水分管理對水稻產(chǎn)量、品質(zhì)及氮磷流失的影響研究綜述

邢素林 馬凡凡 吳蔚君 徐云連 馬友華

（安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，合肥230036；*

水稻是喜水植物，在整個生育期都需要充足的水分，但各個生育階段對水分的需求又是不同的。有研究表明，適當?shù)墓?jié)水灌溉不僅不會減少水稻產(chǎn)量，反而有利于提高產(chǎn)量，同時稻米的品質(zhì)也會有所改善[1－3]。土壤養(yǎng)分是稻田氮磷流失的物質(zhì)基礎，而農(nóng)田中的水分運動則是其動力和載體。我國氮肥利用率為30%～40%[4]，磷肥的利用率更低，僅為8%～20%[5]。土壤中的養(yǎng)分大都以徑流、淋溶等形式流失。此外，氮素還會以氣體揮發(fā)流失。合理控制稻田灌溉水量、排水時間等田間管理措施，不僅能夠減少灌溉用水量，提高降雨利用效率，還能夠減少農(nóng)田氮磷損失，提高肥料利用率。

1 稻田灌溉的作用及基本原理

水稻在生長過程中對水分的需求分為生態(tài)需水和生理需水兩大類。稻田灌溉就是要通過科學、合理的灌溉技術來滿足水稻的生理需水和生態(tài)需水，不僅為水稻的生理代謝提供水分，同時還可以通過灌溉來調(diào)節(jié)稻田溫度、以水調(diào)肥等為水稻提供良好的生長環(huán)境[6]。水稻的生理需水還表現(xiàn)在不同的生育期有不同的需水要求，水稻生長的關鍵期缺水將對水稻產(chǎn)量造成較大的影響甚至會造成死亡，非關鍵期缺水對水稻生長影響較小，在一定程度上會更有利于高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，這就為水稻節(jié)水灌溉提供了依據(jù)。節(jié)水灌溉就是根據(jù)當?shù)毓┧⒔涤旰屯寥浪值葪l件，以作物需水規(guī)律為基礎，綜合利用灌溉過程中可以減少灌溉水損失的一系列技術措施，在高效利用當?shù)亟涤甑那疤嵯?，獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最佳經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益的多種技術措施和制度的總稱[7]。

與傳統(tǒng)的大水漫灌相比，節(jié)水灌溉注重“薄、淺、濕、曬”等技術，目前在水稻生產(chǎn)研究中，主要研究的節(jié)水灌溉技術有水稻控制灌溉技術、干濕交替灌溉、水稻葉齡模式灌溉、旱育稀植以及覆膜旱作節(jié)水灌溉技術等[8－11]。國外關于節(jié)水灌溉的研究也較多，日本的將以“露”為主和地膜覆蓋相結(jié)合技術；印度與我國節(jié)水灌溉技術較為相似，多采用間歇灌溉技術[12]；埃及則通過縮短水稻生長周期達到節(jié)水的目的[13]。在我國和東南亞的一些國家如印度、孟加拉、越南等推廣使用干濕交替灌溉，并取得了明顯的節(jié)水效果[14－15]。這些技術雖然各有不同之處，但都是根據(jù)水稻的需水特征，在水稻生長的各個時期進行節(jié)水灌溉。水稻實行節(jié)水灌溉可以提高降水利用率、減少滲漏量和蒸發(fā)量。通過控制灌溉量，即在水稻分蘗的中、后期建立稻田薄水層或者無水層，此時土壤的含水率偏低，土壤蓄水能力較大，稻田中多余的水分減少，從而可以大大提高降水利用率[16]。水稻實行節(jié)水灌溉，稻田中水分大大減少，在無水層或薄水層蒸發(fā)只是土壤表面的水分，蒸發(fā)強度明顯減弱，植株蒸騰作用也明顯減弱[17]。

