北方稻區(qū)水稻節(jié)水灌溉下氮肥減施潛力展望

邢素麗，鄒拓，賈良良，楊云馬，楊軍芳，黃少輝，楊文方

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北 石家莊 050051；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所，河北 唐山 301501）

水稻是耗水量最多的大田作物[1～3]，在淹水栽培條件下，80%的稻田灌溉水通過蒸發(fā)和淋失途徑而損失[4]。與此同時(shí)，生產(chǎn)中氮肥管理粗放、使用過量，氮素利用率不斷降低，導(dǎo)致大量水肥資源浪費(fèi)。水和肥是形成水稻產(chǎn)量的決定性因素，水氮交互作用的關(guān)系更為復(fù)雜[5～8]。尤其在我國北方，水資源短缺與水肥管理不協(xié)調(diào)的矛盾始終是制約優(yōu)質(zhì)水稻生產(chǎn)的關(guān)鍵[9]。研究表明，科學(xué)控水管理可以增加水稻分蘗，進(jìn)而提高產(chǎn)量[10，11]；而適量控水配合科學(xué)施肥，則可以有效調(diào)節(jié)水稻的生長[12，13]。通過分析節(jié)水控灌和適量氮肥供應(yīng)對水稻生長發(fā)育、養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量等的影響，對北方稻區(qū)水稻土壤環(huán)境、灌溉方式、施氮量以及不同生育期的施氮比例進(jìn)行綜述，提出北方稻區(qū)以節(jié)水灌溉為核心的氮肥管理技術(shù)研究方向，旨為北方水稻可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 節(jié)水控灌和適量施氮對水稻的促進(jìn)效應(yīng)

1.1 節(jié)水控灌和適量施氮能夠促進(jìn)水稻生長發(fā)育

水和肥是調(diào)控水稻生長發(fā)育的重要環(huán)境因子[14]。首先，灌溉方式和施氮水平能夠顯著影響水稻株高。相同施氮量條件下，控水處理的水稻株高高于常規(guī)灌水處理，其中分蘗期、拔節(jié)期和開花期的株高增幅較大[15]。其次，水氮互作能夠顯著影響水稻根系生長和分蘗發(fā)生。相同施氮水平下，控水處理的水稻根體積顯著高于常規(guī)灌水處理，過量施用氮肥反而會抑制水稻根體積的增大[16]。在水分一定的條件下，適量增施氮肥可促進(jìn)水稻分蘗，而過量施氮則會導(dǎo)致水稻分蘗數(shù)減少[17]。北方稻區(qū)控制灌溉還可通過地溫升高來增加水稻的分蘗數(shù)量[18，19]。適當(dāng)水分脅迫可明顯抑制無效分蘗[20]。合理施用氮肥能夠減少植物葉片的氣孔密度，降低蒸騰速率，提高植株葉綠素含量，促進(jìn)水分利用[21，22]。

1.2 節(jié)水控灌和適量施氮能夠促進(jìn)水稻產(chǎn)量提高

灌溉方式和施氮水平能夠顯著影響水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素[23]。水氮耦合可在節(jié)水的同時(shí)提高水稻產(chǎn)量，且存在顯著的交互作用[24]。水氮互作可提高子粒灌漿速率，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量[25，26]。施氮量過多，氮素收獲指數(shù)、氮素生理利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率均降低，從而導(dǎo)致水稻產(chǎn)量降低[27，28]。

