間歇灌溉緩釋肥對稻田土壤肥力、根干重及產(chǎn)量的影響

楊 鵬，何 軍，2，付 亮，趙 帆，周潔宇，趙樹君，鐘 韻，馬 煜，程 磊，張宇航，鐘盛建，甘學(xué)華

（1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北宜昌 443002；3.湖北省漳河工程管理局，湖北荊門 448156）

0 引 言

水稻是我國水肥消耗巨大的主要糧食作物之一，我國稻田單季氮肥平均用量為180 kg/hm2，比世界平均水平用量高75%［1］。不合理或者偏施無機肥不僅會引發(fā)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境問題，而且會導(dǎo)致稻田土壤肥力的遞減［2～4］。良好的水肥調(diào)控模式有利于土壤與作物之間進行營養(yǎng)元素的交換，促使作物獲得高產(chǎn)。間歇灌溉有利于土壤對全氮維持，減緩耕層全磷下移［5］和還原性物質(zhì)的積累，顯著提高根系形態(tài)指標［6］，為水稻生長發(fā)育創(chuàng)造了良好的條件［7］，節(jié)水的同時亦能增產(chǎn)［8-10］。緩釋肥作為一種新型環(huán)保復(fù)合型肥料，具有養(yǎng)分釋放速率緩慢，與作物生長需肥基本一致的特點［11］；施用緩釋肥不僅能穩(wěn)定土壤有機質(zhì)和保持地力［12，13］，而且能顯著增加根系干重，保持根系活力［14］。以上諸多研究成果均為單獨在間歇灌溉或緩釋肥條件下得出，間歇灌溉和緩釋肥交互效應(yīng)下對土壤肥力和產(chǎn)量的影響則鮮有報道。本文選取長江中游典型水稻種植區(qū)漳河灌區(qū)為研究區(qū)域，開展間歇灌溉緩釋肥耦合條件下水稻測坑試驗，采集收割后稻田土樣及測產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析研究，以期可對維持稻田土壤肥力并提高水稻產(chǎn)量的適宜水肥管理模式優(yōu)化提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗區(qū)選在湖北省漳河灌區(qū)灌溉試驗站（湖北省灌溉試驗中心站），位于湖北省荊門市東寶區(qū)漳河鎮(zhèn)卻集村（30°54'15″N，112°05'16″E），年無霜期206 d，多年平均溫度17 ℃，最高月平溫度27.7 ℃，最低月平均溫度3.9 ℃，年降雨量700～1 100 mm，多年平均降雨量947 mm，年平均蒸發(fā)量（20 cm 蒸發(fā)皿）1 300～1 800 mm，年日照總時間1 300～1 600 h。試驗區(qū)土壤以黃棕壤為主，質(zhì)地黏重，有機質(zhì)含量相對較低，PH 值為6.8～7.2（水土比1∶1），土壤孔隙率為45.5%，容重為1.33～1.44 g/cm-3。

試驗研究時段為2019年5-9月水稻生育期，主處理為兩種灌溉模式：淹水灌溉W1（Continue Flooding，CF）和間歇灌溉W2（Alternate Wetting and Drying，AWD），其水層控制見表1［15］；副處理為兩種肥料類型：傳統(tǒng)肥N1 和緩釋肥N2。采用2.0 m×2.0 m 的測坑開展水稻種植試驗，共4個處理：W1N1（淹灌傳統(tǒng)肥），W1N2（淹灌緩釋肥），W2N1（間歇灌溉傳統(tǒng)肥），W2N2（間歇灌溉緩釋肥），每個處理設(shè)置3個重復(fù)，共12個測坑。

表1 淹灌W1和間歇灌W2（AWD）水層控制表Tab.1 Water layer control table for submerged irrigation W1 and alternate wetting and drying irrigation W2（AWD）

