寒地高緯度區水稻水氮耦合效應試驗研究

王 柏,黃 彥,孫艷玲,于艷梅

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著黑龍江省社會經濟的發展，水稻灌區水資源短缺加劇、供需矛盾突出、地下水超采等“瓶頸”問題愈加凸顯。黑龍江省水稻北擴戰略是北部地區種植結構調整的重要組成部分，主要以我國黑龍江省北部邊陲黑河市為主體，以及大興安嶺全部、伊春以及內蒙古最北部的地區[1-3],特別是黑河地區適宜水稻生長的時間僅105～120 d被稱為高緯高寒稻作區[4]。水稻控制灌溉技術可在現有灌溉制度的基礎上再節水30%～40%，要優先在井灌區、水庫灌區和提水灌區推廣[5]。張恩江等[6]利用黑龍江省湯旺河灌區5 a的試驗資料，分析得出適宜控制灌溉模式可使水稻產量、水分利用效率比常規淹灌模式分別提高6.2%和64.2%。黃彥等[7]提出灌水上限小于30 mm 水層、下限為土壤飽和含水率的60%～90%的淺濕干循環交替灌溉模式比充分灌溉模式產量提高13.06%，水分生產效率提高21.14%。李愛傳等[8]、聶曉等[9]、董淑喜等[10]、楊士紅等[11]也開展的相關研究，較為一致的結論是認為節水控制灌溉可獲得高的水分利用效率，使水稻在增產的同時減少灌溉水量和耗水量。

本文結合黑龍江省北部地區種植結構調整和水田灌溉布局優化調整對水稻節水灌溉技術的實際需求，以提高灌溉水分利用效率與水稻產量為核心，研究與制定寒地高緯度區水稻全生育期節水型控制灌溉制度以及配套施肥管理技術措施，為寒地高緯度區水稻節水、優質、高產標準化管理提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

1.1.1 基本情況

本次試驗地點位于黑河市愛輝區國家級水稻灌溉試驗站，試驗站位于東經127°23′01″，北緯49°59′13″，距離黑河市區40 km。試驗站由核心區、示范區和輻射推廣區構成，其中核心區占地1.8 hm2，包括生活辦公區和試驗區，試驗區由標準化格田、催芽車間、育秧大棚、蒸滲儀系統、測坑、標準氣象場組成。

1.1.2 氣象水文條件

黑河市愛輝區屬于寒溫帶大陸性氣候，春季干旱風大少雨，夏季短暫酷熱，秋季涼爽早霜。多年平均氣溫-0.1 ℃，最高氣溫37.3 ℃，最低氣溫-44.5 ℃，積溫年季變化大；多年平均無霜期125 d，日照時數2655 h，有效積溫1900 ℃、最大凍深2.33 m，平均地溫2.5 ℃，年均風速4.5 m/s；多年平均降水量為520 mm，多年平均蒸發量為601～750 mm，春季為100～156 mm，占全年的20%～30%。降水時空分布不均，7—9月降水量占全年的70%。

1.1.3 土壤物理性狀

項目區土壤容重：0～10 cm為1.32 g/cm3、10～20 cm為1.34 g/cm3、20～30 cm為1.42 g/cm3、30～40 cm為1.33 g/cm3、40～50 cm 為1.36 g/cm3；項目區土壤質量飽和含水率：0～10 cm為38.23%、10～20 cm為37.22%、20～30 cm為31.07%、30～40 cm為35.94%、40～50 cm為34.13%。

1.2 試驗設計

供試水稻品種為龍粳47、種植密度為每穴30 cm×12 cm。試驗采用田間對比試驗，設3種灌水處理：灌溉模式Ⅰ、灌溉模式Ⅱ、灌溉模式Ⅲ；灌溉模式Ⅰ采用9種不同施肥管理方案(3因素、3水平正交試驗方案)與第10種施肥方案(見表2)，灌溉模式Ⅱ、灌溉模式Ⅲ采用不同施肥管理方案；試驗共設置12個水肥耦合處理，每個處理2次重復，共計24個試驗小區，小區的面積均為100 m2(10 m×10 m)。采用單灌單排灌排管理方式：灌溉水量采用水表計量方式；各試驗小區之間采用土埂或隔板進行隔水處理。施肥方案：基肥磷酸二銨100 kg/hm2，硫酸鉀60 kg/hm2；返青肥硫酸銨50 kg/hm2；與分蘗肥硫酸鉀60 kg/hm2。每個生育期施肥后，取0～20 cm表土充分混合后測定土壤速效氮含量。

