不同灌溉施肥时机对稻田肥料分布和水稻生长的影响

2021-04-28刘德利吴文勇牛晓宇

灌溉排水学报 2021年4期

刘德利，吴文勇，肖娟，牛晓宇

（1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原030000；2.中国水利水电科学研究院，北京100048）

0 引言

【研究意义】中国是世界上水稻种植的主要国家之一，其栽种技术已达到世界先进水平[1]。随着水稻种植技术的提高，肥料资源的大量投入也给环境带来极大的风险[2]。过量使用氮肥会导致水体富营养化、大量温室气体排放以及地下水污染[3]。因此，合理的施肥方式对提高肥料利用率和环境保护具有重要意义[4]。【研究进展】与旱田灌溉施肥方式不同，水田生育期内有田面水层，不同灌溉和施肥方式对稻田水氮分布有很大影响[5-6]。多年来众多学者对如何科学合理地管理稻田水肥以提高水肥利用效率进行了广泛的研究。徐国伟等[7]、许怡等[8]、林彦宇等[9]研究不同水氮耦合对水稻生长的影响，结果发现适当的水分胁迫有助于水稻的生长，少量的施肥量可获得最佳的氮肥农学利用率；张作合等[10]、张忠学等[11]应用15N示踪技术研究不同灌溉水平下的水稻对氮肥的吸收，得出合理的水肥运筹能显著提高水稻植株对氮素的吸收与产量。漆栋良等[12]研究不同水肥管理对氮磷流失与产量的影响，结果获得既减少肥料流失又保证产量的水肥管理方式。【切入点】前人围绕水氮耦合对水稻生长进行了深入研究，但大多数集中在水量和肥量对水稻生长的影响，施肥方式依然采用传统的撒施方式[13-14]，Santos 等[15]和Dillion 等[16]最先研究将肥料预先充分溶解并与灌溉水充分混合的液体施肥方式对水氮运移及肥料利用率的影响，并进行推广应用。梁艳萍等[17]、白美健等[18]研究不同畦灌水肥耦合方式对灌水及施肥均匀度的影响，得出最优施肥均匀度的水肥管理方式。不同施肥方式会对肥料分布状况产生影响，进而影响到水稻植株的生长[19]。国内外学者从灌水方式、肥料施用量、比例等方面对水稻生长发育、产量、根系形态、水分及辐射利用率等方面进行广泛而深入的研究[22-25]。但大多数集中在水量与肥量对水稻生长的影响，而对于水肥耦合下肥料在田间的分布状态对水稻生长的影响研究较少。

【拟解决的关键问题】因此，本试验采用将氮肥预先充分溶解并与灌溉水混合后进行液施的方式，研究不同时机施用液体肥料与传统撒施方式相比对稻田肥料分布均匀性以及水稻农艺性状的影响，旨在为稻田水肥管理和生产实践提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验地位于黑龙江省绥化市庆安县，地处东经127°39′37″，北纬46°58′1″，属寒温带大陆性气候，多年平均降雨量608 mm，降雨量年内分布不均，主要集中在6—9月。多年平均水面蒸发量1 285.6 mm。年日照时间为2 600～2 800 h，无霜期时间128 d，全年大于10 ℃的有效积温2 518 ℃，可以满足1年1季的水稻生长。该地区土壤为黑土，土壤有机质量29 g/kg，pH 值6.0，有效氮量173.6 mg/kg，有效磷量62 mg/kg，速效钾量108 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2020年开展，试验地面积3.6 hm2，试验小区面积50 m×60 m=300 m2。根据当地标准整个生育期稻田施用尿素240 kg/hm2，按基肥、蘖肥、穗肥质量比为5∶3∶2 施入。磷肥采用45 kg/hm2P2O5作为基肥施入，钾肥使用80 kg/hm2K2O 于移栽前和孕穗期分2 次施用且施用量比例为1∶1。基肥采用农机施洒并翻入土壤，本次试验于第2 次追肥时进行，田间一次灌水时长为6 h，且施肥时间为2 h。追肥试验以施肥时机为变量设1 组对照、3 组施肥处理（表1），分别为撒施（CK）、灌水0～2 h 灌液体肥（T1）、灌水2～4 h 灌液体肥（T2）和灌水4～6 h 灌液体肥料（T3），每个处理进行3 次重复。液体肥料溶解于肥料罐中并使用水泵在灌溉时将肥料与灌溉水充分混合后施入田块。灌溉方式采用常规淹溉，田面无水层即进行灌溉，返青期田间水层控制在30 mm 以内，除分蘖末期与黄熟期不保留水层外，其他生育期控制田面水层在50 mm 以内，试验选用当地的水稻品种绥粳18，其为黑龙江全省水稻主要品种，具有适应性强，抗倒伏，既高产又优质的特点。于5月17日进行插秧，株距16 cm，行距30 cm，每穴3 株，9月28日收获。其他田间管理与当地一致。

