秦子元 张忠学 孙 迪 宋 健 张作合 李铁成

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030；2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030；3.绥化学院农业与水利工程学院， 绥化 152061)

0 引言

水稻是我国主要粮食作物，2021年我国水稻总产量预计达到2.14亿t，约占我国粮食总产量的1/3[1]。在耕地数量有限、人口持续增长的背景下，到2030年，我国水稻产量需提高20%，才能满足国内粮食需求[2]。农民通常施用高量氮肥，以求最大限度地提升水稻产量，但持续的高量投入水氮资源也带来了诸多负面影响[3]。一方面，由于过量施用氮肥、施肥方式不当以及田间水分管理不协调等因素，使得我国氮肥利用率仅为30%～35%，大量氮肥通过氨挥发、硝化与反硝化、地表径流和淋溶等方式损失，导致土壤酸化、河流湖泊富营养化、地下水污染、温室气体排放加剧等环境问题[4]；另一方面，我国水资源短缺严重，而有约70%的农业用水用于稻田灌溉，传统淹水灌溉模式不断增加耗水，随着水资源供应紧缺，稻田生态系统生产力将受到严重威胁[5]。目前，我国正在引导农业生产从单纯追求高产向稳定生产且注重资源节约和环境友好的新型农业发展，因此，推进节水灌溉和优化施肥技术的研究，对我国农业可持续发展具有重要意义。

近30年，我国东北平原稻田平均施氮量为159 kg/hm2，远高于99.5 kg/hm2的世界平均水平，减氮潜力巨大[6]。同时，随着我国粮食生产重心北移，黑龙江省逐渐成为我国主要粮食生产基地和粮食战略储备基地，农业水资源消耗日益增加不仅加重了潜在旱灾风险而且削弱了水体自净能力[7]。近年来，随着农业水资源供需矛盾加剧、环境污染事件频发，以节水灌溉和优化施肥来实现水稻稳产和高产的理论和技术研究成为热点[8]。目前，国内外专家学者关于水氮耦合对水稻产量和氮素吸收利用已有诸多研究[9-14]。以往研究大多关注于水稻产量、氮素吸收和水氮利用效率等方面，而对水稻干物质和氮素累积速率系统的研究较少，且适宜水氮耦合方式能否进一步提升水稻产量与植株氮素吸收转运以及干物质和氮素累积速率的协同性还需探讨。

本文基于大田试验，研究黑土地区不同水氮耦合条件下的水稻产量、水氮利用效率、植株干物质累积量及累积速率、氮素累积量及累积速率、氮素在不同器官中的转运规律以及产量相关性分析，旨在为建立区域性节水节肥、增产、减排的高效水氮耦合方式提供理论依据与技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年5—10月在黑龙江省庆安国家灌溉试验重点站(46°58′8″N，127°40′2″E)进行。试验田位于庆安县平安镇，地处松嫩平原呼兰河流域中下游，是典型的寒地黑土分布区，属寒温带大陆性季风气候，夏季温热多雨，冬季寒冷干燥。全年无霜期约128 d，多年平均气温2.9℃，多年平均蒸发量为1 213.4 mm，多年平均降水量559.8 mm，降水多集中在7、8月。供试土壤类型为黑土型水稻土，试验前耕层土壤(0～20 cm)基本理化性质如下：pH值6.47，有机质质量比43.1 g/kg，全氮质量比1.69 g/kg，全磷质量比0.67 g/kg，全钾质量比19.99 g/kg，碱解氮质量比159.21 mg/kg，速效磷质量比27.56 mg/kg，速效钾质量比158.3 mg/kg。

1.2 试验设计

采用灌溉模式和施氮量2因素全面试验。设置常规淹灌(F)、浅湿灌溉(W)和控制灌溉(C)3种，常规淹灌在水稻返青期后保持30～50 mm水层；浅湿灌溉采用“前水不见后水”的灌溉方式，待田面呈湿润状态，再灌下次水；控制灌溉田面不再长时间建立水层，以根层土壤含水率及土壤表相确定灌水时间、灌水次数及灌水定额。不同灌溉模式各生育期水分管理见表1。全生育期施氮量设置4个水平：0、85、110、135 kg/hm2(N0、N1、N2、N3)。试验共计12个处理，每个处理3次重复，共36个小区，随机区组排列，各试验小区面积为100 m2(10 m×10 m)，田埂高20 cm，宽25 cm，小区四侧布置塑料板和水泥埂，以减少串流和侧渗。各小区单独灌排，进水管接装小型水表。