1.3 節(jié)水控灌和適量施氮能夠促進(jìn)水稻養(yǎng)分吸收

水稻對氮需求量最大，增施氮肥有利于促進(jìn)植株氮素積累[29]。適宜水平的氮素供應(yīng)有利于穗部氮的吸收；而氮肥供應(yīng)過量，雖然可以提高水稻植株的養(yǎng)分積累總量，但不利于水稻生育后期子粒的養(yǎng)分積累，從而使灌漿期至成熟期的養(yǎng)分積累總量降低[30～34]。水稻生育期對氮素的需求規(guī)律表現(xiàn)為移栽后迅速增加，分蘗盛期達(dá)到最大，之后逐漸減少。水稻在移栽—分蘗期、分蘗—拔節(jié)期、拔節(jié)—齊穗期、齊穗—成熟期的吸氮量比例約為16∶53∶20∶1[35]。干濕交替節(jié)水控灌可以調(diào)節(jié)水稻氮、磷、鉀養(yǎng)分的同化積累。研究表明，節(jié)水控灌能夠降低分蘗期水稻的氮素積累量，提高抽穗期和成熟期的水稻氮素積累量[36～39]。同一施氮水平下，干濕交替節(jié)水控灌有助于磷素的積累，不同生育時(shí)期的植株磷素積累量均隨氮素水平的提高而增加；還能提高成熟期植株鉀素的積累量[40]。水氮互作對水稻氮、磷、鉀累積量均有極顯著的影響，可明顯增加水稻體內(nèi)的氮素積累量[41]，提高水稻子粒的磷、鉀元素含量，促進(jìn)水稻生長[42]。不施氮或施氮量過高均會抑制水稻對氮、磷、鉀素的轉(zhuǎn)運(yùn)與吸收，水氮互作條件下各生育期氮、磷、鉀素的吸收均存在顯著的協(xié)同效應(yīng)[43]。節(jié)水灌溉下，適當(dāng)增加追肥次數(shù)有利于減少各種氮素養(yǎng)分的損失，提高氮肥利用率；與淹灌處理相比，促進(jìn)水稻對氮素的吸收與利用，且有利于氮素養(yǎng)分向稻谷中轉(zhuǎn)移[44]。

2 北方稻區(qū)水稻氮肥減施的潛力分析

2.1 北方稻區(qū)0耀20 cm耕層土壤肥力的變化規(guī)律

北方稻區(qū)土壤類型主要有黑土、白漿土、草甸土、棕壤和濱海鹽漬土等。該區(qū)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)一定的地域線性變化規(guī)律，具體表現(xiàn)為自北（黑龍江省第三積溫帶大興農(nóng)場、857農(nóng)場、友誼農(nóng)場[46]）向南（河北省唐山市曹妃甸區(qū)水稻主產(chǎn)區(qū)）逐漸降低，回歸方程為y=-0.936 9x+44.724（R2=0.331 6）（圖1）。黑龍江省耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)到30.8～51.7 g/kg[42，45，46]，平均為39.7 g/kg；其次是吉林省和遼寧省，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為29.5～36.5 g/kg[31，32]和21.0～25.7g/kg[28，35，47]，平均值分別為32.47和22.63g/kg；河北省稻區(qū)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量最低，平均為15.5g/kg。土壤速效氮含量的變化規(guī)律也呈自北向南線性降低（圖2），與土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化規(guī)律一致。土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的省份，土壤堿解氮含量也相應(yīng)較高，回歸方程為y=-5.526 1x+208.56（R2=0.511 9）。土壤有效磷和速效鉀含量南北差異不大，地域規(guī)律性不明顯（圖3～4）[45～48]。

圖1 北方稻區(qū)0耀20 cm耕層土壤的有機(jī)質(zhì)含量Fig.1 Soil organic matter content of 0-20 cm layer in northern rice area

圖2 北方稻區(qū)0耀20 cm耕層土壤的堿解氮含量Fig.2 Soil available nitrogen content of 0-20 cm layer in northern rice area

圖3 北方稻區(qū)0耀20 cm耕層土壤的有效磷含量Fig.3 Soil available phosphorus content of 0-20 cm layer in northern rice area