施肥方式和水平為：傳統(tǒng)肥N1 參考當?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣，氮肥以N 計為180 kg/hm2（50%基肥、50%追肥），施基肥時用碳酸氫銨（NH4HCO3），追肥時用尿素（CO（NH2）2），基肥在泡田整地時施入，追肥（分蘗肥）在移栽后15 d 左右施入。磷肥以P2O5計，為115 kg/hm2（用過磷酸鈣，主要成分為Ca（H2PO4）2·H2O），作為基肥一次施入；鉀肥以K2O 計，為72 kg/hm2（用氯化鉀），作為基肥一次性施入。緩釋肥N2 設(shè)計為氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥有效含量及配比與傳統(tǒng)肥N1 相等，作底肥一次性施入。試驗稻種為荃早優(yōu)絲苗，為當季當?shù)卮竺娣e推廣應(yīng)用品種。

1.2 樣品數(shù)據(jù)處理

考慮前茬作物水肥管理均一，本次土壤取樣選在水稻黃熟收割后，每個測坑田面以下0～20 cm 和20～40 cm 土層深度各取一份土樣。采用土鉆對角線取土，采回土樣分不同處理混勻，四分法配置分析樣品。

稻田土壤肥力指標為全氮（TN）、全磷（TP）。土樣全磷采用H2SO4-H2O2消解，鉬酸銨分光光度法測定，全氮采用凱氏定氮法測量。為避免邊際效應(yīng)，黃熟期每測坑中部區(qū)域收選取1.0 m×1.0 m 范圍植株樣，測取株高、葉綠素SPAD 值及分蘗數(shù)，考察有效穗數(shù)，選取5 叢測取穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實率等，后5 叢并入其余植株測產(chǎn)。植株根系用清水洗凈，剪刀剪下放于烘箱85 ℃殺青半小時，105 ℃烘干48 h至恒重稱重；數(shù)據(jù)分析軟件及制圖采用EXCEL2020，SPSS25.0軟件。

2 結(jié)果分析

2.1 不同水肥處理對稻田土壤全氮的影響

從圖1中可以看出，間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）上層土壤全氮含量較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高40.66%，下層較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高2.20%，表明傳統(tǒng)肥條件下，間歇灌溉模式較淹灌對上、下層土壤全氮含量有更好的維持作用；間歇灌溉緩釋肥（W2N2）上層土壤全氮含量較淹灌緩釋肥（W1N2）高78.63%，下層較淹灌緩釋肥（W1N2）高46.58%，表明緩釋肥條件下，間歇灌溉模式較淹灌能更好的維持上、下層土壤全氮含量；不論是在傳統(tǒng)肥或是緩釋肥條件下，間歇灌溉上、下層土壤的全氮含量較淹灌高。

圖1 不同水肥處理稻田土壤全氮含量對比Fig.1 Comparison of total nitrogen in paddy soil under different water and fertilizer treatments

淹灌緩釋肥（W1N2）上層土壤全氮含量較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）低25.24%，下層較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）低79.95%；間歇灌溉緩釋肥（W2N2）上層土壤全氮含量較間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）低5.06%，下層較間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）低22.52%，可見淹灌或間歇灌溉模式下，緩釋肥對上、下層土壤全氮含量維持作用不如傳統(tǒng)肥。

表2為不同水肥處理下稻田土壤氮磷含量及根干重方差分析?？梢钥闯?，在20～40 cm 土層深度下，施肥類型對全氮影響顯著（Fu＞F0.05=4.667，P＜0.05），表明淹灌模式下，傳統(tǒng)肥較緩釋肥可顯著促進土壤下層（20～40 cm）全氮含量維持。

表2 不同水肥處理下稻田土壤氮磷含量及根干重方差分析Tab.2 Variance analysis of nitrogen and phosphorus content and root dry weight in paddy soil under different water and fertilizer treatments

