水肥一體化條件下控灌稻田土壤氮素及水稻生長特性研究

李 帥，衛 琦*，徐俊增,2，王海渝，周姣艷

（1.河海大學 農業科學與工程學院，南京210098；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京210098；3.昆山市城市水系調度與信息管理處，江蘇 昆山215300）

0 引 言

【研究意義】水稻是占據我國糧食種植總面積1/3 的作物[1]，合理的水肥管理是實現水稻高產、保障農民增收的關鍵[2]。然而，我國水稻種植區目前還普遍存在著過量施肥、氮肥利用效率低、農業面源污染嚴重等問題[3-5]。因此，探求適宜的水肥管理模式，對于提高氮素利用效率、減少農業面源污染具有重要指導意義。

【研究進展】關于水稻施肥管理的研究，目前已有大量學者從肥料品種、施用量、施肥配比（基肥、蘗肥、穗肥的三者比例）等方面開展了大量研究。但稻田施肥除了基肥混入土壤外，絕大部分還是采用人工撒施的方式完成追肥，少部分學者針對無人機或噴肥器施肥開展了研究[6-7]。

人工撒施的劣勢在于施肥過程中損失較大，有文獻顯示，人工撒施肥料的有效利用率僅有30%～35%[8-9]，而肥料損失率最高可達70%[10-12]，且其施肥均勻度對施肥人員的經驗依賴程度較強。因此采用先進的施肥方式是提升稻田施肥管理水平與肥料利用效率的一個重要舉措。

水肥一體化技術被證明具有提高水分和肥料利用率[13]、減少氮素的淋溶損失、提高施肥均勻度[14]等優勢，因此得到了愈加廣泛的應用。目前，關于水肥一體化施肥方式對土壤氮素、作物生長及產量的影響，學者已經開展了大量的研究[15-17]。例如，Sharmasarkar等[15]研究表明，采用滴灌水肥一體化施肥方式，可以對土壤氮素（NH4+-N和NO3--N）進行有效調控，減緩氮素的深層滲漏和淋溶損失。Singandhupe等[16]研究表明，水肥一體化施肥方式能夠顯著降低氮肥的淋溶損失與深層滲漏，且可以對于作物根層水分進行有效管控；與傳統溝灌施肥相比，水肥一體化施肥方式能夠增產3.7%～12.5%，節約灌溉水31%～37%。但借鑒這一技術的稻田水肥一體化研究剛剛起步，僅有少量的類似研究。如陳銳浩等[18]采用隨水沖施的方式開展了2～4 次追肥次數下水稻生長及經濟效益的研究，結果表明大部分產量指標（實粒數和空秕率除外）相對人工撒施有所增加，且均隨施肥次數的增加呈先增大后減小趨勢，其中以追肥3 次處理的產量最高、經濟收益最大。竇超銀等[19]采用盆栽試驗，模擬研究了肥水灌溉不同施肥量對水稻生長和產量的影響，結果表明，水稻莖蘗數和株高均隨施肥量的增加呈先增大后減小趨勢，采用肥水灌溉方式可以適當減少氮肥用量、而不影響水稻生長和產量。【切入點】綜上，以往研究重點關注了水肥一體化條件下不同施肥管理對稻田水稻生長及產量的影響，但借助水肥一體化灌溉施肥裝備實現灌水過程中連續、穩定、均勻的施肥，研究其對稻田土壤氮素分布特征及其均勻度、水稻生長與產量等的影響，相關研究還有待開展。穗肥作為影響水稻灌漿的重要追肥，不僅能提高抽穗期和灌漿期水稻的根系活力和葉片光合能力，而且能夠促進光合物質的積累及其向籽粒中的分配[20-21]。考慮到水稻穗肥會直接影響到水稻灌漿以及最終的產量，因此，對水稻穗肥的研究顯得尤為重要。然而，結合水肥一體化施肥方式，開展水稻穗肥管理對土壤氮素分布以及水稻生長、產量變化等方面的研究還鮮有報道。

