控制灌排条件下田间渗漏量与施氮量对水稻产量、品质及水氮利用效率的影响

王 琼，俞双恩，丁继辉，马 韬，陈凯文，王 雷

（1.河海大学农业科学与工程学院，南京 210098；2.宿迁市宿豫区水利局，宿迁 223800）

0 引 言

水稻是我国重要的粮食作物，约占全国粮食总种植面积的27%。水稻生育期需水量大，水稻灌溉用水约占农业总用水量的70%，水资源短缺正成为制约水稻生产的重要因素［1］。同时我国氮肥利用率仅为28.3%，远低于世界平均水平，并呈逐步下降趋势［2］。依赖过量水氮资源的投入来获得高产与资源的可持续利用是农业生产发展上亟待解决的突出矛盾。俞双恩［3］将现有的水稻节水灌溉与控制排水技术相结合，提出了以农田水位作为水稻控制灌排调控指标的水稻控制灌排技术，具有显著的节水、减排、高产效应［4，5］。研究控制灌排条件下科学合理的农田水氮管理方案，对保证我国粮食产量、提升水稻品质，实现水氮资源可持续利用和水稻可持续生产具有重要意义。

水、肥是作物生长最为重要、也是可以人为调控的两大重要环境因子［6］。一定范围内增施氮肥有利于提高水稻产量，改善食味品质，但过量施用氮肥不仅会造成水稻减产，往往还会对水稻品质产生显著的负效应［7］，同时氮素利用效率也显著降低［8］；适度的水分胁迫有利于节水增产，提高水分利用效率［9］，且促进水稻籽粒蛋白质的积累，改善营养品质［10］；张自常［11］研究发现灌溉方式和施肥水平对水稻产量和米质调控存在着显著的互作效应，在轻干湿交替灌溉条件下配施中氮能够显著提高水稻产量并改善稻米品质，在重干湿交替灌溉条件下，增施氮肥可以有效缓解水分胁迫对水稻产量和品质的不利影响；吴宗钊等［12］研究表明施氮量应与灌水量相匹配，轻干湿交替灌溉条件下施氮180 kg/hm2会达到较好的水氮耦合效应，在减少灌水量的条件下仍会获得较高产量和氮肥利用效率。

综上，国内外众多学者对水氮耦合做了大量深入的研究，但多基于常规灌排模式，而针对控制灌排条件下水氮耦合对产量、水氮利用效率及品质变化规律的研究较少。本文以农田水位作为控制灌排调控指标，开展蒸渗测坑控制试验，研究控制灌排条件下不同田间渗漏量与施氮量对水稻产量、水氮利用效率及品质的影响，为进一步优化稻田水氮管理、提高稻田水肥利用效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年6-11月在河海大学江宁节水园区试验场内（31°54′N，118°46′E）进行。试验场区多年平均气温为15.7 ℃，蒸发量为900 mm，多年平均降雨量为1 072.9 mm。试验场区有32 个固定蒸渗式测坑，其规格为（长×宽×深）2.5 m×2.0 m×2.0 m，测坑中间布设地下廊道和设备间，每个测坑底部与设备间水柱连通以便精准控制水位。测坑内填土为粉质黏土，耕作层土壤容重为1.40 g/cm3，孔隙度为44.97%，田间持水率为32.89%（质量含水率），pH 值为6.97，土壤有机质含量为1.1%，全氮含量0.24 g/kg，速效氮含量11.22 mg/kg，土壤全磷含量为0.24 g/kg，速效磷含量5.98 mg/kg，钾含量为3.64 mg/kg，速效钾含量115.6 mg/kg。

1.2 试验设计

水稻供试品种为常规南粳9108，栽种密度为20 cm×15 cm，即34 万穴/hm2，每穴3 根籽苗，水稻于6月17日移栽，11月2日完成收割。试验采用双因素完全随机区组设计，设置2 种田间渗漏量和5种施氮量共10个处理方案组成，每处理设3个重复：2 种田间渗漏量为L（3 mm/d），H（5 mm/d）；5 种施氮量分别为N0（0 kg/hm2）、N1（150 kg/hm2）、N2（225 kg/hm2）、N3（300 kg/hm2）、N4（375 kg/hm2），按基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶3∶3 配比施用氮肥（以纯氮计算），分别于6月17日、6月30日、8月2日分施基肥、分蘖肥和穗肥，磷肥（P2O5）按75 kg/hm2作基肥一次施用，钾肥（K2O）按120 kg/hm2，分基肥和穗肥各1/2施用；根据前人研究成果［3］，水稻控制灌排模式以农田水位为控制指标，不同生育期控制灌排水位调控模式如表1所示。

