北方寒區(qū)水稻水肥管理技術(shù)節(jié)水減排效應研究

謝世堯，孫雪梅，鄒德昊，張曉紅，趙 悅

(1. 黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150080；2. 黑龍江大學寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080；3. 黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080)

水稻是全球一半以上人口賴以生存的基本食糧，根據(jù) FAO 統(tǒng)計，2014 年世界水稻播種面積約16 325 萬hm2，總產(chǎn)量約74 096 萬t，平均單產(chǎn)約4 539 kg/hm2[1]。中國是世界第1大產(chǎn)稻國和消費國。水稻是耗水、耗肥最多的作物，其耗水量占全國總用水量的54%左右，占農(nóng)業(yè)總用水量的65%以上[2,3]。稻田是農(nóng)業(yè)面源污染物排放的主要來源之一，大量的排水帶出的氮磷污染物是周邊水體環(huán)境富營養(yǎng)化的重要因素[4-6]。水稻節(jié)水灌溉技術(shù)可以有效減少稻田灌溉用水和排水，合理施肥技術(shù)可以提高氮肥利用效率，2者共同作用可以消減面源污染排放[7-9]。但是，節(jié)水灌溉技術(shù)相關(guān)研究多關(guān)心灌溉上下限的控制，對通過調(diào)節(jié)稻田雨后蓄水深度，發(fā)揮稻田蓄雨、節(jié)水、增產(chǎn)、減污綜合效應的研究較少；與此同時，稻田灌溉與施肥交互效應研究，尤其是不同水肥組合對稻田面源污染物排放的影響研究，也是當前研究熱點[10-12]。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對比黑龍江省灌溉試驗站多年田間試驗改良提出的控灌、濕潤灌、間歇灌、淺曬淺灌4種節(jié)水灌排技術(shù)，5種施肥水平組合對水稻需水規(guī)律、產(chǎn)量及面源污染排放的影響，探討最佳節(jié)水灌溉技術(shù)和施肥方法組合，為水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、節(jié)水高效、減污排污提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)基本情況

試驗于2015年的5-9月在黑龍江省水稻灌溉試驗中心站進行。試驗區(qū)位于黑龍江省安慶縣，屬寒溫帶大陸性季風氣候，多年平均降雨量577 mm，多年平均氣溫為15.7 ℃，最高月平均氣溫為1.69 ℃，年均日照時數(shù)2 599 h，年無霜期128 d。試驗區(qū)設(shè)有60個試驗小區(qū)，各小區(qū)面積均為100 m2，灌水和排水均采用單灌單排方式，小區(qū)之間均采用隔水隔板進行隔水處理，小區(qū)內(nèi)均埋設(shè)了地下滲漏水采樣設(shè)備。試驗小區(qū)0～40 mm土壤相關(guān)理化參數(shù)如下：容重為1.12 g/cm3，pH值為6.35，土壤全氮含量為2.011 g/kg，速效氮含量為241.5 mg/kg，全磷含量為1.729 g/kg，速效磷含量為149.5 mg/kg，全鉀含量為22.687 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗處理設(shè)置控灌、濕潤灌、間歇灌、淺曬淺灌4種節(jié)水灌排技術(shù)，5種施肥水平組合，每個處理3次重復，共布置了60個試驗小區(qū)。水分管理按照各水稻灌排節(jié)水技術(shù)的水分管理參數(shù)標準表執(zhí)行，見表1。不同施肥水平施肥管理方案見表2。表2中肥量為折純量,各施肥水平中氮、磷、鉀施肥比例均為2∶1∶1.5。

表1 水稻水分管理方案 mm

注：①土壤水分或田面水層達到下限時，應按灌水上限進行灌水,并記錄其灌水量；②“*”號標注的數(shù)字指飽和含水率的百分數(shù)。

表2 水稻施肥管理方案 kg/hm2

注：基肥全層施入；追肥1屬分蘗肥，分2次施，插秧后5 d和10 d，施肥比例為1∶2；追肥2屬穗肥，分2次施，孕穗前5 d氮肥一半和磷肥混施，其后10 d氮肥一半和鉀肥混施；追肥3屬粒肥，齊穗時一次施肥。

