不同水肥調(diào)控對(duì)水稻產(chǎn)量、干物質(zhì)及土壤肥力影響

李程陽(yáng)，何 軍，2，趙 帆，趙樹(shù)君，楊 鵬，華克驥，黎宇欽，張 藝

（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(kù)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(mén) 448146）

0 引 言

土壤肥力是水稻生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)資源[1]，良好的水肥調(diào)控模式有利于水稻與土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行充分交換，從而獲得高產(chǎn)[2]。緩釋肥作為一種新型的肥料，具有養(yǎng)分釋放周期長(zhǎng)、肥料利用率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到關(guān)注[3-5]。已有研究表明，與相同養(yǎng)分含量的普通化肥相比，緩釋肥能夠提高肥料的利用效率和作物產(chǎn)量[6]，且緩釋肥的施用在改善土壤肥力方面發(fā)揮著顯著的效果[7]。李世發(fā)等[8]研究表明，施用緩釋肥能顯著的增加水稻的分蘗數(shù)和產(chǎn)量。間歇灌溉不僅能夠減少灌溉用水量[9]，有利于土壤對(duì)總氮的保持，減緩耕層總磷下移[10]，提高水分利用率[11]，而且顯著增加水稻干物質(zhì)的積累量及最終產(chǎn)量[12,13]。崔遠(yuǎn)來(lái)等人分析研究了不同水肥調(diào)控模式對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育，水分利用效率，產(chǎn)量和構(gòu)成要素的影響，得出節(jié)水灌溉較淹灌可提高水稻水分生產(chǎn)效率并獲得高產(chǎn)[14]。李俊峰等[15]人研究表明，一定范圍的水肥調(diào)控對(duì)水稻產(chǎn)量，品質(zhì)有著明顯的促進(jìn)作用。孫永建等[16]人研究表明，不同的水肥處理對(duì)水稻各生育期階段的干物質(zhì)積累也有顯著的影響。以上研究多是側(cè)重間歇灌溉或緩釋肥單方面條件下的研究成果，間歇灌溉與緩釋肥不同施肥水平的交互作用對(duì)土壤肥力及作物產(chǎn)量方面的研究鮮有報(bào)道。本文選取長(zhǎng)江中游典型水稻種植區(qū)漳河灌區(qū)為研究區(qū)域，開(kāi)展間歇灌溉與緩釋肥不同水平交互條件下水稻測(cè)桶試驗(yàn)，采集黃熟期植株樣、收割后及泡田前的稻田土樣和水稻測(cè)產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究適應(yīng)水稻高產(chǎn)的水肥交互模式，為漳河灌區(qū)及類(lèi)似區(qū)域水稻生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)選址位于湖北省荊門(mén)市東寶區(qū)漳河鎮(zhèn)卻集村的湖北省灌溉試驗(yàn)中心站（30°54′15″N，112°05′16″E），氣候溫暖濕潤(rùn)，年無(wú)霜期達(dá)到206 d，多年平均氣溫在17 ℃左右，最低月平均氣溫為3.9 ℃，最高月平均氣溫27.7 ℃，年降水量在700 到1 100 mm 之間，多年平均降水量947 mm，年蒸發(fā)量（20 cm 蒸發(fā)皿）1 300～1 800 mm，年日照總時(shí)間1 300～1 600 h。該地區(qū)地勢(shì)起伏，為典型的丘陵地帶，土壤為黃壤土，適宜水稻的種植，是我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖Fig.1 The actual picture of the test device

