不同水肥耦合水稻温室效应及氮素利用率研究

昝 鹏，陈燕萍

(四川水利职业技术学院，成都 610000)

水稻的播种面积占粮食作物总量的42%，是中国的主要粮食作物之一[1]。水与化肥是水稻生长的主要因子，根据联合国粮农组织FAO(Food and Agriculture Organization of the United )对世界范围内41个国家化肥用量的调查报告显示，化肥在粮食增产中的作用达60%以上[2]。但水肥不合理的施用不仅会浪费水资源，而且会导致水体富营养化，随降水的扩散，甚至会造成大面积的农业面源污染，对生态环境造成巨大的危害[3,4]。中国是世界上13个贫水国之一，水资源的利用率极低，许多地区为达到高产大量消耗水资源，导致地下水位严重下降，水资源过度浪费。以氮肥为例，其不合理施用，将会导致水稻抗倒伏能力下降、病虫害多发及水稻减产[5]。水肥耦合是指根据作物不同需水条件，将灌溉与施肥在时间、数量和方式上合理配合，促进作物根系深扎，扩大根系在土壤中的吸水范围，提高作物的光合强度，以达到作物增产的目的[6]。目前，关于水肥耦合对作物产量、水分利用效率等的影响已开展了许多研究，隋娟等[7]研究了小麦地表滴灌条件下水肥耦合对土壤水分、氮素运移分布规律的影响；王景燕等[8]研究了汉源花椒的光合特性及其对水肥处理的响应；王振华等[9]研究了不同滴灌水肥处理对成龄葡萄耗水及产量的影响；马国成等[10]采用大田膜下滴灌种植方式，研究了不同水肥条件对马铃薯叶绿素及叶面光合速率的影响；苏欣等[11]研究了小麦在不同灌水量及施肥条件下根系层中总磷的迁移与转化规律。本文在结合以上研究的基础上，研究目的如下：以黑龙江省高寒地区为研究区，通过设置不同的灌水方式及化肥施用量，研究水肥对寒区水稻产量、温室效应及氮素利用率的影响，找出合理的灌水施肥方式，减少氮素对水质及其转化产生的N2O气体对温室效应造成的影响，为寒区未来发展环境友好型的生态灌溉提供一种更加合理的灌水与施肥方式。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2016年在黑龙江省水利科学研究院节水灌溉综合试验基地进行(126°36′35″E，45°43′09″E)，研究区位于东北典型黑土带，多年平均气温2.9 ℃，多年平均最高气温36.5 ℃，多年平均最低气温-41.6 ℃，多年平均降水量为525 mm，多年平均日照时数为7 h，冬长夏短，四季分明，无霜期为100～160 d，属中温带大陆季风性气候[12]。

1.2 试验设计及观测指标

本文以水稻为研究对象，试验品种采用龙庆稻4号，每穴5株，间隔为30 cm×20 cm，灌水方式分别采用控制灌溉(W1)、间歇灌溉(W2)及淹灌(W3)，氮肥采用4种施肥水平，分别为：高肥水平140 kg/hm2(C1)、中肥水平110 kg/hm2(C2)、低肥水平70 kg/hm2(C3)、不施氮肥(C4)。控制灌溉和间歇灌溉采用节水灌溉模式，其中控制灌溉主要控制土壤含水量，间歇灌溉田面无明显水层，淹灌处理田面水层较深。在返青期田面保持较深水层。分蘖末期均进行晒田。每个试验小区通过安装水表及水尺控制灌水量及水深。试验小区布置方式见图1，共36个试验小区，每种水肥管理模式设置3次重复。

图1 试验布置图Fig.1 The layout map of experience

当试验小区有水层时，采用毫米刻度尺测量小区内6个观测点的水层深度，取其平均值作为该小区水层深度，当试验小区无水时，采用土壤水分速测仪测定土壤含水量。每次灌水量及灌水时间采用水表测定；CO2、CH4、N2O采用人工静态箱法定位观测，其中CH4、N2O采用不透光静态箱体，CO2气体采集时采用透明箱体；CO2和CH4浓度采用氢火焰离子化检测器测定，N2O气体浓度采用热导检测器测定；水稻产量随机抽取各小区长势中等的15株植株测定。

1.3 计算方法

(1)总增温效应GWP[13]。

GWP=MCO2a1+MCH4a2+MN2Oa3

(1)

式中：MCO2、MCH4、MN2O分别为水稻全生育期CO2、CH4、N2O的总排放量；a1、a2、a3均为多年时间尺度上气体分子温室效应折算系数，参考文献[14]，100 a时间尺度上，a1、a2、a3分别取1、23、310。

(2)灌溉水分生产率WP[15]与水分利用效率WUE[16]。

WP=WU/P

(2)

WUE=WU/WY

(3)

