水氮聯合管理對稻田產量及水肥利用效率的影響

楊士紅++孫瀟++朱艷++徐俊增

摘要：基于田間試驗資料，分析不同水氮聯合管理對稻田產量及水肥利用效率的影響。結果表明，與常規灌溉稻田相比，節水灌溉在保證水稻產量穩定的前提下，大幅減少稻田的灌水量與耗水量，植株吸氮量略有增加，水、氮利用效率分別提高47.30%、6.47%；實地氮肥管理降低了植株的吸氮量，氮肥利用率顯著提高26.50%；節水灌溉與實地氮肥聯合應用可明顯減少水、氮的投入，產量減少不顯著，水、氮利用效率較常規水肥管理稻田顯著提高4339%、34.72%。

關鍵詞：節水灌溉；實地氮肥管理；水稻；氮素積累總量；水肥利用效率；產量

中圖分類號： S511.06文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0123-03

收稿日期：2015-09-21

基金項目：國家自然科學基金（編號：51209066、51579070）；中央高校業務費項目（編號：2014B17114）；江蘇省高校優秀科技創新團隊。

作者簡介：楊士紅（1983—），男，副教授，主要從事節水灌溉與農田生態效應研究。E-mail：ysh7731@hhu.edu.cn。水稻是我國主要糧食作物之一，2013年全國水稻種植面積為3 031.18 萬hm2，占糧食作物總種植面積的27.1%，水稻產量占糧食作物總產量的33.83%[1]。為緩解日益尖銳的農業水資源供需矛盾，20世紀90年代以來，各種水稻節水灌溉技術得到大面積推廣應用，并取得顯著的節水效果[2]。與此同時，在我國水稻生產中，片面追求高產而過量施用化肥引起的農業面源污染問題日益受到關注[3-8]。因此，改進施肥技術在水稻生產中得到研究應用[9-12]。實地氮肥管理是改進施肥技術的一種，在保證水稻產量的同時，可減少氮肥投入以及氮肥損失引起的農業面源污染[13-14]。國內外學者針對實地氮肥應用對水稻生長、氮肥利用及損失等影響進行了大量研究[15-20]，但大多針對淹水灌溉稻田。在節水灌溉條件下，稻田水分狀況會發生改變，稻田土壤肥力、水稻吸收養分的能力以及水稻生長發育與產量必然發生變化，節水灌溉與實地氮肥聯合應用對水稻生長及肥料在土壤中的遷移轉化等有待深入研究。本研究基于現場試驗，揭示節水灌溉與實地氮肥管理聯合應用對水稻產量、植株吸氮量及水肥利用效率的影響，旨在為提出稻田合理的水肥管理模式、提高水肥利用效率、減少農業面源污染提供科學的依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2008—2010年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試驗研究基地進行，該基地位于34°63′21″ N、121°05′22″ E，屬亞熱帶南部季風氣候區，年平均氣溫15.5 ℃，年降水量1 097.1 mm，年蒸發量1 365.9 mm，日照時數2 085.9 h，平均無霜期234 d。土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤為重壤土，土壤有機質、全氮、全磷、全鉀含量分別為21.88、1.08、1.35、20.86 g/kg，pH值為7.4，0～30 cm土壤容重1.32 g/cm3。試驗區實行稻麥輪作。

1.2試驗設計

試驗采用裂區設計，采取2種灌水方式：淹水灌溉，簡稱淹灌，記為F；控制灌溉，簡稱控灌，記為C；2種施肥方式：實地氮肥管理（SSNM）；農民習慣施肥管理（FFP）。試驗設計4個處理，分別為FS（淹灌、實地氮肥管理）、FF（淹灌、習慣施肥管理）、CS（控灌、實地氮肥管理）、CF（控灌、習慣施肥管理）。重復3次。每小區面積為150 m2，長、寬分別為20、7.5 m，各小區之間從田埂邊向地下內嵌50 cm深的塑料防滲膜，防止小區間的水分交換。