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)為桶栽，采用當(dāng)?shù)刈匀煌裂b桶，直徑為0.618 m，桶深1.2 m，裝土90 cm，平均容重1.46 g/cm3，底部為20 cm 的反過(guò)濾層，并設(shè)置側(cè)向排水；大田育秧，成苗移栽，每桶5穴；設(shè)置防雨棚。試驗(yàn)主處理為兩種灌溉模式：淹水灌溉模 式W1 （Continue Flooding,CF）和間歇灌溉模式W2（Alternate Wetting and Drying，AWD），2 種灌溉模式不同生育期水層控制標(biāo)準(zhǔn)參考表1，副處理為兩種施肥的類(lèi)型及水平，N1處理為當(dāng)?shù)厝罕姂T用的傳統(tǒng)的氮磷鉀肥，具體施肥標(biāo)準(zhǔn)為：氮肥以N 計(jì)為180 kg/hm2（50%基肥、50%追肥），施基肥時(shí)用碳酸氫銨（NH4HCO3），追肥時(shí)用尿素[CO（NH2）2]，在整地泡田時(shí)施入，追肥在移栽后的15 d 左右施入；磷肥以P2O5計(jì)，72 kg/hm2，為過(guò)磷酸鈣（主要成分為主要成分為Ca（H2PO4）2·H2O），鉀肥水平（計(jì)K2O）為115 kg/hm2，采用氯化鉀（KCL）；磷、鉀肥均作為基肥一次性施入。N2 為施用緩釋肥，N2F（1）氮磷鉀肥有效含量及比例與N1一致，并在此基礎(chǔ)上將施肥水平各增加、減少25%、50%，即將N2 設(shè)計(jì)了5 種施肥水平的處理，分別是N2F（0.5）、N2F（0.75）、N2F（1）、N2F（1.25）、N2F（1.5），均作為基肥一次性施入，一共12 個(gè)處理，每組處理重復(fù)3 次，計(jì)36 個(gè)測(cè)桶。供試水稻品種為荃早優(yōu)絲苗，是當(dāng)?shù)禺?dāng)季大面積推廣種植的水稻品種。

表1 淹灌W1、間歇灌溉W2各生育期水分管理Tab.1 W1（CF）、W2（AWD）water management in each growth period

1.2 數(shù)據(jù)采集分析

本試驗(yàn)2 次土壤取樣分別選在水稻泡田前（2019年5月）和黃熟期收割后（2019年9月），取土鉆取土深度為0～20 cm，將土樣進(jìn)行風(fēng)干、研磨、過(guò)篩，采用H2SO4-H2O2對(duì)土樣中的全氮（TN）和全磷（TP）進(jìn)行檢驗(yàn)分析，土樣TN 測(cè)定參考《土壤質(zhì)量全氮的測(cè)定凱氏法》（HJ 717-2014）；TP 參考《土壤總磷的測(cè)定堿溶-鉬銻抗分光光度法》（HJ 632-2011）。水稻黃熟期后，測(cè)桶植株全部收獲，測(cè)取穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實(shí)率等，后將選取植株并入其他植株測(cè)產(chǎn)，并將植株分根、莖、葉、穗進(jìn)行器官剪取，于烘箱105 ℃殺青0.5 h，85 ℃烘干48 h 至恒重稱(chēng)其干物質(zhì)重量。數(shù)據(jù)的分析和制圖采用Excel 2010和SPSS 25.0軟件。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同水肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

表2可以看出，有效穗數(shù)最高的是W2N2F（1.5）處理，379 個(gè)/m2，其次是W2N2F（1）處理。除W2N2F（0.5）處理外，間歇灌溉各處理的有效穗數(shù)均維持在一個(gè)較高水平，且均高于淹水灌溉下對(duì)應(yīng)處理。千粒重在W1N2F（0.5）最低，僅為19.48 g，在W2N2F（0.75）最高，為23.95 g。淹灌模式下，W1N2F（1）處理穗粒數(shù)最高，為239.5 粒；間歇灌溉下，W2N1 處理的穗粒數(shù)最高，為197.2 粒。穗粒數(shù)在不同灌溉模式各處理下的趨勢(shì)基本相同，但淹灌下各處理均高于間歇灌溉相應(yīng)處理，且W1N2F（1）處理的提升效果最好。分析產(chǎn)量可知，W1N2F（1）有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率略低，但穗粒數(shù)顯著高于其他處理，因而W1N2F（1）的產(chǎn)量最高，達(dá)18 170.3 kg/hm2。其次為W2N1處理，有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率都處在較高水平，產(chǎn)量達(dá)17 826.9 kg/hm2。同時(shí)，W1N2F（1）和W2N1 處理的產(chǎn)量也是對(duì)應(yīng)的灌溉模式下最高產(chǎn)量。N2 條件下，W2N2F（1）處理的水稻產(chǎn)量最高，為17 128.4 kg/hm2，雖不及W2N1處理，差距卻不明顯。N2 條件下，淹灌模式W1N2F（1）的產(chǎn)量分別高出其他處理21.3%～47.9%，間歇灌溉模式W2N2F（1）的水稻產(chǎn)量分別高出其他處理15.7%～50.3%。且不同緩釋肥施肥水平下，淹灌模式下產(chǎn)量平均高出間歇灌溉6.43%。

