控制灌排條件下田間滲漏量與施氮量對水稻產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用效率的影響

王 瓊，俞雙恩，丁繼輝，馬 韜，陳凱文，王 雷

（1.河海大學農(nóng)業(yè)科學與工程學院，南京 210098；2.宿遷市宿豫區(qū)水利局，宿遷 223800）

0 引 言

水稻是我國重要的糧食作物，約占全國糧食總種植面積的27%。水稻生育期需水量大，水稻灌溉用水約占農(nóng)業(yè)總用水量的70%，水資源短缺正成為制約水稻生產(chǎn)的重要因素［1］。同時我國氮肥利用率僅為28.3%，遠低于世界平均水平，并呈逐步下降趨勢［2］。依賴過量水氮資源的投入來獲得高產(chǎn)與資源的可持續(xù)利用是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展上亟待解決的突出矛盾。俞雙恩［3］將現(xiàn)有的水稻節(jié)水灌溉與控制排水技術相結合，提出了以農(nóng)田水位作為水稻控制灌排調(diào)控指標的水稻控制灌排技術，具有顯著的節(jié)水、減排、高產(chǎn)效應［4，5］。研究控制灌排條件下科學合理的農(nóng)田水氮管理方案，對保證我國糧食產(chǎn)量、提升水稻品質(zhì)，實現(xiàn)水氮資源可持續(xù)利用和水稻可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

水、肥是作物生長最為重要、也是可以人為調(diào)控的兩大重要環(huán)境因子［6］。一定范圍內(nèi)增施氮肥有利于提高水稻產(chǎn)量，改善食味品質(zhì)，但過量施用氮肥不僅會造成水稻減產(chǎn)，往往還會對水稻品質(zhì)產(chǎn)生顯著的負效應［7］，同時氮素利用效率也顯著降低［8］；適度的水分脅迫有利于節(jié)水增產(chǎn)，提高水分利用效率［9］，且促進水稻籽粒蛋白質(zhì)的積累，改善營養(yǎng)品質(zhì)［10］；張自常［11］研究發(fā)現(xiàn)灌溉方式和施肥水平對水稻產(chǎn)量和米質(zhì)調(diào)控存在著顯著的互作效應，在輕干濕交替灌溉條件下配施中氮能夠顯著提高水稻產(chǎn)量并改善稻米品質(zhì)，在重干濕交替灌溉條件下，增施氮肥可以有效緩解水分脅迫對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的不利影響；吳宗釗等［12］研究表明施氮量應與灌水量相匹配，輕干濕交替灌溉條件下施氮180 kg/hm2會達到較好的水氮耦合效應，在減少灌水量的條件下仍會獲得較高產(chǎn)量和氮肥利用效率。

綜上，國內(nèi)外眾多學者對水氮耦合做了大量深入的研究，但多基于常規(guī)灌排模式，而針對控制灌排條件下水氮耦合對產(chǎn)量、水氮利用效率及品質(zhì)變化規(guī)律的研究較少。本文以農(nóng)田水位作為控制灌排調(diào)控指標，開展蒸滲測坑控制試驗，研究控制灌排條件下不同田間滲漏量與施氮量對水稻產(chǎn)量、水氮利用效率及品質(zhì)的影響，為進一步優(yōu)化稻田水氮管理、提高稻田水肥利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2020年6-11月在河海大學江寧節(jié)水園區(qū)試驗場內(nèi)（31°54′N，118°46′E）進行。試驗場區(qū)多年平均氣溫為15.7 ℃，蒸發(fā)量為900 mm，多年平均降雨量為1 072.9 mm。試驗場區(qū)有32 個固定蒸滲式測坑，其規(guī)格為（長×寬×深）2.5 m×2.0 m×2.0 m，測坑中間布設地下廊道和設備間，每個測坑底部與設備間水柱連通以便精準控制水位。測坑內(nèi)填土為粉質(zhì)黏土，耕作層土壤容重為1.40 g/cm3，孔隙度為44.97%，田間持水率為32.89%（質(zhì)量含水率），pH 值為6.97，土壤有機質(zhì)含量為1.1%，全氮含量0.24 g/kg，速效氮含量11.22 mg/kg，土壤全磷含量為0.24 g/kg，速效磷含量5.98 mg/kg，鉀含量為3.64 mg/kg，速效鉀含量115.6 mg/kg。

