水肥耦合对水稻生长、产量及氮素利用效率的影响

吴宗钊，原保忠

(华中农业大学，湖北 武汉 430070)

1 研究背景

水稻是全球近50%人口的主粮，并且由于人口的迅速增加，对水稻的需求也正在逐渐增加[1]。我国60%以上的人口以水稻为主食，水稻是中国主要的粮食作物之一，其产量高低举足轻重[2]。随着我国人口的增加，对稻米生产的需求也迅速提升，据估计，到2030年中国稻米产量需增加30%以上[3]。传统的水稻种植是水分、劳动力和能源密集型的产业，由于这些资源变得逐渐枯竭，导致水稻生产成本的上升，而且由于气候的变化，导致这些问题进一步加剧[4]。

（1）时风电动观光车，车中备有型号为3-EVF-200Ah的蓄电池10块，串联组成60V的电池组对整个电动汽车供电，电池组的额定电压为60V，总容量为2 000Ah。有完善的市电充电系统和电力控制系统，车顶有行李架，时风电动观光车有加装太阳能电池板的基础条件。

氮肥在水稻生产与高产形成上的作用最为显著，增加氮肥投入是增加水稻单位面积产量最有效举措之一[5]。中国当前水稻平均氮肥施用量达到180 kg/hm2，超过全球水平的75%[6-7]。超过农作物需求的氮肥施用量会导致生产成本的增加，水分和空气污染，并对生态系统和生物多样性造成不利影响[6，8]。在水稻栽培中，探究不同栽培方式对产量、水分和肥料利用效率的影响，在不增加环境负担的情况下增加水稻产量对中国未来的粮食安全和农业可持续发展具有重要意义[9]。

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有数据显示，中国超过95%的水稻是淹水灌溉条件下种植的[10]。与淹水灌溉相比，干湿交替灌溉是一种广泛推广的节水灌溉方法，干湿交替灌溉可以减少稻田灌水量并提高水分生产力[11-15]。在干湿交替灌溉系统中，灌溉水将土壤淹没至2～5 cm的深度，在下次灌水之前，允许地下水位下降至土壤表层以下一定深度[11]。前人研究表明，使用干湿交替灌溉技术灌溉节水量高达44%[16-18]。但干湿交替灌溉条件下氮肥利用效率上升或下降的机理还不明确。以往对水-氮互作效应的研究，大多为盆栽实验，研究结果难以反映大田生产的实际情况。作物对水分和养分的吸收是相对独立的生理过程，但是水分和养分对作物的影响是复杂且密切相关的。在农田生态系统中，水和养分之间、每种养分之间以及作物与水和肥料之间在动态平衡中的互相促进与削弱，以及作物成长发育和形成产量过程与其存在的相互作用，这些作用称为水肥耦合效应[19]。只要供水量和氮肥的用量适当匹配，就会起到互相促进的作用，并达到增加产量以及提高水分和肥料利用效率的目标[12,20]。因此，只有找到科学的水肥耦合方式，才能实现肥和水两因素的相互促进，提升水肥利用率的目的，确保稻米高产优质的生产。

针对当下水稻水肥研究中许多方面亟待研究的状况，利用大田试验的方法探寻科学的水肥耦合模式，从而达到减少灌水量、降低氮肥施用量、提高产量及水分和氮肥利用效率的目的。

水利工程质量关系水利建设成效、水利发展大局和人民群众生命财产安全，水利工程质量监督是质量管理体制中十分重要的一个环节，质量监督工作责任重大，凉州区水利工程质量监督机构需要进一步规范质量监督工作程序，落实质量监督责任，加强业务培训学习，提升监督能力水平，提高质量监督效能，推动全区水利工程质量监督管理工作规范有序发展。

2 材料与方法

2.1 试验区概况与试验设计

图1、2分别为不同水分和施氮处理下水肥耦合对水稻各生育期株高、SPAD值的影响，表2为水肥耦合对水稻各生育期株高及SPAD值影响的方差分析。

NPFP=GYN/FN

此前，产供集团公布了正在研发的四种耐事故燃料方案。第一种方案是使用带有铬基耐热涂层的包壳。涂层能够防止锆与一回路中的冷却剂接触，从而减少严重事故时可能产生的氢气量。这是研究进度最快的一种方案，目前正在季米特洛夫格勒(Dimitrovgrad)核反应堆研究所(NIIAR)的反应堆中接受测试。

