適雨灌溉下不同施肥模式對(duì)機(jī)插稻稻田水環(huán)境及產(chǎn)量的影響

晏 軍 ，吳啟俠，朱建強(qiáng)*，張露萍

（1.長江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州434025；2.鹽城市新洋農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站，江蘇 鹽城224049；3.湖北省荊州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，湖北 荊州 434025）

0 引 言

水稻是我國的主要糧食作物，年種植面積達(dá)3 100萬hm2，水稻機(jī)械化生產(chǎn)是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)本增效和增加農(nóng)民收入的重要措施[1]。近年來，勞動(dòng)力短缺和大規(guī)模的農(nóng)業(yè)種植加快了我國水稻機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展[2-3]。江漢平原地區(qū)水土資源豐富，適宜機(jī)械化種植水稻，而普通機(jī)插稻存在秧苗小、機(jī)插植傷重、秧苗素質(zhì)弱、返青期時(shí)間長等問題[4-5]，生產(chǎn)中人們常通過增施氮肥來縮短機(jī)插稻緩苗期、促進(jìn)前期分蘗的發(fā)生，但氮肥施用量過多如遇降雨極易導(dǎo)致稻田養(yǎng)分流失等問題，因此，機(jī)插稻移栽后的配套水肥管理尤為重要。目前，前人就機(jī)插稻農(nóng)機(jī)與育苗技術(shù)[6-7]、播種期與播種量[8-9]、機(jī)插密度與基本苗數(shù)[10-11]、肥料運(yùn)籌[12-13]等開展了大量的研究，這些研究多集中在對(duì)水稻生長發(fā)育特征、產(chǎn)量及養(yǎng)分利用效率的影響上，針對(duì)灌排調(diào)控下不同施肥模式機(jī)插稻稻田水環(huán)境的研究較少。且由于區(qū)域氣候特征、農(nóng)藝措施和水肥管理模式的不同，不同地點(diǎn)的稻田水環(huán)境及產(chǎn)量響應(yīng)差異很大。江漢平原地區(qū)是我國水稻種植的主要區(qū)域，近年來，機(jī)插稻面積不斷增加，但該區(qū)域在水稻生長季期間瞬時(shí)暴雨與間歇性干旱多發(fā)，水稻生長受到營養(yǎng)和水分供應(yīng)不協(xié)調(diào)的限制，特別是對(duì)機(jī)插稻生長前期的影響較大。

為此，根據(jù)江漢平原地區(qū)降雨特點(diǎn)和機(jī)插稻的生長發(fā)育進(jìn)程，研究適雨灌溉條件下，不同施肥模式對(duì)機(jī)插稻稻田降雨利用效率、田面水氮、磷的質(zhì)量濃度的動(dòng)態(tài)變化與徑流流失量、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響，明確機(jī)插稻田適宜的水肥管理模式，為江漢平原地區(qū)機(jī)插水稻應(yīng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，機(jī)插稻提質(zhì)增效栽培技術(shù)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)點(diǎn)位于江漢平原長江大學(xué)農(nóng)業(yè)科技示范基地（30°21′N，112°09′E），屬北亞熱帶農(nóng)業(yè)氣候帶，年平均氣溫16.5 ℃，≥10 ℃積溫5 094.9～5 204.3 ℃，年平均降水量1 095 mm，年平均日照時(shí)間1 718 h。耕作層（0~20 cm）土壤基本性狀為：pH值7.6，全氮量2.12 g/kg，全磷量0.51 g/kg，堿解氮量82.5 mg/kg，速效磷量48.5 mg/kg，速效鉀量112.3 mg/kg。本試驗(yàn)的水稻田南北方向長44 m，東西方向長35 m，常年種植水稻，屬于典型的水稻田。供試品種為全兩優(yōu)681，屬中熟中秈兩系雜交稻，在湖北省作一季中稻栽培，全生育期140 d左右，株高122 cm左右，一般4月下旬至5月上旬大棚育苗，5月下旬至6月上旬機(jī)插移栽，8月上旬孕穗，9月中下旬成熟。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水稻生長期間采用適雨灌溉技術(shù)，其要點(diǎn)是干旱無雨期間，盡量降低田間水分下限（適度干旱脅迫），推后灌水時(shí)間，減少灌水次數(shù)；遇到降雨盡量利用降雨（雨量較大時(shí)適度受澇脅迫），在不降低水稻產(chǎn)量的前提下，最大程度的利用降雨資源，消減降雨及排峰值，減少灌溉水量[14]。