水稻常規灌溉模式按當地水稻種植習慣管理，除分蘗后期排水曬田和黃熟期自然落干外，其余各生育階段田間均保留3～5 cm水層。水稻控制灌溉模式是在秧苗本田移栽后，田面保留淺薄水層返青，其后各生育階段的灌水田面均不建立水層，以根層土壤水分為控制指標，確定灌水時間和灌水定額[21]。農民習慣施肥管理是根據當地農民的習慣施肥方法和施肥量進行施肥（表1）。實地氮肥管理是以葉綠素相對含量（SPAD）值作為控制指標，對水稻供氮進行實時調整[22-23]。各處理2008年、2009年均分別施用56.25 kg/hm2的磷肥和鉀肥；2010年施用36 kg/hm2磷肥和51 kg/hm2鉀肥。

1.3測定項目與測定方法

稻季末，各處理取2株有代表性的植株，分別測定植株莖、葉片、葉鞘、穗、根系及總干物質的質量。干物質樣品裝入信封，編號；粉碎，經濃H2SO4-H2O2消煮，采用靛酚藍比色法測定全氮含量。各小區單打單收，分別裝袋；曬干，測定質量。

各小區灌溉管道安裝水表，測量每次灌溉水量；采用豎尺，每天測量田面水層深度。田間排水量根據排水前后田間水層變化計算。各小區的根系觀測層預埋TDR探頭，在田間無水層時，每天利用美國Soil Moisture公司產Trease系統觀測不同土層的土壤體積含水率。采用澳大利亞ICT公司生產的自動氣象站監測降水時間及降水量。田間耗水量通過水量平衡方程計算[24]。統計水分生產效率（WUEWC）、氮肥吸收利用率（RE），計算公式為：

WUEWC=EY/WC

，

式中，EY為實際產量，WC為耗水量。

RE=（施氮區作物氮素積累量-氮空白區作物氮素積累量）/施用總氮量×100%。

1.4數據統計與制圖

數據采用Microsoft Excel 2003、SPSS 17.0進行統計分析，采用Microsoft Excel 2003繪制圖表。

2結果與分析

2.1水氮聯合管理對水稻產量的影響

由表2可見，控制灌溉可明顯減少水稻的用水量，實地氮肥管理可明顯降低稻田的氮肥施用量，但水稻產量的增減影響不顯著，且不同年份對水稻產量的影響基本一致；農民習慣施肥管理條件下，2008—2010年控制灌溉的水稻產量分別為6 956.43、9 889.74、9 359.23 kg/hm2，與常規灌溉相比，2008、2009年水稻產量分別降低2.87%、4.32%，2010年增加 1.04%；實地氮肥管理條件下，2008、2009年控制灌溉的水稻產量分別為6 603.90、9 648.97 kg/hm2，分別較常規灌溉降低5.00%、3.36%，較農民習慣施肥管理分別降低7.79%、6.64%，2010年控制灌溉的水稻產量為9 168.53 kg/hm2，較常規灌溉稻田增加1.12%、較農民習慣施肥管理降低 1.02%。3年試驗結果表明，不同氮肥管理條件下，節水灌溉的水稻平均產量為8 604.47 kg/hm2，較常規灌溉水稻降低189.43 kg/hm2，下降幅度為2.15%，影響不顯著；不同水分管理條件下，實地氮肥管理稻田的水稻平均產量為 8 570.68 kg/hm2，較農民習慣施肥管理水稻產量降低 257.01 kg/hm2，下降幅度為2.91%；控制灌溉與實地氮肥管理相結合的水氮聯合調控的稻田，其水稻平均產量為 8 473.80 kg/hm2，較常規水肥管理稻田降低5.00%。

2.2水氮聯合管理對水稻水分生產效率的影響

由表2可見，2008—2010年，節水灌溉稻田的灌水量與耗水量較常規灌溉稻田有明顯降低，控制灌溉稻田3年的平均灌水量與耗水量分別為318.43、791.81 mm，分別較常規灌溉稻田減少55.32%、33.71%，節水灌溉水稻的水分生產效率明顯高于常規灌溉水稻；農民習慣施肥管理條件下控制灌溉水稻的平均WUEWC值為1.11 kg/m3，較常規灌溉水稻提高48.00%；實地氮肥管理條件下控制灌溉水稻的平均WUEWC值為1.08 kg/m3，較實地氮肥常規灌溉、習慣水肥管理水稻的平均WUEWC值分別提高47.95%、43.39%；控制灌溉不同氮肥管理水稻的平均WUEWC值為1.09 kg/m3，較常規灌溉水稻提高47.30%；不同水分管理條件下，實地氮肥管理水稻的平均WUEWC值為0.91 kg/m3，較農民習慣施肥管理的水稻降低

