水分管理對旱直播稻生長、氮磷吸收及土壤分布的影響

李夏雯，盧樹昌

(天津農學院農學與資源環境學院，天津，300384)

我國常規水稻生產中大水灌溉下淋失、地表蒸發等途徑造成稻田水分利用率低，嚴重制約我國水稻種植的可持續發展[1]。不合理施肥導致大量氮、磷素在土壤中積累，長期淹水覆蓋增加了氮磷向土壤下層及周圍的擴散運移，不利于氮、磷等營養元素的保持，且易造成環境風險[2-5]。

旱直播稻節水顯著且水分利用率高，能夠緩解中國農業用水短缺問題，同時可確保糧食安全。在農業生產過程中，水分作為土壤肥力中最活躍的因素，不僅影響著作物生長，對土壤氮磷的流失也起著決定性作用。而稻田采用間歇灌溉能減少灌溉用水量、減少溢流損失，減少氮磷的滲漏量及地表流失量[6-7]。有研究表明，節水灌溉可以有效減少肥水流失，降低耗水量，提高水分利用效率，減少水體污染，有利于保護生態環境[8-10]。WANG等[11]研究表明，相比水層灌溉，輕干濕交替灌溉可以調節地上部冠層結構，能控制不必要的營養生長，從而增源擴庫達到產量增加的目的。魏永霞等[12]研究表明，滴灌旱直播相對于淹水灌溉，雖除分蘗末期外在其他生育時期內光合速率較低，但顯著提高了水分利用效率。旱直播稻田中，適度的干濕交替管理措施在一定程度上可以調節水稻根系周圍的土壤水分和氧氣平衡，從而有利于促進水稻的生長發育和產量形成，同時減少了氮磷的擴散運移，降低稻田土壤氮磷環境風險。

目前，對旱直播稻的研究大多集中在栽培技術以及施肥管理等方面，而對旱直播栽培技術下水分管理方式對水稻生長特性以及土壤氮磷遷移效應的影響研究相對較少，基于此，本試驗提出在田面濕潤和關鍵需水期灌溉兩種水分管理方式下，結合優化施肥，探究水分管理對旱直播稻長勢、養分吸收及稻田土壤氮磷遷移情況的影響，以期為北方旱直播稻栽培合理灌水、提高水氮利用效率、降低土壤氮磷遷移環境風險提供一定參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于天津市武清區大孟莊鎮后幼莊村，地理位置116°57′E，39°32′N。該區為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降水量550～606 mm，60%集中在6—8月。土壤類型為潮土，土壤質地為輕壤，土壤CEC 15.54 cmol·kg-1，保水保肥性能較差，表層(0～30 cm)土壤有機質21.21 g·kg-1、全氮1.86 g·kg-1、硝態氮10.51 mg·kg-1、有效磷34.56 mg·kg-1、速效鉀212.37 mg·kg-1，地力中等以上。30～120 cm以下土層硝態氮含量為9.3～11.85 mg·kg-1、有效磷含量為6.28～11.74 mg·kg-1。由于試驗區常年大水漫灌，含水量較高的輕質土壤中氮磷移動擴散性較強，存在較大氮磷向深層運移的潛在環境風險。

1.2 供試作物

早稻，品種為津原E28。該品種為粳型常規稻，京津唐地區種植全生育期平均178 d。

1.3 試驗設計

試驗時間為2020年5—10月，采用田面濕潤和關鍵需水期兩種水分管理方式，設計2個處理，即T1(濕潤灌溉)，T2(關鍵需水期灌溉)，3次重復，設置保護行，共6個試驗小區，單個小區面積36 m2(6 m×6 m)，播種量為90 kg·hm-2。兩種灌溉方式按照各自3個小區分開設計，中間采用1.5 m的空白間隔帶。

試驗全生育期有效降水量為250 mm，水稻需水量為950 mm[13]，適用于平水年華北單季稻稻作區，全生育期灌水量=作物需水量-有效降水量[14-15]。

濕潤灌溉即旱直播后立即進行田間灌水等待出苗，在整個生育期內，灌小水、保持土壤濕潤，全生育期灌水量7 500 m3·hm-2，10～15 d灌一次，每次750～900 m3·hm-2。關鍵需水期灌溉即旱直播后待秧苗長到1葉1心時開始進行田間灌水，保證水稻分蘗期、孕穗抽穗期及灌漿期的生理需水，適時進行補水，全生育期灌水6次，每次750～900 m3·hm-2，總灌水量4 500 m3·hm-2。

