间歇灌溉缓释肥对稻田土壤肥力、根干重及产量的影响

杨 鹏，何 军，2，付 亮，赵 帆，周洁宇，赵树君，钟 韵，马 煜，程 磊，张宇航，钟盛建，甘学华

（1.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002；2.三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北宜昌 443002；3.湖北省漳河工程管理局，湖北荆门 448156）

0 引 言

水稻是我国水肥消耗巨大的主要粮食作物之一，我国稻田单季氮肥平均用量为180 kg/hm2，比世界平均水平用量高75%［1］。不合理或者偏施无机肥不仅会引发农田生态环境问题，而且会导致稻田土壤肥力的递减［2～4］。良好的水肥调控模式有利于土壤与作物之间进行营养元素的交换，促使作物获得高产。间歇灌溉有利于土壤对全氮维持，减缓耕层全磷下移［5］和还原性物质的积累，显著提高根系形态指标［6］，为水稻生长发育创造了良好的条件［7］，节水的同时亦能增产［8-10］。缓释肥作为一种新型环保复合型肥料，具有养分释放速率缓慢，与作物生长需肥基本一致的特点［11］；施用缓释肥不仅能稳定土壤有机质和保持地力［12，13］，而且能显著增加根系干重，保持根系活力［14］。以上诸多研究成果均为单独在间歇灌溉或缓释肥条件下得出，间歇灌溉和缓释肥交互效应下对土壤肥力和产量的影响则鲜有报道。本文选取长江中游典型水稻种植区漳河灌区为研究区域，开展间歇灌溉缓释肥耦合条件下水稻测坑试验，采集收割后稻田土样及测产数据进行分析研究，以期可对维持稻田土壤肥力并提高水稻产量的适宜水肥管理模式优化提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验区选在湖北省漳河灌区灌溉试验站（湖北省灌溉试验中心站），位于湖北省荆门市东宝区漳河镇却集村（30°54'15″N，112°05'16″E），年无霜期206 d，多年平均温度17 ℃，最高月平温度27.7 ℃，最低月平均温度3.9 ℃，年降雨量700～1 100 mm，多年平均降雨量947 mm，年平均蒸发量（20 cm 蒸发皿）1 300～1 800 mm，年日照总时间1 300～1 600 h。试验区土壤以黄棕壤为主，质地黏重，有机质含量相对较低，PH 值为6.8～7.2（水土比1∶1），土壤孔隙率为45.5%，容重为1.33～1.44 g/cm-3。

试验研究时段为2019年5-9月水稻生育期，主处理为两种灌溉模式：淹水灌溉W1（Continue Flooding，CF）和间歇灌溉W2（Alternate Wetting and Drying，AWD），其水层控制见表1［15］；副处理为两种肥料类型：传统肥N1 和缓释肥N2。采用2.0 m×2.0 m 的测坑开展水稻种植试验，共4个处理：W1N1（淹灌传统肥），W1N2（淹灌缓释肥），W2N1（间歇灌溉传统肥），W2N2（间歇灌溉缓释肥），每个处理设置3个重复，共12个测坑。

表1 淹灌W1和间歇灌W2（AWD）水层控制表Tab.1 Water layer control table for submerged irrigation W1 and alternate wetting and drying irrigation W2（AWD）

施肥方式和水平为：传统肥N1 参考当地农民习惯，氮肥以N 计为180 kg/hm2（50%基肥、50%追肥），施基肥时用碳酸氢铵（NH4HCO3），追肥时用尿素（CO（NH2）2），基肥在泡田整地时施入，追肥（分蘖肥）在移栽后15 d 左右施入。磷肥以P2O5计，为115 kg/hm2（用过磷酸钙，主要成分为Ca（H2PO4）2·H2O），作为基肥一次施入；钾肥以K2O 计，为72 kg/hm2（用氯化钾），作为基肥一次性施入。缓释肥N2 设计为氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥有效含量及配比与传统肥N1 相等，作底肥一次性施入。试验稻种为荃早优丝苗，为当季当地大面积推广应用品种。

1.2 样品数据处理

考虑前茬作物水肥管理均一，本次土壤取样选在水稻黄熟收割后，每个测坑田面以下0～20 cm 和20～40 cm 土层深度各取一份土样。采用土钻对角线取土，采回土样分不同处理混匀，四分法配置分析样品。

稻田土壤肥力指标为全氮（TN）、全磷（TP）。土样全磷采用H2SO4-H2O2消解，钼酸铵分光光度法测定，全氮采用凯氏定氮法测量。为避免边际效应，黄熟期每测坑中部区域收选取1.0 m×1.0 m 范围植株样，测取株高、叶绿素SPAD 值及分蘖数，考察有效穗数，选取5 丛测取穗粒数、千粒重、结实率等，后5 丛并入其余植株测产。植株根系用清水洗净，剪刀剪下放于烘箱85 ℃杀青半小时，105 ℃烘干48 h至恒重称重；数据分析软件及制图采用EXCEL2020，SPSS25.0软件。

