2021, Vol. 40
2. 南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室, 南京 210044;
3. 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 河北 廊坊 065000
2. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;
3. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang 065000, China
水稻是我国主要粮食作物，种植面积达到2 969.4万hm2，占谷物种植总面积的30.35%，产量达到20 961.4万t，占谷物总产量的34.16%[1]。因此，保障水稻生产持续稳定对国家粮食安全意义重大。气候变化导致太阳辐射减少，阴雨寡照及霾天气发生频率增多[2]，我国东部地区太阳辐射也呈减弱趋势[3]。太阳辐射减弱影响水稻生长、生理、产量和品质等方面。大多数研究认为，光照不足会降低水稻株高、分蘖数、叶面积指数，提高叶绿素含量[4-7]，也有研究认为，遮光网模拟弱光条件下水稻株高增加，叶面积指数呈现先增后减的趋势[8-10]。大多数研究发现，采用遮阳网进行遮阴处理可降低水稻净光合速率，减少植株干物质积累，影响水稻产量及品质[11-13]。可见，遮阴显著影响水稻生长及光合作用，但结果不一致，这可能与所用遮阴材料、遮阴强度和持续时间、试验环境条件等有关[4]。
施肥对水稻植株生长、生理、产量和品质有重要影响。大多数研究认为，施用氮磷钾肥可有效促进水稻生长发育，增强水稻植株光合能力，增加产量，改善稻米品质[14-15]。施用硅肥可促进水稻植株对氮磷钾元素的吸收利用，有效增加分蘖数、叶面积指数和叶绿素含量，提高净光合速率[16-18]。
关于遮阴和施肥对水稻生产的影响研究已有报道，但大多基于单一因素或某个生育期，而对不同生育期遮阴、肥料种类和施肥量多因素对水稻生产的耦合影响关注较少。本研究通过大田模拟试验，探讨了遮阴、肥料种类和施肥量对水稻生长及光合生理特性的影响，为区域水稻可持续生产及应对气候变化提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况田间试验在南京信息工程大学农业气象试验站（32.0°N，118.8°E）进行，试验时间于2019年6月开始，结束于同年10月。试验站位于亚热带湿润气候区，年均气温15.6 ℃，降水量1 100 mm。试验田土壤质地为壤质黏土（黏粒含量26.1 g·kg-1），土壤类型为潴育型水稻土，土属为灰马肝土，呈弱酸性，pH为6.2（土水比1∶1）。土壤中有机碳、全氮、有效磷、速效钾含量分别为19.4、1.45 g·kg-1、16.2 mg·kg-1和112.6 mg·kg-1。供试复合肥为高浓度氮磷钾肥（N-P2O5-K2O，俄罗斯产），供试硅肥选用含有效硅（SiO2）14.21%、铁氧化物（Fe2O3）22.89%的钢渣粉，呈弱碱性，pH 8.09（土水比1∶10）。试验水稻选用南粳5055，该水稻品种适宜在江苏沿江及苏南地区种植，其特点为株高适中、抗倒伏性强。
1.2 试验设计试验采用3因素3水平正交试验设计。因素A为遮阴，设3水平：不遮阴（S0，遮阴率0）、开花-成熟期遮阴（S1，遮阴率64%）和分蘖-成熟期遮阴（S2，遮阴率64%）；因素B为施复合肥（N-P2O5-K2O），设3水平：100（F1）、200 kg·hm-2（F2）和300 kg·hm-2（F3）；因素C为施硅肥，设3水平：不施硅（R0）、钢渣200 kg· hm-2（R1）和钢渣400 kg×hm-2（R2）。遮阴处理采用普通黑色遮阳网覆盖植株冠层，遮阳网与冠层间距离保持0.3 m以上，并随水稻生长及时调整，始终保持冠层通风良好。本次试验设9个处理，每个处理小区面积2 m×2 m=4 m2，按照L9（34）正交表安排处理（表 1）。