【擬解決的關鍵問題】本研究以節水灌溉稻田為例，針對水稻產量影響最為重要的追肥-穗肥，開展施肥方式與施肥量次組合的試驗，研究水肥一體化施肥方式結合減量分次施肥對控制灌溉稻田土壤氮素分布及水稻生長和產量的影響，以期促進稻田水肥一體化技術的推廣應用。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2020年6—10月在河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室昆山排灌試驗基地（31°15′15″N，120°57′43″E）進行。試驗區屬于亞熱帶南部季風氣候，年平均降水量為1 097.1 mm，年日照時間為2 085.9 h，年均氣溫為15.5 ℃，年平均無霜期為234 d。試驗基地土壤類型為潴育型黃泥土，稻田耕層土壤質地為重壤土，0～18 cm 土層土壤TN、TP 和TK 量分別為1.79、1.4 g/kg 和20.86 g/kg，0～30 cm 土壤體積質量為1.32 g/cm3。

試驗在長為10 m、寬為15 m 的小區內進行，小區四周為混凝土田埂（埋深1 m）。供試水稻品種為南粳46 號，株行距為13 cm×25 cm，每穴3～4 株，6月25日移栽、10月25日收割。

1.2 試驗設計

當地水稻全生育期共施加1 次基肥和2 次追肥（蘗肥和穗肥）。本研究針對穗肥開展，試驗共設計2 個因素：施肥方式、施肥量與頻次。其中施肥方式包括傳統人工撒施（記為H）和水肥一體化施肥（記為A）；施肥量與頻次包括常規施肥水平1 次施用（碳酸氫銨（含氮量>17.1%），367 kg/hm2，F）和減量施肥兩次施用（碳酸氫銨，267 kg/hm2，R）。共計4 個處理，分別為HR（人工撒施減量2 次施用）、AR（水肥一體化減量2 次施用）、HF（人工撒施常規施肥1次施用）、AF（水肥一體化常規施肥1 次施用）。各小區單獨灌排，其中灌溉水源來自周邊河水，通過試驗基地內泵站抽取河水，并經過低壓管道輸送至田間進行灌溉。各小區實時灌水流量和累積灌水量通過各試驗小區的電磁流量計（量程：0～30 m3/h）進行計量。常規施肥處理于8月18日施用碳酸氫銨（含氮量>17.1%）367 kg/hm2（折合5.5 kg 碳酸氫銨/小區），減量施肥處理于8月18日和9月15日分2 次施用碳酸氫銨，每次133.5 kg/hm2（折合2.0 kg 碳酸氫銨/小區），減施水平為27%。各處理前期的基肥和蘗肥相同，分別于6月26日和7月5日施用，基肥為復合肥（含氮量>16%）525 kg/hm2和尿素（含氮量>46.2%）225 kg/hm2，蘗肥為碳酸氫銨367 kg/hm2（含氮量>17.1%）。各處理施用穗肥前，田內水層深度均保持為5 cm 水層。在水稻全生育期內，均采用控制灌溉模式，控制灌溉稻田田間水層管理見表1[22]。

肥胖與乳腺癌、胰腺癌、肝癌、甲狀腺癌、膀胱癌、卵巢癌、非霍奇金淋巴瘤等惡性腫瘤相關[4, 13-15]。肥胖的惡性腫瘤患者常預后不良，但肥胖促進腫瘤進展，導致患者預后不良的機制尚不清楚。研究[16-17]認為，肥胖患者循環中性激素水平較高是某些荷相關腫瘤患者預后不佳的原因之一。研究[18]提示，能量攝取失衡可能影響基因組的穩定性，造成生長信號傳導失調，細胞能量代謝紊亂、凋亡抑制。而這些因素是腫瘤發生發展的關鍵因素。

表1 水稻控制灌溉各生育階段土壤水分控制指標Table 1 Soil moisture control index of rice growth stage under controlled irrigation

