适雨灌溉下不同施肥模式对机插稻稻田水环境及产量的影响

晏 军 ，吴启侠，朱建强*，张露萍

（1.长江大学 农学院，湖北 荆州434025；2.盐城市新洋农业试验站，江苏 盐城224049；3.湖北省荆州农业气象试验站，湖北 荆州 434025）

0 引 言

水稻是我国的主要粮食作物，年种植面积达3 100万hm2，水稻机械化生产是提高劳动生产率、节本增效和增加农民收入的重要措施[1]。近年来，劳动力短缺和大规模的农业种植加快了我国水稻机械化生产技术的发展[2-3]。江汉平原地区水土资源丰富，适宜机械化种植水稻，而普通机插稻存在秧苗小、机插植伤重、秧苗素质弱、返青期时间长等问题[4-5]，生产中人们常通过增施氮肥来缩短机插稻缓苗期、促进前期分蘖的发生，但氮肥施用量过多如遇降雨极易导致稻田养分流失等问题，因此，机插稻移栽后的配套水肥管理尤为重要。目前，前人就机插稻农机与育苗技术[6-7]、播种期与播种量[8-9]、机插密度与基本苗数[10-11]、肥料运筹[12-13]等开展了大量的研究，这些研究多集中在对水稻生长发育特征、产量及养分利用效率的影响上，针对灌排调控下不同施肥模式机插稻稻田水环境的研究较少。且由于区域气候特征、农艺措施和水肥管理模式的不同，不同地点的稻田水环境及产量响应差异很大。江汉平原地区是我国水稻种植的主要区域，近年来，机插稻面积不断增加，但该区域在水稻生长季期间瞬时暴雨与间歇性干旱多发，水稻生长受到营养和水分供应不协调的限制，特别是对机插稻生长前期的影响较大。

为此，根据江汉平原地区降雨特点和机插稻的生长发育进程，研究适雨灌溉条件下，不同施肥模式对机插稻稻田降雨利用效率、田面水氮、磷的质量浓度的动态变化与径流流失量、干物质积累及产量的影响，明确机插稻田适宜的水肥管理模式，为江汉平原地区机插水稻应对气候变化的响应机制，机插稻提质增效栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验点位于江汉平原长江大学农业科技示范基地（30°21′N，112°09′E），属北亚热带农业气候带，年平均气温16.5 ℃，≥10 ℃积温5 094.9～5 204.3 ℃，年平均降水量1 095 mm，年平均日照时间1 718 h。耕作层（0~20 cm）土壤基本性状为：pH值7.6，全氮量2.12 g/kg，全磷量0.51 g/kg，碱解氮量82.5 mg/kg，速效磷量48.5 mg/kg，速效钾量112.3 mg/kg。本试验的水稻田南北方向长44 m，东西方向长35 m，常年种植水稻，属于典型的水稻田。供试品种为全两优681，属中熟中籼两系杂交稻，在湖北省作一季中稻栽培，全生育期140 d左右，株高122 cm左右，一般4月下旬至5月上旬大棚育苗，5月下旬至6月上旬机插移栽，8月上旬孕穗，9月中下旬成熟。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

水稻生长期间采用适雨灌溉技术，其要点是干旱无雨期间，尽量降低田间水分下限（适度干旱胁迫），推后灌水时间，减少灌水次数；遇到降雨尽量利用降雨（雨量较大时适度受涝胁迫），在不降低水稻产量的前提下，最大程度的利用降雨资源，消减降雨及排峰值，减少灌溉水量[14]。

适雨灌溉灌排水管理具体措施为：水稻机插移栽后的20 d内，所有的实验小区均维持5～15 mm浅水层（如遇降雨必须排水），秧苗返青后将稻田一次性灌溉至田面水深40～60 mm，待其自然落干（根据埋设的地下水位观测管，视稻田土壤湿润状况和水稻生长而定），再次灌溉至40～60 mm，往复进行，水稻扬花期，维持 1周内田面水深 30～50 mm，收获前10 d自然落干。机插稻调节稻田蓄水深度如下，水稻返青期间如遇降雨稻田可蓄水至20 mm，分蘖期－拔节期间如遇降雨稻田可蓄水至80 mm，拔节期－成熟期间如遇降雨稻田可蓄水至100 mm，超过蓄水深度则进行排水。