2 结果分析

2.1 不同水肥处理对稻田土壤全氮的影响

从图1中可以看出，间歇灌溉传统肥（W2N1）上层土壤全氮含量较淹灌传统肥（W1N1）高40.66%，下层较淹灌传统肥（W1N1）高2.20%，表明传统肥条件下，间歇灌溉模式较淹灌对上、下层土壤全氮含量有更好的维持作用；间歇灌溉缓释肥（W2N2）上层土壤全氮含量较淹灌缓释肥（W1N2）高78.63%，下层较淹灌缓释肥（W1N2）高46.58%，表明缓释肥条件下，间歇灌溉模式较淹灌能更好的维持上、下层土壤全氮含量；不论是在传统肥或是缓释肥条件下，间歇灌溉上、下层土壤的全氮含量较淹灌高。

图1 不同水肥处理稻田土壤全氮含量对比Fig.1 Comparison of total nitrogen in paddy soil under different water and fertilizer treatments

淹灌缓释肥（W1N2）上层土壤全氮含量较淹灌传统肥（W1N1）低25.24%，下层较淹灌传统肥（W1N1）低79.95%；间歇灌溉缓释肥（W2N2）上层土壤全氮含量较间歇灌溉传统肥（W2N1）低5.06%，下层较间歇灌溉传统肥（W2N1）低22.52%，可见淹灌或间歇灌溉模式下，缓释肥对上、下层土壤全氮含量维持作用不如传统肥。

表2为不同水肥处理下稻田土壤氮磷含量及根干重方差分析。可以看出，在20～40 cm 土层深度下，施肥类型对全氮影响显著（Fu＞F0.05=4.667，P＜0.05），表明淹灌模式下，传统肥较缓释肥可显著促进土壤下层（20～40 cm）全氮含量维持。

表2 不同水肥处理下稻田土壤氮磷含量及根干重方差分析Tab.2 Variance analysis of nitrogen and phosphorus content and root dry weight in paddy soil under different water and fertilizer treatments

2.2 不同水肥处理对稻田土壤全磷的影响

从图2中可以看出，间歇灌溉传统肥（W2N1）上层土壤全磷含量较淹灌传统肥（W1N1）高64.27%，而下层土壤较淹灌传统肥（W1N1）低30.80%，表明传统肥条件下，间歇灌溉模式对上层土壤全磷含量有维持作用，对下层土壤全磷含量维持作用不如淹灌；间歇灌溉缓释肥（W2N2）上层土壤全磷含量较淹灌缓释肥（W1N2）高162.86%，而下层较淹灌缓释肥（W1N2）低43.52%，表明缓释肥条件下，间歇灌溉模式相对淹灌能更好维持稻田上层土壤全磷含量，但对稻田下层土壤全磷的维持作用不如淹灌，且缓释肥条件下较传统肥维持效果更明显。

图2 不同水肥处理稻田土壤全磷对比Fig.2 Comparison of total phosphorus in paddy soil under different water and fertilizer treatments

淹灌缓释肥（W1N2）上层土壤全磷含量较淹灌传统肥（W1N1）低73.92%，下层土壤较淹灌传统肥（W1N1）低5.08%，间歇灌溉缓释肥（W2N2）上层土壤全磷含量较间歇灌溉传统肥（W2N1）低58.26%，下层较间歇灌溉传统肥（W2N1）低22.53%，表明淹灌或间歇灌溉模式下，缓释肥对上、下层土壤全磷含量维持作用不如传统肥。

由表2可知，土壤上层（0～20 cm）全磷含量在灌溉模式下差异性较显著（Fu＞F0.1=3.177，P＜0.1），而不同施肥类型条件下土壤上层全磷含量差异性极显著（Fu＞F0.01=4.747，P＜0.01），表明传统肥较缓释肥可显著促进土壤上层（0～20 cm）全磷含量维持。

2.3 不同水肥处理对水稻根干物质的影响

从图3可以看出，根干重在淹灌传统肥（W1N1）处理下最低（461.4 kg/hm2），占植株百分比3.2%，在间歇灌溉缓释肥（W2N2）处理下最高（846.4 kg/hm2），占植株百分比6.6%；淹灌缓释肥（W1N2）较淹灌传统肥（W1N1）高97.95%，间歇灌溉缓释肥（W2N2）较间歇灌溉传统肥（W2N1）高42.88%，间歇灌溉缓释肥（W2N2）较淹灌缓释肥（W1N2）高15.13%，间歇灌溉传统肥（W2N1）较淹灌传统肥（W1N1）高59.50%；由表2 可知，根干重受施肥类型影响显著（Fu＞F0.05=4.844，P＜0.05），表明缓释肥较传统肥可以显著促进黄熟期根系干物质积累。

