控制灌排條件下田間滲漏量與施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用效率的影響

王 瓊，俞雙恩，丁繼輝，馬 韜，陳凱文，王 雷

（1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098；2.宿遷市宿豫區(qū)水利局，宿遷 223800）

0 引 言

水稻是我國(guó)重要的糧食作物，約占全國(guó)糧食總種植面積的27%。水稻生育期需水量大，水稻灌溉用水約占農(nóng)業(yè)總用水量的70%，水資源短缺正成為制約水稻生產(chǎn)的重要因素［1］。同時(shí)我國(guó)氮肥利用率僅為28.3%，遠(yuǎn)低于世界平均水平，并呈逐步下降趨勢(shì)［2］。依賴(lài)過(guò)量水氮資源的投入來(lái)獲得高產(chǎn)與資源的可持續(xù)利用是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展上亟待解決的突出矛盾。俞雙恩［3］將現(xiàn)有的水稻節(jié)水灌溉與控制排水技術(shù)相結(jié)合，提出了以農(nóng)田水位作為水稻控制灌排調(diào)控指標(biāo)的水稻控制灌排技術(shù)，具有顯著的節(jié)水、減排、高產(chǎn)效應(yīng)［4，5］。研究控制灌排條件下科學(xué)合理的農(nóng)田水氮管理方案，對(duì)保證我國(guó)糧食產(chǎn)量、提升水稻品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)水氮資源可持續(xù)利用和水稻可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

水、肥是作物生長(zhǎng)最為重要、也是可以人為調(diào)控的兩大重要環(huán)境因子［6］。一定范圍內(nèi)增施氮肥有利于提高水稻產(chǎn)量，改善食味品質(zhì)，但過(guò)量施用氮肥不僅會(huì)造成水稻減產(chǎn)，往往還會(huì)對(duì)水稻品質(zhì)產(chǎn)生顯著的負(fù)效應(yīng)［7］，同時(shí)氮素利用效率也顯著降低［8］；適度的水分脅迫有利于節(jié)水增產(chǎn)，提高水分利用效率［9］，且促進(jìn)水稻籽粒蛋白質(zhì)的積累，改善營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)［10］；張自常［11］研究發(fā)現(xiàn)灌溉方式和施肥水平對(duì)水稻產(chǎn)量和米質(zhì)調(diào)控存在著顯著的互作效應(yīng)，在輕干濕交替灌溉條件下配施中氮能夠顯著提高水稻產(chǎn)量并改善稻米品質(zhì)，在重干濕交替灌溉條件下，增施氮肥可以有效緩解水分脅迫對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的不利影響；吳宗釗等［12］研究表明施氮量應(yīng)與灌水量相匹配，輕干濕交替灌溉條件下施氮180 kg/hm2會(huì)達(dá)到較好的水氮耦合效應(yīng)，在減少灌水量的條件下仍會(huì)獲得較高產(chǎn)量和氮肥利用效率。

