长期有机无机肥配施对水稻生长、干物质积累及产量的影响

杨胜玲，黄兴成，2，*，李 渝，2，刘彦伶，2，张雅蓉，2，张 艳，张文安，2，蒋太明

(1.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006； 2.农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州 贵阳 550006； 3.贵州省农业科学院，贵州 贵阳 550006)

水稻作为我国重要粮食作物，保证其生产安全对我国社会经济发展具有重要意义。施肥是影响水稻高产稳产的重要因素之一。科学合理施肥既可培肥土壤，防止土壤退化，又能实现我国化肥减施增效，满足粮食增产提质的需求。化肥过度施用导致了土壤污染、环境恶化、生态系统失衡等问题；有机肥主要应用于培肥改土和作物增产，修复土壤、降低环境破坏、提高肥料利用率。黄壤性水稻土是贵州水稻种植的主要土壤类型，保证水稻的可持续性生产对于黄壤性水稻土地区的粮食生产安全具有不可忽视的重要作用。因此，探究合理的施肥措施，改良土壤、促进植株生长和保证作物的高产稳产，是人们关注的焦点。国内外学者关于长期不同施肥处理，尤其是长期有机无机配施对土壤肥力、温室气体排放、作物产量的影响均进行了相关研究，也对长期有机无机肥配施对水稻生理学特性影响进行了部分研究。通过合理施肥、优化农艺栽培管理，提升水稻的水、肥、气、热等资源利用，是实现水稻高产的重要途径。研究表明，有机无机肥配施对水稻生长及产量的影响效果均优于单施化肥或其他施肥处理。长期有机肥配施化肥有利于改善土壤理化性质，保证土壤养分持续供应，提高肥料利用率；促进水稻分蘖，增长水稻叶面积指数及叶片SPAD值，延长叶片光合作用时间，利于光合物质生产。若有机肥用量过高，则会影响水稻抽穗，提高空瘪率，增加过量叶面积，造成田间群体郁蔽，不利于光合作用的进行。合理的有机肥配施化肥，比单施化肥及单施有机肥促进水稻植株干物质积累和养分向籽粒中转移和分配，提高作物产量，前人研究均表明了化肥配施有机肥是促进作物增产的最佳施肥方式，但最佳的有机无机配施比例存在差异。关于施肥对作物生长及产量的影响研究，多数主要表现在短期试验研究上，所得的结论仍需进一步验证与检验。长期定位试验具有时间上的长期性和气候上的代表性等特点。目前在黄壤性水稻土地区的长期不同施肥及种植制度条件下，探究最佳有机无机肥配施比例对水稻生长特性和干物质积累、转运及分配对产量影响的研究相对较少。本试验以黄壤长期定位监测基地为平台，探明不同比例有机肥配施化肥对水稻干物质及产量的影响，为指导黄壤性水稻土地区水稻合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究依托农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，试验地位于贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院内 (106°39′52″E、26°29′49″N)，地处黔中丘陵区，属亚热带季风气候，平均海拔1 071 m，年均气温15.3 ℃，年均日照时数1 354 h，相对湿度75.5%，全年无霜期270 d，年降水量1 100～1 200 mm。土壤类型为黄壤性水稻土，各小区用水泥埂分隔。1994年采集基础土样，其耕层土壤(0～20 cm)有机质44.9 g·kg，全氮1.96 g·kg，全磷0.95 g·kg，全钾16.4 g·kg，碱解氮159 mg·kg，有效磷13.4 mg·kg，速效钾294 mg·kg，pH值6.75。

1.2 试验设计

该长期定位试验于1994年开始基础设施建设和匀地，1995年开始连续监测试验采用大区对比试验设计，小区面积201 m(35.7 m × 5.6 m)，共14个试验处理，本研究选取其中6个：不施肥对照处理(CK)、常规化肥(NPK)、25%有机肥替代化肥(1/4M+3/4NP)、50%有机肥替代化肥(1/2M+1/2NP)、100%有机肥替代化肥(M)、有机肥化肥配施(MNPK)。试验用化肥为尿素(含N 46.0%)、普通过磷酸钙(含PO12.0%)和氯化钾(含KO 60.0%)，有机肥为牛厩肥(鲜基，N 2.7 g·kg、PO1.3 g·kg、KO 6.0 g·kg)。除MNPK处理外，各施氮小区的氮素施用量相同，有机肥作基肥，化学氮肥按返青肥(40%)∶分蘖肥(60%)的比例分2次追施。各处理养分来源及施用量如表1所示。