图3 不同水肥处理下黄熟期水稻根系干物质的影响Fig.3 Effects of different water and fertilizer treatments on root dry matter of rice at yellow ripe stage

2.4 不同水肥处理对水稻产量构成因素及黄熟期生态特性的影响

从表3中可以看出，间歇灌溉缓释肥（W2N2）处理下产量最高（10 505 kg/hm2），其次是淹灌缓释肥（W1N2）处理，达10 386 kg/hm2，淹灌传统肥（W1N1）处理下产量最小（9 679 kg/hm2）。间歇灌溉传统肥（W2N1）比淹灌传统肥（W1N1）高3.90%，表明传统肥条件下，间歇灌溉模式相对于淹灌有一定的增产，这与何军等［16］人研究结论一致。淹灌缓释肥（W1N2）产量比淹灌传统肥（W1N1）高7.30%，且在表3 不同水肥处理下对产量的交互效应分析中，产量受施肥类型影响较显著（Fu＞F0.1=3.225，P＜0.1），表明淹灌模式下，缓释肥较传统肥有较显著的增产，这与李方敏等［17］人的研究一致。间歇灌溉缓释肥（W2N2）产量比淹灌缓释肥（W1N2）高1.15%，比间歇灌溉传统肥（W2N1）高出4.46%，较淹灌传统肥（W1N1）高8.53%，结合表3 可知，间歇灌溉缓释肥（W2N2）耦合互作可提升水稻产量，但差异不显著。

表3 不同水肥处理对水稻产量构成因素及黄熟期生态特性的影响Tab.3 Effects of different water and fertilizer treatments on yield components and ecological characteristics of rice at yellow ripe stage

有效穗数在间歇灌溉缓释肥（W2N2）处理下最高，为282.67 穗/m2，在淹灌传统肥施肥（W1N1）最低，达237.00 穗/m2；间歇灌溉传统肥（W2N1）、淹灌缓释肥（W1N2）有效穗数分别较淹灌传统肥（W1N1）高15.61%、17.08%，间歇灌溉缓释肥（W2N2）有效穗数较淹灌缓释肥（W1N2）高1.86%，比间歇灌溉传统肥（W2N1）高出3.16%，较淹灌传统肥（W1N1）高19.27%，有效穗数在各处理下的关系与根系、产量大体类似，且在表3中显示，有效穗数在施肥类型下较显著（Fu＞F0.1=3.136，P＜0.1）；穗粒数在淹灌溉缓释肥（W2N2）处理下最高，为276.87 粒，在淹灌传统肥（W1N1）处理下最低，达250.10 粒；千粒重在淹灌传统肥（W1N1）下最大（22.39 g），在淹灌缓释肥（W1N2）处理下最小（21.20 g）；结实率在淹灌传统肥（W1N1）处理下最大（94.29%），在淹灌溉缓释肥（W1N2）处理下最小（91.79%），结实率受灌溉模式和施肥类型两者的交互作用影响较显著（Fu＞F0.1=3.102，P＜0.1）。

淹灌缓释肥（W1N2）下分蘖数最大（15.25 个），淹灌传统肥（W1N1）下最小（12.25 个），淹灌缓释肥（W1N2）分蘖数比淹灌传统肥（W1N1）高24.49%，间歇灌溉缓释肥（W2N2）分蘖数较间歇灌溉传统肥（W2N1）高8.54%，分蘖数在施肥类型下显著（Fu＞F0.05=4.747，P＜0.05），表明缓释肥可以促进水稻黄熟期分蘖数增加。叶绿素SPAD 值在间歇灌溉缓释肥（W2N2）下最大（13.40），在淹灌传统肥（W1N1）下最小（12.18），间歇灌溉传统肥（W2N1）、淹灌缓释肥（W1N2）叶绿素SPAD 值较淹灌传统肥（W1N1）分别高5.27%、8.07%，间歇灌溉缓释肥（W2N2）叶绿素SPAD 值比淹灌缓释肥（W1N2）高2.00%，比间歇灌溉传统肥（W2N1）高出4.48%，较淹灌传统肥（W1N1）高10.00%，叶绿素SPAD 值在各处理下的关系与根干重、有效穗数、产量大体类似。株高在淹灌缓释肥（W1N2）下最高，为117.50 cm，在淹灌传统肥（W1N1）下最低（112.33 cm），株高受灌溉模式和施肥类型两者的交互作用影响较显著（Fu＞F0.05=4.747，P＜0.05）。穗粒数、千粒重、叶绿素SPAD值在不同处理下均无显著性。