綜上，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)水氮耦合做了大量深入的研究，但多基于常規(guī)灌排模式，而針對(duì)控制灌排條件下水氮耦合對(duì)產(chǎn)量、水氮利用效率及品質(zhì)變化規(guī)律的研究較少。本文以農(nóng)田水位作為控制灌排調(diào)控指標(biāo)，開(kāi)展蒸滲測(cè)坑控制試驗(yàn)，研究控制灌排條件下不同田間滲漏量與施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量、水氮利用效率及品質(zhì)的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化稻田水氮管理、提高稻田水肥利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年6-11月在河海大學(xué)江寧節(jié)水園區(qū)試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)（31°54′N(xiāo)，118°46′E）進(jìn)行。試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)多年平均氣溫為15.7 ℃，蒸發(fā)量為900 mm，多年平均降雨量為1 072.9 mm。試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)有32 個(gè)固定蒸滲式測(cè)坑，其規(guī)格為（長(zhǎng)×寬×深）2.5 m×2.0 m×2.0 m，測(cè)坑中間布設(shè)地下廊道和設(shè)備間，每個(gè)測(cè)坑底部與設(shè)備間水柱連通以便精準(zhǔn)控制水位。測(cè)坑內(nèi)填土為粉質(zhì)黏土，耕作層土壤容重為1.40 g/cm3，孔隙度為44.97%，田間持水率為32.89%（質(zhì)量含水率），pH 值為6.97，土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.1%，全氮含量0.24 g/kg，速效氮含量11.22 mg/kg，土壤全磷含量為0.24 g/kg，速效磷含量5.98 mg/kg，鉀含量為3.64 mg/kg，速效鉀含量115.6 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水稻供試品種為常規(guī)南粳9108，栽種密度為20 cm×15 cm，即34 萬(wàn)穴/hm2，每穴3 根籽苗，水稻于6月17日移栽，11月2日完成收割。試驗(yàn)采用雙因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置2 種田間滲漏量和5種施氮量共10個(gè)處理方案組成，每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)：2 種田間滲漏量為L(zhǎng)（3 mm/d），H（5 mm/d）；5 種施氮量分別為N0（0 kg/hm2）、N1（150 kg/hm2）、N2（225 kg/hm2）、N3（300 kg/hm2）、N4（375 kg/hm2），按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3 配比施用氮肥（以純氮計(jì)算），分別于6月17日、6月30日、8月2日分施基肥、分蘗肥和穗肥，磷肥（P2O5）按75 kg/hm2作基肥一次施用，鉀肥（K2O）按120 kg/hm2，分基肥和穗肥各1/2施用；根據(jù)前人研究成果［3］，水稻控制灌排模式以農(nóng)田水位為控制指標(biāo)，不同生育期控制灌排水位調(diào)控模式如表1所示。

表1 水稻控制灌排水位調(diào)控模式 mmTab.1 Water control program of rice under controlled irrigation and drainage

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

（1）氣象數(shù)據(jù)的收集。氣象資料由試驗(yàn)區(qū)自動(dòng)氣象站采集，主要包括降雨量、氣溫等。

（2）田間水分觀測(cè)。當(dāng)田面含有水層時(shí)，通過(guò)豎尺在測(cè)坑固定觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量田面以上水層深度，無(wú)水層時(shí)則通過(guò)埋設(shè)的地下水位觀測(cè)井觀測(cè)并記錄各處理試驗(yàn)小區(qū)的地下水埋深，地表灌排水量均通過(guò)流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。當(dāng)田面有水層時(shí)每天9點(diǎn)按照3、5 mm/d的田間滲漏量進(jìn)行測(cè)坑地下排水，每個(gè)測(cè)坑折算的排水量分別為15和25 L（測(cè)坑底部有30 cm厚的沙礫石反濾層，在反濾層位置進(jìn)行側(cè)向排水，疏干部分反濾層中水分，促進(jìn)水分下滲，可近似模擬田間滲漏量）。

（3）水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的測(cè)定。水稻收割前3 d，每個(gè)測(cè)坑隨機(jī)選取9穴，考察有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實(shí)率等產(chǎn)量構(gòu)成因子，計(jì)算理論產(chǎn)量。實(shí)際產(chǎn)量按單打單收統(tǒng)計(jì)。

（4）田間水分利用效率（WUEf）。考慮到該試驗(yàn)設(shè)置有不同田間滲漏量處理，因此采用單位田間耗水量生產(chǎn)的籽粒實(shí)產(chǎn)來(lái)表征田間水分利用效率。計(jì)算公式如下：

式中：Y為水稻實(shí)際產(chǎn)量，kg/hm2；W為水稻全生育期內(nèi)田間總耗水量，mm；m 為水稻全生育期內(nèi)灌水量，mm；p 為降雨利用量，mm；c為地表排水量，mm。

（5）水稻品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。水稻收獲脫粒曬干并于室溫下儲(chǔ)存3 個(gè)月以保證稻米品質(zhì)的穩(wěn)定性。稻米食味及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)（直鏈淀粉、蛋白質(zhì)）采用高精度近紅外食味分析儀（QS2400型）測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Microsoft Excel 2019 和IBM SPSS 25，依據(jù)F-檢驗(yàn)和Duncan 方法進(jìn)行顯著性分析（P＜0.05），圖形繪制采用Origin 2018。