表1 水稻各生育期水分管理Tab.1 Water management during each growth period of rice field

供试水稻品种为当地广泛种植的“绥粳18”，水稻插秧每穴定3株，株行距为10 cm×30 cm。供试氮肥为尿素(含N 46%)，分基肥(45%)、蘖肥(20%)和穗肥(35%)施用；磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)，P2O5施入量为45 kg/hm2，全部作为基肥施入；钾肥为硫酸钾(含K2O 60%)，K2O施入量为80 kg/hm2，按基肥(50%)和8.5叶龄(50%)分施。2020年5月19日大田施基肥，5月20日水稻幼苗移栽大田，6月11日施蘖肥，7月18日施穗肥，9月25日收获。稻田田间管理如病虫草害防治等与当地大田生产相同。

1.3 测定项目与方法

1.3.1气象数据测定

降水量和气温等气象数据由自动气象站(DZZ 2型，天津气象仪器厂)记录(图1)。

1.3.2灌溉水量测定

水稻移栽大田后，每日于固定时刻用毫米刻度尺读取田面水层深度(当田面有水层时)，或用土壤水分检测仪测定大田土壤含水率(当田面无水层时)，当田面水层深度或土壤含水率达到各生育期水分管理下限时，则灌水至水分管理上限，记录灌溉日期，并用小型水表计算各次灌溉水量。

1.3.3干物质量与氮素含量测定

各小区分别于分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期和成熟期随机选取水稻5穴，将整株水稻挖起，剪去根部后装入自封袋运回实验室清洗，泥土清洗干净后，将植株分为叶、茎鞘和穗(抽穗后)分别装入袋中，置于干燥箱中105℃杀青0.5 h，然后80℃干燥至质量恒定，冷却至室温用精度0.01 g电子天平测定各部分器官干物质量。称量后用粉碎机将植株各部分器官粉碎后过80目(0.18 mm)网筛，经H2SO4-H2O2法消煮后，取待测液用连续流动分析仪(AutoAnalyzer-3型，德国 Bran+Luebbe公司)测定氮素含量。

1.3.4土壤无机氮含量测定

各小区分别于水稻施基肥前和收获后，用土钻按照五点取样法取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm共3层土壤样品，装入自封袋混合均匀后，-20℃保存，各层土壤用100 mL环刀取土，密封后立即带回实验室，105℃干燥至质量恒定，计算土壤容重和含水率。土壤样品解冻后，称取5 g过2 mm筛孔新鲜土样于250 mL广口瓶中，并加1 mol/L KCl 100 mL充分浸提后，经定性滤纸过滤，待测液用连续流动分析仪(AutoAnalyzer-3型，德国 Bran+Luebbe公司)测定铵态氮和硝态氮含量。

1.3.5产量测定

水稻成熟期，各试验小区随机选取1 m2水稻人工收割，用脱粒机脱粒，稻谷摊开晾晒至含水率约14%时称量测产。

1.4 计算方法

采用Logistic生长方程进行水稻干物质、氮素累积量的非线性回归拟合[15]，其函数表达式为

y=a/(1+be-kt)

(1)

式中y——水稻地上部干物质或氮素累积量，kg/hm2

a——干物质或氮素累积量的潜在最大值，kg/hm2

b——与干物质或氮素累积量有关的回归参数，b>0

k——干物质或氮素累积量的增长率，k<0

t——水稻移栽后时间，d

对Logistic函数分别求一阶、二阶导数，并求其特征值方程，可得Logistic曲线3个关键点，其横坐标分别对应始盛期(T1，d)、高峰期(T2，d)和盛末期(T3，d)，以及最快增长速率(Vmax，kg/(hm2·d))，利用始盛期和盛末期可将Logistic曲线拟合的生长过程分为渐增期(0～T1)、快增期(T1～T3)和缓增期(T3～∞)。特征值方程分别为

