間歇灌溉緩釋肥對稻田土壤肥力、根干重及產量的影響

楊 鵬，何 軍，2，付 亮，趙 帆，周潔宇，趙樹君，鐘 韻，馬 煜，程 磊，張宇航，鐘盛建，甘學華

（1.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌 443002；2.三峽大學三峽庫區生態環境教育部工程研究中心，湖北宜昌 443002；3.湖北省漳河工程管理局，湖北荊門 448156）

0 引 言

水稻是我國水肥消耗巨大的主要糧食作物之一，我國稻田單季氮肥平均用量為180 kg/hm2，比世界平均水平用量高75%［1］。不合理或者偏施無機肥不僅會引發農田生態環境問題，而且會導致稻田土壤肥力的遞減［2～4］。良好的水肥調控模式有利于土壤與作物之間進行營養元素的交換，促使作物獲得高產。間歇灌溉有利于土壤對全氮維持，減緩耕層全磷下移［5］和還原性物質的積累，顯著提高根系形態指標［6］，為水稻生長發育創造了良好的條件［7］，節水的同時亦能增產［8-10］。緩釋肥作為一種新型環保復合型肥料，具有養分釋放速率緩慢，與作物生長需肥基本一致的特點［11］；施用緩釋肥不僅能穩定土壤有機質和保持地力［12，13］，而且能顯著增加根系干重，保持根系活力［14］。以上諸多研究成果均為單獨在間歇灌溉或緩釋肥條件下得出，間歇灌溉和緩釋肥交互效應下對土壤肥力和產量的影響則鮮有報道。本文選取長江中游典型水稻種植區漳河灌區為研究區域，開展間歇灌溉緩釋肥耦合條件下水稻測坑試驗，采集收割后稻田土樣及測產數據進行分析研究，以期可對維持稻田土壤肥力并提高水稻產量的適宜水肥管理模式優化提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

試驗區選在湖北省漳河灌區灌溉試驗站（湖北省灌溉試驗中心站），位于湖北省荊門市東寶區漳河鎮卻集村（30°54'15″N，112°05'16″E），年無霜期206 d，多年平均溫度17 ℃，最高月平溫度27.7 ℃，最低月平均溫度3.9 ℃，年降雨量700～1 100 mm，多年平均降雨量947 mm，年平均蒸發量（20 cm 蒸發皿）1 300～1 800 mm，年日照總時間1 300～1 600 h。試驗區土壤以黃棕壤為主，質地黏重，有機質含量相對較低，PH 值為6.8～7.2（水土比1∶1），土壤孔隙率為45.5%，容重為1.33～1.44 g/cm-3。

試驗研究時段為2019年5-9月水稻生育期，主處理為兩種灌溉模式：淹水灌溉W1（Continue Flooding，CF）和間歇灌溉W2（Alternate Wetting and Drying，AWD），其水層控制見表1［15］；副處理為兩種肥料類型：傳統肥N1 和緩釋肥N2。采用2.0 m×2.0 m 的測坑開展水稻種植試驗，共4個處理：W1N1（淹灌傳統肥），W1N2（淹灌緩釋肥），W2N1（間歇灌溉傳統肥），W2N2（間歇灌溉緩釋肥），每個處理設置3個重復，共12個測坑。

表1 淹灌W1和間歇灌W2（AWD）水層控制表Tab.1 Water layer control table for submerged irrigation W1 and alternate wetting and drying irrigation W2（AWD）

施肥方式和水平為：傳統肥N1 參考當地農民習慣，氮肥以N 計為180 kg/hm2（50%基肥、50%追肥），施基肥時用碳酸氫銨（NH4HCO3），追肥時用尿素（CO（NH2）2），基肥在泡田整地時施入，追肥（分蘗肥）在移栽后15 d 左右施入。磷肥以P2O5計，為115 kg/hm2（用過磷酸鈣，主要成分為Ca（H2PO4）2·H2O），作為基肥一次施入；鉀肥以K2O 計，為72 kg/hm2（用氯化鉀），作為基肥一次性施入。緩釋肥N2 設計為氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥有效含量及配比與傳統肥N1 相等，作底肥一次性施入。試驗稻種為荃早優絲苗，為當季當地大面積推廣應用品種。

1.2 樣品數據處理

考慮前茬作物水肥管理均一，本次土壤取樣選在水稻黃熟收割后，每個測坑田面以下0～20 cm 和20～40 cm 土層深度各取一份土樣。采用土鉆對角線取土，采回土樣分不同處理混勻，四分法配置分析樣品。

