不同灌溉施肥時機(jī)對稻田肥料分布和水稻生長的影響

劉德利，吳文勇，肖 娟，牛曉宇

（1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原030000；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100048）

0 引言

【研究意義】中國是世界上水稻種植的主要國家之一，其栽種技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平[1]。隨著水稻種植技術(shù)的提高，肥料資源的大量投入也給環(huán)境帶來極大的風(fēng)險[2]。過量使用氮肥會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、大量溫室氣體排放以及地下水污染[3]。因此，合理的施肥方式對提高肥料利用率和環(huán)境保護(hù)具有重要意義[4]?！狙芯窟M(jìn)展】與旱田灌溉施肥方式不同，水田生育期內(nèi)有田面水層，不同灌溉和施肥方式對稻田水氮分布有很大影響[5-6]。多年來眾多學(xué)者對如何科學(xué)合理地管理稻田水肥以提高水肥利用效率進(jìn)行了廣泛的研究。徐國偉等[7]、許怡等[8]、林彥宇等[9]研究不同水氮耦合對水稻生長的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)乃置{迫有助于水稻的生長，少量的施肥量可獲得最佳的氮肥農(nóng)學(xué)利用率；張作合等[10]、張忠學(xué)等[11]應(yīng)用15N示蹤技術(shù)研究不同灌溉水平下的水稻對氮肥的吸收，得出合理的水肥運(yùn)籌能顯著提高水稻植株對氮素的吸收與產(chǎn)量。漆棟良等[12]研究不同水肥管理對氮磷流失與產(chǎn)量的影響，結(jié)果獲得既減少肥料流失又保證產(chǎn)量的水肥管理方式?！厩腥朦c(diǎn)】前人圍繞水氮耦合對水稻生長進(jìn)行了深入研究，但大多數(shù)集中在水量和肥量對水稻生長的影響，施肥方式依然采用傳統(tǒng)的撒施方式[13-14]，Santos 等[15]和Dillion 等[16]最先研究將肥料預(yù)先充分溶解并與灌溉水充分混合的液體施肥方式對水氮運(yùn)移及肥料利用率的影響，并進(jìn)行推廣應(yīng)用。梁艷萍等[17]、白美健等[18]研究不同畦灌水肥耦合方式對灌水及施肥均勻度的影響，得出最優(yōu)施肥均勻度的水肥管理方式。不同施肥方式會對肥料分布狀況產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到水稻植株的生長[19]。國內(nèi)外學(xué)者從灌水方式、肥料施用量、比例等方面對水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量、根系形態(tài)、水分及輻射利用率等方面進(jìn)行廣泛而深入的研究[22-25]。但大多數(shù)集中在水量與肥量對水稻生長的影響，而對于水肥耦合下肥料在田間的分布狀態(tài)對水稻生長的影響研究較少。

【擬解決的關(guān)鍵問題】因此，本試驗(yàn)采用將氮肥預(yù)先充分溶解并與灌溉水混合后進(jìn)行液施的方式，研究不同時機(jī)施用液體肥料與傳統(tǒng)撒施方式相比對稻田肥料分布均勻性以及水稻農(nóng)藝性狀的影響，旨在為稻田水肥管理和生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)地位于黑龍江省綏化市慶安縣，地處東經(jīng)127°39′37″，北緯46°58′1″，屬寒溫帶大陸性氣候，多年平均降雨量608 mm，降雨量年內(nèi)分布不均，主要集中在6—9月。多年平均水面蒸發(fā)量1 285.6 mm。年日照時間為2 600～2 800 h，無霜期時間128 d，全年大于10 ℃的有效積溫2 518 ℃，可以滿足1年1季的水稻生長。該地區(qū)土壤為黑土，土壤有機(jī)質(zhì)量29 g/kg，pH 值6.0，有效氮量173.6 mg/kg，有效磷量62 mg/kg，速效鉀量108 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年開展，試驗(yàn)地面積3.6 hm2，試驗(yàn)小區(qū)面積50 m×60 m=300 m2。根據(jù)當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)整個生育期稻田施用尿素240 kg/hm2，按基肥、蘗肥、穗肥質(zhì)量比為5∶3∶2 施入。磷肥采用45 kg/hm2P2O5作為基肥施入，鉀肥使用80 kg/hm2K2O 于移栽前和孕穗期分2 次施用且施用量比例為1∶1?；什捎棉r(nóng)機(jī)施灑并翻入土壤，本次試驗(yàn)于第2 次追肥時進(jìn)行，田間一次灌水時長為6 h，且施肥時間為2 h。追肥試驗(yàn)以施肥時機(jī)為變量設(shè)1 組對照、3 組施肥處理（表1），分別為撒施（CK）、灌水0～2 h 灌液體肥（T1）、灌水2～4 h 灌液體肥（T2）和灌水4～6 h 灌液體肥料（T3），每個處理進(jìn)行3 次重復(fù)。液體肥料溶解于肥料罐中并使用水泵在灌溉時將肥料與灌溉水充分混合后施入田塊。灌溉方式采用常規(guī)淹溉，田面無水層即進(jìn)行灌溉，返青期田間水層控制在30 mm 以內(nèi)，除分蘗末期與黃熟期不保留水層外，其他生育期控制田面水層在50 mm 以內(nèi)，試驗(yàn)選用當(dāng)?shù)氐乃酒贩N綏粳18，其為黑龍江全省水稻主要品種，具有適應(yīng)性強(qiáng)，抗倒伏，既高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)。于5月17日進(jìn)行插秧，株距16 cm，行距30 cm，每穴3 株，9月28日收獲。其他田間管理與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental treatment design