適雨灌溉灌排水管理具體措施為：水稻機(jī)插移栽后的20 d內(nèi)，所有的實(shí)驗(yàn)小區(qū)均維持5～15 mm淺水層（如遇降雨必須排水），秧苗返青后將稻田一次性灌溉至田面水深40～60 mm，待其自然落干（根據(jù)埋設(shè)的地下水位觀測管，視稻田土壤濕潤狀況和水稻生長而定），再次灌溉至40～60 mm，往復(fù)進(jìn)行，水稻揚(yáng)花期，維持 1周內(nèi)田面水深 30～50 mm，收獲前10 d自然落干。機(jī)插稻調(diào)節(jié)稻田蓄水深度如下，水稻返青期間如遇降雨稻田可蓄水至20 mm，分蘗期－拔節(jié)期間如遇降雨稻田可蓄水至80 mm，拔節(jié)期－成熟期間如遇降雨稻田可蓄水至100 mm，超過蓄水深度則進(jìn)行排水。

3種氮肥管理措施為：農(nóng)民習(xí)慣施肥（FFP）、70%金正大控釋摻混肥（70%CRF，70%為氮素比例，釋放周期為70 d）+30%尿素（30%N）和有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥（OIF）。農(nóng)民習(xí)慣施肥中70%氮肥為普通復(fù)合肥，基肥施入，30%氮肥為尿素，分蘗期施入。控釋摻混肥中 70%氮肥為控釋摻混肥，30%氮肥為尿素（N-46%），基肥施入；有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥中75%氮肥為有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥，基肥施入，25%氮肥為尿素，分蘗期施入。習(xí)慣施肥、控釋摻混肥和有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥施肥中磷肥和鉀肥不足部分用過磷酸鈣（P2O5-12%）和氯化鉀（K2O-60%）補(bǔ)充，全部基施，施肥時(shí)間結(jié)合水稻生育期與灌溉或降雨時(shí)機(jī)進(jìn)行。普通復(fù)合肥由湖北中化東方肥料有限公司提供，其含養(yǎng)分量為：N-18%，P2O5-8%，K2O-15%；控釋摻混肥由金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司提供，其含養(yǎng)分量為：N-28%（包膜），P2O5-5%，K2O-9%，有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥由湖北中化東方肥料有限公司提供，其總養(yǎng)分為N-18%，P2O5-10%，K2O-12%，有機(jī)質(zhì)OM≥15%。具體施肥方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)處理施肥量Table 1 Fertilization scheme of experiment kg/hm2

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共設(shè)3個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。依照本試驗(yàn)田大小將稻田沿東西向劃分為9個(gè)25 m×4 m的規(guī)整小區(qū)，四周設(shè)置寬1 m的保護(hù)行，小區(qū)四周用高60 cm、寬30 cm防滲水泥墻隔開，田面表土層上下各30 cm，防止試驗(yàn)過程中小區(qū)間串水。3種氮肥處理隨機(jī)排布，稻田東邊田埂設(shè)有灌水管道，西邊外側(cè)設(shè)有排水渠。每個(gè)小區(qū)單獨(dú)灌排，進(jìn)水管接裝小型計(jì)量水表，排水管末端接徑流收集桶。本試驗(yàn)于2017年5月6日大棚育苗，6月7日移栽，機(jī)插種植間距為25 cm×30 cm，移栽后第15 d施分蘗肥，9月25日收獲。

1.2.2 測定項(xiàng)目與分析方法

試驗(yàn)期內(nèi)的降雨氣象數(shù)據(jù)來源于荊州區(qū)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，農(nóng)田灌水量通過水表測量，降雨過后，按照水稻不同生育期及上述的水管理方法進(jìn)行排水，地表排水量（徑流量）采用水位差法，通過水尺定點(diǎn)觀測排水前后田間水層深度差。

各小區(qū)徑流通過帶蓋溢流桶收集，若徑流量較大則分雨中和雨后 2次采樣?？偟═N）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894—89）；氨氮（NH4+-N）采用納氏試劑紫外分光光度法（本法與GB7479—87等效）；總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法[15]。