稻田土壤肥力指標為全氮（TN）、全磷（TP）。土樣全磷采用H2SO4-H2O2消解，鉬酸銨分光光度法測定，全氮采用凱氏定氮法測量。為避免邊際效應，黃熟期每測坑中部區域收選取1.0 m×1.0 m 范圍植株樣，測取株高、葉綠素SPAD 值及分蘗數，考察有效穗數，選取5 叢測取穗粒數、千粒重、結實率等，后5 叢并入其余植株測產。植株根系用清水洗凈，剪刀剪下放于烘箱85 ℃殺青半小時，105 ℃烘干48 h至恒重稱重；數據分析軟件及制圖采用EXCEL2020，SPSS25.0軟件。

2 結果分析

2.1 不同水肥處理對稻田土壤全氮的影響

從圖1中可以看出，間歇灌溉傳統肥（W2N1）上層土壤全氮含量較淹灌傳統肥（W1N1）高40.66%，下層較淹灌傳統肥（W1N1）高2.20%，表明傳統肥條件下，間歇灌溉模式較淹灌對上、下層土壤全氮含量有更好的維持作用；間歇灌溉緩釋肥（W2N2）上層土壤全氮含量較淹灌緩釋肥（W1N2）高78.63%，下層較淹灌緩釋肥（W1N2）高46.58%，表明緩釋肥條件下，間歇灌溉模式較淹灌能更好的維持上、下層土壤全氮含量；不論是在傳統肥或是緩釋肥條件下，間歇灌溉上、下層土壤的全氮含量較淹灌高。

圖1 不同水肥處理稻田土壤全氮含量對比Fig.1 Comparison of total nitrogen in paddy soil under different water and fertilizer treatments

淹灌緩釋肥（W1N2）上層土壤全氮含量較淹灌傳統肥（W1N1）低25.24%，下層較淹灌傳統肥（W1N1）低79.95%；間歇灌溉緩釋肥（W2N2）上層土壤全氮含量較間歇灌溉傳統肥（W2N1）低5.06%，下層較間歇灌溉傳統肥（W2N1）低22.52%，可見淹灌或間歇灌溉模式下，緩釋肥對上、下層土壤全氮含量維持作用不如傳統肥。

表2為不同水肥處理下稻田土壤氮磷含量及根干重方差分析。可以看出，在20～40 cm 土層深度下，施肥類型對全氮影響顯著（Fu＞F0.05=4.667，P＜0.05），表明淹灌模式下，傳統肥較緩釋肥可顯著促進土壤下層（20～40 cm）全氮含量維持。

表2 不同水肥處理下稻田土壤氮磷含量及根干重方差分析Tab.2 Variance analysis of nitrogen and phosphorus content and root dry weight in paddy soil under different water and fertilizer treatments

2.2 不同水肥處理對稻田土壤全磷的影響

從圖2中可以看出，間歇灌溉傳統肥（W2N1）上層土壤全磷含量較淹灌傳統肥（W1N1）高64.27%，而下層土壤較淹灌傳統肥（W1N1）低30.80%，表明傳統肥條件下，間歇灌溉模式對上層土壤全磷含量有維持作用，對下層土壤全磷含量維持作用不如淹灌；間歇灌溉緩釋肥（W2N2）上層土壤全磷含量較淹灌緩釋肥（W1N2）高162.86%，而下層較淹灌緩釋肥（W1N2）低43.52%，表明緩釋肥條件下，間歇灌溉模式相對淹灌能更好維持稻田上層土壤全磷含量，但對稻田下層土壤全磷的維持作用不如淹灌，且緩釋肥條件下較傳統肥維持效果更明顯。

圖2 不同水肥處理稻田土壤全磷對比Fig.2 Comparison of total phosphorus in paddy soil under different water and fertilizer treatments

淹灌緩釋肥（W1N2）上層土壤全磷含量較淹灌傳統肥（W1N1）低73.92%，下層土壤較淹灌傳統肥（W1N1）低5.08%，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）上層土壤全磷含量較間歇灌溉傳統肥（W2N1）低58.26%，下層較間歇灌溉傳統肥（W2N1）低22.53%，表明淹灌或間歇灌溉模式下，緩釋肥對上、下層土壤全磷含量維持作用不如傳統肥。

由表2可知，土壤上層（0～20 cm）全磷含量在灌溉模式下差異性較顯著（Fu＞F0.1=3.177，P＜0.1），而不同施肥類型條件下土壤上層全磷含量差異性極顯著（Fu＞F0.01=4.747，P＜0.01），表明傳統肥較緩釋肥可顯著促進土壤上層（0～20 cm）全磷含量維持。

