暗管排水對規模農田水稻養分吸收和產量構成的影響

江陵杰，董林林，范 鵬，曹易繁，周正萍，沈新平，陸長嬰，沈明星

（1蘇州市農業科學院，江蘇蘇州 215000；2揚州大學農學院/江蘇省作物遺傳生理重點實驗室，江蘇揚州 225009）

0 引言

水稻是中國主要糧食作物之一，年產量約占中國全年糧食總產量的33.7%，在糧食生產和消費中占據舉足輕重的地位[1]。在南方稻作區，水稻生長期與汛期同季，為了迅速排出稻田多余水分的同時提高稻田水分滯蓄能力[2-3]，需要精準的排水技術調控農田排水強度和農田排水量[4]。因此，農田暗管排水技術得到了廣泛的應用和推廣，暗管排水不僅可以調節土壤水分提高擱田效果[5-6]，便于田間機械化作業[7]，還能改善土壤的生態環境[8-9]。有學者認為土壤的吸附和過濾作用可有效防止稻田土壤中氮、磷養分的淋溶流失[10-13]，減少農田排水中氮、磷等養分的輸出，降低農業面源污染程度[14-16]，有利于植株養分吸收。此外，陳惠哲等[17]研究表明稻田土壤水分調控對水稻根系和植株地上部的生長和千粒重有顯著影響。國內早期關于暗管排水的研究多是關于改善麥田和稻田鹽堿化和土壤環境[5,18-24]，近年來主要集中在暗管排水對土壤養分運移動規律的探索[18,25-26]，針對暗管排水管理下作物在生育期內吸肥特性及產量的研究少有報道。本研究主要以暗管排稻田為研究對象，探究暗管排水條件下稻田不同區域水稻養分吸收和產量構成的差異，并分析產生差異的可能原由，以期為暗管排水稻田合理精確施肥和水分管理以及對后續規模農田暗管排水條件下水稻—土壤的系統性研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年5月份水稻生長季在蘇州太倉東林農場(31°53'59″N，121°10'68″E)進行，該區年均溫度15.7℃，降雨量1128 mm，年均光照時長3039 h，＞10℃有效積溫4947℃，多年平均相對濕度為80%，無霜期年平均約240天，土壤類型屬壤質黃泥土，為水稻-冬小麥輪作種植制度。試驗前0～20 cm土壤養分詳情見表1。

表1 試驗田塊0～20 cm土壤養分

1.2 試驗設計

試驗田塊為2個南北長200 m，東西寬50 m田塊，中間為寬60 cm、深100 cm的排水溝，其中一個田塊于地下60 cm鋪設波紋塑料管排水，暗管采用PVC波紋聚氯乙烯管（內徑110 mm），外包兩層無紡布，暗管間距10 m，另一個田塊為傳統明溝排水。鋪設暗管的田塊內以3個暗管為重復進行試驗，南北向（田塊長邊）的中間部位選擇3條暗管；每個暗管布置3排觀測點(B1、B2、B3)：苗溝距15 m(B1)、苗溝距25 m(B2)、苗溝距35 m(B3)，每一排布置3個觀測點，分別為暗管中軸線正上方(A1)、距暗管中軸線2.5 m(A2)、距暗管中軸線5 m(A3)。以此組合成9個代表性觀測點；傳統明溝排水田為對照組CK。在試驗期間，稻田田面與溝水位差保持在0.6 m左右。本實驗采取自由暗管排水，試驗取樣點和暗管布置見圖1、2。

圖1 試驗小區布置圖

圖2 暗管排水田三維示意圖

供試品種為‘南粳46’，基本苗105～120萬株/hm2。肥料運籌：基肥：397.5 kg/hm2（復合肥）；分蘗肥：第1次分蘗肥為225 kg/hm2（尿素），第2次分蘗肥為172.5 kg/hm2（尿素）；穗肥：kg/hm2（尿素）。

1.3 測定內容和方法

在水稻孕穗期（田間有水層）、抽穗期（擱田）和成熟收獲期在每個取樣點處取3穴，分別測得氮、磷、鉀含量（莖鞘、葉、穗分開）；成熟期調查產量結構（單位面積有效穗數、每穗粒數、結實率、千粒重）和實際產量。植株全氮、全磷借助元素分析儀測定(Analytik Jena AG Multi N/C 3100Germany)，全鉀采用火焰光度計測定。