1.2 試驗設計

水稻供試品種為常規(guī)南粳9108，栽種密度為20 cm×15 cm，即34 萬穴/hm2，每穴3 根籽苗，水稻于6月17日移栽，11月2日完成收割。試驗采用雙因素完全隨機區(qū)組設計，設置2 種田間滲漏量和5種施氮量共10個處理方案組成，每處理設3個重復：2 種田間滲漏量為L（3 mm/d），H（5 mm/d）；5 種施氮量分別為N0（0 kg/hm2）、N1（150 kg/hm2）、N2（225 kg/hm2）、N3（300 kg/hm2）、N4（375 kg/hm2），按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3 配比施用氮肥（以純氮計算），分別于6月17日、6月30日、8月2日分施基肥、分蘗肥和穗肥，磷肥（P2O5）按75 kg/hm2作基肥一次施用，鉀肥（K2O）按120 kg/hm2，分基肥和穗肥各1/2施用；根據(jù)前人研究成果［3］，水稻控制灌排模式以農(nóng)田水位為控制指標，不同生育期控制灌排水位調(diào)控模式如表1所示。

表1 水稻控制灌排水位調(diào)控模式 mmTab.1 Water control program of rice under controlled irrigation and drainage

1.3 測定指標與方法

（1）氣象數(shù)據(jù)的收集。氣象資料由試驗區(qū)自動氣象站采集，主要包括降雨量、氣溫等。

（2）田間水分觀測。當田面含有水層時，通過豎尺在測坑固定觀測點測量田面以上水層深度，無水層時則通過埋設的地下水位觀測井觀測并記錄各處理試驗小區(qū)的地下水埋深，地表灌排水量均通過流量計進行計量。當田面有水層時每天9點按照3、5 mm/d的田間滲漏量進行測坑地下排水，每個測坑折算的排水量分別為15和25 L（測坑底部有30 cm厚的沙礫石反濾層，在反濾層位置進行側向排水，疏干部分反濾層中水分，促進水分下滲，可近似模擬田間滲漏量）。

（3）水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因子的測定。水稻收割前3 d，每個測坑隨機選取9穴，考察有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、結實率等產(chǎn)量構成因子，計算理論產(chǎn)量。實際產(chǎn)量按單打單收統(tǒng)計。

（4）田間水分利用效率（WUEf）?？紤]到該試驗設置有不同田間滲漏量處理，因此采用單位田間耗水量生產(chǎn)的籽粒實產(chǎn)來表征田間水分利用效率。計算公式如下：

式中：Y為水稻實際產(chǎn)量，kg/hm2；W為水稻全生育期內(nèi)田間總耗水量，mm；m 為水稻全生育期內(nèi)灌水量，mm；p 為降雨利用量，mm；c為地表排水量，mm。

（5）水稻品質(zhì)指標的測定。水稻收獲脫粒曬干并于室溫下儲存3 個月以保證稻米品質(zhì)的穩(wěn)定性。稻米食味及營養(yǎng)品質(zhì)（直鏈淀粉、蛋白質(zhì)）采用高精度近紅外食味分析儀（QS2400型）測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Microsoft Excel 2019 和IBM SPSS 25，依據(jù)F-檢驗和Duncan 方法進行顯著性分析（P＜0.05），圖形繪制采用Origin 2018。

2 結果與分析

2.1 控制灌排條件下水氮耦合對水稻產(chǎn)量及其構成特征的影響

產(chǎn)量是評價水稻生產(chǎn)能力最為直觀的指標，各處理間水稻產(chǎn)量及其構成因子見表2。施氮量和滲漏量處理均對理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量的影響達顯著水平。滲漏量一定時，水稻實際產(chǎn)量隨著施氮量的提高呈先增加后降低趨勢，L-N2 處理的產(chǎn)量最高，達到了10 298.58 kg/hm2，其次為H-N3 處理，過量增施氮肥不僅會造成資源的浪費，還會一定程度上降低氮肥的增產(chǎn)效果。低滲漏量處理較高滲漏量表現(xiàn)出一定的增產(chǎn)趨勢，原因是由于低滲漏量處理減少了氮肥流失，提高了肥料利用率，從而提高了水稻產(chǎn)量。

表2 控制灌排條件下水氮耦合對水稻產(chǎn)量的影響Tab.2 Effects of water-nitrogen coupling on rice yield under controlled irrigation and drainage

產(chǎn)量構成因子均受氮肥施用量的顯著影響。滲漏量一定時，水稻結實率隨施氮量的提高逐漸增加，N4與N1處理間差異達到顯著；水稻有效穗數(shù)隨施氮水平的提高呈先增加后減小趨勢，分別于L-N2、H-N3 處理時達到最大，且L-N2 處理有效穗數(shù)顯著高于L-N1處理，H-N3處理顯著高于H-N4、H-N1處理，表明適宜的施氮量有利于水稻成穗，但超過一定范圍后繼續(xù)增施氮肥反而不利于稻穗發(fā)育；每穗粒數(shù)和千粒重受施氮量影響變化規(guī)律與有效穗數(shù)表現(xiàn)相似，表明增施氮肥在合理范圍內(nèi)可以通過提高有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、結實率，進而提高水稻理論產(chǎn)量。滲漏量對每穗粒數(shù)和結實率影響顯著。同一施氮水平不同滲漏量之間，L-N0、L-N1處理每穗粒數(shù)高于H-N0、H-N1 處理，且差異達到顯著，而其他各施氮處理間差異不顯著；H-N0、H-N1、H-N2、H-N3、H-N4處理結實率分別較L-N0、L-N1、L-N2、L-N3、L-N4 處理高出0.72%、3.96%、5.64%、2.89%、1.42%，表明較大的田間滲漏量一定程度上促進了水稻結實率的提高。

