不同旱作節水灌溉條件對土壤理化性質及水稻產量的影響

何進宇，劉飛楊，馬 波，王斌

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏 銀川 750021；3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021)

關鍵字:水稻；旱作；節水灌溉；覆膜滴灌；土壤理化性質；產量

水稻作為標志性糧食作物，在寧夏糧食生產和國民經濟中占有舉足輕重的位置[1]。寧夏銀川平原屬于干旱地區，年均降水量偏少且分布不均，造成春旱接連夏旱，同時強烈蒸發造成水資源嚴重浪費，導致傳統稻田出現土壤板結、土壤肥力降低和次生鹽漬化等問題，嚴重影響了該地區水稻的可持續發展[2]；此外，低溫冷涼、積溫不足，也是限制該地區水稻生產的主要因素[3-4]。水稻旱作可有效緩解土壤板結，增加土壤通透性，提高土壤蓄水能力和作物水分利用效率[5-6]。前人研究多側重單一的水稻耕作方式對土壤環境和產量的影響，研究周期相對較短[7-8]。針對旱作、覆膜、滴灌等耕作覆蓋技術相結合下較長周期內土壤水肥熱及水稻產量變化的研究鮮有報道。本研究采用水稻不同耕作處理及地膜覆蓋相結合的模式，分析耕作處理、地膜覆蓋及二者交互對寧夏旱區土壤理化性狀及水稻產量變化的影響，以期明確適合該地區的蓄水保墑、增溫穩溫、培肥地力和節水穩產高效土壤耕作覆蓋措施，為寧夏干旱地區旱作水稻可持續發展提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017—2019年在寧夏暖泉農場試驗基地(38°39′N，106°41′E，海拔1 010 m)進行，該地區屬于典型的干旱地區，年平均降水量188.5 mm，年平均日照時數2 858.2 h，年平均蒸發量1 950 mm，年平均氣溫10.7℃，晝夜溫差大。供試土壤為灌淤土，2017年播種前耕層(0～60 cm)土壤有機質含量為11.7 g·kg-1，全氮為0.57 g·kg-1，全磷為0.73 g·kg-1，全鉀為24.1 g·kg-1，堿解氮為52.8 mg·kg-1，速效磷為9.6 mg·kg-1，速效鉀為155.4 mg·kg-1，pH值8.57，田間持水量為25.2%。

1.2 試驗設計

大田試驗采用三因素對比設計，試驗因素為不同旱作節灌方式，因素1：播后上水旱直播(Irrigation after dry farming sowing，IDFS)，此方法為在機械直播后立即上水并保持薄水層；因素2：保墑旱直播(Moisture-saving dry direct seeding，MDDS)，此方法為在保持土壤墑情條件下進行機械旱直播，當水稻生長至3～4片葉時建立水層；因素3：覆膜滴灌旱作(Farming with mulch drip irrigation，FMDI)，此方法為采用一壟兩行覆膜種植，利用滴灌帶進行濕潤灌溉。每個節灌方式設置1個試驗小區，面積為660 m2(22 m×30 m)，重復3次。供試水稻品種為富源4號(96D10)，屬于粳稻型，全生育期150 d左右。2017—2019年播種期分別為5月3日、5月1日和5月2日，出苗期分別為5月24日、5月23日和5月26日，測產收獲期分別為10月5日、10月3日和10月4日。IDFS和MDDS水源來自引黃自流灌溉，IDFS全生育期灌溉定額為1 200 m3·hm-2，MDDS全生育期灌溉定額為1 000 m3·hm-2;FMDI水源來自水泵抽取試驗點地下水，經首部樞紐過濾器過濾泥沙后進行滴灌，全生育期灌溉定額為800 m3·hm-2。供試氮肥為水溶性尿素(N:180 kg·hm-2)，磷肥為過磷酸鈣(P2O5:90 kg·hm-2)，鉀肥為氯化鉀(K2O:180 kg·hm-2)，以基肥方式在播種時全部施入土壤，旋耕深度均保持30 cm，其余田間中耕管理措施保持一致。

