不同水肥综合调控模式下水稻生长特征、水肥利用率及氮磷流失规律

刘路广，陈 扬，吴 瑕，余乾安，潘少斌，杨小伟，王 敬，王丽红

(1.湖北省水利水电科学研究院，武汉 430070；2.湖北省节约用水研究中心，武汉 430070；3.中建三局绿色产业投资有限公司，武汉 430056；4.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉，430070；5.湖北水利水电职业技术学院，武汉 430070)

0 引 言

水稻是我国主要的粮食作物之一，其总产量占到了全国粮食作物总产量的40%左右[1,2]，同时水稻也是农业中耗水量最大的作物，稻田灌溉用水量占农业总用水量的65%以上[3,4]。由于水稻主要分布于南方地区，水稻生育期内降雨一般较为充沛但分布极不均匀，雨水往往没有被充分利用，反而造成了田间养分的流失[5,6]。肥料的施用对水稻产量的形成有重要意义，也是水稻生产投入成本的主要部分[7]。氮肥在化肥中投入量占比最大，全国平均单季水稻氮肥施用水平为180 kg/hm2，约为世界平均水平的1.75倍[10-13]，氮肥平均农学利用率(单位施氮肥量增加的产量)不到农业发达国家的50%[14]，氮肥中的很大部分通过挥发、径流、淋溶等途径流失到地表水、地下水及大气中[15]，破坏了水生生态系统的平衡[16,17]，造成了严重的水体、土壤污染[18]与温室气体的大量排放[19,20]。基于以上问题及现状，如何实现产量、水肥利用率及环境效应的协同提高是田间水肥调控的核心问题，也是国内外研究的热点问题[21-24]。为解决该问题，需要进一步探明水稻生长与水分养分之间的作用机制，充分发挥水肥耦合效应在高产前提下达到节水、减排的目的，因此，开展田间水肥调控试验研究对节约水肥资源与环境保护方面都具有十分重要的科学与应用价值。

1 试验设计

1.1 试验处理

该试验在湖北省中心站试验小区内进行。试验处理主要考虑灌溉模式、施肥水平和施肥方式3个因素，其中施肥水平和施肥方式仅针对氮肥开展处理设计，磷肥和钾肥施肥水平及施肥方式与农民现有施肥习惯一致。

灌溉模式：常规淹灌模式(W0)、间歇灌溉模式(W1)、蓄雨型间歇灌溉模式(W2)。不同灌溉模式稻田水层控制标准见表1。

表1 不同灌溉模式全生育期水层控制标准

施氮水平：不施氮肥处理(N0)、当地实际施氮水平(N1)：180 kg/hm2(折纯量，下同)、当地施氮水平的75%(N2)：135 kg/hm2。磷肥及钾肥所有处理施肥量均相同，磷肥(P2O5)施肥量40 kg/hm2，钾肥(K2O)施肥量70 kg/hm2。

施肥方式：基肥+一次追肥(基肥∶蘖肥=50%∶50%)F1、基肥+二次追肥(基肥∶蘖肥∶穗肥=50%∶30%∶20%)F2。氮肥施基肥时使用碳酸氢铵，施追肥时使用尿素；磷肥与钾肥于施基肥时全部一次施入，磷肥使用过磷酸钙，钾肥使用氯化钾。基肥在整田插秧时施入，孽肥在插秧后15 d左右施入，穗肥在插秧后60 d左右施入。

由于场地有限，对于蓄雨型间歇灌溉模式(W2)，只进行不施氮肥N0与施氮肥N1F2处理。田间小区试验共计12个处理，每个处理重复数为3，共计使用36个试验小区。

1.2 采样分析方法

灌水量、排水量均可通过灌(排)水前后田间水层深度的差值进行计算，田间耗水量通过观测逐日(每日上午8时)水层变化量进行计算。水位观测采样人工观测与HOBO自记水位计相互校核。深层渗漏量通过每隔5～7 d观测测渗筒内水深变化获得。作物需水量通过逐日田间耗水量减去逐日田间渗漏量得到。

水稻生育期划分根据《灌溉试验规范》(SL 13-2015)规定进行；物候观测从返青期开始，约10 d左右观测1次水稻分蘖数及株高，然后按小区平均分蘖数取典型植株3蔸，进行叶面积指数、干物质积累量调查。测产考种于收获前1 d开展，每个小区调查有效穗数30蔸，取代表植株5蔸考种，考察每蔸有效穗数、总粒数、空粒数、实粒数、结实率、千粒重；收获时，每个小区取中间3个1 m2区域进行测产。