1.3 試驗(yàn)觀測項(xiàng)目

1.3.1 田間水樣氨態(tài)氮、硝態(tài)氮量測定

在進(jìn)行灌水施肥后，為避免擾動水層，每日采用離心泵采集田面水層水樣，每個處理均勻選取3×5=15 個取樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，樣品儲存于4 ℃冰箱中。采用AA3 連續(xù)流動分析儀（Seal Analytical GmbH）測定樣品氨態(tài)氮、硝態(tài)氮量。

1.3.2 水稻株高及分蘗

每個生育期選擇各處理3 株長勢均勻的水稻進(jìn)行定點(diǎn)觀測。用卷尺測量植株高度，孕穗前為植株根部至最高葉尖的高度，孕穗后為根部至最高穗頂?shù)母叨?。測定完株高后計(jì)算每穴植株分蘗數(shù)。

1.3.3 水稻地上干物質(zhì)量

每個生育期取每個處理生長均勻的植株3 穴，沖洗干凈后帶回實(shí)驗(yàn)室，將植株裝袋，經(jīng)烘箱105 ℃殺青30 min，再經(jīng)80 ℃干燥至恒定質(zhì)量，測定植株的干物質(zhì)量。

1.3.4 不同施肥模式性能評價

目前國內(nèi)外評價灌溉施肥性能的指標(biāo)是針對肥料溶于水后直接形成不同形態(tài)氮素的化肥建立的[19]，尿素溶于水施入到田間后會水解成氨態(tài)氮，氨態(tài)氮進(jìn)一步氧化還原產(chǎn)生硝態(tài)氮，本文采用施肥均勻度DUNQ（%）來反映施肥后氮素在田間分布的均勻程度，計(jì)算式[20]為：

式中：為整個田面水層中氮素平均質(zhì)量濃度（mg/L）；為整個田塊氮素量具有最低值的1/2部分的平均質(zhì)量濃度（mg/L），其計(jì)算方法為田間取樣點(diǎn)測量的氮素量按從大到小順序排列，取后1/2 部分計(jì)算平均值。

1.3.5 水分利用效率

水分利用效率公式為：

式中：WUE為水分利用效率（kg/m3）；Y為產(chǎn)量（kg/hm2）；IRR為灌溉用水量（m3/hm2）。

1.3.6 產(chǎn)量及穗部性狀考察

乳熟期各處理取5 穴用于考種，考察單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量。取2 m2實(shí)收計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 20.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、使用Excel 制作圖表、使用ArcGIS 進(jìn)行空間克里金差值分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉施肥時機(jī)對氨態(tài)氮、硝態(tài)氮分布的影響

施肥后不同處理氨態(tài)氮、硝態(tài)氮量分布情況如圖1 所示，表2 為施肥后各處理氨態(tài)氮、硝態(tài)氮均值變化。由圖1 可看出，CK 在施肥后第3 天田間氨態(tài)氮、硝態(tài)氮量達(dá)到峰值，其平均值分別為12.60 mg/L 和0.15 mg/L，而其他處理均是施肥第1 天氨態(tài)氮、硝態(tài)氮量最高，其中T1 處理平均值分別為12.55 mg/L 和0.14 mg/L，T2 處理平均值分別為12.65 mg/L 和0.16 mg/L，T3 處理平均值分別為10.01 mg/L 和0.12 mg/L，其原因是傳統(tǒng)撒施方式固體肥料在田間存在溶解的過程而水肥耦合方式已事先將肥料溶解。由表3 的施肥均勻性評價結(jié)果可知，施肥后前3 天T1、T3 處理與CK 施肥均勻性總體差異不大（p＞0.05），第4 天之后T1、T3 處理施肥均勻性明顯優(yōu)于其他處理（p＜0.05），較CK 高5.63%～21.65%，而T2 處理均勻性始終最差，由此可見，就田間肥料分布而言采用灌水0～2 h 液施（T1）的方式有助于形成較佳的氨態(tài)氮及硝態(tài)氮空間分布狀態(tài)。