2.2 不同水肥處理對稻田土壤全磷的影響

從圖2中可以看出，間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）上層土壤全磷含量較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高64.27%，而下層土壤較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）低30.80%，表明傳統(tǒng)肥條件下，間歇灌溉模式對上層土壤全磷含量有維持作用，對下層土壤全磷含量維持作用不如淹灌；間歇灌溉緩釋肥（W2N2）上層土壤全磷含量較淹灌緩釋肥（W1N2）高162.86%，而下層較淹灌緩釋肥（W1N2）低43.52%，表明緩釋肥條件下，間歇灌溉模式相對淹灌能更好維持稻田上層土壤全磷含量，但對稻田下層土壤全磷的維持作用不如淹灌，且緩釋肥條件下較傳統(tǒng)肥維持效果更明顯。

圖2 不同水肥處理稻田土壤全磷對比Fig.2 Comparison of total phosphorus in paddy soil under different water and fertilizer treatments

淹灌緩釋肥（W1N2）上層土壤全磷含量較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）低73.92%，下層土壤較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）低5.08%，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）上層土壤全磷含量較間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）低58.26%，下層較間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）低22.53%，表明淹灌或間歇灌溉模式下，緩釋肥對上、下層土壤全磷含量維持作用不如傳統(tǒng)肥。

由表2可知，土壤上層（0～20 cm）全磷含量在灌溉模式下差異性較顯著（Fu＞F0.1=3.177，P＜0.1），而不同施肥類型條件下土壤上層全磷含量差異性極顯著（Fu＞F0.01=4.747，P＜0.01），表明傳統(tǒng)肥較緩釋肥可顯著促進土壤上層（0～20 cm）全磷含量維持。

2.3 不同水肥處理對水稻根干物質(zhì)的影響

從圖3可以看出，根干重在淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）處理下最低（461.4 kg/hm2），占植株百分比3.2%，在間歇灌溉緩釋肥（W2N2）處理下最高（846.4 kg/hm2），占植株百分比6.6%；淹灌緩釋肥（W1N2）較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高97.95%，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）較間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）高42.88%，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）較淹灌緩釋肥（W1N2）高15.13%，間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高59.50%；由表2 可知，根干重受施肥類型影響顯著（Fu＞F0.05=4.844，P＜0.05），表明緩釋肥較傳統(tǒng)肥可以顯著促進黃熟期根系干物質(zhì)積累。

圖3 不同水肥處理下黃熟期水稻根系干物質(zhì)的影響Fig.3 Effects of different water and fertilizer treatments on root dry matter of rice at yellow ripe stage

2.4 不同水肥處理對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素及黃熟期生態(tài)特性的影響

從表3中可以看出，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）處理下產(chǎn)量最高（10 505 kg/hm2），其次是淹灌緩釋肥（W1N2）處理，達10 386 kg/hm2，淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）處理下產(chǎn)量最?。? 679 kg/hm2）。間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）比淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高3.90%，表明傳統(tǒng)肥條件下，間歇灌溉模式相對于淹灌有一定的增產(chǎn)，這與何軍等［16］人研究結(jié)論一致。淹灌緩釋肥（W1N2）產(chǎn)量比淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高7.30%，且在表3 不同水肥處理下對產(chǎn)量的交互效應(yīng)分析中，產(chǎn)量受施肥類型影響較顯著（Fu＞F0.1=3.225，P＜0.1），表明淹灌模式下，緩釋肥較傳統(tǒng)肥有較顯著的增產(chǎn)，這與李方敏等［17］人的研究一致。間歇灌溉緩釋肥（W2N2）產(chǎn)量比淹灌緩釋肥（W1N2）高1.15%，比間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）高出4.46%，較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高8.53%，結(jié)合表3 可知，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）耦合互作可提升水稻產(chǎn)量，但差異不顯著。

表3 不同水肥處理對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素及黃熟期生態(tài)特性的影響Tab.3 Effects of different water and fertilizer treatments on yield components and ecological characteristics of rice at yellow ripe stage