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表 1 正交试验设计方案（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，株行距为20 cm×20 cm。育苗移栽前对大田进行耕作整地，育苗前1 d进行施肥。根据不同施肥处理，每小区将复合肥（N-P2O5-K2O）和硅肥（钢渣）作为基肥施入。在水稻生长期内合理灌溉，水层约为10 cm。2019年7月27日至8月12日晒田，晒田结束后灌溉复水，10月4日停止灌溉直至收获。大田病虫害防治根据实际情况处理。
1.3 测定项目及方法在水稻分蘖期、拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期和成熟期，分别测定植株生长及生理指标，测定时间为上午9：00—11：00。
1.3.1 分蘖数及株高分别在水稻生长前期记录其分蘖数，全生育期记录株高，每个处理小区测定3组，并以3组平均值作为最终测定值。
1.3.2 叶面积指数（LAI）采用手持叶面积仪（LAI-2000）测定，以3次测量的平均值作为该生育期最终测定值。
1.3.3 叶绿素含量（SPAD）采用叶绿素仪（SPAD-502）测定叶绿素含量，每小区选取3片剑叶，分别测定叶片上、中、下3个部位，取其平均数作为该叶片的SPAD值，3组叶片平均值作为最终测定值。
1.3.4 光合参数采用便携式光合作用仪（Li-6400，美国）测定各生育期水稻叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）及胞间CO2浓度（Ci）等，每小区选取3片剑叶，选择晴天时测定，以平均值作为最终数值。
1.3.5 产量水稻成熟期，选取各小区中心区域0.25 m2作为考种样区，剪下该样区内稻穗并进行脱谷，记录下各小区产量。
1.4 数据处理及分析采用Microsoft Excel 2016处理试验观测数据及编制计算表格进行极差分析，用SPSS 21.0统计分析软件进行正交试验方差分析。
2 结果与分析 2.1 不同遮阴及施肥对水稻生长的影响 2.1.1 株高方差分析结果（表 2）表明，遮阴在孕穗期、灌浆期对株高有显著影响（P < 0.05），开花期对株高有极显著影响（P < 0.01）。施用复合肥在开花期对株高有显著影响（P < 0.05），施用硅肥在开花期对株高有极显著影响（P < 0.01）。极差分析结果（表 3）表明，3因素对株高的影响依次为：遮阴>施用复合肥>施用硅肥。S0条件下株高最高，S2条件下株高最小。与F1相比，F2和F3分别增加了1.23%和2.53%，与R0相比，R1降低1.26%，R2增加0.50%。S0F3R2处理组株高均值最高（图 1）。
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表 2 水稻各生育期生长指标方差分析（F值） Table 2 Variance analysis of growth indexes in different growth periods of rice(F value) |
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表 3 水稻全生育期生长指标均值极差分析 Table 3 Range analysis of the average growth indexes in the whole growth period of rice |
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图 1 生长指标因素水平均值趋势图 Figure 1 Factors level trend diagram of growth indexes |
可见，遮阴处理在多个关键生育期影响水稻株高，而施复合肥和施硅肥仅在开花期显著影响株高，且随着施肥量的增加株高增加明显，但并不能显著改善S2对水稻株高的影响，可在一定程度上缓解S1对株高的影响。
