微納米氣泡增氧灌溉對(duì)雙季稻需水特性及產(chǎn)量的影響

才 碩，時(shí) 紅，潘曉華，劉方平，謝亨旺，許亞群，徐 濤，曹 娜

(1.江西省灌溉試驗(yàn)中心站，江西省農(nóng)業(yè)高效節(jié)水與面源污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330201；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330045)

水、肥、氣、熱是滿足農(nóng)作物生長所必需的重要因素，其因素間相互協(xié)調(diào)、相互制約共同影響著作物的生長[1]。近年來，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展，節(jié)水灌溉與水肥一體化技術(shù)得到大力推廣，在提高灌溉水利用系數(shù)和水肥利用效率的同時(shí)，增加了作物產(chǎn)量，改善了作物品質(zhì)[2-4]。已往的研究主要集中在協(xié)調(diào)土壤環(huán)境的水、肥、熱和光因素上，而針對(duì)土壤通氣方面的研究相對(duì)較少。

農(nóng)田土壤的通氣狀況是影響作物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子[5,6]。土壤中空氣含量的多少直接影響著土壤酶活性、作物的根系呼吸及其對(duì)養(yǎng)分的吸收與利用。加氣灌溉可改善土壤通透性，保證微生物的活性和根系活性，提高水肥利用效率，能夠滿足作物生長與高產(chǎn)的需要[7,8]。Surya P等[9]研究發(fā)現(xiàn)采用增氧灌溉可以明顯改善作物的根系分布。郭超等[10]研究認(rèn)為，增氧灌溉有利于玉米株高、葉面積指數(shù)、葉綠素含量的提高，同時(shí)促進(jìn)干物質(zhì)的積累和養(yǎng)分的吸收。Brzezinska等[11]和Heuberg等[12]研究表明，根際通氣能夠增強(qiáng)土壤酶活性，改善土壤微環(huán)境，加強(qiáng)植株根系呼吸，改善水肥吸收效率，促進(jìn)作物生長發(fā)育，從而提高產(chǎn)量。

微納米氣泡增氧曝氣作為一種新型高效的水處理技術(shù)，已在水產(chǎn)養(yǎng)殖、環(huán)境治理、醫(yī)學(xué)治療、礦石浮選等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)和無土栽培，而在水稻灌溉方面的研究較少，有待深入研究。本研究以離式螺旋微氣泡泵為微納米氣泡發(fā)生裝置，分析微納米氣泡增氧灌溉對(duì)雙季稻需水特性和產(chǎn)量形成特性的影響，探討微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)在水稻節(jié)水灌溉中的應(yīng)用效果，為改變稻田傳統(tǒng)淹水灌溉方式，改善稻田土壤氧環(huán)境，實(shí)現(xiàn)雙季稻節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)，保障糧食安全提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2013年在江西省灌溉試驗(yàn)中心站試驗(yàn)研究基地進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)多年平均氣溫17.0 ℃、年均降雨量1 680.2 mm，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤性氣候。早、晚稻供試品種分別為陸兩優(yōu)996和天優(yōu)華占。供試土壤為粉質(zhì)性黏土，其基本理化性狀為土壤pH值5.87，有機(jī)質(zhì)22.85 g/kg，全氮1.42 g/kg，全磷0.31 g/kg，堿解氮100.98 mg/kg，速效磷6.18 mg/kg，速效鉀78.92 mg/kg。增氧曝氣裝置為離式螺旋微氣泡泵(XPK-0.75)，其主要技術(shù)參數(shù)為額定電壓為380 V/50 Hz，額定功率為750 W，最大壓力為0.38～0.42 MPa，溶氣水為0.7～1.0 m3/h，含氣率為82%～90%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇2種灌溉(W)方式和3種氮肥(N)用量進(jìn)行組合試驗(yàn)，共設(shè)6種處理：常規(guī)水灌溉+氮肥空白(W0N0)、常規(guī)水灌溉+氮肥減量(W0N1)、常規(guī)水灌溉+氮肥常規(guī)用量(W0N2)、微納米氣泡水灌溉+氮肥空白(W1N0)、微納米氣泡水灌溉+氮肥減量(W1N1)、微納米氣泡水灌溉+氮肥常規(guī)用量(W1N2)。各處理氮肥用量與施用方式見表1，磷肥按67.5 kg/hm2(以P2O5計(jì))標(biāo)準(zhǔn)作基肥一次施用，鉀肥采用氯化鉀，用量為150 kg/hm2(以K2O計(jì))，施用方式為基肥∶穗肥=9∶11。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)，采用小區(qū)試驗(yàn)方法，小區(qū)面積23.85 m2，相鄰小區(qū)之間作30 cm田埂，并用塑料薄膜包封，防止漏水串肥，病蟲草害及其他田間管理同當(dāng)?shù)刎S產(chǎn)田。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental treatments design