1.3 測定項目及方法

土壤水分及水分利用效率：采用烘干法定期測定0～60 cm土層土壤含水量；水分利用效率(WUE，kg·m-3)=水稻經濟產量/生育期耗水量。

水稻耗水量：耗水量可根據整個生育期中任何一個時段(t)土壤計劃濕潤層(H)內儲水量的變化，用水量平衡方程表示：

ET=P+K+M-(Wt-W0)

式中，ET為時段t內的作物耗水量(m3·hm-2)；P為時段t內的有效雨量(m3·hm-2)；K為時段t內的地下水補給量(m3·hm-2)；M為時段t內的灌溉水量(m3·hm-2)；W0、Wt分別為時段初和時段t時計劃濕潤層H的儲水量(m3·hm-2)。

土壤溫度：在每個小區分別埋設3組地溫計測定水稻分蘗期0～10 cm土層土壤溫度。

土壤緊實度：利用SC-900土壤緊實度儀于水稻分蘗期(2017-06-04、2018-06-03、2019-06-06)對不同處理0～60 cm土層土壤緊實度進行測定。

土壤養分：在水稻分蘗期，分層采集0～60 cm土層土壤樣品，測定有機質、全氮、全磷和全鉀含量，土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮采用凱氏定氮法測定，全磷采用鉬銻抗比色法測定，全鉀采用火焰光度法測定[9]。

考種與產量：水稻成熟后，每個處理小區內分3個不同位置各采3組樣品，自然晾干后，進行考種，分別測定株高、單株地上部干重、千粒重、飽籽率、經濟產量和生物產量等指標，并計算收獲指數(收獲指數=經濟產量/生物產量)。

1.4 數據分析

采用Microsoft Office Excel 2019和SPSS 19軟件進行數據處理及分析，采用最小顯著差異法(Least Significant Difference，LSD)進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對表層土壤溫度的影響

由表1可知，FMDI較IDFS和MDDS顯著提高了水稻分蘗期土壤表層(0～10 cm)日平均地溫，其中2017年日平均地溫分別提高了1.5℃和0.7℃，2018年分別提高了1.2℃和0.6℃，2019年分別提高了1.4℃和0.6℃；由于不同年份氣溫不同，以及連續相同耕作覆蓋方式使得稻田土壤物理結構發生一定程度變化[10-11]，因此不同年份地溫變化幅度不同，但整體趨勢一致，地膜覆蓋顯著改善了土壤熱量[12-13]，FMDI處理3年平均較IDFS和MDDS使分蘗期土壤表層(0～10 cm)日平均地溫增加1.7℃。

表1 不同處理水稻分蘗期土壤表層(0～10 cm)日平均地溫/℃Table 1 Daily average ground temperature of 0～10 cm soil surface layer at tillering stage of rice under different treatments

2.2 不同處理對水稻分蘗期土壤含水量的影響

由表2可知，IDFS和MDDS采用“淺-薄-濕-曬”水分控制方式，故在分蘗期處于自然落干狀態，土壤水分基本保持在90%田間持水量水平。FMDI控制灌溉水平為80%田間持水量，但由于覆膜對土壤具有較好的蓄水保墑效應[14]，故在非充分灌溉條件下，依然可以保持>80%田間持水量，結合本團隊前期膜下滴灌旱作水稻水分生產函數模型試驗結論，當土壤水分保持在80%田間持水量以上，其產量和品質不降反增[15]。

表2 不同處理水稻分蘗期0～60 cm土層土壤平均含水量/%Table 2 Average soil water content of 0～60 cm layer under different treatments at tillering stage of rice

