苏雨婷 袁 帅 李永松 崔 璨 陈平平 王晓玉 易镇邪
（湖南农业大学农学院/南方粮油作物协同创新中心，410128，湖南长沙）
水稻是我国最重要的粮食作物之一，其高产稳产对国家粮食安全意义重大。倒伏是水稻高产、稳产和优质生产的主要限制因素之一。前人研究[1-4]表明，氮肥的不合理施用是引起水稻倒伏的重要原因；
水稻茎秆的抗倒伏能力与节间长度、茎粗、茎壁厚度、茎重、茎秆充实度和重心高度等形态性状，大维管束、小维管束数目和面积等茎秆解剖结构，以及抗折力、弯曲力矩和机械强度等力学特性密切相关[1,3,5-12]。茎秆中的木质素、纤维素、可溶性糖、淀粉、硅、钾和钙等化学成分含量对水稻茎秆抗倒伏能力也有影响[13-17]。
前人[1-3,7,13,18]对氮肥施用量与倒伏的关系进行了大量研究，发现随着施氮量的增加，水稻倒伏指数增大，其原因是增施氮肥使茎秆基部节间长度增长，茎粗、茎壁厚度和茎秆中的淀粉、纤维素、木质素含量降低，茎秆抗折力降低。前人针对氮肥运筹与黑龙江寒地水稻倒伏的关系也进行了一些研究，陈书强等[19]认为增加水稻生育后期穗粒肥施用比例可提高茎秆抗折力，苏东行等[20]发现随着基蘖肥施用量的增加，水稻茎秆抗折力呈先增大后减小的变化趋势。
总体来看，目前关于氮肥对水稻抗倒伏能力影响的研究大多着眼于施氮量，而从水稻各生育时期氮肥分配比例开展的研究较少。湘南稻区是湖南省乃至全国重要的双季稻产区，但近年来该地区双季稻产量徘徊不前，生产上时有倒伏现象发生。为此，很有必要针对湘南双季稻区，开展氮肥运筹对双季稻产量构成因素与抗倒伏特性的系统研究。本试验以杂交籼稻为材料，在湖南省衡阳县设置不同的氮肥运筹方式处理，进行了2年大田试验，从倒伏指数、茎秆物理特性和节间力学性状等角度系统分析了不同氮肥运筹方式对湘南双季稻抗倒伏能力的影响及其机理，为湘南双季稻抗倒高产栽培调控提供依据。
1.1 试验材料及试验地概况
早稻品种为陆两优996和株两优819，晚稻品种为H优518和盛泰优018。大田试验于2019-2020年在湖南省衡阳市衡阳县西渡镇梅花村进行。试验田土壤主要理化性状为pH 6.22，有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为 25.20、1.50、0.64、19.30g/kg，碱解氮、有效磷、有效钾含量分别为162.30、9.60、102.43mg/kg。
1.2 试验设计
以尿素（含N 46%）作为氮源，施纯氮150kg/hm2，分3次施入，第1次为基蘖肥（返青后施用），第2次为穗肥（插秧后35d施用），第3次为粒肥（齐穗期施用）。设计3种氮肥运筹方式，基蘖肥:穗肥:粒肥分别为 7:2:1（N1）、6:3:1（N2）和5:4:1（N3）。采用随机区组设计，3个处理，重复3次，小区面积20m2。于3月20日左右播种早稻品种，4月20日左右移栽；
于6月15日左右播种晚稻品种，7月15日左右移栽。人工插秧栽培，早稻行株距为20.0cm×16.5cm，晚稻为20cm×20cm。各处理磷肥与钾肥施用量一致，全部作基蘖肥施用，施用量为：P2O575kg/hm2，K2O 120kg/hm2。其他管理按当地高产习惯进行。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 产量及其构成因素 理论产量：成熟期每小区数取80穴有效穗数，以平均数作为各小区单穴有效穗数；
按单穴有效穗数每小区取5穴水稻，带回室内考察每穗总粒数、每穗实粒数、结实率和千粒重，计算理论产量。实际测产：成熟期每小区收割水稻80穴，脱粒后去除稻草及空粒，称量谷重，用烘干法测含水率，折算含水量为13.5%的实际产量。