T1=(lnb-1.317)/k

(2)

T2=lnb/k

(3)

T3=(lnb+1.317)/k

(4)

ΔT=T3-T1

(5)

Vmax=ak/4

(6)

式中 ΔT——快增期持续时间，d

作物耗水量(ET，mm)计算公式为

ET=P+I+G+ΔW-R-D

(7)

式中P——降水量，mm

I——单位面积灌水量，mm

G——地下水补给量，mm，由于试验区地下水埋深较大，故G取零

ΔW——水稻移栽和收获时0～60 cm土壤储水变化量，mm

R——水稻生育期内排水量，mm

D——深层渗漏量，mm

灌溉水分利用效率(IWUE，kg/m3)计算公式为

IWUE=Y/I

(8)

式中Y——水稻产量，kg/hm2

水分生产效率(WUE，kg/m3)计算公式为

WUE=Y/ET

(9)

氮肥农学利用效率(AEN，kg/kg)计算公式为

AEN=(Ya-Yb)/Na

(10)

式中Ya——施氮处理水稻产量，kg/hm2

Yb——不施氮处理水稻产量，kg/hm2

Na——施氮量，kg/hm2

氮素籽粒生产效率(NGPE，kg/kg)计算公式为

NGPE=Y/Tn

(11)

式中Tn——水稻氮素总累积量，kg/hm2

氮肥偏生产力(PFP，kg/kg)计算公式为

PFP=Ya/Na

(12)

氮素收获指数(NHI，%)计算公式为

NHI=Pn/Tn×100%

(13)

式中Pn——水稻穗部氮素累积量，kg/hm2

百千克籽粒吸氮量(NUG，kg)计算公式为

NUG=Tn/Y×100

(14)

氮素吸收量(Nu，kg/hm2)计算公式为

Nu=NDm

(15)

式中N——水稻植株氮素含量，%

Dm——水稻干物质量，kg/hm2

氮素转运量(Nt，kg/hm2)计算公式为

Nt=Nh-Nm

(16)

式中Nh——抽穗期水稻茎鞘或叶氮素累积量，kg/hm2

Nm——成熟期水稻茎鞘或叶氮素滞留量，kg/hm2

氮素转运率(Nte，%)计算公式为

Nte=Nt/Nh×100%

(17)

氮素转运贡献率(Ntce，%)计算公式为

Ntce=(Nlt+Nsst)/Npt×100%

(18)

式中Nlt——水稻叶氮素转运量，kg/hm2

Nsst——水稻茎鞘氮素转运量，kg/hm2

Npt——抽穗期至成熟期水稻穗氮素增加量，kg/hm2

土壤氮素表观盈亏量(Sapl，kg/hm2)计算公式为

Sapl=Na+Nsi-Tn-Nsr

(19)

其中

Nsi(sr)=0.1dρω(N)

(20)

式中Nsi——土壤初始无机氮量，kg/hm2

Nsr——土壤残留无机氮量，kg/hm2

d——土层厚度，cm

ρ——土壤容重，g/cm3

ω(N)——土壤中无机氮质量比，mg/kg

1.5 数据分析

采用Excel 2019和Origin 2017处理数据及作图，利用SPSS 22.0进行方差分析，运用Origin 2017软件进行Logistic生长函数拟合，模型有效性通过效率系数(EF)、一致性指数(AI)[16-17]和决定系数(R2)评价。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对水稻收获后地上部干物质、氮素累积量的影响