表2 不同水肥處理水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子Tab.2 Rice yield and its constituent factors under different water and fertilizer treatments

總體看，間歇灌溉更有利于水稻有效穗數(shù)增加，這可能是因?yàn)殚g歇灌溉使水稻蹲苗穩(wěn)長(zhǎng)[17]，促進(jìn)了水稻根系強(qiáng)健形態(tài)的建成，提高了對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收利用，促進(jìn)低節(jié)位分蘗萌發(fā)，抑制無(wú)效分蘗，提高成穗率[18]，進(jìn)而提高了水稻的有效穗數(shù)。淹灌可以更好的提高水稻的穗粒數(shù)，且與緩釋肥具有良好交互效應(yīng)產(chǎn)量最高，這與李芳敏等[19]研究結(jié)論一致，這可能由于淹灌下的土壤總孔隙度和毛管孔隙度多，結(jié)構(gòu)性好，持水力強(qiáng)[20]，田間持水量高，避免了水分脅迫對(duì)水稻穗粒數(shù)的影響。且稻田長(zhǎng)期持有的水層也保證了緩釋肥的持續(xù)性釋放，促進(jìn)了籽粒灌漿和生育中后期的干物質(zhì)積累，優(yōu)化了水稻群體結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了庫(kù)容量，為高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。間歇灌溉傳統(tǒng)肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量的效果雖優(yōu)于緩釋肥，但差距不大。

2.2 不同水肥處理對(duì)水稻黃熟期各器官干物質(zhì)占比的影響

由表3可知，水稻黃熟期干物質(zhì)含量在各器官中的分配比例各不相同，但都具有相同的趨勢(shì)，從大到小依次排序?yàn)樗?、莖、葉、根。淹灌模式下，N1 處理的根部干物質(zhì)分配比例最高，為12.9%，高出N2F（1）處理299.4%。N2F（1）處理的莖部干物質(zhì)比例最高，為36.85%，高出N1 處理24.5%。N2F（1.5）處理下的葉部干物質(zhì)比例最高，為16.82%，高出N1、N2F（1）處理55.0%、31.4%。淹灌下，N2各處理的根部干物質(zhì)分配比例低于N1 處理，而莖和葉部的干物質(zhì)分配比例則均高于N1 處理（N2F（1.5）處理除外）。W1N2F（1）處理穗部分配比例最高，為47.12%，高出W1N1處理1.02%。

表3 不同水肥處理水稻黃熟期各器官干物質(zhì)占比Tab.3 Percentage of dry matter of rice organs at yellow maturity stage under different water and fertilizer treatments

間歇灌溉模式下，N2F（1.5）處理根部干物質(zhì)分配比例最高，為16.74%，高出N1、N2F（1）處理61.0%、64.9%；N2F（0.5）處理下莖部干物質(zhì)分配比例最高，為38.36%，高出N1、N2F（1） 處理25.2%、14.44%。除N2F（1.5） 處理外，N2各處理的莖部的干物質(zhì)分配比例均高于N1處理，這與淹灌模式下趨勢(shì)一致。間歇灌溉各處理的莖部干物質(zhì)分配比例均高于淹灌相應(yīng)處理（N2F（1）除外）。間歇灌溉N2 條件下，隨著施肥量增加，莖部干物質(zhì)分配比例逐漸降低，根部干物質(zhì)分配比例逐漸增加。W2N1處理下穗部分配比例為間歇灌溉模式下最高，為46.20%，高出W2N2F（1）處理3.1%，類(lèi)同表2間歇灌溉模式水稻產(chǎn)量。W2N2F（1）處理穗部干物質(zhì)分配比例低于W1N2F（1）處理4.9%。

