寒地高纬度区水稻水氮耦合效应试验研究

王 柏,黄 彦,孙艳玲,于艳梅

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

随着黑龙江省社会经济的发展，水稻灌区水资源短缺加剧、供需矛盾突出、地下水超采等“瓶颈”问题愈加凸显。黑龙江省水稻北扩战略是北部地区种植结构调整的重要组成部分，主要以我国黑龙江省北部边陲黑河市为主体，以及大兴安岭全部、伊春以及内蒙古最北部的地区[1-3],特别是黑河地区适宜水稻生长的时间仅105～120 d被称为高纬高寒稻作区[4]。水稻控制灌溉技术可在现有灌溉制度的基础上再节水30%～40%，要优先在井灌区、水库灌区和提水灌区推广[5]。张恩江等[6]利用黑龙江省汤旺河灌区5 a的试验资料，分析得出适宜控制灌溉模式可使水稻产量、水分利用效率比常规淹灌模式分别提高6.2%和64.2%。黄彦等[7]提出灌水上限小于30 mm 水层、下限为土壤饱和含水率的60%～90%的浅湿干循环交替灌溉模式比充分灌溉模式产量提高13.06%，水分生产效率提高21.14%。李爱传等[8]、聂晓等[9]、董淑喜等[10]、杨士红等[11]也开展的相关研究，较为一致的结论是认为节水控制灌溉可获得高的水分利用效率，使水稻在增产的同时减少灌溉水量和耗水量。

本文结合黑龙江省北部地区种植结构调整和水田灌溉布局优化调整对水稻节水灌溉技术的实际需求，以提高灌溉水分利用效率与水稻产量为核心，研究与制定寒地高纬度区水稻全生育期节水型控制灌溉制度以及配套施肥管理技术措施，为寒地高纬度区水稻节水、优质、高产标准化管理提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.1.1 基本情况

本次试验地点位于黑河市爱辉区国家级水稻灌溉试验站，试验站位于东经127°23′01″，北纬49°59′13″，距离黑河市区40 km。试验站由核心区、示范区和辐射推广区构成，其中核心区占地1.8 hm2，包括生活办公区和试验区，试验区由标准化格田、催芽车间、育秧大棚、蒸渗仪系统、测坑、标准气象场组成。

1.1.2 气象水文条件

黑河市爱辉区属于寒温带大陆性气候，春季干旱风大少雨，夏季短暂酷热，秋季凉爽早霜。多年平均气温-0.1 ℃，最高气温37.3 ℃，最低气温-44.5 ℃，积温年季变化大；多年平均无霜期125 d，日照时数2655 h，有效积温1900 ℃、最大冻深2.33 m，平均地温2.5 ℃，年均风速4.5 m/s；多年平均降水量为520 mm，多年平均蒸发量为601～750 mm，春季为100～156 mm，占全年的20%～30%。降水时空分布不均，7—9月降水量占全年的70%。

1.1.3 土壤物理性状

项目区土壤容重：0～10 cm为1.32 g/cm3、10～20 cm为1.34 g/cm3、20～30 cm为1.42 g/cm3、30～40 cm为1.33 g/cm3、40～50 cm 为1.36 g/cm3；项目区土壤质量饱和含水率：0～10 cm为38.23%、10～20 cm为37.22%、20～30 cm为31.07%、30～40 cm为35.94%、40～50 cm为34.13%。

1.2 试验设计

供试水稻品种为龙粳47、种植密度为每穴30 cm×12 cm。试验采用田间对比试验，设3种灌水处理：灌溉模式Ⅰ、灌溉模式Ⅱ、灌溉模式Ⅲ；灌溉模式Ⅰ采用9种不同施肥管理方案(3因素、3水平正交试验方案)与第10种施肥方案(见表2)，灌溉模式Ⅱ、灌溉模式Ⅲ采用不同施肥管理方案；试验共设置12个水肥耦合处理，每个处理2次重复，共计24个试验小区，小区的面积均为100 m2(10 m×10 m)。采用单灌单排灌排管理方式：灌溉水量采用水表计量方式；各试验小区之间采用土埂或隔板进行隔水处理。施肥方案：基肥磷酸二铵100 kg/hm2，硫酸钾60 kg/hm2；返青肥硫酸铵50 kg/hm2；与分蘖肥硫酸钾60 kg/hm2。每个生育期施肥后，取0～20 cm表土充分混合后测定土壤速效氮含量。