1.3.2 抗倒伏性状 齐穗后25d，根据单穴有效穗数每小区选取水稻5穴，在各穴中选取中等茎2个，共计10个单茎，测定以下抗倒伏性状指标。
株高：测量地表到穗部顶端的长度。
茎粗：茎秆折断后用刀将茎秆齐泥切下，用游标卡尺测定茎基部5cm高处的茎粗，如茎基5cm处为茎节，以上部节间的茎粗为准，茎粗包括长轴直径和短轴直径。
节间长度：分别测定倒3节间和倒4节间长度。
茎壁厚度：测定茎基部5cm高处的茎壁厚度，把节间从中部剪断，用游标卡尺测量，当卡尺与内壁外壁接触时的读数为茎壁百度。
重心高度：将茎秆剪去地下部分后置于一个支点，左右方向移动茎秆，使其保持水平，支点到茎基部的长度为重心高度。
节间充实度=节间干重/节间长度。
单茎鲜重：用天平称量单茎鲜重。
节间抗折力（BM，g）：用YYD-1茎秆强度测定仪测定BM。固定倒3、倒4节间2支点距离为5cm，将节间水平放置在2支点上，在节间中点施力使其折断，力的大小即为该节间抗折力，若节间长度小于5cm则不测定。
弯曲力矩（BR）=节间基部至穗顶长度（cm）×该节间基部至穗顶鲜重（g）。
倒伏指数（LI）=弯曲力矩/抗折力×100。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel 2010软件进行数据初步处理与相关分析，采用Statistix 8.0软件进行单因素方差分析。
2.1 不同氮肥运筹模式对水稻产量及其构成因素的影响
由表1可知，早稻品种陆两优996和株两优819产量均表现出N2＞N3＞N1的趋势，N2和N3处理间差异不显著，但均显著高于N1处理。分析产量构成因素发现，2个品种有效穗数均表现出N1＞N2＞N3的趋势，且N1处理显著高于后两者，说明基蘖肥比例较大有利于提高有效穗数。穗粒数表现与有效穗数相反，即一般以N2和N3处理穗粒数较多。2个品种结实率表现有差异，陆两优996以N2处理较高，而株两优819以N3处理较高。2个品种的千粒重一般以N1处理略低，但3个处理间的千粒重差异不显著。
表1 氮肥运筹对水稻产量及其构成因素的影响（2019年）Table 1 Effects of nitrogen fertilizer management on yield and its components of rice(2019)
晚稻品种H优518产量表现出N2＞N3＞N1的趋势，N2显著高于N1处理。盛泰优018产量也表现出N2＞N3＞N1的趋势，N2显著高于N3和N1处理。分析产量构成因素发现，2个品种有效穗数均表现出N1＞N2＞N3的趋势，与早稻一致，且N1显著高于N3处理。穗粒数、结实率和千粒重表现也与早稻基本一致。
可见2019年氮肥运筹处理对早晚稻产量的影响基本一致，即以N2处理产量最高，N1处理产量最低。基蘖肥比例较大有利于提高有效穗数，但穗肥比例较大有利于提高穗粒数和结实率。
由表2可知，2020年，陆两优996和株两优819产量均表现出N2＞N3＞N1的趋势，其中N2显著高于N1处理。分析产量构成因素发现，2个品种有效穗数均表现出N2＞N3＞N1的趋势，但处理差异显著性因品种表现不同；
除陆两优996的N3处理穗粒数显著降低外，其他处理无显著差异；
除陆两优996的N1处理千粒重显著降低外，其他处理间无显著差异。
表2 氮肥运筹对水稻产量及其构成因素的影响（2020年）Table 2 Effects of nitrogen fertilizer management on yield and its components of rice(2020)
2个晚稻品种产量均表现出N2＞N3＞N1的趋势，且N2显著高于N1处理。分析产量构成因素发现，2个品种有效穗数均表现出N2＞N3＞N1的趋势，与早稻一致，且N1显著高于N3处理。2个品种各处理穗粒数无显著差异，结实率除盛泰优018的N1处理显著降低外，其他均无显著差异。2个品种各处理间千粒重无显著差异。
