农药减施条件下追施硅肥对水稻抗逆性及产量的影响

2021-09-10吴伊鑫黄奇伟叶木军梁永超彭红云

浙江大学学报（农业与生命科学版） 2021年4期

吴伊鑫，黄奇伟，叶木军，梁永超，彭红云

（浙江大学环境与资源学院，教育部污染环境修复与生态健康重点实验室，杭州 310058）

水稻是世界一半以上人口的主要食物来源，也是我国主要的粮食作物之一。水稻在整个生长期内都受到病虫害的侵染，其中稻飞虱、稻纵卷叶螟、稻瘟病、纹枯病是严重危害水稻生产的几种重要的病虫害[1-3]。水稻植株受病虫害侵染后会枯萎、倒伏，进而产量下降。因此，防治水稻病虫害对水稻生长和产量具有重要意义[4]。农药喷施是防治水稻病虫害的一项重要措施，然而长期使用农药会使病虫产生抗性，最终无法有效控制水稻病虫害的发生[5-6]。与此同时，农药残留造成的环境污染等问题，对人们的健康构成了极大的威胁，已成为全球性的健康问题[7-8]。因此，农药减量技术的研究对科学防治水稻病虫害、改善水稻生长发育具有重要意义。

硅（Si）是对大多数植物生长有益的元素，土壤溶液中的硅酸（H4SiO4）是植物吸收利用的主要形态，其浓度一般为0.1～0.6 mmol/L[9]。由于自然界中Si的大量存在，且由于Si缺乏引起的植物表型变化不明显，因此，以往的研究对Si 在植物生长发育过程中所起的作用重视程度不足[10]。现在，人们已经逐渐认识到Si具有促进作物生长、提高作物抗倒伏以及适应生物和非生物胁迫的能力，对提高作物的产量和品质具有重要作用[11]。

水稻是典型的喜Si 植物，其干物质中硅（SiO2）含量高达10%[12]，鞘叶中Si 含量可高达20%[13]。大量研究表明，Si在防治水稻病虫害方面发挥着重要作用。SEEBOLD等[14-15]发现，Si可以提高水稻对叶瘟、穗颈瘟等疾病的抗性。HAYASAKA等[16]研究表明，在水稻苗期施用5%的SiO2时，可以有效控制稻瘟病的发生。RODRIGUES等[17-18]发现，Si可以提高水稻对纹枯病的抗性。RANGANATHAN 等[19]认为，植物体内Si的积累为水稻提供了一层天然的机械屏障，可以抵抗昆虫的叮咬和咀嚼，从而提高水稻对三化螟和稻飞虱等害虫的抗性。此外，Si对水稻的生长发育也起着重要的作用。刘红芳等[20]研究表明，在高施氮水平下，Si能增大水稻基部茎粗，增加茎细胞层数和紧实度，从而提高水稻抗倒伏能力。陈刚等[21]通过田间试验发现，增施硅肥能够优化水稻穗部性状，协调源库关系，提高水稻结实率和千粒质量，从而提高水稻产量。

本研究以‘浙优21’水稻品种为材料进行田间试验，在正常施药和减药2种条件下，研究追施硅肥对水稻茎的形态性状及力学特性、水稻穗颈瘟发生情况、产量及其构成因子以及秸秆和籽粒中的养分含量的影响，探讨追施硅肥对水稻抗性和产量的增益作用，为水稻农药减施技术的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与试验材料

本试验于2018年6月—11月在浙江省嘉兴市平湖市周家浜农田（30°43′40″N，121°03′46″E）进行。试验土壤基本理化性质为pH 6.63、有机质31.53 g/kg、碱解氮152.60 mg/kg、有效磷19.50 mg/kg、速效钾102.37 mg/kg、有效硅（SiO2）148.83 mg/kg。