不同水氮耦合处理下，水稻收获后地上部干物质、氮素累积量见图2(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同)。试验结果表明，常规淹灌和浅湿灌溉模式下，水稻地上部各器官干物质累积量随施氮量增加而增大；控制灌溉模式下，地上部各器官干物质累积量随施氮量增加先增大后减小。除CN0处理茎鞘干物质累积量低于WN0，CN0处理穗干物质累积量低于WN0和FN0外，相同施氮量下，各处理不同器官干物质累积量，按灌溉模式由大到小依次为：控制灌溉、浅湿灌溉、常规淹灌。各处理穗干物质累积量均高于叶和茎鞘干物质累积量，叶、茎鞘和穗的干物质累积量分别占地上部干物质累积量的8.72%～11.24%、34.50%～38.17%、50.59%～56.15%，CN2处理穗部干物质累积量最大，但与CN3处理不存在显著性差异(P>0.05)。3种灌溉模式下，水稻地上部不同器官氮素累积量均随施氮量的增加而增大。相同施氮量下，常规淹灌和浅湿灌溉模式水稻地上部不同器官氮素累积量均低于控制灌溉；相同灌溉模式下，除FN0和FN1茎鞘氮素累积量不存在显著性差异外(P>0.05)，其余各施氮处理茎鞘和穗的氮素累积量显著高于不施氮处理(P<0.05)。从不同器官来看，叶、茎鞘和穗的干物质累积量分别占地上部氮素累积量的7.24%～9.26%、21.73%～26.67%、65.99%～70.55%，叶、茎鞘和穗的平均氮素累积量分别为12.03、33.43、98.11 kg/hm2，分别占地上部平均氮素累积量的8.38%、23.28%、68.34%，其中CN3处理叶、茎鞘和穗的氮素累积量最大，分别为19.71、49.62、145.81 kg/hm2。控制灌溉处理相同施氮量下的叶、茎鞘和穗的氮素累积量较常规淹灌提高了27.80%～43.42%、18.32%～24.97%、13.85%～24.25%，较浅湿灌溉提高了0.96%～13.18%、10.73%～12.86%、10.53%～12.61%。

2.2 水氮耦合对水稻地上部干物质、氮素积累速率的影响

不同水氮耦合处理下，水稻地上部干物质、氮素积累量的Logistic生长方程拟合及模型有效性评估如表2所示。不同处理水稻地上部干物质、氮素累积量Logistic生长模型一致性指数分别为0.998 4～0.999 8、0.996 1～0.999 2，效率系数分别为0.955 0～0.995 3、0.890 1～0.977 9，决定系数R2均不低于0.975 6，模型有效性评估表明，利用Logistic生长方程拟合干物质、氮素累积过程效果较好，模型的预测值与实测值吻合度较高。拟合结果显示，不同水氮耦合条件下各处理水稻地上部干物质、氮素累积的理论最大值分别为11 073.51～17 738.81 kg/hm2、73.49～213.89 kg/hm2，其中CN2处理干物质累积理论最大值较其他处理高0.05%～63.87%，CN3处理氮素累积理论最大值较其他处理高10.15%～191.04%。

对Logistic生长方程求一阶导数，得到水稻地上部干物质、氮素累积速率随移栽后时间的变化曲线(图3)。水稻地上部干物质、氮素累积速率的变化曲线为单峰曲线，随移栽后时间的推进呈现先增加后减小的趋势，不同水氮耦合方式下，氮素累积速率达到峰值时间早于干物质累积速率达到峰值的时间。相同灌溉模式下，水稻地上部干物质、氮素累积速率随施氮量的增加而增大，但当施氮量为135 kg/hm2时，干物质、氮素累积速率明显减缓。相同施氮量下，3种灌溉模式干物质、氮素累积速率由大到小依次为控制灌溉、浅湿灌溉、常规淹灌。

对Logistic生长方程求二阶导数，得到水稻地上部干物质、氮素累积过程主要特征参数(表3)。不同水氮耦合处理地上部干物质、氮素累积速率平均快增期分别为34.37 d和30.72 d，地上部干物质、氮素累积达到最大增长速率分别为第71.44天和第60.05天，平均氮素累积速率达到峰值时间比平均干物质累积速率达到峰值时间提前11.39 d。3种灌溉模式下，干物质、氮素累积始盛期随施氮量提升而提前，施氮处理平均干物质、氮素累积速率始盛期比不施氮处理提前3.08、6.20 d。在快增期内，施氮量为135 kg/hm2时，各灌水模式下的地上部干物质、氮素最大增长速率达到最大值，其中CN3处理地上部干物质、氮素最大增长速率为340.95、4.97 kg/(hm2·d)，与其他处理相比分别提升了2.55%～63.84%、12.56%～229.56%。

表2 水稻地上部干物质、氮素累积量的Logistic生长方程拟合及模型有效性Tab.2 Logistic growth equation fitting and model validity of dry matter and nitrogen accumulation in shoots of rice