有效穗數(shù)在間歇灌溉緩釋肥（W2N2）處理下最高，為282.67 穗/m2，在淹灌傳統(tǒng)肥施肥（W1N1）最低，達237.00 穗/m2；間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）、淹灌緩釋肥（W1N2）有效穗數(shù)分別較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高15.61%、17.08%，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）有效穗數(shù)較淹灌緩釋肥（W1N2）高1.86%，比間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）高出3.16%，較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高19.27%，有效穗數(shù)在各處理下的關(guān)系與根系、產(chǎn)量大體類似，且在表3中顯示，有效穗數(shù)在施肥類型下較顯著（Fu＞F0.1=3.136，P＜0.1）；穗粒數(shù)在淹灌溉緩釋肥（W2N2）處理下最高，為276.87 粒，在淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）處理下最低，達250.10 粒；千粒重在淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）下最大（22.39 g），在淹灌緩釋肥（W1N2）處理下最小（21.20 g）；結(jié)實率在淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）處理下最大（94.29%），在淹灌溉緩釋肥（W1N2）處理下最?。?1.79%），結(jié)實率受灌溉模式和施肥類型兩者的交互作用影響較顯著（Fu＞F0.1=3.102，P＜0.1）。

淹灌緩釋肥（W1N2）下分蘗數(shù)最大（15.25 個），淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）下最?。?2.25 個），淹灌緩釋肥（W1N2）分蘗數(shù)比淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高24.49%，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）分蘗數(shù)較間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）高8.54%，分蘗數(shù)在施肥類型下顯著（Fu＞F0.05=4.747，P＜0.05），表明緩釋肥可以促進水稻黃熟期分蘗數(shù)增加。葉綠素SPAD 值在間歇灌溉緩釋肥（W2N2）下最大（13.40），在淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）下最小（12.18），間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）、淹灌緩釋肥（W1N2）葉綠素SPAD 值較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）分別高5.27%、8.07%，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）葉綠素SPAD 值比淹灌緩釋肥（W1N2）高2.00%，比間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）高出4.48%，較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高10.00%，葉綠素SPAD 值在各處理下的關(guān)系與根干重、有效穗數(shù)、產(chǎn)量大體類似。株高在淹灌緩釋肥（W1N2）下最高，為117.50 cm，在淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）下最低（112.33 cm），株高受灌溉模式和施肥類型兩者的交互作用影響較顯著（Fu＞F0.05=4.747，P＜0.05）。穗粒數(shù)、千粒重、葉綠素SPAD值在不同處理下均無顯著性。

3 討 論

根系作為水稻吸收肥料釋放在土壤中養(yǎng)分的重要器官，與水稻產(chǎn)量密切相關(guān)。前人研究表明，間歇灌溉較淹灌可以增加根系干重［18，19］，施用控釋肥可以明顯地增加水稻根系干物質(zhì)量，提高根系的吸收養(yǎng)分能力［20，21］。劉明等［22］人認為節(jié)水灌溉與控釋氮肥聯(lián)合調(diào)控在減少水量和氮肥投入的同時，不僅保證了水稻產(chǎn)量，而且大幅提高了水稻水肥利用效率。本試驗中，間歇灌溉緩釋肥（W2N2）處理下根干物質(zhì)積累量和占比都較間歇灌溉傳統(tǒng)肥（W2N1）處理高，淹灌緩釋肥（W1N2）處理的干物質(zhì)積累量和占比都較淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）處理的高，并且方差分析中表明，緩釋肥較傳統(tǒng)肥可以顯著促進根系干重；不論淹灌或間歇灌溉模式下，緩釋肥上、下層土壤全氮、全磷較傳統(tǒng)肥都低。綜上可知，緩釋肥可以促進水稻根系干物質(zhì)積累，使根系分布更深廣，提高水稻對土壤氮、磷的吸收利用。

