種植方式對稻田水肥利用及環(huán)境效應(yīng)的影響

時 紅， 才 碩， 孫占學(xué)， 萬紹媛

(1.東華理工大學(xué)，江西南昌 330013； 2.江西省灌溉試驗中心站，江西南昌 330201)

水稻是我國最重要的糧食作物，在保障糧食安全中具有重要地位。近年來，農(nóng)村勞動力成本和農(nóng)資價格大幅上漲以及水稻栽插機(jī)械化的發(fā)展，加速了農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)進(jìn)程，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體發(fā)生了變化，水稻種植方式發(fā)生了深刻變革。目前，水稻種植呈現(xiàn)出手工插秧、拋秧、直播和機(jī)械插秧等多元化發(fā)展的現(xiàn)狀。20世紀(jì)90年代，江西雙季稻種植還以手工栽插為主，占水稻種植面積的90%以上，而拋秧技術(shù)則處于起步發(fā)展階段。然而，截至2017年，手工栽插的比例下降至22%，拋秧則上升至55%，機(jī)械插秧和直播發(fā)展迅速，分別達(dá)到6%和17%。水稻直播、拋秧和機(jī)械化插秧正在逐步替代傳統(tǒng)的手工插秧。

長期以來，關(guān)于水肥管理與耕作措施對水稻養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量品質(zhì)及環(huán)境效應(yīng)影響的研究主要集中在手工插秧方式上。然而，隨著拋秧、直播和機(jī)插秧等輕簡栽培技術(shù)的廣泛應(yīng)用，稻田的水肥管理方式產(chǎn)生了變化，致使水稻灌溉排水、養(yǎng)分吸收、稻田氮磷流失和溫室氣體排放等均發(fā)生了改變，傳統(tǒng)手工移栽的研究成果已不能完全滿足雙季稻技術(shù)要求與生產(chǎn)實際。為此，眾多學(xué)者對不同種植方式下水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益、微生物種群、病蟲草害發(fā)生特點、氮素利用效率以及溫室氣體排放等方面進(jìn)行了評價，認(rèn)為種植方式不同的水稻生育期長短不同，水稻所處的溫光環(huán)境條件各異，導(dǎo)致水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量水平、養(yǎng)分吸收利用等均存在一定的差異。但目前針對不同種植方式下稻田水分利用、氮磷流失以及溫室氣體排放開展的系統(tǒng)分析與綜合評價的研究相對較少。因此，本試驗研究了不同種植方式對雙季稻田的水肥利用、氮磷流失和溫室效應(yīng)的影響，以期為雙季稻高效穩(wěn)產(chǎn)栽培與可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試品種

試驗以中嘉早17和H優(yōu)518為早晚稻供試品種，于2016年3月至2017年10月在江西省灌溉試驗中心站研究基地(116°00′E，28°26′N)進(jìn)行。研究基地位于江西省贛撫平原灌區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候，多年平均氣溫約18 ℃，降水量約1 530 mm。試驗田土壤為沖積性黃泥土發(fā)育而成的水稻土，試驗前土壤(0～20 cm)基本理化性狀：pH值6.07，有機(jī)質(zhì)含量21.75 g/kg，全氮含量1.54 g/kg，全磷含量0.52 g/kg，堿解氮含量105.78 mg/kg，速效磷含量5.98 mg/kg，速效鉀含量80.12 mg/kg。

1.2 試驗處理

試驗采用大田小區(qū)試驗方法，分別設(shè)置手工插秧(HT)、拋秧ST)、機(jī)插(MT)、直播(DS)4個處理，每個小區(qū)面積86.40 m，3次重復(fù)。各小區(qū)間筑埂并用塑料薄膜包裹，單獨灌排。