供试水稻品种：‘浙优21’，属三系籼粳杂交稻，为浙江省单季水稻栽培品种。供试农药：75%三环唑可湿性粉剂（wettable powder,WP），由江苏丰登作物保护股份有限公司生产。供试肥料：三元复混肥料（含23.4%N、9.0%P2O5、13.6%K2O）；硅肥，其中有效硅（SiO2）的质量分数为31.0%，钙（CaO）为28.7%，钾（K2O）为4.8%，镁为4.1%，平均粒径6.319 μm，比表面积0.95 m2/g，由内蒙古自治区乌兰察布市中材鼎原生态肥业有限公司提供。

1.2 试验设计

试验设置正常施药（375 g/hm275%三环唑WP，D1）和减药（225 g/hm275%三环唑WP，D2）2 种施药水平，每种施药水平含不追施硅肥（－Si）和追施硅肥（750 kg/hm2，＋Si）2 种硅肥处理，共4 个处理。本试验使用的基肥为三元复混肥料，每个处理的基肥均于水稻幼穗分化前同期一次性施入，用量均为750 kg/hm2。硅肥追施期为水稻拔节期。本试验所用农药为75%三环唑WP，第1次于水稻拔节期施用农药75 g/hm2，第2次于孕穗期施用农药150 g/hm2，第3次于齐穗期施用农药150 g/hm2。正常施药处理组设置3次施药，减药处理组减去第3次施药，保留其余2次施药（表1）。本试验采用随机区组设计，每个处理设3个重复（小区），共12个小区。每个小区面积为30 m2（5 m×6 m），小区之间用30 cm 高的田埂和薄膜分隔，田埂宽0.3 m，渠道宽0.5 m，过道宽0.2 m。小区周围留有保护行，保护行宽2 m，每个小区单独进排水。除试验处理不同外，各小区其他田间管理措施保持一致。

表1 各处理组的施肥和施药方式Table 1 Details of fertilization and pesticide application in each treatment

1.3 样品采集和处理

在水稻成熟期，于每个小区随机选取代表性植株20穴，统计每株有效穗数，并从中取10穴用于考察产量结构以及测量水稻株高、茎基宽、茎壁厚、茎秆抗折力等指标。将采集到的水稻植株及谷粒于105 ℃鼓风干燥烘箱中杀青30 min，然后降温至65 ℃烘干，用于分析植株和籽粒的养分含量。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 水稻茎秆形态性状和力学特性的测定

用2 m长的钢尺测量水稻植株基部至穗顶的长度，即为水稻的株高；用游标卡尺测量水稻基部第2节的茎壁厚和茎基宽；用YDD-1 茎秆强度测定仪（北京顺科达科技有限公司）测定水稻基部第2节的抗折力；参照崛内久满等的方法计算水稻的倒伏指数[22]，倒伏指数=弯曲力矩/抗折力×100，其中，弯曲力矩/（cm•g）=节间基部至穗顶长度/cm×该节间基部至穗顶部鲜质量/g×9.8×10－3。

1.4.2 水稻穗颈瘟发病情况的调查

对黄熟期水稻穗颈瘟的发病率和病情指数进行调查，调查方法和分级标准参照《稻瘟病测报调查规范》（GB/T 15790—2009）[23]。

1.4.3 水稻产量及其构成因子的测定

根据小区面积及田间状况，选择具有代表性且均匀分布的调查点，在每个小区内随机选取有代表性的植株20穴，统计有效穗数、每穗粒数、每穗实粒数和空粒数，并计算结实率，称量得到每个小区水稻的千粒质量。水稻理论产量/（kg/hm2）=有效穗数/（104hm－2）×每穗实粒数×千粒质量/g×10－6。水稻实际产量由各个小区独立收割水稻后分别称量而得。

1.4.4 水稻秸秆和籽粒总氮、总磷、总钾、硅含量的测定

采用硫酸-H2O2溶液消煮植物干燥样品；采用奈氏比色法测定总氮含量；采用钼蓝比色法测定总磷含量；采用火焰光度计法[24]测定总钾含量；采用戴伟民等[25]报道的分光光度计比色法测定水稻秸秆和籽粒中硅含量。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel 2016 和SPSS 25.0 对所得数据进行统计分析；采用邓肯新复极差法进行多重比较；采用Excel 2016进行绘图。