表1 试验设计Table 1 Experimental treatment design

1.3 试验观测项目

1.3.1 田间水样氨态氮、硝态氮量测定

在进行灌水施肥后，为避免扰动水层，每日采用离心泵采集田面水层水样，每个处理均匀选取3×5=15 个取样点进行采样，样品储存于4 ℃冰箱中。采用AA3 连续流动分析仪（Seal Analytical GmbH）测定样品氨态氮、硝态氮量。

1.3.2 水稻株高及分蘖

每个生育期选择各处理3 株长势均匀的水稻进行定点观测。用卷尺测量植株高度，孕穗前为植株根部至最高叶尖的高度，孕穗后为根部至最高穗顶的高度。测定完株高后计算每穴植株分蘖数。

1.3.3 水稻地上干物质量

每个生育期取每个处理生长均匀的植株3 穴，冲洗干净后带回实验室，将植株装袋，经烘箱105 ℃杀青30 min，再经80 ℃干燥至恒定质量，测定植株的干物质量。

1.3.4 不同施肥模式性能评价

目前国内外评价灌溉施肥性能的指标是针对肥料溶于水后直接形成不同形态氮素的化肥建立的[19]，尿素溶于水施入到田间后会水解成氨态氮，氨态氮进一步氧化还原产生硝态氮，本文采用施肥均匀度DUNQ（%）来反映施肥后氮素在田间分布的均匀程度，计算式[20]为：

式中：为整个田面水层中氮素平均质量浓度（mg/L）；为整个田块氮素量具有最低值的1/2部分的平均质量浓度（mg/L），其计算方法为田间取样点测量的氮素量按从大到小顺序排列，取后1/2 部分计算平均值。

1.3.5 水分利用效率

水分利用效率公式为：

式中：WUE为水分利用效率（kg/m3）；Y为产量（kg/hm2）；IRR为灌溉用水量（m3/hm2）。

1.3.6 产量及穗部性状考察

乳熟期各处理取5 穴用于考种，考察单位面积穗数、穗粒数、结实率和千粒质量。取2 m2实收计产。

1.4 数据处理

应用SPSS 20.0 对数据进行整理、使用Excel 制作图表、使用ArcGIS 进行空间克里金差值分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉施肥时机对氨态氮、硝态氮分布的影响

施肥后不同处理氨态氮、硝态氮量分布情况如图1 所示，表2 为施肥后各处理氨态氮、硝态氮均值变化。由图1 可看出，CK 在施肥后第3 天田间氨态氮、硝态氮量达到峰值，其平均值分别为12.60 mg/L 和0.15 mg/L，而其他处理均是施肥第1 天氨态氮、硝态氮量最高，其中T1 处理平均值分别为12.55 mg/L 和0.14 mg/L，T2 处理平均值分别为12.65 mg/L 和0.16 mg/L，T3 处理平均值分别为10.01 mg/L 和0.12 mg/L，其原因是传统撒施方式固体肥料在田间存在溶解的过程而水肥耦合方式已事先将肥料溶解。由表3 的施肥均匀性评价结果可知，施肥后前3 天T1、T3 处理与CK 施肥均匀性总体差异不大（p＞0.05），第4 天之后T1、T3 处理施肥均匀性明显优于其他处理（p＜0.05），较CK 高5.63%～21.65%，而T2 处理均匀性始终最差，由此可见，就田间肥料分布而言采用灌水0～2 h 液施（T1）的方式有助于形成较佳的氨态氮及硝态氮空间分布状态。

随着时间的推移各处理氨态氮及硝态氮量逐渐下降，而到第7 天各处理氨态氮及硝态氮量突然增加，是由于第7 天发生降雨导致田间氨态氮及硝态氮量突增。田间水样中氨态氮量均远高于硝态氮量，其原因是尿素首先分解为氨态氮，需要在土壤中进一步氧化还原才能转化成硝态氮，此结果与张忠学等[21]研究结果一致。T3 处理由于第4 天田间水层消退，因此没有取样。

图1 施肥后各处理氨态氮、硝态氮量分布状况Fig.1 Distribution of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in each treatment after fertilization

表2 施肥后各处理氨态氮、硝态氮量均值统计Table 2 Statistics of the average ammonia nitrogen and nitrate nitrogen content of each treatment after fertilization mg/L

注同列不同字母表示差异显著（p＜0.05），下同。

表3 施肥后各处理施肥均匀性评价结果Table 3 Evaluation results of fertilization uniformity of each treatment after fertilization