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1)水量平衡要素：灌水量根據(jù)灌水前后田間水表差值計(jì)算得出；耗水量根據(jù)前后日田間水位的差值計(jì)算得到，田間無水層時(shí)采用補(bǔ)水法確定；排水量通過觀測(cè)稻田排水前后的田面水位差換算得出；降雨量由江西省灌溉試驗(yàn)中心站試驗(yàn)研究基地氣象場(chǎng)獲得。

(2)溶解氧含量：使用上海雷磁溶解氧測(cè)定儀(JPB-607A)測(cè)定溶解氧含量，溶氧量計(jì)量單位為mg/L。

(3)考種測(cè)產(chǎn)：使用萬深SG-G型自動(dòng)種子考種分析及千粒重儀進(jìn)行考種。各小區(qū)單打單收，按面積換算實(shí)測(cè)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)一使用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、方差分析與圖表制作，顯著性檢驗(yàn)采用Duncan method(鄧肯新復(fù)極差法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 微納米氣泡技術(shù)的增氧效果

圖1表明，利用離式螺旋微氣泡泵對(duì)普通水進(jìn)行增氧處理，在處理后的初始狀態(tài)下，0、100、400、800 mL/min空氣進(jìn)氣量處理的水體溶解氧含量分別為3.2、7.5、9.4、10.2 mg/L，靜置24 h后的溶解氧含量分別為6.7、7.2、7.5、7.3 mg/L，微納米氣泡增氧的3個(gè)處理水體的溶解氧含量均高于常規(guī)水處理，5 h后不同增氧處理的水體溶解氧含量以400 mL/min處理最高?？梢?，400 mL/min空氣進(jìn)氣量處理具有較好的增氧效果，為本試驗(yàn)采用的適宜進(jìn)氣量。

圖1 不同空氣進(jìn)氣量對(duì)水體的增氧效果Fig.1 Effects of different air input on oxygen aerated of water

2.2 不同灌溉施肥處理對(duì)早、晚稻需水特性的影響

由表2可知，在相同灌溉方式下，雙季早、晚稻的灌水量和耗水量均隨施氮量的增加而增加。早、晚稻W(wǎng)0以及早稻W(wǎng)1灌溉模式的排水量均隨施氮量的增加而增加，降雨利用率則均隨施氮量的增加而降低；在相同氮肥施用水平下，雙季早、晚稻W(wǎng)1灌溉模式的耗水量、灌水量均低于W0模式，早稻W(wǎng)1模式的耗水量、灌水量均值分別降低3.44%、12.46%，晚稻分別降低4.55%、9.95%。與W0灌溉模式相比，早、晚稻W(wǎng)1灌溉模式的降雨利用率平均提高6.03%和24.58%；與常規(guī)水肥處理(W0N2)相比，早、晚稻微納米氣泡增氧灌溉減肥處理(W1N1)的灌溉用水量分別減少17.03%、14.24%，降雨利用率平均提高7.07%、29.30%。

表2 不同灌溉施肥處理對(duì)早、晚稻需水特性的影響Tab.2 Effects of different treatments with irrigation and fertilizeron water requirement characters of double season rice

2.3 不同灌溉施肥處理對(duì)早、晚稻產(chǎn)量的影響

表3表明，微納米氣泡增氧灌溉對(duì)早、晚稻產(chǎn)量及其構(gòu)成具有一定影響。早、晚稻不同處理的產(chǎn)量、有效穗、總粒數(shù)均以W1N1或W1N2處理最高。與常規(guī)水肥處理(W0N2)相比，早、晚稻微納米氣泡增氧灌溉減肥處理(W1N1)分別增產(chǎn)198.59、349.13 kg/hm2，分別增加2.37%、3.86%，均達(dá)到顯著增產(chǎn)水平。

在相同灌溉方式下，早、晚稻總粒數(shù)隨氮肥用量的增加而增加，結(jié)實(shí)率隨氮肥用量的增加而減少，千粒重的變化趨勢(shì)均為N1>N2>N0。早、晚稻W(wǎng)0以及早稻W(wǎng)1灌溉模式的有效穗和產(chǎn)量的變化趨勢(shì)為N2>N1>N0，晚稻W(wǎng)1灌溉模式的有效穗和產(chǎn)量則均以N1水平最高。在W0模式下，早、晚稻N1水平較N2水平減產(chǎn)均不顯著(減幅分別為2.62%和1.64%)；在W1模式下，與N2相比，早稻N1處理減產(chǎn)不顯著，而晚稻N1處理增產(chǎn)顯著。

