水氮聯(lián)合管理對稻田產(chǎn)量及水肥利用效率的影響

楊士紅++孫瀟++朱艷++徐俊增

摘要：基于田間試驗(yàn)資料，分析不同水氮聯(lián)合管理對稻田產(chǎn)量及水肥利用效率的影響。結(jié)果表明，與常規(guī)灌溉稻田相比，節(jié)水灌溉在保證水稻產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下，大幅減少稻田的灌水量與耗水量，植株吸氮量略有增加，水、氮利用效率分別提高47.30%、6.47%；實(shí)地氮肥管理降低了植株的吸氮量，氮肥利用率顯著提高26.50%；節(jié)水灌溉與實(shí)地氮肥聯(lián)合應(yīng)用可明顯減少水、氮的投入，產(chǎn)量減少不顯著，水、氮利用效率較常規(guī)水肥管理稻田顯著提高4339%、34.72%。

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉；實(shí)地氮肥管理；水稻；氮素積累總量；水肥利用效率；產(chǎn)量

中圖分類號： S511.06文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0123-03

收稿日期：2015-09-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：51209066、51579070）；中央高校業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（編號：2014B17114）；江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

作者簡介：楊士紅（1983—），男，副教授，主要從事節(jié)水灌溉與農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)研究。E-mail：ysh7731@hhu.edu.cn。水稻是我國主要糧食作物之一，2013年全國水稻種植面積為3 031.18 萬hm2，占糧食作物總種植面積的27.1%，水稻產(chǎn)量占糧食作物總產(chǎn)量的33.83%[1]。為緩解日益尖銳的農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾，20世紀(jì)90年代以來，各種水稻節(jié)水灌溉技術(shù)得到大面積推廣應(yīng)用，并取得顯著的節(jié)水效果[2]。與此同時(shí)，在我國水稻生產(chǎn)中，片面追求高產(chǎn)而過量施用化肥引起的農(nóng)業(yè)面源污染問題日益受到關(guān)注[3-8]。因此，改進(jìn)施肥技術(shù)在水稻生產(chǎn)中得到研究應(yīng)用[9-12]。實(shí)地氮肥管理是改進(jìn)施肥技術(shù)的一種，在保證水稻產(chǎn)量的同時(shí)，可減少氮肥投入以及氮肥損失引起的農(nóng)業(yè)面源污染[13-14]。國內(nèi)外學(xué)者針對實(shí)地氮肥應(yīng)用對水稻生長、氮肥利用及損失等影響進(jìn)行了大量研究[15-20]，但大多針對淹水灌溉稻田。在節(jié)水灌溉條件下，稻田水分狀況會(huì)發(fā)生改變，稻田土壤肥力、水稻吸收養(yǎng)分的能力以及水稻生長發(fā)育與產(chǎn)量必然發(fā)生變化，節(jié)水灌溉與實(shí)地氮肥聯(lián)合應(yīng)用對水稻生長及肥料在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化等有待深入研究。本研究基于現(xiàn)場試驗(yàn)，揭示節(jié)水灌溉與實(shí)地氮肥管理聯(lián)合應(yīng)用對水稻產(chǎn)量、植株吸氮量及水肥利用效率的影響，旨在為提出稻田合理的水肥管理模式、提高水肥利用效率、減少農(nóng)業(yè)面源污染提供科學(xué)的依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2008—2010年在河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山試驗(yàn)研究基地進(jìn)行，該基地位于34°63′21″ N、121°05′22″ E，屬亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15.5 ℃，年降水量1 097.1 mm，年蒸發(fā)量1 365.9 mm，日照時(shí)數(shù)2 085.9 h，平均無霜期234 d。土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤為重壤土，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別為21.88、1.08、1.35、20.86 g/kg，pH值為7.4，0～30 cm土壤容重1.32 g/cm3。試驗(yàn)區(qū)實(shí)行稻麥輪作。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，采取2種灌水方式：淹水灌溉，簡稱淹灌，記為F；控制灌溉，簡稱控灌，記為C；2種施肥方式：實(shí)地氮肥管理（SSNM）；農(nóng)民習(xí)慣施肥管理（FFP）。試驗(yàn)設(shè)計(jì)4個(gè)處理，分別為FS（淹灌、實(shí)地氮肥管理）、FF（淹灌、習(xí)慣施肥管理）、CS（控灌、實(shí)地氮肥管理）、CF（控灌、習(xí)慣施肥管理）。重復(fù)3次。每小區(qū)面積為150 m2，長、寬分別為20、7.5 m，各小區(qū)之間從田埂邊向地下內(nèi)嵌50 cm深的塑料防滲膜，防止小區(qū)間的水分交換。

