 ∶150处理植株叶片Pro含量均高于N150 ∶180处理,但均无显著性差异(P>0.05)。

图3 不同氮肥运筹模式对水稻植株叶片Pro含量的影响
Fig.3 Effects of different nitrogen application patterns on Pro content of rice leaves

2.3 水稻植株叶片SOD、POD、CAT活性变化动态

早稻和晚稻主要生育时期,不同处理植株叶片SOD活性均于齐穗期达到峰值;早稻和晚稻季,叶片SOD活性均以N150:180处理为最高,与其他处理的差异均达显著水平(P<0.05)(图4)。

早稻各个主要生育时期,N120:210、N150 ∶180、N180 ∶150和N210 ∶120处理叶片SOD活性均显著高于CK处理(P<0.05);N120 ∶210和N210 ∶120处理叶片SOD活性与CK处理的差异均达显著水平(P<0.05)。晚稻各个主要生育时期,N120 ∶210、N150 ∶180、N180:150和N210 ∶120处理叶片SOD活性与CK处理的差异均达显著水平(P<0.05);N120 ∶210和N210 ∶120处理植株叶片SOD活性与CK处理的差异均达显著水平,N120:210和N210 ∶120处理间均无显著性差异(P>0.05)。

早稻和晚稻主要生育时期,不同处理植株叶片POD活性均于齐穗期达到峰值;早稻和晚稻季,其活性分别以N150:180处理为最高,与其他处理的差异均达显著水平(P<0.05)(图5)。

早稻主要生育时期,N120 ∶210、N150 ∶180、N180 ∶150和N210 ∶120处理叶片POD活性均显著高于CK处理(P<0.05);N210 ∶120处理叶片POD活性与N120 ∶210处理的差异均达显著水平(P<0.05)。晚稻各个主要生育时期,N120 ∶210、N150 ∶180、N180 ∶150和N210 ∶120处理叶片POD活性与CK处理的差异均达显著水平(P<0.05);N120 ∶210和N210 ∶120处理叶片POD活性与CK处理的差异均达显著水平,且N120 ∶210处理叶片POD活性均显著高于N210 ∶120处理。

图4 不同氮肥运筹模式对水稻植株叶片SOD活性的影响
Fig.4 Effects of different nitrogen application patterns on SOD activities of rice leaves

图5 不同氮肥运筹模式对水稻植株叶片POD活性的影响
Fig.5 Effects of different nitrogen application patterns on POD activities of rice leaves

早稻和晚稻主要生育时期,不同处理植株叶片CAT活性均于分蘖期达到峰值;早稻和晚稻季,其CAT活性均以N150 ∶180处理为最高,与CK处理的差异均达显著水平(P<0.05)(图6)。

早稻主要生育时期,N150 ∶180处理叶片CAT活性均显著高于其他处理(P<0.05);分蘖期-成熟期,N180 ∶150、N210 ∶120和N120 ∶210处理叶片CAT活性均显著高于CK处理(P<0.05),且N180 ∶150和N210 ∶120处理叶片CAT活性均显著高于N120 ∶210处理(P<0.05)。晚稻主要生育时期,N150 ∶180处理叶片CAT活性与其他处理的差异均达显著水平(P<0.05);N180 ∶150和N120 ∶210处理叶片CAT活性与N210 ∶120和CK处理的差异均达显著水平(P<0.05)。

图6 不同氮肥运筹模式对水稻植株叶片CAT活性的影响
Fig.6 Effects of different nitrogen application patterns on CAT activities of rice leaves

2.4 水稻植株叶片光合参数变化

早稻和晚稻各个主要生育时期,不同处理植株叶片Pn表现为抛物线的变化趋势,于齐穗期达到最大值;其大小顺序分别表现为N150 ∶180>N180 ∶150>N210 ∶120>N120 ∶210>CK、N150 ∶180>N180 ∶150>N120 ∶210>N210 ∶120>CK(图7)。