2.2 北方稻區(qū)水稻的氮肥減施技術(shù)與減氮潛力

研究表明，在較高供氮水平下或農(nóng)民習(xí)慣施氮量條件下，北方稻區(qū)土壤的平均供氮量為199.08 kg/hm2，供氮水平為111～470 kg/hm2[42]。氮肥施用量呈明顯的地域變化，區(qū)域內(nèi)的施氮量總體表現(xiàn)為越往北越小、越往南越高。河北稻區(qū)的施氮量為農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)，該區(qū)也是我國北方稻區(qū)施氮量最高的區(qū)域。在優(yōu)化施氮或經(jīng)濟(jì)供氮條件下，平均施氮量為141.15 kg/hm2，供氮水平為85～370 kg/hm2[46]。在此條件下，氮肥施用量總體也表現(xiàn)為北部較小、南部偏大的趨勢。優(yōu)化施氮較農(nóng)民習(xí)慣施氮平均減施氮肥29.1%[31，32，45，49，50]。

圖4 北方稻區(qū)0耀20 cm耕層土壤的速效鉀含量Fig.4 Soil available potassium content of 0-20 cm layer in northern rice area

從不同時(shí)期的施氮比例看，優(yōu)化施氮方式下，北方水稻全生育期主要施肥4次，其中，基肥的施氮量平均占全年施氮總量的38.2%，第1次、第2次、第3次追肥的施氮量分別占全年施氮總量的30.8%、20.2%和10.8%（表1）。

表1 北方稻區(qū)優(yōu)化施氮條件下不同時(shí)期的施氮比例Table 1 Nitrogen application ratio at different stages under optimized nitrogen fertilization conditions in northern rice area （%）

從水稻產(chǎn)量看，優(yōu)化施氮量或經(jīng)濟(jì)供氮水平下，北方水稻平均產(chǎn)量為9 632.04 kg/hm2，較農(nóng)民習(xí)慣施氮量或較高供氮水平下的水稻平均產(chǎn)量（8 897.28 kg/hm2）提高8.26%（表2）。

表2 北方稻區(qū)的施氮量和水稻產(chǎn)量Table 2 Nitrogen fertilization rate and rice yield in northern rice area

3 問題與展望

水和氮是影響水稻生長發(fā)育的重要因素。采用有效的灌溉管理措施，配合合理的施用氮肥，通過促進(jìn)根系發(fā)育和水稻分蘗以及對營養(yǎng)生長與生殖生長過程的調(diào)控，促進(jìn)養(yǎng)分吸收以及養(yǎng)分向子粒轉(zhuǎn)化，促進(jìn)干物質(zhì)向子粒中分配，從而有效提高水稻產(chǎn)量。北方稻區(qū)水稻的水、氮管理，需要根據(jù)水稻生長發(fā)育對水分和養(yǎng)分的需求進(jìn)行。合理的節(jié)水灌溉與氮肥管理，對水稻生長、分蘗、發(fā)育、根系生長、產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收等具有積極作用；反之，不利于水稻的生長發(fā)育和產(chǎn)量提高。目前在較高供氮水平或農(nóng)民習(xí)慣施氮條件下，土壤的平均供氮量為199.08 kg/hm2，供氮水平為110～470 kg/hm2；在優(yōu)化施氮或經(jīng)濟(jì)供氮水平下，水稻的平均施氮量為141.15 kg/hm2，土壤供氮水平為85～370 kg/hm2。優(yōu)化施氮較農(nóng)民習(xí)慣施氮平均減施氮肥29.1%，水稻增產(chǎn)8.26%。優(yōu)化施氮方式下，基肥和3次追肥的施氮比例為38.2%、30.8%、20.2%和10.8%。建議加強(qiáng)水氮供應(yīng)與水肥需求同步對北方水稻分蘗、生長發(fā)育、光合作用的調(diào)控機(jī)制研究，強(qiáng)化在節(jié)水灌溉條件下不同生育期氮調(diào)控對水稻產(chǎn)量形成和氮利用的影響研究，闡明節(jié)水灌溉下氮肥減施技術(shù)及其機(jī)理，對北方稻區(qū)水稻提高水肥利用，解決水資源短缺和氮肥過量施用的問題具有重要的理論與生產(chǎn)實(shí)際意義。