分別于水稻的返青期、分蘗期、齊穗期和成熟期進(jìn)行田間取樣，每小區(qū)隨機(jī)選取3株具有代表性的水稻植株，地上部分全部帶回實(shí)驗(yàn)室，去除地下部后按莖、葉、穗分裝，經(jīng)105 ℃殺青、80 ℃烘干、稱量。各小區(qū)實(shí)收3 m2測產(chǎn)，分別在離小區(qū)進(jìn)水口的5、15、20 m處各收1 m2。各生育期干物質(zhì)積累量為莖、葉、穗干物質(zhì)量之和。

1.3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用DPS 15.10進(jìn)行方差分析，LSD法進(jìn)行處理間的多重比較，利用Excel 2016作圖。相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法如下：

降雨期間，忽略不計(jì)其地下深層滲漏（地下水位較高[16]）和植物截留（多年平均值在0.2%左右[17]），降雨利用率Y按式（1）計(jì)算：

式中：RT為農(nóng)田某時(shí)段的降雨總量（mm）；Rt為農(nóng)田某時(shí)段的徑流量（mm）。

氮、磷流失量P按式（2）計(jì)算：

式中：Ci為第i次徑流水中氮（或磷）的質(zhì)量濃度（mg/L）；Vi為第i次徑流水的體積（L）。

2 結(jié)果與分析

2.1 田間降雨量、徑流量與灌溉量

機(jī)插稻移栽后適雨灌溉下的降雨量、灌溉量與稻田徑流量如圖1所示。水稻移栽后110 d內(nèi)累積降雨量為492.3 mm，日降雨量最大為83.6 mm（6月9日，第2 天），各處理田間灌溉6次，灌溉量為325.2 mm，總用水量為931.9 mm，徑流量為114.4 mm（返青期產(chǎn)生69.0 mm，灌漿成熟期產(chǎn)生47.4 mm）。返青期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期和灌漿成熟期的降雨量分別為134.3、57.1、36.7和264.2 mm，其降雨利用率分別為 17.5%、100%、100%和 84.2%，表明返青期是稻田排水管理的關(guān)鍵時(shí)期。

圖1 適雨灌溉下的降雨量、徑流量與灌溉量Fig.1 The amount of rainfall, runoff and irrigation under irrigation adjusted by rainfall

2.2 田面水氮素、磷素質(zhì)量濃度的動(dòng)態(tài)變化

適雨灌溉下，水稻移栽后不同施肥模式對(duì)機(jī)插水稻稻田田面水氮素（TN和NH4+-N）和磷素（TP）質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化的影響如圖2所示。FFP處理水稻生育期內(nèi)田面水TN、NH4+-N和TP平均質(zhì)量濃度分別為12.00、7.35和0.42 mg/L，70%CRF+30%N和OIF處理相較FFP處理分別降低33.0%、44.8%、5.7%和16.4%、17.1%、-17.6%，表明 70%CRF+30%N能有效降低水稻各生育期稻田田面水氮素質(zhì)量濃度?；屎头痔Y肥施用過后，F(xiàn)FP、70%CRF+30%N和OIF處理田面水TN、NH4+-N和TP質(zhì)量濃度迅速提高，在第 1天就達(dá)到峰值，之后隨著時(shí)間急劇下降。70%CRF+30%N處理田面水TN、NH4+-N和TP質(zhì)量濃度在水稻移栽后30 d內(nèi)的平均質(zhì)量濃度為11.45、6.42和0.49 mg/L，較FFP處理分別降低40.4%、47.4%和0.5%，較OIF處理分別降低19.3%、20.3%和28.5%，因機(jī)插稻移栽后30 d內(nèi)田間施肥量較大，秧苗小、田間蓄水能力低，如遇降雨徑流，70%CRF+30%N處理可明顯減少氮素的輸出，有效降低其流失量。

