不同水肥耦合水稻溫室效應及氮素利用率研究

昝 鵬，陳燕萍

(四川水利職業技術學院，成都 610000)

水稻的播種面積占糧食作物總量的42%，是中國的主要糧食作物之一[1]。水與化肥是水稻生長的主要因子，根據聯合國糧農組織FAO(Food and Agriculture Organization of the United )對世界范圍內41個國家化肥用量的調查報告顯示，化肥在糧食增產中的作用達60%以上[2]。但水肥不合理的施用不僅會浪費水資源，而且會導致水體富營養化，隨降水的擴散，甚至會造成大面積的農業面源污染，對生態環境造成巨大的危害[3,4]。中國是世界上13個貧水國之一，水資源的利用率極低，許多地區為達到高產大量消耗水資源，導致地下水位嚴重下降，水資源過度浪費。以氮肥為例，其不合理施用，將會導致水稻抗倒伏能力下降、病蟲害多發及水稻減產[5]。水肥耦合是指根據作物不同需水條件，將灌溉與施肥在時間、數量和方式上合理配合，促進作物根系深扎，擴大根系在土壤中的吸水范圍，提高作物的光合強度，以達到作物增產的目的[6]。目前，關于水肥耦合對作物產量、水分利用效率等的影響已開展了許多研究，隋娟等[7]研究了小麥地表滴灌條件下水肥耦合對土壤水分、氮素運移分布規律的影響；王景燕等[8]研究了漢源花椒的光合特性及其對水肥處理的響應；王振華等[9]研究了不同滴灌水肥處理對成齡葡萄耗水及產量的影響；馬國成等[10]采用大田膜下滴灌種植方式，研究了不同水肥條件對馬鈴薯葉綠素及葉面光合速率的影響；蘇欣等[11]研究了小麥在不同灌水量及施肥條件下根系層中總磷的遷移與轉化規律。本文在結合以上研究的基礎上，研究目的如下：以黑龍江省高寒地區為研究區，通過設置不同的灌水方式及化肥施用量，研究水肥對寒區水稻產量、溫室效應及氮素利用率的影響，找出合理的灌水施肥方式，減少氮素對水質及其轉化產生的N2O氣體對溫室效應造成的影響，為寒區未來發展環境友好型的生態灌溉提供一種更加合理的灌水與施肥方式。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2016年在黑龍江省水利科學研究院節水灌溉綜合試驗基地進行(126°36′35″E，45°43′09″E)，研究區位于東北典型黑土帶，多年平均氣溫2.9 ℃，多年平均最高氣溫36.5 ℃，多年平均最低氣溫-41.6 ℃，多年平均降水量為525 mm，多年平均日照時數為7 h，冬長夏短，四季分明，無霜期為100～160 d，屬中溫帶大陸季風性氣候[12]。

1.2 試驗設計及觀測指標

本文以水稻為研究對象，試驗品種采用龍慶稻4號，每穴5株，間隔為30 cm×20 cm，灌水方式分別采用控制灌溉(W1)、間歇灌溉(W2)及淹灌(W3)，氮肥采用4種施肥水平，分別為：高肥水平140 kg/hm2(C1)、中肥水平110 kg/hm2(C2)、低肥水平70 kg/hm2(C3)、不施氮肥(C4)。控制灌溉和間歇灌溉采用節水灌溉模式，其中控制灌溉主要控制土壤含水量，間歇灌溉田面無明顯水層，淹灌處理田面水層較深。在返青期田面保持較深水層。分蘗末期均進行曬田。每個試驗小區通過安裝水表及水尺控制灌水量及水深。試驗小區布置方式見圖1，共36個試驗小區，每種水肥管理模式設置3次重復。

圖1 試驗布置圖Fig.1 The layout map of experience

當試驗小區有水層時，采用毫米刻度尺測量小區內6個觀測點的水層深度，取其平均值作為該小區水層深度，當試驗小區無水時，采用土壤水分速測儀測定土壤含水量。每次灌水量及灌水時間采用水表測定；CO2、CH4、N2O采用人工靜態箱法定位觀測，其中CH4、N2O采用不透光靜態箱體，CO2氣體采集時采用透明箱體；CO2和CH4濃度采用氫火焰離子化檢測器測定，N2O氣體濃度采用熱導檢測器測定；水稻產量隨機抽取各小區長勢中等的15株植株測定。

1.3 計算方法

(1)總增溫效應GWP[13]。

GWP=MCO2a1+MCH4a2+MN2Oa3

(1)

式中：MCO2、MCH4、MN2O分別為水稻全生育期CO2、CH4、N2O的總排放量；a1、a2、a3均為多年時間尺度上氣體分子溫室效應折算系數，參考文獻[14]，100 a時間尺度上，a1、a2、a3分別取1、23、310。

(2)灌溉水分生產率WP[15]與水分利用效率WUE[16]。

WP=WU/P

(2)

WUE=WU/WY

(3)

