水氮联合管理对稻田产量及水肥利用效率的影响

杨士红++孙潇++朱艳++徐俊增

摘要：基于田间试验资料，分析不同水氮联合管理对稻田产量及水肥利用效率的影响。结果表明，与常规灌溉稻田相比，节水灌溉在保证水稻产量稳定的前提下，大幅减少稻田的灌水量与耗水量，植株吸氮量略有增加，水、氮利用效率分别提高47.30%、6.47%；实地氮肥管理降低了植株的吸氮量，氮肥利用率显著提高26.50%；节水灌溉与实地氮肥联合应用可明显减少水、氮的投入，产量减少不显著，水、氮利用效率较常规水肥管理稻田显著提高4339%、34.72%。

关键词：节水灌溉；实地氮肥管理；水稻；氮素积累总量；水肥利用效率；产量

中图分类号： S511.06文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）06-0123-03

收稿日期：2015-09-21

基金项目：国家自然科学基金（编号：51209066、51579070）；中央高校业务费项目（编号：2014B17114）；江苏省高校优秀科技创新团队。

作者简介：杨士红（1983—），男，副教授，主要从事节水灌溉与农田生态效应研究。E-mail：ysh7731@hhu.edu.cn。水稻是我国主要粮食作物之一，2013年全国水稻种植面积为3 031.18 万hm2，占粮食作物总种植面积的27.1%，水稻产量占粮食作物总产量的33.83%[1]。为缓解日益尖锐的农业水资源供需矛盾，20世纪90年代以来，各种水稻节水灌溉技术得到大面积推广应用，并取得显著的节水效果[2]。与此同时，在我国水稻生产中，片面追求高产而过量施用化肥引起的农业面源污染问题日益受到关注[3-8]。因此，改进施肥技术在水稻生产中得到研究应用[9-12]。实地氮肥管理是改进施肥技术的一种，在保证水稻产量的同时，可减少氮肥投入以及氮肥损失引起的农业面源污染[13-14]。国内外学者针对实地氮肥应用对水稻生长、氮肥利用及损失等影响进行了大量研究[15-20]，但大多针对淹水灌溉稻田。在节水灌溉条件下，稻田水分状况会发生改变，稻田土壤肥力、水稻吸收养分的能力以及水稻生长发育与产量必然发生变化，节水灌溉与实地氮肥联合应用对水稻生长及肥料在土壤中的迁移转化等有待深入研究。本研究基于现场试验，揭示节水灌溉与实地氮肥管理联合应用对水稻产量、植株吸氮量及水肥利用效率的影响，旨在为提出稻田合理的水肥管理模式、提高水肥利用效率、减少农业面源污染提供科学的依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2008—2010年在河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山试验研究基地进行，该基地位于34°63′21″ N、121°05′22″ E，属亚热带南部季风气候区，年平均气温15.5 ℃，年降水量1 097.1 mm，年蒸发量1 365.9 mm，日照时数2 085.9 h，平均无霜期234 d。土壤为潴育型黄泥土，耕层土壤为重壤土，土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为21.88、1.08、1.35、20.86 g/kg，pH值为7.4，0～30 cm土壤容重1.32 g/cm3。试验区实行稻麦轮作。

1.2试验设计

试验采用裂区设计，采取2种灌水方式：淹水灌溉，简称淹灌，记为F；控制灌溉，简称控灌，记为C；2种施肥方式：实地氮肥管理（SSNM）；农民习惯施肥管理（FFP）。试验设计4个处理，分别为FS（淹灌、实地氮肥管理）、FF（淹灌、习惯施肥管理）、CS（控灌、实地氮肥管理）、CF（控灌、习惯施肥管理）。重复3次。每小区面积为150 m2，长、宽分别为20、7.5 m，各小区之间从田埂边向地下内嵌50 cm深的塑料防渗膜，防止小区间的水分交换。

水稻常规灌溉模式按当地水稻种植习惯管理，除分蘖后期排水晒田和黄熟期自然落干外，其余各生育阶段田间均保留3～5 cm水层。水稻控制灌溉模式是在秧苗本田移栽后，田面保留浅薄水层返青，其后各生育阶段的灌水田面均不建立水层，以根层土壤水分为控制指标，确定灌水时间和灌水定额[21]。农民习惯施肥管理是根据当地农民的习惯施肥方法和施肥量进行施肥（表1）。实地氮肥管理是以叶绿素相对含量（SPAD）值作为控制指标，对水稻供氮进行实时调整[22-23]。各处理2008年、2009年均分别施用56.25 kg/hm2的磷肥和钾肥；2010年施用36 kg/hm2磷肥和51 kg/hm2钾肥。