式中：WU为作物产量，kg/hm2；P为作物灌水量，m3/hm2；WY为作物耗水量，m3/hm2。

(3)氮肥利用率[17,18]。

REN=(N-N0)/F

(4)

式中：N为施氮后作物地上部分的氮吸收总量；N0为未施氮时作物地上部分的氮吸收总量；F为试验小区的氮肥投入量。

(4)CO2、CH4、N2O排放通量[19]。

(5)

式中：Fw为温室气体排放通量，mg/(m2·h)；ρ为标准状态下温室气体密度，CO2、CH4、N2O的密度分别为1.98、0.71、1.96 kg/m3；h为箱体高度；dC/dt为温室气体浓度变化率，mL/(m3·h)；t为箱体内平均温度，℃；p为箱体内平均气体压强；P0为标准大气压强。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对水稻产量的影响

不同组合灌水方式与施氮量对水稻单位面积穗数、结实率及产量等的影响见表1，可以看出：节水灌溉模式配合氮肥施用量的增加能显著增加水稻产量，对于不同灌水方式，高施氮量下水稻的产量总是大于低肥与不施氮肥，说明氮肥施用量的增加能显著提高水稻产量。控制灌溉、间歇灌溉及淹灌3种灌水方式下高肥水平与不施氮肥相比，产量分别提高61.84%、57.27%、60.4%，中肥水平与不施氮量相比，产量分别提高63.58%、60.14%、56.94%，高施氮量与低施氮量相比产量相差不大，控制灌溉与间歇灌溉在C1与C2施氮量下的水稻产量优于淹灌。淹灌条件下，不同施氮水平水稻的穗粒数相差不大，在66左右。显著性分析表明：控制灌溉及间歇灌溉模式下，C1与C2施氮水平下水稻产量相对于对照组C4均达到了显著性差异(P<0.05)，而C1与C2施氮水平之间没有显著性差异(P>0.05)，淹灌模式下，不同施氮水平水稻产量增产明显，但氮肥施用量的变化没有使水稻产量具有显著性差异(P>0.05)。从水稻产量构成因子对水稻产量的影响分析表明：水稻产量不同时，穗粒数的变化较大，说明节水灌溉模式配合氮肥施用主要通过影响穗粒数来影响水稻产量，对穗粒数、结实率、千粒重与产量之间分别做相关性分析，其相关系数分别为0.759、0.357、0.683，说明对产量影响的大小为：穗粒数>千粒重>结实率。

表1 不同水氮组合下水稻含量及其构成因素试验结果Tab.1 Content and its constituent factors of paddy under different water and nitrogen combinations

2.2 不同水氮处理对水稻收获指数的影响

不同水氮处理对水稻秸秆产量、籽粒产量、生物产量及收获指数的影响见图2，收获指数为水稻秸秆产量与生物产量之比。可以看出：随施氮量的减少，水稻各产量均呈现减小趋势，水稻收获指数并没有随水氮处理方式的不同而发生较大变化，3种灌水方式其均值分别为41.86%、42.65%、40.3%。对各曲线添加趋势线的结果表明，间歇灌溉条件下生物产量受施氮水平的影响最大，其趋势线斜率绝对值为2398。对各产量及其构成因子进行相关性分析的结果表明：施氮量与有效穗数、籽粒产量、生物产量的R2分别为0.905、0.926、0.935，有效穗数与结实率、籽粒产量、生物产量的R2分别为0.907、0.956、0.953，结实率与籽粒产量、生物产量0.945、0.928，籽粒产量与生物产量的R2为0.983，上述各因子之间相互影响均达到了极显著水平。

图2 不同水氮处理水稻各产量因子及收获指数Fig.2 Yield factors and harvest Indexes of paddy under different water and nitrogen treatments

2.3 不同水氮处理对水稻温室气体总排放量的影响

本文计算了不同水氮处理方式下水稻生长季CO2、CH4、N2O 3种温室气体的总排放量及单位产量排放量见表2和表3，可以看出：3种灌溉模式下CO2的总排放量变化范围分别为1 712.5～2 118.3、1 321.2～2 284.7、1 500.8～2 273.8 kg/hm2，间歇灌溉模式下CO2的总排放量变化幅度最大。3种灌溉模式下CH4的总排放量变化范围分别为252.5～292.7、233.5～261.7、301.3～436.3 kg/hm2，淹灌模式下CH4的总排放量变化幅度最大。3种灌溉模式下N2O的总排放量变化范围分别为0.23～0.37、0.19～0.41、0.14～0.24 kg/hm2，间歇灌溉模式下N2O的总排放量变化幅度最大，其均值为0.27 kg/hm2。