早稻各个生育时期,叶片Pn均以N150 ∶180处理为最高,与其他处理的差异均达显著水平(P<0.05);N180 ∶150和N210 ∶120处理叶片Pn与CK处理的差异均达显著水平(P<0.05)。晚稻各个生育时期,N150 ∶180处理叶片Pn均为最高,均显著高于其他处理(P<0.05);N180 ∶150和N120 ∶210处理叶片Pn均显著高于N210 ∶120和CK处理(P<0.05)。

早稻和晚稻各个生育时期,各处理叶片气孔导度(Gs)均于分蘖期达到峰值;其大小顺序分别表现为N210 ∶120>N180 ∶150>N150 ∶180>N120 ∶210>CK、N120 ∶210>N150 ∶180>N180 ∶150>N210 ∶120>CK(图8)。早稻主要生育时期,N210 ∶120 和N180 ∶150处理叶片气孔导度均为最高,均显著高于其他处理(P<0.05);晚稻主要生育时期,N120 ∶210和N150 ∶180处理叶片气孔导度均为最高,均显著高于其他处理(P<0.05)。

图7 不同氮肥运筹模式对水稻植株叶片Pn的影响
Fig.7 Effects of different nitrogen application patterns on net photosynthetic rate of rice leaves

图8 不同氮肥运筹模式对水稻植株叶片Gs的影响
Fig.8 Effects of different nitrogen application patterns on stomatal conductance of rice leaves

早稻和晚稻各个主要生育时期,各处理叶片蒸腾速率(Tr)均于齐穗期达到峰值;其大小顺序分别表现为N150 ∶180>N180 ∶150>N210 ∶120>N120 ∶210>CK、N150 ∶180>N180 ∶150>N120 ∶210>N210 ∶120>CK。早稻和晚稻各个主要生育时期,不同处理间叶片Tr均没有显著的差异(P>0.05)(图9)。

图9 不同氮肥运筹模式对水稻植株叶片Tr的影响
Fig.9 Effects of different nitrogen application patterns on transpiration rate of rice leaves

2.5 水稻产量及其构成因素变化

不同氮肥运筹模式条件下早稻产量构成因素及产量的变化如表1所示。N120 ∶210、N150 ∶180、N180 ∶150和N210 ∶120处理早稻的有效穗数与CK处理的差异均达显著水平(P<0.05),分别比CK处理增加49.5,58.5,84.0,79.5万穗/hm2;不同处理间植株的穗粒数、结实率和千粒质量均无明显的差异(P>0.05);N120 ∶210、N150 ∶180、N180 ∶150和N210 ∶120处理早稻产量与CK处理的差异均达显著水平(P<0.05),分别比CK处理增加1 479.0,1 849.5,1 824.0,1 741.5 kg/hm2,其大小顺序表现为N150 ∶180>N180 ∶150>N210 ∶120>N120 ∶210>CK。

不同氮肥运筹模式条件下晚稻产量构成因素及产量的变化如表2中所示。N120 ∶210、N150 ∶180、N180 ∶150和N210 ∶120处理晚稻的有效穗数均显著高于CK处理,分别比CK处理增加64.5,72.0,58.5,34.5万穗/hm2;各处理间的穗粒数均无显著性差异,但均显著高于CK处理(P<0.05),分别比CK处理增加16.8,25.3,17.9,16.1粒/穗;CK处理的结实率为最高,显著高于N120 ∶210、N150 ∶180和N180 ∶150处理(P<0.05);各处理间的千粒质量均无显著性差异(P>0.05);N120 ∶210、N150 ∶180、N180 ∶150和N210 ∶120处理的晚稻产量与CK处理的差异均达显著水平(P<0.05),分别比CK处理增加1 665.0,1 879.5,1 711.5,1 282.5 kg/hm2,其大小顺序表现为N150 ∶180>N180 ∶150>N120 ∶210>N210 ∶120>CK。

表1 不同氮肥运筹模式对早稻产量及构成因素的影响
Tab.1 Effects of different nitrogen application patterns on yield and yield components of early rice