2.3 不同生育期稻田不同形態(tài)氮、磷素徑流流失量

不同施肥模式對(duì)機(jī)插稻各生育期稻田氮、磷素徑流流失量及總流失量的影響如表2所示。適雨灌溉方式下，稻田氮、磷徑流流失量的 90%左右在返青期，10%左右在灌漿成熟期，江漢平原的梅雨季節(jié)正處于中稻的返青分蘗期—拔節(jié)孕穗期，降雨期間稻田徑流量較大，而此時(shí)稻田的施肥量較大，田面水氮素和磷素的質(zhì)量濃度高，因此返青期如遇降雨易造成稻田氮、磷流失。FFP處理全生育期稻田TN、NH4+-N和TP徑流流失量平均分別為 6.72、4.11、0.52 kg/hm2，70%CRF+30%N和OIF處理相較FFP處理分別降低31.4%、30.9%、1.9%和20.1%、14.8%、11.5%，表明70%CRF+30%N能有效降低機(jī)插稻稻田氮素?fù)p失。各處理間方差分析表明，適雨灌溉方式下70%CRF+30%N處理TN和NH4+-N徑流總流失量均低于FFP和OIF處理，相較FFP處理達(dá)到顯著水平，但TP徑流總流失量在3種施肥處理之間差異不顯著，表明水稻生長前期氮肥控釋，可有效降低氮素流失，但是對(duì)磷素流失的影響較小。

圖2 不同施肥模式下稻田田面水氮素（TN和NH4+-N）和磷素（TP）質(zhì)量濃度的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of TN, NH4+-N and TP mass concentration in paddy fields surface water under different fertilization modes

表2 不同施肥模式下稻田氮素（TN和NH4+-N）和磷素（TP）徑流流失量Table 2 Runoff loss of TN, NH4+-N and TP in paddy fields under different fertilization modes kg/hm2

2.4 不同生育期水稻地上部干物質(zhì)積累量及實(shí)際產(chǎn)量

適雨灌溉下，不同施肥模式對(duì)機(jī)插稻不同生育時(shí)期地上部干物質(zhì)積累量及實(shí)際產(chǎn)量影響見表 3。70%CRF+30%N處理在返青期干物質(zhì)積累量低于FFP和OIF處理31.8%和30.2%，達(dá)到顯著水平，在分蘗期和齊穗期3個(gè)處理間無顯著差異，但是在成熟期 OIF處理干物質(zhì)積累量高于 70%CRF+30%N和FFP處理11.9%和和15.9%，達(dá)到顯著水平。從干物質(zhì)積累量占總積累量的比例來看，移栽—返青期階段表現(xiàn)為FFP處理＞OIF處理＞70%CRF+30%N處理，表明單用緩釋氮肥可能無法滿足作物生長初期對(duì)氮素的需求；在齊穗期—成熟期表現(xiàn)為 OIF處理＞70%CRF+30%N處理＞FFP處理，其實(shí)際產(chǎn)量表現(xiàn)為OIF處理＞70%CRF+30%N處理＞FFP處理，OIF處理實(shí)際產(chǎn)量高于70%CRF+30%N和FFP處理3.8%和6.7%，但是各處理間無顯著差異，表明有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥處理有利于中后期生育階段干物質(zhì)積累量的增加和產(chǎn)量的提升。

表3 不同施肥模式對(duì)水稻不同生育期地上部干物質(zhì)積累量影響Table 3 Effects of different fertilization patterns on dry matter accumulation in different growth stages of rice kg/hm2

3 討 論

水分是制約作物生長及產(chǎn)量的重要因素之一，水稻適雨灌溉將田間水分轉(zhuǎn)化利用作為一個(gè)系統(tǒng)來考慮，立足農(nóng)業(yè)灌溉與降雨相協(xié)調(diào)的灌溉理念，有利于提高雨水資源利用率。本研究中返青期和灌漿成熟期的降雨利用率分別為17.5%和84.2%，主要原因是機(jī)插稻返青期期間秧苗小、素質(zhì)弱，田間蓄水能力差，所以導(dǎo)致降雨利用率很低，但需要強(qiáng)調(diào)的是，降雨利用率的高低與各時(shí)期降雨量的大小密切相關(guān)。

