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吴云艳
（辽东学院农学院，辽宁 丹东 118003；
作者：282833594@qq.com）
水稻是世界上最主要的粮食作物之一，有近50%的人口以稻米为主食。随着生活水平的提高，稻米供给由“量”的需求转向“质”的需求，生产安全、优质的稻米成为水稻产业发展的主要趋势。水稻品种越光具有品质好、适口性强等特点，在辽宁丹东地区广泛种植，其品质可以与日本原产地的越光稻米媲美。越光米质虽好，但极易倒伏，也被称为“日本倒”。7月中旬至9月中旬是辽宁省丹东地区降雨集中期，此时恰逢当地水稻抽穗灌浆，大量降雨极易造成水稻倒伏，严重影响水稻产量和品质[1]。倒伏是水稻机械收割的重要限制因素。如何提高抗倒伏性已经成为越光在丹东地区生产中亟待解决的问题。
研究表明，生物炭能提高水稻抗倒伏性，但不同生物炭对水稻抗倒伏效果存在差异[2-4]。硅是植物所需的中微量元素之一，相关研究表明，硅肥不仅可以使农作物大幅度增产，而且可以明显改善农作物的抗倒伏性、抗病能力和提高产量[5]。单施生物炭或硅肥对水稻茎秆理化特性的影响已有研究，但二者耦合对水稻抗倒伏特性影响的相关研究报道较少。本试验以越光为材料，研究了不同花生壳生物炭与硅肥配施处理对水稻抗倒伏特性、茎秆强度、化学物质含量、酶活性的影响及相互关系，以为越光在丹东地区的抗倒栽培提供理论依据和技术支持。
1.1 试验材料
参试水稻品种为越光。
1.2 试验设计
试验于2021年在辽宁省丹东前阳镇试验田进行，试验田土壤肥力中等，雨水灌溉。试验采用二因素裂区试验设计，设生物炭（C）、硅肥（Si）两个因素。其中，生物炭设3个水平：0、7.5、15 t/hm2，分别记为C0、C1、C2；
硅肥设3个水平：不施用硅肥、硅肥基施45 t/hm2（以SiO2量来计算）、硅肥基施45 t/hm2+叶面喷施硅肥（0.02%），分别记为Si0、Si1、Si2。小区面积9 m2，8行区（小区间用塑料挡板隔离，每个小区单独灌排水）。4月15日播种，营养土保温旱育苗，5月19日移栽，株行距16.7 cm×33.3 cm。肥料施用：尿素390 kg/hm2，按基肥、蘖肥、穗肥5∶3∶2的比例施入；
磷钾肥作基肥一次施入，磷肥为过磷酸钙，用量390 kg/hm2，钾肥为氯化钾，用量127.5 kg/hm2；
硅肥叶面喷施：于齐穗期和齐穗期后7 d各喷施1次。日常管理同大田生产。
1.3 测定指标及方法
1.3.1 茎秆性状和强度
水稻灌浆20 d，在每个小区随机割取10株水稻主茎茎秆，用游标卡尺测量基部3节节粗，用直尺测定基部3节节长。采用YYD-1型植物茎秆强度测定仪测定水稻茎秆抗折力、茎秆组织结构强度和茎秆抗压强度，同时调查各小区水稻倒伏面积率。
弯曲力矩（cm·g）=节间基部至穗顶的长度（cm）×该节间基部至穗顶的鲜质量（g），倒伏指数（cm·g·N-1）=弯曲力矩（cm·g）/抗折力（N）。
1.3.2 茎秆中化学物质含量
水稻灌浆20 d，从每个小区中选取单茎分别于105℃杀青后，在80℃条件下烘干至恒质量，并用高速粉碎机磨碎后过80目筛待用。纤维素、木质素用FOSS公司Fibertec TMM61020/1021型纤维素测定仪测定。可溶性糖和淀粉含量采用蒽酮比色法。
1.3.3 茎秆木质素合成关键酶活性
水稻灌浆20 d，每个小区采集典型植株10株，将去除茎鞘的基部第1、第2节间后放入液氮中速冻，带回实验室放入-20℃的冰箱中保存，用于苯丙氨酸解氨酶（PAL）[6]、酪氨酸解氨酶（TAL）[7]、4-香豆酸:CoA连接酶（4CL）[8]和肉桂醇脱氨酶（CAD）[9]活性的测定。
1.3.4 产量及产量构成因素
水稻成熟后根据田间长势长相，在各小区内选取有代表性连续6丛植株，在实验室风干后进行考种。小区剩余植株收获风干后测产。
1.4 数据分析
采用Excel和DPS 8.01软件进行数据处理与分析。
2.1 不同炭硅处理对水稻茎秆形态和强度的影响
由表1可见，随着基部节间节位的升高，水稻节间长呈增加趋势，而节间粗则降低；