田面水样取样：在施肥后的第1、3、5、7、9 d及田间排水后进行取样，水稻每个生育期至少取样一次，化验分析在取样后24 h内完成，水样多时置于4 ℃环境下低温保存。

渗漏水样取样：在每个试验小区布置穿过耕作层的PVC管(埋藏深度20、40、60 cm)，管下部打数个小孔收集渗漏水，每次取样时提前用小型手提式水泵抽干管内水，4～5 h后使用水泵再进行取样，取样时间与田面水取样时间相同。

水样TN浓度测定采用碱性过硫酸钾消解，紫外分光光度计测定方法；TP浓度测定采用过硫酸钾消解，钼酸抗显色，分光光度计测定方法；硝态氮测定采用紫外分光光度计测定方法；铵态氮测定采用纳氏试剂显色，紫外分光光度计测定方法。

各试验小区在泡田前和收割后使用土钻分耕作层上层(0～20 cm)、下层(20～40 cm)采集土样，在每个小区中间部位取样，将土样混合、风干后对其总氮、总磷含量进行测定。土样TN含量测定采用H2SO4消化土样，自动定氮仪蒸馏，酸式滴定管滴定方法(半微量凯氏法)；土样TP含量测定采用HClO-H2SO4消化土样，钼酸抗显色，紫外分光光度计测定方法。

水稻氮磷观测指标包括水稻地上各部分总氮、总磷含量。收割后按平均分蘖数取植株样3蔸，洗净烘干后分为茎杆、叶、籽粒三部分进行总氮、总磷含量测定。植株TN测定采用浓硫酸、过氧化氢联合氧化，自动定氮仪蒸馏，酸式滴定管滴定方法；植株TP测定采用浓硫酸、过氧化氢联合氧化，钼锑抗显色，紫外分光光度计测定方法。

2 不同水肥调控模式下水稻生长特性指标及产量

2.1 不同水肥处理水稻分蘖数

不同水肥处理水稻分蘖数动态变化见图1(a)。由图1(a)可知，不同水肥处理下水稻分蘖数变化趋势并不相同，其变化趋势差异主要由灌溉模式不同而引起。常规淹灌(W0)下水稻分蘖数从返青期开始不断增长至分蘖后期达到最大，拔节孕穗期至抽穗开花期有较大幅度的下降，之后保持相对稳定；间歇灌溉(W1)下分蘖数从返青期开始不断增长至拔节孕穗期达到最大，抽穗开花期略有下降，之后保持相对稳定；蓄雨型间歇灌溉(W2)下分蘖数变化趋势介于W0与W1之间，分蘖数从返青期增加至分蘖后期达到最大，拔节孕穗期至抽穗开花期略有下降，之后保持相对稳定。

图1 不同水肥处理水稻生长特性及产量

同一施肥模式，生育前期(返青期～分蘖期)W1、W2下水稻分蘖数均小于W0；生育中后期(拔节孕穗期～黄熟期)W1、W2下N1F1、N2F1、N2F2处理分蘖数不断接近并最后超过W0，而W1、W2下N1F2处理分蘖数仍小于W0。表明W1、W2下适当的干湿交替对生育前期水稻分蘖产生形成了一定抑制，有效控制了无效分蘖，有利于中后期分蘖数的维持与稳定，W0下稻田水分充足，使水稻产生了过多的分蘖数，生育中后期水稻水分或养分受限时分蘖数易快速下降。与W1相比，W2下施氮肥处理分蘖数略大于W1，不施氮肥处理W2分蘖数普遍小于W1。表明施氮肥下由于分蘖期降雨较集中，W2较W1田间水分更为充足，促进了水稻的分蘖；不施氮肥下水稻缺少养分根系发育不良，W2较大的蓄水深度给水稻生长发育带来了明显不利影响。

不同施氮水平下，施氮肥处理水稻分蘖数显著大于不施氮肥处理，且低施氮组分蘖数均小于高施氮组。表明在一定范围内增加施氮量可有效促进水稻分蘖的产生与维持。不同施肥次数下，除W0N2处理外，二次追肥下水稻生育前期分蘖数均低于一次追肥，但黄熟期二次追肥与一次追肥差异不大甚至略有超过，而二次追肥下W0N2处理全生育期分蘖数均较显著低于一次追肥。因此一定施氮水平下增加追肥次数可有效控制无效分蘖的产生，但同时需考虑到水稻各生育阶段的基本养分需求。