各處理氮肥(N)用量均為180 kg/hm，其中直播處理按基肥、斷奶肥、分蘗肥、穗肥質(zhì)量比 4 ∶2 ∶2 ∶2 施用，手工插秧、拋秧和機(jī)插均按基肥、分蘗肥、穗肥質(zhì)量比4 ∶3 ∶3的方式施用；各處理磷肥(PO)用量均為90 kg/hm，均做基肥一次性施用；鉀肥(KO)用量均為180 kg/hm，均按基肥、分蘗肥、穗肥質(zhì)量比4 ∶3 ∶3的方式施用。早、晚稻不同種植方式的種植管理情況見表1，其他栽培管理措施按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培技術(shù)規(guī)程進(jìn)行。

表1 不同試驗處理種植管理情況

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤基本理化性質(zhì)的測定 土壤pH值用IQ-150型pH計測定；全N、全P、堿解氮、速效磷、速效鉀及有機(jī)質(zhì)含量測定參照鮑士旦的方法。

1.3.2 產(chǎn)量、耗水量與水分利用效率 產(chǎn)量：于成熟期各小區(qū)實割6 m，脫粒、曬干去雜稱質(zhì)量，并按照13.5%含水量折算實際產(chǎn)量。

耗水量：在水稻生長期內(nèi)每天08：00觀測田間水位。田面有水層時使用ZHD-60型電測針在每個小區(qū)固定位置上測定水層深，無水層時采用補(bǔ)水法確定耗水量。根據(jù)逐日耗水量累加計算得出生育期的總耗水量。

水分利用效率(kg/m)=稻谷產(chǎn)量/耗水量。

1.3.3 植株氮磷養(yǎng)分吸收利用 水稻收獲時各小區(qū)隨機(jī)采集植株樣本5穴，將根剪除后按莖、葉、穗分開包扎，在105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，冷卻稱量干物質(zhì)質(zhì)量后研磨、過篩，采用Kjeltec 2300全自動凱氏定氮儀(瑞典FOSS公司)測定全氮含量，全磷含量采用鉬銻抗比色法(NY/T 2421—2013《植株全磷含量測定 鉬銻抗比色法》)測定。

水稻植株氮(磷)養(yǎng)分吸收量(kg/hm)=地上部分干物質(zhì)量×養(yǎng)分含量；氮(磷)養(yǎng)分收獲指數(shù)=籽粒養(yǎng)分吸收量/植株養(yǎng)分吸收量×100%；氮(磷)養(yǎng)分內(nèi)部利用效率(kg/kg)=稻谷產(chǎn)量/植株養(yǎng)分吸收量。

1.3.4 徑流氮磷排放量 于每次稻田排水過程中采集每個小區(qū)田面水到室內(nèi)進(jìn)行總氮(TN)和總磷(TP)濃度測定，同時記錄每次排水量。采集的水樣當(dāng)日送至實驗室測定分析，總氮濃度用堿性過硫酸鉀消解，采用紫外分光光度法(HJ 636—2012《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》)測定，總磷濃度采用鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893—1989《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》)測定。

徑流氮(磷)排放量(kg/hm)=田面排水量×排水氮(磷)濃度。

1.3.5 溫室氣體采集與測定 CH、NO、CO的采集與測定采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法。早晚稻生長期內(nèi)氣體采集時間為當(dāng)日08：00—11：00，采樣頻率為5～7 d采集1次，施肥后1周內(nèi)2～3 d采集1次，采樣時按0、10、20、30 min的時間間隔用 50 mL 注射器抽取采氣箱內(nèi)氣體，并迅速保存至真空氣袋中，待采樣結(jié)束后帶回實驗室，采用Agilent7890b氣相色譜儀(美國Agilent公司)測定CH、NO、CO氣體濃度。靜態(tài)箱構(gòu)造與通氣量計算方法參照Zhang等的方法。

以100年為時間尺度，單位質(zhì)量CH和NO的全球增溫潛勢分別為CO的25倍和298倍。全球增溫潛勢(GWP)和溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)計算公式如下：