2 结果与分析

2.1 追施硅肥对水稻茎秆形态性状和力学特性的影响

2.1.1 追施硅肥对水稻茎秆形态性状的影响

从图1 中可以看出，不同处理下的水稻株高无显著差异。与不追施硅肥（－Si）相比，正常施药追施硅肥处理组（D1＋Si）的水稻基部第2节茎基宽增大8.97%，基部第2节茎壁厚增大10.53%；减药追施硅肥处理组（D2＋Si）的水稻基部第2节茎基宽增大17.39%，基部第2节茎壁厚增大9.43%。在这2种施药水平下，追施硅肥（＋Si）的水稻基部第2 节茎基宽和茎壁厚均显著大于不追施硅肥（－Si）。

图1 追施硅肥对水稻株高、基部第2节茎基宽和茎壁厚的影响Fig.1 Effects of topdressing of Si fertilizer on the plant height,the second stem base width and the second stem wall thickness of rice

2.1.2 追施硅肥对水稻茎秆力学特性的影响

由图2A 可知：追施硅肥（＋Si）的水稻基部第2节抗折力在正常施药D1和减量施药D2之间差异不显著；与正常施药且不追施硅肥（D1－Si）相比，减药且不追施硅肥处理组（D2－Si）的水稻基部第2节抗折力减小6.00%。与不追施硅肥（－Si）相比，正常施药且追施硅肥处理组（D1＋Si）的水稻基部第2节抗折力增大了26.71%，减药且追施硅肥处理组（D2＋Si）的水稻基部第2 节抗折力增大了33.67%。在这2 种施药水平下，追施硅肥（＋Si）的水稻基部第2节抗折力均显著大于不追施硅肥（－Si）。

倒伏指数是评价水稻植株抗倒伏能力的综合指标，倒伏指数越小，水稻植株的抗倒伏能力越强；反之，水稻植株的抗倒伏能力越弱。从图2B 中可知，在2种施药水平下，追施硅肥（＋Si）的水稻倒伏指数均显著低于不追施硅肥（－Si）处理。在相同施药水平下，与不追施硅肥（－Si）比较，D1＋Si 组的水稻倒伏指数降低13.29%，D2＋Si组的水稻倒伏指数降低14.04%，差异均达显著水平。

图2 追施硅肥对水稻基部第2节抗折力和倒伏指数的影响Fig.2 Effects of topdressing of Si fertilizer on the second stem breaking resistance and the lodging index of rice

2.2 追施硅肥对水稻穗颈瘟发生情况的影响

从表2 可知，在2 种施药水平下，追施硅肥（＋Si）处理的水稻穗颈瘟发病率均显著低于不追施硅肥处理的水稻穗颈瘟发病率。与不追施硅肥（－Si）相比，D1＋Si组的水稻穗颈瘟发病率降低了15.37%，D2＋Si 组的水稻穗颈瘟发病率降低了28.98%。减药与否对追施硅肥（＋Si）的水稻穗颈瘟发病率无显著影响。不追施硅肥（－Si）时，减药D2的水稻穗颈瘟发病率比正常施药D1提高17.95%。

在不同施药水平下，追施硅肥（＋Si）处理的水稻穗颈瘟病情指数均比不追施硅肥明显下降（表2）。与不追施硅肥（－Si）相比，D1＋Si组的病情指数降低了19.09%，D2＋Si 组的病情指数降低了23.11%。在同一硅水平下，与正常施药D1 相比，D2－Si组的病情指数提高了13.30%，D2＋Si组的病情指数提高了7.66%。与D1－Si 比较，水稻穗颈瘟防治效果为D1＋Si（19.11%）＞D2＋Si（12.88%）＞D2－Si（－13.29%）。