2.2 不同水肥处理水稻株高

不同水肥处理水稻各生育期株高动态变化见图1(b)。由图1(b)可知，不同水肥处理株高总体变化趋势基本一致：株高从返青期至乳熟期不断增长，黄熟期保持稳定。

同一施肥模式不同灌溉模式下，W1、W2下水稻株高生育前期均略低于W0，生育中后期逐渐接近W0甚至略有超过，表明W1、W2下水稻生育前期由于一定的干旱胁迫株高略小于淹灌，但生育中后期水稻的株高增长有明显反弹。与W1相比，W2下施氮处理生育前期水稻株高略高于W1，生育中后期株高基本与W1保持一致；W2下不施氮肥处理生育前期与W1差异不大，生育中后期略低于W1处理。

不同施氮水平下，施氮肥处理水稻株高均明显高于不施肥氮肥处理；低施氮量处理相较于高施氮量处理，一次追肥下低施氮量处理株高与高施氮量处理差异不大，但二次追肥下低施氮量处理株高明显低于高施氮量处理。表明一定范围内降低施氮量对株高的影响不明显，但施氮量降低到使水稻生育某一阶段缺少养分时，对水稻的株高增长会产生明显的抑制。

不同施肥次数下，高施氮量下二次追肥处理与一次追肥处理水稻株高之间差异性很小，但低施氮量下二次追肥处理株高明显低于一次追肥处理。表明在一定施氮水平下，增加追肥次数对水稻株高增长影响不大，但增加追肥次数使水稻生育某一阶段缺少养分时，会对水稻的株高增长产生一定的抑制。

2.3 不同水肥处理水稻叶面积指数

不同水肥处理水稻叶面积指数变化见图1(c)。由图1(c)可知，不同水肥处理下LAI变化趋势大致相同：LAI从返青期至拔节孕穗期水稻快速上升达到峰值，拔节孕穗期至黄熟期缓慢下降。表明水稻叶片部分的生长主要在返青期至拔节期孕穗期，之后叶片生长速率逐渐小于衰老速率，LAI不断下降。

同一施肥模式不同灌溉模式下，W1、W2下水稻LAI全生育期LAI均普遍小于W0，拔节孕穗期相差达到最大，之后不断减小。与W1相比，W2下施氮肥处理LAI全生育期均大于W1处理，且W2下黄熟期水稻LAI明显高于W1处理；W2下不施氮肥处理水稻全生育期LAI基本小于W1。

不同施氮水平下，施氮肥处理水稻LAI均明显高于不施肥氮肥处理，且LAI有随着施氮量增加而增加的趋势。这说明一定范围内增施氮肥有利于水稻LAI的增长与保持。不同施肥次数下，分蘖前期至拔节孕穗期二次追肥处理水稻LAI基本高于一次追肥处理；第二次追肥后，抽穗开花期至黄熟期二次追肥处理LAI逐渐接近并超过一次追肥处理。因此在一定的施氮水平下，增加追肥次数有利水稻生育中后期LAI的保持。

2.4 不同水肥处理水稻干物质积累量

不同水肥处理水稻干物质积累量变化见图1(d)。由图1(d)可知，不同水肥处理下水稻干物质积累量变化趋势大致相同：从返青期至分蘖后期增长较快，从分蘖后期到拔节孕穗期增长速率有所放缓，从拔节孕穗期到乳熟期增长速率达到全生育期最大，乳熟期至黄熟期保持稳定或略有下降。

同一施肥模式不同灌溉模式下，W1下水稻干物质积累量生育前期普遍低于W0，而W2干物质积累量与W0差异很小；生育中后期W1、W2干物质积累量均逐渐超过W0。主要因为W1、W2处理干湿交替有利于生育的水稻根系发育，生育中后期水稻能吸收更多的水分及养分。与W1相比，W2下施氮肥处理水稻干物质积累量均高于W1，但黄熟期W1与W2干物质积累量差异很小；W2下不施氮肥处理下干物质积累量基本小于W1。表明施氮肥下W2水稻在生长发育过程中茎叶生长更为茂盛，主要因为W2下田间水分较充足，对水稻茎叶的生长有促进作用；不施氮肥下W2水稻受淹严重，影响了水稻的干物质量积累。

不同施氮水平下，施氮肥处理水稻干物质积累量显著高于不施氮肥处理。一次追肥下低施氮处理水稻干物质积累量相对高施氮处理略有下降，但总体而言差距并不明显；二次追肥下低施氮处理水稻干物质积累量明显低于高施氮处理。因此在一定范围内减少施氮量对水稻干物质积累的影响不明显，但低于一定限度后，施氮量减少会明显抑制水稻的干物质积累进程。