式中：WU為作物產量，kg/hm2；P為作物灌水量，m3/hm2；WY為作物耗水量，m3/hm2。

(3)氮肥利用率[17,18]。

REN=(N-N0)/F

(4)

式中：N為施氮后作物地上部分的氮吸收總量；N0為未施氮時作物地上部分的氮吸收總量；F為試驗小區的氮肥投入量。

(4)CO2、CH4、N2O排放通量[19]。

(5)

式中：Fw為溫室氣體排放通量，mg/(m2·h)；ρ為標準狀態下溫室氣體密度，CO2、CH4、N2O的密度分別為1.98、0.71、1.96 kg/m3；h為箱體高度；dC/dt為溫室氣體濃度變化率，mL/(m3·h)；t為箱體內平均溫度，℃；p為箱體內平均氣體壓強；P0為標準大氣壓強。

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理對水稻產量的影響

不同組合灌水方式與施氮量對水稻單位面積穗數、結實率及產量等的影響見表1，可以看出：節水灌溉模式配合氮肥施用量的增加能顯著增加水稻產量，對于不同灌水方式，高施氮量下水稻的產量總是大于低肥與不施氮肥，說明氮肥施用量的增加能顯著提高水稻產量。控制灌溉、間歇灌溉及淹灌3種灌水方式下高肥水平與不施氮肥相比，產量分別提高61.84%、57.27%、60.4%，中肥水平與不施氮量相比，產量分別提高63.58%、60.14%、56.94%，高施氮量與低施氮量相比產量相差不大，控制灌溉與間歇灌溉在C1與C2施氮量下的水稻產量優于淹灌。淹灌條件下，不同施氮水平水稻的穗粒數相差不大，在66左右。顯著性分析表明：控制灌溉及間歇灌溉模式下，C1與C2施氮水平下水稻產量相對于對照組C4均達到了顯著性差異(P<0.05)，而C1與C2施氮水平之間沒有顯著性差異(P>0.05)，淹灌模式下，不同施氮水平水稻產量增產明顯，但氮肥施用量的變化沒有使水稻產量具有顯著性差異(P>0.05)。從水稻產量構成因子對水稻產量的影響分析表明：水稻產量不同時，穗粒數的變化較大，說明節水灌溉模式配合氮肥施用主要通過影響穗粒數來影響水稻產量，對穗粒數、結實率、千粒重與產量之間分別做相關性分析，其相關系數分別為0.759、0.357、0.683，說明對產量影響的大小為：穗粒數>千粒重>結實率。

表1 不同水氮組合下水稻含量及其構成因素試驗結果Tab.1 Content and its constituent factors of paddy under different water and nitrogen combinations

2.2 不同水氮處理對水稻收獲指數的影響

不同水氮處理對水稻秸稈產量、籽粒產量、生物產量及收獲指數的影響見圖2，收獲指數為水稻秸稈產量與生物產量之比。可以看出：隨施氮量的減少，水稻各產量均呈現減小趨勢，水稻收獲指數并沒有隨水氮處理方式的不同而發生較大變化，3種灌水方式其均值分別為41.86%、42.65%、40.3%。對各曲線添加趨勢線的結果表明，間歇灌溉條件下生物產量受施氮水平的影響最大，其趨勢線斜率絕對值為2398。對各產量及其構成因子進行相關性分析的結果表明：施氮量與有效穗數、籽粒產量、生物產量的R2分別為0.905、0.926、0.935，有效穗數與結實率、籽粒產量、生物產量的R2分別為0.907、0.956、0.953，結實率與籽粒產量、生物產量0.945、0.928，籽粒產量與生物產量的R2為0.983，上述各因子之間相互影響均達到了極顯著水平。

圖2 不同水氮處理水稻各產量因子及收獲指數Fig.2 Yield factors and harvest Indexes of paddy under different water and nitrogen treatments

2.3 不同水氮處理對水稻溫室氣體總排放量的影響

本文計算了不同水氮處理方式下水稻生長季CO2、CH4、N2O 3種溫室氣體的總排放量及單位產量排放量見表2和表3，可以看出：3種灌溉模式下CO2的總排放量變化范圍分別為1 712.5～2 118.3、1 321.2～2 284.7、1 500.8～2 273.8 kg/hm2，間歇灌溉模式下CO2的總排放量變化幅度最大。3種灌溉模式下CH4的總排放量變化范圍分別為252.5～292.7、233.5～261.7、301.3～436.3 kg/hm2，淹灌模式下CH4的總排放量變化幅度最大。3種灌溉模式下N2O的總排放量變化范圍分別為0.23～0.37、0.19～0.41、0.14～0.24 kg/hm2，間歇灌溉模式下N2O的總排放量變化幅度最大，其均值為0.27 kg/hm2。