傳統(tǒng)的淹水漫灌模式，稻田通氣條件較差，水稻根系呼吸生長受到抑制，會出現(xiàn)病蟲害發(fā)生嚴重、植株早衰等現(xiàn)象，影響產(chǎn)量的提高[18－19]。此外，淹水漫灌耗水量大，水分利用率僅為 30%～40%，同時會因徑流、滲漏和排水引發(fā)環(huán)境污染問題[19－20]。因此，發(fā)展節(jié)水灌溉，對于保障水稻產(chǎn)量，減少因灌溉引起的農(nóng)業(yè)面源污染具有有重要意義[21]。

2 水分管理對水稻產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

水稻對水分條件的變化具有一定的適應性，在不同的生育階段對水分的需求不同。研究水稻在不同的生育階段對不同水分供應狀況下的反應，是探討水稻生育期實行節(jié)水灌溉的理論基礎[22]?？聜饔碌萚23]研究表明，在水稻不同生育時期對水稻進行水分脅迫處理，對產(chǎn)量的影響不同。在鈍感期內(nèi)短期受旱，水稻對水分的缺失反應較遲鈍，即使其生理機能受損也可較快的恢復正常的生長狀況，因而對產(chǎn)量影響較小；若敏感期發(fā)生缺水，則較難恢復正常的生長狀況，會導致小穗敗育、穗粒數(shù)減少、秕粒增多、千粒重下降，最終導致產(chǎn)量降低，嚴重的甚至會導致水稻的死亡。水稻全生育期中，分蘗期對水分反應遲鈍、抗旱性強、節(jié)水潛力大，是曬田的適宜時期[24]。在水稻分蘗前期應用節(jié)水灌溉可以促進水稻分蘗旺盛，使分蘗提早、稻株分枝生長快。呂銀斐等[21，25]研究表明，分蘗前期控制灌水可以加快水稻分蘗并最先達到分蘗高峰，分蘗高峰后莖蘗數(shù)減少較平穩(wěn)。俞愛英[26－27]等研究表明，與傳統(tǒng)灌溉相比，分蘗期適當?shù)墓?jié)水灌溉可以提高分蘗1～2葉，每增加1葉分蘗成穗率可提高27%，且每穗總粒數(shù)隨分蘗帶葉片數(shù)增加而增加，產(chǎn)量明顯提高。孫艷玲等[28]研究表明，在分蘗末期嚴格控制水分，可以抑制水稻無效分蘗，使水稻生長后期產(chǎn)生補償效應，增加有效分蘗，提高水稻成穗率。適當?shù)墓?jié)水管理能夠增強植株根系活力，促進根系生長發(fā)育，吸收更多的水分和養(yǎng)分，從而促進植株生長，有利于干物質(zhì)的積累[29－30]。呂銀斐等[21]通過研究常規(guī)灌溉、干濕交替灌溉和濕潤灌溉3種不同的水分管理方式對水稻生長的影響表明，干濕交替灌溉比常規(guī)灌溉和濕潤灌溉干物質(zhì)量分別提高9.15%和13.45%。

就水稻品質(zhì)而言，不同時期水分脅迫對水稻的堊白粒率、蛋白質(zhì)含量和脂肪含量都有影響。解文孝等[31]研究表明，在灌漿結(jié)實初期水分脅迫對稻米堊白粒率、堊白大小和堊白度影響顯著，不同時期水分脅迫都使蛋白質(zhì)含量和脂肪含量增加。Yang等[32－34]研究指出，在水稻結(jié)實期適當?shù)墓?jié)水灌溉能夠改善稻米品質(zhì)，提高酶活性和精米率，膠稠度變軟。但也有研究表明，嚴重的水分脅迫會使稻米品質(zhì)下降[35－36]。目前關于水分管理對稻米品質(zhì)的影響研究較少，且結(jié)果也不一致。

