智能氮肥在干湿交替灌溉下对水稻产量与水分利用率的影响

王易天，郭相平，Yousef Alhaj Hamoud，曹克文，朱建彬

（河海大学农业科学与工程学院，南京210098）

0 引言

水稻是我国最主要的粮食作物，在为我国60%以上人口提供粮食的同时，也消耗了大量淡水资源，稻田灌溉用水量占到全国农业用水量的70%[1]。与此同时，目前我国超过95%的水稻在淹水条件下种植[2]，存在水资源消耗巨大，肥料氮磷流失产生水土污染等问题[3]。通过对水稻需水规律的掌握进行节水灌溉，控制农田的水分状况，达到减少水分消耗、提高水分利用率具有重要意义[4]。

干湿交替灌溉技术在目前水稻生产中应用最为广泛，其特点是在水稻的生育过程中，先灌水形成田间浅水层，然后对稻田进行自然落干，一段时间后再复水，继而再落干，如此交替的对田间土壤进行淹水与落干[5]。根据以往对干湿交替灌溉的研究显示，干湿交替灌溉能大幅降低稻田用水以及氮素的流失，提高水分利用效率，并减少灌溉次数从而节约生产成本[6,7]，节约灌溉用水量高达44%[8]，增加氮肥利用效率达60%以上[9]。

与传统肥料相比，控释肥料能定量地控制肥料的释放时间与释放量，使其与植物生长需要相结合，起到延长肥料作用时间、减少肥料用量、提高利用率的效果[10]。环境响应性材料会随着外界环境变化(如pH 值、温度、磁场、光照等)产生相应的变化，从而实现成分释放的可控性[11]，将其作为控释肥的包膜材料是功能肥料研究的新方向。pH 响应材料在不同酸碱环境下分子结构发生变化，引起通透性的改变[12]，以其作为控释肥的包膜材料，就可使得控释肥的养分释放受到土壤pH变化的调控。一些学者通过不同技术制备出pH 响应性肥料[13-15]，并进行施用试验得到较好的结果[14,15]。pH 响应性肥料的养分释放需要受到pH 变化的调控，不具有普适性，且目前的研究主要关注肥料自身，缺乏与水分条件的结合。本实验利用干湿交替灌溉的过程中，稻田土壤的pH 值会随土壤含水率的变化而重复升高或降低这一特性，提出将pH 响应性肥料与干湿交替灌溉相结合，或成为pH 响应性肥料应用方向的新思路

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2019年6-10月在河海大学江宁校区节水园区大棚内进行，地处118°50′E，31°95′N，海拔14.6 m。属亚热带湿润气候，年平均气温15.5 ℃（最高气温43.0 ℃，最低气温-16.9 ℃），年蒸发量为1 472.5 mm，多年平均降雨量为1 062 mm。试验土壤为粘壤土，容重为1.44 g/cm3，饱和质量含水率为54.33%，pH 值为7.08，有机质含量为1.27%，速效氮、速效磷和速效钾量分别为34.87、12.15和109.26 mg/kg。

1.2 实验设计与实施

试验为桶栽实验，采用高90 cm、直径16 cm 的圆桶，土面以下每15 cm 设置两个对称取土孔，共3 排，底部处设置排水孔，并在边上埋放集水桶收集渗漏水，测桶底部填有砂石反滤层。

实验共设置两因素，分别为3 种灌水下限的干湿交替灌溉：适度干湿交替灌溉（设置100%饱和含水率为灌水下限），记为W1、重度干湿交替灌溉（设置90%饱和含水率为灌水下限），记为W2、临界旱胁迫干湿交替灌溉（设置70%饱和含水率为灌水下限）记为W3[16]；3 种肥料使用方式：智能氮肥，记为SF；常用氮肥尿素，记为MF；不施氮肥，记为NF。共9个处理，每个处理设置3 个重复。试验中使用的智能氮肥为pH 响应性肥料，内部养分在低pH 时增大释放，高pH 时减少释放，与干湿交替灌溉结合的作用机理如图1所示。

图1 智能氮肥作用机理Fig.1 The Mechanism of action of smart fertilizer

供试水稻品种选用当地常用超级稻“南粳9108”，于2019年6月4日育秧，7月16日选择生长状况基本一致的秧苗进行移栽，每桶1穴，每穴3株，10月22日收获。施肥标准按每千克土壤施用纯氮150 mg、纯磷100 mg、纯钾130 mg，磷肥、钾肥选用磷酸氢二钾和硫酸钾，氮肥按处理分别使用智能肥、尿素和不施肥。为探究智能肥的功效，所有肥料均作为基肥在装土时埋设在土壤表层下20 cm 处。试验桶中埋设TDR 探头，当土壤水分达到控制下限时，灌水至浅水层，实验在大棚内进行，不受降雨影响。试验期间各处理的水分管理如表1所示，除灌溉制度及氮肥形式处理外，试验中控制处理间其他因素相同。

表1 不同灌溉制度的水分管理方案Tab.1 Water management under different irrigation regimes

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成因素

水稻成熟后，进行考种，测定水稻单株有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒重，同时测量每个测筒中水稻实际产量。