施用了生物炭或硅及炭硅配施的处理均降低了水稻的节间长度，并使节间变粗，但不同处理的影响效果存在差异。其中，C1Si2处理对水稻基部第1、第2和第3节节长和节粗的影响最大，节长比CK（C0Si0）分别显著降低21.99%、17.33%和14.23%，节粗分别比CK显著增加12.90%、16.00%和16.67%。可见，炭硅配施抑制了水稻茎秆纵向生长，促进其横向生长。
表1 不同炭硅处理水稻节长和节粗 （单位：cm）
由图1可知，不同炭硅处理水稻茎秆抗折力较CK均有增加。其中，C1Si2处理水稻基部第1、第2和第3节间茎秆的抗折力比CK显著增加150.08%、59.64%和43.78%；
C1Si1处理水稻基部第1节茎秆的抗折力比CK显著提高121.93%，基部第2节间和第3节间茎秆抗折力分别比CK提高28.46%和29.23%；
C0Si2处理第1、第2和第3节间茎秆的抗折力分别比CK提高106.30%、26.59%和23.13%，C2Si2处理分别比CK提高94.74%、22.94%和21.89%，C2Si1处理分别比CK提高89.15%、20.13%和14.55%。对水稻茎秆第1节组织结构强度影响最大的是C1Si2处理，比CK增加72.66%，其次是C1Si1处理比CK增加47.63%，C2Si2处理比CK增加36.94%，与CK之间的差异均达显著水平。水稻第2节茎秆组织结构强度与CK相比增幅较大的处理为C1Si2、C2Si2和C1Si1，增幅为41.40%～61.37%，差异均达显著水平。C1Si2、C1Si1和C2Si2处理第3节间茎秆的组织结构强度比CK分别显著增加47.96%、36.12%和27.96%。不同炭硅处理对基部第2和第3节的茎秆抗压强度影响较大，均显著高于CK，C1Si2和C1Si1处理水稻的基部第2节的茎秆抗压强度分别比CK显著增加78.08%和67.72%；
C1Si2处理水稻基部第1、第2节间的茎秆抗压强度分别比CK显著增加21.20%和46.27%。
图1 不同炭硅处理对水稻茎秆强度的影响
2.2 不同炭硅处理对水稻倒伏指数、倒伏面积率的影响
由图2可知，水稻第1、第2和第3节的倒伏指数均以CK最高、C1Si2处理最低。C1Si2、C2Si2、C2Si1、C1Si1处理第1、第2和第3节的倒伏指数与CK相比分别下降36.42%～22.18%、30.19%～17.11%和26.83%～15.37%。由图2可知，成熟期水稻倒伏面积以CK最大，达到了30.2%，是C1Si2处理的3.6倍、C1Si1处理的2.3倍，差异显著。试验结果表明炭硅共施提高了水稻的抗折力、组织结构强度、抗压强度，降低了水稻的倒伏指数，抗倒伏能力提高。
图2 不同炭硅配施处理对水稻倒伏指数和倒伏面积率的影响
由表2可知，节长与倒伏指数和倒伏面积率呈显著正相关；
节粗和茎秆抗折力与倒伏指数和倒伏面积率呈极显著负相关；
组织结构强度、抗压强度与倒伏指数极显著负相关，与倒伏面积率显著负相关。
表2 茎秆物理性状、强度与倒伏指数、倒伏面积率的关系
2.3 不同炭硅配施处理对茎秆化学成分的影响
由表3可见，C1Si2、C2Si2、C2Si1和C1Si1处理水稻茎秆的淀粉含量显著高于其他处理，但处理之间差异不显著；
炭硅共施明显提高了水稻茎秆中的纤维素和木质素含量，其中C1Si2处理的增幅最大，分别比CK增加11.66%和46.72%，差异达显著水平。相关分析（表4）表明，茎秆淀粉含量和纤维素含量与茎秆强度呈显著正相关，与倒伏指数和倒伏面积率呈显著负相关；
木质素含量与茎秆强度呈极显著正相关，与倒伏指数和倒伏面积率呈极显著负相关。表明茎秆木质素含量与茎秆抗倒伏能力密切相关，木质素含量高，水稻茎秆抗倒伏能力强。
表3 不同处理对水稻茎秆化学成分的影响 （单位：%）
表4 水稻茎秆化学成分与茎秆强度、倒伏指数和倒伏面积率的相关关系
2.4 不同炭硅处理对茎秆木质素合成关键酶活性的影响
由图3可见，不同炭硅处理对木质素合成关键酶活性的影响有较大差异。炭硅配施处理明显提高了水稻茎秆苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性，其中C1Si2处理的增幅最大，是CK的1.9倍，差异显著；