2.2 调查测定项目

表3为不同水分和施氮处理下水肥耦合对水稻产量构成因素的影响；图3为不同水分和施氮处理下水肥耦合对水稻实际产量的影响。

(2)叶片SPAD值。在水稻各生育期，使用SPAD-502 Plus型叶绿素仪，每小区选取10株健康主茎。分别测定其剑叶上部1/3处、中部和下部1/3处的SPAD值，取平均值作为每张叶片的SPAD值。

随着互联网的迅速发展以及实际教学的新要求，微课平台应运而生。在新课程改革下，微课显然已经成为推动教学改革、打造高效课堂的重要工具与手段。一般而言，微课程通过描述一些知识点，重点出击重难点，使学生能更好地掌握知识；另一方面，微课界面更具创新性和灵活性，这与传统教学活动形成了鲜明对比，微课能够更有效地激发学生的学习热情。本文将结合具体高中数学教学中微课的应用方法展开如下探讨。

图1与表2表明，各处理水稻株高在整个生育期内均呈现随施氮量的增加而逐渐增加的趋势。从分蘖期至拔节期水稻株高迅速增加，拔节期内水稻株高增长量最大。在整个生育期内，施氮量对水稻株高有极显著的影响，各个灌溉处理均表现为随着施氮量的增加，水稻株高显著增加。不同灌溉处理在整个生育期内对水稻株高有显著影响，在分蘖期表现为W1显著大于其他处理，在拔节期、齐穗期与成熟期表现为W1与W2处理显著大于W3与W4处理，表明不同灌溉处理下，随着施氮量的增加，水稻株高显著增加。与淹水灌溉相比，轻度干湿交替灌溉对水稻株高影响不显著，中度干湿交替灌溉显著降低了低施氮量处理的株高，高施氮量在一定程度上弥补了灌水量减少对株高的影响。雨养处理使水稻株高显著降低，水分胁迫会降低氮肥对水稻株高增长的促进作用。

WUE=GY/WU

(3)考种与测产。实际产量：收获时每小区去除边行后在小区中央选取典型植株96株，实测各小区产量，根据株距和行距换算成单位面积产量。考种：根据各个小区的平均有效穗选取从5 m2的测产小区由对角线取12蔸样带到室内考种，调查穗总粒数、穗实粒数、结实率、千粒重，并计算单位面积理论产量。

(1)

式中：WUE为灌溉水利用效率，kg/m3；GY为作物产量，kg/hm2；WU为灌水量，m3/hm2。

(5)氮肥偏生产力与氮肥农学利用效率。氮肥偏生产力(NPFP)是指作物产量与养分施用量的比值；氮肥农学利用效率(ANUE)是指施肥增加的作物产量与养分施用量的比值。计算公式如下：

试验设灌水量和氮肥水平两个因素。以灌水量为主区，施氮量为副区，3次重复。试验小区面积30 m2。每小区之间筑埂并用塑料薄膜包梗，两边设有保护行。试验设4个水分处理(W1、W2、W3、W4)，以淹水灌溉的灌水量为基准：W1(淹水灌溉100%)、W2(轻度干湿交替灌溉66.7%)、W3(中度干湿交替灌溉33.3%)和W4(雨养，灌溉0)，不同水分处理灌溉频次相同，当W1水层消失时同时灌溉。设置6个施加氮肥处理分别为0、90、135、180、225、270 kg/hm2，分别标记为N0、N90、N135、N180、N225、N270。每个小区均施用磷肥(P2O5)120 kg/hm2，钾肥(K2O)180 kg/hm2，水肥双因素试验4×6=24个处理。氮肥分4次施用，比例为基肥∶分蘖肥∶穗肥∶粒肥为3∶3∶3∶1。钾肥分两次施入，比例为基肥∶穗肥为6∶4。磷肥随基肥一次性施入。雨养处理所有肥料作基肥一次施入。

最新版报告对下述三类国家的核安保状况进行了打分和排序：拥有1千克或更多可用于制造武器的核材料的22个国家，仅拥有不到1千克或没有可用于制造武器的核材料的154个国家，以及拥有遭受破坏可能会导致危险放射性释放的核设施的44个国家和中国台湾地区。

(2)

ANUE=(GYN-GY0)/FN

(3)

式中：NPFP、ANUE分别为氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率，kg/kg；GYN、GY0分别为施氮区、不施氮区的产量，kg/hm2；FN为氮肥施用量，kg/hm2。

3 结果与分析

3.1 水肥耦合对水稻生长发育的影响

试验于2019年5-10月在湖北省枣阳市吴店镇(东经112°40′，北纬32°10′)进行，试验区海拔150 m，为亚热带大陆性季风气候，年平均气温15.5℃，年降雨量500～1 000 mm，年平均无霜期232 d。试验地耕作层(0～20 cm)土壤基本理化性质见表1。当地种植模式为水稻-小麦轮作，水稻种植方式为移栽，小麦种植方式为直播。试验水稻品种选用C两优华占。

