不同旱作節(jié)水灌溉條件對土壤理化性質(zhì)及水稻產(chǎn)量的影響

何進宇，劉飛楊，馬 波，王斌

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021)

關(guān)鍵字:水稻；旱作；節(jié)水灌溉；覆膜滴灌；土壤理化性質(zhì)；產(chǎn)量

水稻作為標(biāo)志性糧食作物，在寧夏糧食生產(chǎn)和國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的位置[1]。寧夏銀川平原屬于干旱地區(qū)，年均降水量偏少且分布不均，造成春旱接連夏旱，同時強烈蒸發(fā)造成水資源嚴(yán)重浪費，導(dǎo)致傳統(tǒng)稻田出現(xiàn)土壤板結(jié)、土壤肥力降低和次生鹽漬化等問題，嚴(yán)重影響了該地區(qū)水稻的可持續(xù)發(fā)展[2]；此外，低溫冷涼、積溫不足，也是限制該地區(qū)水稻生產(chǎn)的主要因素[3-4]。水稻旱作可有效緩解土壤板結(jié)，增加土壤通透性，提高土壤蓄水能力和作物水分利用效率[5-6]。前人研究多側(cè)重單一的水稻耕作方式對土壤環(huán)境和產(chǎn)量的影響，研究周期相對較短[7-8]。針對旱作、覆膜、滴灌等耕作覆蓋技術(shù)相結(jié)合下較長周期內(nèi)土壤水肥熱及水稻產(chǎn)量變化的研究鮮有報道。本研究采用水稻不同耕作處理及地膜覆蓋相結(jié)合的模式，分析耕作處理、地膜覆蓋及二者交互對寧夏旱區(qū)土壤理化性狀及水稻產(chǎn)量變化的影響，以期明確適合該地區(qū)的蓄水保墑、增溫穩(wěn)溫、培肥地力和節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)高效土壤耕作覆蓋措施，為寧夏干旱地區(qū)旱作水稻可持續(xù)發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017—2019年在寧夏暖泉農(nóng)場試驗基地(38°39′N，106°41′E，海拔1 010 m)進行，該地區(qū)屬于典型的干旱地區(qū)，年平均降水量188.5 mm，年平均日照時數(shù)2 858.2 h，年平均蒸發(fā)量1 950 mm，年平均氣溫10.7℃，晝夜溫差大。供試土壤為灌淤土，2017年播種前耕層(0～60 cm)土壤有機質(zhì)含量為11.7 g·kg-1，全氮為0.57 g·kg-1，全磷為0.73 g·kg-1，全鉀為24.1 g·kg-1，堿解氮為52.8 mg·kg-1，速效磷為9.6 mg·kg-1，速效鉀為155.4 mg·kg-1，pH值8.57，田間持水量為25.2%。

1.2 試驗設(shè)計

大田試驗采用三因素對比設(shè)計，試驗因素為不同旱作節(jié)灌方式，因素1：播后上水旱直播(Irrigation after dry farming sowing，IDFS)，此方法為在機械直播后立即上水并保持薄水層；因素2：保墑旱直播(Moisture-saving dry direct seeding，MDDS)，此方法為在保持土壤墑情條件下進行機械旱直播，當(dāng)水稻生長至3～4片葉時建立水層；因素3：覆膜滴灌旱作(Farming with mulch drip irrigation，F(xiàn)MDI)，此方法為采用一壟兩行覆膜種植，利用滴灌帶進行濕潤灌溉。每個節(jié)灌方式設(shè)置1個試驗小區(qū)，面積為660 m2(22 m×30 m)，重復(fù)3次。供試水稻品種為富源4號(96D10)，屬于粳稻型，全生育期150 d左右。2017—2019年播種期分別為5月3日、5月1日和5月2日，出苗期分別為5月24日、5月23日和5月26日，測產(chǎn)收獲期分別為10月5日、10月3日和10月4日。IDFS和MDDS水源來自引黃自流灌溉，IDFS全生育期灌溉定額為1 200 m3·hm-2，MDDS全生育期灌溉定額為1 000 m3·hm-2;FMDI水源來自水泵抽取試驗點地下水，經(jīng)首部樞紐過濾器過濾泥沙后進行滴灌，全生育期灌溉定額為800 m3·hm-2。供試氮肥為水溶性尿素(N:180 kg·hm-2)，磷肥為過磷酸鈣(P2O5:90 kg·hm-2)，鉀肥為氯化鉀(K2O:180 kg·hm-2)，以基肥方式在播種時全部施入土壤，旋耕深度均保持30 cm，其余田間中耕管理措施保持一致。