表2 各处理下水稻穗颈瘟发病情况Table 2 Incidence of rice ear neck blast under each treatment

2.3 追施硅肥对水稻产量及其构成因子的影响

从表3 可知，在2 种施药水平下，追施硅肥（＋Si）处理的水稻实际产量显著优于不追施硅肥（－Si）处理。在同一施药水平下，与不追施硅肥（－Si）相比，D1＋Si 组的水稻实际产量提高了3.33%，D2＋Si组的水稻实际产量提高了11.44%。追施硅肥（＋Si）时，正常施药D1和减量施药D2的水稻实际产量无显著差异；不追施硅肥（－Si）时，减量施药D2的水稻实际产量比正常施药D1的水稻实际产量降低7.36%。这说明追施硅肥可以显著提高水稻产量，追施硅肥时减药与否对水稻产量无显著影响，而不追施硅肥时，减药处理会显著降低水稻产量。

从产量构成因子可以看出，在2种施药水平下，追施硅肥处理的水稻有效穗数、每穗粒数、每穗实粒数、结实率和千粒质量均显著优于不追施硅肥处理（P＜0.05）。追施硅肥（＋Si）时，水稻产量各构成因子在正常施药D1 和减量施药D2 之间无显著差异。不追施硅肥（－Si）时，除了千粒质量在正常施药D1 和减量施药D2 之间无显著差异外，减量施药D2 的水稻有效穗数、每穗粒数、每穗实粒数和结实率均显著低于正常施药D1（表3）。

表3 各处理下水稻产量及其构成Table 3 Rice yield and its composition under each treatment

2.4 追施硅肥对水稻秸秆和籽粒养分含量的影响

从表4可知，在2种施药水平下，追施硅肥处理的秸秆总氮与不追施硅肥处理相比均有显著下降。在同一施药水平下，与不追施硅肥（－Si）相比，D1＋Si 组的秸秆总氮降低了4.64%，D2＋Si 组的秸秆总氮降低了3.03%。在不同施药水平下，追施硅肥处理的籽粒总氮与不追施硅肥相比均显著提高。在同一施药水平下，与不追施硅肥（－Si）相比，D1＋Si 组的籽粒总氮提高了5.71%，D2＋Si 组的籽粒总氮提高了7.22%。在不同施药水平下，追施硅肥处理的秸秆总磷和籽粒总磷比不追施硅肥处理均显著提高。在同一施药水平下，与不追施硅肥相比，D1＋Si 组的秸秆总磷和籽粒总磷分别提高了13.48%和13.26%，D2＋Si 组的分别提高了10.49%和9.96%。不同处理下的秸秆总钾和籽粒总钾均无显著差异。

从表4还可以看出，无论减药与否，追施硅肥处理的秸秆硅含量和籽粒硅含量与不追施硅肥处理相比均显著提高。在同一施药水平下，与不追施硅肥（－Si）相比，D1＋Si组的秸秆硅含量和籽粒硅含量分别提高了13.20%和18.65%，D2＋Si 组的分别提高了12.12%和17.48%。

表4 各处理下水稻秸秆和籽粒中的元素含量Table 4 Element contents of rice straw and seed under each treatment g/kg

2.5 水稻产量与病情指数、倒伏指数、茎秆形态和养分含量的相关性

表5 的相关分析结果表明：水稻产量与病情指数、倒伏指数呈极显著负相关，与秸秆总氮含量呈显著负相关，与茎基宽、茎壁厚、秸秆硅含量、籽粒总磷和籽粒硅含量呈极显著正相关，与秸秆总磷含量和籽粒总氮含量呈显著正相关，与株高、秸秆总钾、籽粒总钾含量均无显著相关性。由此表明，水稻茎基宽、茎壁厚越大，秸秆总磷和秸秆硅含量越高，则水稻抗倒伏能力越强。水稻籽粒硅含量越高，秸秆总氮含量越低，抗倒伏能力越强，则水稻越不易感病。水稻籽粒总氮和籽粒总磷含量越高，抗倒伏能力越强，越不易感病，则水稻产量越高。