水肥一體化施肥裝置采用自主研發的水肥一體化施肥器。該裝置包括數據處理系統、驅動系統、動力系統和數據錄入系統，其主要原理是：根據輸入的稻田灌水定額與單次施肥總量，計算得到施肥過程中需要保持的水-肥溶液的體積比；并根據測流系統對灌溉流量的實時監測結果，控制系統通過實時計算的施肥量進一步控制蠕動泵將相應體積的肥液輸送到稻田灌水口。開展試驗時，將該水肥一體化施肥裝置放置于田間低壓管道放水口處，并在該放水口處安裝電磁流量計，電磁流量計與施肥裝置相連接。當進行灌水時，施肥裝置收到電磁流量計所采集的瞬時流量數據，經計算后，得到對應的施肥量，并控制蠕動泵送對應量的肥液至放水口，實現水肥一體化施肥。

1.3 測定指標與方法

試驗過程中，分別在2 次穗肥施用后的第3 天（8月20日和9月17日）對0～10、10～20 cm 和20～40 cm土層的土壤樣品進行采集，每個小區設置7 個取樣點進行采樣。4 個處理依次排列，各小區沿田埂長度方向左右二側各取3 個點，間隔7.5 m，并在小區中心位置取1 點，每小區共計取7 個點。采集的土樣裝入自封袋中（長15 cm，寬10 cm）帶回實驗室。先將土樣中的植株根系、碎石剔除，然后按照KCl 浸提-分光光度法和紫外分光光度法對土壤樣品中的NH4+-N 和NO3--N 量進行測定[23]。選用各取樣點數據的平均值用來進行處理間對比，并計算土壤氮素分布均勻度以反映施肥的均勻度[24-25]，計算式為：

式中：xi為第i個觀測值；xˉ為均值；N為取樣點個數。

此外，在水稻全生育期內，對水稻的主要生長指標（莖蘗、株高）和最終的產量進行定期測定。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2019 與IBM SPSS Statistics 22對土壤氮素及水稻生長及產量數據進行統計與分析，采用最小顯著性差異法（LSD）進行多重比較分析（差異顯著性水平為p＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 水肥一體化條件下控制灌溉稻田土壤氮素分布

2 次穗肥施用后各處理土壤氮素結果顯示（表2），與人工撒施處理相比，水肥一體化處理各土層的NH4+-N 量均有所增大、NO3--N 量均有所降低。減量施肥2 次施肥后，各土層的NH4+-N 量相對常規施肥有所提高，且水肥一體化處理提升作用更明顯，說明減量分次施肥能夠在減量的前提下保持較高的土壤氮肥水平，而相對于傳統撒施，水肥一體化施肥方式能夠降低氮肥施用過程中的損失。

從分次施肥的第1 次穗肥施用后各處理土壤氮素量（表2），可以看出，不同處理土壤NH4+-N 量均隨土層深度的增加均呈逐漸減小趨勢，而NO3--N 量則正好相反。其中對于土壤NH4+-N 而言，其量主要維持在14.73～71.82 mg/kg 范圍內，大小關系表現為：AF 處理＞HF 處理＞AR 處理＞HR 處理（p＜0.05）。而對于土壤NO3--N 來說，各處理的量均顯著低于土壤NH4+-N 量，且不同處理間的大小關系也與土壤NH4+-N 有所不同，表現為：HF 處理＞AF 處理＞HR處理＞AR 處理（p＜0.05）。在同一種施肥方式下，由于減量分次施肥單次施肥量遠低于常規施肥（僅為常規施肥的36.4%），其各土層的NH4+-N 量和NO3--N量均顯著低于常規施肥處理的值。同一施肥量情境下，水肥一體化施肥提高了各層土壤中的NH4+-N 量，一定程度上降低了土壤NO3--N 量。以0～10 cm 土層為例，常規施肥量下A 處理的NH4+-N 量分別較H 處理提高了33.0%。減量分次施肥下，AR 處理比HR 處理提高了38.3%。說明在相同施肥量條件下，水肥一體化施肥方式能夠提高稻田土壤的NH4+-N 量。

