智能氮肥在干濕交替灌溉下對水稻產量與水分利用率的影響

王易天，郭相平，Yousef Alhaj Hamoud，曹克文，朱建彬

（河海大學農業科學與工程學院，南京210098）

0 引言

水稻是我國最主要的糧食作物，在為我國60%以上人口提供糧食的同時，也消耗了大量淡水資源，稻田灌溉用水量占到全國農業用水量的70%[1]。與此同時，目前我國超過95%的水稻在淹水條件下種植[2]，存在水資源消耗巨大，肥料氮磷流失產生水土污染等問題[3]。通過對水稻需水規律的掌握進行節水灌溉，控制農田的水分狀況，達到減少水分消耗、提高水分利用率具有重要意義[4]。

干濕交替灌溉技術在目前水稻生產中應用最為廣泛，其特點是在水稻的生育過程中，先灌水形成田間淺水層，然后對稻田進行自然落干，一段時間后再復水，繼而再落干，如此交替的對田間土壤進行淹水與落干[5]。根據以往對干濕交替灌溉的研究顯示，干濕交替灌溉能大幅降低稻田用水以及氮素的流失，提高水分利用效率，并減少灌溉次數從而節約生產成本[6,7]，節約灌溉用水量高達44%[8]，增加氮肥利用效率達60%以上[9]。

與傳統肥料相比，控釋肥料能定量地控制肥料的釋放時間與釋放量，使其與植物生長需要相結合，起到延長肥料作用時間、減少肥料用量、提高利用率的效果[10]。環境響應性材料會隨著外界環境變化(如pH 值、溫度、磁場、光照等)產生相應的變化，從而實現成分釋放的可控性[11]，將其作為控釋肥的包膜材料是功能肥料研究的新方向。pH 響應材料在不同酸堿環境下分子結構發生變化，引起通透性的改變[12]，以其作為控釋肥的包膜材料，就可使得控釋肥的養分釋放受到土壤pH變化的調控。一些學者通過不同技術制備出pH 響應性肥料[13-15]，并進行施用試驗得到較好的結果[14,15]。pH 響應性肥料的養分釋放需要受到pH 變化的調控，不具有普適性，且目前的研究主要關注肥料自身，缺乏與水分條件的結合。本實驗利用干濕交替灌溉的過程中，稻田土壤的pH 值會隨土壤含水率的變化而重復升高或降低這一特性，提出將pH 響應性肥料與干濕交替灌溉相結合，或成為pH 響應性肥料應用方向的新思路

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2019年6-10月在河海大學江寧校區節水園區大棚內進行，地處118°50′E，31°95′N，海拔14.6 m。屬亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫15.5 ℃（最高氣溫43.0 ℃，最低氣溫-16.9 ℃），年蒸發量為1 472.5 mm，多年平均降雨量為1 062 mm。試驗土壤為粘壤土，容重為1.44 g/cm3，飽和質量含水率為54.33%，pH 值為7.08，有機質含量為1.27%，速效氮、速效磷和速效鉀量分別為34.87、12.15和109.26 mg/kg。

1.2 實驗設計與實施

試驗為桶栽實驗，采用高90 cm、直徑16 cm 的圓桶，土面以下每15 cm 設置兩個對稱取土孔，共3 排，底部處設置排水孔，并在邊上埋放集水桶收集滲漏水，測桶底部填有砂石反濾層。

實驗共設置兩因素，分別為3 種灌水下限的干濕交替灌溉：適度干濕交替灌溉（設置100%飽和含水率為灌水下限），記為W1、重度干濕交替灌溉（設置90%飽和含水率為灌水下限），記為W2、臨界旱脅迫干濕交替灌溉（設置70%飽和含水率為灌水下限）記為W3[16]；3 種肥料使用方式：智能氮肥，記為SF；常用氮肥尿素，記為MF；不施氮肥，記為NF。共9個處理，每個處理設置3 個重復。試驗中使用的智能氮肥為pH 響應性肥料，內部養分在低pH 時增大釋放，高pH 時減少釋放，與干濕交替灌溉結合的作用機理如圖1所示。

圖1 智能氮肥作用機理Fig.1 The Mechanism of action of smart fertilizer

供試水稻品種選用當地常用超級稻“南粳9108”，于2019年6月4日育秧，7月16日選擇生長狀況基本一致的秧苗進行移栽，每桶1穴，每穴3株，10月22日收獲。施肥標準按每千克土壤施用純氮150 mg、純磷100 mg、純鉀130 mg，磷肥、鉀肥選用磷酸氫二鉀和硫酸鉀，氮肥按處理分別使用智能肥、尿素和不施肥。為探究智能肥的功效，所有肥料均作為基肥在裝土時埋設在土壤表層下20 cm 處。試驗桶中埋設TDR 探頭，當土壤水分達到控制下限時，灌水至淺水層，實驗在大棚內進行，不受降雨影響。試驗期間各處理的水分管理如表1所示，除灌溉制度及氮肥形式處理外，試驗中控制處理間其他因素相同。