總體來(lái)看，間歇灌溉對(duì)莖部干物質(zhì)積累效果整體好于淹灌，對(duì)穗部干物質(zhì)的促進(jìn)卻不及淹灌。淹灌各處理的穗部干物質(zhì)分配比例均高于間歇灌溉相應(yīng)處理[N2F（0.75）除外]。淹灌緩釋肥W1N2F（1）處理對(duì)穗部干物質(zhì)的促進(jìn)效果最明顯。間歇灌溉緩釋肥條件下隨著施肥量的增加，不僅不會(huì)對(duì)水稻的穗部干物質(zhì)占比起到上升作用，反而會(huì)降低。這與何軍等[21]研究結(jié)論一致，原因?yàn)槭┓柿吭黾?，土壤中水分較少而養(yǎng)分濃度較高，植物根系無(wú)法克服溶質(zhì)勢(shì)能將土壤溶液運(yùn)輸?shù)剿舅氩浚B(yǎng)分吸收欠缺，導(dǎo)致高濃度下穗部干物質(zhì)分配比例偏低。

2.3 不同水肥處理對(duì)稻田土壤TN的影響

圖2為不同水肥處理稻田土壤TN 含量變化。土壤氮素主要來(lái)源是外源氮肥的施用[22]，泡田前土壤為未種植作物和人為耕種的自然土，土壤氮素含量低，可以看出水稻收割后土壤中TN 的含量顯著高于泡田前。W1N1 處理土壤TN 含量為淹灌模式下最高，達(dá)1.38 g/kg，且均顯著高出N2 條件下各處理5.66～208.48% （P＜0.05） [N2F （1.5） 除外]。淹灌模式下，N2 條件下隨著施肥量的增加，各處理呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。N2F（1）條件土壤TN 含量最低，較其他施肥水平處理減少31.0%～192.1%。N2 條件下各處理[N2F（1.5）除外]均無(wú)顯著性。間歇灌溉模式下，W2N1 處理土壤TN 含量最高，為1.74 g/kg，且均顯著高出N2 各處理16.70～291.03%。間歇灌溉下，N2 條件下隨著施肥量的增加，各處理也呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，N2F（1）處理土壤TN 含量最低，較其他施肥水平處理減少69.1%～234.7%，且與N2F（0.5）、N2F（0.75）差異顯著。

圖2 不同水肥處理稻田土壤TN含量變化Fig.2 Changes of TN content in paddy soil under different water and fertilizer treatments

總體來(lái)看，N2 條件下，W1N2F（0.5）、W2N2F（1.5）處理土壤TN 的含量較高，W1N2F（1）、W2N2F（1）TN 含量最低。結(jié)合表2產(chǎn)量分析，W1N2F（0.5）、W2N2F（1.5）處理水稻產(chǎn)量偏低，可能為養(yǎng)分吸收不夠，TN 剩余較多。而N2F（1）處理下TN 的吸收效率最高，水稻穗部干物質(zhì)分配比例和產(chǎn)量較高。緩釋肥N2條件各處理TN均隨著施肥水平呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，分析原因可能與水稻氮代謝酶活性有關(guān)，適度的施氮量有利于氮代謝酶活性的提高，隨施氮量的增加氮代謝酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，過(guò)量或少量施氮都會(huì)降低氮代謝酶的活性，并導(dǎo)致氮代謝失衡[23]。間歇灌溉各處理TN 含量明顯高于淹灌各處理（N2F（1.5）除外），這與孫婉薷等[24]人的研究結(jié)果相似，間歇灌溉可促進(jìn)土壤TN維持。

2.4 不同水肥處理對(duì)稻田土壤TP的影響

圖3為不同水肥處理稻田土壤TP 的含量變化。不同灌溉模式下，收割后土壤中TP的含量與泡田前相比并無(wú)明顯升高。淹灌模式N2條件下，隨著施肥量增加，土壤中TP含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)（W1N2F（1.5）除外）），W1N2F（0.75）處理稻田收割后TP 的含量最高，為0.33 g/kg，相對(duì)泡田前減少了1.56%，顯著高出W1N1 處理65.3%（P＜0.05）。間歇灌溉N2 條件下土壤中TP 的含量隨著各處理施肥量增加而增加，W2N2F（1.5）處理收割后TP 的含量最高，為0.37 g/kg，相對(duì)泡田前增加了26.05%，且顯著高出W2N1 處理101.29%（P＜0.05）。