2 結(jié)果與分析

2.1 控制灌排條件下水氮耦合對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成特征的影響

產(chǎn)量是評(píng)價(jià)水稻生產(chǎn)能力最為直觀的指標(biāo)，各處理間水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子見(jiàn)表2。施氮量和滲漏量處理均對(duì)理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量的影響達(dá)顯著水平。滲漏量一定時(shí)，水稻實(shí)際產(chǎn)量隨著施氮量的提高呈先增加后降低趨勢(shì)，L-N2 處理的產(chǎn)量最高，達(dá)到了10 298.58 kg/hm2，其次為H-N3 處理，過(guò)量增施氮肥不僅會(huì)造成資源的浪費(fèi)，還會(huì)一定程度上降低氮肥的增產(chǎn)效果。低滲漏量處理較高滲漏量表現(xiàn)出一定的增產(chǎn)趨勢(shì)，原因是由于低滲漏量處理減少了氮肥流失，提高了肥料利用率，從而提高了水稻產(chǎn)量。

表2 控制灌排條件下水氮耦合對(duì)水稻產(chǎn)量的影響Tab.2 Effects of water-nitrogen coupling on rice yield under controlled irrigation and drainage

產(chǎn)量構(gòu)成因子均受氮肥施用量的顯著影響。滲漏量一定時(shí)，水稻結(jié)實(shí)率隨施氮量的提高逐漸增加，N4與N1處理間差異達(dá)到顯著；水稻有效穗數(shù)隨施氮水平的提高呈先增加后減小趨勢(shì)，分別于L-N2、H-N3 處理時(shí)達(dá)到最大，且L-N2 處理有效穗數(shù)顯著高于L-N1處理，H-N3處理顯著高于H-N4、H-N1處理，表明適宜的施氮量有利于水稻成穗，但超過(guò)一定范圍后繼續(xù)增施氮肥反而不利于稻穗發(fā)育；每穗粒數(shù)和千粒重受施氮量影響變化規(guī)律與有效穗數(shù)表現(xiàn)相似，表明增施氮肥在合理范圍內(nèi)可以通過(guò)提高有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實(shí)率，進(jìn)而提高水稻理論產(chǎn)量。滲漏量對(duì)每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率影響顯著。同一施氮水平不同滲漏量之間，L-N0、L-N1處理每穗粒數(shù)高于H-N0、H-N1 處理，且差異達(dá)到顯著，而其他各施氮處理間差異不顯著；H-N0、H-N1、H-N2、H-N3、H-N4處理結(jié)實(shí)率分別較L-N0、L-N1、L-N2、L-N3、L-N4 處理高出0.72%、3.96%、5.64%、2.89%、1.42%，表明較大的田間滲漏量一定程度上促進(jìn)了水稻結(jié)實(shí)率的提高。

2.2 控制灌排條件下水氮耦合對(duì)水氮利用效率和品質(zhì)的影響

不同水氮處理對(duì)水稻田間耗水量的影響如圖1 所示，不同施氮水平下水稻田間耗水量差異不顯著，高滲漏量處理田間耗水量顯著高于低滲漏量處理。作物水分利用效率是評(píng)價(jià)水稻節(jié)水效果的重要指標(biāo)。由圖2（a）可知，滲漏量一定時(shí)，L-N1、L-N2、L-N3、L-N4 處理田間水分利用效率較L-N0 處理分別顯著增加了21.50%、48.85%、39.66%、34.73%，L-N2處理達(dá)到最大為1.95 kg/m3；H-N1、H-N2、H-N3、H-N4 處理分別較H-N0 顯著提高了17.23%、45.47%、51.25%、48.23%，H-N3 處理最優(yōu)為1.54 kg/m3，表明增施氮肥在一定范圍內(nèi)可以有效提高水稻田間水分利用效率。同一施氮量不同滲漏量處理之間水稻田間水分利用效率差異均顯著，低滲漏量處理較高滲漏量顯著提高了18.64%～35.81%。

圖1 控制灌排條件下水氮耦合對(duì)水稻水分利用的影響Fig.1 Effects of water-nitrogen coupling on water use of rice under controlled irrigation and drainage