3 水分管理對稻田氮、磷流失的影響

土壤養(yǎng)分或肥料是稻田氮磷流失的物質(zhì)基礎，而農(nóng)田中水的運動則是其動力和載體[37]。傳統(tǒng)的大水淹灌加劇了灌溉用水的日趨緊張，造成水資源的極大浪費；農(nóng)田過量施用化肥，除一部分被植物吸收利用外，大部分通過徑流、淋溶、氨揮發(fā)、硝化－反硝化、土壤礦化等途徑損失[38]，造成土壤、大氣、湖泊富營養(yǎng)化以及地下水污染等環(huán)境問題[39－41]。我國大部分地區(qū)在水稻種植過程中，灌溉和排水是必須的，而經(jīng)稻田排水流失的氮磷流入江河會污染水體。

3.1 稻田氮磷損失的特征

氮素是水稻生長必需的大量元素[42]。施肥是稻田氮素的主要來源，但降雨、灌溉、大氣的干濕沉降帶到稻田中的氮素含量也不容小覷。Jeon等[43]在試驗中發(fā)現(xiàn)，稻田氮素含量的13%～33%都來自大氣的干濕沉降以及農(nóng)田灌溉。稻田中的氮肥除殘留在土壤中和被植物吸收利用的一部分外，大部分都是通過氨揮發(fā)、徑流淋溶和硝化－反硝化等途徑損失[44－47]。朱兆良[48]對蘇南太湖流域稻麥輪作區(qū)的研究表明，稻田泡田棄水和地表徑流損失的氮分別占施氮量的2.7%和5.7%。硝化－反硝化也是稻田氮素流失的途徑之一，其產(chǎn)生的N2O進入大氣會破壞大氣環(huán)境[49－50]。

近年來，在追求高產(chǎn)的過程中，農(nóng)民持續(xù)大量施用磷肥，施入農(nóng)田中的磷肥大部分未被植物吸收利用而滯留在表層土壤中，在水－土界面不會揮發(fā)[51]。盡管磷在土壤中較穩(wěn)定，易被土壤顆粒和膠體吸附[52]，擴散遷移能力較差，但多年研究證實，磷也是導致水體富營養(yǎng)化的主要原因[54－55]。磷在土壤中較穩(wěn)定，主要是通過徑流和淋溶等途徑損失[57]，通過地表徑流損失的磷可分為溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷，通過降雨而流失的磷主要是可溶性磷，而顆粒態(tài)磷是土壤磷徑流損失的主要形態(tài)[58－59]。研究表明，土壤磷素流失的峰值一般發(fā)生在施肥后的第1次農(nóng)田徑流[60]。李學平等[61]通過對紫色水稻土磷素流失潛能進行研究，結(jié)果表明，如果在水稻移栽后1 d進行田間排水，磷素潛在流失負荷在928～3 284 g/hm2，總磷的潛在流失率在1.5%～2.5%之間。

3.2 田間水分管理對稻田氮磷損失的影響

3.2.1 降雨對稻田氮磷流失的影響

降雨和施肥是影響耕地氮磷流失的關鍵因素，特別是施肥后不久的降雨。因此，在種植初期，改善養(yǎng)分和水的田間管理非常重要。管毓堂等[62]對稻田降雨徑流污染特征的研究表明，施肥以及施肥后至降雨的時間間隔是影響降雨污染物濃度的重要因子。有研究顯示，降雨和徑流是土壤溶質(zhì)遷移的動力，在侵蝕性降雨沖刷作用下，表層土壤中部分氮素、大部分磷素以顆粒態(tài)形式發(fā)生遷移和富集[63－65]。梁斐斐等[66]關于降雨強度對坡耕地土壤氮磷流失主要形態(tài)影響的研究表明，雨越大徑流量也越大，同時產(chǎn)生的徑流中總N、總P濃度也越高，導致稻田氮磷流失越大。在我國南方地區(qū)水稻季與雨季同期，強降雨補充田面水，當水面高度超過田埂時會產(chǎn)生徑流，造成稻田氮磷流失。周靜雯等[67]通過研究不同灌溉模式與降雨場次的關系，結(jié)果顯示傳統(tǒng)的深水灌溉在降雨量達到50 mm以上時，就會產(chǎn)生徑流，造成氮磷流失，干濕交替模式降雨達到90 mm時仍未產(chǎn)生徑流，表明干濕交替節(jié)水灌溉模式可以顯著減少由降雨形成的徑流，減少氮磷流失。雨前、雨后水體中氮含量有著明顯的變化，說明降雨所帶來的氮磷流失是造成農(nóng)業(yè)面源污染的重要因素[68]。