表1 灌溉模式設計

表2 水肥耦合試驗方案 kg·hm-2

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理對株高的影響

如圖1給出了不同水氮耦合處理株高變化規律，不同水氮耦合處理株高整體變化趨勢相似，各處理株高從返青期到拔節孕穗期快速增長，拔節孕穗期到抽穗開花期株高增長緩慢，不同水氮耦合處理株高之間差異較小，表明水氮耦合作用對株高影響不顯著。

圖1 不同水氮耦合處理

2.2 不同灌水處理對分蘗數的影響

如圖2給出了不同水氮耦合處理分蘗數變化規律，各水氮耦合處理的分蘗數從分蘗初期開始增加到7月8日左右的分蘗末期分蘗數趨于穩定；各水氮處理Ⅰ-4、Ⅰ-6、Ⅰ-8、Ⅰ-9、Ⅲ-12分蘗末期的分蘗數大于19.0；在所有試驗處理中，處理Ⅰ-6的分蘗數最大為20.9，可見常規淹灌和節水控制灌溉的分蘗數差異較小。

圖2 不同水氮耦合處理分蘗數的變化規律

2.3 不同灌水處理對干物質質量的影響

如圖3給出了不同水氮耦合處理干物質質量變化規律，不同水氮耦合處理干物質質量整體變化趨勢相似，各處理干物質質量從返青期到拔節孕穗期快速增長，拔節孕穗期到抽穗開花期干物質質量增長緩慢，不同水氮耦合處理株高之間差異較大，處理Ⅰ-6和Ⅰ-7產量最大，Ⅰ-6比Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-8、Ⅰ-9、Ⅰ-10、Ⅱ-11、Ⅲ-12的干物質質量分別高27.3%、22.5%、20.2%、23.6%、23.2%、13.6%、14.7%、37.2%、30.2%和5.5%。

圖3 不同水氮耦合處理干物質質量的變化規律

試驗結果表明節水控制灌溉條件下處理Ⅰ-6施基肥80 kg/hm2、返青肥0 kg/hm2、分蘗肥80 kg/hm2，處理Ⅰ-7施基肥120 kg/hm2、返青肥40 kg/hm2、分蘗肥80 kg/hm2可以獲得較高的干物質質量。常規淹灌處理Ⅲ-12的干物質質量小于Ⅰ-6和Ⅰ-7，大于其他水氮耦合處理。

2.4 不同水氮耦合處理對水稻產量的影響

基肥施尿素40 kg/hm2的3個處理Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3的產量均值為7575 kg/hm2；基肥施尿素80 kg/hm2的3個處理Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-6的產量均值為7740 kg/hm2；基肥施尿素120 kg/hm2的3個處理Ⅰ-7、Ⅰ-8、Ⅰ-9的產量均值為7485 kg/hm2；處理Ⅰ-10基肥施尿素160 kg/hm2、返青期和分蘗期不追氮肥處理產量是7620 kg/hm2，表明在返青期和分蘗期不同施氮條件下，隨著基肥施氮量的增加，產量先增加后減小，基肥施氮量過大不利于提高水稻產量。

如圖4給出不同水氮耦合處理產量的變化規律。在基肥施尿素40 kg/hm2條件下，Ⅰ-1、Ⅰ-2和Ⅰ-3返青期和分蘗期分別追尿素40 kg/hm2和40 kg/hm2、80 kg/hm2和80 kg/hm2、0 kg/hm2和0 kg/hm2，產量從大到小順序是Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-1，處理Ⅰ-2產量比Ⅰ-1和Ⅰ-3分別提高了5.1%和2.7%。