2.3 不同水肥處理對水稻根干物質的影響

從圖3可以看出，根干重在淹灌傳統肥（W1N1）處理下最低（461.4 kg/hm2），占植株百分比3.2%，在間歇灌溉緩釋肥（W2N2）處理下最高（846.4 kg/hm2），占植株百分比6.6%；淹灌緩釋肥（W1N2）較淹灌傳統肥（W1N1）高97.95%，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）較間歇灌溉傳統肥（W2N1）高42.88%，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）較淹灌緩釋肥（W1N2）高15.13%，間歇灌溉傳統肥（W2N1）較淹灌傳統肥（W1N1）高59.50%；由表2 可知，根干重受施肥類型影響顯著（Fu＞F0.05=4.844，P＜0.05），表明緩釋肥較傳統肥可以顯著促進黃熟期根系干物質積累。

圖3 不同水肥處理下黃熟期水稻根系干物質的影響Fig.3 Effects of different water and fertilizer treatments on root dry matter of rice at yellow ripe stage

2.4 不同水肥處理對水稻產量構成因素及黃熟期生態特性的影響

從表3中可以看出，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）處理下產量最高（10 505 kg/hm2），其次是淹灌緩釋肥（W1N2）處理，達10 386 kg/hm2，淹灌傳統肥（W1N1）處理下產量最小（9 679 kg/hm2）。間歇灌溉傳統肥（W2N1）比淹灌傳統肥（W1N1）高3.90%，表明傳統肥條件下，間歇灌溉模式相對于淹灌有一定的增產，這與何軍等［16］人研究結論一致。淹灌緩釋肥（W1N2）產量比淹灌傳統肥（W1N1）高7.30%，且在表3 不同水肥處理下對產量的交互效應分析中，產量受施肥類型影響較顯著（Fu＞F0.1=3.225，P＜0.1），表明淹灌模式下，緩釋肥較傳統肥有較顯著的增產，這與李方敏等［17］人的研究一致。間歇灌溉緩釋肥（W2N2）產量比淹灌緩釋肥（W1N2）高1.15%，比間歇灌溉傳統肥（W2N1）高出4.46%，較淹灌傳統肥（W1N1）高8.53%，結合表3 可知，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）耦合互作可提升水稻產量，但差異不顯著。

表3 不同水肥處理對水稻產量構成因素及黃熟期生態特性的影響Tab.3 Effects of different water and fertilizer treatments on yield components and ecological characteristics of rice at yellow ripe stage

有效穗數在間歇灌溉緩釋肥（W2N2）處理下最高，為282.67 穗/m2，在淹灌傳統肥施肥（W1N1）最低，達237.00 穗/m2；間歇灌溉傳統肥（W2N1）、淹灌緩釋肥（W1N2）有效穗數分別較淹灌傳統肥（W1N1）高15.61%、17.08%，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）有效穗數較淹灌緩釋肥（W1N2）高1.86%，比間歇灌溉傳統肥（W2N1）高出3.16%，較淹灌傳統肥（W1N1）高19.27%，有效穗數在各處理下的關系與根系、產量大體類似，且在表3中顯示，有效穗數在施肥類型下較顯著（Fu＞F0.1=3.136，P＜0.1）；穗粒數在淹灌溉緩釋肥（W2N2）處理下最高，為276.87 粒，在淹灌傳統肥（W1N1）處理下最低，達250.10 粒；千粒重在淹灌傳統肥（W1N1）下最大（22.39 g），在淹灌緩釋肥（W1N2）處理下最小（21.20 g）；結實率在淹灌傳統肥（W1N1）處理下最大（94.29%），在淹灌溉緩釋肥（W1N2）處理下最小（91.79%），結實率受灌溉模式和施肥類型兩者的交互作用影響較顯著（Fu＞F0.1=3.102，P＜0.1）。

淹灌緩釋肥（W1N2）下分蘗數最大（15.25 個），淹灌傳統肥（W1N1）下最小（12.25 個），淹灌緩釋肥（W1N2）分蘗數比淹灌傳統肥（W1N1）高24.49%，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）分蘗數較間歇灌溉傳統肥（W2N1）高8.54%，分蘗數在施肥類型下顯著（Fu＞F0.05=4.747，P＜0.05），表明緩釋肥可以促進水稻黃熟期分蘗數增加。葉綠素SPAD 值在間歇灌溉緩釋肥（W2N2）下最大（13.40），在淹灌傳統肥（W1N1）下最小（12.18），間歇灌溉傳統肥（W2N1）、淹灌緩釋肥（W1N2）葉綠素SPAD 值較淹灌傳統肥（W1N1）分別高5.27%、8.07%，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）葉綠素SPAD 值比淹灌緩釋肥（W1N2）高2.00%，比間歇灌溉傳統肥（W2N1）高出4.48%，較淹灌傳統肥（W1N1）高10.00%，葉綠素SPAD 值在各處理下的關系與根干重、有效穗數、產量大體類似。株高在淹灌緩釋肥（W1N2）下最高，為117.50 cm，在淹灌傳統肥（W1N1）下最低（112.33 cm），株高受灌溉模式和施肥類型兩者的交互作用影響較顯著（Fu＞F0.05=4.747，P＜0.05）。穗粒數、千粒重、葉綠素SPAD值在不同處理下均無顯著性。