3 讨论

大量研究表明，硅的施用可以提高水稻的抗倒伏性[20,26-29]。本试验结果表明，追施硅肥对提高水稻茎秆的抗折力、降低倒伏指数、增强水稻抗倒伏性有显著作用。在本试验中，追施硅肥后水稻基部第2 节茎基宽和茎壁厚均显著增大，水稻的抗倒伏性与水稻茎基宽和茎壁厚均呈极显著正相关，这与关玉萍等[30]的研究结果一致。水稻株高对其抗倒伏性的影响，在不同研究者之间还存在一定分歧。有研究认为，株高与倒伏指数呈正相关[31-32]，也有研究认为株高与倒伏指数的相关性不显著[30,33]。在本试验中，追施硅肥对水稻株高无显著影响，水稻倒伏指数与株高的相关性也不显著，这可能是因为试验所选水稻为高秆型水稻，水稻株高与抗倒伏性的关系存在品种间的差异。

国内外的一些研究证实，硅可以提高水稻抗病性[14-16,34-37]。NANDA 等[38]研究认为，硅调控水稻抗病性的机制是硅在水稻表皮组织中沉积，形成硅化细胞和角质双硅层，使组织硅质化，阻碍了病原菌的入侵和扩张。而HAYASAKA等[39]则认为，水稻表皮内并没有形成硅化细胞，硅化细胞的出现只能作为植物吸收和积累硅量的指示。SUN 等[40]提出，硅对稻瘟病的防御不能只归因于物理防御机制，施硅处理可以提高感病水稻叶片的过氧化氢酶活性，从而降低过氧化氢的累积和脂质过氧化反应，最终提高水稻对真菌菌丝的防御能力。RODRIGUES等[41]首次在分子水平上研究了硅的抗病机制，认为硅增强了稻瘟病易感水稻中与抗病性密切相关的过氧化物酶基因的转录水平。BRUNINGS等[42]发现，施硅在水稻对病害胁迫的应答中发挥了预调控作用，并在转录水平上影响了水稻对真菌侵染的应答。本试验结果表明，追施硅肥能显著降低稻瘟病的发病率和病情指数，一方面可能是因为在水稻表皮组织中的硅沉积、硅化细胞的形成，起到了机械屏障的作用；另一方面可能是硅可以提高水稻抗病性相关酶的活性，从而提高了水稻的抗病性。

本试验结果表明，追施硅肥可以显著提高籽粒总氮、总磷、硅含量和秸秆总磷、硅含量，而对秸秆和籽粒总钾含量均无影响，这可能是由于硅能有效促进水稻对硅、磷的吸收，促进氮向籽粒转移[43-44]。在本试验中，追施硅肥显著降低了水稻秸秆中的总氮含量，水稻茎叶中总氮含量与水稻穗颈瘟病情指数呈正相关，这与唐旭等[45]的研究结果一致。

表5水稻病情指数、倒伏指数、茎秆形态、养分含量与水稻产量的相关性分析Table 5 Correlation relationships among rice disease index,lodging index,stem shape,nutrient content and rice yield

大量研究表明，施硅在一定程度上可以提高水稻产量[21,46-48]，而硅肥对水稻产量构成要素的影响，不同研究者的结论不尽相同。杨楠[49]认为，不同硅肥处理对产量构成要素中的每穗粒数和千粒质量无显著影响，但对每平方米有效穗数和结实率有显著影响。李卫国[50]发现，硅元素主要通过影响千粒质量、结实率、每穗粒数、有效穗数促进水稻产量的形成。在本试验中，追施硅肥显著提高了水稻产量，且追施硅肥处理的水稻有效穗数、每穗粒数、实粒数、结实率和千粒质量均相较不追施硅肥处理显著增大，这与李卫国[50]的研究结果一致。