水稻常規(guī)灌溉模式按當(dāng)?shù)厮痉N植習(xí)慣管理，除分蘗后期排水曬田和黃熟期自然落干外，其余各生育階段田間均保留3～5 cm水層。水稻控制灌溉模式是在秧苗本田移栽后，田面保留淺薄水層返青，其后各生育階段的灌水田面均不建立水層，以根層土壤水分為控制指標(biāo)，確定灌水時(shí)間和灌水定額[21]。農(nóng)民習(xí)慣施肥管理是根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的習(xí)慣施肥方法和施肥量進(jìn)行施肥（表1）。實(shí)地氮肥管理是以葉綠素相對含量（SPAD）值作為控制指標(biāo)，對水稻供氮進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整[22-23]。各處理2008年、2009年均分別施用56.25 kg/hm2的磷肥和鉀肥；2010年施用36 kg/hm2磷肥和51 kg/hm2鉀肥。

1.3測定項(xiàng)目與測定方法

稻季末，各處理取2株有代表性的植株，分別測定植株莖、葉片、葉鞘、穗、根系及總干物質(zhì)的質(zhì)量。干物質(zhì)樣品裝入信封，編號；粉碎，經(jīng)濃H2SO4-H2O2消煮，采用靛酚藍(lán)比色法測定全氮含量。各小區(qū)單打單收，分別裝袋；曬干，測定質(zhì)量。

各小區(qū)灌溉管道安裝水表，測量每次灌溉水量；采用豎尺，每天測量田面水層深度。田間排水量根據(jù)排水前后田間水層變化計(jì)算。各小區(qū)的根系觀測層預(yù)埋TDR探頭，在田間無水層時(shí)，每天利用美國Soil Moisture公司產(chǎn)Trease系統(tǒng)觀測不同土層的土壤體積含水率。采用澳大利亞ICT公司生產(chǎn)的自動(dòng)氣象站監(jiān)測降水時(shí)間及降水量。田間耗水量通過水量平衡方程計(jì)算[24]。統(tǒng)計(jì)水分生產(chǎn)效率（WUEWC）、氮肥吸收利用率（RE），計(jì)算公式為：

WUEWC=EY/WC

，

式中，EY為實(shí)際產(chǎn)量，WC為耗水量。

RE=（施氮區(qū)作物氮素積累量-氮空白區(qū)作物氮素積累量）/施用總氮量×100%。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與制圖

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003、SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Microsoft Excel 2003繪制圖表。