可见2020年氮肥运筹处理对早晚稻产量的影响基本一致，即以N2处理产量最高，N1处理产量最低。有效穗数以N2处理较多，但处理间其他产量构成因素差异不大。各处理对产量构成因素的影响与2019年不一致。
综合2年结果，氮肥运筹方式对双季稻产量有显著影响，以基蘖肥:穗肥:粒肥=6:3:1处理对产量构成因素协调效果最好，产量最高。
2.2 不同氮肥运筹模式对水稻抗倒伏能力的影响
由表3可知，氮肥运筹对茎秆倒3和倒4节间的抗折力、弯曲力矩和倒伏指数有明显影响。陆两优996倒3节间抗折力表现出N2＞N3＞N1趋势，且N1显著低于N2和N3处理，处理间弯曲力矩无显著差异，倒伏指数以N2处理最小，N1处理最大，差异显著；
倒4节间抗折力和弯曲力矩均以N2处理较大，但无显著差异，倒伏指数以N2处理最小，N1处理最大，但差异不显著。株两优819倒3节间抗折力表现出N2＞N3＞N1趋势，且3个处理间均有显著差异，处理间弯曲力矩无显著差异，倒伏指数以N2处理最小，N2、N3显著低于N1处理。倒4节间抗折力以N2处理最大，显著高于N1和N3处理，弯曲力矩无显著差异，倒伏指数以N2处理最小，N1处理最大，差异显著。
表3 不同氮肥运筹方式下水稻节间抗折力、弯曲力矩和倒伏指数（2019年）Table 3 Bending resistance,bending moment of force and lodging indexes of rice internodes under different nitrogen fertilizer management modes(2019)
H优518的倒3节间抗折力表现出N2＞N3＞N1处理趋势，且N1显著低于N2和N3处理，弯曲力矩表现出N2＞N3＞N1处理趋势，N2处理显著高于另外2个处理，倒伏指数表现出N1＞N2＞N3处理趋势，N1显著高于N3处理。倒4节间抗折力和弯曲力矩均以N2处理最大，显著高于N1处理，倒伏指数以N2最小，显著低于N1处理。盛泰优018的倒3节间抗折力表现出N3＞N2＞N1处理趋势，N3处理显著较高，弯曲力矩表现出N1＞N3＞N2处理趋势，N2处理显著低于N1处理，倒伏指数表现出N1＞N2＞N3处理趋势，N1处理显著高于N3处理。倒4节间抗折力和弯曲力矩均以N2处理最小，显著低于N1处理，倒伏指数以N3最小，显著低于N1和N2处理。
综上所述，盛泰优018倒3和倒4节间抗折力以N3处理最大，倒伏指数以N3处理最小，并与N1和N2处理差异显著。另外3个品种倒3和倒4节间的抗折力均表现为N2＞N3＞N1的趋势，倒伏指数呈相反趋势。整体来看，各品种抗倒性在基蘖肥比例50%～60%条件下较好。
由表4可知，2020年各品种倒3节间的抗折力以N2处理最大，倒伏指数以N2处理最小。各品种倒4节间的抗折力也以N2处理最大，倒伏指数在各个品种间表现不同，陆两优996以N1处理倒伏指数最低，且显著低于N3处理，株两优819、H优518和盛泰优018均以N2处理倒伏指数最低，显著低于N1或N3处理。
表4 不同氮肥运筹方式下水稻节间抗折力、弯曲力矩和倒伏指数（2020年）Table 4 Bending resistance,bending moment of force and lodging indexes of rice internodes under different nitrogen fertilizer management modes(2020)
综合2年结果，陆两优996、株两优819和H优518倒3和倒4节间的抗折力均以N2处理最大，倒伏指数均以N2处理最小；
