種植方式對稻田水肥利用及環境效應的影響

時 紅， 才 碩， 孫占學， 萬紹媛

(1.東華理工大學，江西南昌 330013； 2.江西省灌溉試驗中心站，江西南昌 330201)

水稻是我國最重要的糧食作物，在保障糧食安全中具有重要地位。近年來，農村勞動力成本和農資價格大幅上漲以及水稻栽插機械化的發展，加速了農村土地流轉進程，導致農業經營主體發生了變化，水稻種植方式發生了深刻變革。目前，水稻種植呈現出手工插秧、拋秧、直播和機械插秧等多元化發展的現狀。20世紀90年代，江西雙季稻種植還以手工栽插為主，占水稻種植面積的90%以上，而拋秧技術則處于起步發展階段。然而，截至2017年，手工栽插的比例下降至22%，拋秧則上升至55%，機械插秧和直播發展迅速，分別達到6%和17%。水稻直播、拋秧和機械化插秧正在逐步替代傳統的手工插秧。

長期以來，關于水肥管理與耕作措施對水稻養分吸收、產量品質及環境效應影響的研究主要集中在手工插秧方式上。然而，隨著拋秧、直播和機插秧等輕簡栽培技術的廣泛應用，稻田的水肥管理方式產生了變化，致使水稻灌溉排水、養分吸收、稻田氮磷流失和溫室氣體排放等均發生了改變，傳統手工移栽的研究成果已不能完全滿足雙季稻技術要求與生產實際。為此，眾多學者對不同種植方式下水稻生長發育、產量及經濟效益、微生物種群、病蟲草害發生特點、氮素利用效率以及溫室氣體排放等方面進行了評價，認為種植方式不同的水稻生育期長短不同，水稻所處的溫光環境條件各異，導致水稻生長發育、產量水平、養分吸收利用等均存在一定的差異。但目前針對不同種植方式下稻田水分利用、氮磷流失以及溫室氣體排放開展的系統分析與綜合評價的研究相對較少。因此，本試驗研究了不同種植方式對雙季稻田的水肥利用、氮磷流失和溫室效應的影響，以期為雙季稻高效穩產栽培與可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試品種

試驗以中嘉早17和H優518為早晚稻供試品種，于2016年3月至2017年10月在江西省灌溉試驗中心站研究基地(116°00′E，28°26′N)進行。研究基地位于江西省贛撫平原灌區，屬亞熱帶濕潤季風性氣候，多年平均氣溫約18 ℃，降水量約1 530 mm。試驗田土壤為沖積性黃泥土發育而成的水稻土，試驗前土壤(0～20 cm)基本理化性狀：pH值6.07，有機質含量21.75 g/kg，全氮含量1.54 g/kg，全磷含量0.52 g/kg，堿解氮含量105.78 mg/kg，速效磷含量5.98 mg/kg，速效鉀含量80.12 mg/kg。

1.2 試驗處理

試驗采用大田小區試驗方法，分別設置手工插秧(HT)、拋秧ST)、機插(MT)、直播(DS)4個處理，每個小區面積86.40 m，3次重復。各小區間筑埂并用塑料薄膜包裹，單獨灌排。

各處理氮肥(N)用量均為180 kg/hm，其中直播處理按基肥、斷奶肥、分蘗肥、穗肥質量比 4 ∶2 ∶2 ∶2 施用，手工插秧、拋秧和機插均按基肥、分蘗肥、穗肥質量比4 ∶3 ∶3的方式施用；各處理磷肥(PO)用量均為90 kg/hm，均做基肥一次性施用；鉀肥(KO)用量均為180 kg/hm，均按基肥、分蘗肥、穗肥質量比4 ∶3 ∶3的方式施用。早、晚稻不同種植方式的種植管理情況見表1，其他栽培管理措施按照當地高產栽培技術規程進行。

表1 不同試驗處理種植管理情況

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤基本理化性質的測定 土壤pH值用IQ-150型pH計測定；全N、全P、堿解氮、速效磷、速效鉀及有機質含量測定參照鮑士旦的方法。