全球增溫潛勢(COkg/hm)=25×CH+298×NO；溫室氣體排放強(qiáng)度(CO-eq kg/kg)=全球增溫潛勢/雙季水稻全年產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

2016年和2017年2年產(chǎn)量數(shù)據(jù)趨勢一致，且年際間無顯著差異，文中試驗數(shù)值為2年數(shù)據(jù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。采用Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)，利用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。不同處理之間的多重比較采用最小顯著性檢驗(Duncan’s)法，以不同小寫字母表示達(dá)到顯著差異水平(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量及水分利用效率

由表2可知，不同種植方式下，早晚稻產(chǎn)量和水分利用效率的變化趨勢均表現(xiàn)為HT>ST>MT>DS，早稻耗水量大小順序依次為DS>MT>ST>HT，晚稻耗水量依次為DS>MT>HT>ST。早晚稻不同處理的產(chǎn)量均以HT處理最高，且顯著高于其他處理，產(chǎn)量最低的DS處理較MT、ST和HT分別減產(chǎn)0.43%、1.51%、8.83%和10.50%、12.26%、16.38%。早、晚稻DS處理耗水量均顯著高于其他處理，較HT處理分別增加12.88%和4.30%。早晚稻DS處理的水分利用效率顯著低于其他處理，其減幅范圍分別為6.52%～19.38%和13.61%～19.62%。

表2 不同種植方式下雙季稻產(chǎn)量及水分利用效應(yīng)

2.2 氮磷養(yǎng)分利用效率

由圖1可見，不同種植方式對水稻植株氮磷養(yǎng)分利用產(chǎn)生一定影響。在氮素利用方面，早晚稻DS處理的氮素養(yǎng)分內(nèi)部利用效率均顯著低于其他處理，較MT、ST、HT分別降低3.65%、5.52%、9.28%和3.49%、4.88%、4.18%；氮素收獲指數(shù)總體呈現(xiàn)出HT>ST(或MT)>DS的變化趨勢，且DS處理明顯低于HT處理，早晚稻分別降低5.73%和5.31%。在磷素利用方面，早晚稻磷素內(nèi)部利用效率和收獲指數(shù)的大小關(guān)系均表現(xiàn)為HT>ST>MT>DS，早晚稻DS處理的磷素內(nèi)部利用效率較其他處理顯著減少了5.20%～8.08%和2.87%～4.50%，磷素收獲指數(shù)分別減少6.01%～10.28%和2.03%～4.91%?？梢?，早晚稻不同種植方式的植株養(yǎng)分利用效應(yīng)均以直播處理最低。

2.3 稻田徑流氮磷排放效應(yīng)

如表3所示，由于早晚稻種植期內(nèi)降水量的差異(早稻季降水量為536.6 mm，晚稻季為261.28 mm)，致使早稻的田間排水量和徑流氮磷排放量均明顯高于晚稻。在早稻季，不同處理的排水量以DS處理最高，且顯著高于其他處理；總氮和總磷排放量總體呈現(xiàn)DS>ST(或MT)>HT，并且DS較HT分別顯著增加2.55、52.54 g/hm，增幅分別為16.61%和31.31%。在晚稻季，HT、ST、MT各處理的排水量差異不大，但均顯著低于DS處理；DS處理的總氮和總磷排放量均顯著高于其他處理，其增幅分別為16.26%～34.00%和28.23%～67.64%。雙季累計來看，DS處理的排水量顯著高于其他處理；不同處理總氮排放量和總磷排放量均以DS處理最高，ST或MT處理次之，HT處理最低，且DS處理較HT、ST、MT分別顯著高出24.05%、10.97%、19.72%和41.40%、31.45%、20.65%。

表3 不同種植方式稻田徑流氮磷排放效應(yīng)

2.4 溫室氣體排放效應(yīng)