1.3 觀測指標及分析方法

水分指標觀測：土壤飽和含水率觀測采用PMP土壤水分觀測儀；灌水量計算由灌水水表的灌前、灌后水表讀數(shù)進行；排水量計算由排水水表的雨前、雨后讀數(shù)進行，當試驗小區(qū)因灌水過多發(fā)生意外地表排水時，應降低閘門高度繼續(xù)排水至灌水上限，同時記錄排前后水表讀數(shù)；滲漏量觀測通過安裝在各水稻灌排節(jié)水技術(shù)中肥區(qū)的滲漏量觀測設(shè)備的觀測獲得，每隔3 d觀測一次，每次早晨8∶00觀測。

水樣指標觀測：對每次地表水、地下水取樣，分析水樣TN、TP濃度；將排水量與TN、TP濃度相乘，即得到單次排水氮素污染物含量，各次排水污染物量相加得到水稻生育期面源污染排放總量。

生長指標觀測：水稻產(chǎn)量的觀測以試驗處理為單元，分別脫粒測定各試驗處理的產(chǎn)量，并根據(jù)試驗小區(qū)的面積最終換算為單位面積產(chǎn)量。

2 結(jié)果分析

2.1 不同水肥組合節(jié)水效果分析

4種水稻節(jié)水灌溉技術(shù)綜合節(jié)水指標見表3。不同節(jié)水技術(shù)的泡田及水稻大田生育期的合計灌水量以控灌、濕潤灌、間歇灌、淺曬淺灌順序遞增，其中，控灌、濕潤灌、間歇灌分別比淺曬淺灌節(jié)約灌水量51.87%、43.56%、37.08%，控灌灌水量節(jié)約效果最為明顯；2015年水稻大田生育期(5月28日-9月30日)降水總量為304.70 mm，除去地表排水量即為降雨有效利用量，可以看出降雨有效利用量以控灌、濕潤灌、間歇灌、淺曬淺灌順序遞減，對應的降水有效利用率分別是98.55%、97.79%、97.40%、94.55%；采取控灌和濕潤灌的地下滲漏量較少，基本處于同一水平，間歇灌和淺曬淺灌的地下滲漏量較大，控灌、濕潤灌、間歇灌的地下滲漏量分別是淺曬淺灌的37.43%、36.24%、61.67%，其中控灌滲漏水量最少，最大程度減少了無效用水；控灌、濕潤灌、間歇灌的蒸發(fā)騰發(fā)量相差不大，分別是淺曬淺灌的81.27 %、88.46%、83.96%。

綜合節(jié)水效果評判方法是4個節(jié)水指標之和，其值越小綜合節(jié)水效果越好。可以看出，綜合節(jié)水指標排序依次是控灌、濕潤灌、間歇灌、淺曬淺灌，控灌最節(jié)省水，其次是濕潤灌和間歇灌，淺曬淺灌水分利用效率最低，相比濕潤灌、間歇灌、淺曬淺灌，控灌模式節(jié)水指標分別提高9.40%、15.67%、35.58%。

表3 不同節(jié)水技術(shù)綜合節(jié)水指標 mm

2.2 不同水肥組合減排效果分析

綜合減排效果指標選擇地表排水、地下水TN流失負荷與TP流失負荷2個減污指標，2個減污指標均為越小越好指標，面源污染物含量為2個減污指標之和，其值越小，綜合減污效果越好。不同水肥組合面源污染物含量見圖1?？梢钥闯?，同一施肥量下，面源污染物流失負荷按照控灌、濕潤灌、間歇灌、淺曬淺灌順序遞增，其中，控灌面源污染物流失負荷最低，對比濕潤灌、間歇灌、淺曬淺灌，控灌模式面源污染物流失負荷分別降低1.39%、36.57%、59.42%；同一灌溉模式下，面源污染物流失負荷按照次低肥、中肥、低肥、高肥、次高肥順序遞增，其中次低肥面源污染物流失負荷最低，對比中肥、低肥、高肥、次高肥面源污染物流失負荷分別降低0.6%、6.86%、13.64、25.20%。

圖1 不同水肥組合面源污染物流失負荷Fig.1 Load loss of non-point source pollution with different water and fertilizer combinations