圖3 不同水肥處理稻田土壤TP含量變化Fig.3 Changes of TP content in paddy soil under different water and fertilizer treatments

總體上W1N2F（0.75）、W2N2F（1.5）處理土壤TP 含量較高，但分析產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，水稻產(chǎn)量較低，原因類(lèi)同TN。緩釋肥增減下TP 的含量在不同灌溉模式呈現(xiàn)不同趨勢(shì)，減量緩釋肥條件下，淹灌下TP 的含量高出間歇灌溉59.7%～165.52%，增量緩釋肥，間歇灌溉TP 含量高出淹灌53.46%～118.36%。原因可能與土壤的吸附性有關(guān)，低施肥量時(shí)，磷素容易被土壤吸附閉蓄，土壤中的磷素積累增多。而淹灌較間歇灌溉更易促進(jìn)磷素下移[25]，隨著施肥量增加，土壤的吸附閉蓄達(dá)到飽和，灌溉滲水將磷素帶入下層土壤，故使土壤磷素偏低。

3 討論與結(jié)論

前人研究認(rèn)為間歇灌溉延緩了水稻根系生命周期，促進(jìn)了水稻分蘗和水稻各器官干物質(zhì)積累，提高了水稻凈光合速率和有效穗數(shù)，從而獲得較高的產(chǎn)量[26]。高捷等[27]人研究表明，緩控釋肥可以滿(mǎn)足水稻全生育期生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)養(yǎng)分的需要，促進(jìn)中后期水稻干物質(zhì)積累，提高源庫(kù)轉(zhuǎn)換率和養(yǎng)分吸收能力，從而提高產(chǎn)量。劉明等[28]人認(rèn)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(shí)，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。本研究表明，間歇灌溉能提高水稻的有效穗數(shù)，但淹灌較間歇灌溉可以更好的增加穗部干物質(zhì)的分配比例和穗數(shù)數(shù)量，適量緩釋肥可以提高土壤的氮磷肥力和穗部干物質(zhì)的積累，進(jìn)而提高水稻的產(chǎn)量。緩釋肥淹灌交互作用良好，W1N2F（1）處理達(dá)最高產(chǎn)量18 170.3 kg/hm2，穗部干物質(zhì)的分配比例達(dá)47.12%，W2N2F（1）處理產(chǎn)量為17 128.4 kg/hm2，穗部干物質(zhì)的分配比例為44.81%。

已有研究表明，相較淹灌，間歇灌溉能較好促進(jìn)和維持稻田耕作上層土壤全氮、全磷含量[25]。WU 認(rèn)為緩釋肥可以提高土壤的養(yǎng)分供給，提高作物的養(yǎng)分利用率[29]。饒繼翔[30]表示，與常規(guī)肥相比，緩釋肥可以有效的維持土壤的肥力，提高植株對(duì)氮磷的吸收效率，進(jìn)而增加植物體的地上生物量。本試驗(yàn)表明，間歇灌溉較淹灌可以更好地促進(jìn)對(duì)土壤中TN 的維持，減量施肥條件下，間歇灌溉較淹灌對(duì)TP 的維持效果更好，過(guò)量施肥條件下則不如淹灌。緩釋肥處理對(duì)土壤中TN 的吸收有促進(jìn)作用，對(duì)TP 的維持效果好于常規(guī)肥。W2N1 處理的土壤TN 含量最高，為1.74 g/kg，W2N2F（1.5）處理TP 的含量明顯高于其他處理，達(dá)0.37 g/kg。

間歇灌溉對(duì)維持土壤中的TN 的含量及提高水稻有效穗數(shù)方面效果明顯，和緩釋肥交互下水稻產(chǎn)量與淹灌差距不大，值得進(jìn)一步關(guān)注。