田間管理：全生育期施用純氮300 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2。氮肥分為整地、分蘗期、分蘗末期、拔節孕穗期4次施用，分別按照40%、20%、20%、20%施入，即基追比4∶6，以尿素形式提供；磷、鉀作為基肥一次性施入，以磷酸二銨和硫酸鉀形式提供。

1.4 測試方法

株高：莖基部至穗尖的高度，用卷尺測量；葉綠素含量：分別取葉片葉尖、葉中和葉基各部位，用葉綠素儀(日本柯尼卡美能達，型號為SPAD-502)測定，取平均值；光合速率：用光合儀(型號為CI-340，購于北京思愛迪生態科學儀器有限公司)于10∶00進行測定。葉面積：測定葉長、葉寬，采用校正系數法(葉長×葉寬×0.7348)測定葉面積[16]。以上葉片取樣部位均為頂部倒三葉。

收獲時，將旱直播稻分莖葉、根、穗三部分稱重后自然風干晾曬，然后在75℃烘干至恒重，計算干物質量。植物樣品經濃硫酸-H2O2消煮后，分別采用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法測定各部位全氮、全磷含量，并計算各部位吸氮量(吸氮量=干物質量×含氮量)、吸磷量(吸磷量=干物質量×含磷量)。收割前每小區取5穴考種，測定有效穗數、每穗粒數、千粒重和結實率。

土壤脲酶活性采用靛酚藍比色法測定，以NH4-N mg·g-1土(37℃,24 h)表示；土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定；土壤硝態氮含量采用氯化鈣溶液浸提-紫外分光光度法測定；土壤有效磷含量采用碳酸氫鈉溶液浸提-鉬藍比色法測定；土壤水溶性磷含量采用氯化鈣溶液浸提-鉬藍比色法測定。

1.5 數據處理與分析

應用Microsoft Excel 2010進行數據處理，采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析，用Duncan法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同水分管理方式下旱直播稻的生長狀況

如表1所示，兩個處理的株高均隨生長時期的遞進呈增加趨勢，葉綠素含量均在分蘗期達到最高，而后隨生育進程逐漸下降。T1處理株高在分蘗期高于T2處理，在拔節孕穗期顯著低于T2處理，T2處理3個時期的葉綠素含量均高于T1，說明T1濕潤管理下旱直播稻生長初期長勢較快，T2關鍵需水期管理有利于旱直播稻生育中后期生長。

表1 不同水分管理方式下旱直播稻各生育期的生長狀況

隨生育進程，兩個處理旱直播稻不同生育時期光合速率和葉面積均呈現下降趨勢。T1處理在分蘗期光合速率較T2處理高5.39%，而在拔節孕穗期，T2處理的光合速率較T1處理高20.73%。T2處理在分蘗期、拔節孕穗期和灌漿期的葉面積均高于T1處理，增幅分別為9.24%、6.11%和13.51%。整體來看，T2關鍵需水期管理方式下旱直播稻葉面積大、葉綠素含量高，中后期光合速率也較高，較T1濕潤管理長勢好。

2.2 不同水分管理方式下旱直播稻的干物質量、養分吸收及產量

如表2所示，T1濕潤管理方式下干物質量較高，為30 568.65 kg·hm-2，較T2處理增加11.93%。氮素吸收方面，兩處理均為莖葉>稻谷>根，總吸氮量T1處理顯著高于T2。莖葉部分T1處理吸氮量較高，較T2處理增加29.70%，差異顯著，占總吸氮量的36.18%，而T2莖葉部分則占總吸氮量的31.76%。根部、稻谷同樣為T1吸氮量較高，但與T2間未達顯著差異。說明T1處理利于干物質量的積累，對旱直播稻氮素吸收有明顯的促進作用。磷素吸收方面，如圖1所示，T1處理下莖葉、根部磷素吸收量分別為14.16、6.56 kg·hm-2，均顯著高于T2處理。T2處理總吸磷量較高為44.90 kg·hm-2，稻谷吸磷量為26.60 kg·hm-2，顯著高于T1處理，增加了13.22%。表明T2處理對促進稻谷磷素吸收效果顯著。

注：不同小寫字母代表相同部位處理間差異顯著(P<0.05)。

表2 不同水分管理方式下旱直播稻干物質量及吸氮量/(kg·hm-2)