表1 水稻控制灌排水位调控模式 mmTab.1 Water control program of rice under controlled irrigation and drainage

1.3 测定指标与方法

（1）气象数据的收集。气象资料由试验区自动气象站采集，主要包括降雨量、气温等。

（2）田间水分观测。当田面含有水层时，通过竖尺在测坑固定观测点测量田面以上水层深度，无水层时则通过埋设的地下水位观测井观测并记录各处理试验小区的地下水埋深，地表灌排水量均通过流量计进行计量。当田面有水层时每天9点按照3、5 mm/d的田间渗漏量进行测坑地下排水，每个测坑折算的排水量分别为15和25 L（测坑底部有30 cm厚的沙砾石反滤层，在反滤层位置进行侧向排水，疏干部分反滤层中水分，促进水分下渗，可近似模拟田间渗漏量）。

（3）水稻产量及产量构成因子的测定。水稻收割前3 d，每个测坑随机选取9穴，考察有效穗数、每穗粒数、千粒重、结实率等产量构成因子，计算理论产量。实际产量按单打单收统计。

（4）田间水分利用效率（WUEf）。考虑到该试验设置有不同田间渗漏量处理，因此采用单位田间耗水量生产的籽粒实产来表征田间水分利用效率。计算公式如下：

式中：Y为水稻实际产量，kg/hm2；W为水稻全生育期内田间总耗水量，mm；m 为水稻全生育期内灌水量，mm；p 为降雨利用量，mm；c为地表排水量，mm。

（5）水稻品质指标的测定。水稻收获脱粒晒干并于室温下储存3 个月以保证稻米品质的稳定性。稻米食味及营养品质（直链淀粉、蛋白质）采用高精度近红外食味分析仪（QS2400型）测定。

1.4 数据分析与处理

数据统计分析采用Microsoft Excel 2019 和IBM SPSS 25，依据F-检验和Duncan 方法进行显著性分析（P＜0.05），图形绘制采用Origin 2018。

2 结果与分析

2.1 控制灌排条件下水氮耦合对水稻产量及其构成特征的影响

产量是评价水稻生产能力最为直观的指标，各处理间水稻产量及其构成因子见表2。施氮量和渗漏量处理均对理论产量和实际产量的影响达显著水平。渗漏量一定时，水稻实际产量随着施氮量的提高呈先增加后降低趋势，L-N2 处理的产量最高，达到了10 298.58 kg/hm2，其次为H-N3 处理，过量增施氮肥不仅会造成资源的浪费，还会一定程度上降低氮肥的增产效果。低渗漏量处理较高渗漏量表现出一定的增产趋势，原因是由于低渗漏量处理减少了氮肥流失，提高了肥料利用率，从而提高了水稻产量。

表2 控制灌排条件下水氮耦合对水稻产量的影响Tab.2 Effects of water-nitrogen coupling on rice yield under controlled irrigation and drainage

产量构成因子均受氮肥施用量的显著影响。渗漏量一定时，水稻结实率随施氮量的提高逐渐增加，N4与N1处理间差异达到显著；水稻有效穗数随施氮水平的提高呈先增加后减小趋势，分别于L-N2、H-N3 处理时达到最大，且L-N2 处理有效穗数显著高于L-N1处理，H-N3处理显著高于H-N4、H-N1处理，表明适宜的施氮量有利于水稻成穗，但超过一定范围后继续增施氮肥反而不利于稻穗发育；每穗粒数和千粒重受施氮量影响变化规律与有效穗数表现相似，表明增施氮肥在合理范围内可以通过提高有效穗数、每穗粒数、千粒重、结实率，进而提高水稻理论产量。渗漏量对每穗粒数和结实率影响显著。同一施氮水平不同渗漏量之间，L-N0、L-N1处理每穗粒数高于H-N0、H-N1 处理，且差异达到显著，而其他各施氮处理间差异不显著；H-N0、H-N1、H-N2、H-N3、H-N4处理结实率分别较L-N0、L-N1、L-N2、L-N3、L-N4 处理高出0.72%、3.96%、5.64%、2.89%、1.42%，表明较大的田间渗漏量一定程度上促进了水稻结实率的提高。