表1 1995—2019年不同处理年均肥料施用量

本研究中种植的水稻品种为茂优601，栽培方式为人工移栽，种植密度为2.0×10穴·hm，每穴2株苗，基本苗数为4.0×10株·hm。2020年4月18日育秧，5月26日移栽，9月10日收割。试验过程中不使用除草剂和杀虫剂等化学农药，所有处理除施肥差异外，其他田间管理均一致。2019年水稻收获后各处理土壤基本化学性质见表2。

表2 试验前土壤理化性质

由于长期定位试验小区面积较大未设置重复，本研究将试验地沿长边划分为三等分，设置3个调查取样重复小区。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 水稻茎蘖动态的测定

于2020年水稻移栽之日起，各重复小区选取长势均匀的10穴水稻，每隔7 d对水稻茎蘖生长进行跟踪调查，直至水稻分蘖动态趋于稳定。

1.3.2 水稻干物质、叶面积及叶片SPAD的测定

于2020年水稻的苗期、分蘖期、孕穗期、开花期、成熟期对各个重复小区选取3穴代表性水稻植株，带回室内清水洗净，苗期、分蘖期、孕穗期按茎、叶分别装袋；开花期、成熟期分别按茎、叶、籽粒三部位装袋，于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，测定各部位干物质量。测量植株每一片叶子的单叶叶面积，根据长宽系数法(单叶叶面积=长×宽×校正系数)，计算叶面积指数。采用SPAD-502型叶绿素测定仪测定植株上三叶的上部、中部和下部3个点SPAD值，取其平均值，苗期、分蘖期、孕穗期测定主茎顶部倒二及倒三完全展开叶；开花期、成熟期测定主茎倒一至倒三完全展开叶。

1.3.3 水稻产量、产量因子的测定

于2020年水稻收获期，各重复小区选取具有代表性的10穴水稻，收获后风干考种，测定其有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重。

1.4 计算公式

水稻成穗率(%)=有效穗数/最高茎蘖数×100；

花前干物质积累量 (kg·hm) =开花期干物质积累量；

花后干物质积累量 (kg·hm) =成熟期干物质积累量-开花期干物质积累量；

花前干物质积累率(%) =开花期干物质积累量/成熟期干物质积累量×100；

花后干物质积累率(%) =花后干物质积累量/成熟期干物质积累量×100；

营养器官干物质转运量(kg·hm) =开花期干物质积累量-成熟期营养器官干物质积累量；

营养器官干物质转运率(%) =干物质转运量/开花期干物质积累量×100；

干物质转运量对籽粒贡献率(%) =营养器官干物质转运量/成熟期籽粒干重×100；

花后干物质积累量对籽粒贡献率 (%) =花后干物质积累量/成熟期籽粒干重×100。

1.5 数据分析

数据采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS 23.0软件进行统计分析(<0.05)。

2 结果与分析

2.1 长期有机无机肥配施比例对水稻茎蘖动态的影响

如图1所示，与CK处理相比，施用有机肥各处理显著促进水稻分蘖。在水稻的全生育期内，各处理水稻茎蘖动态表现为先增后降，最后趋于稳定的总体波动趋势，移栽后23～34 d，水稻进入快速分蘖期，水稻茎蘖数达到峰值后，后期茎蘖数减少。在移栽后20～60 d，相对于NPK处理，有机无机配施处理下，其分蘖曲线相对更平缓，变化趋势较稳定，茎蘖群落更偏向缓发育迟衰退，茎蘖质量更高。如图2所示，与NPK处理相比，施用有机肥各处理均提高了水稻成穗率，1/4M+3/4NP处理提高幅度最大，为7.38百分点；M处理提高幅度最小，为1.33百分点，1/4M+3/4NP和MNPK处理与NPK处理差异达显著水平。

图1 不同生育时期水稻茎蘖动态Fig.1 Dynamics of rice stems and tillers in different growth periods

柱状图上无相同小写字母的表示各处理间差异显著(P<0.05)，下同。The bars with different lowercase letters represented statistically significant differences (P<0.05) among treatments. The same as below.图2 不同施肥处理下水稻成穗率Fig.2 Productive tiller percentage of rice under different fertilization treatments