3种氮肥管理措施为：农民习惯施肥（FFP）、70%金正大控释掺混肥（70%CRF，70%为氮素比例，释放周期为70 d）+30%尿素（30%N）和有机无机复混肥（OIF）。农民习惯施肥中70%氮肥为普通复合肥，基肥施入，30%氮肥为尿素，分蘖期施入。控释掺混肥中 70%氮肥为控释掺混肥，30%氮肥为尿素（N-46%），基肥施入；有机无机复混肥中75%氮肥为有机无机复混肥，基肥施入，25%氮肥为尿素，分蘖期施入。习惯施肥、控释掺混肥和有机无机复混肥施肥中磷肥和钾肥不足部分用过磷酸钙（P2O5-12%）和氯化钾（K2O-60%）补充，全部基施，施肥时间结合水稻生育期与灌溉或降雨时机进行。普通复合肥由湖北中化东方肥料有限公司提供，其含养分量为：N-18%，P2O5-8%，K2O-15%；控释掺混肥由金正大生态工程集团股份有限公司提供，其含养分量为：N-28%（包膜），P2O5-5%，K2O-9%，有机无机复混肥由湖北中化东方肥料有限公司提供，其总养分为N-18%，P2O5-10%，K2O-12%，有机质OM≥15%。具体施肥方案如表1所示。

表1 试验处理施肥量Table 1 Fertilization scheme of experiment kg/hm2

试验采用完全随机设计，共设3个处理，每个处理设3次重复。依照本试验田大小将稻田沿东西向划分为9个25 m×4 m的规整小区，四周设置宽1 m的保护行，小区四周用高60 cm、宽30 cm防渗水泥墙隔开，田面表土层上下各30 cm，防止试验过程中小区间串水。3种氮肥处理随机排布，稻田东边田埂设有灌水管道，西边外侧设有排水渠。每个小区单独灌排，进水管接装小型计量水表，排水管末端接径流收集桶。本试验于2017年5月6日大棚育苗，6月7日移栽，机插种植间距为25 cm×30 cm，移栽后第15 d施分蘖肥，9月25日收获。

1.2.2 测定项目与分析方法

试验期内的降雨气象数据来源于荆州区农业气象试验站，农田灌水量通过水表测量，降雨过后，按照水稻不同生育期及上述的水管理方法进行排水，地表排水量（径流量）采用水位差法，通过水尺定点观测排水前后田间水层深度差。

各小区径流通过带盖溢流桶收集，若径流量较大则分雨中和雨后 2次采样。总氮（TN）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB11894—89）；氨氮（NH4+-N）采用纳氏试剂紫外分光光度法（本法与GB7479—87等效）；总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法[15]。

分别于水稻的返青期、分蘖期、齐穗期和成熟期进行田间取样，每小区随机选取3株具有代表性的水稻植株，地上部分全部带回实验室，去除地下部后按茎、叶、穗分装，经105 ℃杀青、80 ℃烘干、称量。各小区实收3 m2测产，分别在离小区进水口的5、15、20 m处各收1 m2。各生育期干物质积累量为茎、叶、穗干物质量之和。

1.3 数据分析

应用DPS 15.10进行方差分析，LSD法进行处理间的多重比较，利用Excel 2016作图。相关指标计算方法如下：

降雨期间，忽略不计其地下深层渗漏（地下水位较高[16]）和植物截留（多年平均值在0.2%左右[17]），降雨利用率Y按式（1）计算：

式中：RT为农田某时段的降雨总量（mm）；Rt为农田某时段的径流量（mm）。

氮、磷流失量P按式（2）计算：

式中：Ci为第i次径流水中氮（或磷）的质量浓度（mg/L）；Vi为第i次径流水的体积（L）。

2 结果与分析

2.1 田间降雨量、径流量与灌溉量

机插稻移栽后适雨灌溉下的降雨量、灌溉量与稻田径流量如图1所示。水稻移栽后110 d内累积降雨量为492.3 mm，日降雨量最大为83.6 mm（6月9日，第2 天），各处理田间灌溉6次，灌溉量为325.2 mm，总用水量为931.9 mm，径流量为114.4 mm（返青期产生69.0 mm，灌浆成熟期产生47.4 mm）。返青期、分蘖期、拔节孕穗期和灌浆成熟期的降雨量分别为134.3、57.1、36.7和264.2 mm，其降雨利用率分别为 17.5%、100%、100%和 84.2%，表明返青期是稻田排水管理的关键时期。

