水肥調控對水稻葉片SPAD值與產量的影響

朱 寒，時元智，洪大林，程一帆，王 力

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029；2.河海大學水利水電學院，南京 210024；3.武漢大學水利水電學院，武漢 430072)

0 引 言

水稻是我國最重要的糧食作物之一，水熱條件和施肥狀況是影響水稻生長與最終產量的限制性因素[1,2]，以實現水稻高產穩產為目標的水肥調控與管理模式研究受到廣泛關注[3-5]。研究表明，水稻的高產穩產與其生長周期內的光合作用密不可分，而葉片葉綠素含量的高低是表征水稻光合效率與生長狀況的重要指標[6-8]。在生產實踐中，掌握“灌溉施肥—葉綠素含量—產量”之間的相關關系，定時監測作物葉綠素含量及健康狀況，并根據反饋結果動態調控水肥用量，是提高水肥利用率、實現作物高產穩產的有效途徑[5,8-10]。SPAD-502型葉綠素計(Konica Minolta，日本)[11]測定的數值可用來表征植物葉片葉綠素的相對含量，稱之為“SPAD值”。研究表明，SPAD值與作物氮素營養水平具有一定相關性[12,13]，可通過建立基于SPAD值的水稻施氮模型[9]，實現作物氮素營養實時診斷，進而優化氮肥管理[10]，提高氮肥利用率。與植物組織分析方法[14]或光譜遙感方法[15]相比，SPAD-502能經濟、便捷、實時、無損地診斷作物氮素營養水平，易于推廣應用[16,17]。

在一定范圍內，水氮互作對植物葉綠素含量會產生水肥耦合效應，但不同植物存在差異。水氮對黃瓜、番茄和桉樹苗木SPAD值存在耦合正效應[10,18,19]，即在同一施氮水平下，增加灌水量對葉綠素含量的提高起到了促進作用；相反地，隨著水分脅迫的加劇，3種氮素水平下的小麥葉片葉綠素含量表現出增大趨勢[20]。對于水稻，以往研究多側重單因子(例如氮素)對葉片SPAD值的影響，而SPAD值及產量對水氮因子交互作用的響應研究較少。此外，施肥定量條件下肥料分配(施肥次數)對水稻葉片SPAD值的影響研究也鮮有報道。本文以鄱陽湖流域贛撫平原灌區典型稻田為研究對象，分析了以水氮互作及施肥次數為關鍵的水肥調控模式對水稻葉片SPAD值及產量的影響，旨在揭示灌溉、施肥與葉綠素相對含量及產量的關系，以期為水稻水肥管理提供科學依據和有效建議。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在位于鄱陽湖流域贛撫平原灌區內的江西省灌溉試驗中心站進行(116°0′E，28°26′N)。贛撫平原灌區位于贛江和撫河下游的三角洲平原地帶，有效灌溉面積6.7 萬hm2，作物以水稻為主，是江西省的糧食主產區。灌區屬亞熱帶季風性氣候，年平均氣溫18.1 ℃，年平均降雨量1 747 mm，年平均蒸發量1 139 mm。試驗站水稻種植區耕作層厚度約20 cm，土壤類型為壤砂土，平均密度1.36 g/cm3，有機質含量17.4 g/kg，全氮1.02 g/kg，全磷0.29 g/kg，速效鉀74.8 mg/kg，pH值6.8。

1.2 試驗設計

本試驗水稻品種為陸兩優996，2013年4月25日插秧，7月12日收割，生育期79 d。

試驗考慮灌溉方式、施氮水平和追肥方式3個因素，設2種灌溉方式：淹水灌溉(W0)、間歇灌溉(W1)，水層控制標準見文獻21；4個施氮水平(尿素，以純N計)：0 kg/hm2(N0)、135 kg/hm2(N1)、180 kg/hm2(N2)、225 kg/hm2(N3)；2種追肥方式：2次施肥(F1)，即插秧前1 d先施50%氮肥作基肥，移栽后10 d再施剩余50%氮肥作分蘗肥。3次施肥(F2)，即插秧前1 d先施50%氮肥作基肥，移栽后10 d再施30%氮肥作分蘗肥，移栽后35～40 d施剩余20%氮肥作穗肥。

經組合，試驗共設14個處理，每個處理重復3次，試驗處理設計見表1。試驗站水稻種植區內設42個標準小區，各小區面積75 m2，采用高30 cm的田埂隔開。水稻種植區四周設有寬1 m的保護行。同一區組內小區隨機排列，區組間用排灌溝分開。