2.2 长期有机无机肥配施比例对水稻叶片SPAD值及叶面积指数的影响

各处理在不同生育期叶片SPAD值差异显著(图3)，在水稻生长前期，变化趋势较为平缓，在成熟期各施肥处理叶片SPAD值明显降低。从水稻苗期至孕穗期，均以MNPK处理叶片SPAD值最高，其次为1/4M+3/4NP处理；开花期以1/4M+3/4NP处理最高，比CK处理提高了17.64%。各施肥处理水稻叶面积指数总体呈现出先增后降的趋势(图4)，在孕穗期达到最大值，其大小顺序表现为1/4M+3/4NP>MNPK>NPK>1/2M+1/2NP>M>CK，处理间差异显著。

图3 不同生育期水稻SPAD值Fig.3 SPAD values of rice at different growth stages

图4 不同生育时期水稻叶面积指数Fig.4 Leaf area index of rice at different growth stages

2.3 长期有机无机肥配施比例对水稻干物质积累、转运及分配的影响

各施肥处理下水稻地上部干物质积累呈不断增长的趋势(图5)，并在移栽后105 d(成熟期)达到最大值。水稻成熟期地上部干物质积累量大小顺序表现为MNPK>1/4M+3/4NP>1/2M+1/2NP>NPK>M>CK，与NPK处理相比，有机无机肥配施显著促进水稻干物质积累，MNPK和1/4M+3/4NP处理分别比NPK处理提高了22.94%、8.62%。水稻苗期、分蘖期、孕穗期、开花期、成熟期的干物质积累量分别为133～328kg·hm、577～1 995 kg·hm、2 192～8 640 kg·hm、5 362～12 793 kg·hm、6 841～17 001 kg·hm。

图5 水稻地上部总干物质积累情况Fig.5 Total dry matter accumulation in aboveground parts of rice

由表3可知，各处理的花前干物质积累量及积累率均大于花后干物质积累量及积累率，从对籽粒的贡献率来看，各处理营养器官转运量对籽粒贡献率小于花后干物质积累量对籽粒贡献率，与CK或NPK处理花后积累量对籽粒贡献率(50.17%～53.87%)比较，施用有机肥的各处理(1/4M+3/4NP、1/2M+1/2NP、M、MNPK)花后积累量对籽粒的贡献率(55.35%～65.40%)较高。综上，各处理花前干物质转运量对籽粒贡献率均低于花后干物质积累量对籽粒贡献率，施用有机肥处理有利于促进水稻花后干物质转移，处理间差异达显著水平。

表3 水稻干物质积累及转运情况

各处理营养器官物质比例均在苗期达到最大值，随着生育进程的不断推进呈不断降低的趋势，成熟期时降至最低(图6)。成熟期中，施用有机肥的各处理(1/4M+3/4NP、1/2M+1/2NP、M、MNPK)籽粒占比为65.66%～68.35%，均高于CK和NPK处理(61.08%～61.72%)。

图6 不同生育期水稻茎、叶、穗占植株地上部总干物质重的比例Fig.6 Proportion of stem， leaf and panicle in total dry matter weight of aboveground part of rice at different growth stages

2.4 长期有机无机肥配施对水稻产量及其构成因子的影响

与CK处理相比，施用有机肥的各处理改善了水稻各个产量构成因子(表4)，MNPK、1/4M+3/4NP处理分别较NPK处理有效穗数增加了18.50%、14.17%，产量增加了12.42%、2.04%。通过相关性分析可看出(表5)，在水稻各产量构成因子中，有效穗数与产量呈极显著正相关；千粒重、穗粒数与产量呈正相关，但相关性不显著。从水稻整个生育时期的农艺性状来看，水稻的分蘖、干物质、SPAD、叶面积指数等与水稻有效穗数均呈极显著正相关，各生长性状之间、各生长性状与产量均呈显著或极显著正相关，说明水稻的正常生长，对产量的形成至关重要。

表4 水稻产量构成因子差异性分析

表5 水稻产量构成因子及农艺性状相关性分析

3 讨论

3.1 长期有机无机肥配施比例对水稻农艺性状及干物质积累、转运的影响

在本研究中，较单施化肥处理，有机无机肥配施对土壤有机质、有效磷、碱解氮、速效钾等养分含量均有提升。有机无机肥配施处理下，改善水稻分蘖数、叶面积指数、叶片SPAD值等农艺性状，提高叶片光合特性及有关酶的活性，进而增加产量。有机肥配施化肥较单施化肥提高了水稻茎蘖质量，减少了无效分蘖，这可能是单施化肥处理的土壤初始肥力低于有机无机配施处理，初始养分供应相对较低有关。叶片SPAD在水稻苗期至开花期，保持在较高的水平，在成熟期降低，整个生育期中，有机无机肥配施各处理叶片SPAD值、叶面积指数均高于CK处理，这可能是有机无机肥配施改善了土壤理化性质，利于植株的生长发育及群体生长，进而增加了水稻群体叶面积指数，提升叶片物质生产能力，满足籽粒灌浆的物质需求，促进作物增产。