表3 水稻地上部干物质、氮素累积过程主要特征值Tab.3 Main characteristic values of dry matter and nitrogen accumulation process in shoots of rice

2.3 水氮耦合对水稻抽穗后氮素转运的影响

不同水氮耦合处理下，水稻抽穗期至成熟期的氮素转运见表4。试验结果表明，灌溉模式和施氮量对叶片和茎鞘的氮素转运量、氮素转运率，穗部氮素增加量和氮素转运贡献率均有极显著影响(P<0.01)，灌溉模式和施氮量的交互效应对叶片和茎鞘的氮素转运量、氮素转运率有显著影响(P<0.05)，对穗部氮素增加量和氮素转运贡献率有极显著影响(P<0.01)。水稻抽穗期至成熟期叶片和茎鞘氮素转运量变化趋势一致，在0～110 kg/hm2施氮量范围内，相同灌溉模式下，氮素转运量随施氮量的增加而增大，施氮量为135 kg/hm2时，氮素转运量略有降低，但与施氮量为110 kg/hm2时的氮素转运量差异不显著(P>0.05)。水稻抽穗期至成熟期叶片氮素转运率高于茎鞘氮素转运率，相同灌溉模式下，叶片和茎鞘氮素转运率以及氮素转运贡献率随施氮量的增加而减小，穗部氮素增加量随施氮量增加而增大。相同施氮量，3种灌溉模式对叶片和茎鞘氮素转运量以及穗部氮素增加量的影响，均以控制灌溉处理最高，表明适宜水分胁迫可促进叶片和茎鞘氮素转运以及籽粒氮素累积。

表4 不同水氮处理水稻抽穗期至成熟期的氮素转运Tab.4 Nitrogen transfer from heading stage to maturity stage of rice treated with different water and nitrogen treatments

2.4 水氮耦合对水稻产量和水氮利用效率的影响

不同水氮耦合处理下，水稻产量和水分利用效率如图4所示。试验结果表明，相同灌溉模式，不施氮处理水稻产量显著低于施氮处理(P<0.05)，常规淹灌、浅湿灌溉和控制灌溉增产幅度分别为24.45%～76.31%、31.03%～62.37%和66.30%～99.78%。常规淹灌和浅湿灌溉处理水稻产量随施氮量的增加而提升，施氮量超过110 kg/hm2时，水稻增产幅度相对较小；控制灌溉处理水稻产量随施氮量的增加先增加后小幅度下降，CN2处理水稻产量最高，为10 272.57 kg/hm2，但CN2和CN3处理水稻产量差异不显著(P>0.05)。相同施氮量，除CN0外，控制灌溉模式各处理水稻产量均高于常规淹灌和浅湿灌溉模式水稻产量。施氮量为110、135 kg/hm2时，3种灌溉模式的IWUE和WUE差异不显著(P>0.05)，常规淹灌和浅湿灌溉处理IWUE和WUE随施氮量增加而增大，控制灌溉处理IWUE和WUE随施氮量增加先增后降，CN2处理IWUE和WUE均最高，分别为3.14、2.04 kg/m3，与CN0相比提高了96.25%和70.57%。

不同水氮耦合处理对水稻氮素利用的影响如表5所示。试验结果表明，灌溉模式、施氮量以及灌溉模式和施氮量的交互效应对氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、百千克籽粒吸氮量、氮素籽粒生产效率和氮素收获指数均有极显著影响(P<0.01)。CN2处理氮肥农学利用率显著高于其他处理(P<0.05)，当施氮量相同时，常规淹灌和浅湿灌溉模式各处理氮肥农学利用率均小于控制灌溉模式。相同灌溉模式下，氮肥偏生产力随施氮量的增加而降低，施氮量相同时，3种灌溉模式的氮肥偏生产力由大到小依次为控制灌溉、浅湿灌溉、常规淹灌，控制灌溉下氮肥偏生产力比常规淹灌和浅湿灌溉分别提升了4.77%～28.03%和3.79%～14.41%。控制灌溉模式下水稻平均百千克籽粒吸氮量为1.84 kg，较浅湿灌溉和常规淹灌分别提高了6.84%和7.97%。施氮量为110、135 kg/hm2时，常规淹灌和浅湿灌溉模式下氮素籽粒生产效率无显著差异(P>0.05)，控制灌溉模式下氮素籽粒生产效率差异显著(P<0.05)。不同处理间氮素收获指数介于65.99%～70.55%之间，表明水稻吸收的氮素大部分用于形成籽粒。