不同水肥組合對面源污染物影響方差分析見表4。同一種施肥量下，控灌與濕潤灌面源污染物流失負荷變化不顯著，間歇灌溉與淺曬淺灌面源污染物流失負荷變化顯著(顯著度P<0.05)；同一種灌溉技術(shù)，次高肥對比中肥、次低肥、低肥面源污染物流失負荷變化顯著(顯著度P<0.05)；此外，在控制其中一個變化之后，灌溉技術(shù)和施肥方式對面源污染物排放的影響是顯著的。

表4 不同水肥組合對面源污染物影響方差分析Tab.4 Variance Analysis of influence of different water and fertilizer combinations on non-point source pollution

注 ：①R2=0.960(調(diào)整R2=0.937)。

2.3 不同水肥組合增效效果分析

不同節(jié)水灌排技術(shù)的化肥施肥量與產(chǎn)量關(guān)系見圖2。可以看出，控灌技術(shù)在試驗化肥用量范圍內(nèi)始終比其他灌排節(jié)水技術(shù)產(chǎn)量高，因此控灌節(jié)水技術(shù)為產(chǎn)量最高的最優(yōu)灌排節(jié)水技術(shù)。根據(jù)控灌灌排節(jié)水技術(shù)的施肥量與產(chǎn)量關(guān)系計算，從次低肥到中肥，每公頃施肥量增加45.00 kg時，每公頃產(chǎn)量約增加36.90 kg，化肥產(chǎn)出率為0.82，產(chǎn)量增加不明顯，經(jīng)濟效益持平或略顯下降；從低肥到次低肥，每公頃施肥量增加45.00 kg時，每公頃產(chǎn)量約增加132.90 kg，化肥產(chǎn)出率為2.95，產(chǎn)量增加相對明顯，經(jīng)濟效益呈現(xiàn)增加趨勢，相比前者化肥產(chǎn)出率從0.82提高到了2.95，化肥產(chǎn)出率有了較大幅度提高。因此，在化肥施肥量與產(chǎn)量關(guān)系分析中，選擇360 kg/hm2化肥施用量水平，對應產(chǎn)量水平達到9 960 kg/hm2。

圖2 不同節(jié)水灌排技術(shù)的化肥施肥量與產(chǎn)量關(guān)系Fig.2 Relationship between fertilizer amount and yield under the condition of different water-saving technology

綜上，蓄雨型控灌灌排節(jié)水技術(shù)的節(jié)水、減污、高產(chǎn)效果最好，多個組合中，蓄雨型控灌灌排節(jié)水技術(shù)與次低肥組合最好?；适┓视昧繛?60 kg/hm2，產(chǎn)量約為9 960 kg/hm2左右。

3 討 論

4 結(jié) 語

本文著重研究不同水肥組合，我國北方寒區(qū)水稻節(jié)水、減排、增效效應，主要結(jié)論如下。

(1)綜合節(jié)水指標選取灌溉用水量、地表排水量、地下滲漏量、蒸發(fā)騰發(fā)量。控灌最節(jié)省水，其次是濕潤灌和間歇灌，淺曬淺灌水分利用效率最低，相比濕潤灌、間歇灌、淺曬淺灌，控灌模式節(jié)水指標分別提高9.40%、15.67%、35.58%。

(2)同一施肥量下，控灌面源污染物流失負荷最低，對比濕潤灌、間歇灌、淺曬淺灌，控灌模式面源污染物流失負荷分別降低1.39%、36.57%、59.42%；同一灌溉模式下，次低肥面源污染物流失負荷最低，對比中肥、低肥、高肥、次高肥面源污染物流失負荷分別降低0.6%、6.86%、13.64、25.20%。此外，方差分析結(jié)果表明，灌溉技術(shù)和施肥方式對面源污染物排放的影響是顯著的。

(3)控灌技術(shù)產(chǎn)量在試驗化肥用量范圍內(nèi)均高于其他節(jié)水灌排技術(shù)，從低肥到次低肥，每公頃施肥量增加45.00 kg時，每公頃產(chǎn)量約增加132.90 kg，化肥產(chǎn)出率為2.95，產(chǎn)量增加相對明顯，經(jīng)濟效益增加明顯。

(4)綜上，“蓄雨控灌+次低肥”模式最有利于水稻節(jié)水、減排、增效效應發(fā)揮。

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