项目Items处 理 TreatmentsN120∶210N150∶180N180∶150N210∶120CK有效穗数/(万穗/hm2) Number effective tillers298.5±9.5b307.5±9.6ab333.0±8.6a328.5±8.8a249.0±7.2c穗粒数Spikelet number per panicle105.0±3.1a106.5±3.0a109.6±3.2a107.2±3.1a103.4±2.9a结实率/% Seed setting rate82.1±2.37a81.4±2.34a77.3±2.39a77.9±2.24a83.0±2.23a千粒质量/g 1000 grains weight26.02±0.73a25.37±0.71a25.22±0.74a25.71±0.71a24.93±0.73a产量/(kg/hm2) Grain yield 6 702.0±135.2a7 072.5±128.2a7 047.0±134.5a6 964.5±135.2a5 223.0±122.6b

注:同行中的不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。表2同。

Note:Different lowercase letters in each line indicated that the significantly differences at the 5% leve1. The same as Tab.2.

表2 不同氮肥运筹模式对晚稻产量及构成因素的影响
Tab.2 Effects of different nitrogen application patterns on yield and yield components of late rice

项目Items处 理 TreatmentsN120∶210N150∶180N180∶150N210∶120CK有效穗数/(万穗/hm2) Number effective tillers309.0±9.1a316.5±8.9a303.0±8.7ab279.0±8.1b244.5±7.1c穗粒数Spikelet number per panicle118.3±3.4a126.8±3.4a119.4±3.6a117.6±3.3a101.5±2.9b结实率/% Seed setting rate71.8±2.3b72.0±2.2b72.2±2.1b76.5±2.1ab80.2±2.0a千粒质量/g 1000 grains weight27.3±0.77a27.7±0.79a27.5±0.78a28.1±0.75a26.2±0.73a产量/(kg/hm2) Grain yield 7 068.0±137.2a7 282.5±136.5a7 114.5±134.8a6 685.5±128.5a5 403.0±114.3b

3 结论与讨论

3.1 不同氮肥运筹模式对水稻植株生理特性的影响

保护酶系统在植株逆境条件下能减轻外界环境变化对作物所造成的伤害、延缓衰老[19];而丙二醛和脯氨酸含量是反映作物受渗透胁迫程度强弱的关键指标[19,22]。光合特性及光合产物是水稻产量的主要来源[19],水稻植株的生理和光合特性与所在区域的气温和日照、品种类型、耕作方式、施肥模式、水分管理等措施关系密切,其中不同的氮肥运筹模式是影响水稻植株生理特性、光合作用和水稻产量高低的重要因素。苏姗等[18]研究结果表明,采取合理的施氮比例有利于提高水稻的光合利用,增加水稻生产的效益。唐海明等[19]研究认为,采用有机无机肥配施措施均有利于提高双季稻植株叶片的保护性酶活性、增强光合特性。刘利成等[20]研究认为,齐穗后植株能保持较高的生物量和剑叶光合速率是获得双季稻高产的关键。本研究结果表明,与对照相比,施肥有利于增强水稻植株叶片保护酶活性、降低MDA和Pro含量,增强水稻叶片光合性能,其原因可能是施肥能为水稻生长发育、生理活动提供养分来源,增强植株生理活动和保护酶活性,减轻膜脂过氧化、降低植株的MDA和Pro含量,有利于延缓生育后期叶片衰老,提高光合产物和干物质积累量,为水稻高产提供物质保障。在各个不同处理中,早稻和晚稻均以N150 ∶180处理植株叶片保护性酶活性和光合特性(净光合速率和蒸腾速率)效果为最佳,这可能是早稻施N 150.0 kg/hm2和晚稻施N 180.0 kg/hm2的施肥模式条件下,施肥量和比例适宜,有利于水稻个体和群体协调生长发育,形成高光效的水稻群体,进而提高叶片光合特性和光合产物,增加干物质积累量,为水稻高产奠定了物质基础,这与苏姗等[18]研究结果相一致。N180 ∶150处理水稻植株叶片抗氧化酶活性和光合性能效果均低于N150 ∶18处理,其原因可能是采取该种施肥模式也有利于促进植株个体的生长发育,构建合理的群体结构,具有较好的叶片抗氧化酶活性和光合性能效果。而早稻和晚稻分别采取N120 ∶210和N210 ∶120处理植株叶片抗氧化酶活性和光合性能效果均为最低,其原因可能是施氮量过低或过高,过低不能满足植株生长对养分的需求、抑制植株的生长,养分过多,易造成植株的徒长,影响高光效水稻群体的形成,从而降低了叶片光合特性和光合产物[19-20],进而影响水稻产量。可见,在保证周年总施氮量一致条件下,早、晚稻采取合理的氮肥施用量有利于改善水稻植株生育后期功能叶的保护酶活性和光合性能,这是水稻获得较高产量的生理机制。