1.3 測定項目及方法

土壤水分及水分利用效率：采用烘干法定期測定0～60 cm土層土壤含水量；水分利用效率(WUE，kg·m-3)=水稻經(jīng)濟產(chǎn)量/生育期耗水量。

水稻耗水量：耗水量可根據(jù)整個生育期中任何一個時段(t)土壤計劃濕潤層(H)內(nèi)儲水量的變化，用水量平衡方程表示：

ET=P+K+M-(Wt-W0)

式中，ET為時段t內(nèi)的作物耗水量(m3·hm-2)；P為時段t內(nèi)的有效雨量(m3·hm-2)；K為時段t內(nèi)的地下水補給量(m3·hm-2)；M為時段t內(nèi)的灌溉水量(m3·hm-2)；W0、Wt分別為時段初和時段t時計劃濕潤層H的儲水量(m3·hm-2)。

土壤溫度：在每個小區(qū)分別埋設(shè)3組地溫計測定水稻分蘗期0～10 cm土層土壤溫度。

土壤緊實度：利用SC-900土壤緊實度儀于水稻分蘗期(2017-06-04、2018-06-03、2019-06-06)對不同處理0～60 cm土層土壤緊實度進行測定。

土壤養(yǎng)分：在水稻分蘗期，分層采集0～60 cm土層土壤樣品，測定有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量，土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮采用凱氏定氮法測定，全磷采用鉬銻抗比色法測定，全鉀采用火焰光度法測定[9]。

考種與產(chǎn)量：水稻成熟后，每個處理小區(qū)內(nèi)分3個不同位置各采3組樣品，自然晾干后，進行考種，分別測定株高、單株地上部干重、千粒重、飽籽率、經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量等指標(biāo)，并計算收獲指數(shù)(收獲指數(shù)=經(jīng)濟產(chǎn)量/生物產(chǎn)量)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Office Excel 2019和SPSS 19軟件進行數(shù)據(jù)處理及分析，采用最小顯著差異法(Least Significant Difference，LSD)進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對表層土壤溫度的影響

由表1可知，F(xiàn)MDI較IDFS和MDDS顯著提高了水稻分蘗期土壤表層(0～10 cm)日平均地溫，其中2017年日平均地溫分別提高了1.5℃和0.7℃，2018年分別提高了1.2℃和0.6℃，2019年分別提高了1.4℃和0.6℃；由于不同年份氣溫不同，以及連續(xù)相同耕作覆蓋方式使得稻田土壤物理結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度變化[10-11]，因此不同年份地溫變化幅度不同，但整體趨勢一致，地膜覆蓋顯著改善了土壤熱量[12-13]，F(xiàn)MDI處理3年平均較IDFS和MDDS使分蘗期土壤表層(0～10 cm)日平均地溫增加1.7℃。

表1 不同處理水稻分蘗期土壤表層(0～10 cm)日平均地溫/℃Table 1 Daily average ground temperature of 0～10 cm soil surface layer at tillering stage of rice under different treatments

2.2 不同處理對水稻分蘗期土壤含水量的影響

由表2可知，IDFS和MDDS采用“淺-薄-濕-曬”水分控制方式，故在分蘗期處于自然落干狀態(tài)，土壤水分基本保持在90%田間持水量水平。FMDI控制灌溉水平為80%田間持水量，但由于覆膜對土壤具有較好的蓄水保墑效應(yīng)[14]，故在非充分灌溉條件下，依然可以保持>80%田間持水量，結(jié)合本團隊前期膜下滴灌旱作水稻水分生產(chǎn)函數(shù)模型試驗結(jié)論，當(dāng)土壤水分保持在80%田間持水量以上，其產(chǎn)量和品質(zhì)不降反增[15]。

表2 不同處理水稻分蘗期0～60 cm土層土壤平均含水量/%Table 2 Average soil water content of 0～60 cm layer under different treatments at tillering stage of rice

