斜發沸石對遼西半干旱區節水灌溉稻田的節水減肥效應

吳 奇 陳弘揚 王延智 遲道才

(沈陽農業大學水利學院， 沈陽 110866)

0 引言

我國水稻產量占糧食總產量的40%以上，是最重要的糧食作物之一[1]。隨著我國人口的不斷增長，對稻谷的需求也日益增加。按照目前我國稻米年消費量預測，到2030年我國水稻需求量將增加20%以上[2-3]。水稻是糧食作物中第一用水大戶，其用水量占全國總用水量的54%以上，占農業總用水量的70%以上[4]。而傳統淹灌的水稻種植方式存在嚴重的水資源浪費現象[5]。遼西半干旱區的水資源量極為匱乏，該區域土壤常年受風沙作用影響，經多年的演變出現了土壤水肥容納能力差、養分肥效期短等嚴重問題[6-9]，加之當地長期缺乏對水稻需水、需氮規律的研究和指導，導致水肥管理較為落后。因此，在該地區實施高效節水水稻種植模式非常重要。

近年來，我國已研發出多種高效的水稻節水灌溉技術。淺濕干結合灌溉技術、水稻水能雙控灌溉技術、控制灌溉技術的應用為提高農業灌溉用水的利用效率、緩解水資源短缺等發揮了重要作用[10-11]。在東北稻田中，以水稻能量指標控制的干濕交替灌溉(AWD)技術應用最為廣泛。高效的干濕交替灌溉最終目的是將水分與養分較長時間維持在作物根區，進而提高根系對水分和養分的吸收。有研究顯示，干濕交替灌溉能減少耗水量27.8%、增加產量10.6%、提高水分生產率30%以上[12]。但是，以干濕交替形式為主的節水灌溉稻田出現了減產、氨揮發、氮磷徑流和入滲損失等一系列問題，說明在關注節水調控的同時，還應關注土壤的保肥蓄水能力，以預防木桶理論中短板效應的產生。

斜發沸石(Clinoptilolite，Cp)是一種框架狀結構的水合鋁硅酸鹽礦物質，其結構基礎是硅(鋁)氧四面體，在三維空間內有豐富的環和籠狀結構。特殊的結構使其持水量可達自身重量的50%左右[13]，是一種良好的土壤保水材料。當土壤水分降低到一定水平時，這部分水分就會釋放出來補充作物根區的水分，從而提高土壤持水量[14]。同時，Cp也可以作為一種控肥材料。遲道才等[15]研究發現，稻田施用Cp能夠促進植株對氮素的吸收，降低氮素損失。WU等[16-17]研究表明，Cp對土壤氮的調控釋放表現為先觸發氮脅迫、隨后緩慢釋放20 d，這種控釋特征能夠降低施氮頻率，有利于增加水稻的氮積累時效、減少肥料的施用總量。陳濤濤等[18]研究發現，Cp與節水灌溉存在協同效應，即在節水灌溉條件下，Cp的節水增產效應更加明顯。因此，在節水灌溉下施用Cp，能夠充分發揮其吸附-解吸作用，彌補節水灌溉的短板，達到節水增產的目的。現有大多數研究只關注沸石的節水增產作用，而在節水灌溉下，Cp對半干旱區水稻節水、減肥、增產多重效應的相關研究較少。此外，氮素積累過程與水稻產量關聯性最強，而以往研究并未將水稻氮積累過程參數與水稻高產對應起來，也未完全揭示灌溉方式和沸石如何通過調控氮積累過程而影響水稻產量。