表1 不同灌溉制度的水分管理方案Tab.1 Water management under different irrigation regimes

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量及其構成因素

水稻成熟后，進行考種，測定水稻單株有效穗數、每穗粒數、結實率、千粒重，同時測量每個測筒中水稻實際產量。

1.3.2 灌排水量

每次的灌水量計算式為：

式中：I為灌水量，mm；Q為灌后水層高度，mm；Ws為土壤飽和含水率，%；Wa為灌溉時土壤實際含水率，%；S為土壤干重，g；A為測桶橫截面面積，mm2；D為測桶內直徑，mm。

排水量：每次灌水前收集并測量排水桶里的水量。

1.3.3 需水量

實驗在大棚內進行，降雨量為0，需水量計算式為：

式中：ET為水稻需水量，mm；I為灌溉水量，mm；P為滲漏水量，mm。

1.3.4 水分利用率

式中：WUE為水分生產率，kg/m3；Y為水稻產量，kg；ET為需水量，m3；IWUE為灌溉水生產率，kg/m3；I為灌水量，m3。

1.3.5 土壤pH

在灌水前后采集測桶內0～40 cm 土層的土壤，按土：水=1∶5用pH計測量土壤pH值。

2 結果與分析

2.1 不同水肥處理對土壤pH的影響

圖2 為不同水肥處理各生育期土壤pH 值在灌水前后的變化情況，由圖2 可見，不同水肥處理下，每次灌水前后土壤pH 變化呈現出相似的規律，在灌水后迅速下降，之后緩慢上升直至下一次灌水。干濕交替灌溉時，對土壤不斷的淹水、復干，稻田土壤的pH 值也隨之變化，這正是智能氮肥得以與干濕交替灌溉結合發揮作用的物質基礎。

圖2 不同水肥處理下灌水前后土壤pHFig.2 Soil pH under different water-fertilizer managements

對比3 種灌溉制度下的土壤pH 值，在灌水前差異顯著，從高到低依次為W3、W2、W1，分別維持在6.8、6.3、5.7 左右，這表明水稻土壤的pH 值受到水分管理模式的影響，土壤含水率越高，土壤pH 值越低。在灌水之后土壤均為飽和含水率，pH 值W1、W2、W3 分別為5.2、5.7、5.5 左右，差異不大。分析不同氮肥形式對土壤pH 值的影響，可發現W1、W3灌溉制度下，土壤pH 值SF

2.2 不同水肥處理對水稻產量及構成因素的影響

表2為不同水肥模式下水稻產量，可見所有處理產量分為5 個梯度，W1SF 處理最高，達到64.84 g/桶，其次是W1MF、W2SF 處理，W2MF 處理在二三之間，第三檔為W1NF 處理，第4梯度為W2NF，W3處理下3個處理產量最低，在23 g/桶左右。適度干濕交替灌溉下的水稻產量高于重度干濕交替灌溉，臨界干濕交替灌溉制度是不適宜水稻產量表現的灌溉制度，此灌溉制度下氮肥形式處理間無差異。在適度干濕交替灌溉和重度干濕交替灌溉下，與不施氮肥相比較，尿素和智能氮肥分別對水稻產量提升25%、46%左右，施用智能氮肥的水稻產量均顯著高于常用氮肥尿素處理下的水稻產量。

表2 不同處理下水稻產量g/桶Tab.2 Grain yield under different water-fertilizer managements

表3為水稻產量及構成因素分別受灌溉制度和氮肥形式影響分析，可見灌溉制度影響水稻的有效穗數、每穗粒數、結實率和千粒重，氮肥形式主要影響水稻的有效穗數和千粒重。

表3 不同水肥管理下的水稻產量及其構成因素Tab.3 Grain yield and its yield components under different water-fertilizer managements

對比各灌溉制度間產量構成因素的表現。在NF 處理下，有效穗數和每穗粒數W1、W2、W3 間無顯著差異，結實率W1>W2=W3，千粒重W1=W2>W3；MF 處理下，有效穗數和千粒重W1=W2>W3，每穗粒數和結實率W1>W2=W3；SF 處理下，有效穗數W1>W2>W3，千粒重W1=W2>W3，每穗粒數和結實率間無顯著差異。

對比氮肥對產量構成因素的影響。在W1灌溉制度下，有效穗數SF>MF>NF、千粒重SF>MF 差異顯著；W2 灌溉制度下，結實率SF>MF、千粒重SF>MF>NF 差異顯著；W3 灌溉制度下各因素間無顯著差異。

以往的研究顯示，水、氮對水稻產量存在互作效應，在土壤水分虧缺的條件下，通過水分和肥料的合理搭配，供水不足對產量的不利影響在一定范圍內可以通過適當增施氮肥來控制，仍可獲得較好的產量[17,18]。程建平等[19]的研究證實，適宜的水氮組合對水稻產量有著顯著的交互作用，在土壤輕度干旱時，水稻產量的高低依次為高氮>中氮>低氮。陳新紅等[20]的研究提出了在高施氮條件下，水分的增加無法影響水稻產量，從另一個角度驗證了氮肥與水分之間的互作效應。本實驗中，在W1 和W2 灌溉制度下，施用氮肥的處理的產量高于不施氮肥，與前人的結果一致，驗證了氮肥對水分的調控，同時，施用智能氮肥的處理對產量和產量構成因素的促進效果優于尿素，體現了智能氮肥氮素供給的優越性。而在W3灌溉制度下，干旱脅迫成為影響水稻生長和產量的主要因子，水分的缺乏導致“以肥調水”的效應減小，氮肥形式造成的影響已經不明顯，過度的水分缺失影響到水稻的生長、功能的發揮，導致減產，這也與楊建昌等的研究結果一致[27]。