表2 CO2、CH4、N2O总排放量 kg/hm2

表3 单位产量CO2、CH4、N2O排放量 kg/hm2

与对照组相比，3种灌溉模式下高施氮量的CO2、CH4、N2O单位产量排放量均小于对照组，分别降低了29.1%、22.5%、11.1%，CH4也表现出了相同的变化。控制灌溉模式下，随施氮量的增加，CO2、CH4单位产量的排放量逐渐减小，而不同水氮处理下，N2O单位产量的排放量没有表现出显著的差异，其数值极小，3种温室气体排放量的大小为CO2>CH4>N2O。

2.4 不同水氮处理对水稻总体温室效应的影响

不同水氮处理下计算的CO2、CH4、N2O温室效应及气体总温室效应见图3，气体单位以kg/hm2计，可以看出：CH4产生的温室效应远大于CO2和N2O，N2O产生的温室效应很小。不同灌溉模式下CO2产生的温室效应为1 321～2 285 kg/hm2，CH4为5 359～10 028 kg/hm2，N2O为43.4～127.1 kg/hm2，CH4的平均温室效应为CO2和N2O的3.61、88.73倍，说明水稻整个生长季N2O气体的排放量很小，对温室效应的促进作用很小。不同灌水方式气体总温室效应的均值分别为8 333、7 683.43、10 288.25 kg/hm2即淹灌>控制灌溉>间歇灌溉，说明节水灌溉有助于降低作物对大气产生的总体温室效应，但控制灌溉与间歇灌溉中高施氮量气体总温室效应与对照组相比，没有发生较大变化。

图3 不同水氮处理下CO2、CH4、N2O温室效应及气体总温室效应Fig.3 Greenhouse effect and total greenhouse effect of CO2、CH4、N2O under different water and nitrogen treatments

2.5 不同水氮处理下水稻水分及氮素利用效率

灌溉水分生产率及水分利用效率表征水稻灌溉与消耗单位水量时，其经济产量，能够反映水稻不同水氮处理方式所达到的节水灌溉效果。本文计算的不同水氮处理下水稻水分利用效率见表4，可以看出：灌溉水分生产率与水分利用效率的变化较为一致，随着施氮量的增加，水分利用效率逐渐增加，但超过C2以后达到C1时，水分利用效率开始减小，表明水分利用效率不随施氮量的增加一直增加，当达到中施氮量即最佳施氮量以后开始减小。W1C2的WP与WUE值最大，节水灌溉模式即控制灌溉与间歇灌溉的WP与WUE值明显大于淹灌，达到了很好的节水及增产效果，3种灌水方式的WP均值分别为：2.49、2.32、1.7，WUE均值分别为1.75、1.49、1.12。

2.6 不同水氮处理下水稻氮素利用效率

水稻地上部分总吸氮量由秸秆含氮量及籽粒含氮量组成，不同水氮处理下其含氮量及氮素利用率见图4，可以看出：控制灌溉模式下，水稻地上部分总吸氮量随施氮量的增加而增加，其变化范围为87～155.7 kg/hm2，氮素利用率变化范围为29.9%～50.8%。淹灌模式下，随着施氮量的增加，氮素利用率逐渐减小。控制灌溉与间歇灌溉的氮素利用率无显著变化趋势，氮素利用率的最大值出现在W2C2。籽粒含氮量与水稻地上部分总吸氮量的变化趋势基本一致。方差分析表明：节水灌溉模式配合氮肥施用对水稻氮肥利用率影响极显著(P<0.01)。

表4 不同水氮处理下水稻水分利用效率Tab.4 Water use efficiency of paddy under different water and nitrogen treatments

图4 不同水氮处理下的氮素利用率Fig.4 Nitrogen utilization of paddy under different water and nitrogen treatments

3 结 语

(1)对于不同灌水方式，高施氮量下水稻的产量总是大于低肥与不施氮肥即氮肥施用量的增加能显著提高水稻产量。高施氮量与低施氮量相比产量相差不大。淹灌条件下，不同施氮水平水稻的穗粒数相差不大。

(2)不同水氮处理对水稻各产量组成及收获指数的研究表明：水稻随施氮量的减少，各产量均呈现减小趋势，水稻收获指数没有发生较大变化，间歇灌溉条件下生物产量受施氮水平的影响最大。

(3)与对照组相比，3种灌溉模式下高施氮量的CO2、CH4、N2O单位产量均小于对照组，分别降低了29.1%、22.5%、11.1%，CH4也表现出了相同的变化。

(4)控制灌溉模式下， CO2、CH4单位产量随施氮量的增加排放量逐渐减小，说明合理的施氮量有助于抑制CO2、CH4气体的排放，3种温室气体排放总量的大小为CO2>CH4>N2O，N2O气体的排放量很小。

(5)不同灌水方式气体总温室效应的大小为：淹灌>控制灌溉>间歇灌溉，说明节水灌溉有助于降低作物对大气产生的总体温室效应。对水稻水分利用效率的研究表明：其不随施氮量的增加一直增加，当达到中施氮量即最佳施氮量以后开始减小。

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