表2 水肥耦合对水稻各生育期株高及SPAD值影响的方差分析

(4)灌水量与灌溉水利用效率。使用田间管道灌溉，利用水表统计灌水量。灌溉水利用效率(WUE)计算公式如下：

注：图中不同小写字母是指在0.05水平上差异显著。下同。

图2与表2表明，各处理水稻叶片SPAD值在整个生育期内均呈现先增加后降低的趋势，SPAD值在拔节期达到最大，成熟期水稻叶片SPAD值迅速降低。氮肥施用量对水稻叶片SPAD值在整个生育期有着极显著的影响，不同灌溉处理下，随着氮肥施用量的增加，水稻叶片SPAD值显著提高，不施氮处理水稻叶片SPAD值明显低于施氮处理。不同灌溉处理在拔节期、成熟期对水稻叶片SPAD值有着极显著的影响，在齐穗期对水稻叶片SPAD值有着显著影响。在拔节期表现为W1>W2>W4，W3与W1、W2差异不显著。在齐穗期表现为W1显著大于W4，W2与W3与其他处理差异不显著。在成熟期表现为W1显著大于其他处理。表明淹水灌溉处理下，高氮处理水稻叶片SPAD值在成熟期显著高于低氮处理，水稻贪青晚熟情况严重。与淹水灌溉处理相比，干湿交替灌溉水分处理下，成熟期高氮处理水稻叶片SPAD值显著降低，干湿交替灌溉可以改善成熟期高氮处理的贪青晚熟现象。

图2 不同水分和施氮处理下水肥耦合对水稻各生育期SPAD值的影响

3.2 水肥耦合对水稻产量及产量构成因素的影响

(1)株高。在水稻各生育期，每小区测量10株株高(测量时从植株的基部发根处至最上部叶片的顶端)。

由表3可见，氮肥施用量对水稻有效穗数有极显著的影响，随着氮肥施用量的增加，水稻有效穗数呈逐渐增加的趋势。不同灌溉处理对水稻有效穗数影响不显著，雨养处理水稻实粒数显著低于其他灌溉处理。不同灌溉处理对水稻结实率均有着显著影响，雨养处理水稻结实率显著低于其他灌溉处理。

通过以上对国内英语语法教学研究的回顾以及存在问题的分析，可看出这一领域经过交际教学法的衰退而又一次受到重视。如何加强英语语法教学的理论和实践的研究而切实提高中国英语学习者的语法水平，将是未来语言学和外语教学研究所重点关注的。

表3 不同水分和施氮处理下水肥耦合对水稻产量构成因素的影响

图3表明，不同灌溉方式下，氮肥施用量与水稻产量均呈现二次方的关系。随着施氮量的增加，不同水分处理下的水稻产量峰值出现时的施氮量不同。在淹水灌溉处理W1下，施氮量达到225kg/hm2时水稻产量最高，在轻度干湿交替灌溉处理W2下，施氮量达到180 kg/hm2时水稻产量最高。在中度干湿交替灌溉处理W3与雨养处理W4下，施氮量达到135 kg/hm2时水稻产量最高。雨养处理水稻产量明显降低。当施氮量达到135 kg/hm2之后，继续增加施氮量，不同水分处理对水稻产量影响明显，在水分亏缺条件下增施氮肥则产量明显下降。N270的产量与N135相比，W1灌溉处理增加了8.30%，W2灌溉处理增加了8.70%，W3灌溉处理降低了9.17%，W4灌溉处理降低了12.44%。

图3 不同水分和施氮处理下水肥耦合对水稻实际产量的影响

图3表明，不施氮处理水稻产量在不同水分梯度下一直处于较低水平。在水分充足时，水稻产量随着氮肥施用量的增加而增加；在水分亏缺时，随着灌水量的减少，高施氮量处理N225、N270的产量逐渐减少。表明当水分充足时，高施氮量可以获得较高产量，当水分不足时，高施氮量会降低水稻产量，降低施氮量才可以获得理想的产量。