2 結果與分析

2.1 苗溝距和苗管距對水稻氮含量的影響

苗管距對孕穗期、抽穗期水稻的莖鞘和葉以及成熟期穗部含氮量產生極顯著影響，對成熟期莖鞘和葉有顯著影響，而不同苗管距以及苗溝距和苗管距交互對水稻植株氮含量差異不顯著（表2）。在苗溝距相同處理下，各個時期不同苗管距水稻莖鞘、葉的含氮量均表現為A2＞A3＞A1，在A1處理下孕穗期、抽穗期和成熟期水稻植株的莖鞘、葉和穗含氮量均達到最小值，均略低于CK處理。各個時期各處理中水稻莖鞘、葉和穗均在A2B1處理達到最大值，隨著生育期推進含氮量差異逐漸增大，成熟期莖鞘、葉和穗片含氮量分別高于CK處理25.17%、5.98%和13.26%。鋪設暗管田塊水稻植株平均含氮量與對照田塊的差異隨生育進程的推進逐漸增大，成熟期水稻莖鞘、葉和穗含氮量比對照田塊平均增加9.21%、4.62%和1.85%。

表2 不同苗管距與苗溝距對不同時期水稻植株含氮量的影響 g/kg

2.2 苗溝距和苗管距對水稻磷含量的影響

苗管距分別對水稻生育后期植株莖鞘和葉的磷含量均有極顯著影響。成熟期水稻莖鞘和葉的含磷量較孕穗期和抽穗期急劇下降，而苗溝距僅對穗有顯著影響（表3）。隨著苗溝距的增大，各個時期水稻植株含磷量呈現減小的趨勢，但未見顯著差異；相同苗溝距下隨著苗管距的增大，各時期水稻植株莖鞘、葉和穗含磷量主要表現為A2＞A3＞A1＞CK。孕穗期、抽穗期和結實期水稻莖鞘和葉含磷量均在A2B1處理下達到最大值，并在孕穗期葉片含磷量差異最大，高于CK處理45.89%；在結實期莖鞘含氮量差異最大，高于CK處理80.16%。孕穗期和抽穗期在鋪設暗管田塊的各處理中，水稻植株莖鞘、葉的含磷量在A1B3處理下達到最小值，并與對照組差異不顯著。3個時期鋪設暗管田塊水稻植株莖鞘、葉和含磷量比對照田塊均有增加，并在抽穗期增加最為顯著，分別可達30.74%和42.06%；成熟期穗含磷量相對于對照田塊平均增加34.54%。

表3 不同苗管距與苗溝距對不同時期水稻植株含磷量的影響 g/kg

2.3 苗溝距和苗管距對水稻鉀含量的影響

苗溝距和苗管距對孕穗期和抽穗期水稻莖鞘和葉以及成熟期水稻莖鞘含鉀量分別有顯著和極顯著影響，苗管距對成熟期水稻葉存在極顯著影響（表4）。水稻莖鞘含鉀量高于葉片，孕穗期到成熟期水稻植株含鉀量呈下降趨勢，成熟期穗部含鉀量最低。苗管距相同，東西向隨著苗溝距的增大，水稻植株含鉀量有顯著降低趨勢；苗溝距相同，隨苗管距的增大水稻植株含鉀量先增大后降低趨勢，并在A2B1處理下達到最大值，3個時期A2B1處理下水稻植株莖鞘和葉片含鉀量均穩定高于CK處理20%以上，最高可達30.19%。而莖鞘含鉀量在抽穗期差異最大，直至成熟期逐漸縮小。孕穗期、抽穗期和成熟期鋪設暗管田塊水稻植株莖鞘和葉含鉀量比對照田塊平均增5%以上，最高可達13.45%。

表4 不同苗管距與苗溝距對不同時期水稻植株含鉀量的影響 g/kg

2.4 苗溝距與苗管距對水稻產量的影響

苗管距對各處理穗粒數、結實率、產量產生極顯著影響，對千粒重產生顯著影響；苗溝距對各處理結實率、千粒重和產量產生極顯著影響；苗管距與苗溝距互作對穗粒數、結實率、千粒重和產量影響不顯著。苗管距、苗溝距以及二者互作對穗數均未產生顯著影響（表5）。隨著苗溝距的增加，水稻結實率和千粒重呈下降趨勢；隨著苗管距的增大，穗粒數、結實率和千粒重均表現為先增加后減小的趨勢。相同苗溝距下，穗粒數、結實率、千粒重和產量均表現為A2＞A3＞CK＞A1，并且穗粒數、結實率、千粒重和產量在A2B1處理下達到最大值，分別大于對照組27.07%、5.68%和6.68%和15.22%。在A1B1處理下結實率、千粒重均大于對照組，而產量小于對照組2.44%。鋪設暗管田塊穗數、穗粒數、結實率、千粒重和產量比對照田塊平均增加-3.15%、14.72%、-3.77%、1.31%和-1.35%。

