寒地高緯度區(qū)水稻水氮耦合效應(yīng)試驗研究

王 柏,黃 彥,孫艷玲,于艷梅

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著黑龍江省社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水稻灌區(qū)水資源短缺加劇、供需矛盾突出、地下水超采等“瓶頸”問題愈加凸顯。黑龍江省水稻北擴(kuò)戰(zhàn)略是北部地區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要組成部分，主要以我國黑龍江省北部邊陲黑河市為主體，以及大興安嶺全部、伊春以及內(nèi)蒙古最北部的地區(qū)[1-3],特別是黑河地區(qū)適宜水稻生長的時間僅105～120 d被稱為高緯高寒稻作區(qū)[4]。水稻控制灌溉技術(shù)可在現(xiàn)有灌溉制度的基礎(chǔ)上再節(jié)水30%～40%，要優(yōu)先在井灌區(qū)、水庫灌區(qū)和提水灌區(qū)推廣[5]。張恩江等[6]利用黑龍江省湯旺河灌區(qū)5 a的試驗資料，分析得出適宜控制灌溉模式可使水稻產(chǎn)量、水分利用效率比常規(guī)淹灌模式分別提高6.2%和64.2%。黃彥等[7]提出灌水上限小于30 mm 水層、下限為土壤飽和含水率的60%～90%的淺濕干循環(huán)交替灌溉模式比充分灌溉模式產(chǎn)量提高13.06%，水分生產(chǎn)效率提高21.14%。李愛傳等[8]、聶曉等[9]、董淑喜等[10]、楊士紅等[11]也開展的相關(guān)研究，較為一致的結(jié)論是認(rèn)為節(jié)水控制灌溉可獲得高的水分利用效率，使水稻在增產(chǎn)的同時減少灌溉水量和耗水量。

本文結(jié)合黑龍江省北部地區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和水田灌溉布局優(yōu)化調(diào)整對水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的實際需求，以提高灌溉水分利用效率與水稻產(chǎn)量為核心，研究與制定寒地高緯度區(qū)水稻全生育期節(jié)水型控制灌溉制度以及配套施肥管理技術(shù)措施，為寒地高緯度區(qū)水稻節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.1.1 基本情況

本次試驗地點位于黑河市愛輝區(qū)國家級水稻灌溉試驗站，試驗站位于東經(jīng)127°23′01″，北緯49°59′13″，距離黑河市區(qū)40 km。試驗站由核心區(qū)、示范區(qū)和輻射推廣區(qū)構(gòu)成，其中核心區(qū)占地1.8 hm2，包括生活辦公區(qū)和試驗區(qū)，試驗區(qū)由標(biāo)準(zhǔn)化格田、催芽車間、育秧大棚、蒸滲儀系統(tǒng)、測坑、標(biāo)準(zhǔn)氣象場組成。

1.1.2 氣象水文條件

黑河市愛輝區(qū)屬于寒溫帶大陸性氣候，春季干旱風(fēng)大少雨，夏季短暫酷熱，秋季涼爽早霜。多年平均氣溫-0.1 ℃，最高氣溫37.3 ℃，最低氣溫-44.5 ℃，積溫年季變化大；多年平均無霜期125 d，日照時數(shù)2655 h，有效積溫1900 ℃、最大凍深2.33 m，平均地溫2.5 ℃，年均風(fēng)速4.5 m/s；多年平均降水量為520 mm，多年平均蒸發(fā)量為601～750 mm，春季為100～156 mm，占全年的20%～30%。降水時空分布不均，7—9月降水量占全年的70%。

1.1.3 土壤物理性狀

項目區(qū)土壤容重：0～10 cm為1.32 g/cm3、10～20 cm為1.34 g/cm3、20～30 cm為1.42 g/cm3、30～40 cm為1.33 g/cm3、40～50 cm 為1.36 g/cm3；項目區(qū)土壤質(zhì)量飽和含水率：0～10 cm為38.23%、10～20 cm為37.22%、20～30 cm為31.07%、30～40 cm為35.94%、40～50 cm為34.13%。

1.2 試驗設(shè)計

供試水稻品種為龍粳47、種植密度為每穴30 cm×12 cm。試驗采用田間對比試驗，設(shè)3種灌水處理：灌溉模式Ⅰ、灌溉模式Ⅱ、灌溉模式Ⅲ；灌溉模式Ⅰ采用9種不同施肥管理方案(3因素、3水平正交試驗方案)與第10種施肥方案(見表2)，灌溉模式Ⅱ、灌溉模式Ⅲ采用不同施肥管理方案；試驗共設(shè)置12個水肥耦合處理，每個處理2次重復(fù)，共計24個試驗小區(qū)，小區(qū)的面積均為100 m2(10 m×10 m)。采用單灌單排灌排管理方式：灌溉水量采用水表計量方式；各試驗小區(qū)之間采用土埂或隔板進(jìn)行隔水處理。施肥方案：基肥磷酸二銨100 kg/hm2，硫酸鉀60 kg/hm2；返青肥硫酸銨50 kg/hm2；與分蘗肥硫酸鉀60 kg/hm2。每個生育期施肥后，取0～20 cm表土充分混合后測定土壤速效氮含量。