2.3 不同處理對水稻分蘗期土壤緊實度的影響

2017—2019年稻田0～60 cm土層土壤緊實度結(jié)果表明(圖1)，F(xiàn)MDI土壤緊實度顯著低于IDFS和MDDS，尤其在表層土壤較為明顯，可能是因為IDFS和MDDS在建立水層落干后，土壤板結(jié)更為嚴(yán)重[16]。2017年IDFS和MDDS分別比FMDI平均高出1.45倍和1.50倍；2018年IDFS和MDDS分別比FMDI平均高出1.55倍和1.52倍；2019年IDFS和MDDS分別比FMDI平均高出1.48倍和1.50倍。同時，隨著耕作年限的增加，不同耕作覆蓋處理對深層土壤影響差距逐漸顯現(xiàn)，3年MDDS 30～60 cm土層土壤緊實度比FMDI平均依次高出1.11倍、1.18倍和1.21倍；IDFS 30～60 cm土層土壤緊實度比FMDI平均依次高出1.02倍、1.15倍和1.2倍。其中深層土壤最大差距出現(xiàn)在2019年10～20 cm處，此時IDFS和MDDS土壤緊實度分別比FMDI平均高出1.74倍和1.77倍。

圖1 不同處理水稻分蘗期0～60 cm土層土壤緊實度Fig.1 Soil compaction of 0～60 cm depth under different treatments at tillering stage of rice

2.4 不同處理對水稻0～20 cm土層土壤肥力的影響

連續(xù)3 a不同耕作覆蓋處理后，稻田土壤肥力狀況顯著不同(表3)，F(xiàn)MDI處理0～20 cm土層土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀較其他2種耕作處理均有顯著(P<0.05)增加。2019年FMDI土壤有機質(zhì)較MDDS和IDFS分別提高7.8%和6.8%，F(xiàn)MDI全氮較MDDS和IDFS分別提高8.9%和7.0%，F(xiàn)MDI全磷較MDDS和IDFS分別提高2.7%和5.6%，F(xiàn)MDI全鉀較MDDS和IDFS分別提高4.5%和5.8%。

表3 2019年不同處理水稻分蘗期0～20 cm土層土壤有機質(zhì)和全量養(yǎng)分含量/(g·kg-1)Table 3 Soil organic matter and total nutrient content in 0～20 cm layer of rice tillering stage under different treatments in 2019

2.5 不同處理對水稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響

如表4所示，與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)水稻多年平均經(jīng)濟產(chǎn)量(6 256.85 kg·hm-2)相比，不同年份旱作節(jié)灌方式均有顯著(P<0.05)增產(chǎn)效果，增產(chǎn)效果依次是FMDI>IDFS>MDDS。2017年FMDI較MDDS和IDFS經(jīng)濟產(chǎn)量分別增加6.57%和4.61%，2018年FMDI較MDDS和IDFS經(jīng)濟產(chǎn)量分別增加12.43%和2.41%，2019年FMDI較MDDS和IDFS經(jīng)濟產(chǎn)量分別增加12.96%和4.06%；由于不同年度土壤水熱條件不同，增產(chǎn)幅度有所不同。2018年土壤溫度較低，F(xiàn)MDI處理蓄水保墑作用不明顯，因此增產(chǎn)幅度略低。FMDI處理產(chǎn)量的增加，主要是由于飽籽率和千粒重的增加，通過產(chǎn)量構(gòu)成因素的積累，較MDDS顯著增加了經(jīng)濟產(chǎn)量；而株高和地上部干重與IDFS之間差異不顯著，導(dǎo)致這2種旱作節(jié)灌方式處理間生物產(chǎn)量差異不顯著。受經(jīng)濟產(chǎn)量的直接影響，F(xiàn)MDI收獲指數(shù)較IDFS有所提升，但顯著高于MDDS；2017年FMDI較MDDS和IDFS收獲指數(shù)分別提高5.57%和2.09%，2018年分別提高9.80%和4.47%，2019年分別提高11.52%和5.29%。所有處理中FMDI處理的經(jīng)濟產(chǎn)量和收獲指數(shù)最高。

表4 2017—2019年不同處理水稻產(chǎn)量構(gòu)成和相關(guān)性狀Table 4 Yield components and related shapes of rice under different treatments in 2017-2019

2.6 不同處理對水稻耗水量和水分利用效率的影響

如圖2所示，2017—2019年份間不同耕作覆蓋處理下耗水量不同，導(dǎo)致水稻在生產(chǎn)水平上的水分利用效率顯著(P<0.05)不同。IDFS水分利用效率顯著高于MDDS，3年增幅分別為7.0%、8.0%和3.0%；而FMDI節(jié)水效果明顯，在僅有一半耗水量的情況下，依然可以達到較高的產(chǎn)量，故其水分利用效率顯著提高，F(xiàn)MDI的水分利用效率較MDDS處理3年增幅分別為54.0%、60.0%和56.0%，故在節(jié)水保產(chǎn)為目標(biāo)的情況下，F(xiàn)MDI處理是較好的水稻旱作節(jié)灌方式。