3.2 不同氮肥运筹模式对水稻产量及构成因素的影响

不同氮肥运筹模式对水稻产量影响的效果各异,采取适宜的基 ∶追肥比例(基蘖肥占总施氮量70%)有利于获得较高的水稻产量,若采取比例不协调的施肥模式则易影响水稻生长,影响水稻产量、降低水稻生产的经济效益[9,23]。不同氮肥施用量等措施通过影响植株的“库”容量,影响穗数、穗粒数、结实率和千粒质量等产量构成因素,从而最终决定水稻产量的高低[24]。本研究结果也表明,不同氮肥运筹模式通过影响水稻的有效穗数高低及穗粒数等产量构成因素,从而影响水稻产量,这与薛亚光等[25]和杨建昌等[26]的研究结果相一致。本研究中,在保证周年双季水稻施氮总量一致的条件下,周年氮肥运筹模式对双季水稻产量影响显著,早稻产量均以N150 ∶180处理为最高,这是因为在各施肥模式中,早稻采取N150 ∶180施肥模式有利于水稻的早生快发,促进分蘖,提高了水稻的每穗总粒数、结实率,而晚稻在N180 ∶150施肥模式条件下有利于提高水稻的分蘖率,改善产量构成因素(增加水稻植株的有效穗和穗粒数),从而获得较高产量。这说明在双季稻生产中,需重视周年氮肥的合理运筹,可通过保证早稻和晚稻季采取适宜的氮肥施用量,有利于水稻分蘖的发生、提高分蘖成穗率,改善产量构成因素,从而获得较高的水稻产量。氮肥用量过低,水稻缓苗较慢,难以早发,不利于植株的生长发育和干物质积累[27];氮肥用量过高,影响水稻植株生长和分蘖发生,降低成穗率,影响产量构成因素。

因此,通过本研究结果表明,双季稻区在保证周年总施氮量一致条件下,早稻施N 150.0 kg/hm2和晚稻施N 180.0 kg/hm2的施肥模式条件下有利于增强双季稻植株叶片保护酶活性和光合性能,改善产量构成因素,从而获得较高的产量。

参考文献:

[1] Ding W C,Xu X P,He P,Ullah S,Zhang J J,Cui Z L,Zhou W. Improving yield and nitrogen use efficiency through alternative fertilization options for rice in China:A meta-analysis[J].Field Crops Research,2018,227(1):11-18.doi:10.1016/j.fcr.2018.08.001.

[2] Wei H Y,Chen Z F,Xing Z P,Zhou L,Liu Q Y,Zhang Z Z,Jiang Y,Hu Y J,Zhu J Y,Cui P Y,Dai Q G,Zhang H C. Effects of slow or controlled release fertilizer types and fertilization modes on yield and quality of rice[J].Journal of Integrative Agriculture,2018,17(18):62050-62052. doi:10.1016/S2095-3119(18)62052-0.