作物干物质的积累是其产量及品质形成的物质基础，水稻籽粒灌浆充实度与干物质积累、分配、转运之间的合理协调密切相关。作物在开花期至成熟期营养器官的贮藏物质是花后籽粒营养的重要来源。在本研究中，与CK处理相比，水稻的各个主要生育时期，均以有机无机肥配施各处理的干物质积累量较高，并且在生育后期，各处理间差异更加显著，其中以MNPK和1/4M+3/4NP处理较大幅度地提高了水稻干物质积累量和水稻产量。这与前人研究结果基本一致。各处理的花后干物质积累量对籽粒贡献率显著高于干物质转运量对籽粒贡献率，MNPK和1/4M+3/4NP处理明显促进花后干物质的积累及其向籽粒的转运，且花前干物质积累量也较高。有机无机肥配施增加了土壤有机质等养分含量，提升土壤供肥能力，养分释放动态与作物营养特性一致，有利于作物对养分的均衡吸收，避免前期旺长和后期早衰，促进植株体内的干物质积累。

籽粒灌浆期，物质转移越多，速率越大，分配到穗部比例越大，则产量越高。本研究结果表明，在水稻的各主要生育时期，有机无机肥配施中，主要以MNPK和1/4M+3/4NP处理更加显著改善了水稻茎、叶、穗占地上部干物质的比例，协调各器官干物质配比，增加穗部干重的比例，从而有利于提高水稻产量。其原因可能是，有机无机肥配施改善了土壤理化性质，培肥地力，优化水稻农艺性状，调节水稻个体与群体之间的关系，构建良好的群体生态体系，植株营养器官干物质输出率高，其干物质质量占总干物质质量的比例越小，穗部物质比例就越大，为水稻高产奠定了最佳的物质分配比例。

3.2 长期有机无机肥配施比例对水稻产量构成因子及产量的影响

水稻各产量构成因子之间是相互联系、相互制约和相互补充的，当单位面积有效穗数过大时，每穗粒数、结实率及千粒重有可能降低；若有效穗数较低时，则对产量提升无利。本研究以有效穗数对产量的影响最大，这与前人研究结果一致。有机无机肥配施的MNPK处理的有效穗数最高，对应的产量也最高，其次是1/4M+3/4NP处理。这与前人研究结果类似。因此，产量的增加主要是由于有效穗数的增加。

根据表5，水稻茎蘖数、干物质积累、SPAD、叶面积指数、产量与水稻有效穗数均呈极显著正相关，相关系数分别为0.980、0.939、0.933、0.918、0.937；与千粒重和穗粒数均呈正相关关系，侧面说明有机无机肥配施可通过改善水稻各农艺性状，进而优化水稻有效穗数、千粒重和穗粒数等产量构成因子，达到水稻增产目的。这与前人研究结果类似。有机无机肥配施条件下，充分发挥了速效养分和缓效养分二者的优势，符合水稻分蘖特性，增加有效穗数，提高其成穗率、单穗粒重，避免过多无效分蘖，造成水肥利用不足的现象，合理调整水稻穗、粒结构，保证有效穗数、穗粒数、结实率及千粒重等产量构成因子协调增长；水稻分蘖增加的同时，也增加了群体叶面积指数及叶片SPAD值，促进光合作用的进行，籽粒灌浆物质80%～90%来自于花后光合产物的供给，植株光合作用为水稻干物质的积累、转运及分配创造基础物质条件，保证籽粒灌浆物质的有效供给，促进干物质的穗部转移，提高成穗率和千粒重，干物质积累、转运受阻，则籽粒灌浆不充实，导致籽粒瘪粒增多，穗粒重下降，结实率不高。

4 结论

合理的有机肥替代化肥比例，能够增加水稻茎蘖数，提高成穗率，提高水稻花后干物质积累量，并促进花后干物质对穗部的转移，增加干物质积累量对籽粒贡献率，增加水稻产量。本研究条件下，以有机肥替代25%化肥最佳。