图1 适雨灌溉下的降雨量、径流量与灌溉量Fig.1 The amount of rainfall, runoff and irrigation under irrigation adjusted by rainfall

2.2 田面水氮素、磷素质量浓度的动态变化

适雨灌溉下，水稻移栽后不同施肥模式对机插水稻稻田田面水氮素（TN和NH4+-N）和磷素（TP）质量浓度动态变化的影响如图2所示。FFP处理水稻生育期内田面水TN、NH4+-N和TP平均质量浓度分别为12.00、7.35和0.42 mg/L，70%CRF+30%N和OIF处理相较FFP处理分别降低33.0%、44.8%、5.7%和16.4%、17.1%、-17.6%，表明 70%CRF+30%N能有效降低水稻各生育期稻田田面水氮素质量浓度。基肥和分蘖肥施用过后，FFP、70%CRF+30%N和OIF处理田面水TN、NH4+-N和TP质量浓度迅速提高，在第 1天就达到峰值，之后随着时间急剧下降。70%CRF+30%N处理田面水TN、NH4+-N和TP质量浓度在水稻移栽后30 d内的平均质量浓度为11.45、6.42和0.49 mg/L，较FFP处理分别降低40.4%、47.4%和0.5%，较OIF处理分别降低19.3%、20.3%和28.5%，因机插稻移栽后30 d内田间施肥量较大，秧苗小、田间蓄水能力低，如遇降雨径流，70%CRF+30%N处理可明显减少氮素的输出，有效降低其流失量。

2.3 不同生育期稻田不同形态氮、磷素径流流失量

不同施肥模式对机插稻各生育期稻田氮、磷素径流流失量及总流失量的影响如表2所示。适雨灌溉方式下，稻田氮、磷径流流失量的 90%左右在返青期，10%左右在灌浆成熟期，江汉平原的梅雨季节正处于中稻的返青分蘖期—拔节孕穗期，降雨期间稻田径流量较大，而此时稻田的施肥量较大，田面水氮素和磷素的质量浓度高，因此返青期如遇降雨易造成稻田氮、磷流失。FFP处理全生育期稻田TN、NH4+-N和TP径流流失量平均分别为 6.72、4.11、0.52 kg/hm2，70%CRF+30%N和OIF处理相较FFP处理分别降低31.4%、30.9%、1.9%和20.1%、14.8%、11.5%，表明70%CRF+30%N能有效降低机插稻稻田氮素损失。各处理间方差分析表明，适雨灌溉方式下70%CRF+30%N处理TN和NH4+-N径流总流失量均低于FFP和OIF处理，相较FFP处理达到显著水平，但TP径流总流失量在3种施肥处理之间差异不显著，表明水稻生长前期氮肥控释，可有效降低氮素流失，但是对磷素流失的影响较小。

图2 不同施肥模式下稻田田面水氮素（TN和NH4+-N）和磷素（TP）质量浓度的动态变化Fig.2 Dynamic changes of TN, NH4+-N and TP mass concentration in paddy fields surface water under different fertilization modes

表2 不同施肥模式下稻田氮素（TN和NH4+-N）和磷素（TP）径流流失量Table 2 Runoff loss of TN, NH4+-N and TP in paddy fields under different fertilization modes kg/hm2

2.4 不同生育期水稻地上部干物质积累量及实际产量

适雨灌溉下，不同施肥模式对机插稻不同生育时期地上部干物质积累量及实际产量影响见表 3。70%CRF+30%N处理在返青期干物质积累量低于FFP和OIF处理31.8%和30.2%，达到显著水平，在分蘖期和齐穗期3个处理间无显著差异，但是在成熟期 OIF处理干物质积累量高于 70%CRF+30%N和FFP处理11.9%和和15.9%，达到显著水平。从干物质积累量占总积累量的比例来看，移栽—返青期阶段表现为FFP处理＞OIF处理＞70%CRF+30%N处理，表明单用缓释氮肥可能无法满足作物生长初期对氮素的需求；在齐穗期—成熟期表现为 OIF处理＞70%CRF+30%N处理＞FFP处理，其实际产量表现为OIF处理＞70%CRF+30%N处理＞FFP处理，OIF处理实际产量高于70%CRF+30%N和FFP处理3.8%和6.7%，但是各处理间无显著差异，表明有机无机复混肥处理有利于中后期生育阶段干物质积累量的增加和产量的提升。