3.3 水肥耦合对水稻氮肥农学利用效率及氮肥偏生产力的影响

表4为不同水分和施氮处理下水肥耦合对水稻氮肥农学利用效率及氮肥偏生产力的影响。

由表4可知，氮肥施用量和水分处理对水稻氮肥农学利用效率均有显著影响，随着施氮量的增加和灌水量的减少，氮肥农学利用效率显著降低。与淹水灌溉处理W1相比，轻度干湿交替灌溉处理W2的平均氮肥农学利用效率减少了约14.06%，中度干湿交替灌溉处理W3平均氮肥农学利用效率减少了约27.97%，雨养处理W4的平均氮肥农学利用效率减少了约27.04%。氮肥施用量和水分处理对水稻氮肥偏生产力均有显著影响，随着施氮量的增加氮肥偏生产力显著降低。雨养处理水稻氮肥偏生产力明显低于其他处理，比淹水灌溉降低了约7.6%。淹水灌溉与轻度干湿交替灌溉、中度干湿交替灌溉相比差异不显著。

使用镉标准液GSB G-62040-90按照岛津原子分光光度仪设定程序建立镉含量与吸光度关系的标准曲线，结果见图1。

表4 不同水分和施氮处理下水肥耦合对水稻氮肥农学利用效率及氮肥偏生产力的影响

3.4 水肥耦合对水稻灌溉水利用效率的影响

表5为不同水分和施氮处理下水肥耦合对水稻灌溉水利用效率的影响。

表5 不同水分和施氮处理下水肥耦合对水稻灌溉水利用效率的影响

由表5可得，灌溉处理对水稻灌溉水利用效率有着极显著的影响，随着灌水量的减少，水稻灌溉水利用效率显著增加。随着氮肥施用量的增加，在淹水灌溉W1与轻度干湿交替灌溉W2处理下，水稻灌溉水利用效率显著增加；在中度干湿交替灌溉W3处理下，呈现先增加后降低的趋势，当施氮量达到180 kg/hm2时，灌溉水利用效率达到最大。

（2）降雨径流导致水源地水质指标均有一定程度的恶化，但是经过24h降雨结束后基本恢复。其中，COD、总磷受降雨径流的影响较大，其他水质指标基本在可接受范围内变化。

4 讨 论

有研究表明，氮肥水平对水稻株高的影响较大，株高随着施氮量的增大而增大，灌水量对水稻株高影响不显著。高氮处理下低土壤水势会对水稻造成严重的水分胁迫，造成水稻株高的降低[21]。有学者认为，随着灌水量的减少，水稻株高会显著降低，水分胁迫对水稻株高影响明显，但是各氮素处理之间差异不显著[22]。Li等[23]研究发现，与常规灌溉相比，控制灌溉会降低水稻株高。冉文星[24]与陈慧[25]的研究认为，小麦株高对氮素的增加产生了积极的响应，但是各氮素处理之间差异并不显著。本试验研究表明，氮肥施用量对水稻株高影响显著，随着氮肥施用量的增加，水稻株高逐渐增高；与淹水灌溉相比，轻度干湿交替灌溉对水稻株高影响不显著。中度干湿交替灌溉显著降低了低施氮量处理的株高，高施氮量一定程度上弥补了灌水量减少对株高的影响；雨养处理显著降低了水稻株高。

有研究表明，在水稻抽穗期后，淹水灌溉模式下叶片SPAD值明显高于间歇灌溉模式下的SPAD值；施氮量对叶片SPAD值的影响体现在水稻的整个生育期。不施氮处理下水稻的叶片SPAD值明显小于施氮处理[26]。蒋天琦[27]研究表明水稻叶片SPAD值随着生育期先增加后减小，乳熟期叶片开始黄化，SPAD值显著降低；同一时期相同灌水处理水稻叶片的SPAD值随着施氮量的增加而增加；同一时期相同施氮量不同灌水处理水稻叶片的SPAD值在分蘖期和乳熟期没有明显差异，在拔节期和开花期控水处理水稻叶片SPAD值高于常规处理[27]。翟晶[21]研究表明全生育期叶片SPAD值呈先升后降的趋势，但是高氮肥会使水稻生育后期SPAD值下降缓慢，贪青严重。本试验研究表明，增加氮肥施用量可以提高水稻叶片SPAD值；淹水灌溉处理使高氮处理水稻成熟期贪青晚熟严重，干湿交替灌溉处理可显著改善高氮处理水稻成熟期的贪青晚熟现象。