本文通過分析Cp對干濕交替稻田水稻生長、耗水、需氮規律、氮素積累及其過程參數等指標的影響，重點闡明節水灌溉稻田中Cp的節水減肥雙重效應，研究并揭示基于斜發沸石調控的氮積累過程參數與水稻產量之間的關系，為遼西半干旱區節水灌溉稻區節水減肥、穩產增產和構建水肥管理合理評價模式提供思路。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大田試驗于2019—2020年在遼寧省彰武縣綠維農場開展。研究區位于遼西半干旱區(42°64′N，122°36′E)，如圖1所示。研究區全年四季變化明顯，雨熱同期，其多年平均降雨量為350～500 mm，多集中在6—8月，多年平均蒸發量為1 700 mm，作物生育期蒸發量為1 300 mm，占年蒸發量的76.4%。此區域水資源較為匱乏，大于500 mm的降水保證率僅為21.5%[9]，多年平均氣溫7.6℃，無霜期152 d。土壤質地為砂壤土，pH值為7.2，總氮質量比1.28 g/kg，堿解氮質量比92.15 mg/kg，有效磷質量比18.76 mg/kg，有效鉀質量比201.43 mg/kg，有機質質量比13.05 g/kg。由于其土壤常年受風沙作用影響，且持續干旱少雨，肥水容納能力較差。

1.2 試驗材料

供試稻種采用“遼粳399”，生育期154 d左右，屬中熟品種。行距為30 cm，株距為13.3 cm，每穴插3～4株。供試肥料為尿素、有機肥、五氧化二磷和氧化鉀。耕地前先用100～150 kg有機肥培田。深翻深度控制在20 cm左右，用帶深翻犁的機械把犁底層的粘重土壤翻犁上來，使表層的輕質土壤與底層的粘重土充分混和，增加耕作層厚度。翻地垡塊應整齊，深淺一致，犁底層應平整。機械插秧要求田塊平整，格田內高低相差不應超過3 cm。泡田時，氮肥(尿素，225 kg/hm2)按照基肥、分蘗肥、穗肥比例為6/13、4/13、3/13施入。磷肥(P2O5，210 kg/hm2)作為基肥一次性施入。鉀肥(K2O，114 kg/hm2)按基肥和穗肥兩次施入，各占50%。供試Cp(10 t/hm2)采用粒徑為0.18～0.38 mm的自然斜發沸石，其比表面積為670 m2/g，陽離子交換量(CEC)為135～200 cmol/kg。其主要成分為硅和鋁氧化物，其中SiO2占65.56%、Al2O3占10.62%、H2O占8.16%、CaO占2.59%等。

1.3 試驗設計

本試驗采用隨機區組試驗設計，共設置5個處理，3次重復，每個處理小區面積15 m2(5 m×3 m)，設置常規淹灌(CF)處理作對照，T0；AWD和Cp以及傳統氮管理處理，T1；AWD和Cp以及少1/4氮(施肥比例不變，減少總施氮量)處理，T2；AWD和Cp以及少1/4磷處理，T3；AWD和Cp以及有機肥(總氮量與速效肥一致)處理，T4。其他農藝措施均依據當地習慣，其中，有機肥采用當地傳統肥料。水位采用簡易正負水位監測裝置監測，其直徑20 cm，孔距2 cm，孔徑5 mm，上部10 cm位于地表以上，用于控制水層，下部50 cm打孔且埋于地表以下控制負水位。控水標準見表1。

表1 常規淹灌和干濕交替灌溉控水標準

1.4 指標測定

1.4.1水稻干物質量和產量

在水稻每個生育期內，根據平均分蘗數在小區1 m2區域內隨機選取長勢均勻的3穴水稻樣本，各樣本根、莖、葉、穗分解并分裝后，105℃殺青30 min，75℃干燥48 h至質量恒定，用電子秤稱量并記錄干物質質量。各小區實收計產。

1.4.2水稻各部分氮積累量

將各部分干物質粉碎、過篩和消煮等處理后，用全自動凱氏定氮儀(Butch K-360型)測定氮素含量，并計算植株各部分總氮積累量。

1.4.3水分生產率

水分生產率是指消耗單位水資源量所獲得的產量，計算式為

(1)

式中WP——水分生產率，kg/m3

Y——水稻實收產量，kg/hm2

WT——全生育期耗水量，m3/hm2

按照干濕交替灌溉控水標準進行水位控制后，根據簡易正負水位監測裝置的水位差估算耗水量。

1.4.4水稻氮積累過程參數

采用Richards生長函數模型用于氮積累評價，公式為[19]

(2)

式中W——氮積累量，g/穴

t——時間，d

A——氮積累量終值，g

B、K、N——方程系數

對式(2)求一階導數，可得(t或W具體方程)

(3)