不同施肥次数下，高施氮量下二次追肥处理水稻干物质积累量生育前期低于一次追肥处理，第二次追肥后逐渐接近并超过一次追肥处理；低施氮量下二次追肥处理水稻干物质积累量全生育期均低于一次追肥处理。表明一定施氮水平下，增加施肥次数有利于生育后期水稻的干物质积累量的增加，但同时需要考虑到水稻各阶段正常生长的基本需求。

2.5 不同水肥处理水稻产量

不同水肥处理下水稻产量见图1(e)。由图1(e)可知，同一施肥模式不同灌溉模式下，与W0相比，W1、W2水稻产量均有所增加，平均增产6.1%与2.7%。与W1相比，W2下施氮处理产量减少了5.1%，产量有所减少可能因为W2下生育前期水分过充足，水稻产生了较多无效分蘖，与中后期的生殖生长形成了竞争，影响了最终产量，因此对于W2，可适当降低前期的蓄水上限，避免稻田长时间淹水。

不同施氮水平下，施氮肥处理产量均显著高于不施氮肥处理，说明施氮肥对水稻产量形成有明显促进作用。一次追肥下低施氮量与高施氮量间产量差异不大，但二次追肥下低施氮量处理产量均较显著小于高施氮量。因此，较高施氮水平下减少施氮量不会明显影响稻田产量，但减少到一定限度后使水稻生长敏感阶段缺少养分时，会带来明显的减产。

不同施肥次数下，高施氮量下二次追肥处理产量均高于一次追肥处理，但低施氮量下二次追肥处理产量明显低于一次追肥处理。表明不同施氮水平下增加追肥次数对产量的影响有明显区别，高施氮量下增加追肥次数可以有效增加产量，但低施氮量下增加施肥次数可能会带来一定程度的减产，主要是因为高施氮量下增加追肥次数有效地提高氮肥利用率，抑制了作物前期的无效分蘖，有利于产量的增加，但低施氮量下增加追肥次数使得水稻在分蘖期生长受到了过度的抑制，分蘖数、株高、叶面积指数均明显降低，水稻中后期的生长得不到充足的养分供应，产量明显降低。

3 不同水肥综合调控模式下水肥利用率

3.1 不同水肥处理水平衡要素

不同水肥处理田间水量平衡要素汇总见表2。由表2可得，与常规淹灌(W0)相比，间歇灌溉(W1)、蓄雨型间歇灌溉(W2)下稻田灌水量分别平均减少15.3%与29.8%，灌水次数平均减少4次与5次，排水量平均减少15.4%与63.1%；与W1相比，W2下灌水量平均减少17.5%，灌水次数平均减少1次，排水量平均减少56.3%。表明W1适当的干湿交替可以有效地减少了田间灌水量、灌水次数及排水量；W2节水效果显著，灌水量、灌水次数及排水量进一步下降，其中排水量下降幅度最大，主要因为W2在保持较低灌水下限的同时提高了蓄雨上限，充分发挥了水稻本身的耐旱耐淹特性及稻田的储水能力。

表2 水稻全生育期不同水肥处理水量平衡表

2018年试验降雨利用率总体较高，主要因为灌溉后基本未发生强降雨，雨水得到了高效利用。与W0相比，W1、W2下降雨利用率分别平均上升了5.1%与20.4%，与W1相对，W2降雨利用率平均上升了15.3%。表明W1通过降低灌水下限可以一定程度提高降雨利用率；W2降雨利用率得到显著的提升，大部分降雨都被储存在稻田，降雨利用率达88.1%。

与W0相比，W1、W2田间渗漏量分别下降了19.5%与上升了5.7%；与W1相比，W2田间渗漏量上升了26.4%。主要原因是W1无水层时期田间渗漏速率减少，渗漏量明显减小；W2在蓄雨时期田间水位高，渗漏速率增大，渗漏量明显增加。

与W0相比，W1、W2平均蒸发蒸腾量分别上升了4.0%与8.6%；与W1相比，W2平均蒸发蒸腾量上升了4.3%。本次试验 W1、W2蒸发蒸腾量略有增加可能因为W1、W2作物根系较为发达，生育后期作物蒸腾量有一定程度提高。

3.2 不同水肥处理氮磷排放规律

不同水肥处理田间氮磷排放总负荷见表3。由表3可知，相同施氮肥处理下，相比于W0，W1、W2稻田TN排放负荷平均减少26.0%与53%；TP排放负荷平均减少11.0%与31%；相比于W1，W2下稻田TN排放负荷减小了39%，TP排放负荷减少29%。表明相比W0，W1可有效减少稻田氮磷排放负荷，而W2对于控制稻田氮磷排放效果更显著。