有学者研究发现，适度的干湿交替灌溉可以促进水稻生长，有利于水稻生理过程，从而获得较高的水稻产量和水分利用效率[28]。有学者研究了当15 cm深度土壤落干至10、20、50和80 kPa土壤水势时的干湿交替灌溉对水稻产量的影响，发现在10 kPa时AWD对水稻的产量的影响与淹水灌溉相似，其他AWD处理的产量显著低于淹水灌溉，因而采用10 kPa的AWD和180 kg/hm2的氮肥施用量将保持较高的水稻产量，但是当水和氮肥成本昂贵时，也可以采用20 kPa的AWD[29]。干湿交替灌溉制度要与田间管理、氮肥施用量和气候相互配合才能获得最佳的水稻产量[30]。Liu等[12]研究发现，使用干湿交替灌溉时，水稻产量随着灌水量的增加而减少。有学者则认为水稻达到最高产量的最佳氮素施用量为151 kg/hm2[31]。Djaman等[32]在同一地点对4个水稻品种研究发现，水稻产量与氮肥施用量的关系呈现出二次函数关系，其R2最高达到0.99。Harrell等[33]报道了水稻产量对氮素施用量低于150 kg/hm2时呈现线性关系，以及当氮素施用量大于150 kg/hm2时水稻产量趋于平稳。本试验研究表明，施氮量的增加显著增加了有效穗数，雨养处理与不施氮处理水稻结实率明显降低。不同水分处理下的水稻产量峰值出现时的施氮量不同，当施氮量达到135 kg/hm2之后，继续增加施氮量，不同水分处理对水稻产量影响显著，在水分亏缺条件下增施氮肥则产量明显下降。当水分充足时，高施氮量可以获得较高产量，当水分不足时，高施氮量会降低水稻产量，降低施氮量才可以获得理想的产量。

对于干湿交替灌溉对水稻氮肥利用效率影响的研究不多，且成果有一定争议。一些学者指出，干湿交替灌溉能够促进土壤硝化和反硝化作用，提高N2O的排放量，从而减少植株中氮的积累，进而减少氮肥的利用效率[34]。有学者研究发现，干湿交替灌溉条件下，水稻氮肥农学利用效率在2.0～17.9 kg/kg之间变化；在淹水灌溉条件下，氮肥农学利用效率为13.1 kg/kg[35]。农民在水稻生产中施用高达180～240 kg/hm2的氮肥是导致氮肥农学利用效率过低的原因[36]。有学者认为，干湿交替灌溉制度是改善水稻氮肥利用效率的有效途径，干湿交替灌溉中的干燥和补水循环会通过改变土壤水分与空气的平衡而影响土壤中的硝化、反硝化、矿化、渗滤和淋溶的生化和物理过程，进而影响水稻对氮素营养的利用。有学者认为，在轻度干湿交替灌溉模式下，水稻植株对氮的吸收量、单位吸氮的生产力(产量/氮吸收量)和氮肥偏生产力(产量/施氮量)均明显高于淹水灌溉[12,15]。Jiang等[37]研究发现杂交水稻的平均氮肥偏生产力比常规水稻高约9%。有学者指出，不同品种水稻氮肥偏生产力变化范围为65.7～414.0 kg/kg[38]。Liu等[12]研究发现，与淹水灌溉相比，由于穗粒数、实粒数和结实率的增加，干湿交替灌溉可提高水稻氮肥偏生产力。本试验研究表明，随着施氮量的增加，水稻氮肥农学利用效率与氮肥偏生产力显著降低。雨养处理水稻氮肥农学利用效率与氮肥偏生产力显著低于其他处理。与淹水灌溉相比，干湿交替灌溉处理没有降低氮肥偏生产力，但显著降低了氮肥农学利用效率。

5 结 论

(1)在不同灌溉处理下，增加氮肥施用量，均能够显著增加水稻株高和叶片SPAD值；中度干湿交替灌溉显著降低了低施氮量处理的株高，高施氮量在一定程度上弥补了灌水量减少对株高的影响。轻度与中度干湿交替灌溉处理下，高施氮量处理成熟期水稻叶片的SPAD值显著降低，从而改善了其贪青晚熟现象。

(2)在不同灌溉处理下，随着氮肥施用量的增加，水稻有效穗数呈现逐渐增加的趋势。雨养处理会导致水稻实粒数与结实率显著降低。不同灌溉处理下，氮肥施用量与水稻产量均呈现二次方的关系，不同水分处理下的水稻产量峰值出现时的施氮量不同，当施氮量达到135 kg/hm2之后，继续增加施氮量，不同水分处理对水稻产量影响显著，在水分亏缺条件下继续增施氮肥会导致产量明显下降。

(3)施氮量的多少应该与灌水量相匹配，轻度干湿交替灌溉条件下，施用180 kg/hm2氮肥会达到较好的水肥耦合模式，可以在减少灌水量的条件下，获得了较高的产量，并且保持较高的氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力。