1.3.2 產量、耗水量與水分利用效率 產量：于成熟期各小區實割6 m，脫粒、曬干去雜稱質量，并按照13.5%含水量折算實際產量。

耗水量：在水稻生長期內每天08：00觀測田間水位。田面有水層時使用ZHD-60型電測針在每個小區固定位置上測定水層深，無水層時采用補水法確定耗水量。根據逐日耗水量累加計算得出生育期的總耗水量。

水分利用效率(kg/m)=稻谷產量/耗水量。

1.3.3 植株氮磷養分吸收利用 水稻收獲時各小區隨機采集植株樣本5穴，將根剪除后按莖、葉、穗分開包扎，在105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘干至恒質量，冷卻稱量干物質質量后研磨、過篩，采用Kjeltec 2300全自動凱氏定氮儀(瑞典FOSS公司)測定全氮含量，全磷含量采用鉬銻抗比色法(NY/T 2421—2013《植株全磷含量測定 鉬銻抗比色法》)測定。

水稻植株氮(磷)養分吸收量(kg/hm)=地上部分干物質量×養分含量；氮(磷)養分收獲指數=籽粒養分吸收量/植株養分吸收量×100%；氮(磷)養分內部利用效率(kg/kg)=稻谷產量/植株養分吸收量。

1.3.4 徑流氮磷排放量 于每次稻田排水過程中采集每個小區田面水到室內進行總氮(TN)和總磷(TP)濃度測定，同時記錄每次排水量。采集的水樣當日送至實驗室測定分析，總氮濃度用堿性過硫酸鉀消解，采用紫外分光光度法(HJ 636—2012《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》)測定，總磷濃度采用鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893—1989《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》)測定。

徑流氮(磷)排放量(kg/hm)=田面排水量×排水氮(磷)濃度。

1.3.5 溫室氣體采集與測定 CH、NO、CO的采集與測定采用靜態暗箱-氣相色譜法。早晚稻生長期內氣體采集時間為當日08：00—11：00，采樣頻率為5～7 d采集1次，施肥后1周內2～3 d采集1次，采樣時按0、10、20、30 min的時間間隔用 50 mL 注射器抽取采氣箱內氣體，并迅速保存至真空氣袋中，待采樣結束后帶回實驗室，采用Agilent7890b氣相色譜儀(美國Agilent公司)測定CH、NO、CO氣體濃度。靜態箱構造與通氣量計算方法參照Zhang等的方法。

以100年為時間尺度，單位質量CH和NO的全球增溫潛勢分別為CO的25倍和298倍。全球增溫潛勢(GWP)和溫室氣體排放強度(GHGI)計算公式如下：

全球增溫潛勢(COkg/hm)=25×CH+298×NO；溫室氣體排放強度(CO-eq kg/kg)=全球增溫潛勢/雙季水稻全年產量。

1.4 數據處理與統計分析

2016年和2017年2年產量數據趨勢一致，且年際間無顯著差異，文中試驗數值為2年數據的平均值±標準差。采用Excel 2003軟件處理數據，利用SPSS 17.0軟件對數據進行方差分析。不同處理之間的多重比較采用最小顯著性檢驗(Duncan’s)法，以不同小寫字母表示達到顯著差異水平(<0.05)。

2 結果與分析

2.1 產量及水分利用效率

由表2可知，不同種植方式下，早晚稻產量和水分利用效率的變化趨勢均表現為HT>ST>MT>DS，早稻耗水量大小順序依次為DS>MT>ST>HT，晚稻耗水量依次為DS>MT>HT>ST。早晚稻不同處理的產量均以HT處理最高，且顯著高于其他處理，產量最低的DS處理較MT、ST和HT分別減產0.43%、1.51%、8.83%和10.50%、12.26%、16.38%。早、晚稻DS處理耗水量均顯著高于其他處理，較HT處理分別增加12.88%和4.30%。早晚稻DS處理的水分利用效率顯著低于其他處理，其減幅范圍分別為6.52%～19.38%和13.61%～19.62%。