2結(jié)果與分析

2.1水氮聯(lián)合管理對水稻產(chǎn)量的影響

由表2可見，控制灌溉可明顯減少水稻的用水量，實(shí)地氮肥管理可明顯降低稻田的氮肥施用量，但水稻產(chǎn)量的增減影響不顯著，且不同年份對水稻產(chǎn)量的影響基本一致；農(nóng)民習(xí)慣施肥管理?xiàng)l件下，2008—2010年控制灌溉的水稻產(chǎn)量分別為6 956.43、9 889.74、9 359.23 kg/hm2，與常規(guī)灌溉相比，2008、2009年水稻產(chǎn)量分別降低2.87%、4.32%，2010年增加 1.04%；實(shí)地氮肥管理?xiàng)l件下，2008、2009年控制灌溉的水稻產(chǎn)量分別為6 603.90、9 648.97 kg/hm2，分別較常規(guī)灌溉降低5.00%、3.36%，較農(nóng)民習(xí)慣施肥管理分別降低7.79%、6.64%，2010年控制灌溉的水稻產(chǎn)量為9 168.53 kg/hm2，較常規(guī)灌溉稻田增加1.12%、較農(nóng)民習(xí)慣施肥管理降低 1.02%。3年試驗(yàn)結(jié)果表明，不同氮肥管理?xiàng)l件下，節(jié)水灌溉的水稻平均產(chǎn)量為8 604.47 kg/hm2，較常規(guī)灌溉水稻降低189.43 kg/hm2，下降幅度為2.15%，影響不顯著；不同水分管理?xiàng)l件下，實(shí)地氮肥管理稻田的水稻平均產(chǎn)量為 8 570.68 kg/hm2，較農(nóng)民習(xí)慣施肥管理水稻產(chǎn)量降低 257.01 kg/hm2，下降幅度為2.91%；控制灌溉與實(shí)地氮肥管理相結(jié)合的水氮聯(lián)合調(diào)控的稻田，其水稻平均產(chǎn)量為 8 473.80 kg/hm2，較常規(guī)水肥管理稻田降低5.00%。

2.2水氮聯(lián)合管理對水稻水分生產(chǎn)效率的影響

由表2可見，2008—2010年，節(jié)水灌溉稻田的灌水量與耗水量較常規(guī)灌溉稻田有明顯降低，控制灌溉稻田3年的平均灌水量與耗水量分別為318.43、791.81 mm，分別較常規(guī)灌溉稻田減少55.32%、33.71%，節(jié)水灌溉水稻的水分生產(chǎn)效率明顯高于常規(guī)灌溉水稻；農(nóng)民習(xí)慣施肥管理?xiàng)l件下控制灌溉水稻的平均WUEWC值為1.11 kg/m3，較常規(guī)灌溉水稻提高48.00%；實(shí)地氮肥管理?xiàng)l件下控制灌溉水稻的平均WUEWC值為1.08 kg/m3，較實(shí)地氮肥常規(guī)灌溉、習(xí)慣水肥管理水稻的平均WUEWC值分別提高47.95%、43.39%；控制灌溉不同氮肥管理水稻的平均WUEWC值為1.09 kg/m3，較常規(guī)灌溉水稻提高47.30%；不同水分管理?xiàng)l件下，實(shí)地氮肥管理水稻的平均WUEWC值為0.91 kg/m3，較農(nóng)民習(xí)慣施肥管理的水稻降低

2.15%。因此，節(jié)水灌溉與實(shí)地氮肥管理的水氮聯(lián)合調(diào)控，可明顯提高水稻的水分利用效率，其中，水分對水稻的水分利用效率影響相對較大，氮肥管理方式影響則相對較小。

2.3水氮聯(lián)合管理對水稻吸氮量的影響

由表3可見，相同氮肥管理?xiàng)l件下，控制灌溉水稻的氮素積累總量要大于常規(guī)灌溉水稻，但相互間影響不顯著，實(shí)地氮肥管理稻田的水稻氮素積累總量顯著低于農(nóng)民習(xí)慣施肥管理的水稻，降低幅度為17.91%～30.57%；農(nóng)民習(xí)慣施肥管理?xiàng)l件下，2008—2010年控制灌溉水稻的氮素積累總量分別為184.27、179.19、175.64 kg/hm2，分別較常規(guī)灌溉水稻增加 3.63%、1.68%、2.76%；實(shí)地氮肥管理?xiàng)l件下，控制灌溉水稻的氮素積累總量分別為127.94、147.10、140.04 kg/hm2，分別較常規(guī)灌溉水稻增加2.94%、2.11%、0.35%；節(jié)水灌溉與實(shí)地氮肥聯(lián)合管理水稻的3年平均氮素積累總量為 138.36 kg/hm2，較常規(guī)水肥管理的水稻降低20.93%。

