水分管理对水稻产量、品质及氮磷流失的影响研究综述

邢素林 马凡凡 吴蔚君 徐云连 马友华

（安徽农业大学资源与环境学院，合肥230036；*

水稻是喜水植物，在整个生育期都需要充足的水分，但各个生育阶段对水分的需求又是不同的。有研究表明，适当的节水灌溉不仅不会减少水稻产量，反而有利于提高产量，同时稻米的品质也会有所改善[1－3]。土壤养分是稻田氮磷流失的物质基础，而农田中的水分运动则是其动力和载体。我国氮肥利用率为30%～40%[4]，磷肥的利用率更低，仅为8%～20%[5]。土壤中的养分大都以径流、淋溶等形式流失。此外，氮素还会以气体挥发流失。合理控制稻田灌溉水量、排水时间等田间管理措施，不仅能够减少灌溉用水量，提高降雨利用效率，还能够减少农田氮磷损失，提高肥料利用率。

1 稻田灌溉的作用及基本原理

水稻在生长过程中对水分的需求分为生态需水和生理需水两大类。稻田灌溉就是要通过科学、合理的灌溉技术来满足水稻的生理需水和生态需水，不仅为水稻的生理代谢提供水分，同时还可以通过灌溉来调节稻田温度、以水调肥等为水稻提供良好的生长环境[6]。水稻的生理需水还表现在不同的生育期有不同的需水要求，水稻生长的关键期缺水将对水稻产量造成较大的影响甚至会造成死亡，非关键期缺水对水稻生长影响较小，在一定程度上会更有利于高产稳产，这就为水稻节水灌溉提供了依据。节水灌溉就是根据当地供水、降雨和土壤水分等条件，以作物需水规律为基础，综合利用灌溉过程中可以减少灌溉水损失的一系列技术措施，在高效利用当地降雨的前提下，获取农业生产的最佳经济效益、社会效益和生态效益的多种技术措施和制度的总称[7]。

与传统的大水漫灌相比，节水灌溉注重“薄、浅、湿、晒”等技术，目前在水稻生产研究中，主要研究的节水灌溉技术有水稻控制灌溉技术、干湿交替灌溉、水稻叶龄模式灌溉、旱育稀植以及覆膜旱作节水灌溉技术等[8－11]。国外关于节水灌溉的研究也较多，日本的将以“露”为主和地膜覆盖相结合技术；印度与我国节水灌溉技术较为相似，多采用间歇灌溉技术[12]；埃及则通过缩短水稻生长周期达到节水的目的[13]。在我国和东南亚的一些国家如印度、孟加拉、越南等推广使用干湿交替灌溉，并取得了明显的节水效果[14－15]。这些技术虽然各有不同之处，但都是根据水稻的需水特征，在水稻生长的各个时期进行节水灌溉。水稻实行节水灌溉可以提高降水利用率、减少渗漏量和蒸发量。通过控制灌溉量，即在水稻分蘖的中、后期建立稻田薄水层或者无水层，此时土壤的含水率偏低，土壤蓄水能力较大，稻田中多余的水分减少，从而可以大大提高降水利用率[16]。水稻实行节水灌溉，稻田中水分大大减少，在无水层或薄水层蒸发只是土壤表面的水分，蒸发强度明显减弱，植株蒸腾作用也明显减弱[17]。

传统的淹水漫灌模式，稻田通气条件较差，水稻根系呼吸生长受到抑制，会出现病虫害发生严重、植株早衰等现象，影响产量的提高[18－19]。此外，淹水漫灌耗水量大，水分利用率仅为 30%～40%，同时会因径流、渗漏和排水引发环境污染问题[19－20]。因此，发展节水灌溉，对于保障水稻产量，减少因灌溉引起的农业面源污染具有有重要意义[21]。