2.1.2 分蘖数方差分析结果（表 2）显示，遮阴、施复合肥和施用硅肥对分蘖数无显著影响（P>0.05）。极差分析结果（表 3）表明，3因素对分蘖数的影响依次为：遮阴>施用硅肥>施用复合肥。S1处理下分蘖数最大，S2处理下分蘖数最小。与F1相比，F2和F3分别增加0.61%和8.86%，与R0相比，R1降低4.77%，R2增加13.77%，S1F3R2处理显著增加水稻分蘖数（图 1）。
可见，施复合肥F3和施硅肥R2可增加水稻分蘖数，由于S1遮阴处理时期为开花-分蘖期，此时遮阴对分蘖几乎无影响，因此，S1F3R2处理分蘖数增加可能的原因在于处理中所施用的复合肥和硅肥。
2.1.3 叶面积指数（LAI）方差分析结果（表 2）表明，遮阴在水稻分蘖期、孕穗期对LAI有显著影响（P < 0.05），在成熟期对LAI有极显著影响（P < 0.01）。复合肥对水稻叶片LAI无显著影响（P>0.05），硅肥在成熟期对LAI具有极显著影响（P < 0.01）。极差分析结果（表 3）表明，3因素对全生育期LAI的影响程度依次为：遮阴>施用复合肥>施用硅肥。与S0的LAI相比，S1和S2分别降低20.52%和43.32%，与F1的LAI相比，F2降低9.08%，F3增加12.43%，与R0的LAI相比，R1和R2分别增加1.42%和7.54%。最适处理组为S0F3R2（图 1）。
可见，LAI随着施肥量的增加而变大，遮阴在水稻生长前期和末期对LAI有显著影响。因此S2条件下LAI降幅较大，该处理下施肥并不能缓解LAI的降低。
2.1.4 叶片叶绿素相对含量（SPAD值）方差分析结果（表 2）显示，遮阴在分蘖期对SPAD有极显著影响（P < 0.01），施用复合肥在拔节期对SPAD有显著影响（P < 0.05），施用硅肥对SPAD值无显著影响（P>0.05）。极差分析结果（表 3）表明，3因素对SPAD的影响程度依次为：施用复合肥>施用硅肥>遮阴，其中S2处理下SPAD值最高，与F1相比，F2和F3分别增加6.25%和10.67%，与R0相比，R1和R2分别降低5.08%和9.43%，S2F3R0为最适处理（图 1）。
遮阴处理下（64%），水稻叶片SPAD随着遮阴时间延长而增加，原因在于遮阴下叶片光照不足，光合能力减弱，一定程度上延缓了叶片衰老，从而使SPAD值较高。氮素水平与SPAD值呈正相关，因此，SPAD值随复合肥施用量增加而增加。随着施硅肥量的增加SPAD值降低，施用硅肥不能显著提高SPAD值。
2.2 不同遮阴及施肥对水稻生理特性的影响 2.2.1 净光合速率（Pn）方差分析结果（表 4）表明，遮阴在拔节期、开花期对Pn有极显著影响（P < 0.01）；施用复合肥在拔节期对Pn产生极显著影响（P < 0.01），在开花期对Pn有显著影响（P < 0.05）；施用硅肥在拔节期和开花期对Pn有显著影响（P < 0.05）。极差分析结果（表 5）表明，3因素对Pn的影响程度为：施用硅肥>施用复合肥>遮阴。S1条件下Pn值最大，S2条件下Pn值最小。与F1相比，F2和F3分别增加5.28%和13.33%，与R0相比，R1和R2分别增加12.75%和16.02%，S1F3R2为最适处理组（图 2）。
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表 4 水稻各生育期光合参数方差分析（F值） Table 4 Variance analysis of photosynthetic parameters in different growth periods of rice(F value) |
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表 5 水稻全生育期光合参数均值极差分析 Table 5 Range analysis of the average photosynthetic parameters in the whole growth period of rice |