式中G——氮累積速率，g/(穴·d)

相對累積速率為

(4)

對式(2)求二階導數，可得G隨時間t而改變的速率，即

(5)

確定方程后，對起始生長勢等指標進行統計分析，計算式分別為

R0=K/N

(6)

(7)

Wmax=A(N+1)-1/N

(8)

(9)

式中R0——起始生長勢，即積累勢

tmax——G達到最大時的時間，d

Wmax——G最大時的氮累積量，g/穴

I——G最大時的氮累積量占氮積累量終值的比值

分別對式(3)求積分并結合氮積累量終值得到

(10)

式中Gmean——平均累積速率，g/(穴·d)

D——氮積累活躍期，d

1.5 數據處理

采用Excel 2019進行數據處理，采用Origin 2020對數據進行單因素隨機區組方差分析，利用LSD法對數據均值進行多重比較，并進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理的水稻需水規律和水分生產率

表2為灌溉模式與不同氮肥管理模式對水稻產量、階段耗水量和水分生產率(WP)的影響。由表2可知水稻的耗水規律為：拔節孕穗期和抽穗開花期耗水量大，分蘗期和乳熟期耗水量較少。分蘗期耗水量約占總耗水量的12.13%、拔節孕穗期為35.86%、抽穗開花期為25.24%，乳熟期為23.76%，返青期僅為3.01%。從表2可以看出，與T0相比，T1和T3處理顯著提高了水稻的產量，說明在節水灌溉條件下施用Cp容易獲得高產并且具有明顯節水作用。從水分生產率看，在AWD節水灌溉模式下，所有處理均能夠節水4.8%～11.4%，最高增產9.7%，且T1和T3平均提高水分生產率15.5%。說明在AWD節水灌溉條件下施用Cp，不僅產生了較為顯著的節水效應還明顯提高了水稻產量。

表2 不同處理耗水規律及水分生產率

2.2 水稻干物質量動態變化

莖葉干物質量隨移栽時間的動態變化見圖2(圖中各處理及采樣日期(第30天等)對應的不同顏色條帶表示干物質積累量(g/穴)之和，即刻度終止值，其中，處理條帶處(T0～T4)代表5個生育期的干物質積累量之和，而生育期時間條帶處(第30天等)代表5個處理的干物質積累量之和)。莖干物質積累量在不同生育期呈遞增的變化趨勢，即不同處理對應條帶越來越寬。拔節孕穗期至抽穗開花期干物質積累量增長率最大(30～60 d)，抽穗開花期至乳熟期出現峰值。從整個生育期看，減氮肥處理(T2)降低了水稻的莖部干物質積累量，即其對應各階段條帶明顯變窄，T1和T3及T4處理的水稻莖部干物質累積量較大。水稻葉部干物質積累量總體上均呈拋物線型曲線的變化趨勢。拔節孕穗期至抽穗開花期水稻光合作用旺盛，同化產物增多，干物質積累量增長迅速(30～60 d)，此后葉片逐漸干枯衰亡，部分干物質及光合作用的產物慢慢向穗部轉移，干物質積累量呈明顯的下降趨勢。從圖中莖葉不同階段的轉化來看，節水灌溉下Cp對莖葉干物質積累與轉化影響最大的階段為30～60 d，淹灌下為60 d左右，說明節水灌溉有利于Cp在水稻營養階段發揮顯著作用，其對養分的緩釋作用促進了該階段干物質的積累，而相對于莖部，Cp對葉部干物質積累的影響更為明顯。

2.3 不同處理水稻生育末期的干物質量和氮素分配

由表3可知，干物質積累量在穗部的分配比例最大，根和葉部的干物質積累量大部分集中流向穗部，其分配比例較小，尤其以葉片轉化相對量最高。AWD灌溉模式下，氮素在根系中集中可能是水稻增產的重要原因，這在T3和T1處理也得到了驗證。但是，T3和T1莖部干物質量較高，因此營養生長過盛可能也是限制其產量持續增加的重要因素。對比T3處理和T0處理可以發現，節水灌溉模式下施用Cp在保證作物產量的情況下可減施25%磷肥。與T0相比，T3處理使根部干物質量顯著提高了1.37 g/穴，莖部顯著提高了2.23 g/穴，葉部顯著提高了0.33 g/穴和穗部顯著提高了3.22 g/穴，而T1處理和T4處理穗部干物質量最高，分別為41.65、41.53 g/穴(兩年均值)，這說明施加Cp和增施有機氮肥等延長氮肥時效性的方法可以顯著提高氮素在穗部的積累，有利于提高最終產量。