隨著時間的推移各處理氨態(tài)氮及硝態(tài)氮量逐漸下降，而到第7 天各處理氨態(tài)氮及硝態(tài)氮量突然增加，是由于第7 天發(fā)生降雨導(dǎo)致田間氨態(tài)氮及硝態(tài)氮量突增。田間水樣中氨態(tài)氮量均遠(yuǎn)高于硝態(tài)氮量，其原因是尿素首先分解為氨態(tài)氮，需要在土壤中進(jìn)一步氧化還原才能轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，此結(jié)果與張忠學(xué)等[21]研究結(jié)果一致。T3 處理由于第4 天田間水層消退，因此沒有取樣。

圖1 施肥后各處理氨態(tài)氮、硝態(tài)氮量分布狀況Fig.1 Distribution of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in each treatment after fertilization

表2 施肥后各處理氨態(tài)氮、硝態(tài)氮量均值統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of the average ammonia nitrogen and nitrate nitrogen content of each treatment after fertilization mg/L

注 同列不同字母表示差異顯著（p＜0.05），下同。

表3 施肥后各處理施肥均勻性評價結(jié)果Table 3 Evaluation results of fertilization uniformity of each treatment after fertilization

2.2 不同灌溉施肥時機(jī)對水稻農(nóng)藝性狀的影響

不同施肥時機(jī)下的水稻株高及分蘗數(shù)變化如圖2所示。從圖2（a）可以看出，不同處理株高隨生育期的延長而增加，在分蘗中期以后進(jìn)入高速生長階段并在孕穗期達(dá)到最大值。從返青期到分蘗中期各處理株高沒有顯著變化（p＞0.05），從分蘗期施肥后差異逐漸表現(xiàn)出來，孕穗期CK 株高最?。?2.3 cm），3 個處理較CK 株高增加6.37%～6.53%，且差異顯著（p＜0.05）。

從圖2（b）可以看出，各處理分蘗數(shù)變化趨勢基本一致，從返青期開始分蘗數(shù)迅速增多，到達(dá)分蘗中期以后有逐漸減小的趨勢，其原因是分蘗期曬田導(dǎo)致無效分蘗消亡。分蘗中期之前各處理分蘗數(shù)沒有顯著差異（p＞0.05），分蘗末期之后T1、T3 處理分蘗數(shù)顯著高于T2、CK（p＜0.05），增加幅度在11.25%～23.17%之間。說明就水稻葉片發(fā)育而言，灌水0～2 h 液施處理（T1）最優(yōu)。

圖2 不同灌溉施肥時機(jī)下水稻株高與分蘗數(shù)Fig.2 Rice plant height and tiller number under different fertilization modes

圖3 不同施肥時機(jī)下水稻干物質(zhì)量Fig.3 Dry matter quality of rice under different fertilization modes

圖3 是不同處理各生育期水稻干物質(zhì)量變化。從圖3 可以看出，水稻干物質(zhì)量變化趨勢與株高變化趨勢類似，在分蘗期之后進(jìn)入高速生長階段，在分蘗末期和孕穗期出現(xiàn)差異（p＜0.05），T1、T3 處理干物質(zhì)量（T1 處理干物質(zhì)量102.37 g，T3 處理干物質(zhì)量101.26 g）顯著高于T2 處理、CK（T2 干物質(zhì)量93.58 g，CK 干物質(zhì)量94.60 g），增加幅度在5.75%～8.48%。說明就水稻干物質(zhì)而言，灌水0～2 h 液施方式（T1處理）更有利于水稻植株的發(fā)育。

2.3 不同灌溉施肥處理對產(chǎn)量及水分利用效率的影響

表4 為不同灌溉施肥處理對產(chǎn)量的影響，由表4可知，水肥耦合施肥方式對水稻的單位面積穗數(shù)以及產(chǎn)量有較大影響，但T2 處理產(chǎn)量與CK 差異不顯著（p＞0.05），雖然T2 處理穗粒數(shù)最高（為111.36 粒），但結(jié)實(shí)率卻很低（為89.74%）。而T1 處理與T3 處理雖然穗粒數(shù)較低（T1 處理為106.34 粒，T3 處理為102.74 粒），但單位面積穗數(shù)（T1 處理為480.62 穗/m2，T3 處理為504.65 穗/m2）與千粒質(zhì)量（T1 處理為27.65 g，T3 處理為27.62 g）較高，因此T1 處理、T3 處理產(chǎn)量明顯高于CK 與T2 處理且達(dá)到13.73%～17.46%，其中就產(chǎn)量而言以T1 處理最佳（為13 501.4 kg/hm2）。