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图 2 光合参数因素水平均值趋势图 Figure 2 Factors level trend diagram of photosynthetic parameters |
Pn随复合肥、硅肥的施用量增加而增大，说明施用复合肥和硅肥在一定程度上增强水稻叶片的光合能力。S2处理降低Pn值，而S1处理下Pn值增加，说明开花-灌浆时期，外界环境温度较高时，适度遮阴反而能够优化光合条件，增强水稻生长活力。
2.2.2 气孔导度（Gs）方差分析结果（表 4）显示，遮阴在孕穗期对Gs有显著影响（P < 0.05），施用复合肥和施用硅肥在各生育期对Gs均无显著影响（P>0.05）。极差分析结果（表 5）表明，3因素对Gs的影响程度为：遮阴>施用复合肥>施用硅肥。S2条件下Gs值最低，与F1相比，F2和F3分别降低2.44%和12.20%，与R0相比，R1和R2分别增加8.11%和5.41%。S1F1R1为最适处理（图 2）。
S2处理下Gs降低明显，而S1处理对Gs影响较小，可见光照不足主要在水稻生长前期对Gs影响较大。
2.2.3 胞间CO2浓度（Ci）方差分析结果（表 4）显示，遮阴在孕穗期对Ci有显著影响（P < 0.05），施用复合肥和施用硅肥在各生育期均无显著影响（P>0.05）。极差分析结果（表 5）表明，3因素对Ci的影响程度为：遮阴>施用复合肥>施用硅肥。S0条件下Ci最高，S2条件下Ci最低。与F1相比，F2和F3分别降低了3.41%和4.51%，与R0相比，R1和R2分别降低0.38%和6.35%。S0F1R0为最适处理（图 2）。Ci随着遮阴时间延长而降低，同时随施肥量增加而降低，施用复合肥和硅肥并不能改善遮阴对Ci的影响。
2.2.4 蒸腾速率（Tr）方差分析结果表明（表 4），遮阴、施用复合肥和施用硅肥在各个生育期对Tr均无显著影响（P>0.05）。极差分析结果显示（表 5），3因素对Tr影响程度为，施用硅肥>遮阴>施用复合肥。S1条件下Tr最高，与F1相比，F2和F3分别增加2.57%和1.88%，与R0相比，R1和R2分别增加8.81%和11.15%，S1F2R2为最适处理组（图 2）。S1遮阴处理下Pn、Gs增加，因此Tr最大，可见，S1遮阴处理利于植株进行光合作用。
2.3 不同遮阴及施肥对水稻产量的影响方差分析结果（表 6）表明，遮阴、施复合肥和施硅肥对产量均无显著影响。极差分析结果（表 7）显示，3因素对产量的影响依次为：遮阴>施硅肥>施复合肥，与S0相比，S1、S2遮阴条件下产量分别降低44.02%和54.29%，与R0相比，R1、R2处理下产量分别增加27.15%和13.97%，施复合肥处理下水稻产量相差较小。S0F1R1为最适处理组，S1处理下施用复合肥F1和硅肥R1增产效果明显（表 7），S2处理下施用复合肥F3和施硅肥R2增产效果明显（图 3）。说明不遮阴、开花-成熟期遮阴处理下少量配施复合肥和硅肥对水稻产量形成较为有利，全生育期遮阴处理下配施较多复合肥和硅肥可增产。
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表 6 水稻产量方差分析（F值） Table 6 Variance analysis of rice yield(F value) |
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表 7 水稻产量极差分析 Table 7 Range analysis of the rice yield |
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图 3 产量因素水平均值趋势图 Figure 3 Factors level trend diagram of yield |