表5 不同苗管距與苗溝距對不同時期水稻植產量構成的影響

3 結論

苗管距和苗溝距均對水稻養分吸收和產量構成產生不同程度的影響，主要表現在水稻孕穗期和抽穗期最為顯著。苗管距對水稻各生育階段氮磷鉀吸收和產量構成影響更為顯著，其中對磷元素的吸收影響最大，鉀元素次之，氮元素最小。苗管距和苗溝距主要影響水稻群體的穗粒數、結實率和千粒重導致產量差異的。苗溝距的增加導致了水稻結實率和千粒重的下降，而伴隨著苗管距的增加穗粒數、結實率和千粒重均先增加后減少。雖然暗管排水增加了水稻群體平均氮磷鉀養分的吸收量，但局部的產量偏低仍可能導致整體產量的下降，本試驗暗管排水田塊穗數、結實率以及總產量略低于對照田塊，尤其表現為暗管正上方水稻植株對氮磷鉀養分的吸收以及產量構成低于其他各處理和對照組，與暗管排水增產理論相悖，很可能由于自由暗管排水系統導致稻田滲漏排水不受限制，易造成養分隨排水流失，因此肥料運籌應側重于暗管正上方區域適時補充肥料防止養分不足，同時排系統應根據水稻植株養分吸收特性配套相應的排水控制措施，水稻關鍵生育階段堵住暗管排水口，同時保持田面與溝渠適當水位差控制田間滲漏，避免養分流失而造成的減產。本實驗僅研究了暗管排水對水稻植株養分吸收以及產量構的差異，而造成這些差異的具體原因應結合土壤滲漏強度以及滲漏量與土壤養分運移動特性做進一步分析。

4 討論

稻田鋪設暗管能有效增加土壤水分的重力勢和壓力勢梯度，是土壤水肥向下滲漏的強大推動力。暗管正上方處水稻植株莖鞘、葉和穗含氮量均顯著小于偏離暗管處理的植株，甚至出現小于對照組的現象，而水稻植株從孕穗期到抽穗期為吸氮高峰期[27]，所以苗管距對此時水稻植株含氮量有極顯著影響。而成熟期水稻植株氮素主要向穗部轉移，導致不同處理穗部差異比莖鞘和葉顯著。在規模農田中，排水溝能局部補充相鄰田塊局部土壤水分，提高地下水位，因此距離溝渠較遠區域土壤滲透強度稍大于臨近溝溝區域，可能造成更高的肥料淋失，而晚稻生育后期對磷鉀的吸收多為奢侈吸收，因此水稻植株從孕穗期到抽穗期莖鞘和葉片含磷、鉀含量隨苗溝距離的增大均存在降低趨勢，成熟期由于水稻植株磷、鉀元素部分向籽粒轉運和自身消耗，因此苗溝距對其影響并不顯著。在苗溝距相同的條件下，隨苗管距的增加水稻氮、磷、鉀含量均表現為先增加后減小的趨勢，孕穗期、抽穗期和結實期植株各器官的氮、磷、鉀含量均在苗溝距15 m、苗管距2.5 m處理下達到最大值。鋪設暗管對水稻植株氮磷鉀含量有一定提高的效果，但在苗溝距35 m、苗管距0 m處理下出現含氮量小于對照組的情況，出現這種現象的可能原因是這種人為改變田間滲漏途徑的方式對于溶質遷移特征等有著重大作用[15,28]，可能暗管正上方養分的大量流失，而不利于植株的生長。

暗管排水可以增加稻田垂直滲透量，淋洗有毒物質，并帶入一定的溶解氧至根系層，從而更新根系層的水氣環境，增強植株養分吸收的能力，為壯桿、大穗、爭粒重打下堅實基礎。本試驗中苗管距主要通過影響水稻穗粒數、結實率和千粒重而影響水稻產量；苗溝距是通過影響水稻結實率、千粒重導致水稻產量差異的產生。隨著苗溝距的增加，水稻結實率和千粒重呈下降趨勢；隨著苗管距的增大，穗粒數、結實率和千粒重均表現為先增加后減小的趨勢，其中穗粒數的差異最大。產量在苗溝距15 m、苗管距2.5 m處理下達到最大值9.97 t/hm2，大于對照組15.22%。在苗溝距15 m、苗管距0 m下穗數小于對照組7.19%，結實率、千粒重均大于對照組，而產量小于對照組2.44%；鋪設暗管田塊主要提高了穗粒數和千粒重，而穗數和結實率是產量降低的主要原因。適當的稻田暗管排水強度有利于水稻早期根系生長[17]，提高水稻植株對養分的吸收能力，增加水稻產量[29]，但自由暗管排水可能導致水溶性的氮、磷和鉀的流失，不利于后期水稻根系生長和對養分的吸收導致產量下降。