炭硅配施处理明显提高了水稻茎秆酪氨酸解氨酶（TAL）活性，均显著高于CK，其中C1Si2和C2Si2处理分别增加30.65%和25.81%，与其他处理相比差异达到显著水平；
炭硅处理对水稻茎秆4-香豆酸：CoA连接酶（4CL）活性的影响较小，仅C1Si2处理显著高于CK。C1Si2和C2Si2处理的肉桂醇脱氨酶（CAD）活性分别比CK显著提升37.93%和34.48%，与其他配施处理间差异亦达显著水平。
图3 不同处理PAL、TAL、4CL和CAD活性
相关分析（表5）表明，木质素含量与PAL、TAL、4CL和CAD活性显著正相关，相关系数分别为0.76、0.87、0.97和0.87，表明茎秆PAL、TAL、4CL和CAD活性的提高是木质素含量增加的酶学基础。酶活性的增加，提高了木质素的含量，进而提高了水稻茎秆强度，降低了水稻的倒伏指数和倒伏面积率。
表5 木质素关键酶与木质素含量、茎秆强度、倒伏指数和倒伏面积率的关系
2.5 不同炭硅配施处理对水稻产量的影响
由表6可见，生物炭和硅肥施用对水稻有效穗数影响显著，各配施处理的有效穗数较CK显著增加。从产量构成来看，C1Si2处理在有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒重上均显著高于其他处理。C1Si2处理实测产量最高，比CK显著增加25.60%。
表6 不同处理的水稻产量
3.1 不同炭硅处理对水稻抗倒伏的影响
水稻倒伏一般发生在籽粒灌浆的中后期，受基部第1、第2节影响较大[10]，是倒伏的主要位置[11]，缩短基部第1和第2节间长度能有效提高水稻抗倒伏能力。生物炭的施用可以增加水稻茎粗[12]，缩短水稻基部节间长度[13]，降低水稻倒伏面积。苗智英等[14]研究了不同生物炭处理对水稻抗倒伏能力及产量的影响时发现，生物炭通过改善水稻茎秆基部性状而增强水稻茎秆的抗倒伏能力。杨青川等[15]发现，施用玉米秸秆生物炭提高了水稻茎秆的茎粗和茎壁厚，进而显著提高水稻抗折力。不同种类生物炭性质不同，对作物的抗倒伏性影响也不同。本研究表明，花生壳生物炭和硅肥配施显著降低了水稻基部第1、第2和第3节节间长，同时增加了茎粗，明显降低了水稻的倒伏指数和倒伏面积率，这与前人的研究结果基本一致。相关分析表明，水稻的倒伏指数、倒伏面积率与茎秆强度极显著负相关。各处理中，基施7.5 t/hm2生物炭和45 kg/hm2硅肥，并叶面喷施0.02%硅肥的处理水稻茎秆抗折力、组织结构强度和抗压强度表现最优，倒伏指数和倒伏发生面积最小。
水稻茎秆由纤维素、木质素、糖类等构成，茎秆的化学成分对茎秆的机械强度有影响[16-17]。纤维素含量与抗倒伏性极显著正相关[18]；
木质素是次生细胞壁重要组分，填充于纤维素结构之间的空间，可增强植株的机械强度[19]，基部节间的总木质素含量与茎的抗倒伏性呈正相关[20]。本研究表明，花生壳生物炭与硅肥配施显著提高了茎秆中的淀粉、纤维素和木质素含量，进而提高了茎秆的物理强度，降低了水稻的倒伏面积率，这与前人研究结果基本一致。同时，本研究发现，木质素含量与PAL、TAL、4CL和CAD活性呈显著正相关关系，而有研究发现，木质素含量与PAL、TAL和CAD酶活性呈显著正相关，与4CL酶活性相关不显著[14]，这可能与所选取的试验材料及处理方式不同有关。
3.2 不同炭硅配施处理对水稻产量的影响
梁传斌等[21]研究结果显示，适当提高生物炭施用量可提高水稻产量。邢钰媛等[22]发现，增温条件下，施用生物炭可促进水稻光合作用，实现增产。生物炭施用提高水稻产量的主要原因可能是由于提高了磷钾利用率[23]。生物炭吸附性较强，能够降低水稻生育前期营养元素的流失，提高肥料利用率[24]，增加土壤有机质、有效磷和速效钾含量[25-27]，增强水稻抗倒伏性，提高水稻产量。硅肥的施用增加了水稻库容量、源强度及源库比[28]，进而提高水稻产量[29]。本研究结果表明，不同炭硅处理对水稻产量构成因素的影响有一定差异，其中C1Si2处理显著提高了水稻的有效穗数，有效穗数的增加是水稻增产的主要因素之一，C1Si2处理实测产量较CK增加25.60%。
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