3 討 論

低溫冷涼、積溫不足是限制寧夏寒、旱地區(qū)糧食作物增產(chǎn)的一個重要因素，水稻作為喜溫作物，對低溫環(huán)境的耐受程度較差，即使較小幅度的溫差，也會對水稻的生長造成顯著影響[17-18]。水具有較高比熱值，隨環(huán)境溫度變化，水層可對水稻秧苗起到保護作用，而覆膜能更好地達到保水保墑保溫的效果。本研究表明，覆膜處理3 a平均較不覆膜處理增加水稻分蘗期表層(0～10 cm)日平均地溫1.7℃。這可能是因為土壤溫度主要受土壤熱容量與熱傳導(dǎo)率影響，土壤顆粒與水分相比，具有較低的熱容量和較高的熱傳導(dǎo)率，造成土壤含水量較高，土壤的溫度變化幅度較小。地膜覆蓋顯著的增溫作用和前人的研究結(jié)果相同[19-20]。

合理的耕作覆蓋方式有利于改善播期耕層土壤水分狀況[21]，為旱作水稻的出苗保苗和分蘗拔節(jié)創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。本試驗結(jié)果表明，保墑旱直播和播后上水旱直播方式因為具有較高的灌溉水量，其土壤水分狀況保持在較高的水平，但會增加土壤的表層水分無效蒸發(fā)[22]；而覆膜滴灌方式由于較好的蓄水保墑能力[23]，即使在非充分灌溉的條件下，依然可以讓土壤水分保持在滿足水稻生長的水平，起到了較好的節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)效果。

土壤緊實度是直接關(guān)系到作物出苗與根系生長的關(guān)鍵因素[24]，其過高或過低都不利于旱作水稻的出苗保苗以及生長發(fā)育。本試驗結(jié)果表明，3 a保墑旱直播和播后上水旱直播0～30 cm土層土壤緊實度比覆膜滴灌旱作平均高出1.45倍、1.51倍，30～60 cm土層土壤緊實度比覆膜滴灌旱作平均高出1.17倍、1.13倍；這說明在同樣旋耕30 cm的條件下，覆膜滴灌旱作方式可較好地保持表層土壤通氣性，但在深層土壤中，并未打破犁底層，建議通過深松來打破舊犁底層，增加耕層厚度，構(gòu)造新的犁底層，結(jié)合FMDI，達到蓄墑保墑保肥的目的。

本試驗結(jié)果表明，覆膜滴灌旱作較保墑旱直播及播后上水旱直播方式，其全氮含量顯著提高，這是因為地膜覆蓋能增加耕層土壤全效養(yǎng)分的含量[25]，其增溫保墑效應(yīng)促進了土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、釋放和吸收[26]。合理的耕作方式和覆蓋不但可以改善土壤的水、肥、氣和熱狀況，同時有利于作物的生長發(fā)育，最終提高旱地作物的產(chǎn)量。本試驗中，覆膜滴灌方式具有蓄水保墑、增溫穩(wěn)溫和培肥土壤等效應(yīng)，因此其連續(xù)3 a水稻經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均較保墑旱直播方式顯著增加，增產(chǎn)原因主要是飽籽率和千粒重的增加。又因為覆膜滴灌具有較好的節(jié)水效果，故其水分利用效率也明顯優(yōu)于其他2種種植方式，地膜覆蓋的增溫保墑節(jié)水和提質(zhì)增產(chǎn)效應(yīng)再一次得到驗證。

4 結(jié) 論

與保墑旱直播及播后上水旱直播方式相比，覆膜滴灌旱作方式在寧夏銀川平原地區(qū)，可協(xié)調(diào)土壤水-肥-氣-熱關(guān)系，起到蓄水保墑、增溫穩(wěn)溫和培肥地力的作用，最終達到增產(chǎn)節(jié)水的目的，是目前低溫冷涼、春旱頻發(fā)和土壤肥力持續(xù)下降地區(qū)較為理想的水稻節(jié)灌種植方式，本試驗中采用的一壟兩行覆膜滴灌方式是較為推薦的節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)措施。