3.2.2 田間水分管理對稻田田面水氮磷濃度及徑流流失量的影響

基于水稻需水規(guī)律、稻田水平衡規(guī)律和養(yǎng)分負荷規(guī)律的研究，可以通過技術、管理等手段系統(tǒng)地對稻田小流域進行水分協(xié)調(diào)，提高水分利用率，減少氮磷流失。張麗娟等[69]關于灌溉與施肥對稻田氮磷流失影響的研究表明，間歇灌溉條件下總氮、總磷徑流流失量相對于傳統(tǒng)灌溉分別降低22.99%和10.01%，這與黃東風等[70]的研究結(jié)果基本一致。與傳統(tǒng)灌溉相比，淺薄灌溉模式下，稻田田面水氮磷濃度降低47.6%～86.2%[71]。不僅是節(jié)水灌溉，控制田面水的排放時間也可以通過降低徑流水中氮磷濃度來減少氮磷流失[72]。張榮社等[73]研究證明，污水在人工濕地中滯留3 h，總氮去除率可達85.6%。還有研究表明，稻田產(chǎn)生徑流后在田間滯留2 h，氮損失可減少50%以上[74]。田間灌溉不僅要考慮到減少灌溉量，還要綜合考慮施肥活動，盡量拉大施肥與排水的時間差，降低營養(yǎng)元素的流失[75]。

3.2.3 田間水分管理對稻田氨揮發(fā)和硝化反硝化的影響

全球氮肥施用中通過氨揮發(fā)損失占14%[76]。我國稻田氨揮發(fā)損失量占總施氮量的9%～60%，以氣體形式損失最大的是東部地區(qū)，尤其以北方平原和太湖地區(qū)最多[77－78]，且氨揮發(fā)損失主要發(fā)生在施肥后7 d內(nèi)。氨揮發(fā)發(fā)生在田面水與大氣的界面處，所以說，如果稻田長時間保持蓄水狀態(tài)則會大大增加氨揮發(fā)發(fā)生的機率。李菊梅等[79]研究表明，氨揮發(fā)速率與田面水銨離子濃度呈極顯著的線性關系，說明田面水中氨態(tài)氮含量高低直接影響著氨揮發(fā)量的大小。有研究表明，受控灌溉與一般灌溉相比，稻田甲烷排放總量可減少80%以上。灌溉排水控制下氨態(tài)氮負荷下降了18.5%～54.5%，硝態(tài)氮負荷減少了16.8%～57.7%[80]。 氮肥損失中有30%是緣于反硝化作用，反硝化作用是一個在嫌氣條件下進行的微生物學過程，稻田長時間處于蓄水嫌氣條件下，反硝化作用增強，加劇了氮的損失。在淹水條件下，反硝化是土壤硝態(tài)氮損失的主要途徑之一，反硝化作用不僅會造成肥料損失，還會形成各種含氮氧化物如NO2、NO、N2O和 N2等氣體，這些氣體進入大氣會造成污染[81－82]。

4 展望

為了尋找最有利于水稻生長及減少氮磷流失的水分管理模式，實現(xiàn)稻田水分的最優(yōu)控制，需要研究不同極限水分管理模式下水稻的品質(zhì)、產(chǎn)量狀況，以及農(nóng)田氮、磷流失，實現(xiàn)稻田水分的最優(yōu)控制。研究田間水分管理中水稻田灌溉、降雨和稻田水分的流失規(guī)律以及稻田氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，建立適用于我國的稻田水分平衡和水稻所需的營養(yǎng)物質(zhì)負荷模型，能夠更精確的指導田間水分管理，減少水稻田氮磷流失，控制農(nóng)業(yè)面源污染。

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