1.3测定项目与测定方法

稻季末，各处理取2株有代表性的植株，分别测定植株茎、叶片、叶鞘、穗、根系及总干物质的质量。干物质样品装入信封，编号；粉碎，经浓H2SO4-H2O2消煮，采用靛酚蓝比色法测定全氮含量。各小区单打单收，分别装袋；晒干，测定质量。

各小区灌溉管道安装水表，测量每次灌溉水量；采用竖尺，每天测量田面水层深度。田间排水量根据排水前后田间水层变化计算。各小区的根系观测层预埋TDR探头，在田间无水层时，每天利用美国Soil Moisture公司产Trease系统观测不同土层的土壤体积含水率。采用澳大利亚ICT公司生产的自动气象站监测降水时间及降水量。田间耗水量通过水量平衡方程计算[24]。统计水分生产效率（WUEWC）、氮肥吸收利用率（RE），计算公式为：

WUEWC=EY/WC

，

式中，EY为实际产量，WC为耗水量。

RE=（施氮区作物氮素积累量-氮空白区作物氮素积累量）/施用总氮量×100%。

1.4数据统计与制图

数据采用Microsoft Excel 2003、SPSS 17.0进行统计分析，采用Microsoft Excel 2003绘制图表。

2结果与分析

2.1水氮联合管理对水稻产量的影响

由表2可见，控制灌溉可明显减少水稻的用水量，实地氮肥管理可明显降低稻田的氮肥施用量，但水稻产量的增减影响不显著，且不同年份对水稻产量的影响基本一致；农民习惯施肥管理条件下，2008—2010年控制灌溉的水稻产量分别为6 956.43、9 889.74、9 359.23 kg/hm2，与常规灌溉相比，2008、2009年水稻产量分别降低2.87%、4.32%，2010年增加 1.04%；实地氮肥管理条件下，2008、2009年控制灌溉的水稻产量分别为6 603.90、9 648.97 kg/hm2，分别较常规灌溉降低5.00%、3.36%，较农民习惯施肥管理分别降低7.79%、6.64%，2010年控制灌溉的水稻产量为9 168.53 kg/hm2，较常规灌溉稻田增加1.12%、较农民习惯施肥管理降低 1.02%。3年试验结果表明，不同氮肥管理条件下，节水灌溉的水稻平均产量为8 604.47 kg/hm2，较常规灌溉水稻降低189.43 kg/hm2，下降幅度为2.15%，影响不显著；不同水分管理条件下，实地氮肥管理稻田的水稻平均产量为 8 570.68 kg/hm2，较农民习惯施肥管理水稻产量降低 257.01 kg/hm2，下降幅度为2.91%；控制灌溉与实地氮肥管理相结合的水氮联合调控的稻田，其水稻平均产量为 8 473.80 kg/hm2，较常规水肥管理稻田降低5.00%。

2.2水氮联合管理对水稻水分生产效率的影响

由表2可见，2008—2010年，节水灌溉稻田的灌水量与耗水量较常规灌溉稻田有明显降低，控制灌溉稻田3年的平均灌水量与耗水量分别为318.43、791.81 mm，分别较常规灌溉稻田减少55.32%、33.71%，节水灌溉水稻的水分生产效率明显高于常规灌溉水稻；农民习惯施肥管理条件下控制灌溉水稻的平均WUEWC值为1.11 kg/m3，较常规灌溉水稻提高48.00%；实地氮肥管理条件下控制灌溉水稻的平均WUEWC值为1.08 kg/m3，较实地氮肥常规灌溉、习惯水肥管理水稻的平均WUEWC值分别提高47.95%、43.39%；控制灌溉不同氮肥管理水稻的平均WUEWC值为1.09 kg/m3，较常规灌溉水稻提高47.30%；不同水分管理条件下，实地氮肥管理水稻的平均WUEWC值为0.91 kg/m3，较农民习惯施肥管理的水稻降低