表2 各處理施用穗肥后不同土層土壤含氮量Table 2 Soil nitrogen content in different soil layers after applying panicle fertilizer in each treatment mg/kg

分次施肥處理第2 次穗肥施用后（表2），各處理土壤NH4+-N 量均隨土層深度的增加呈現逐漸減小趨勢，而NO3--N 量則正好相反。其中對于土壤NH4+-N而言，各處理土壤NH4+-N 量的變化范圍為19.78～35.73 mg/kg，大小關系表現為：AR 處理＞AF處理＞HR 處理＞HF 處理（p＜0.05）。各處理土壤NH4+-N 量之間的對比關系與第1 次存在顯著差異，在相同施肥方式條件下，減量分次施肥處理的土壤NH4+-N 量顯著高于常規施肥處理，其量范圍為22.90～35.73 mg/kg，大小關系表現為：AR 處理＞AF處理＞HR 處理＞HF 處理（p＜0.05）。產生這種現象的原因可能是由于減量分次的施肥管理提高了作物對氮素的吸收利用、減緩了氮素的轉化過程。而對于NO3--N 來說，各處理土壤NO3--N 量顯著減小，相較于NH4+-N 量，降幅主要維持為41%～90%范圍內，且其大小關系也與NH4+-N 有所不同，表現為：HF 處理＞AF 處理＞HR 處理＞AR 處理（p＜0.05）。

綜合各處理穗肥施用后的2 次土壤氮素結果，可以看出，減量分次施肥能夠為稻田土壤提供長期穩定的NH4+-N，又能減緩土壤氮素的淋溶損失（NO3--N），采用水肥一體化施肥方式能夠降低施肥過程中的損失，具有更高的施肥有效性，在減少37.5%施肥量的情況下，水肥一體化減量分次施肥的土壤NH4+-N 量高于常規方式和常規施肥量。因此，該施肥方式是一種具有提高氮素利用效率、降低面源污染排放等潛力的施肥管理策略。

2.1.2 土壤氮素分布均勻度

2 次穗肥施用后各處理土壤氮素分布均勻度可以反映施肥的空間分布均勻度（表3）。各處理土壤氮素分布均勻度指標CU之間的大小關系均表現為：AR處理＞AF 處理＞HF 處理＞HR 處理。且與人工撒施相比，水肥一體化方式各土層的NH4+-N 和NO3--N分布均勻度均顯著增大（p＜0.05）。與常規施肥水平相比，水肥一體化方式在減量分次施肥水平下的土壤NH4+-N 和NO3--N 分布均勻度均呈不同程度的增加，而人工撒施方式的土壤NH4+-N和NO3--N分布均勻度則有所減小。對比不同土層的氮素分布均勻度，可以看出0～10 cm 和20～40 cm 土層的NH4+-N 和NO3--N分布均勻度均大于10～20 cm 土層的值，但土壤NH4+-N 和NO3--N 的分布均勻度最大值分別在0～10 cm 和20～40 cm 土層。此外，與第1 次穗肥施用后土壤氮素分布均勻度相比，第2 次穗肥施用后各處理的土壤NH4+-N 分布均勻度有所增加，而NO3--N 分布均勻度則沒有明顯變化。

表3 各處理不同深度土壤氮素分布均勻度Table 3 The distribution uniformity of soil nitrogen content in different depths under different treatments