[3] 徐驰,谢海宽,丁武汉,戴震,张婧,王立刚,李虎. 油菜-水稻复种系统一次性施肥对CH4和N2O净排放的影响[J]. 中国农业科学,2018,51(20):3972-3984. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.20.015.

Xu C,Xie H K,Ding W H,Dai Z,Zhang J,Wang L G,Li H. The impacts of CH4 and N2O net emission under one-off fertilization of rape-paddy replanting system [J]. Scientia Agricultura Sinica,2018,51(20):3972-3984.

[4] 杨亚东,宋润科,赵杰,王培欣,许晓玲,曾昭海. 长期不同施肥制度对水稻土氨氧化微生物数量和群落结构的影响[J]. 应用生态学报,2018,29(11):1001-9332. doi:10.13287/j.1001-9332.201811.031.

Yang Y D,Song R K,Zhao J,Wang P X,Xu X L,Zeng Z H. Effects of long-term different fertilization regimes on the abundance and community structure of ammonia oxidizers in paddy soils [J]. Chinese Journal of Applied Ecology,2018,29(11):1001-9332.

[5] 周旋,吴良欢,戴锋. 生化抑制剂组合与施肥模式对黄泥田水稻产量和经济效益的影响[J]. 生态学杂志,2017,36(12):3517-3525. doi:10.13292/j.1000-4890.201712.016.

Zhou X,Wu L H,Dai F. Effects of biochemical inhibitor combination and fertilization mode on rice yield and economic benefit in yellow clayey field [J]. Chinese Journal of Ecology,2017,36(12):3517-3525.

[6] 唐海明,肖小平,李超,程凯凯,汪柯,孙耿,张帆,潘孝晨. 长期施肥对双季稻区水稻植株养分积累与转运的影响[J]. 生态环境学报,2018,27(3):1674-5906. doi:10.16258/j.cnki.1674-5906.2018.03.010.

Tang H M,Xiao X P,Li C,Cheng K K,Wang K,Sun G,Zhang F,Pan X C. Effects of different long-term fertilization managements on nutrition accumulation and translocation of rice plant in double cropping paddy field [J]. Ecology and Environmental Sciences,2018,27(3):1674-5906.

[7] 唐海明,肖小平,汤文光,孙继民,刘杰,汪柯,李超,程凯凯,李微艳,孙耿. 长期施肥对双季稻田甲烷排放和关键功能微生物的影响[J]. 生态学报,2017,37(22):7668-7678. doi:10.58846/stxb201609041803.

Tang H M,Xiao X P,Shang W G,Sun J M,Liu J,Wang K,Li C,Cheng K K,Li W Y,Sun G. Effects of long-term fertilizer treatments on CH4 fluxes and key functional microorganisms in a double-cropping paddy field [J]. Acta Ecologica Sinica,2017,37(22):7668-7678.

[8] Tang H M,Xiao X P,Tang W,Li C A,Li W Y,Cheng K K,Pan X C.Long-term effects of NPK fertilizers and organic manures on soil organic carbon and carbon management index under a double-cropping rice system in Southern China[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis,2018,49(16):1976-1989.doi:10.1080/00103624.2018.1492600.

[9] 林忠成,李土明,吴福观,张洪程,戴其根,叶世超,郭宏文. 基蘖肥与穗肥氮比例对双季稻产量和碳氮比的影响[J]. 植物营养与肥料学报,2011,17(2):269-275. doi:10.11674/zwyf.2011.0058.

Lin Z C,Li T M,Wu F G,Zhang H C,Dai J G,Ye S C,Guo H W. Effects of nitrogen application on yield and C/N of double-cropping rice [J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science,2011,17(2):269-275.

[10] 姬广梅,罗德强,江学海,李敏,姜萍,周维佳,蒋静. 不同氮肥运筹模式对杂交水稻川香9838物质生产及产量的影响[J]. 贵州农业科学,2013,41(11):18-21. doi:10.3969/j.issn.1001-3601.2013.11.005.