表1 試驗處理設計Tab.1 Design of experimental treatment

各處理磷肥、鉀肥施用標準與當地農民習慣相同，即：磷肥(鈣鎂磷肥，以P2O5計，67.5 kg/hm2)全部用作基肥；鉀肥(氯化鉀，以K2O計，150 kg/hm2)按基肥∶穗肥=9∶11施用。

1.3 測定內容與方法

(1)SPAD值。試驗采用SPAD-502型葉綠素計測定各處理水稻葉片的SPAD值，結果以葉綠素計測定葉片中部的讀數為準。每個小區選定10株長勢均勻的水稻，分別測定分蘗后期(5月22日)、拔節孕穗期(6月4日)的倒1、倒2、倒3完全張開葉，抽穗開花期(6月24日)的倒1、倒2完全張開葉以及乳熟期(7月4日)的劍葉、倒2完全張開葉的SPAD值。各生育期開展試驗時，每層測量10～20片葉，各小區共計測量30～60片葉，其平均值作為該處理在該生育期的SPAD值。

(2)產量。黃熟期水分落干后，各小區選定5 m2作為測產區域，單打單收，測定稻谷重量。將稻谷烘干至恒重，計算其含水率，最后統一折算為13.5%含水率的實收產量。考察各小區實割蔸數、單兜實際產量，最終算出每公頃的理論產量。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2013、SPSS 21.0 Origin 2017進行數據處理、分析和作圖。顯著性差異分析采用配對樣本t檢驗、單因素方差分析、單變量方差分析等統計方法。

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理SPAD值動態變化及產量分析

由圖1和圖2可知，水稻葉片SPAD值(葉綠素相對含量)隨作物生育期的推進表現出先增大后減小的趨勢，且不同水、氮處理呈現相對一致的變化特征。不同水、氮處理下葉片SPAD值大多在水稻抽穗開花期到達峰值，轉而逐漸下降。原因是水稻自孕穗后進入生殖生長階段，氮素供應開始由葉片轉向籽粒，葉片中葉綠素含量隨之下降，葉片逐漸發黃老化，至黃熟期時，氮素供應已主要轉向穗部，SPAD值降至最低。

圖1 2種灌溉模式下水稻葉片SPAD值動態變化Fig.1 Dynamic changes of rice's leaf SPAD values under two irrigation patterns

圖2 不同施氮水平下水稻葉片SPAD值動態變化Fig.2 Dynamic changes of rice's leaf SPAD values under four nitrogen levels

灌溉模式對水稻葉片SPAD值的影響主要體現在生育中后期，水稻孕穗-抽穗以后，淹灌模式下葉片SPAD值顯著大于間歇灌溉模式(P<0.05)。這表明，水稻在營養生長階段，葉綠素的合成對水分的需求不太敏感；進入生殖生長后，充足的水分供應(維持田面一定水層)能促進水稻葉片葉綠素含量的提高。但從產量上看(圖3)，2種灌溉模式下的平均產量基本一致，無顯著性差異。可見，作物產量的形成機制較為復雜，并非由葉綠素含量這一單一因素決定。

施氮量對葉片SPAD值的影響體現在水稻的全生育期。N0處理下水稻的葉片SPAD值顯著低于施氮處理(P<0.01)，氮肥虧缺限制葉綠素合成及葉片光合能力，最終導致稻谷減產(P<0.01)。施氮可顯著提高水稻葉片葉綠素含量，有利于葉片持續性保綠和增產。隨施氮量的增加，葉片SPAD值逐漸增大，各生育期不同施氮量處理間的SPAD值存在顯著差異(P<0.05)，且該差異在生育后期愈發顯著。高氮(N3)處理下水稻在乳熟期呈現“貪青現象”，SPAD值下降不明顯，但N3與N2處理在作物產量上無統計學差異，N2產量均值略大于N3。這表明，氮肥供應對產量的影響存在邊際效應，過量的氮肥供應并不能使作物增產。

結合不同灌溉模式下產量分析來看，水稻葉片的葉綠素含量可能存在一個閾值，當葉綠素含量小于該值時，充足的水、氮供應能提高作物葉綠素含量及其光合能力，促進物質轉化和籽粒積累；過量的水、氮供應使得葉綠素含量大于該值時，作物產量便不再受其限制，甚至會出現負效應。