表2 CO2、CH4、N2O總排放量 kg/hm2

表3 單位產量CO2、CH4、N2O排放量 kg/hm2

與對照組相比，3種灌溉模式下高施氮量的CO2、CH4、N2O單位產量排放量均小于對照組，分別降低了29.1%、22.5%、11.1%，CH4也表現出了相同的變化。控制灌溉模式下，隨施氮量的增加，CO2、CH4單位產量的排放量逐漸減小，而不同水氮處理下，N2O單位產量的排放量沒有表現出顯著的差異，其數值極小，3種溫室氣體排放量的大小為CO2>CH4>N2O。

2.4 不同水氮處理對水稻總體溫室效應的影響

不同水氮處理下計算的CO2、CH4、N2O溫室效應及氣體總溫室效應見圖3，氣體單位以kg/hm2計，可以看出：CH4產生的溫室效應遠大于CO2和N2O，N2O產生的溫室效應很小。不同灌溉模式下CO2產生的溫室效應為1 321～2 285 kg/hm2，CH4為5 359～10 028 kg/hm2，N2O為43.4～127.1 kg/hm2，CH4的平均溫室效應為CO2和N2O的3.61、88.73倍，說明水稻整個生長季N2O氣體的排放量很小，對溫室效應的促進作用很小。不同灌水方式氣體總溫室效應的均值分別為8 333、7 683.43、10 288.25 kg/hm2即淹灌>控制灌溉>間歇灌溉，說明節水灌溉有助于降低作物對大氣產生的總體溫室效應，但控制灌溉與間歇灌溉中高施氮量氣體總溫室效應與對照組相比，沒有發生較大變化。

圖3 不同水氮處理下CO2、CH4、N2O溫室效應及氣體總溫室效應Fig.3 Greenhouse effect and total greenhouse effect of CO2、CH4、N2O under different water and nitrogen treatments

2.5 不同水氮處理下水稻水分及氮素利用效率

灌溉水分生產率及水分利用效率表征水稻灌溉與消耗單位水量時，其經濟產量，能夠反映水稻不同水氮處理方式所達到的節水灌溉效果。本文計算的不同水氮處理下水稻水分利用效率見表4，可以看出：灌溉水分生產率與水分利用效率的變化較為一致，隨著施氮量的增加，水分利用效率逐漸增加，但超過C2以后達到C1時，水分利用效率開始減小，表明水分利用效率不隨施氮量的增加一直增加，當達到中施氮量即最佳施氮量以后開始減小。W1C2的WP與WUE值最大，節水灌溉模式即控制灌溉與間歇灌溉的WP與WUE值明顯大于淹灌，達到了很好的節水及增產效果，3種灌水方式的WP均值分別為：2.49、2.32、1.7，WUE均值分別為1.75、1.49、1.12。

2.6 不同水氮處理下水稻氮素利用效率

水稻地上部分總吸氮量由秸稈含氮量及籽粒含氮量組成，不同水氮處理下其含氮量及氮素利用率見圖4，可以看出：控制灌溉模式下，水稻地上部分總吸氮量隨施氮量的增加而增加，其變化范圍為87～155.7 kg/hm2，氮素利用率變化范圍為29.9%～50.8%。淹灌模式下，隨著施氮量的增加，氮素利用率逐漸減小。控制灌溉與間歇灌溉的氮素利用率無顯著變化趨勢，氮素利用率的最大值出現在W2C2。籽粒含氮量與水稻地上部分總吸氮量的變化趨勢基本一致。方差分析表明：節水灌溉模式配合氮肥施用對水稻氮肥利用率影響極顯著(P<0.01)。

表4 不同水氮處理下水稻水分利用效率Tab.4 Water use efficiency of paddy under different water and nitrogen treatments

圖4 不同水氮處理下的氮素利用率Fig.4 Nitrogen utilization of paddy under different water and nitrogen treatments

3 結 語

(1)對于不同灌水方式，高施氮量下水稻的產量總是大于低肥與不施氮肥即氮肥施用量的增加能顯著提高水稻產量。高施氮量與低施氮量相比產量相差不大。淹灌條件下，不同施氮水平水稻的穗粒數相差不大。

(2)不同水氮處理對水稻各產量組成及收獲指數的研究表明：水稻隨施氮量的減少，各產量均呈現減小趨勢，水稻收獲指數沒有發生較大變化，間歇灌溉條件下生物產量受施氮水平的影響最大。

(3)與對照組相比，3種灌溉模式下高施氮量的CO2、CH4、N2O單位產量均小于對照組，分別降低了29.1%、22.5%、11.1%，CH4也表現出了相同的變化。

(4)控制灌溉模式下， CO2、CH4單位產量隨施氮量的增加排放量逐漸減小，說明合理的施氮量有助于抑制CO2、CH4氣體的排放，3種溫室氣體排放總量的大小為CO2>CH4>N2O，N2O氣體的排放量很小。

(5)不同灌水方式氣體總溫室效應的大小為：淹灌>控制灌溉>間歇灌溉，說明節水灌溉有助于降低作物對大氣產生的總體溫室效應。對水稻水分利用效率的研究表明：其不隨施氮量的增加一直增加，當達到中施氮量即最佳施氮量以后開始減小。

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