2.2 水稻生長變化

2.2.1 水稻莖蘗

由于前期水肥管理一致，因此各處理的水稻分蘗數變化規律在第1 次穗肥施用前基本一致，均呈快速增長趨勢（表4）。而在穗肥施用后，水肥一體化方式的分蘗數變化與人工撒播處理出現了差異，其具體表現為：第1 次穗肥施用后，處理間大小關系表現為：AF 處理＞HF 處理＞AR 處理＞HR 處理，即單次施肥水平高的處理的莖蘗數量較大；而在第2 次穗肥施用后，AR 和HR 處理施用了第2 次肥料，分蘗數呈一定幅度的補償性增加，并逐漸高于相同施肥方式下的AF 處理和HF 處理。此后，從水稻乳熟期直至水稻收獲，各處理水稻分蘗數基本保持不變，其大小關系最終表現為AR 處理＞AF 處理＞HR 處理＞HF 處理（p＜0.05）。整體上，水稻全生育期內的分蘗數最大值出現在9月23日，其中以AR 處理的值最大（15.5 個），其分蘗數分別較AF、HR 處理和HF處理的值增大了9.4%、18.0%和28.0%。

表4 不同處理水稻全生育期莖蘗變化特征Table 4 Variation characteristics of tiller in whole growth period of rice under different treatments 個

2.2.2 水稻株高

與人工撒施處理相比，水肥一體化處理的株高在第1 次穗肥施用前的變化規律均較為相似，即逐漸增大的變化趨勢（表5）。而后，隨著施肥方式和施肥量的變化，減量分次施肥處理的株高增長幅度呈增大趨勢，且單次施肥量大的處理增加更快、水肥一體化處理高于人工撒施處理，其增加快慢關系為AF處理＞HF 處理＞AR 處理＞HR 處理。第2 次施肥后，減量分次施肥處理的株高迅速增大，且AR 處理高于AF 處理和HF 處理。至水稻收獲時，各處理水稻株高大小關系表現為AR 處理＞AF 處理＞HR 處理＞HF 處理（p＜0.05）。整體上，各處理水稻株高最大值均出現在10月14日前后，其中以AR 處理的值最大（92.7 cm），其株高分別較HR、HF 處理和AF 處理的值增大了7.7%、11.7%和4.0%。

表5 不同處理水稻全生育期株高Table 5 Plant height of rice with different treatments during the whole growth period cm

2.3 水稻產量

不同處理水稻產量及其構成因素如表6 所示，可以看出，除結實率外，水肥一體化處理的產量、千粒質量、每穗實粒數、有效穗數和穗長均高于人工撒施處理（p＜0.05）。整體上，各處理水稻產量之間的大小關系為：AR 處理＞AF 處理＞HR 處理＞HF 處理（p＜0.05），其中AR 處理的產量最高，為9 246.6 kg/hm2，分別較AF、HR 和HF 處理提高了7.1%、11.1%和18.0%。總體上，在不同施肥水平條件下，水肥一體化處理的產量較人工撒施處理產量分別提高了10.2%（常規施肥水平）和11.1%（減量施肥水平）；而在不同施肥方式條件下，減量施肥處理的產量比常規施肥水平的值分別高7.1%（水肥一體化）和6.3%（人工撒施）。

表6 不同處理水稻產量及其構成因素Table 6 Rice yield and its components under different treatments

3 討論

3.1 關于水肥一體化施肥方式

施肥方式不僅影響土壤氮素的遷移轉化，還影響作物對氮素的吸收利用[26-27]。水肥一體化施肥方式能夠促進外源氮向土壤NH4+-N 的轉化，減緩向NO3--N的轉化，并提高作物對氮素的吸收與轉運[28-31]。

本研究中，與人工撒施處理相比，水肥一體化處理提高了土壤各層NH4+-N量，降低土壤NO3--N量（表2）。原因在于水肥一體化處理施入田間的氮肥為液態，氮素可以隨水均勻進入稻田，便于土壤吸附，且減少了施肥過程中的損失[32]。而對于人工撒施處理來說，由于施肥過程中受到植物冠層葉片截留、隨風飄失等因素的影響[34]，存在較大程度的施肥損失。