2.4.1 不同種植方式對稻田溫室氣體排放效應(yīng)的影響 如表4所示，在CH排放方面，早稻CH排放量的變化趨勢為DS>MT>HT>ST，晚稻為ST>MT>DS>HT，雙季則為DS>MT>ST>HT，DS處理的雙季累計CH排放量較其他處理顯著增加4.32%～6.67%。在CO排放方面，不同處理早稻季、晚稻季和雙季的CO排放量均以DS處理最高，HT處理最低，且兩者間差異均達(dá)到顯著水平，其中雙季累計條件下DS處理較HT、ST、MT分別顯著增加14.47%、3.34%、11.11%。在NO排放方面，早稻季、晚稻季、雙季不同處理稻田NO排放量變化趨勢一致，均表現(xiàn)為ST>DS>MT>HT，HT較ST、MT、DS分別減少5.20%～13.10%(早稻)、6.17%～12.64%(晚稻)、5.70%～12.87%(雙季)。

表4 不同種植方式稻田溫室氣體排放量 kg/hm2

2.4.2 不同種植方式對稻田綜合溫室效應(yīng)的影響 由表5可知，早稻季DS處理的全球增溫潛勢顯著高于其他處理，較HT、ST、MT處理的增加幅度為7.74%～12.64%；晚稻季不同處理的全球增溫潛勢以ST處理最高，HT處理最低，但各處理間差異不顯著；雙季累計的全球增溫潛勢和溫室氣體排放強(qiáng)度的變化規(guī)律均表現(xiàn)為DS>MT>ST>HT，且DS處理較HT、ST、MT處理分別增加6.74%、5.88%、4.31%和21.37%、13.15%、9.23%。說明雙季稻采用手工插秧有利于降低綜合溫室效應(yīng)，而直播則會加劇稻田的溫室效應(yīng)。

表5 不同種植方式綜合溫室效應(yīng)

2.5 不同種植方式產(chǎn)量與環(huán)境效應(yīng)相關(guān)分析

通過產(chǎn)量與環(huán)境效應(yīng)指標(biāo)的相關(guān)分析(表6)可知，不同種植方式下，水稻產(chǎn)量與磷素內(nèi)部利用效率呈正相關(guān)，與水分利用效率、植株氮素內(nèi)部利用效率呈顯著正相關(guān)；水稻產(chǎn)量與稻田徑流總氮排放量、總磷排放量均呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到-0.959和-0.933；水稻產(chǎn)量與全球增溫潛勢(=-0.742)、溫室氣體排放強(qiáng)度(=-0.886)分別達(dá)到顯著、極顯著負(fù)相關(guān)。說明通過種植方式提高水稻產(chǎn)量可以提高水分利用效率，促進(jìn)氮磷養(yǎng)分吸收利用，從而減少稻田養(yǎng)分的徑流損失以及溫室氣體的排放。

表6 產(chǎn)量與主要環(huán)境效應(yīng)相關(guān)分析

3 討論與結(jié)論

不同稻作模式的栽培技術(shù)不同，水稻生育期及其所生長的溫光環(huán)境條件各異，從而導(dǎo)致水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量水平存在一定差異。張坤等研究了移栽方式下水稻產(chǎn)量的變化規(guī)律，其最終產(chǎn)量表現(xiàn)為手工栽插>拋秧>機(jī)插。劉成立研究表明，不同種植方式的水稻產(chǎn)量以機(jī)直播處理最低，人工栽秧次之，機(jī)插方式最高。李杰等研究認(rèn)為，不同種植方式的水稻產(chǎn)量均以直播方式最低。周紅英等研究認(rèn)為，水稻采用手工栽插和拋秧方式的產(chǎn)量最高，機(jī)插其次，直播最低。上述研究普遍認(rèn)為不同種植方式水稻的產(chǎn)量總體上以手工插秧最高、直播最低，這與本研究結(jié)果一致，即手工插秧>拋秧(或機(jī)插)>直播。但也有研究認(rèn)為，直播處理的產(chǎn)量最高，這可能與水稻種類以及試驗期間的氣候條件有關(guān)，單季稻較雙季稻生育期的光熱適宜且易避免倒春寒和寒露風(fēng)等氣象災(zāi)害的影響，從而獲得高產(chǎn)。