而盛泰优018倒3和倒4节间抗折力与倒伏指数在2年间表现不同，2019年以N3处理抗倒性最好，而2020年以N2处理抗倒性最好。可见，个别品种表现有年际间差异，但整体来看，各品种的抗倒性在基蘖肥比例为50%～60%条件下较好。
2.3 不同氮肥运筹模式对水稻茎秆形态性状的影响
由表5可知，2019年早、晚稻4个品种的株高均表现为N1处理显著高于N2和N3处理，N2和N3处理之间无显著性差异。重心高度均表现N1＞N2＞N3的趋势，但各品种处理间差异显著性有所不同，除陆两优996外，N3处理均显著小于N1处理；
单茎鲜重除H优518表现N2显著大于N1处理外，其他品种各处理间差异不显著；
处理间茎秆粗度无显著差异，各品种表现一致；
茎壁厚度，株两优819各处理间无显著差异，另3个品种表现N2和N3处理显著高于N1处理的趋势；
倒3和倒4节间的长度均表现为N1高于N2和N3处理的趋势；
节间充实度均以N1处理最低，但处理间差异显著性表现有品种差异。
表5 不同氮肥运筹条件下水稻茎秆物理性状（2019年）Table 5 Physical properties of rice stems under different nitrogen fertilizer management modes(2019)
由表6可知，2020年早、晚稻4个品种的株高均以N1处理最高，其中株两优819和H优518的N1处理显著高于N2和N3处理；
重心高度一般以N1处理略高，但无显著性差异。除株两优819外，处理间单茎鲜重无显著差异；
茎秆粗度，2个早稻品种各处理间无显著差异，2个晚稻品种以N2处理显著较高；
茎壁厚度均以N1处理最小；
倒3和倒4节间的长度一般以N3处理最小，N1处理最大，但不具有显著差异；
节间充实度均以N1处理最低，且多数情况下N2处理显著高于N1处理。
表6 不同氮肥运筹条件下水稻茎秆物理性状（2020年）Table 6 Physical properties of rice stems under different nitrogen fertilizer management modes(2020)
综合2年结果，与N1处理相比，N2和N3处理株高较矮、重心较低、茎壁较厚、节间较短、节间充实度较高，抗倒伏能力较强，但N2和N3处理间差异不显著。同时，4个品种的抗倒能力有一定差异，早稻品种株两优819和晚稻品种盛泰优018的株高和重心高度较低，单茎鲜重较小，倒3、倒4节间长度较小，节间充实度较高，因此其抗倒能力分别优于陆两优996和H优518。
2.4 茎秆性状与茎秆抗折力、弯曲力矩及倒伏指数的相关性分析
不同氮肥运筹方式下水稻茎秆性状与茎秆抗折力、弯曲力矩及倒伏指数间的相关性分析（表7）表明，水稻节间的抗倒伏特性与茎秆物理性状关系密切。倒3节间的抗折力与株高、重心高度、节间长度和节间充实度呈负相关，与单茎鲜重、茎秆粗度和茎壁厚度呈正相关，但均未达到显著水平；
倒4节间的抗折力与单茎鲜重呈正相关，但未达显著水平，与茎秆粗度、茎壁厚度和节间充实度呈显著或极显著正相关，与株高、重心高度和节间长度相关性不显著。倒3和倒4节间的弯曲力矩与株高、重心高度、单茎鲜重、茎秆粗度和节间长度呈极显著正相关。倒3和倒4节间的倒伏指数与株高、重心高度和单茎鲜重呈极显著正相关。
表7 茎秆性状与茎秆抗折力、弯曲力矩及倒伏指数的相关系数Table 7 Correlation coefficients between stem traits and stem bending resistance,bending moment of force and lodging indexes
由此说明，水稻茎秆的抗折力、弯曲力矩和倒伏指数受多种因素影响，且不同节间的性状对其抗倒伏能力影响的程度不同，降低株高与重心高度、提高倒4节间茎秆粗度和充实度，可有效提高茎秆抗倒伏能力。