表1 灌溉模式设计

表2 水肥耦合试验方案 kg·hm-2

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理对株高的影响

如图1给出了不同水氮耦合处理株高变化规律，不同水氮耦合处理株高整体变化趋势相似，各处理株高从返青期到拔节孕穗期快速增长，拔节孕穗期到抽穗开花期株高增长缓慢，不同水氮耦合处理株高之间差异较小，表明水氮耦合作用对株高影响不显著。

图1 不同水氮耦合处理

2.2 不同灌水处理对分蘖数的影响

如图2给出了不同水氮耦合处理分蘖数变化规律，各水氮耦合处理的分蘖数从分蘖初期开始增加到7月8日左右的分蘖末期分蘖数趋于稳定；各水氮处理Ⅰ-4、Ⅰ-6、Ⅰ-8、Ⅰ-9、Ⅲ-12分蘖末期的分蘖数大于19.0；在所有试验处理中，处理Ⅰ-6的分蘖数最大为20.9，可见常规淹灌和节水控制灌溉的分蘖数差异较小。

图2 不同水氮耦合处理分蘖数的变化规律

2.3 不同灌水处理对干物质质量的影响

如图3给出了不同水氮耦合处理干物质质量变化规律，不同水氮耦合处理干物质质量整体变化趋势相似，各处理干物质质量从返青期到拔节孕穗期快速增长，拔节孕穗期到抽穗开花期干物质质量增长缓慢，不同水氮耦合处理株高之间差异较大，处理Ⅰ-6和Ⅰ-7产量最大，Ⅰ-6比Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-8、Ⅰ-9、Ⅰ-10、Ⅱ-11、Ⅲ-12的干物质质量分别高27.3%、22.5%、20.2%、23.6%、23.2%、13.6%、14.7%、37.2%、30.2%和5.5%。

图3 不同水氮耦合处理干物质质量的变化规律

试验结果表明节水控制灌溉条件下处理Ⅰ-6施基肥80 kg/hm2、返青肥0 kg/hm2、分蘖肥80 kg/hm2，处理Ⅰ-7施基肥120 kg/hm2、返青肥40 kg/hm2、分蘖肥80 kg/hm2可以获得较高的干物质质量。常规淹灌处理Ⅲ-12的干物质质量小于Ⅰ-6和Ⅰ-7，大于其他水氮耦合处理。

2.4 不同水氮耦合处理对水稻产量的影响

基肥施尿素40 kg/hm2的3个处理Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3的产量均值为7575 kg/hm2；基肥施尿素80 kg/hm2的3个处理Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-6的产量均值为7740 kg/hm2；基肥施尿素120 kg/hm2的3个处理Ⅰ-7、Ⅰ-8、Ⅰ-9的产量均值为7485 kg/hm2；处理Ⅰ-10基肥施尿素160 kg/hm2、返青期和分蘖期不追氮肥处理产量是7620 kg/hm2，表明在返青期和分蘖期不同施氮条件下，随着基肥施氮量的增加，产量先增加后减小，基肥施氮量过大不利于提高水稻产量。

如图4给出不同水氮耦合处理产量的变化规律。在基肥施尿素40 kg/hm2条件下，Ⅰ-1、Ⅰ-2和Ⅰ-3返青期和分蘖期分别追尿素40 kg/hm2和40 kg/hm2、80 kg/hm2和80 kg/hm2、0 kg/hm2和0 kg/hm2，产量从大到小顺序是Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-1，处理Ⅰ-2产量比Ⅰ-1和Ⅰ-3分别提高了5.1%和2.7%。