2.3 不同處理對水稻分蘗期土壤緊實度的影響

2017—2019年稻田0～60 cm土層土壤緊實度結果表明(圖1)，FMDI土壤緊實度顯著低于IDFS和MDDS，尤其在表層土壤較為明顯，可能是因為IDFS和MDDS在建立水層落干后，土壤板結更為嚴重[16]。2017年IDFS和MDDS分別比FMDI平均高出1.45倍和1.50倍；2018年IDFS和MDDS分別比FMDI平均高出1.55倍和1.52倍；2019年IDFS和MDDS分別比FMDI平均高出1.48倍和1.50倍。同時，隨著耕作年限的增加，不同耕作覆蓋處理對深層土壤影響差距逐漸顯現，3年MDDS 30～60 cm土層土壤緊實度比FMDI平均依次高出1.11倍、1.18倍和1.21倍；IDFS 30～60 cm土層土壤緊實度比FMDI平均依次高出1.02倍、1.15倍和1.2倍。其中深層土壤最大差距出現在2019年10～20 cm處，此時IDFS和MDDS土壤緊實度分別比FMDI平均高出1.74倍和1.77倍。

圖1 不同處理水稻分蘗期0～60 cm土層土壤緊實度Fig.1 Soil compaction of 0～60 cm depth under different treatments at tillering stage of rice

2.4 不同處理對水稻0～20 cm土層土壤肥力的影響

連續3 a不同耕作覆蓋處理后，稻田土壤肥力狀況顯著不同(表3)，FMDI處理0～20 cm土層土壤有機質、全氮、全磷和全鉀較其他2種耕作處理均有顯著(P<0.05)增加。2019年FMDI土壤有機質較MDDS和IDFS分別提高7.8%和6.8%，FMDI全氮較MDDS和IDFS分別提高8.9%和7.0%，FMDI全磷較MDDS和IDFS分別提高2.7%和5.6%，FMDI全鉀較MDDS和IDFS分別提高4.5%和5.8%。

表3 2019年不同處理水稻分蘗期0～20 cm土層土壤有機質和全量養分含量/(g·kg-1)Table 3 Soil organic matter and total nutrient content in 0～20 cm layer of rice tillering stage under different treatments in 2019

2.5 不同處理對水稻產量構成的影響

如表4所示，與當地傳統水稻多年平均經濟產量(6 256.85 kg·hm-2)相比，不同年份旱作節灌方式均有顯著(P<0.05)增產效果，增產效果依次是FMDI>IDFS>MDDS。2017年FMDI較MDDS和IDFS經濟產量分別增加6.57%和4.61%，2018年FMDI較MDDS和IDFS經濟產量分別增加12.43%和2.41%，2019年FMDI較MDDS和IDFS經濟產量分別增加12.96%和4.06%；由于不同年度土壤水熱條件不同，增產幅度有所不同。2018年土壤溫度較低，FMDI處理蓄水保墑作用不明顯，因此增產幅度略低。FMDI處理產量的增加，主要是由于飽籽率和千粒重的增加，通過產量構成因素的積累，較MDDS顯著增加了經濟產量；而株高和地上部干重與IDFS之間差異不顯著，導致這2種旱作節灌方式處理間生物產量差異不顯著。受經濟產量的直接影響，FMDI收獲指數較IDFS有所提升，但顯著高于MDDS；2017年FMDI較MDDS和IDFS收獲指數分別提高5.57%和2.09%，2018年分別提高9.80%和4.47%，2019年分別提高11.52%和5.29%。所有處理中FMDI處理的經濟產量和收獲指數最高。

表4 2017—2019年不同處理水稻產量構成和相關性狀Table 4 Yield components and related shapes of rice under different treatments in 2017-2019

2.6 不同處理對水稻耗水量和水分利用效率的影響

如圖2所示，2017—2019年份間不同耕作覆蓋處理下耗水量不同，導致水稻在生產水平上的水分利用效率顯著(P<0.05)不同。IDFS水分利用效率顯著高于MDDS，3年增幅分別為7.0%、8.0%和3.0%；而FMDI節水效果明顯，在僅有一半耗水量的情況下，依然可以達到較高的產量，故其水分利用效率顯著提高，FMDI的水分利用效率較MDDS處理3年增幅分別為54.0%、60.0%和56.0%，故在節水保產為目標的情況下，FMDI處理是較好的水稻旱作節灌方式。