表2 不同種植方式下雙季稻產量及水分利用效應

2.2 氮磷養分利用效率

由圖1可見，不同種植方式對水稻植株氮磷養分利用產生一定影響。在氮素利用方面，早晚稻DS處理的氮素養分內部利用效率均顯著低于其他處理，較MT、ST、HT分別降低3.65%、5.52%、9.28%和3.49%、4.88%、4.18%；氮素收獲指數總體呈現出HT>ST(或MT)>DS的變化趨勢，且DS處理明顯低于HT處理，早晚稻分別降低5.73%和5.31%。在磷素利用方面，早晚稻磷素內部利用效率和收獲指數的大小關系均表現為HT>ST>MT>DS，早晚稻DS處理的磷素內部利用效率較其他處理顯著減少了5.20%～8.08%和2.87%～4.50%，磷素收獲指數分別減少6.01%～10.28%和2.03%～4.91%。可見，早晚稻不同種植方式的植株養分利用效應均以直播處理最低。

2.3 稻田徑流氮磷排放效應

如表3所示，由于早晚稻種植期內降水量的差異(早稻季降水量為536.6 mm，晚稻季為261.28 mm)，致使早稻的田間排水量和徑流氮磷排放量均明顯高于晚稻。在早稻季，不同處理的排水量以DS處理最高，且顯著高于其他處理；總氮和總磷排放量總體呈現DS>ST(或MT)>HT，并且DS較HT分別顯著增加2.55、52.54 g/hm，增幅分別為16.61%和31.31%。在晚稻季，HT、ST、MT各處理的排水量差異不大，但均顯著低于DS處理；DS處理的總氮和總磷排放量均顯著高于其他處理，其增幅分別為16.26%～34.00%和28.23%～67.64%。雙季累計來看，DS處理的排水量顯著高于其他處理；不同處理總氮排放量和總磷排放量均以DS處理最高，ST或MT處理次之，HT處理最低，且DS處理較HT、ST、MT分別顯著高出24.05%、10.97%、19.72%和41.40%、31.45%、20.65%。

表3 不同種植方式稻田徑流氮磷排放效應

2.4 溫室氣體排放效應

2.4.1 不同種植方式對稻田溫室氣體排放效應的影響 如表4所示，在CH排放方面，早稻CH排放量的變化趨勢為DS>MT>HT>ST，晚稻為ST>MT>DS>HT，雙季則為DS>MT>ST>HT，DS處理的雙季累計CH排放量較其他處理顯著增加4.32%～6.67%。在CO排放方面，不同處理早稻季、晚稻季和雙季的CO排放量均以DS處理最高，HT處理最低，且兩者間差異均達到顯著水平，其中雙季累計條件下DS處理較HT、ST、MT分別顯著增加14.47%、3.34%、11.11%。在NO排放方面，早稻季、晚稻季、雙季不同處理稻田NO排放量變化趨勢一致，均表現為ST>DS>MT>HT，HT較ST、MT、DS分別減少5.20%～13.10%(早稻)、6.17%～12.64%(晚稻)、5.70%～12.87%(雙季)。

表4 不同種植方式稻田溫室氣體排放量 kg/hm2

2.4.2 不同種植方式對稻田綜合溫室效應的影響 由表5可知，早稻季DS處理的全球增溫潛勢顯著高于其他處理，較HT、ST、MT處理的增加幅度為7.74%～12.64%；晚稻季不同處理的全球增溫潛勢以ST處理最高，HT處理最低，但各處理間差異不顯著；雙季累計的全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度的變化規律均表現為DS>MT>ST>HT，且DS處理較HT、ST、MT處理分別增加6.74%、5.88%、4.31%和21.37%、13.15%、9.23%。說明雙季稻采用手工插秧有利于降低綜合溫室效應，而直播則會加劇稻田的溫室效應。

表5 不同種植方式綜合溫室效應

2.5 不同種植方式產量與環境效應相關分析

通過產量與環境效應指標的相關分析(表6)可知，不同種植方式下，水稻產量與磷素內部利用效率呈正相關，與水分利用效率、植株氮素內部利用效率呈顯著正相關；水稻產量與稻田徑流總氮排放量、總磷排放量均呈極顯著負相關，相關系數分別達到-0.959和-0.933；水稻產量與全球增溫潛勢(=-0.742)、溫室氣體排放強度(=-0.886)分別達到顯著、極顯著負相關。說明通過種植方式提高水稻產量可以提高水分利用效率，促進氮磷養分吸收利用，從而減少稻田養分的徑流損失以及溫室氣體的排放。