施氮是影响水稻产量和抗倒伏能力的重要因素之一。本研究中，适当的氮肥后移提高了穗粒数和结实率，实现水稻高产需要具备较高的颖花量和较多的穗粒数，与陈平平等[21]研究认为的增大穗肥比例有利于水稻高产的结果一致。但是，大穗使茎秆承受的载荷（弯曲力矩）增加，倒伏的风险增大，因此高产与抗倒伏存在一定的矛盾。
本研究通过调节基蘖肥、穗肥和粒肥比例，设置了3种氮肥运筹方式（7:2:1、6:3:1和5:4:1），比较研究了水稻的产量性状与抗倒伏能力，发现氮肥运筹方式对双季稻产量有显著影响，以6:3:1处理对产量构成因素协调效果最好，产量最高；
抗倒伏能力方面，个别品种表现有年际间差异，但整体上来看，各品种抗倒性在基蘖肥比例50%～60%条件下较好。因此，本研究认为，基蘖肥:穗肥:粒肥=6:3:1处理能够较好地协调水稻的产量性状与抗倒伏能力，达到高产、抗倒的目的。
本研究分析了水稻茎秆的力学指标，发现陆两优996、株两优819和H优518的倒3、倒4节间抗折力均以N2处理最大，倒伏指数均以N2处理最小；
而盛泰优018倒3、倒4节间抗折力与倒伏指数在2年间表现不同，2019年以N3处理抗倒性最好，而2020年以N2处理抗倒性最好；
N1处理抗折力较低，主要原因是前期基蘖肥比例的增大，水稻株高增加，倒3、倒4节间长度增大，节间充实度降低。本研究同时发现，处理间抗折力表现规律较明显，而弯曲力矩在各品种间表现不一致，但最终的倒伏指数均表现为N2＜N1，可见茎秆抗折力是决定水稻倒伏指数的主要因素，弯曲力矩对水稻抗倒伏性影响较小，可以通过选育茎秆机械强度高的品种，来协调高产与倒伏的矛盾。
水稻茎秆物理性状与抗倒伏性关系密切。许多学者认为，不同水稻品种株高、重心高度和基部节间长度对水稻抗倒性有较大负效应[19,22]。李杰等[23]研究认为，水稻节间的抗折力与株高、重心高度、茎秆粗度和茎壁厚度呈显著或极显著正相关，与节间长度呈显著或极显著负相关。胡江等[11]研究认为，抗折力与株高、重心高度呈极显著正相关。本试验结果表明，与N1处理相比，N2和N3处理株高较矮、重心较低、茎壁较厚、节间较短、节间充实度较高、抗倒伏能力较强，但N2和N3处理间差异不显著。通过茎秆性状与茎秆抗折力、弯曲力矩及倒伏指数的相关性分析后发现，降低株高与重心高度、提高倒4节间茎秆粗度和充实度，是提高茎秆抗倒伏能力的关键。
需要指出的是，本研究所测定的茎秆倒伏性状（包括力学指标和物理指标）都是单茎指标，而非单株（穴）指标。目前，有关水稻抗倒伏性状指标（抗折力和倒伏指数等）的测定，一般是以单茎为测定对象[24-25]，但也有少数研究以整株水稻为测定对象[26]。关于2种方法测定结果的可靠性、单茎指标与整株指标的相关性及其差异，值得深入研究。
本研究还发现，4个品种的抗倒伏能力有一定差异，早稻品种以株两优819较强，晚稻品种以盛泰优018较强，主要原因是其株高和重心高度较低，单茎鲜重较小，倒3、倒4节间长度较小，节间充实度较高。有研究[27]认为，株两优819抗倒伏能力比陆两优996要低，与本研究结果不一致，这可能与试验中的施肥水平不同有关，本试验各处理仅施纯氮150kg/hm2，这也说明水稻抗倒伏能力影响因素众多，氮肥运筹方式对水稻抗倒伏能力的影响还需要结合施氮量开展系统研究。
湘南地区水稻种植区域，适宜的基蘖肥与穗肥施用比例能够在保证水稻产量的情况下，缩短倒3和倒4节间长度，降低株高和重心高度，增加节间充实度，改善茎秆物理性状，提高水稻抗倒伏能力。综合各品种倒伏指数和产量性状，基蘖肥:穗肥:粒肥为6:3:1时处理能够较好地协调水稻的产量性状与抗倒伏能力，达到高产、抗倒的目的。
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