图4 不同水氮耦合处理产量的变化规律

在基肥施尿素80 kg/hm2条件下，Ⅰ-4、Ⅰ-5和Ⅰ-6返青期和分蘖期分别追尿素80 kg/hm2和40 kg/hm2、40 kg/hm2和0 kg/hm2、0 kg/hm2和80 kg/hm2，产量从大到小顺序是Ⅰ-6、Ⅰ-4、Ⅰ-5，处理Ⅰ-6产量比Ⅰ-4和Ⅰ-5分别提高了1.3%和7.1%。基肥尿素施用中等水平时，分蘖期不追氮肥对产量有不利影响；返青期不施氮肥、分蘖期施中等水平氮肥和返青期施中等水平氮肥、分蘖期施低水平氮肥均获得了较高的产量。

在基肥施尿素120 kg/hm2条件下，处理Ⅰ-7、Ⅰ-8和Ⅰ-9返青期和分蘖期分别追尿素40 kg/hm2和80 kg/hm2、80 kg/hm2和0 kg/hm2、0 kg/hm2和40 kg/hm2，产量从大到小顺序是Ⅰ-7、Ⅰ-8、Ⅰ-9，处理Ⅰ-7产量比Ⅰ-8和Ⅰ-9分别提高了0.8%和5.1%，Ⅰ-7、Ⅰ-8和Ⅰ-9之间的差值较小，返青期施低水平氮肥、分蘖期施中等水平氮肥和返青期施中等水平氮肥、分蘖期不施氮肥均获得了较高的产量。

2.5 产量模型的建立与检验

考虑增加样本容量，选取各水氮耦合试验处理的产量值作为目标函数，通过逐步回归分析，建立α=0.05极显著水平的回归方程，用SPSS建立回归方程式。Y为两次重复下的水稻产量，X1是基肥施氮水平编码，X2是返青期施氮水平编码，X3是分蘖期施氮水平编码。

Y=-9.71X1+8.75X2+22.10X3+

21.58X1X2-0.26X1X3-2.19X2X3+508.81

回归方程相关系数R2=0.75，表明方程拟合度较高。回归进行方差分析结果见表3。

表3 回归模型方差分析

回归方程显著性检验结果表明：回归平方和为5896.09，残差平方和为1950.35，总平方和为7846.44，对应的自由度分别为6、11、17，回归均方差982.68，残差均方177.30，回归方程的显著性检验统计量F=5.542，检验P=0.007，显著性水平小于0.05，可以认为所建立的回归方程有效。

通过Matlab软件分析，采用频率分析法对试验所得的数学模型寻优，将编码制在试验范围内划分出(-1、-0.5、0、0.5、1)5个水平，总共可构成125个处理组合。选定水稻目标产量为7800 kg/hm2进行频率分析，得到水稻基肥、返青肥和分蘖肥模拟方程寻优结果，见表4。水稻不同生育期不同水氮调控阈值的合理组合搭配能够提高作物产量。通过表4可以看出，当目标产量为7800 kg/hm2以上时，在95%的置信区间，优化水氮耦合灌溉组合为基肥施氮量尿素48～84 kg/hm2、返青肥施氮量尿素38～55 kg/hm2、分蘖肥施氮量尿素64～72 kg/hm2。应用水稻节水节肥综合灌溉技术模式，优化得出在相同产量条件下，化肥施用量可减少24.6%～46.4%。

表4 优化方案中各变量取值的频率分布

3 结 论

本文确定了水稻适宜施氮时期和施氮量，提出了水稻全生育期水肥耦合优化灌溉皆强模式，不同水氮耦合试验处理对水稻株高的影响差异较小，基肥中水平、高水平的水氮耦合试验处理的分蘖数较高，基肥中水平、高水平的水氮耦合试验处理的干物质质量较高。

建立了节水控制灌溉模式下适宜水氮耦合灌溉管理制度，施用基肥、返青肥和分蘖肥，3次施肥总量为420～480 kg/hm2；寒地高纬度地区水稻生长前期、即营养生长期短，返青肥和分蘖肥要早施；水稻生长后期、即生殖生长期不宜氮肥，拔节孕穗期或抽穗开花施用氮肥或者氮肥过多，会导致水稻生长后期发生贪青、收获时水稻空粒比例较大。