表5 水氮耦合对水稻氮素利用的影响Tab.5 Effect of water and nitrogen interaction on rice nitrogen utilization

2.5 水稻产量相关性分析

水稻产量与植株成熟期地上部干物质、氮素累积量关系如图5所示。不同灌溉模式下，水稻产量和成熟期地上部干物质、氮素累积量之间存在显著或极显著的正相关(R2为0.937 1～0.998 4)，水稻成熟期干物质、氮素累积量均可作为衡量产量的评价依据或指标，稻作控制灌溉模式下，水稻产量随地上部氮素累积量的增加先增大后减小，表明水稻植株对氮素吸收存在阈值，过多氮素累积不利于产量形成。水稻产量和水氮利用效率间相关分析见表6。水稻产量与IWUE、WUE、AEN、NUG之间呈极显著正相关(P<0.01)，与NGPE之间呈极显著负相关(P<0.01)，与其他指标之间相关性不显著(P>0.05)；IWUE与WUE、AEN之间呈极显著正相关(P<0.01)，与NUG之间呈显著正相关(P<0.05)；WUE与AEN之间呈极显著正相关(P<0.01)，与PFP之间呈显著正相关(P<0.05)；AEN与PFP之间呈显著正相关(P<0.05)；PFP与NUG之间呈极显著负相关(P<0.01)，与NGPE之间呈极显著正相关(P<0.01)；NUG与NGPE之间呈极显著负相关(P<0.01)，与NHI之间呈显著正相关(P<0.05)。

3 讨论

水稻地上部干物质、氮素积累量能反映作物的生产能力[18]，是影响水稻产量的重要指标，水氮条件作为水稻生长发育的主要限制因子，适宜的水氮耦合模式不仅可以提高水稻产量和水氮利用效率，而且能够影响水稻不同器官中干物质、氮素累积和分配，对提高水稻干物质、氮素累积量产生正效应[19]，但过量的水氮供应也会使作物“徒长”，不利于产量形成[20]。本研究表明，稻作控制灌溉模式下，施氮处理地上部不同器官干物质累积量高于常规淹灌和浅湿灌溉，控制灌溉地上部各器官干物质累积量随施氮量增加先增大后减小，这是因为控制灌溉模式下叶片光合能力提升，有利于有机质累积，同时控制灌溉可以改变土壤水分状况，改善根区通气条件，为水稻根系生长提供适宜环境，不仅能够促进根系发育，还能延缓后期根系衰老和退化，使得水稻在生长中后期能吸收更多养分[21]，这与孟翔燕等[22]的研究结果一致，但当施氮量为135 kg/hm2，控制灌溉模式下水稻出现“贪青”现象，过量氮肥施用使得水稻晚熟，生育期推迟，地上部各器官干物质累积量小幅度下降，影响水稻产量。控制灌溉和浅湿灌溉模式下水稻地上部氮素累积量高于常规淹灌，水稻不同器官氮素累积量与施氮量呈正相关，控制灌溉和浅湿灌溉处理相同施氮量下的穗氮素累积量较常规淹灌提高了13.85%～24.25%、2.27%～10.09%，说明节水灌溉模式有利于氮素吸收转化并促进植株氮素向籽粒转运，这与崔远来等[23]的研究结果相似。

表6 水稻产量和水氮利用效率的相关系数Tab.6 Correlation coefficients between rice yield and water and nitrogen use efficiency