不同水氮處理對(duì)水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的影響如圖2（b）所示。滲漏量一定時(shí)，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率隨施氮水平的提高呈先增大后減小趨勢(shì)，在L-N2 處理時(shí)達(dá)到最大為13.56 kg/kg，其次是H-N2 處理達(dá)到了13.05 kg/kg，且均顯著高于其他各施氮處理；相同施氮量下，不同滲漏量處理對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的影響規(guī)律略有不同，在低氮處理（N1、N2）時(shí)，低滲漏量處理氮肥農(nóng)學(xué)利用效率均高于高滲漏量處理，而在高氮處理（N3、N4）時(shí)，高滲漏量處理效率更高，且在N3 處理差異達(dá)到顯著，表明低肥低滲、高肥高滲的水氮處理方案更有利于提高水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用效率。

圖2 控制灌排條件下水氮耦合對(duì)水稻水氮利用效率的影響Fig.2 Effects of water-nitrogen coupling on water-nitrogen utilization efficiency of rice under controlled irrigation and drainage

不同水氮處理對(duì)水稻食味及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響如圖3 所示。滲漏量一定時(shí)，直鏈淀粉含量隨施氮量增加呈先減小后增大趨勢(shì)，分別在H-N3、L-N2 處理時(shí)達(dá)到最低，食味品質(zhì)達(dá)到最佳。施氮量一定時(shí)，H-N4 處理水稻直鏈淀粉含量較L-N4 顯著降低了20.95%，其他施氮水平下高滲漏量處理直鏈淀粉含量均低于低滲漏量處理，但未達(dá)到顯著差異，可見(jiàn)高滲漏量處理一定程度上能夠改善水稻食味品質(zhì)。相同滲漏量處理下，水稻籽粒蛋白質(zhì)含量隨施氮量的提高顯著增加，與未施氮處理（L-N0、HN0）相比，L-N1、L-N2、L-N3、L-N4 處理籽粒蛋白質(zhì)含量分別顯著增加了9.29%、14.76%、15.09%、20.23%，H-N1、H-N2、HN3、H-N4 處理分別顯著提高了12.04%、17.10%、21.47%、26.01%。同一施氮量下，不同滲漏量處理間的籽粒蛋白質(zhì)含量無(wú)顯著差異。

圖3 控制灌排條件下水氮耦合對(duì)水稻品質(zhì)的影響Fig.3 Effects of water-nitrogen coupling on quality of rice under controlled irrigation and drainage

3 討 論

適宜的水分調(diào)控和合理的肥料運(yùn)籌是提高作物產(chǎn)量、提升作物品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)水肥高效利用的基礎(chǔ)［8］。不同水氮調(diào)控模式對(duì)作物產(chǎn)量、水氮利用效率的影響已做了大量研究［13-15］，但針對(duì)控制灌排條件下的研究報(bào)道較少。俞雙恩等［16］研究表明水稻控制灌排技術(shù)能夠節(jié)水、高產(chǎn)的同時(shí)提高水分生產(chǎn)率。本次試驗(yàn)研究結(jié)果表明，控制灌排條件下合理的水氮耦合模式能夠?qū)崿F(xiàn)水稻高產(chǎn)、高效的同時(shí)提升水稻品質(zhì)。相同滲漏量條件下，水稻產(chǎn)量隨著施氮量的提高呈先增大后減小趨勢(shì)，且在施氮量為225 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量達(dá)到最大，這與朱兆良［17］研究的適宜施氮量在182～273 kg/hm2之間結(jié)論相符。陳惠哲等［18］研究表明，較大的田間滲漏量易造成氮肥營(yíng)養(yǎng)流失，降低土壤的保水保肥性，從而影響水稻產(chǎn)量，本研究結(jié)果也表明低滲漏量處理水稻產(chǎn)量較高滲漏量具有一定的增產(chǎn)趨勢(shì)。水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子方面，劉文祥等［19］研究指出，水稻理論產(chǎn)量與施氮量之間呈拋物線關(guān)系，有效穗數(shù)隨施氮水平的提高顯著增加，但每穗粒數(shù)呈先增后降趨勢(shì)；蘭艷等［20］研究發(fā)現(xiàn)，隨施氮水平的提高，結(jié)實(shí)率和每穗粒數(shù)呈先增后降趨勢(shì)，而有效穗數(shù)逐漸增加；各試驗(yàn)可能由于水稻品種及地域之間的差異，氮肥水平對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因子之間的影響不盡相同，但大多研究報(bào)道出來(lái)的共性為在合理的范圍內(nèi)增施氮肥對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因子的形成有一定促進(jìn)作用。本研究中，結(jié)實(shí)率隨施氮水平的提高顯著增加，而有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重呈先增后降趨勢(shì)。欒雅珺等［21］研究表明，高滲漏量通過(guò)改善土壤透氣性能夠獲得較高的結(jié)實(shí)率，但對(duì)其他產(chǎn)量構(gòu)成因素有一定的抑制作用，這與本研究結(jié)果結(jié)論一致，高滲漏量處理一定程度上提高了水稻結(jié)實(shí)率，但每穗粒數(shù)顯著下降。