2.2 追肥方式對SPAD值和產量的影響

三次施肥(F2)方式與二次施肥(F1)方式在基肥階段的氮素施用量和施用時間均一致，故分蘗期前的水稻葉片SPAD值無顯著差異。F2和F1在水稻分蘗期均追肥一次(施分蘗肥)，盡管施用量有所不同，但從SPAD值來看，分蘗肥用量差異對水稻拔節至開花期的葉片SPAD值影響較小。后續有無追肥是影響抽穗開花期以后葉片SPAD值高低的關鍵，多追肥一次的F2方式的水稻葉片SPAD值顯著大于穗期不再施肥的F1方式(圖4)，即本試驗設計的追肥方式對水稻葉片SPAD值的影響在乳熟期達到顯著水平(P<0.05)。圖4表明，F2方式下作物平均產量比F1方式增產約5%。這表明，相同施氮量下，與農民傳統施肥2次相比，通過合理調整追肥方式和次數，在抽穗期增加追肥1次能明顯減緩葉片SPAD值下降的速度，延緩植株衰老，增加作物生長后期光合效率，進而提高作物產量。

圖4 不同追肥方式下水稻SPAD值及產量的對比Fig.4 Comparison of rice's leaf rice SPAD values and yield under different topdressing methods

觀察各灌溉模式、施氮水平和追肥方式下水稻乳熟期SPAD值及其最終產量，當SPAD值小于37時，乳熟期SPAD值的差異將導致較為明顯的產量差異；當SPAD值大于40時，乳熟期維持高SPAD值并不能帶來產量上的大幅提升。因此，為獲得作物高產穩產，對早稻品種“陸兩優996”，應通過水肥調控將乳熟期葉片SPAD值控制在37～40之間。

2.3 水氮耦合對SPAD值及產量的交互效應分析

采用多因素隨機區組的單變量方差分析，結果見表2。灌溉模式、施氮水平以及追肥方式等水肥管理措施對水稻葉片SPAD值，特別是乳熟期葉片SPAD值的影響達到顯著或極顯著程度，但灌溉模式對水稻產量的影響不顯著，施氮量和追肥方式是決定產量高低的主要因素。灌溉模式*施氮量、施氮量*追肥方式、灌溉模式*追肥方式以及灌溉模式*施氮量*追肥方式的交互作用不明顯，施氮量和追肥方式的配合對乳熟期葉片SPAD值影響較顯著。在非水氮虧缺條件下(施氮量自由度為2)，水稻產量的主影響因素是施氮量，其次是追肥方式，水稻產量對氮素的敏感性大于水分。

表3為水稻各生育期葉片SPAD值與產量的相關關系，從Pearson相關性和顯著性分析可以看出，拔節孕穗期和乳熟期的葉片SPAD值與產量存在顯著的正相關關系，特別是在乳熟期，兩者表現為極顯著相關(P<0.01)。這表明提高乳熟期葉片SPAD值是水稻增產的有效手段。在實施水肥調控管理時，可通過監測水稻乳熟期的葉片SPAD值來預測其產量水平，并根據反饋結果實時調整灌溉施肥。

表2 水肥耦合對SPAD值和產量的交互效應分析Tab.2 Interaction of water and fertilizer coupling on SPAD values and yield

注：**、*分別表示影響因素達到0.01、0.05的顯著水平。

表3 水稻各生育期SPAD值與產量的相關關系Tab.3 Correlation between SPAD values and yield in different growth stages of rice

3 結 語

(1)灌溉模式、施氮量和追肥方式均對水稻葉片SPAD值產生顯著影響，但影響階段有所差異。灌溉模式和追肥方式對SPAD值的影響體現在生殖生長階段，施氮量則體現在作物全生育期。

(2)施氮量和追肥方式顯著影響水稻產量，而灌溉模式對產量的影響不顯著。氮肥虧缺會抑制水稻葉片葉綠素合成并導致作物產量低下，施氮則會顯著提高葉片SPAD值和作物產量。隨著施氮量的增加，氮肥對產量的貢獻表現出邊際效應，高氮處理下水稻乳熟期葉片貪青，而產量無提升。相同施氮量下，抽穗期多追肥1次的三次施肥方式能明顯延緩作物生長后期SPAD值的下降，提高作物產量。

(3)灌溉模式、施氮量和追肥方式等田間管理措施之間的交互作用不顯著，施氮是作物產量的主要影響因素，其次是追肥方式。從節水減排增產的角度，最優田間管理措施為W1N2F2(間歇灌溉+180 kg/hm2施氮量+三次施肥方式)。

(4)水稻乳熟期SPAD值與產量呈極顯著相關關系，提高乳熟期葉片葉綠素含量是水稻增產穩產的有效手段。對早稻品種“陸兩優996”，應通過水肥調控將乳熟期葉片SPAD值控制在37～40之間。