前人研究表明，水稻基因型、水分状况、施肥水平和气象因素等均会影响植株干物质和氮素累积过程，体现在Logistic模型上就是拟合参数的变化[24]。本研究结果表明，从水稻干物质、氮素累积速率的变化过程看，不同水氮耦合模式基本不影响水稻干物质、氮素累积速率的变化趋势，各处理水稻干物质、氮素累积速率随移栽后时间的变化仍为单峰曲线，且随移栽后时间的推进先增后减，利用Logistic生长模型拟合效果较好，但不同水氮耦合模式下，水稻干物质和氮素累积对应的渐增期、快增期、缓增期、累积量和累积速率均有差异。叶廷红等[25]研究表明，水稻氮素累积快增期明显早于干物质累积快增期，干物质累积最大速率出现在拔节孕穗期，这与本文研究结果相似，这是由于水稻植株在分蘖期以生根、生叶和分蘖为主，需要大量的氮素来形成氮化物，当养分累积足够多时进行大量物质生产，因此，水稻氮素累积速率到达高峰期后，干物质累积速率逐渐进入始盛期。有关研究认为，植株干物质和氮素累积速率高峰期和最大增长速率出现时间越早，快增期持续时间越短，越有利于干物质和氮素累积以及优质群体结构的形成[26]，这与本文结论相似又有所不同，本研究表明，3种灌溉模式下，干物质和氮素累积速率始盛期、高峰期和盛末期随施氮量的增加而提前，但快增期持续时间并没有随施氮量的增加明显缩短，甚至增加，相比于常规淹灌模式，浅湿灌溉和控制灌溉模式下水稻平均干物质累积速率快增期缩短1.59 d和1.42 d，平均氮素累积速率快增期缩短3.35 d和6.00 d，从干物质和氮素累积特征值看，节水灌溉处理具有快增期持续时间短和增长速率大的特征，更有利于水稻植株生长中期干物质和氮素累积。稻作控制灌溉模式，从抽穗开花期开始N3水平下植株干物质和氮素累积速率逐渐开始低于N2或N1水平，而成熟期水稻干物质累积量随施氮量的增加先增大后减小，氮素累积量随施氮量的增大而增大，说明水稻植株对氮素养分的空间竞争使其对氮素吸收存在阈值，植株氮素吸收过多并不会使水稻干物质量持续增加，反而会导致水稻减产和品质下降[27]。相同灌溉模式下，当施氮量为135 kg/hm2时，干物质和氮素累积速率明显减缓，高氮条件下，水稻对氮素的需求与氮肥养分释放速率不匹配，氮肥的高投入并没有带来高回报。此外，本文Logistic模型是以移栽后时间为自变量对水稻生长过程进行模拟分析，而年际间气候状况有所差异，单纯通过移栽后时间表示植株不同生长过程可能会产生偏差，由于水稻生育期内不同阶段植株干物质和氮素累积所需热量固定，一些专家学者用有效积温作为自变量对不同植株生长过程进行Logistic模拟[28]，并取得良好效果，但目前尚无统一方法进行植株Logistic生长过程模拟分析，这将是今后进一步的研究重点。

水稻产量是植株干物质积累、分配、运输和转化的结果，水氮利用效率则可以反映作物生产过程中的能量转化效率，也能衡量作物水氮限制条件下的生长适宜程度[29]。已有研究表明，一般情况下随着施氮量的增加，水稻产量、水分利用效率增加，而氮肥利用率降低[30]。本研究表明，施氮量在0～135 kg/hm2范围内，常规淹灌和浅湿灌溉模式下水稻产量和水分利用效率随着施氮量的增加而提升，控制灌溉模式下，当施氮量为135 kg/hm2时，水稻产量和水分利用效率呈下降趋势，同时，控制灌溉模式下施氮处理水稻产量和水分利用效率显著高于常规淹灌和浅湿灌溉模式，其原因在于控制灌溉模式可增强水稻根区通气性，改善稻田土壤条件，加速土壤有机质矿化，促使水稻产量提高，同时，控制灌溉模式降低了灌水频次和灌水量，田面不再长期建立水层，使得稻田渗漏量、蒸发量降低，田间蓄雨能力较常规淹灌和浅湿灌溉更高，径流量减小，雨水利用率提升，进而提升水分利用效率[31]。相同灌溉模式下，不施氮或低氮处理的氮肥偏生产力和氮素籽粒生产效率较高，但水稻产量和水分利用效率却显著低于适当的高施肥处理。因此，协调水稻产量和水氮利用效率之间的矛盾，应在维持较高产量的基础上，提升水氮利用效率，同时降低水稻营养体对氮素的过多吸收。