傳統(tǒng)肥或是緩釋肥條件下，間歇灌溉上、下層土壤全氮含量較淹灌高，表明間歇灌溉較淹灌可以維持促進土壤上、下層全氮含量，可能是淹灌模式稻田土壤氮素深層滲漏損失較間歇灌溉大［23］；傳統(tǒng)肥或是緩釋肥條件下，間歇灌溉上層土壤全磷含量較淹灌高，下層較淹灌低，表明間歇灌溉較淹灌對上層土壤全磷含量有維持和促進作用，對于下層土壤維持作用卻不如淹灌，這與何軍等［24］人研究一致。

前人研究表明，間歇灌溉可以增產(chǎn)5.30%～24.02%［25-27］，緩釋肥對水稻也有一定的增產(chǎn)效果［28，29］。徐一蘭等［30］人認為間歇灌溉促進了根系干物質(zhì)積累，延緩了水稻根系生命周期，促進了水稻各器官干物質(zhì)積累，提高了凈光合速率和有效穗數(shù)，從而獲得較高的產(chǎn)量。彭玉等［14］人研究表明，施用緩釋肥可以使根系有較高的活力，保證了根系在土壤中具有較強的養(yǎng)分吸收能力，促進了有效穗數(shù)的形成從而對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生積極影響。本研究表明，根干重、有效穗數(shù)、產(chǎn)量在間歇灌溉、緩釋肥、間歇灌溉和緩釋肥交互下有一定的提高，根干重、產(chǎn)量在施肥類型下差異性顯著，有效穗數(shù)在施肥類型下差異性較顯著。因此施用緩釋肥可以促進根系干物質(zhì)積累，提高水稻對土壤氮磷吸收利用率，對有效穗數(shù)產(chǎn)生積極的影響，進而提高水稻產(chǎn)量。

水稻產(chǎn)量的形成是“庫”“源”協(xié)調(diào)互作的結(jié)果［31］。淹灌水稻一個很重要的生理特征就是根系的早衰，根系的早衰影響著水稻早衰的［32］，而根系作為水稻“源”的一部分，影響著水稻產(chǎn)量［33］。本試驗中，根干重、葉綠素SPAD 值、分蘗數(shù)、有效穗數(shù)在間歇灌溉緩釋肥（W2N2）下都維持在較高的水平，并且間歇灌溉緩釋肥（W2N2）產(chǎn)量比淹灌傳統(tǒng)肥（W1N1）高8.53%，原因可能是，間歇灌溉“干濕交替”土壤環(huán)境有利于植株在生育后期維持較高的根系活力和葉綠素SPAD 值，而緩釋肥在水稻生育后期持續(xù)的釋放營養(yǎng)物質(zhì)，進一步保證了氮、磷對地上部分的供應(yīng)，確保“源”的充足。同時間歇灌溉緩釋肥能夠促進分蘗數(shù)、有效穗數(shù)的形成，增大水稻的“庫”容，從而獲得高產(chǎn)。

4 結(jié) 論

間歇灌溉較淹灌可維持土壤上、下層全氮含量，對上層土壤全磷含量有更好的維持作用，對于下層土壤維持作用卻不如淹灌。施用緩釋肥可以促進水稻根系干物質(zhì)積累，提高水稻對土壤氮、磷的吸收利用率，對有效穗數(shù)形成產(chǎn)生積極的影響，進而提高水稻產(chǎn)量。間歇灌溉和緩釋肥耦合互作可以提高產(chǎn)量，但差異性不顯著。

從一年的測坑水稻試驗研究顯示，間歇灌溉與緩釋肥耦合互作對于稻田土壤氮磷含量影響差異較大，間歇灌溉干濕交替必然影響土壤氮、磷運移，從而改變了水稻根系從緩釋肥中吸收營養(yǎng)物質(zhì)的環(huán)境狀態(tài)，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量的差異性。接下來應(yīng)選取更大尺度以及開展多年稻田試驗研究，進一步優(yōu)化基于稻田土壤肥力的水稻高產(chǎn)潛力水肥耦合模式。 □