Ji G M,Luo D Q,Jiang X H,Li M,Jiang P,Zhou W J,Jiang J. Effects of nitrogen fertilizer management on dry matter production and yield formation in hybrid rice cultivar Chuanxiang 9838 [J]. Guizhou Agricultural Sciences,2013,41(11):18-21.

[11] 王允青,郭熙盛,戴明伏. 氮肥运筹方式对杂交水稻干物质积累和产量的影响[J]. 中国土壤与肥料,2008(2):31-34. doi:10.11838/sfsc.20080208.

Wang Y Q,Guo X C,Dai M F. Effects of nitrogen application on dry matter accumulation and yield of hybrid rice [J]. Soil and Fertilizer Science in China,2008(2):31-34.

[12] 贾东,卢晶晶,孙雅君,宋双,杜晗,韩雷. 不同氮肥运筹模式对水稻生长发育及物质生产的影响[J]. 贵州农业科学,2015,43(9):66-71. doi:10.3969/j.issn.1001-3601.2015.9.006.

Jia D,Lu J J,Sun Y J,Song S,Du H,Han L. Effects of different nitrogen application on models on growing development and material production of rice [J]. Guizhou Agricultural Sciences,2015,43(9):66-71.

[13] 吴文革,张玉海,张健美,许有尊,何超波,李霞红,徐长斌,李福军,陈学英. 氮肥运筹对机插杂交中籼水稻群体质量及产量形成的影响[J]. 安徽农业大学学报,2011,38(1):1-5. doi:10.13610/j.cnki.1672-352x.2011.01.010.

Wu W G,Zhang Y H,Zhang J M,Xu Y Z,He C B,Li X H,Xu C B,Li F J,Chen X Y. Effects of nitrogen management on mass quality and yield formation of machine transplanted middle-season Indica hybrid rice [J]. Journal of Anhui Agricultural University,2011,38(1):1-5.

[14] 贾东,卢晶晶,孙雅君,宋双,杜晗,韩雷. 氮肥不同运筹模式对水稻生产及氮肥利用率的影响[J]. 西南农业学报,2016,29(3):584-589. doi:10.16213/j.cnki.scjas.2016.03.023.

Jia D,Lu J J,Sun Y J,Song S,Du H,Han L. Effects of nitrogen application strategies on production and fertilizer-N use efficiency of rice [J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences,2016,29(3):584-589.

[15] 田智慧,潘晓华. 氮肥运筹及密度对超高产水稻中优752的产量及产量构成因素的影响[J]. 江西农业大学学报,2007,29(6):894-898. doi:10.3969/j.issn.1000-2286.2007.06.010.

Tian Z H,Pan X H. Effects of nitrogen application and plant density on yield and its components of super high hybrid rice Zhongyou 752 [J]. Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis,2007,29(6):894-898.

[16] 潘圣刚,黄胜奇,翟晶,蔡明历,曹凑贵,展茗,唐湘如. 氮肥用量与运筹对水稻氮素吸收转运及产量的影响[J]. 土壤,2012,44(1):23-29. doi:10.3969/j.issn.0253-9829.2012.01.004.

Pan S G,Huang S J,Zhai J,Cai M L,Cao C G,Zhan M,Tang X R. Effects of nitrogen rate and its basal to dressing ratio on uptake,translocation of nitrogen and yield in rice [J]. Soils,2012,44(1):23-29.

[17] 方畅宇,屠乃美,张清壮,易镇邪. 不同施肥模式对稻田土壤速效养分含量及水稻产量的影响[J]. 土壤,2018,50(3):462-468. doi:10.13758/j.cnki.tr.2018.03.004.

Fang C Y,Tu N M,Zhang Q Z,Yi Z X. Effects of fertilization modes on available nutrient contents of reddish paddy soils and rice yields [J]. Soils,2018,50(3):462-468.

[18] 苏姗,傅志强,龙文飞,李海林. 氮肥运筹对双季晚稻产量及光合特性的影响[J]. 华北农学报,2018,33(3):218-223. doi:10.7668/hbnxb.2018.03.032.