此外，水肥一體化處理能夠有效提高施肥均勻度（表3）。2 次穗肥施用后土壤NH4+-N 和NO3--N 的分布均勻度結果均表現為AR 處理＞AF 處理＞HF 處理＞HR 處理，表明水肥一體化施肥方式較人工撒施具有更好的施肥均勻度，有助于小區內水稻整體長勢的同步增長。相似地，張志洋等[35]研究結果也表明水肥一體化方式能夠提高施肥均勻度10.6%～11.8%。產生上述現象的原因在于水肥一體化施肥方式能夠實現肥料連續、均勻地施入田間，達到提高土壤氮素分布均勻度的效果，而人工撒施具有落點隨機性大的特點，因此其均勻度更加難以控制。

與人工撒施相對比，水肥一體化條件下減量分次施肥不僅促進了稻田土壤銨氮量、施肥均勻度的增加，還能夠有效改善水稻整體長勢與產量（表4 和表5）。竇超銀等[19]、胡偉等[36]對水肥一體化條件下晚稻產量的研究也得到了類似結論：水肥一體化條件可提高產量6.7%～8.0%。原因在于水肥一體化條件能夠有效減少施肥過程中的無效損失與施肥后的氨揮發損失，在相同施肥量下能顯著提高土壤銨氮量，能夠長時間為作物提供穩定的養分供應。此外，由于其施入的氮肥為離子態，能夠隨著灌溉水的運移而不斷擴散，有助于施肥均勻度的提升和水稻對氮素吸收利用效率的提高，從而促進作物生長發育和產量的提高。

3.2 關于減量分次的施肥策略

相較于常規施肥水平1 次施肥，減量施肥水平2次施肥能有效避免稻田高氮素質量濃度下所產生的氮素過量損失，如高施肥量后稻田土壤氮素質量濃度過高所導致的過量氨揮發損失等。原因在于減量施肥水平2 次施肥處理共計施肥2 次，能夠保證土壤氮素量在更長時段內處于相對穩定的形態與較適宜的量[37]，避免稻田高氮素情況的出現，有助于促進作物生長過程中對土壤氮素的吸收利用，顯著提高肥料利用效率，而且肥料分次施入更符合長時間水稻對養分的需求規律[38]。這也與Abdelraouf 等[39]、竇超銀等[40]研究結論較為一致，即在施肥總量一定的前提下，提高施肥頻率可以有效提高作物產量。此外，AR 處理在減氮27%的條件下分2 次施入，有效提升了施肥均勻性與肥料的利用效率，促進了稻田整體長勢的同步和產量的提升，說明了水肥一體化減量分次施肥能夠實現更高的水肥利用效率，有助于避免高施肥量所帶來的肥料損失與環境污染。

總之，本研究重點針對土壤氮素及作物生長、產量開展。由于本次試驗僅針對水稻穗肥展開，同時也受小區面積、氮肥種類、施肥水平、施肥制度等因素的局限性的影響，使得試驗結果具有一定的局限性，因此，下一步有必要針對水稻全生育期多次施肥和不同規格的試驗小區開展更多施肥制度對土壤水氮遷移轉化、水稻生理生長等方面的研究，為開發更為科學合理的施肥制度而提供參考價值。

4 結論

1）與人工撒施相比，水肥一體化施肥方式顯著提高了稻田土壤NH4+-N量（27.4%～50.7%），降低了土壤NO3--N量（15.2%～33.3%）和氮素淋溶損失。

2）與人工撒施相比，水肥一體化施肥方式促進了土壤NH4+-N和NO3--N在水平方向上的運移、減少了土壤NO3--N的深層滲漏，顯著提高了土壤氮素分布均勻度。

3）與人工撒施相比，水肥一體化施肥方式顯著提高了水稻分蘗數（7.5%）和株高（17.4%），增加了水稻產量（16.4%）。

4）與傳統水肥管理方式相比，水肥一體化施肥方式配合“減量分次”施肥管理有效避免了稻田高氮濃度所導致的氮素過量損失問題，提升了稻田土壤含銨氮量與其分布均勻度，是一種具有提高土壤氮素有效性、減少氮素損失與面源污染的水肥管理策略。