2.2 控制灌排條件下水氮耦合對水氮利用效率和品質(zhì)的影響

不同水氮處理對水稻田間耗水量的影響如圖1 所示，不同施氮水平下水稻田間耗水量差異不顯著，高滲漏量處理田間耗水量顯著高于低滲漏量處理。作物水分利用效率是評價水稻節(jié)水效果的重要指標。由圖2（a）可知，滲漏量一定時，L-N1、L-N2、L-N3、L-N4 處理田間水分利用效率較L-N0 處理分別顯著增加了21.50%、48.85%、39.66%、34.73%，L-N2處理達到最大為1.95 kg/m3；H-N1、H-N2、H-N3、H-N4 處理分別較H-N0 顯著提高了17.23%、45.47%、51.25%、48.23%，H-N3 處理最優(yōu)為1.54 kg/m3，表明增施氮肥在一定范圍內(nèi)可以有效提高水稻田間水分利用效率。同一施氮量不同滲漏量處理之間水稻田間水分利用效率差異均顯著，低滲漏量處理較高滲漏量顯著提高了18.64%～35.81%。

圖1 控制灌排條件下水氮耦合對水稻水分利用的影響Fig.1 Effects of water-nitrogen coupling on water use of rice under controlled irrigation and drainage

不同水氮處理對水稻氮肥農(nóng)學利用效率的影響如圖2（b）所示。滲漏量一定時，氮肥農(nóng)學利用效率隨施氮水平的提高呈先增大后減小趨勢，在L-N2 處理時達到最大為13.56 kg/kg，其次是H-N2 處理達到了13.05 kg/kg，且均顯著高于其他各施氮處理；相同施氮量下，不同滲漏量處理對氮肥農(nóng)學利用效率的影響規(guī)律略有不同，在低氮處理（N1、N2）時，低滲漏量處理氮肥農(nóng)學利用效率均高于高滲漏量處理，而在高氮處理（N3、N4）時，高滲漏量處理效率更高，且在N3 處理差異達到顯著，表明低肥低滲、高肥高滲的水氮處理方案更有利于提高水稻氮肥農(nóng)學利用效率。

圖2 控制灌排條件下水氮耦合對水稻水氮利用效率的影響Fig.2 Effects of water-nitrogen coupling on water-nitrogen utilization efficiency of rice under controlled irrigation and drainage

不同水氮處理對水稻食味及營養(yǎng)品質(zhì)的影響如圖3 所示。滲漏量一定時，直鏈淀粉含量隨施氮量增加呈先減小后增大趨勢，分別在H-N3、L-N2 處理時達到最低，食味品質(zhì)達到最佳。施氮量一定時，H-N4 處理水稻直鏈淀粉含量較L-N4 顯著降低了20.95%，其他施氮水平下高滲漏量處理直鏈淀粉含量均低于低滲漏量處理，但未達到顯著差異，可見高滲漏量處理一定程度上能夠改善水稻食味品質(zhì)。相同滲漏量處理下，水稻籽粒蛋白質(zhì)含量隨施氮量的提高顯著增加，與未施氮處理（L-N0、HN0）相比，L-N1、L-N2、L-N3、L-N4 處理籽粒蛋白質(zhì)含量分別顯著增加了9.29%、14.76%、15.09%、20.23%，H-N1、H-N2、HN3、H-N4 處理分別顯著提高了12.04%、17.10%、21.47%、26.01%。同一施氮量下，不同滲漏量處理間的籽粒蛋白質(zhì)含量無顯著差異。

圖3 控制灌排條件下水氮耦合對水稻品質(zhì)的影響Fig.3 Effects of water-nitrogen coupling on quality of rice under controlled irrigation and drainage