3 討 論

低溫冷涼、積溫不足是限制寧夏寒、旱地區糧食作物增產的一個重要因素，水稻作為喜溫作物，對低溫環境的耐受程度較差，即使較小幅度的溫差，也會對水稻的生長造成顯著影響[17-18]。水具有較高比熱值，隨環境溫度變化，水層可對水稻秧苗起到保護作用，而覆膜能更好地達到保水保墑保溫的效果。本研究表明，覆膜處理3 a平均較不覆膜處理增加水稻分蘗期表層(0～10 cm)日平均地溫1.7℃。這可能是因為土壤溫度主要受土壤熱容量與熱傳導率影響，土壤顆粒與水分相比，具有較低的熱容量和較高的熱傳導率，造成土壤含水量較高，土壤的溫度變化幅度較小。地膜覆蓋顯著的增溫作用和前人的研究結果相同[19-20]。

合理的耕作覆蓋方式有利于改善播期耕層土壤水分狀況[21]，為旱作水稻的出苗保苗和分蘗拔節創造良好的土壤環境。本試驗結果表明，保墑旱直播和播后上水旱直播方式因為具有較高的灌溉水量，其土壤水分狀況保持在較高的水平，但會增加土壤的表層水分無效蒸發[22]；而覆膜滴灌方式由于較好的蓄水保墑能力[23]，即使在非充分灌溉的條件下，依然可以讓土壤水分保持在滿足水稻生長的水平，起到了較好的節水穩產效果。

土壤緊實度是直接關系到作物出苗與根系生長的關鍵因素[24]，其過高或過低都不利于旱作水稻的出苗保苗以及生長發育。本試驗結果表明，3 a保墑旱直播和播后上水旱直播0～30 cm土層土壤緊實度比覆膜滴灌旱作平均高出1.45倍、1.51倍，30～60 cm土層土壤緊實度比覆膜滴灌旱作平均高出1.17倍、1.13倍；這說明在同樣旋耕30 cm的條件下，覆膜滴灌旱作方式可較好地保持表層土壤通氣性，但在深層土壤中，并未打破犁底層，建議通過深松來打破舊犁底層，增加耕層厚度，構造新的犁底層，結合FMDI，達到蓄墑保墑保肥的目的。

本試驗結果表明，覆膜滴灌旱作較保墑旱直播及播后上水旱直播方式，其全氮含量顯著提高，這是因為地膜覆蓋能增加耕層土壤全效養分的含量[25]，其增溫保墑效應促進了土壤養分的轉化、釋放和吸收[26]。合理的耕作方式和覆蓋不但可以改善土壤的水、肥、氣和熱狀況，同時有利于作物的生長發育，最終提高旱地作物的產量。本試驗中，覆膜滴灌方式具有蓄水保墑、增溫穩溫和培肥土壤等效應，因此其連續3 a水稻經濟產量和生物產量均較保墑旱直播方式顯著增加，增產原因主要是飽籽率和千粒重的增加。又因為覆膜滴灌具有較好的節水效果，故其水分利用效率也明顯優于其他2種種植方式，地膜覆蓋的增溫保墑節水和提質增產效應再一次得到驗證。

4 結 論

與保墑旱直播及播后上水旱直播方式相比，覆膜滴灌旱作方式在寧夏銀川平原地區，可協調土壤水-肥-氣-熱關系，起到蓄水保墑、增溫穩溫和培肥地力的作用，最終達到增產節水的目的，是目前低溫冷涼、春旱頻發和土壤肥力持續下降地區較為理想的水稻節灌種植方式，本試驗中采用的一壟兩行覆膜滴灌方式是較為推薦的節水增產技術措施。