Su S,Fu Z Q,Long W F,Li H L. Effects of nitrogen application on yield and photosynthetic characteristics of double cropping late rice [J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica,2018,33(3):218-223.

[19] 唐海明,肖小平,李超,汤文光,郭立君,汪柯,程凯凯,潘孝晨,孙耿. 长期施肥模式对双季水稻生理特性与产量的影响[J]. 中国农业大学学报,2018,23(11):1007-4333. doi:10.11841/j.issn.1007-4333.2018.11.06.

Tang H M,Xiao X P,Li C,Shang W G,Guo L J,Wang K,Cheng K K,Pan X C,Sun G. Effects of different long-term fertilization managements on the physiological characteristics of leaves and yield of rice in double cropping paddy field [J]. Journal of China Agricultural University,2018,23(11):1007-4333.

[20] 刘利成,陈立云,唐文帮,肖应辉,敬礼恒,邓化冰. 施氮量对双季稻产量及其群体光合特性的影响[J]. 华北农学报,2016,31(1):203-211. doi:10.7668/hbnxb.2016.01.033.

Liu L C,Chen L Y,Tang W B,Xiao Y H,Jing L H,Deng H B. Effects of nitrogen levels on yield and photosynthetic characters of double cropping rice [J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica,2016,31(1):203-211.

[21] 李合生. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 北京:高等教育出版社,2000.

Li H S. Principles and techniques of plant physiology and biochemistry experiments[M]. Beijing:Higher Education Press,2000

[22] 蒋敏,张小祥,吴政,李爱宏,潘存红,肖宁,黄年生. 不同苗期施肥量对水稻机插秧秧苗生理及产量的影响[J]. 中国农学通报,2017,33(34):1-8.

Jiang M,Zhang X X,Wu Z,Li A H,Pan C H,Xiao N,Huang N S. Effect on physiology and yield of rice machine-transplanted seedling:fertilizer amounts at different seedling stages [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin,2017,33(34):1-8.

[23] 徐一兰,唐海明,程爱武,李益锋,李永,何炜,胡赛晶,王跃平. 长期不同施肥模式对双季稻田土壤养分及水稻产量的影响[J]. 华北农学报,2017,32(6):192-197. doi:10.7668/hbnxb.2017.06.028.

Xu Y L,Tang H M,Cheng A W,Li Y F,Li Y,He H,Hu S J,Wang Y P. Effects of different long-term fertilizer managements on soil nutrients and rice yield double cropping paddy field [J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica,2017,32(6):192-197.

[24] 沙之敏,陈侠桦,赵峥,史超超,袁永坤,曹林奎. 施肥方式对水稻“花优14”干物质积累,产量及肥料利用率的影响[J]. 中国生态农业学报,2018,26(6):815-823. doi:10.13930/j.cnki.cjea.171029.

Sha Z M,Chen X H,Zhao Z,Shi C C,Yuan Y K,Cao L K. Effect of fertilizer management on dry matter accumulation,yield and fertilizer use efficiency of rice cultivar′Huayou-14 [J]. Chinese Journal of Eco-agriculture,2018,26(6):815-823.

[25] 薛亚光,王康君,颜晓元,尹斌,刘立军,杨建昌. 不同栽培模式对杂交粳稻常优3号产量及养分吸收利用效率的影响[J]. 中国农业科学,2011,44(23):4781-4792. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2011.23.003.

Xue Y G,Wang K J,Yan X Y,Yin B,Liu L J,Yang J C. Effects of different cultivation patterns on grain yield and nutrient absorption and utilization efficiency of Japonica hybrid rice Changyou 3 [J]. Scientia Agricultura Sinica,2011,44(23):4781-4792.

[26] 杨建昌,王朋,刘立军,王志琴,朱庆森. 中籼水稻品种产量与株型演进特征研究[J]. 作物学报,2006,32(7):949-955. doi:10.3321/j.issn:0496-3490.2006.07.001.