光照影响植物外部形态变化[19]。本研究中，遮阴抑制水稻株高和LAI，随着遮阴时间增长抑制加强，但也有研究认为，遮阴使水稻株高和LAI增加[11]，这与本研究结果相悖，原因在于光照强度变化显著影响叶片生长，但不同品种对弱光反应不同[20]，弱光胁迫不利于本试验供试水稻品种株高增加；此外，遮阴程度及时间对结果也有较大影响[21]，本研究遮阴率达64%，遮阴时间从水稻营养生长期持续到生殖生长期，因此对水稻生长影响更大。本研究中，分蘖-成熟期遮阴（遮阴率64%）条件下，水稻分蘖数明显降低，且施肥处理并未显著改善这一现象，原因在于全生育期遮阴作用于水稻营养生长关键时期，对水稻形态发育影响较大[22]。光照与水稻叶绿素含量密切相关，但遮阴对叶绿素含量的影响结果不一致[23-24]。本研究中，开花-成熟期遮阴与对照（不遮阴）相比SPAD值降低，但分蘖-成熟期遮阴SPAD值增加。可见，SPAD值增减与遮阴程度有关[4]，遮阴持续时间长，叶片衰老速度慢，叶片颜色较深，叶绿素含量较高。尽管分蘖-成熟期遮阴条件下SPAD值增加，但Pn降低也最多，因此，光合能力并未增强。本研究发现，施硅肥对SPAD值无显著影响，这与前人研究结果一致[25]，施用复合肥可增加水稻SPAD值，且随着施肥量增加，SPAD值明显增加，这是由于氮素营养与叶绿素含量显著正相关[24]，施加复合肥可显著提高氮素水平，从而增加SPAD值。
光照条件的改变可显著影响植物叶片光合作用以及植株对营养物质的吸收分配过程，进而影响作物产量及品质[26-28]。本研究中，与不遮阴相比，分蘖-成熟期遮阴降低Pn和Gs，而开花-成熟期遮阴提高Pn、Gs和Tr。原因在于全生育期遮阴影响水稻营养生长和生殖生长，稻株长期光照不足，不利于光合作用[29]，因此Pn降低，而Gs的功能在于保证光合碳同化能力，且最小化水分散失，其与光合速率通常表现为显著正相关[30]，随着Pn的降低也表现为减小的趋势；此外，水稻开花-成熟期处于夏季高温期，遮阴处理降低冠层温度，优化光合条件，使叶绿体中的类囊体形成密集捕获光能的结构，增强光能在类囊体的传输能力[22]，从而提高了Pn、Gs和Tr。本研究发现施用复合肥和施用硅肥均能增加Pn和Tr，施用硅肥可增加Gs，表明遮阴处理下，施加适量复合肥和硅肥可改善稻株光合性状，一定程度上缓解遮阴带来的不利影响。本研究中，遮阴、施用复合肥（与F1相比）和施用硅肥均会降低Ci。这是由于Ci大小取决于周围空气CO2浓度、叶片气孔导度、叶肉导度和叶肉细胞光合活性，受环境影响较大[31]。
本研究发现，遮阴、施用复合肥和硅肥对水稻生长及生理特性有显著影响，分蘖-成熟期遮阴对水稻生长及生理特性影响较大，该处理下产量降幅更大，而施复合肥和硅肥可使产量增加。开花-成熟期遮阴处理下少量配施复合肥和硅肥利于产量形成，这是由于配施硅肥能促进稻株对复合肥中氮磷钾元素的吸收利用[17]，提高复合肥利用率，从而促进产量形成。全生育期遮阴处理下则需要配施较多复合肥和硅肥，可适当缓解遮阴对产量的影响。
综上，本研究发现，施用适量复合肥和硅肥可改善遮阴对水稻生长发育及产量形成的不利影响，开花-成熟期遮阴（遮阴率64%）处理下改善效果较好。因此，施肥在一定程度上可缓解太阳辐射减弱对水稻生长及光合生理的不利影响，保持较高产量。
4 结论（1）遮阴在水稻关键生育期显著影响株高、LAI、SPAD值、Pn、Gs和Ci。分蘖-成熟期遮阴（遮阴率64%）降低株高、分蘖数、LAI、Pn、Gs和Ci，提高SPAD值；开花-成熟期遮阴（遮阴率64%）提高Pn、Gs和Tr。
（2）施用复合肥可提高水稻株高、分蘖数、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、分蘖数、LAI、Pn和Tr均随施肥量的增加而增加，遮阴处理下（遮阴率64%）施复合肥和硅肥可保证产量。
（3）综合平衡法结果显示，影响水稻生长及生理特性的因素依次为：遮阴>施复合肥>施硅肥。太阳辐射减弱背景下，施用复合肥300 kg·hm-2和钢渣硅肥400 kg·hm-2可促进水稻生长发育，保证较高产量。未来将进一步研究施肥种类和施肥量在太阳辐射减弱条件下对水稻生产的影响。
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