2.2 控制灌排条件下水氮耦合对水氮利用效率和品质的影响

不同水氮处理对水稻田间耗水量的影响如图1 所示，不同施氮水平下水稻田间耗水量差异不显著，高渗漏量处理田间耗水量显著高于低渗漏量处理。作物水分利用效率是评价水稻节水效果的重要指标。由图2（a）可知，渗漏量一定时，L-N1、L-N2、L-N3、L-N4 处理田间水分利用效率较L-N0 处理分别显著增加了21.50%、48.85%、39.66%、34.73%，L-N2处理达到最大为1.95 kg/m3；H-N1、H-N2、H-N3、H-N4 处理分别较H-N0 显著提高了17.23%、45.47%、51.25%、48.23%，H-N3 处理最优为1.54 kg/m3，表明增施氮肥在一定范围内可以有效提高水稻田间水分利用效率。同一施氮量不同渗漏量处理之间水稻田间水分利用效率差异均显著，低渗漏量处理较高渗漏量显著提高了18.64%～35.81%。

图1 控制灌排条件下水氮耦合对水稻水分利用的影响Fig.1 Effects of water-nitrogen coupling on water use of rice under controlled irrigation and drainage

不同水氮处理对水稻氮肥农学利用效率的影响如图2（b）所示。渗漏量一定时，氮肥农学利用效率随施氮水平的提高呈先增大后减小趋势，在L-N2 处理时达到最大为13.56 kg/kg，其次是H-N2 处理达到了13.05 kg/kg，且均显著高于其他各施氮处理；相同施氮量下，不同渗漏量处理对氮肥农学利用效率的影响规律略有不同，在低氮处理（N1、N2）时，低渗漏量处理氮肥农学利用效率均高于高渗漏量处理，而在高氮处理（N3、N4）时，高渗漏量处理效率更高，且在N3 处理差异达到显著，表明低肥低渗、高肥高渗的水氮处理方案更有利于提高水稻氮肥农学利用效率。

图2 控制灌排条件下水氮耦合对水稻水氮利用效率的影响Fig.2 Effects of water-nitrogen coupling on water-nitrogen utilization efficiency of rice under controlled irrigation and drainage

不同水氮处理对水稻食味及营养品质的影响如图3 所示。渗漏量一定时，直链淀粉含量随施氮量增加呈先减小后增大趋势，分别在H-N3、L-N2 处理时达到最低，食味品质达到最佳。施氮量一定时，H-N4 处理水稻直链淀粉含量较L-N4 显著降低了20.95%，其他施氮水平下高渗漏量处理直链淀粉含量均低于低渗漏量处理，但未达到显著差异，可见高渗漏量处理一定程度上能够改善水稻食味品质。相同渗漏量处理下，水稻籽粒蛋白质含量随施氮量的提高显著增加，与未施氮处理（L-N0、HN0）相比，L-N1、L-N2、L-N3、L-N4 处理籽粒蛋白质含量分别显著增加了9.29%、14.76%、15.09%、20.23%，H-N1、H-N2、HN3、H-N4 处理分别显著提高了12.04%、17.10%、21.47%、26.01%。同一施氮量下，不同渗漏量处理间的籽粒蛋白质含量无显著差异。

图3 控制灌排条件下水氮耦合对水稻品质的影响Fig.3 Effects of water-nitrogen coupling on quality of rice under controlled irrigation and drainage