2 水分管理对水稻产量及品质的影响

水稻对水分条件的变化具有一定的适应性，在不同的生育阶段对水分的需求不同。研究水稻在不同的生育阶段对不同水分供应状况下的反应，是探讨水稻生育期实行节水灌溉的理论基础[22]。柯传勇等[23]研究表明，在水稻不同生育时期对水稻进行水分胁迫处理，对产量的影响不同。在钝感期内短期受旱，水稻对水分的缺失反应较迟钝，即使其生理机能受损也可较快的恢复正常的生长状况，因而对产量影响较小；若敏感期发生缺水，则较难恢复正常的生长状况，会导致小穗败育、穗粒数减少、秕粒增多、千粒重下降，最终导致产量降低，严重的甚至会导致水稻的死亡。水稻全生育期中，分蘖期对水分反应迟钝、抗旱性强、节水潜力大，是晒田的适宜时期[24]。在水稻分蘖前期应用节水灌溉可以促进水稻分蘖旺盛，使分蘖提早、稻株分枝生长快。吕银斐等[21，25]研究表明，分蘖前期控制灌水可以加快水稻分蘖并最先达到分蘖高峰，分蘖高峰后茎蘖数减少较平稳。俞爱英[26－27]等研究表明，与传统灌溉相比，分蘖期适当的节水灌溉可以提高分蘖1～2叶，每增加1叶分蘖成穗率可提高27%，且每穗总粒数随分蘖带叶片数增加而增加，产量明显提高。孙艳玲等[28]研究表明，在分蘖末期严格控制水分，可以抑制水稻无效分蘖，使水稻生长后期产生补偿效应，增加有效分蘖，提高水稻成穗率。适当的节水管理能够增强植株根系活力，促进根系生长发育，吸收更多的水分和养分，从而促进植株生长，有利于干物质的积累[29－30]。吕银斐等[21]通过研究常规灌溉、干湿交替灌溉和湿润灌溉3种不同的水分管理方式对水稻生长的影响表明，干湿交替灌溉比常规灌溉和湿润灌溉干物质量分别提高9.15%和13.45%。

就水稻品质而言，不同时期水分胁迫对水稻的垩白粒率、蛋白质含量和脂肪含量都有影响。解文孝等[31]研究表明，在灌浆结实初期水分胁迫对稻米垩白粒率、垩白大小和垩白度影响显著，不同时期水分胁迫都使蛋白质含量和脂肪含量增加。Yang等[32－34]研究指出，在水稻结实期适当的节水灌溉能够改善稻米品质，提高酶活性和精米率，胶稠度变软。但也有研究表明，严重的水分胁迫会使稻米品质下降[35－36]。目前关于水分管理对稻米品质的影响研究较少，且结果也不一致。

3 水分管理对稻田氮、磷流失的影响

土壤养分或肥料是稻田氮磷流失的物质基础，而农田中水的运动则是其动力和载体[37]。传统的大水淹灌加剧了灌溉用水的日趋紧张，造成水资源的极大浪费；农田过量施用化肥，除一部分被植物吸收利用外，大部分通过径流、淋溶、氨挥发、硝化－反硝化、土壤矿化等途径损失[38]，造成土壤、大气、湖泊富营养化以及地下水污染等环境问题[39－41]。我国大部分地区在水稻种植过程中，灌溉和排水是必须的，而经稻田排水流失的氮磷流入江河会污染水体。

3.1 稻田氮磷损失的特征

氮素是水稻生长必需的大量元素[42]。施肥是稻田氮素的主要来源，但降雨、灌溉、大气的干湿沉降带到稻田中的氮素含量也不容小觑。Jeon等[43]在试验中发现，稻田氮素含量的13%～33%都来自大气的干湿沉降以及农田灌溉。稻田中的氮肥除残留在土壤中和被植物吸收利用的一部分外，大部分都是通过氨挥发、径流淋溶和硝化－反硝化等途径损失[44－47]。朱兆良[48]对苏南太湖流域稻麦轮作区的研究表明，稻田泡田弃水和地表径流损失的氮分别占施氮量的2.7%和5.7%。硝化－反硝化也是稻田氮素流失的途径之一，其产生的N2O进入大气会破坏大气环境[49－50]。

近年来，在追求高产的过程中，农民持续大量施用磷肥，施入农田中的磷肥大部分未被植物吸收利用而滞留在表层土壤中，在水－土界面不会挥发[51]。尽管磷在土壤中较稳定，易被土壤颗粒和胶体吸附[52]，扩散迁移能力较差，但多年研究证实，磷也是导致水体富营养化的主要原因[54－55]。磷在土壤中较稳定，主要是通过径流和淋溶等途径损失[57]，通过地表径流损失的磷可分为溶解态磷和颗粒态磷，通过降雨而流失的磷主要是可溶性磷，而颗粒态磷是土壤磷径流损失的主要形态[58－59]。研究表明，土壤磷素流失的峰值一般发生在施肥后的第1次农田径流[60]。李学平等[61]通过对紫色水稻土磷素流失潜能进行研究，结果表明，如果在水稻移栽后1 d进行田间排水，磷素潜在流失负荷在928～3 284 g/hm2，总磷的潜在流失率在1.5%～2.5%之间。