水稻植株中来自土壤的氮素与土壤肥力关系密切，衡量最佳水氮耦合处理，不仅要考虑水稻产量、氮素吸收和水氮利用效率，还需考虑土壤氮素盈亏状况。研究区黑土层厚度一般在53～58 cm之间，黑土区水稻吸收肥料氮素的比例远低于土壤氮素，本文将0～60 cm土体无机氮作为整体，研究土壤氮素表观平衡，不同水氮处理下土壤氮素盈亏量见图6。研究结果表明，相同施氮量下，不同灌溉模式对土壤氮素盈亏量的影响不显著(P>0.05)，在施氮量0、85 kg/hm2条件下，土壤氮素亏损，在施氮量110、135 kg/hm2条件下，土壤氮素盈余，施氮量为85～110 kg/hm2时土壤氮素盈亏出现临界点。在水稻生产中，土壤氮素高盈余意味着高的土壤氮素损失风险，这些氮素一部分残留在土壤中供后季作物吸收利用，另一部分则通过淋溶、氨挥发和反硝化等途径损失，增加了环境污染风险；土壤氮素长期亏损则会造成土壤退化，土壤氮素耗竭阻碍稻田系统可持续发展，因此，根据黑土区环境特征选择适宜水氮耦合模式，将土壤氮素盈亏控制在合理范围内极其重要。

4 结论

(1)水稻控制灌溉模式下，施氮处理地上部不同器官干物质累积量高于常规淹灌和浅湿灌溉，控制灌溉地上部各器官干物质累积量随施氮量的增加先增大后减小，施氮量为135 kg/hm2时抑制水稻干物质累积。相同灌溉模式下，水稻地上部不同器官氮素累积量随施氮量的增加而增大，相同施氮量，控制灌溉模式下叶、茎鞘和穗的氮素累积量较常规淹灌提高了27.80%～43.42%、18.32%～24.97%、13.85%～24.25%，较浅湿灌溉提高了0.96%～13.18%、10.73%～12.86%、10.53%～12.61%。

(2)水稻地上部干物质、氮素累积速率随移栽后时间的推进先增加后减小，平均氮素累积速率达到峰值时间比平均干物质累积速率达到峰值时间提前11.39 d。相同灌溉模式下，干物质、氮素累积始盛期随施氮量增加而提前，干物质、氮素累积速率随施氮量的增加而增大，施氮量为135 kg/hm2时，干物质、氮素累积速率明显减缓。相同施氮量下，控制灌溉模式干物质、氮素累积速率高于浅湿灌溉和常规淹灌。

(3)常规淹灌和浅湿灌溉模式水稻产量和水分利用效率随施氮量的增加而增大，控制灌溉模式水稻产量和水分利用效率随施氮量的增加先增大后减小，相同施氮量，控制灌溉模式水稻产量(CN0处理除外)和水分利用效率高于常规淹灌和浅湿灌溉模式，其中CN2处理水稻产量、IWUE和WUE均最大，分别为10 272.57 kg/hm2、3.14 kg/m3和2.04 kg/m3。控制灌溉模式可显著提升水稻氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力。

(4)相同灌溉模式下，水稻抽穗期至成熟期叶片和茎鞘氮素转运量随施氮量的增加先增大后减小，叶片氮素转运率高于茎鞘氮素转运率，叶片和茎鞘氮素转运率以及氮素转运贡献率随施氮量的增加而减小。相同施氮量，控制灌溉模式叶片和茎鞘氮素转运量以及穗部氮素增加量高于常规淹灌和控制灌溉。

(5)植株干物质、氮素累积量能够作为不同灌溉模式下衡量水稻产量的指示指标。水稻产量与灌溉水分利用效率、水分生产效率、氮肥农学利用效率、百千克籽粒吸氮量之间呈极显著正相关(P<0.01)，与氮素籽粒生产效率之间呈极显著负相关(P<0.01)。综合考虑水稻产量、氮素吸收、水氮利用效率和土壤氮素盈亏等方面，CN2处理为最佳水氮耦合模式。