表1 灌溉模式設(shè)計

表2 水肥耦合試驗方案 kg·hm-2

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理對株高的影響

如圖1給出了不同水氮耦合處理株高變化規(guī)律，不同水氮耦合處理株高整體變化趨勢相似，各處理株高從返青期到拔節(jié)孕穗期快速增長，拔節(jié)孕穗期到抽穗開花期株高增長緩慢，不同水氮耦合處理株高之間差異較小，表明水氮耦合作用對株高影響不顯著。

圖1 不同水氮耦合處理

2.2 不同灌水處理對分蘗數(shù)的影響

如圖2給出了不同水氮耦合處理分蘗數(shù)變化規(guī)律，各水氮耦合處理的分蘗數(shù)從分蘗初期開始增加到7月8日左右的分蘗末期分蘗數(shù)趨于穩(wěn)定；各水氮處理Ⅰ-4、Ⅰ-6、Ⅰ-8、Ⅰ-9、Ⅲ-12分蘗末期的分蘗數(shù)大于19.0；在所有試驗處理中，處理Ⅰ-6的分蘗數(shù)最大為20.9，可見常規(guī)淹灌和節(jié)水控制灌溉的分蘗數(shù)差異較小。

圖2 不同水氮耦合處理分蘗數(shù)的變化規(guī)律

2.3 不同灌水處理對干物質(zhì)質(zhì)量的影響

如圖3給出了不同水氮耦合處理干物質(zhì)質(zhì)量變化規(guī)律，不同水氮耦合處理干物質(zhì)質(zhì)量整體變化趨勢相似，各處理干物質(zhì)質(zhì)量從返青期到拔節(jié)孕穗期快速增長，拔節(jié)孕穗期到抽穗開花期干物質(zhì)質(zhì)量增長緩慢，不同水氮耦合處理株高之間差異較大，處理Ⅰ-6和Ⅰ-7產(chǎn)量最大，Ⅰ-6比Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-8、Ⅰ-9、Ⅰ-10、Ⅱ-11、Ⅲ-12的干物質(zhì)質(zhì)量分別高27.3%、22.5%、20.2%、23.6%、23.2%、13.6%、14.7%、37.2%、30.2%和5.5%。

圖3 不同水氮耦合處理干物質(zhì)質(zhì)量的變化規(guī)律

試驗結(jié)果表明節(jié)水控制灌溉條件下處理Ⅰ-6施基肥80 kg/hm2、返青肥0 kg/hm2、分蘗肥80 kg/hm2，處理Ⅰ-7施基肥120 kg/hm2、返青肥40 kg/hm2、分蘗肥80 kg/hm2可以獲得較高的干物質(zhì)質(zhì)量。常規(guī)淹灌處理Ⅲ-12的干物質(zhì)質(zhì)量小于Ⅰ-6和Ⅰ-7，大于其他水氮耦合處理。

2.4 不同水氮耦合處理對水稻產(chǎn)量的影響

基肥施尿素40 kg/hm2的3個處理Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3的產(chǎn)量均值為7575 kg/hm2；基肥施尿素80 kg/hm2的3個處理Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-6的產(chǎn)量均值為7740 kg/hm2；基肥施尿素120 kg/hm2的3個處理Ⅰ-7、Ⅰ-8、Ⅰ-9的產(chǎn)量均值為7485 kg/hm2；處理Ⅰ-10基肥施尿素160 kg/hm2、返青期和分蘗期不追氮肥處理產(chǎn)量是7620 kg/hm2，表明在返青期和分蘗期不同施氮條件下，隨著基肥施氮量的增加，產(chǎn)量先增加后減小，基肥施氮量過大不利于提高水稻產(chǎn)量。

如圖4給出不同水氮耦合處理產(chǎn)量的變化規(guī)律。在基肥施尿素40 kg/hm2條件下，Ⅰ-1、Ⅰ-2和Ⅰ-3返青期和分蘗期分別追尿素40 kg/hm2和40 kg/hm2、80 kg/hm2和80 kg/hm2、0 kg/hm2和0 kg/hm2，產(chǎn)量從大到小順序是Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-1，處理Ⅰ-2產(chǎn)量比Ⅰ-1和Ⅰ-3分別提高了5.1%和2.7%。