在相同施氮水平下，早、晚稻W(wǎng)1灌溉模式的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成各因素均高于W0灌溉模式。與W0灌溉模式相比，早稻W(wǎng)1灌溉模式的有效穗數(shù)、總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重、產(chǎn)量均值分別增加2.86%、2.53%、0.40%、0.28%、4.05%，晚稻分別增加6.96%、2.04%、4.03%、0.74%、3.35%。

表3 不同灌溉施肥處理對(duì)雙季稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響Tab.3 Effects of different treatments with irrigation and fertilizer on yield and yield components of double season rice

2.4 不同灌溉施肥處理對(duì)早、晚稻水分利用效率(WUE)的影響

不同灌溉施肥處理對(duì)水分利用效率(WUE)的影響如圖2所示。早、晚稻不同處理的灌水量和耗水量水利用效率均以W1N1處理最高，與W0N2處理相比，早稻分別增加23.37%、7.35%，晚稻分別增加20.89%、12.02%；早、晚稻灌水量和耗水量水分利用效率均隨氮肥用量的增加而呈現(xiàn)出N1>N2>N0的變化趨勢(shì)；在同一氮肥用量水平下，雙季早、晚稻W(wǎng)1灌溉模式灌水量和耗水量的水分利用效率均高于W0灌溉模式，早、晚稻灌水量水分利用效率平均增加18.94%和15.15%，耗水量水分利用效率平均增加7.78%和8.37%。

圖2 不同灌溉施肥處理對(duì)雙季稻水分利用效率的影響Fig. 2 Effects of different treatments with irrigation and fertilizer on water use efficiency of double season rice

3 結(jié) 語

良好的土壤氧環(huán)境有利于水稻的生長發(fā)育，同時(shí)還能夠提高肥料的利用效率。在水稻種植過程中，改善土壤通氣狀況是提高水稻產(chǎn)量的重要途徑。已有的研究[13-15]認(rèn)為，增氧灌溉優(yōu)化了水稻根際氧環(huán)境，促進(jìn)了水稻根系生長以及對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用，改善了水稻群體結(jié)構(gòu)，有效提高了水稻的有效穗、每穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率，進(jìn)而增加水稻產(chǎn)量。在本試驗(yàn)條件下，采用微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)促進(jìn)了產(chǎn)量構(gòu)成因素的協(xié)調(diào)發(fā)展，早、晚稻產(chǎn)量分別增加4.05%和3.35%，這與先前的研究結(jié)果一致?？梢姡⒓{米氣泡技術(shù)應(yīng)用于水稻灌溉具有明顯的增產(chǎn)效果。

本試驗(yàn)研究表明，早稻采用微納米氣泡增氧灌溉耗水量和灌水量分別減少3.44%和12.46%，降雨利用率和水分利用效率(耗水量)分別提高6.03%和7.78%；晚稻耗水量、灌水量分別減少4.55%和9.95%，降雨利用率和水分利用效率(耗水量)分別提高24.58%和8.37%。這與陳濤等[16]關(guān)于增氧灌溉對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率的影響的結(jié)果具有一致性。說明微納米氣泡增氧灌溉可以節(jié)約灌溉用水，提高降雨利用效率和水分利用效率。

水稻傳統(tǒng)的水肥管理方式耗水量大，用肥量高，水肥利用效率低下，致使農(nóng)田用水浪費(fèi)極為嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)面源污染日漸加劇?？茖W(xué)的水肥管理技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)水稻的節(jié)水增產(chǎn)，而且能夠提高水分和肥料的利用效率[17-19]。本試驗(yàn)采用的微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)表現(xiàn)出明顯的節(jié)水減肥效果，相對(duì)于常規(guī)水肥模式(常規(guī)水灌溉+氮肥用量為180 kg/hm2)，在減少10%氮肥用量(氮肥用量為162 kg/hm2)的前提下采用微納米氣泡水增氧灌溉，早、晚稻可分別節(jié)水17.03%、14.24%，分別增產(chǎn)2.37%、3.86%?？梢姡⒓{米氣泡增氧灌溉技術(shù)應(yīng)用于水稻生產(chǎn)中具有節(jié)水、減肥、增產(chǎn)的綜合效果，在防治農(nóng)業(yè)面源污染和推進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)中具有較好的應(yīng)用前景。

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