由表3可知，產量上T1處理較高，為12 666.00 kg·hm-2，較T2處理增加了16.48%。產量構成因子方面，T1處理下優勢明顯，其有效穗數、每穗粒數和結實率均顯著高于T2處理，增幅分別為4.24%、7.20%和1.60%，千粒重高于T2但差異未達顯著水平，說明在濕潤灌溉條件下能夠促進穗部發育，更有利于提高旱直播稻有效穗數、每有效穗總粒數，以及獲得較高結實率以增加產量，而在關鍵需水期干濕交替的灌溉方式對產量因素有一定影響。

表3 不同水分管理方式下旱直播稻產量及其構成因素

2.3 不同水分管理方式下旱直播稻田土壤氮磷運移情況

2.3.1 土壤脲酶、磷酸酶活性 如表4所示，與種植前相比，種植后兩處理均能顯著提高土壤脲酶、磷酸酶活性，其中T2處理顯著提高了38.21%和73.33%；與T1相比，T2處理的脲酶、磷酸酶活性分別提高了3.94%和6.82%。說明T2處理對脲酶和磷酸酶活性促進作用更明顯，進而有利于促進旱直播稻植株對土壤氮、磷的向上吸收。

表4 不同水分管理方式下稻田土壤脲酶、磷酸酶活性

2.3.2 土壤硝態氮含量 如圖2所示，種植后兩個時期(中期，9月12日，拔節孕穗期；收獲期，10月31日，結實期，下同)T2處理均能夠顯著降低4個土層的硝態氮含量，降幅在17.48%～65.92%；T1處理中期與收獲期30～60 cm土層的硝態氮含量分別較種植前降低15.27%和15.42%，在60～90 cm土層硝態氮含量升高但差異不顯著，在90～120 cm土層硝態氮含量顯著增加了28.93%。與中期相比，收獲期各土層硝態氮含量均有增加趨勢，可能因為結實期追施了尿素，未被吸收利用的氮素隨水向下運移，但在90～120 cm土層，T2 處理較種植前降低了3.01%，說明T2處理降低氮素遷移效果較好。綜上，T2處理4個土層中硝態氮含量的降低幅度最大，即T2處理能夠顯著降低硝態氮含量，對減少土壤氮素遷移有明顯效果。

注：不同小寫字母代表相同土層處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.3.3 土壤有效磷含量 如圖3所示，在中期，與基礎值相比，T2處理能夠顯著降低各個土層土壤有效磷含量，降幅在16.18%～57.47%之間，較T1處理各個土層顯著(30～60 cm除外)降低6.73%～37.63%，

圖3 不同水分管理方式下稻田各土層的土壤有效磷含量

而T1處理在90～120 cm土層較種植前有所增加，表明其在中期磷素向深層運移。收獲期，相比種植前T1、T2處理均只在0～30 cm和30～60 cm土層降低了有效磷含量，T2處理效果明顯，在兩土層較基礎值的降低率分別為13.85%和21.71%，較T1處理分別降低8.04%和18.05%；在60～90 cm和90～120 cm土層，兩處理有效磷含量較種植前均有所增加，在90～120 cm土層，T1處理較種植前增加25.16%，較T2處理增加20.72%，向深層遷移度較大，表明濕潤灌溉下相對增加了磷素遷移風險。綜上，T2需水關鍵期灌溉方式能夠弱化磷素隨水流失擴散，有效將土壤磷素固持在土壤表層，減緩磷素向下遷移程度。

2.3.4 土壤水溶性磷含量 如圖4所示，與種植前相比，T2處理兩個時期均能夠不同程度地降低4個土層土壤水溶性磷含量，降幅在10.34%～37.53%；中期T1在0～30 cm和30～60 cm土層水溶性磷含量有所降低，降幅為12.78%～26.77%；在60～90 cm和90～120 cm土層水溶性磷含量有不同程度的增加，說明T1處理在種植后有磷素向下遷移情況。收獲期與中期相比，T2處理各土層水溶性磷含量均有不同程度的降低，其中在0～30 cm和30～60 cm土層降低明顯，分別達8.62%和9.42%；T1處理則增加了水溶性磷含量，且在30～60 cm增幅最大(19.0%)，說明T2處理降低4個土層中水溶性磷含量效果最好，對減緩土壤磷素向深層遷移效果顯著。

圖4 不同水分管理方式下稻田土壤水溶性磷含量

3 討 論

本試驗結果表明，T2處理生長前期株高較低，這與趙步洪等[17]研究相符，即水分虧缺致使細胞代謝、營養物質運輸受阻，株高降低[18-19]。而中后期優勢明顯，這可能是適度的水分脅迫改善了干物質積累，株高增加[20]。殷大偉[21]研究認為，全生育期輕干濕交替灌溉可以提高水稻尤其是中后期的株高，這與本試驗研究結果一致。本研究發現，較T1處理，T2處理下適度干旱使得中后期葉片葉綠素含量升高，這與劉艷等[22]研究相一致，干濕交替使土壤通氣性提高，促進根系良好發育進而提高對水分、養分的吸收，使SPAD值顯著提高。