水肥之間具有明顯的耦合關(guān)系，適宜的水分和施肥可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，對(duì)水稻水肥資源高效利用有一定的促進(jìn)作用［22］。該試驗(yàn)研究結(jié)果表明，水氮處理對(duì)水稻水分和氮肥利用效率具有顯著的影響。田間水分利用效率方面，高滲漏處理由于加大了田間滲漏量，導(dǎo)致田間水分利用效率較低。氮肥利用效率方面，氮肥投入量過(guò)高是導(dǎo)致氮肥利用率降低的主要原因［23］；低氮處理下，高滲漏量易造成養(yǎng)分隨水分下滲而損失［21］，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分不足進(jìn)而影響了水稻生長(zhǎng)發(fā)育，從而降低了氮肥農(nóng)學(xué)利用效率。而高氮處理下，充分的肥料不再使養(yǎng)分流失成為抑制水稻生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，此時(shí)高滲漏量增大了土壤通透性［18］，改善了作物生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)了水稻生長(zhǎng)發(fā)育從而顯著提高了氮肥農(nóng)學(xué)利用效率。

一般而言，直鏈淀粉含量過(guò)高會(huì)使得米飯蓬松干燥，質(zhì)地較硬，會(huì)大大影響食味口感［24］，廖爽等［25］通過(guò)設(shè)置三個(gè)氮素水平（0、90、180 kg/hm2）研究發(fā)現(xiàn)稻米直鏈淀粉含量隨施氮水平的提高呈下降趨勢(shì)，食味品質(zhì)逐漸變優(yōu)，而本試驗(yàn)通過(guò)進(jìn)一步提高氮素水平研究其對(duì)水稻食味品質(zhì)的影響，結(jié)果表明直鏈淀粉含量隨施氮水平的提高呈先減小后增大趨勢(shì)，過(guò)量氮肥的投入對(duì)水稻食味品質(zhì)不利。大量學(xué)者研究認(rèn)為稻米蛋白質(zhì)含量隨著施氮量的增加而逐漸增加［7，26］，該研究結(jié)果結(jié)論一致，主要因?yàn)榈实耐度胍欢ǔ潭壬洗龠M(jìn)氨基酸和蛋白質(zhì)的合成，使得稻米中蛋白質(zhì)含量提高。

4 結(jié) 論

控制灌排條件下不同水氮處理對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用效率具有顯著的影響，適宜的滲漏量和施氮量能較好發(fā)揮水氮耦合效應(yīng)，獲得水稻種植高產(chǎn)和提高水肥利用效率的同時(shí)形成良好的水稻品質(zhì)；氮肥施用量過(guò)多反而會(huì)造成水稻產(chǎn)量、水氮利用效率、食味品質(zhì)的下降。在本實(shí)驗(yàn)中，低滲漏量處理下施氮量為N2（225 kg/hm2）時(shí)，水稻產(chǎn)量達(dá)到最高為10 298.58 kg/hm2，田間水分利用效率和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率也相對(duì)較高，分別為1.95 kg/m3、13.56 kg/kg，同時(shí)稻米食味及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)（直鏈淀粉、蛋白質(zhì)）較好，該水氮管理方案最接近目標(biāo)為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效的理想結(jié)果。