表6 產量與主要環境效應相關分析

3 討論與結論

不同稻作模式的栽培技術不同，水稻生育期及其所生長的溫光環境條件各異，從而導致水稻生長發育和產量水平存在一定差異。張坤等研究了移栽方式下水稻產量的變化規律，其最終產量表現為手工栽插>拋秧>機插。劉成立研究表明，不同種植方式的水稻產量以機直播處理最低，人工栽秧次之，機插方式最高。李杰等研究認為，不同種植方式的水稻產量均以直播方式最低。周紅英等研究認為，水稻采用手工栽插和拋秧方式的產量最高，機插其次，直播最低。上述研究普遍認為不同種植方式水稻的產量總體上以手工插秧最高、直播最低，這與本研究結果一致，即手工插秧>拋秧(或機插)>直播。但也有研究認為，直播處理的產量最高，這可能與水稻種類以及試驗期間的氣候條件有關，單季稻較雙季稻生育期的光熱適宜且易避免倒春寒和寒露風等氣象災害的影響，從而獲得高產。

水肥吸收利用決定著水稻的產量，也直接影響著稻田生態環境。相關研究表明，水稻水分管理與吸收利用會隨著種植方式的改變而發生變化。冀俊超研究表明，雖然直播處理的產量低于手工栽插，但因其全生育期耗水量顯著下降，從而使得水分利用效率顯著提高。陶冶研究認為，直播處理在增加水稻產量的同時，還能夠提高水分利用效率。本研究則表明，早晚稻直播處理的水分利用效率顯著低于手工插秧處理(減幅分別為19.38%和19.62%)，其原因主要是直播方式下早晚稻耗水量較手工插秧高，而產量又低于手工插秧處理。目前，針對不同稻作模式的氮磷吸收利用的研究結果不盡相同。徐國偉研究認為，成熟期植株氮積累量直播稻高于移栽稻；而李杰的試驗則表明，水稻手工插秧方式的氮素吸收利用率顯著高于機插，且極顯著高于直播；王春雨的研究表明，人工插秧方式在提高水稻氮素農藝利用率和氮收獲指數的同時，也促進了磷素的吸收利用。本研究也認為手工插秧的氮磷養分利用效率和收獲指數較直播處理顯著增加。前人研究普遍認為，農田排水的增加和水肥利用效率的下降均會加大氮磷流失的風險。在本研究中，不同種植方式的氮磷徑流排放量均以排水量最大且水分和氮磷養分利用效率最低的直播處理最高，這與前人研究相一致。

水稻生長的時空環境隨種植方式的改變而發生變化，并可能影響到稻田土壤性狀和稻株自身生長，進而對CH和NO的排放產生不同程度的影響。張岳芳等研究表明，與手工插秧相比，機插處理的稻田CH排放總量增加了14%，NO排放總量減少了11%，整個水稻季CH和NO排放的總全球增溫潛勢(GWP)和溫室氣體排放強度(GHGI)分別增加8%和10%。馬永躍等研究認為，雙季稻不同種植方式稻田CH排放通量變化趨勢為拋秧<手工插秧<直播<機插，而NO排放通量和綜合溫室效應均表現為手工插秧<機插<拋秧<直播。本研究表明，雙季稻田NO排放量的大小規律為手工插秧<機插<直播<拋秧，CH排放量、GWP和GHGI則均以手工插秧最低、直播最高，這可能與不同種植方式的水稻群體密度有關，即水稻種植密度高，莖葉數多，根量大，從而加快了甲烷的傳輸和排放。本研究4種不同種植方式的種植密度大小順序為直播>拋秧>機插>手工插秧，因此，手工栽插方式表現出較好的溫室氣體減排效應，而直播方式導致了溫室氣體排放和溫室效應的增加。

手工插秧能夠在水分消耗較少的前提下獲得較高的產量，有利于提高水肥利用效率，減少排水量、氮磷徑流排放量以及CH、CO和NO的累計排放量。直播方式在獲得較低產量的同時，卻增加了灌水量、耗水量、氮磷地表徑流排放量以及溫室氣體排放量，加劇了溫室效應。本研究認為不同水稻種植方式的生態效應以手工插秧最優，拋秧或機插次之，直播相對較差。