由表4 可知，各處理在灌溉水量沒有明顯差異的情況下（p＞0.05），T1、T3 處理水分利用效率明顯高于CK 及T2 處理（p＜0.05），其中T1 處理水分利用效率最高（為2.06 kg/m3），T3 處理次之，說明灌水0～2 h 液施處理（T1）有利于水分利用效率的提高。

表4 不同灌溉施肥處理產(chǎn)量及其要素Table 4 Yield and its factors under different irrigation and fertilization treatments

3 討論

與傳統(tǒng)撒施方式相比，灌水0～2 h 液施處理與其他處理相比肥料分布均勻度提高了6.33%～17.44%。這與Abbasi 等[26]研究結(jié)果相似，證實(shí)了水肥耦合施肥方式與撒施方式相比，確實(shí)能提高肥料在田間分布的均勻性。說明通過施肥裝置控制施肥時機(jī)可以使施肥均勻、完善人工撒施的不足。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)撒施方式相比，在分蘗末期之后水肥耦合施肥方式株高增加了6.37%～6.53%，而分蘗末期之后T1、T3 處理分蘗數(shù)較T2 處理、CK 增加11.25%～23.17%，且T1、T3 處理干物質(zhì)量較T2 處理、CK 增加5.75%～8.48%。這一結(jié)果與谷少委等[20]研究結(jié)果一致，即水肥耦合施肥方式會對作物生長產(chǎn)生積極影響。經(jīng)初步分析，水肥耦合施肥方式能夠促進(jìn)作物生長的原因可能是不同施肥時機(jī)的水肥耦合改變了肥料在田間的分布，使肥料更加均勻分布在田間，減少了肥料無效損失，促進(jìn)了植株的生長發(fā)育。但關(guān)于不同施肥時機(jī)的水肥耦合施肥方式這方面的前期研究主要針對旱田，而對水田在該方面的研究較少，這也為今后的研究提供了一定參考。

在水稻產(chǎn)量與水分利用效率方面，高劍民等[27]研究表明，不同液施方式對水氮均勻度影響顯著，從而提高了產(chǎn)量與水分利用效率。本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，灌水0～2 h 液施和灌水4～6 h 液施處理的水稻產(chǎn)量較撒施與灌水2～4 h 液施處理高13.73%～17.46%，同時水分利用效率高出14.15%～17.47%，其中T1 處理均高于其他處理。

在降雨對田間氨態(tài)氮及硝態(tài)氮分布影響方面，本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，降雨后田間水層中氨態(tài)氮及硝態(tài)氮量有不同程度的增加，CK、T1 處理降雨后氨態(tài)氮量增加范圍在1.18～1.61 mg/L，而T3 處理降雨后氨態(tài)氮量增加7.82 mg/L，其原因是降雨時CK 與T1處理田間尚存水層，對雨水中氮素有稀釋作用，而T3 處理降雨時田間無水層，因此T3 處理水樣中氨態(tài)氮及硝態(tài)氮質(zhì)量濃度較高。說明降雨對田間氨態(tài)氮及硝態(tài)氮量具有補(bǔ)給作用。在肥料分布均勻性方面，降雨后各處理氨態(tài)氮分布均勻性與降雨前相比增加2.51%～23.19%，硝態(tài)氮分布均勻性增加1.87%～41.19%。

4 結(jié)論

1）與CK 相比，灌水0～2、4～6 h 液施處理施肥均勻性高5.63%～21.65%，其中灌水0～2 h 液施的方式（T1）最有助于形成較佳的肥料空間分布狀態(tài)。

2）水肥耦合的液施方式的株高比撒施方式增加6.37%～6.53%。灌水0～2 h 液施和灌水4～6 h 液施的方式分蘗數(shù)和干物質(zhì)量分別較撒施與灌水2～4 h 液施處理高11.25%～23.17%和5.75%～8.48%，其中灌水0～2 h 液施處理最優(yōu)。

3）灌水0～2 h 液施和灌水4～6 h 液施的方式產(chǎn)量與水分利用效率分別較撒施與灌水2～4 h 液施處理方式高13.73%～17.46%和14.15%～17.47%，其中灌水0～2 h 液施處理最優(yōu)。

4）降雨中氨態(tài)氮及硝態(tài)氮量較高，降雨對田間氨態(tài)氮及硝態(tài)氮量與分布均勻度有不同程度的增加。

5）綜合考慮肥料分布均勻性與增產(chǎn)節(jié)水效益得出，灌水0～2 h 液施處理是最佳的施肥方式。