2.4不同水氮聯(lián)合管理稻田氮肥利用率差異

由表4可見，不同氮肥管理?xiàng)l件下，控制灌溉的水稻氮肥吸收利用率為33.19%～48.29%，明顯高于常規(guī)灌溉稻田的31.02%～45.47%，平均升高6.47百分點(diǎn)；水稻氮肥吸收利用率隨施肥量的增加而降低，處理間差異顯著（P<0.05），實(shí)地氮肥管理顯著提高水稻的氮肥吸收利用率；2008年農(nóng)民習(xí)慣施肥管理稻田的氮肥施用量相對最大，其氮肥吸收利用率最低，常規(guī)灌溉、控制灌溉分別為31.02%、33.19%，2009、2010年稻田的氮肥施用量有所降低，2010年農(nóng)民習(xí)慣施肥管理稻田全生育期的氮素施用量僅為 302.70 kg/hm2（表1），但水稻氮肥吸收利用率仍未超過40%，這可能是由于蘇南地區(qū)水稻生產(chǎn)過程中，農(nóng)民習(xí)慣施氮量處于較高水平，現(xiàn)階段氮肥的大量投入并未導(dǎo)致水稻植株的大量吸收，大量的氮素通過氨揮發(fā)、徑流及淋溶等途徑進(jìn)入大氣、地下及地表水體，也進(jìn)一步造成大氣污染及周圍水環(huán)境的富營養(yǎng)化；實(shí)地氮肥的應(yīng)用顯著提高稻田的氮肥利用率，2008、2009年實(shí)地氮肥管理的水稻氮肥吸收利用率分別為44.19%、45.47%，與常規(guī)灌溉、習(xí)慣施肥管理相比分別顯著提高13.17、9.66百分點(diǎn)，2010年實(shí)地氮肥管理的水稻氮肥吸收利用率為39.75%，較常規(guī)灌溉、習(xí)慣施肥管理的水稻提高3.38百分點(diǎn)；控灌、實(shí)地氮肥管理的水稻與控灌、習(xí)慣施肥管理的水稻相比，2008、2009年氮肥吸收利用率分別顯著提高了14.66、10.90百分點(diǎn)，2010年提高了2.71百分點(diǎn)，影響不顯著；優(yōu)化施肥管理與節(jié)水灌溉的聯(lián)合調(diào)控顯著提高水稻的氮肥吸收利用率，與常規(guī)水肥管理稻田相比，節(jié)水灌溉與實(shí)地氮肥管理相結(jié)合的水肥聯(lián)合調(diào)控稻田氮肥吸收利用率升高幅度為34.72%。

3結(jié)論

控制灌溉可大幅度節(jié)水，促進(jìn)水稻植株對氮素的吸收，水分利用率和氮肥吸收利用率均明顯提高，但對水稻產(chǎn)量的增減影響不顯著。以田間耗水量計(jì)算，控制灌溉稻田的水分生產(chǎn)效率較常規(guī)灌溉稻田提高47.30%；控制灌溉的稻田氮素利用率為33.19%～48.29%，較常規(guī)灌溉稻田平均提高6.47百分點(diǎn)。實(shí)地氮肥管理降低了植株的吸氮量，水稻氮肥利用率得到顯著提高，常規(guī)灌溉下，實(shí)地氮肥管理水稻較農(nóng)民習(xí)慣性施肥管理水稻的氮素吸收率降低2.69%，氮肥利用效率顯著提高26.24%；節(jié)水灌溉下，水稻氮素吸收率降低 1.80%，氮肥利用效率顯著提高26.75%。節(jié)水灌溉、實(shí)地氮肥的應(yīng)用大可幅減少水分和氮素的投入，抑制了水稻對氮素的奢侈吸收，較常規(guī)水肥管理水稻的水分生產(chǎn)效率提高 43.39%，氮素利用率提高34.72%，顯著提高了水稻的水分生產(chǎn)效率和氮肥吸收利用率。

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