有研究表明，水稻控制灌溉和旱作管理下葉片光合速率較淹灌均有所下降[23-24]，本研究得到，T2處理光合速率在分蘗期較低，生育中后期表現較高，較T1處理高出20.73%，灌漿結實期差異較小，這可能是由于干旱控制造成葉片含水率下降，葉間蒸騰作用加劇，在消耗單位水量情況下，有機物積累增加[25]，另外水分脅迫使得旱直播稻中后期根系發達，拔節孕穗期T2處理光合速率明顯高于T1處理，說明根據作物需水規律進行適度節水灌溉，也能促進旱直播稻正常生長。本試驗T2處理葉面積在生育中后期始終維持較高水平，這是由于水分脅迫延緩了葉片衰老，與于美芳[26]研究結果一致。

本試驗研究發現，干物質量與吸氮量方面T2處理較低，這可能由于拔節孕穗期之后水分脅迫促進根系發育，根系活力提高且獲得較高根部干物質累積，而這對旱直播稻籽粒生長產生了負向影響[27]，因而影響了產量。磷素吸收方面，T2稻谷吸磷量顯著高于T1，這可能由于適度干旱下作物內部運轉加快，促進了旱直播稻磷素養分從莖葉向稻谷的運輸。研究表明，直播稻后期干物質量積累與有效穗數呈正相關[28-30]，與本試驗T1濕潤灌溉下增加了有效穗數及每有效穗總粒數的結果相一致，濕潤條件下保證了水分充足，能夠加快地上部物質運轉，促進灌漿，提高產量。

本文研究結果，試驗中期T1處理土壤硝態氮含量在60～90 cm和90～120 cm兩土層較種植前有所升高，并且在90～120 cm土層達顯著差異，這可能由于濕潤管理下，旱直播稻生育中期需水旺盛，累積在土壤中的硝態氮沒有被及時汲取，在灌水的淋洗下向下遷移脫離根區[31]，增加了硝態氮向深層的遷移；而在試驗后期，T1處理土壤硝態氮含量除在30～60 cm土層含量降低外，在其他土層均有顯著增加，此為灌水加大與后期追肥的共同影響，這與前人研究相一致，即土壤水分下滲會引起硝態氮的淋失，且隨降水或灌溉增多而淋失增大[32-33]。而T2處理土壤硝態氮含量較種植前能夠保有降低趨勢，且在各個時期顯著低于T1，可能因為干濕交替減緩了灌溉造成的下滲累積，適度干旱下土壤通氣性增強，旱直播稻根系發達且酶活性提高，有利于促進氮素向上吸收利用。有研究發現，作物獲產后硝態氮在土壤中含量會升高[34]，這與本試驗收獲時期硝態氮含量較中期升高的結果相一致。

本試驗T2處理降低4個土層有效磷、水溶性磷含量的優勢明顯，降幅分別為16.18%～40.50%和10.34%～37.53%，可能由于干濕交替下土壤通透性強，氧化條件促進了亞鐵離子向三價鐵離子轉化，土壤對磷親和力增強，進而能夠將磷素固持在土壤表面，降低了有效磷含量[35]；另外，土壤堿性磷酸酶活性提高，土壤磷素周轉加快，促進磷素向上吸收，這與余雙等[36]研究結果相一致，說明T2關鍵需水期灌溉有利于磷素的保持，能夠降低磷素向深層遷移的風險。

4 結 論

T2關鍵需水期灌溉方式有利于促進旱直播稻中后期生長發育。T1濕潤灌溉能夠獲得較高干物質量與吸氮量，分別為30 568.65 kg·hm-2和287.70 kg·hm-2，而T2處理對促進稻谷部位磷素吸收效果顯著，稻谷吸磷量達26.70 kg·hm-2。從產量看，T1能夠提高有效穗數、每有效穗總粒數、千粒重和結實率，獲得較高產量12 666.00 kg·hm-2。從土壤氮磷遷移方面看，T2關鍵需水期灌溉方式顯著降低了旱直播稻田土壤4個土層的硝態氮、有效磷和水溶性磷含量，對減緩氮磷遷移有顯著效果，能夠有效降低土壤氮磷遷移造成的環境風險。