表3 不同處理的水稻干物質量和吸氮量

2.4 水稻需氮規律

為探明遼西半干旱區水稻的需氮規律并以此指導施肥，本研究分析了兩年的水稻需氮規律(圖3)，圖中點代表每個處理需氮量均值。由于兩年的需氮規律基本相同，以2020年需氮規律進行分析。圖3b顯示水稻5～30 d(分蘗關鍵期)大約需氮81.2%，30～60 d(分蘗末期和拔節孕穗期)水稻需氮14.5%，60～80 d(抽穗開花期)需氮2.1%，而乳熟期水稻需氮同樣較低，僅為2.2%。上述結果表明，考慮到沸石對銨根離子吸附更強，前期氮肥以銨態氮為好，且至分蘗末期，應施入氮肥總量的80%左右；分蘗盛期后，應再考慮施入氮肥10%～15%，促控結合，確保有效分蘗率；至抽穗開花期，應酌情施入5%左右的穗肥，確保中后期足夠的養分轉向生殖生長，增加穎花數量，防止穎花退化，促穗大粒重，同時具有養根、健葉、壯稈、防倒伏的作用。從圖3還可以看出，水稻吸氮量總體呈現生長函數的變化規律。為了方便計算各個階段的吸氮量和吸氮速率，即水稻需氮規律，利用Richards生長函數對水稻的需氮規律進行了擬合，也為后文分析氮素積累過程參數與產量的關系提供理論支撐。

2.5 氮素積累過程參數與產量的關系

圖4為氮素積累過程參數與產量的關聯關系(2020年為例)，氮積累過程用圖3b中的Richards方程展示。圖3方程表征的各參數如表4所示。從圖4和表4可以看出，氮素利用過程的參數對產量具有明顯的相關關系。可以看出，T2處理減產的原因是由于氮素積累的有效期非常短或者氮肥作用的時效性較差。T1的增產機制為其主要在生長有效期內提高了氮源的積累及與最終吸氮量的比重。而T3處理增產是起始增速平穩、積累速率平穩且氮積累時間長的綜合調控結果。以上分析說明，為了獲得水稻高產，氮肥管理或者高效氮肥產品，在土壤的供給和水稻植株利用方面，應能夠保證前期氮素積累的平穩性、提高前期氮積累總量、在一定程度上降低平均氮積累速率從而延長氮積累總時長。

3 討論

3.1 AWD灌溉對稻田節水控肥效應和水分生產率的影響

3.2 斜發沸石對AWD灌溉稻田節水減肥效應的影響

4 結論

(1)在AWD灌溉稻田施加斜發沸石可以達到節水控肥的目的。相較于CF處理，節水灌溉條件下施用斜發沸石可以在減少25%磷肥的基礎上，顯著節水4.8%～11.4%，提高水分生產率6.2%～15.5%。

(2)明確了節水灌溉條件下施用斜發沸石對干物質的調控規律。AWD下施用斜發沸石可以積極調控水稻營養階段的干物質積累，保證了足夠的氮源，提高了總干物質積累量。

(3)基于Richards生長函數模型，探明了遼西半干旱區水稻全生育期需氮規律，5～30 d(分蘗關鍵期)大約需氮81.2%，30～60 d(分蘗末期和拔節孕穗期)需氮14.5%，60～80 d(抽穗開花期)需氮2.1%，而乳熟期需氮僅為2.2%。

(4)揭示了氮積累過程參數與水稻高產的關系。在水稻氮素積累過程中，氮素積累時間(時)、總量(量)和平穩性(穩)是影響水稻產量的3個關鍵參數。T3和T1處理高產的原因主要是較高的水稻前期氮素積累量、適當降低的氮素積累速率和延長的氮積累時間。