3.2 田间水分管理对稻田氮磷损失的影响

3.2.1 降雨对稻田氮磷流失的影响

降雨和施肥是影响耕地氮磷流失的关键因素，特别是施肥后不久的降雨。因此，在种植初期，改善养分和水的田间管理非常重要。管毓堂等[62]对稻田降雨径流污染特征的研究表明，施肥以及施肥后至降雨的时间间隔是影响降雨污染物浓度的重要因子。有研究显示，降雨和径流是土壤溶质迁移的动力，在侵蚀性降雨冲刷作用下，表层土壤中部分氮素、大部分磷素以颗粒态形式发生迁移和富集[63－65]。梁斐斐等[66]关于降雨强度对坡耕地土壤氮磷流失主要形态影响的研究表明，雨越大径流量也越大，同时产生的径流中总N、总P浓度也越高，导致稻田氮磷流失越大。在我国南方地区水稻季与雨季同期，强降雨补充田面水，当水面高度超过田埂时会产生径流，造成稻田氮磷流失。周静雯等[67]通过研究不同灌溉模式与降雨场次的关系，结果显示传统的深水灌溉在降雨量达到50 mm以上时，就会产生径流，造成氮磷流失，干湿交替模式降雨达到90 mm时仍未产生径流，表明干湿交替节水灌溉模式可以显著减少由降雨形成的径流，减少氮磷流失。雨前、雨后水体中氮含量有着明显的变化，说明降雨所带来的氮磷流失是造成农业面源污染的重要因素[68]。

3.2.2 田间水分管理对稻田田面水氮磷浓度及径流流失量的影响

基于水稻需水规律、稻田水平衡规律和养分负荷规律的研究，可以通过技术、管理等手段系统地对稻田小流域进行水分协调，提高水分利用率，减少氮磷流失。张丽娟等[69]关于灌溉与施肥对稻田氮磷流失影响的研究表明，间歇灌溉条件下总氮、总磷径流流失量相对于传统灌溉分别降低22.99%和10.01%，这与黄东风等[70]的研究结果基本一致。与传统灌溉相比，浅薄灌溉模式下，稻田田面水氮磷浓度降低47.6%～86.2%[71]。不仅是节水灌溉，控制田面水的排放时间也可以通过降低径流水中氮磷浓度来减少氮磷流失[72]。张荣社等[73]研究证明，污水在人工湿地中滞留3 h，总氮去除率可达85.6%。还有研究表明，稻田产生径流后在田间滞留2 h，氮损失可减少50%以上[74]。田间灌溉不仅要考虑到减少灌溉量，还要综合考虑施肥活动，尽量拉大施肥与排水的时间差，降低营养元素的流失[75]。

3.2.3 田间水分管理对稻田氨挥发和硝化反硝化的影响

全球氮肥施用中通过氨挥发损失占14%[76]。我国稻田氨挥发损失量占总施氮量的9%～60%，以气体形式损失最大的是东部地区，尤其以北方平原和太湖地区最多[77－78]，且氨挥发损失主要发生在施肥后7 d内。氨挥发发生在田面水与大气的界面处，所以说，如果稻田长时间保持蓄水状态则会大大增加氨挥发发生的机率。李菊梅等[79]研究表明，氨挥发速率与田面水铵离子浓度呈极显著的线性关系，说明田面水中氨态氮含量高低直接影响着氨挥发量的大小。有研究表明，受控灌溉与一般灌溉相比，稻田甲烷排放总量可减少80%以上。灌溉排水控制下氨态氮负荷下降了18.5%～54.5%，硝态氮负荷减少了16.8%～57.7%[80]。 氮肥损失中有30%是缘于反硝化作用，反硝化作用是一个在嫌气条件下进行的微生物学过程，稻田长时间处于蓄水嫌气条件下，反硝化作用增强，加剧了氮的损失。在淹水条件下，反硝化是土壤硝态氮损失的主要途径之一，反硝化作用不仅会造成肥料损失，还会形成各种含氮氧化物如NO2、NO、N2O和 N2等气体，这些气体进入大气会造成污染[81－82]。

4 展望

为了寻找最有利于水稻生长及减少氮磷流失的水分管理模式，实现稻田水分的最优控制，需要研究不同极限水分管理模式下水稻的品质、产量状况，以及农田氮、磷流失，实现稻田水分的最优控制。研究田间水分管理中水稻田灌溉、降雨和稻田水分的流失规律以及稻田氮磷迁移转化规律，建立适用于我国的稻田水分平衡和水稻所需的营养物质负荷模型，能够更精确的指导田间水分管理，减少水稻田氮磷流失，控制农业面源污染。

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