1.3.2 灌排水量

每次的灌水量计算式为：

式中：I为灌水量，mm；Q为灌后水层高度，mm；Ws为土壤饱和含水率，%；Wa为灌溉时土壤实际含水率，%；S为土壤干重，g；A为测桶横截面面积，mm2；D为测桶内直径，mm。

排水量：每次灌水前收集并测量排水桶里的水量。

1.3.3 需水量

实验在大棚内进行，降雨量为0，需水量计算式为：

式中：ET为水稻需水量，mm；I为灌溉水量，mm；P为渗漏水量，mm。

1.3.4 水分利用率

式中：WUE为水分生产率，kg/m3；Y为水稻产量，kg；ET为需水量，m3；IWUE为灌溉水生产率，kg/m3；I为灌水量，m3。

1.3.5 土壤pH

在灌水前后采集测桶内0～40 cm 土层的土壤，按土：水=1∶5用pH计测量土壤pH值。

2 结果与分析

2.1 不同水肥处理对土壤pH的影响

图2 为不同水肥处理各生育期土壤pH 值在灌水前后的变化情况，由图2 可见，不同水肥处理下，每次灌水前后土壤pH 变化呈现出相似的规律，在灌水后迅速下降，之后缓慢上升直至下一次灌水。干湿交替灌溉时，对土壤不断的淹水、复干，稻田土壤的pH 值也随之变化，这正是智能氮肥得以与干湿交替灌溉结合发挥作用的物质基础。

图2 不同水肥处理下灌水前后土壤pHFig.2 Soil pH under different water-fertilizer managements

对比3 种灌溉制度下的土壤pH 值，在灌水前差异显著，从高到低依次为W3、W2、W1，分别维持在6.8、6.3、5.7 左右，这表明水稻土壤的pH 值受到水分管理模式的影响，土壤含水率越高，土壤pH 值越低。在灌水之后土壤均为饱和含水率，pH 值W1、W2、W3 分别为5.2、5.7、5.5 左右，差异不大。分析不同氮肥形式对土壤pH 值的影响，可发现W1、W3灌溉制度下，土壤pH 值SF

2.2 不同水肥处理对水稻产量及构成因素的影响

表2为不同水肥模式下水稻产量，可见所有处理产量分为5 个梯度，W1SF 处理最高，达到64.84 g/桶，其次是W1MF、W2SF 处理，W2MF 处理在二三之间，第三档为W1NF 处理，第4梯度为W2NF，W3处理下3个处理产量最低，在23 g/桶左右。适度干湿交替灌溉下的水稻产量高于重度干湿交替灌溉，临界干湿交替灌溉制度是不适宜水稻产量表现的灌溉制度，此灌溉制度下氮肥形式处理间无差异。在适度干湿交替灌溉和重度干湿交替灌溉下，与不施氮肥相比较，尿素和智能氮肥分别对水稻产量提升25%、46%左右，施用智能氮肥的水稻产量均显著高于常用氮肥尿素处理下的水稻产量。

表2 不同处理下水稻产量g/桶Tab.2 Grain yield under different water-fertilizer managements

表3为水稻产量及构成因素分别受灌溉制度和氮肥形式影响分析，可见灌溉制度影响水稻的有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒重，氮肥形式主要影响水稻的有效穗数和千粒重。

表3 不同水肥管理下的水稻产量及其构成因素Tab.3 Grain yield and its yield components under different water-fertilizer managements

对比各灌溉制度间产量构成因素的表现。在NF 处理下，有效穗数和每穗粒数W1、W2、W3 间无显著差异，结实率W1>W2=W3，千粒重W1=W2>W3；MF 处理下，有效穗数和千粒重W1=W2>W3，每穗粒数和结实率W1>W2=W3；SF 处理下，有效穗数W1>W2>W3，千粒重W1=W2>W3，每穗粒数和结实率间无显著差异。

对比氮肥对产量构成因素的影响。在W1灌溉制度下，有效穗数SF>MF>NF、千粒重SF>MF 差异显著；W2 灌溉制度下，结实率SF>MF、千粒重SF>MF>NF 差异显著；W3 灌溉制度下各因素间无显著差异。

以往的研究显示，水、氮对水稻产量存在互作效应，在土壤水分亏缺的条件下，通过水分和肥料的合理搭配，供水不足对产量的不利影响在一定范围内可以通过适当增施氮肥来控制，仍可获得较好的产量[17,18]。程建平等[19]的研究证实，适宜的水氮组合对水稻产量有着显著的交互作用，在土壤轻度干旱时，水稻产量的高低依次为高氮>中氮>低氮。陈新红等[20]的研究提出了在高施氮条件下，水分的增加无法影响水稻产量，从另一个角度验证了氮肥与水分之间的互作效应。本实验中，在W1 和W2 灌溉制度下，施用氮肥的处理的产量高于不施氮肥，与前人的结果一致，验证了氮肥对水分的调控，同时，施用智能氮肥的处理对产量和产量构成因素的促进效果优于尿素，体现了智能氮肥氮素供给的优越性。而在W3灌溉制度下，干旱胁迫成为影响水稻生长和产量的主要因子，水分的缺乏导致“以肥调水”的效应减小，氮肥形式造成的影响已经不明显，过度的水分缺失影响到水稻的生长、功能的发挥，导致减产，这也与杨建昌等的研究结果一致[27]。