表3 不同施肥模式对水稻不同生育期地上部干物质积累量影响Table 3 Effects of different fertilization patterns on dry matter accumulation in different growth stages of rice kg/hm2

3 讨 论

水分是制约作物生长及产量的重要因素之一，水稻适雨灌溉将田间水分转化利用作为一个系统来考虑，立足农业灌溉与降雨相协调的灌溉理念，有利于提高雨水资源利用率。本研究中返青期和灌浆成熟期的降雨利用率分别为17.5%和84.2%，主要原因是机插稻返青期期间秧苗小、素质弱，田间蓄水能力差，所以导致降雨利用率很低，但需要强调的是，降雨利用率的高低与各时期降雨量的大小密切相关。

不同的水分管理方式对稻田系统水分的输入和输出均有显著影响，而降雨和施肥是影响氮磷素径流输出的主要因子，径流中氮磷素质量浓度的大小与降雨强度关系很密切[18]。本研究表明，基肥和分蘖肥施用过后，FFP、70%CRF+30%N和OIF处理田面水TN、NH4+-N和TP质量浓度迅速提高，在第1天就达到峰值，之后随着时间急剧下降，这与叶玉适等[19]研究结果相一致。本研究明确了机插稻田氮磷径流流失量的90%左右在返青期，10%左右径流流失量在灌浆成熟期，主要原因是返青期期间降雨量大，而田间蓄水能力小。控释肥具有前期养分释放不致过多，后期不致太少的特点[20-21]，从而显著降低田面水氮素质量浓度及其径流流失风险，本研究中70%CRF+30%N处理稻田TN和NH4+-N在水稻移栽后30 d内田面水平均质量浓度和径流损失量较FFP处理均降低30%以上，表明在降雨量相同时，各生育阶段施肥量和降雨量的不同是导致稻田径流水中氮磷质量浓度差异的另一个重要原因。

相关研究表明，与普通尿素相比，氮肥控释能显著提高水稻籽粒产量和氮肥利用率[22]，本研究表明，70%CRF+30%N处理在返青期干物质积累量显著低于FFP和OIF处理，移栽—返青期阶段干物质积累量占总积累量比例表现为 FFP处理＞OIF处理＞70%CRF+30%N处理，说明尽管控释氮肥比常规氮肥具有更长的使用寿命，但单用缓释氮肥可能无法满足作物生长初期对氮素的需求。Miao等[23]研究表明，控释氮肥（硫包尿素）不能满足生长中后期对营养物质的需求，因为它们在生长初期释放出更多的营养物质，本研究中控释掺混肥与分蘖期尿素联合施用可以有效提高机插稻干物质量积累和产量。有机肥的有机质量高，养分全面，肥力持久稳定，能有效提高土壤碳库水平、促进作物生长发育，有利于氮素利用率的提高和产量的增加[24-26]，本研究表明，成熟期OIF处理干物质积累量显著高于70%CRF+30%N和FFP处理，其实际产量表现为OIF处理最高，针对土壤供氮水平和水稻养分利用效率还需进一步研究，以确保数据的准确性与试验结果的可靠性。

4 结 论

适雨灌溉条件下，返青期、分蘖期、拔节孕穗期和灌浆成熟期的降雨利用率分别为 17.5%、100%、100%和84.2%；基肥和分蘖肥施用过后，FFP、70%CRF+30%N和OIF处理田面水TN、NH4+-N和TP质量浓度迅速提高，在第1天就达到峰值，70%CRF+30%N处理田面水TN、NH4+-N和TP质量浓度在水稻移栽后30 d内的平均质量浓度较FFP处理分别降低40.4%、47.4%和0.5%；稻田氮磷径流流失量的90%左右在返青期，10%左右径流流失量在灌浆成熟期，70%CRF+30%N处理TN、NH4+-N和TP径流流失量较FFP处理分别降低31.4%、30.9%、1.9%；70%CRF+30%N处理在返青期干物质积累量显著低于FFP和OIF处理，移栽－返青期阶段干物质积累量占总积累量比例表现为 FFP处理＞OIF处理＞70%CRF+30%N处理，成熟期OIF处理干物质积累量显著高于70%CRF+30%N和FFP处理，其实际产量表现为OIF处理＞70%CRF+30%N处理＞FFP处理。综上，70%CRF+30%N处理有助于减少机插稻田氮、磷流失，OIF处理有助于机插稻干物质积累与产量增加。