3 討 論

適宜的水分調(diào)控和合理的肥料運籌是提高作物產(chǎn)量、提升作物品質(zhì)，實現(xiàn)水肥高效利用的基礎［8］。不同水氮調(diào)控模式對作物產(chǎn)量、水氮利用效率的影響已做了大量研究［13-15］，但針對控制灌排條件下的研究報道較少。俞雙恩等［16］研究表明水稻控制灌排技術能夠節(jié)水、高產(chǎn)的同時提高水分生產(chǎn)率。本次試驗研究結果表明，控制灌排條件下合理的水氮耦合模式能夠?qū)崿F(xiàn)水稻高產(chǎn)、高效的同時提升水稻品質(zhì)。相同滲漏量條件下，水稻產(chǎn)量隨著施氮量的提高呈先增大后減小趨勢，且在施氮量為225 kg/hm2時產(chǎn)量達到最大，這與朱兆良［17］研究的適宜施氮量在182～273 kg/hm2之間結論相符。陳惠哲等［18］研究表明，較大的田間滲漏量易造成氮肥營養(yǎng)流失，降低土壤的保水保肥性，從而影響水稻產(chǎn)量，本研究結果也表明低滲漏量處理水稻產(chǎn)量較高滲漏量具有一定的增產(chǎn)趨勢。水稻產(chǎn)量構成因子方面，劉文祥等［19］研究指出，水稻理論產(chǎn)量與施氮量之間呈拋物線關系，有效穗數(shù)隨施氮水平的提高顯著增加，但每穗粒數(shù)呈先增后降趨勢；蘭艷等［20］研究發(fā)現(xiàn)，隨施氮水平的提高，結實率和每穗粒數(shù)呈先增后降趨勢，而有效穗數(shù)逐漸增加；各試驗可能由于水稻品種及地域之間的差異，氮肥水平對產(chǎn)量構成因子之間的影響不盡相同，但大多研究報道出來的共性為在合理的范圍內(nèi)增施氮肥對產(chǎn)量構成因子的形成有一定促進作用。本研究中，結實率隨施氮水平的提高顯著增加，而有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重呈先增后降趨勢。欒雅珺等［21］研究表明，高滲漏量通過改善土壤透氣性能夠獲得較高的結實率，但對其他產(chǎn)量構成因素有一定的抑制作用，這與本研究結果結論一致，高滲漏量處理一定程度上提高了水稻結實率，但每穗粒數(shù)顯著下降。

水肥之間具有明顯的耦合關系，適宜的水分和施肥可以產(chǎn)生協(xié)同效應，對水稻水肥資源高效利用有一定的促進作用［22］。該試驗研究結果表明，水氮處理對水稻水分和氮肥利用效率具有顯著的影響。田間水分利用效率方面，高滲漏處理由于加大了田間滲漏量，導致田間水分利用效率較低。氮肥利用效率方面，氮肥投入量過高是導致氮肥利用率降低的主要原因［23］；低氮處理下，高滲漏量易造成養(yǎng)分隨水分下滲而損失［21］，導致土壤養(yǎng)分不足進而影響了水稻生長發(fā)育，從而降低了氮肥農(nóng)學利用效率。而高氮處理下，充分的肥料不再使養(yǎng)分流失成為抑制水稻生長發(fā)育的重要因素，此時高滲漏量增大了土壤通透性［18］，改善了作物生長環(huán)境，促進了水稻生長發(fā)育從而顯著提高了氮肥農(nóng)學利用效率。

一般而言，直鏈淀粉含量過高會使得米飯蓬松干燥，質(zhì)地較硬，會大大影響食味口感［24］，廖爽等［25］通過設置三個氮素水平（0、90、180 kg/hm2）研究發(fā)現(xiàn)稻米直鏈淀粉含量隨施氮水平的提高呈下降趨勢，食味品質(zhì)逐漸變優(yōu)，而本試驗通過進一步提高氮素水平研究其對水稻食味品質(zhì)的影響，結果表明直鏈淀粉含量隨施氮水平的提高呈先減小后增大趨勢，過量氮肥的投入對水稻食味品質(zhì)不利。大量學者研究認為稻米蛋白質(zhì)含量隨著施氮量的增加而逐漸增加［7，26］，該研究結果結論一致，主要因為氮肥的投入一定程度上促進氨基酸和蛋白質(zhì)的合成，使得稻米中蛋白質(zhì)含量提高。

4 結 論

控制灌排條件下不同水氮處理對水稻產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用效率具有顯著的影響，適宜的滲漏量和施氮量能較好發(fā)揮水氮耦合效應，獲得水稻種植高產(chǎn)和提高水肥利用效率的同時形成良好的水稻品質(zhì)；氮肥施用量過多反而會造成水稻產(chǎn)量、水氮利用效率、食味品質(zhì)的下降。在本實驗中，低滲漏量處理下施氮量為N2（225 kg/hm2）時，水稻產(chǎn)量達到最高為10 298.58 kg/hm2，田間水分利用效率和氮肥農(nóng)學利用效率也相對較高，分別為1.95 kg/m3、13.56 kg/kg，同時稻米食味及營養(yǎng)品質(zhì)（直鏈淀粉、蛋白質(zhì)）較好，該水氮管理方案最接近目標為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效的理想結果。