Yang J C,Wang P,Liu L J,Wang Z Q,Zhu Q S. Evolution characteristics of grain yield and plant type for mid-season Indica rice cultivars [J]. Acta Agronomica Sinica,2006,32(7):949-955.

[27] 谢小兵,周雪峰,蒋鹏,陈佳娜,张瑞春,伍丹丹,曹放波,单双吕,黄敏,邹应斌. 低氮密植栽培对超级稻产量和氮素利用率的影响[J]. 作物学报,2015,41(10):1591-1602.doi:10.3724/SP.J.1006.2015.01591.

Xie X B,Zhou X F,Jiang P,Chen J N,Zhang R C,Wu D D,Cao F B,Shan S L,Huang M,Zou Y B. Effect of low nitrogen rate combined with high plant density on grain yield and nitrogen use efficiency in super rice [J]. Acta Agronomica Sinica,2015,41(10):1591-1602.

Effects of Different Nitrogen Application Patterns on Leaf Physiological Characteristics and Grain Yield of Double Cropping Rice

XU Yilan,FU Aibin,LIU Tangxing

(Hunan Biological and Electromechanical Polytechnic,Changsha 410127,China)

Abstract In order to investigate the physiological and biochemical characteristics of rice leaves and grain yield with different N application patterns in double-cropping rice system,the protective enzyme activities and photosynthetic characteristics of rice leaves,grain yield of early rice and late rice were analyzed under 5 models of N application:120.0 kg/ha of early rice plus 210.0 kg/ha of late rice(N120 ∶210),150.0 kg/ha of early rice plus 180.0 kg/ha of late rice(N150 ∶180),180.0 kg/ha of early rice plus 150.0 kg/ha of late rice(N180 ∶150),210.0 kg/ha of early rice plus 120.0 kg/ha of late rice(N210 ∶120),and taking zero N of early and late rice as the control(CK). The results showed that the activities of SOD,POD and CAT in rice leaves increased with different N fertilizer treatments compared to CK at main growth stages of early and late rice. Meanwhile,compared with CK,the MDA and Pro contents in rice leaves decreased with different N fertilizer treatments at main growth stages of early and late rice. The Pn and Tr of rice leaves with different N fertilizer treatments decreased in the following order:N150 ∶180>N180 ∶150>N210 ∶120>N120 ∶210>CK and N150 ∶180>N180 ∶150>N120 ∶210>N210 ∶120>CK at main growth stages of early and late rice,respectively. Meanwhile,the leaf Gs of early and late rice with different N fertilizer treatments decreased in the following order N210 ∶120>N180 ∶150>N150 ∶180>N120 ∶210>CK and N120 ∶210>N150 ∶180>N180 ∶150>N210 ∶120>CK at main growth stages,respectively. The results also indicated that there were no significantly difference in spikelet number per panicle and 1 000-grain weight of rice among different N fertilizer treatments. The grain yields of early rice and late rice in N150 ∶180 and N180 ∶150 treatments were higher than in other treatments. Compared with CK,the grain yields of early rice and late rice in N150 ∶180 and N180 ∶150 treatments increased by 1 849.5,1 879.5 kg/ha,respectively. The results indicated that the N150 ∶180 treatment could improve the protective enzyme activities and photosynthetic characteristics of rice leaves,so as to increase the grain yield of rice.

Key words: Rice; Nitrogen application patterns; Physiological and biochemical characteristics; Protective enzyme; Yield

中图分类号:S511;S143.1

文献标识码:A

文章编号:1000-7091(2019)03-0155-09

收稿日期:2018-12-18

基金项目:湖南省自然科学基金项目(2017JJ3133;2017JJ1018);湖南省农业农村厅科技计划项目(19NYT02)

作者简介:徐一兰(1981-),女,湖南安化人,副教授,硕士,主要从事作物栽培和农田生态研究。

doi:10.7668/hbnxb.201751226