2.3 不同水肥處理對水稻需水特性的影響

圖3為不同水肥管理下水稻各生育期的需水量，全生育期總需水量由高到低分布為W1NF>W1MF>W1SF>W2NF>W2MF>W2SF>W3NF>W3MF>W3SF，分別為：1036.8、1027.0、1023.9、980.8、977.6、972.2、835.6、799.7、785.2 mm，總體呈現出W1>W2>W3，NF>MF>SF的規律。其中，灌溉制度之間差異顯著，與W1 處理相比，W2 處理的總需水量均下降5%左右；與W2處理相比，W3 處理的需水量均下降20%左右。比較各氮肥處理間總需水量的差異，W1、W2灌溉制度下NF、MF、SF處理之間總需水量無顯著差異，W3 灌溉制度下NF、MF、SF 處理之間需水量差異顯著。

圖3 不同水肥管理下水稻各生育期的需水量Fig.3 ET in different growth stage under different water-fertilizer managements

分析氮肥形式對水稻各生育期需水量的影響。水稻需水量在分蘗期和拔節孕穗期表現為SF>MF>NF，抽穗揚花期和乳熟期則表現為NF>MF>SF。這種結果的出現可能是由于施肥處理下水稻生長更好，作物生理耗水量更大，而在拔節孕穗期中，水稻的葉面積達到最大值，水稻莖稈體積和葉面積的增長也增加了遮蔭，同時，智能氮肥的吸水效果將部分水分保持在土壤中層，這些因素都使得地表水分的蒸發減少，減少了水稻生育后期的需水量。

2.4 不同水肥處理對水稻水分利用率的影響

表4為全生育期內的水稻灌水量、需水量灌水生產率及水分生產率，分析灌水量間的差異，灌水量受灌溉制度、氮肥形式及二者的交互作用影響顯著。不同灌溉制度下的灌水量從高到低為W1、W2、W3，與W1處理相比，W2、W3處理下的灌水量分別顯著減少23.0%和40.1%（NF）、16.6%和33.1%（MF）、16.3%和30.6%（SF），可見干濕交替灌溉中灌水下限的降低的干濕交替灌溉能顯著減少灌水量。從氮肥形式的影響來看，總灌水量受氮肥形式影響在W1、W3 條件下為NF>MF>SF，W2 條件下為MF>NF>SF，相較于MF 處理，SF 處理的總灌水量降低5.4%（W1）、5.1%（W2）、5.9%（W3），施用智能氮肥有利于減少灌水量。

表4 不同水氮管理下的灌水生產率和水分生產率Tab.4 IWUE and WUE under different water-nitrogen management

水稻灌水生產效率和水分生產效率受灌溉制度和氮肥形式影響顯著，水分生產效率受二者的交互作用影響顯著。在NF 條件下，灌溉制度對灌水生產效率的影響為W1>W2>W3；在MF、SF 條件下，W1=W2>W3。在適度干濕交替灌溉W1、重度干濕交替灌溉W2下，與尿素相比，智能氮肥對灌水生產效率均有顯著提高。

水分生產效率整體表現為W1>W2>W3、SF>MF>NF。與W1 處理相比，W2、W3 處理下的水分生產率分別減少12.2%和34.9%（NF）、7.8%和44.2%（MF）、13.8%和47.1%（SF）。與NF 處理相比，MF、SF 處理下的水分生產率提高22.5%和49.5%（W1）、28.7%和46.8%（W2），W3 處理下各氮肥形式間差異不顯著。

經上述對比可見，W2、W3 處理下水稻灌水量、需水量、產量都較W1降低，W2處理的灌水生產效率高于W1，水分生產率低于W1。

施用智能氮肥使灌水生產率和水分生產率得到提升，原因在于智能氮肥中氮素的釋放受水分調控，使得水稻能在獲得水分時同步獲得養分，水分和養分的需求得到匹配，從而減少氮素損失，提高水肥利用效率。

3 結論

(1)在與適度干濕交替模式結合下，施用智能氮肥能可觀提高水稻產量，較常規氮肥尿素提高產量21.8%(W1)、13.9%(W2)。W1 灌溉制度與智能氮肥結合下產量最高，為64.84 g/桶。

(2)智能氮肥的施用對水稻總需水量無顯著影響，但能減少水稻生育后期的蒸發量，提高了水稻水肥需求與供應的一致性，較常用氮肥尿素顯著提高灌水生產率和水分生產率。

(3)干濕交替灌溉可有效減少水稻灌水量、需水量。灌溉過程中過度的落干則會抑制水稻生長，導致產量降低，在灌水下限為70%飽和含水率時，產量受不同肥料形式的影響已不顯著。