3 討 論

根系作為水稻吸收肥料釋放在土壤中養分的重要器官，與水稻產量密切相關。前人研究表明，間歇灌溉較淹灌可以增加根系干重［18，19］，施用控釋肥可以明顯地增加水稻根系干物質量，提高根系的吸收養分能力［20，21］。劉明等［22］人認為節水灌溉與控釋氮肥聯合調控在減少水量和氮肥投入的同時，不僅保證了水稻產量，而且大幅提高了水稻水肥利用效率。本試驗中，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）處理下根干物質積累量和占比都較間歇灌溉傳統肥（W2N1）處理高，淹灌緩釋肥（W1N2）處理的干物質積累量和占比都較淹灌傳統肥（W1N1）處理的高，并且方差分析中表明，緩釋肥較傳統肥可以顯著促進根系干重；不論淹灌或間歇灌溉模式下，緩釋肥上、下層土壤全氮、全磷較傳統肥都低。綜上可知，緩釋肥可以促進水稻根系干物質積累，使根系分布更深廣，提高水稻對土壤氮、磷的吸收利用。

傳統肥或是緩釋肥條件下，間歇灌溉上、下層土壤全氮含量較淹灌高，表明間歇灌溉較淹灌可以維持促進土壤上、下層全氮含量，可能是淹灌模式稻田土壤氮素深層滲漏損失較間歇灌溉大［23］；傳統肥或是緩釋肥條件下，間歇灌溉上層土壤全磷含量較淹灌高，下層較淹灌低，表明間歇灌溉較淹灌對上層土壤全磷含量有維持和促進作用，對于下層土壤維持作用卻不如淹灌，這與何軍等［24］人研究一致。

前人研究表明，間歇灌溉可以增產5.30%～24.02%［25-27］，緩釋肥對水稻也有一定的增產效果［28，29］。徐一蘭等［30］人認為間歇灌溉促進了根系干物質積累，延緩了水稻根系生命周期，促進了水稻各器官干物質積累，提高了凈光合速率和有效穗數，從而獲得較高的產量。彭玉等［14］人研究表明，施用緩釋肥可以使根系有較高的活力，保證了根系在土壤中具有較強的養分吸收能力，促進了有效穗數的形成從而對水稻產量產生積極影響。本研究表明，根干重、有效穗數、產量在間歇灌溉、緩釋肥、間歇灌溉和緩釋肥交互下有一定的提高，根干重、產量在施肥類型下差異性顯著，有效穗數在施肥類型下差異性較顯著。因此施用緩釋肥可以促進根系干物質積累，提高水稻對土壤氮磷吸收利用率，對有效穗數產生積極的影響，進而提高水稻產量。

水稻產量的形成是“庫”“源”協調互作的結果［31］。淹灌水稻一個很重要的生理特征就是根系的早衰，根系的早衰影響著水稻早衰的［32］，而根系作為水稻“源”的一部分，影響著水稻產量［33］。本試驗中，根干重、葉綠素SPAD 值、分蘗數、有效穗數在間歇灌溉緩釋肥（W2N2）下都維持在較高的水平，并且間歇灌溉緩釋肥（W2N2）產量比淹灌傳統肥（W1N1）高8.53%，原因可能是，間歇灌溉“干濕交替”土壤環境有利于植株在生育后期維持較高的根系活力和葉綠素SPAD 值，而緩釋肥在水稻生育后期持續的釋放營養物質，進一步保證了氮、磷對地上部分的供應，確保“源”的充足。同時間歇灌溉緩釋肥能夠促進分蘗數、有效穗數的形成，增大水稻的“庫”容，從而獲得高產。

4 結 論

間歇灌溉較淹灌可維持土壤上、下層全氮含量，對上層土壤全磷含量有更好的維持作用，對于下層土壤維持作用卻不如淹灌。施用緩釋肥可以促進水稻根系干物質積累，提高水稻對土壤氮、磷的吸收利用率，對有效穗數形成產生積極的影響，進而提高水稻產量。間歇灌溉和緩釋肥耦合互作可以提高產量，但差異性不顯著。

從一年的測坑水稻試驗研究顯示，間歇灌溉與緩釋肥耦合互作對于稻田土壤氮磷含量影響差異較大，間歇灌溉干濕交替必然影響土壤氮、磷運移，從而改變了水稻根系從緩釋肥中吸收營養物質的環境狀態，導致水稻產量的差異性。接下來應選取更大尺度以及開展多年稻田試驗研究，進一步優化基于稻田土壤肥力的水稻高產潛力水肥耦合模式。 □