3 讨 论

根系作为水稻吸收肥料释放在土壤中养分的重要器官，与水稻产量密切相关。前人研究表明，间歇灌溉较淹灌可以增加根系干重［18，19］，施用控释肥可以明显地增加水稻根系干物质量，提高根系的吸收养分能力［20，21］。刘明等［22］人认为节水灌溉与控释氮肥联合调控在减少水量和氮肥投入的同时，不仅保证了水稻产量，而且大幅提高了水稻水肥利用效率。本试验中，间歇灌溉缓释肥（W2N2）处理下根干物质积累量和占比都较间歇灌溉传统肥（W2N1）处理高，淹灌缓释肥（W1N2）处理的干物质积累量和占比都较淹灌传统肥（W1N1）处理的高，并且方差分析中表明，缓释肥较传统肥可以显著促进根系干重；不论淹灌或间歇灌溉模式下，缓释肥上、下层土壤全氮、全磷较传统肥都低。综上可知，缓释肥可以促进水稻根系干物质积累，使根系分布更深广，提高水稻对土壤氮、磷的吸收利用。

传统肥或是缓释肥条件下，间歇灌溉上、下层土壤全氮含量较淹灌高，表明间歇灌溉较淹灌可以维持促进土壤上、下层全氮含量，可能是淹灌模式稻田土壤氮素深层渗漏损失较间歇灌溉大［23］；传统肥或是缓释肥条件下，间歇灌溉上层土壤全磷含量较淹灌高，下层较淹灌低，表明间歇灌溉较淹灌对上层土壤全磷含量有维持和促进作用，对于下层土壤维持作用却不如淹灌，这与何军等［24］人研究一致。

前人研究表明，间歇灌溉可以增产5.30%～24.02%［25-27］，缓释肥对水稻也有一定的增产效果［28，29］。徐一兰等［30］人认为间歇灌溉促进了根系干物质积累，延缓了水稻根系生命周期，促进了水稻各器官干物质积累，提高了净光合速率和有效穗数，从而获得较高的产量。彭玉等［14］人研究表明，施用缓释肥可以使根系有较高的活力，保证了根系在土壤中具有较强的养分吸收能力，促进了有效穗数的形成从而对水稻产量产生积极影响。本研究表明，根干重、有效穗数、产量在间歇灌溉、缓释肥、间歇灌溉和缓释肥交互下有一定的提高，根干重、产量在施肥类型下差异性显著，有效穗数在施肥类型下差异性较显著。因此施用缓释肥可以促进根系干物质积累，提高水稻对土壤氮磷吸收利用率，对有效穗数产生积极的影响，进而提高水稻产量。

水稻产量的形成是“库”“源”协调互作的结果［31］。淹灌水稻一个很重要的生理特征就是根系的早衰，根系的早衰影响着水稻早衰的［32］，而根系作为水稻“源”的一部分，影响着水稻产量［33］。本试验中，根干重、叶绿素SPAD 值、分蘖数、有效穗数在间歇灌溉缓释肥（W2N2）下都维持在较高的水平，并且间歇灌溉缓释肥（W2N2）产量比淹灌传统肥（W1N1）高8.53%，原因可能是，间歇灌溉“干湿交替”土壤环境有利于植株在生育后期维持较高的根系活力和叶绿素SPAD 值，而缓释肥在水稻生育后期持续的释放营养物质，进一步保证了氮、磷对地上部分的供应，确保“源”的充足。同时间歇灌溉缓释肥能够促进分蘖数、有效穗数的形成，增大水稻的“库”容，从而获得高产。

4 结 论

间歇灌溉较淹灌可维持土壤上、下层全氮含量，对上层土壤全磷含量有更好的维持作用，对于下层土壤维持作用却不如淹灌。施用缓释肥可以促进水稻根系干物质积累，提高水稻对土壤氮、磷的吸收利用率，对有效穗数形成产生积极的影响，进而提高水稻产量。间歇灌溉和缓释肥耦合互作可以提高产量，但差异性不显著。

从一年的测坑水稻试验研究显示，间歇灌溉与缓释肥耦合互作对于稻田土壤氮磷含量影响差异较大，间歇灌溉干湿交替必然影响土壤氮、磷运移，从而改变了水稻根系从缓释肥中吸收营养物质的环境状态，导致水稻产量的差异性。接下来应选取更大尺度以及开展多年稻田试验研究，进一步优化基于稻田土壤肥力的水稻高产潜力水肥耦合模式。 □