2.15%。因此，节水灌溉与实地氮肥管理的水氮联合调控，可明显提高水稻的水分利用效率，其中，水分对水稻的水分利用效率影响相对较大，氮肥管理方式影响则相对较小。

2.3水氮联合管理对水稻吸氮量的影响

由表3可见，相同氮肥管理条件下，控制灌溉水稻的氮素积累总量要大于常规灌溉水稻，但相互间影响不显著，实地氮肥管理稻田的水稻氮素积累总量显著低于农民习惯施肥管理的水稻，降低幅度为17.91%～30.57%；农民习惯施肥管理条件下，2008—2010年控制灌溉水稻的氮素积累总量分别为184.27、179.19、175.64 kg/hm2，分别较常规灌溉水稻增加 3.63%、1.68%、2.76%；实地氮肥管理条件下，控制灌溉水稻的氮素积累总量分别为127.94、147.10、140.04 kg/hm2，分别较常规灌溉水稻增加2.94%、2.11%、0.35%；节水灌溉与实地氮肥联合管理水稻的3年平均氮素积累总量为 138.36 kg/hm2，较常规水肥管理的水稻降低20.93%。

2.4不同水氮联合管理稻田氮肥利用率差异

由表4可见，不同氮肥管理条件下，控制灌溉的水稻氮肥吸收利用率为33.19%～48.29%，明显高于常规灌溉稻田的31.02%～45.47%，平均升高6.47百分点；水稻氮肥吸收利用率随施肥量的增加而降低，处理间差异显著（P<0.05），实地氮肥管理显著提高水稻的氮肥吸收利用率；2008年农民习惯施肥管理稻田的氮肥施用量相对最大，其氮肥吸收利用率最低，常规灌溉、控制灌溉分别为31.02%、33.19%，2009、2010年稻田的氮肥施用量有所降低，2010年农民习惯施肥管理稻田全生育期的氮素施用量仅为 302.70 kg/hm2（表1），但水稻氮肥吸收利用率仍未超过40%，这可能是由于苏南地区水稻生产过程中，农民习惯施氮量处于较高水平，现阶段氮肥的大量投入并未导致水稻植株的大量吸收，大量的氮素通过氨挥发、径流及淋溶等途径进入大气、地下及地表水体，也进一步造成大气污染及周围水环境的富营养化；实地氮肥的应用显著提高稻田的氮肥利用率，2008、2009年实地氮肥管理的水稻氮肥吸收利用率分别为44.19%、45.47%，与常规灌溉、习惯施肥管理相比分别显著提高13.17、9.66百分点，2010年实地氮肥管理的水稻氮肥吸收利用率为39.75%，较常规灌溉、习惯施肥管理的水稻提高3.38百分点；控灌、实地氮肥管理的水稻与控灌、习惯施肥管理的水稻相比，2008、2009年氮肥吸收利用率分别显著提高了14.66、10.90百分点，2010年提高了2.71百分点，影响不显著；优化施肥管理与节水灌溉的联合调控显著提高水稻的氮肥吸收利用率，与常规水肥管理稻田相比，节水灌溉与实地氮肥管理相结合的水肥联合调控稻田氮肥吸收利用率升高幅度为34.72%。

3结论

控制灌溉可大幅度节水，促进水稻植株对氮素的吸收，水分利用率和氮肥吸收利用率均明显提高，但对水稻产量的增减影响不显著。以田间耗水量计算，控制灌溉稻田的水分生产效率较常规灌溉稻田提高47.30%；控制灌溉的稻田氮素利用率为33.19%～48.29%，较常规灌溉稻田平均提高6.47百分点。实地氮肥管理降低了植株的吸氮量，水稻氮肥利用率得到显著提高，常规灌溉下，实地氮肥管理水稻较农民习惯性施肥管理水稻的氮素吸收率降低2.69%，氮肥利用效率显著提高26.24%；节水灌溉下，水稻氮素吸收率降低 1.80%，氮肥利用效率显著提高26.75%。节水灌溉、实地氮肥的应用大可幅减少水分和氮素的投入，抑制了水稻对氮素的奢侈吸收，较常规水肥管理水稻的水分生产效率提高 43.39%，氮素利用率提高34.72%，显著提高了水稻的水分生产效率和氮肥吸收利用率。

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