2.15%。因此，節水灌溉與實地氮肥管理的水氮聯合調控，可明顯提高水稻的水分利用效率，其中，水分對水稻的水分利用效率影響相對較大，氮肥管理方式影響則相對較小。

2.3水氮聯合管理對水稻吸氮量的影響

由表3可見，相同氮肥管理條件下，控制灌溉水稻的氮素積累總量要大于常規灌溉水稻，但相互間影響不顯著，實地氮肥管理稻田的水稻氮素積累總量顯著低于農民習慣施肥管理的水稻，降低幅度為17.91%～30.57%；農民習慣施肥管理條件下，2008—2010年控制灌溉水稻的氮素積累總量分別為184.27、179.19、175.64 kg/hm2，分別較常規灌溉水稻增加 3.63%、1.68%、2.76%；實地氮肥管理條件下，控制灌溉水稻的氮素積累總量分別為127.94、147.10、140.04 kg/hm2，分別較常規灌溉水稻增加2.94%、2.11%、0.35%；節水灌溉與實地氮肥聯合管理水稻的3年平均氮素積累總量為 138.36 kg/hm2，較常規水肥管理的水稻降低20.93%。

2.4不同水氮聯合管理稻田氮肥利用率差異

由表4可見，不同氮肥管理條件下，控制灌溉的水稻氮肥吸收利用率為33.19%～48.29%，明顯高于常規灌溉稻田的31.02%～45.47%，平均升高6.47百分點；水稻氮肥吸收利用率隨施肥量的增加而降低，處理間差異顯著（P<0.05），實地氮肥管理顯著提高水稻的氮肥吸收利用率；2008年農民習慣施肥管理稻田的氮肥施用量相對最大，其氮肥吸收利用率最低，常規灌溉、控制灌溉分別為31.02%、33.19%，2009、2010年稻田的氮肥施用量有所降低，2010年農民習慣施肥管理稻田全生育期的氮素施用量僅為 302.70 kg/hm2（表1），但水稻氮肥吸收利用率仍未超過40%，這可能是由于蘇南地區水稻生產過程中，農民習慣施氮量處于較高水平，現階段氮肥的大量投入并未導致水稻植株的大量吸收，大量的氮素通過氨揮發、徑流及淋溶等途徑進入大氣、地下及地表水體，也進一步造成大氣污染及周圍水環境的富營養化；實地氮肥的應用顯著提高稻田的氮肥利用率，2008、2009年實地氮肥管理的水稻氮肥吸收利用率分別為44.19%、45.47%，與常規灌溉、習慣施肥管理相比分別顯著提高13.17、9.66百分點，2010年實地氮肥管理的水稻氮肥吸收利用率為39.75%，較常規灌溉、習慣施肥管理的水稻提高3.38百分點；控灌、實地氮肥管理的水稻與控灌、習慣施肥管理的水稻相比，2008、2009年氮肥吸收利用率分別顯著提高了14.66、10.90百分點，2010年提高了2.71百分點，影響不顯著；優化施肥管理與節水灌溉的聯合調控顯著提高水稻的氮肥吸收利用率，與常規水肥管理稻田相比，節水灌溉與實地氮肥管理相結合的水肥聯合調控稻田氮肥吸收利用率升高幅度為34.72%。

3結論

控制灌溉可大幅度節水，促進水稻植株對氮素的吸收，水分利用率和氮肥吸收利用率均明顯提高，但對水稻產量的增減影響不顯著。以田間耗水量計算，控制灌溉稻田的水分生產效率較常規灌溉稻田提高47.30%；控制灌溉的稻田氮素利用率為33.19%～48.29%，較常規灌溉稻田平均提高6.47百分點。實地氮肥管理降低了植株的吸氮量，水稻氮肥利用率得到顯著提高，常規灌溉下，實地氮肥管理水稻較農民習慣性施肥管理水稻的氮素吸收率降低2.69%，氮肥利用效率顯著提高26.24%；節水灌溉下，水稻氮素吸收率降低 1.80%，氮肥利用效率顯著提高26.75%。節水灌溉、實地氮肥的應用大可幅減少水分和氮素的投入，抑制了水稻對氮素的奢侈吸收，較常規水肥管理水稻的水分生產效率提高 43.39%，氮素利用率提高34.72%，顯著提高了水稻的水分生產效率和氮肥吸收利用率。

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