2.3 不同水肥处理对水稻需水特性的影响

图3为不同水肥管理下水稻各生育期的需水量，全生育期总需水量由高到低分布为W1NF>W1MF>W1SF>W2NF>W2MF>W2SF>W3NF>W3MF>W3SF，分别为：1036.8、1027.0、1023.9、980.8、977.6、972.2、835.6、799.7、785.2 mm，总体呈现出W1>W2>W3，NF>MF>SF的规律。其中，灌溉制度之间差异显著，与W1 处理相比，W2 处理的总需水量均下降5%左右；与W2处理相比，W3 处理的需水量均下降20%左右。比较各氮肥处理间总需水量的差异，W1、W2灌溉制度下NF、MF、SF处理之间总需水量无显著差异，W3 灌溉制度下NF、MF、SF 处理之间需水量差异显著。

图3 不同水肥管理下水稻各生育期的需水量Fig.3 ET in different growth stage under different water-fertilizer managements

分析氮肥形式对水稻各生育期需水量的影响。水稻需水量在分蘖期和拔节孕穗期表现为SF>MF>NF，抽穗扬花期和乳熟期则表现为NF>MF>SF。这种结果的出现可能是由于施肥处理下水稻生长更好，作物生理耗水量更大，而在拔节孕穗期中，水稻的叶面积达到最大值，水稻茎秆体积和叶面积的增长也增加了遮荫，同时，智能氮肥的吸水效果将部分水分保持在土壤中层，这些因素都使得地表水分的蒸发减少，减少了水稻生育后期的需水量。

2.4 不同水肥处理对水稻水分利用率的影响

表4为全生育期内的水稻灌水量、需水量灌水生产率及水分生产率，分析灌水量间的差异，灌水量受灌溉制度、氮肥形式及二者的交互作用影响显著。不同灌溉制度下的灌水量从高到低为W1、W2、W3，与W1处理相比，W2、W3处理下的灌水量分别显著减少23.0%和40.1%（NF）、16.6%和33.1%（MF）、16.3%和30.6%（SF），可见干湿交替灌溉中灌水下限的降低的干湿交替灌溉能显著减少灌水量。从氮肥形式的影响来看，总灌水量受氮肥形式影响在W1、W3 条件下为NF>MF>SF，W2 条件下为MF>NF>SF，相较于MF 处理，SF 处理的总灌水量降低5.4%（W1）、5.1%（W2）、5.9%（W3），施用智能氮肥有利于减少灌水量。

表4 不同水氮管理下的灌水生产率和水分生产率Tab.4 IWUE and WUE under different water-nitrogen management

水稻灌水生产效率和水分生产效率受灌溉制度和氮肥形式影响显著，水分生产效率受二者的交互作用影响显著。在NF 条件下，灌溉制度对灌水生产效率的影响为W1>W2>W3；在MF、SF 条件下，W1=W2>W3。在适度干湿交替灌溉W1、重度干湿交替灌溉W2下，与尿素相比，智能氮肥对灌水生产效率均有显著提高。

水分生产效率整体表现为W1>W2>W3、SF>MF>NF。与W1 处理相比，W2、W3 处理下的水分生产率分别减少12.2%和34.9%（NF）、7.8%和44.2%（MF）、13.8%和47.1%（SF）。与NF 处理相比，MF、SF 处理下的水分生产率提高22.5%和49.5%（W1）、28.7%和46.8%（W2），W3 处理下各氮肥形式间差异不显著。

经上述对比可见，W2、W3 处理下水稻灌水量、需水量、产量都较W1降低，W2处理的灌水生产效率高于W1，水分生产率低于W1。

施用智能氮肥使灌水生产率和水分生产率得到提升，原因在于智能氮肥中氮素的释放受水分调控，使得水稻能在获得水分时同步获得养分，水分和养分的需求得到匹配，从而减少氮素损失，提高水肥利用效率。

3 结论

(1)在与适度干湿交替模式结合下，施用智能氮肥能可观提高水稻产量，较常规氮肥尿素提高产量21.8%(W1)、13.9%(W2)。W1 灌溉制度与智能氮肥结合下产量最高，为64.84 g/桶。

(2)智能氮肥的施用对水稻总需水量无显著影响，但能减少水稻生育后期的蒸发量，提高了水稻水肥需求与供应的一致性，较常用氮肥尿素显著提高灌水生产率和水分生产率。

(3)干湿交替灌溉可有效减少水稻灌水量、需水量。灌溉过程中过度的落干则会抑制水稻生长，导致产量降低，在灌水下限为70%饱和含水率时，产量受不同肥料形式的影响已不显著。