圖4 不同水氮耦合處理產(chǎn)量的變化規(guī)律

在基肥施尿素80 kg/hm2條件下，Ⅰ-4、Ⅰ-5和Ⅰ-6返青期和分蘗期分別追尿素80 kg/hm2和40 kg/hm2、40 kg/hm2和0 kg/hm2、0 kg/hm2和80 kg/hm2，產(chǎn)量從大到小順序是Ⅰ-6、Ⅰ-4、Ⅰ-5，處理Ⅰ-6產(chǎn)量比Ⅰ-4和Ⅰ-5分別提高了1.3%和7.1%。基肥尿素施用中等水平時，分蘗期不追氮肥對產(chǎn)量有不利影響；返青期不施氮肥、分蘗期施中等水平氮肥和返青期施中等水平氮肥、分蘗期施低水平氮肥均獲得了較高的產(chǎn)量。

在基肥施尿素120 kg/hm2條件下，處理Ⅰ-7、Ⅰ-8和Ⅰ-9返青期和分蘗期分別追尿素40 kg/hm2和80 kg/hm2、80 kg/hm2和0 kg/hm2、0 kg/hm2和40 kg/hm2，產(chǎn)量從大到小順序是Ⅰ-7、Ⅰ-8、Ⅰ-9，處理Ⅰ-7產(chǎn)量比Ⅰ-8和Ⅰ-9分別提高了0.8%和5.1%，Ⅰ-7、Ⅰ-8和Ⅰ-9之間的差值較小，返青期施低水平氮肥、分蘗期施中等水平氮肥和返青期施中等水平氮肥、分蘗期不施氮肥均獲得了較高的產(chǎn)量。

2.5 產(chǎn)量模型的建立與檢驗

考慮增加樣本容量，選取各水氮耦合試驗處理的產(chǎn)量值作為目標(biāo)函數(shù)，通過逐步回歸分析，建立α=0.05極顯著水平的回歸方程，用SPSS建立回歸方程式。Y為兩次重復(fù)下的水稻產(chǎn)量，X1是基肥施氮水平編碼，X2是返青期施氮水平編碼，X3是分蘗期施氮水平編碼。

Y=-9.71X1+8.75X2+22.10X3+

21.58X1X2-0.26X1X3-2.19X2X3+508.81

回歸方程相關(guān)系數(shù)R2=0.75，表明方程擬合度較高?；貧w進(jìn)行方差分析結(jié)果見表3。

表3 回歸模型方差分析

回歸方程顯著性檢驗結(jié)果表明：回歸平方和為5896.09，殘差平方和為1950.35，總平方和為7846.44，對應(yīng)的自由度分別為6、11、17，回歸均方差982.68，殘差均方177.30，回歸方程的顯著性檢驗統(tǒng)計量F=5.542，檢驗P=0.007，顯著性水平小于0.05，可以認(rèn)為所建立的回歸方程有效。

通過Matlab軟件分析，采用頻率分析法對試驗所得的數(shù)學(xué)模型尋優(yōu)，將編碼制在試驗范圍內(nèi)劃分出(-1、-0.5、0、0.5、1)5個水平，總共可構(gòu)成125個處理組合。選定水稻目標(biāo)產(chǎn)量為7800 kg/hm2進(jìn)行頻率分析，得到水稻基肥、返青肥和分蘗肥模擬方程尋優(yōu)結(jié)果，見表4。水稻不同生育期不同水氮調(diào)控閾值的合理組合搭配能夠提高作物產(chǎn)量。通過表4可以看出，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量為7800 kg/hm2以上時，在95%的置信區(qū)間，優(yōu)化水氮耦合灌溉組合為基肥施氮量尿素48～84 kg/hm2、返青肥施氮量尿素38～55 kg/hm2、分蘗肥施氮量尿素64～72 kg/hm2。應(yīng)用水稻節(jié)水節(jié)肥綜合灌溉技術(shù)模式，優(yōu)化得出在相同產(chǎn)量條件下，化肥施用量可減少24.6%～46.4%。

表4 優(yōu)化方案中各變量取值的頻率分布

3 結(jié) 論

本文確定了水稻適宜施氮時期和施氮量，提出了水稻全生育期水肥耦合優(yōu)化灌溉皆強(qiáng)模式，不同水氮耦合試驗處理對水稻株高的影響差異較小，基肥中水平、高水平的水氮耦合試驗處理的分蘗數(shù)較高，基肥中水平、高水平的水氮耦合試驗處理的干物質(zhì)質(zhì)量較高。

建立了節(jié)水控制灌溉模式下適宜水氮耦合灌溉管理制度，施用基肥、返青肥和分蘗肥，3次施肥總量為420～480 kg/hm2；寒地高緯度地區(qū)水稻生長前期、即營養(yǎng)生長期短，返青肥和分蘗肥要早施；水稻生長后期、即生殖生長期不宜氮肥，拔節(jié)孕穗期或抽穗開花施用氮肥或者氮肥過多，會導(dǎo)致水稻生長后期發(fā)生貪青、收獲時水稻空粒比例較大。