表3 不同水肥处理下氮磷排放总负荷

不同施氮水平下，TN排放负荷明显随着施氮量的增加而增加，主要因为施氮使得田面水及渗漏水的TN平均浓度均显著增加。

不同施肥次数下，F2处理相对于F1处理氮磷排放负荷显著减小，W1N1、W1N2、W0N1、W0N2下F2处理比F1处理总氮分别减少了41.5%、43.9%、16.4%、25.7%，平均减少31.8%。说明适当的增加施肥次数可以有效地减少田间的氮磷排放负荷，主要因为田间排水主要集中在第一次追肥与第二次追肥之间，同时F2处理田间渗漏量TN平均浓度也要低于F1处理。

3.3 不同水肥处理氮肥利用率

由表4可知，不同灌溉模式下水稻氮肥利用率变化规律不一致。相比W0，除N2F2处理外，各施氮处理下W1、W2水稻氮肥利用率平均上升了5.2%与5.1%，但N2F2处理下W1处理相较于W0下降了14.7%；相比W1，W2的氮肥利用率上升了3.8%。表明灌溉模式对水稻氮肥利用率的影响与施氮肥制度有一定联系，在一定施氮水平下，W1相对W0可以提高氮肥利用率，但水稻同时受到干旱胁迫及养分胁迫可能使W1氮肥利用率低于W0，主要因为N2F2下水稻生育前期缺少养分，W1下一定程度干旱胁迫对水稻产生了不可逆的生长抑制。W2与W1相比氮肥利用率略有提高，但主要因为W2下不施氮处理吸氮量明显小于W1，而施氮处理下W2吸氮量与W1无明显差异，表明W2与W1氮肥利用率较为接近。

表4 不同水肥处理氮素吸收利用指标

不同灌溉模式下，相比W0，W1、W2平均氮素收获指数分别上升4.0%与下降4%；相比W1，W2氮素收获指数下降了7.9%。表明W1有利于氮肥更多地向籽粒转移；W2氮素收获指数有所下降，主要因为W2处理收获时叶面积指数仍比较大，过多占用了水稻总吸氮量，氮素收获指数下降。

不同施氮水平下，一次追肥、二次追肥处理施氮量降低对水稻氮素利用率的影响有明显差异，一次追肥处理减少施氮量氮素利用率有所上升，二次追肥处理减少施氮量氮素利用率反而有所下降，表明施氮水平改变对氮素利用率的影响与施肥次数有关。施氮水平对氮素收获指数的影响不明显。

不同施肥次数下，除W1N2处理外，各施氮处理二次追肥下氮素吸收利用率均高于一次追肥，因此一定施氮水平下增加追肥次数能提高氮肥利用率，但也需要考虑水稻生育各阶段的基本要求。各施氮处理二次追肥下氮素收获指数均略低于一次追肥，表明增加追肥次数会延缓茎叶的衰老，氮素更多地分配到水稻茎叶中。

4 结 论

(1)与淹灌相比，间歇灌溉可合理抑制水稻前期生长，有利于水稻后期生长及高产；与间歇灌溉相比，蓄雨型间歇灌溉会促进水稻全生育期生长，但后期茎叶过盛使产量略有减少；增加施氮量可促进水稻的生长发育与高产，但超过一定限度后效果有限甚至产生负效应；高施氮量下增加追肥次数可促进水稻后期生长与高产，但低施氮量下增加追肥次数可能使作物前期缺少养分，产生相反效果。

(2)灌溉模式是稻田水量平衡要素的主要影响因素。与淹灌相比，间歇灌溉下稻田节水15.3%；与间歇灌溉相比，蓄雨型间歇灌溉下稻田节水17.5%。

(3)不同水肥处理下，田面水及渗漏水氮磷浓度大小主要与施肥量及施肥时间相关，氮磷排放负荷大小主要与排水量、渗漏量及排水时间相关。与淹灌相比，间歇灌溉下总氮排放负荷减少26%、总磷排放负荷减少11%，有利于稻田土壤氮磷肥力的维持与氮肥利用率增加，且能促进氮素更多向籽粒转移；与间歇灌溉相比，蓄雨型间歇灌溉下总氮排放负荷减少29%、总磷排放负荷减少39%，土壤总磷含量下降增加，氮肥利用率差异不大，但籽粒氮素占比下降；减少施氮量可明显减少稻田总氮排放，对氮肥利用率的影响与施肥方式相关，对氮素分配的影响不明显；增加施肥次数可减少稻田总氮排放，增加氮肥利用率，但同时也会增加茎叶氮素占比。

(4)从节水、减排及作物产量综合效果来看，应优先推荐蓄雨型间歇灌溉模式，对于田埂高度较低、水源条件较好的地区，可以采用间歇灌溉模式。

□