水肥吸收利用決定著水稻的產(chǎn)量，也直接影響著稻田生態(tài)環(huán)境。相關(guān)研究表明，水稻水分管理與吸收利用會隨著種植方式的改變而發(fā)生變化。冀俊超研究表明，雖然直播處理的產(chǎn)量低于手工栽插，但因其全生育期耗水量顯著下降，從而使得水分利用效率顯著提高。陶冶研究認(rèn)為，直播處理在增加水稻產(chǎn)量的同時，還能夠提高水分利用效率。本研究則表明，早晚稻直播處理的水分利用效率顯著低于手工插秧處理(減幅分別為19.38%和19.62%)，其原因主要是直播方式下早晚稻耗水量較手工插秧高，而產(chǎn)量又低于手工插秧處理。目前，針對不同稻作模式的氮磷吸收利用的研究結(jié)果不盡相同。徐國偉研究認(rèn)為，成熟期植株氮積累量直播稻高于移栽稻；而李杰的試驗則表明，水稻手工插秧方式的氮素吸收利用率顯著高于機(jī)插，且極顯著高于直播；王春雨的研究表明，人工插秧方式在提高水稻氮素農(nóng)藝?yán)寐屎偷斋@指數(shù)的同時，也促進(jìn)了磷素的吸收利用。本研究也認(rèn)為手工插秧的氮磷養(yǎng)分利用效率和收獲指數(shù)較直播處理顯著增加。前人研究普遍認(rèn)為，農(nóng)田排水的增加和水肥利用效率的下降均會加大氮磷流失的風(fēng)險。在本研究中，不同種植方式的氮磷徑流排放量均以排水量最大且水分和氮磷養(yǎng)分利用效率最低的直播處理最高，這與前人研究相一致。

水稻生長的時空環(huán)境隨種植方式的改變而發(fā)生變化，并可能影響到稻田土壤性狀和稻株自身生長，進(jìn)而對CH和NO的排放產(chǎn)生不同程度的影響。張岳芳等研究表明，與手工插秧相比，機(jī)插處理的稻田CH排放總量增加了14%，NO排放總量減少了11%，整個水稻季CH和NO排放的總?cè)蛟鰷貪搫?GWP)和溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)分別增加8%和10%。馬永躍等研究認(rèn)為，雙季稻不同種植方式稻田CH排放通量變化趨勢為拋秧<手工插秧<直播<機(jī)插，而NO排放通量和綜合溫室效應(yīng)均表現(xiàn)為手工插秧<機(jī)插<拋秧<直播。本研究表明，雙季稻田NO排放量的大小規(guī)律為手工插秧<機(jī)插<直播<拋秧，CH排放量、GWP和GHGI則均以手工插秧最低、直播最高，這可能與不同種植方式的水稻群體密度有關(guān)，即水稻種植密度高，莖葉數(shù)多，根量大，從而加快了甲烷的傳輸和排放。本研究4種不同種植方式的種植密度大小順序為直播>拋秧>機(jī)插>手工插秧，因此，手工栽插方式表現(xiàn)出較好的溫室氣體減排效應(yīng)，而直播方式導(dǎo)致了溫室氣體排放和溫室效應(yīng)的增加。

手工插秧能夠在水分消耗較少的前提下獲得較高的產(chǎn)量，有利于提高水肥利用效率，減少排水量、氮磷徑流排放量以及CH、CO和NO的累計排放量。直播方式在獲得較低產(chǎn)量的同時，卻增加了灌水量、耗水量、氮磷地表徑流排放量以及溫室氣體排放量，加劇了溫室效應(yīng)。本研究認(rèn)為不同水稻種植方式的生態(tài)效應(yīng)以手工插秧最優(yōu)，拋秧或機(jī)插次之，直播相對較差。