圖4 不同水氮耦合處理產量的變化規律

在基肥施尿素80 kg/hm2條件下，Ⅰ-4、Ⅰ-5和Ⅰ-6返青期和分蘗期分別追尿素80 kg/hm2和40 kg/hm2、40 kg/hm2和0 kg/hm2、0 kg/hm2和80 kg/hm2，產量從大到小順序是Ⅰ-6、Ⅰ-4、Ⅰ-5，處理Ⅰ-6產量比Ⅰ-4和Ⅰ-5分別提高了1.3%和7.1%。基肥尿素施用中等水平時，分蘗期不追氮肥對產量有不利影響；返青期不施氮肥、分蘗期施中等水平氮肥和返青期施中等水平氮肥、分蘗期施低水平氮肥均獲得了較高的產量。

在基肥施尿素120 kg/hm2條件下，處理Ⅰ-7、Ⅰ-8和Ⅰ-9返青期和分蘗期分別追尿素40 kg/hm2和80 kg/hm2、80 kg/hm2和0 kg/hm2、0 kg/hm2和40 kg/hm2，產量從大到小順序是Ⅰ-7、Ⅰ-8、Ⅰ-9，處理Ⅰ-7產量比Ⅰ-8和Ⅰ-9分別提高了0.8%和5.1%，Ⅰ-7、Ⅰ-8和Ⅰ-9之間的差值較小，返青期施低水平氮肥、分蘗期施中等水平氮肥和返青期施中等水平氮肥、分蘗期不施氮肥均獲得了較高的產量。

2.5 產量模型的建立與檢驗

考慮增加樣本容量，選取各水氮耦合試驗處理的產量值作為目標函數，通過逐步回歸分析，建立α=0.05極顯著水平的回歸方程，用SPSS建立回歸方程式。Y為兩次重復下的水稻產量，X1是基肥施氮水平編碼，X2是返青期施氮水平編碼，X3是分蘗期施氮水平編碼。

Y=-9.71X1+8.75X2+22.10X3+

21.58X1X2-0.26X1X3-2.19X2X3+508.81

回歸方程相關系數R2=0.75，表明方程擬合度較高。回歸進行方差分析結果見表3。

表3 回歸模型方差分析

回歸方程顯著性檢驗結果表明：回歸平方和為5896.09，殘差平方和為1950.35，總平方和為7846.44，對應的自由度分別為6、11、17，回歸均方差982.68，殘差均方177.30，回歸方程的顯著性檢驗統計量F=5.542，檢驗P=0.007，顯著性水平小于0.05，可以認為所建立的回歸方程有效。

通過Matlab軟件分析，采用頻率分析法對試驗所得的數學模型尋優，將編碼制在試驗范圍內劃分出(-1、-0.5、0、0.5、1)5個水平，總共可構成125個處理組合。選定水稻目標產量為7800 kg/hm2進行頻率分析，得到水稻基肥、返青肥和分蘗肥模擬方程尋優結果，見表4。水稻不同生育期不同水氮調控閾值的合理組合搭配能夠提高作物產量。通過表4可以看出，當目標產量為7800 kg/hm2以上時，在95%的置信區間，優化水氮耦合灌溉組合為基肥施氮量尿素48～84 kg/hm2、返青肥施氮量尿素38～55 kg/hm2、分蘗肥施氮量尿素64～72 kg/hm2。應用水稻節水節肥綜合灌溉技術模式，優化得出在相同產量條件下，化肥施用量可減少24.6%～46.4%。

表4 優化方案中各變量取值的頻率分布

3 結 論

本文確定了水稻適宜施氮時期和施氮量，提出了水稻全生育期水肥耦合優化灌溉皆強模式，不同水氮耦合試驗處理對水稻株高的影響差異較小，基肥中水平、高水平的水氮耦合試驗處理的分蘗數較高，基肥中水平、高水平的水氮耦合試驗處理的干物質質量較高。

建立了節水控制灌溉模式下適宜水氮耦合灌溉管理制度，施用基肥、返青肥和分蘗肥，3次施肥總量為420～480 kg/hm2；寒地高緯度地區水稻生長前期、即營養生長期短，返青肥和分蘗肥要早施；水稻生長后期、即生殖生長期不宜氮肥，拔節孕穗期或抽穗開花施用氮肥或者氮肥過多，會導致水稻生長后期發生貪青、收獲時水稻空粒比例較大。