3 讨 论

适宜的水分调控和合理的肥料运筹是提高作物产量、提升作物品质，实现水肥高效利用的基础［8］。不同水氮调控模式对作物产量、水氮利用效率的影响已做了大量研究［13-15］，但针对控制灌排条件下的研究报道较少。俞双恩等［16］研究表明水稻控制灌排技术能够节水、高产的同时提高水分生产率。本次试验研究结果表明，控制灌排条件下合理的水氮耦合模式能够实现水稻高产、高效的同时提升水稻品质。相同渗漏量条件下，水稻产量随着施氮量的提高呈先增大后减小趋势，且在施氮量为225 kg/hm2时产量达到最大，这与朱兆良［17］研究的适宜施氮量在182～273 kg/hm2之间结论相符。陈惠哲等［18］研究表明，较大的田间渗漏量易造成氮肥营养流失，降低土壤的保水保肥性，从而影响水稻产量，本研究结果也表明低渗漏量处理水稻产量较高渗漏量具有一定的增产趋势。水稻产量构成因子方面，刘文祥等［19］研究指出，水稻理论产量与施氮量之间呈抛物线关系，有效穗数随施氮水平的提高显著增加，但每穗粒数呈先增后降趋势；兰艳等［20］研究发现，随施氮水平的提高，结实率和每穗粒数呈先增后降趋势，而有效穗数逐渐增加；各试验可能由于水稻品种及地域之间的差异，氮肥水平对产量构成因子之间的影响不尽相同，但大多研究报道出来的共性为在合理的范围内增施氮肥对产量构成因子的形成有一定促进作用。本研究中，结实率随施氮水平的提高显著增加，而有效穗数、每穗粒数和千粒重呈先增后降趋势。栾雅珺等［21］研究表明，高渗漏量通过改善土壤透气性能够获得较高的结实率，但对其他产量构成因素有一定的抑制作用，这与本研究结果结论一致，高渗漏量处理一定程度上提高了水稻结实率，但每穗粒数显著下降。

水肥之间具有明显的耦合关系，适宜的水分和施肥可以产生协同效应，对水稻水肥资源高效利用有一定的促进作用［22］。该试验研究结果表明，水氮处理对水稻水分和氮肥利用效率具有显著的影响。田间水分利用效率方面，高渗漏处理由于加大了田间渗漏量，导致田间水分利用效率较低。氮肥利用效率方面，氮肥投入量过高是导致氮肥利用率降低的主要原因［23］；低氮处理下，高渗漏量易造成养分随水分下渗而损失［21］，导致土壤养分不足进而影响了水稻生长发育，从而降低了氮肥农学利用效率。而高氮处理下，充分的肥料不再使养分流失成为抑制水稻生长发育的重要因素，此时高渗漏量增大了土壤通透性［18］，改善了作物生长环境，促进了水稻生长发育从而显著提高了氮肥农学利用效率。

一般而言，直链淀粉含量过高会使得米饭蓬松干燥，质地较硬，会大大影响食味口感［24］，廖爽等［25］通过设置三个氮素水平（0、90、180 kg/hm2）研究发现稻米直链淀粉含量随施氮水平的提高呈下降趋势，食味品质逐渐变优，而本试验通过进一步提高氮素水平研究其对水稻食味品质的影响，结果表明直链淀粉含量随施氮水平的提高呈先减小后增大趋势，过量氮肥的投入对水稻食味品质不利。大量学者研究认为稻米蛋白质含量随着施氮量的增加而逐渐增加［7，26］，该研究结果结论一致，主要因为氮肥的投入一定程度上促进氨基酸和蛋白质的合成，使得稻米中蛋白质含量提高。

4 结 论

控制灌排条件下不同水氮处理对水稻产量、品质及水氮利用效率具有显著的影响，适宜的渗漏量和施氮量能较好发挥水氮耦合效应，获得水稻种植高产和提高水肥利用效率的同时形成良好的水稻品质；氮肥施用量过多反而会造成水稻产量、水氮利用效率、食味品质的下降。在本实验中，低渗漏量处理下施氮量为N2（225 kg/hm2）时，水稻产量达到最高为10 298.58 kg/hm2，田间水分利用效率和氮肥农学利用效率也相对较高，分别为1.95 kg/m3、13.56 kg/kg，同时稻米食味及营养品质（直链淀粉、蛋白质）较好，该水氮管理方案最接近目标为高产、优质和高效的理想结果。