不同的水分管理方式對(duì)稻田系統(tǒng)水分的輸入和輸出均有顯著影響，而降雨和施肥是影響氮磷素徑流輸出的主要因子，徑流中氮磷素質(zhì)量濃度的大小與降雨強(qiáng)度關(guān)系很密切[18]。本研究表明，基肥和分蘗肥施用過后，F(xiàn)FP、70%CRF+30%N和OIF處理田面水TN、NH4+-N和TP質(zhì)量濃度迅速提高，在第1天就達(dá)到峰值，之后隨著時(shí)間急劇下降，這與葉玉適等[19]研究結(jié)果相一致。本研究明確了機(jī)插稻田氮磷徑流流失量的90%左右在返青期，10%左右徑流流失量在灌漿成熟期，主要原因是返青期期間降雨量大，而田間蓄水能力小?？蒯尫示哂星捌陴B(yǎng)分釋放不致過多，后期不致太少的特點(diǎn)[20-21]，從而顯著降低田面水氮素質(zhì)量濃度及其徑流流失風(fēng)險(xiǎn)，本研究中70%CRF+30%N處理稻田TN和NH4+-N在水稻移栽后30 d內(nèi)田面水平均質(zhì)量濃度和徑流損失量較FFP處理均降低30%以上，表明在降雨量相同時(shí)，各生育階段施肥量和降雨量的不同是導(dǎo)致稻田徑流水中氮磷質(zhì)量濃度差異的另一個(gè)重要原因。

相關(guān)研究表明，與普通尿素相比，氮肥控釋能顯著提高水稻籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率[22]，本研究表明，70%CRF+30%N處理在返青期干物質(zhì)積累量顯著低于FFP和OIF處理，移栽—返青期階段干物質(zhì)積累量占總積累量比例表現(xiàn)為 FFP處理＞OIF處理＞70%CRF+30%N處理，說明盡管控釋氮肥比常規(guī)氮肥具有更長的使用壽命，但單用緩釋氮肥可能無法滿足作物生長初期對(duì)氮素的需求。Miao等[23]研究表明，控釋氮肥（硫包尿素）不能滿足生長中后期對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的需求，因?yàn)樗鼈冊谏L初期釋放出更多的營養(yǎng)物質(zhì)，本研究中控釋摻混肥與分蘗期尿素聯(lián)合施用可以有效提高機(jī)插稻干物質(zhì)量積累和產(chǎn)量。有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)量高，養(yǎng)分全面，肥力持久穩(wěn)定，能有效提高土壤碳庫水平、促進(jìn)作物生長發(fā)育，有利于氮素利用率的提高和產(chǎn)量的增加[24-26]，本研究表明，成熟期OIF處理干物質(zhì)積累量顯著高于70%CRF+30%N和FFP處理，其實(shí)際產(chǎn)量表現(xiàn)為OIF處理最高，針對(duì)土壤供氮水平和水稻養(yǎng)分利用效率還需進(jìn)一步研究，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

4 結(jié) 論

適雨灌溉條件下，返青期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期和灌漿成熟期的降雨利用率分別為 17.5%、100%、100%和84.2%；基肥和分蘗肥施用過后，F(xiàn)FP、70%CRF+30%N和OIF處理田面水TN、NH4+-N和TP質(zhì)量濃度迅速提高，在第1天就達(dá)到峰值，70%CRF+30%N處理田面水TN、NH4+-N和TP質(zhì)量濃度在水稻移栽后30 d內(nèi)的平均質(zhì)量濃度較FFP處理分別降低40.4%、47.4%和0.5%；稻田氮磷徑流流失量的90%左右在返青期，10%左右徑流流失量在灌漿成熟期，70%CRF+30%N處理TN、NH4+-N和TP徑流流失量較FFP處理分別降低31.4%、30.9%、1.9%；70%CRF+30%N處理在返青期干物質(zhì)積累量顯著低于FFP和OIF處理，移栽－返青期階段干物質(zhì)積累量占總積累量比例表現(xiàn)為 FFP處理＞OIF處理＞70%CRF+30%N處理，成熟期OIF處理干物質(zhì)積累量顯著高于70%CRF+30%N和FFP處理，其實(shí)際產(chǎn)量表現(xiàn)為OIF處理＞70%CRF+30%N處理＞FFP處理。綜上，70%CRF+30%N處理有助于減少機(jī)插稻田氮、磷流失，OIF處理有助于機(jī)插稻干物質(zhì)積累與產(chǎn)量增加。