2.2 不同灌溉施肥时机对水稻农艺性状的影响

不同施肥时机下的水稻株高及分蘖数变化如图2所示。从图2（a）可以看出，不同处理株高随生育期的延长而增加，在分蘖中期以后进入高速生长阶段并在孕穗期达到最大值。从返青期到分蘖中期各处理株高没有显著变化（p＞0.05），从分蘖期施肥后差异逐渐表现出来，孕穗期CK 株高最小（82.3 cm），3 个处理较CK 株高增加6.37%～6.53%，且差异显著（p＜0.05）。

从图2（b）可以看出，各处理分蘖数变化趋势基本一致，从返青期开始分蘖数迅速增多，到达分蘖中期以后有逐渐减小的趋势，其原因是分蘖期晒田导致无效分蘖消亡。分蘖中期之前各处理分蘖数没有显著差异（p＞0.05），分蘖末期之后T1、T3 处理分蘖数显著高于T2、CK（p＜0.05），增加幅度在11.25%～23.17%之间。说明就水稻叶片发育而言，灌水0～2 h 液施处理（T1）最优。

图2 不同灌溉施肥时机下水稻株高与分蘖数Fig.2 Rice plant height and tiller number under different fertilization modes

图3 不同施肥时机下水稻干物质量Fig.3 Dry matter quality of rice under different fertilization modes

图3 是不同处理各生育期水稻干物质量变化。从图3 可以看出，水稻干物质量变化趋势与株高变化趋势类似，在分蘖期之后进入高速生长阶段，在分蘖末期和孕穗期出现差异（p＜0.05），T1、T3 处理干物质量（T1 处理干物质量102.37 g，T3 处理干物质量101.26 g）显著高于T2 处理、CK（T2 干物质量93.58 g，CK 干物质量94.60 g），增加幅度在5.75%～8.48%。说明就水稻干物质而言，灌水0～2 h 液施方式（T1处理）更有利于水稻植株的发育。

2.3 不同灌溉施肥处理对产量及水分利用效率的影响

表4 为不同灌溉施肥处理对产量的影响，由表4可知，水肥耦合施肥方式对水稻的单位面积穗数以及产量有较大影响，但T2 处理产量与CK 差异不显著（p＞0.05），虽然T2 处理穗粒数最高（为111.36 粒），但结实率却很低（为89.74%）。而T1 处理与T3 处理虽然穗粒数较低（T1 处理为106.34 粒，T3 处理为102.74 粒），但单位面积穗数（T1 处理为480.62 穗/m2，T3 处理为504.65 穗/m2）与千粒质量（T1 处理为27.65 g，T3 处理为27.62 g）较高，因此T1 处理、T3 处理产量明显高于CK 与T2 处理且达到13.73%～17.46%，其中就产量而言以T1 处理最佳（为13 501.4 kg/hm2）。

由表4 可知，各处理在灌溉水量没有明显差异的情况下（p＞0.05），T1、T3 处理水分利用效率明显高于CK 及T2 处理（p＜0.05），其中T1 处理水分利用效率最高（为2.06 kg/m3），T3 处理次之，说明灌水0～2 h 液施处理（T1）有利于水分利用效率的提高。

表4 不同灌溉施肥处理产量及其要素Table 4 Yield and its factors under different irrigation and fertilization treatments

3 讨论

与传统撒施方式相比，灌水0～2 h 液施处理与其他处理相比肥料分布均匀度提高了6.33%～17.44%。这与Abbasi 等[26]研究结果相似，证实了水肥耦合施肥方式与撒施方式相比，确实能提高肥料在田间分布的均匀性。说明通过施肥装置控制施肥时机可以使施肥均匀、完善人工撒施的不足。此外，本研究还发现，与传统撒施方式相比，在分蘖末期之后水肥耦合施肥方式株高增加了6.37%～6.53%，而分蘖末期之后T1、T3 处理分蘖数较T2 处理、CK 增加11.25%～23.17%，且T1、T3 处理干物质量较T2 处理、CK 增加5.75%～8.48%。这一结果与谷少委等[20]研究结果一致，即水肥耦合施肥方式会对作物生长产生积极影响。经初步分析，水肥耦合施肥方式能够促进作物生长的原因可能是不同施肥时机的水肥耦合改变了肥料在田间的分布，使肥料更加均匀分布在田间，减少了肥料无效损失，促进了植株的生长发育。但关于不同施肥时机的水肥耦合施肥方式这方面的前期研究主要针对旱田，而对水田在该方面的研究较少，这也为今后的研究提供了一定参考。

在水稻产量与水分利用效率方面，高剑民等[27]研究表明，不同液施方式对水氮均匀度影响显著，从而提高了产量与水分利用效率。本试验也发现，灌水0～2 h 液施和灌水4～6 h 液施处理的水稻产量较撒施与灌水2～4 h 液施处理高13.73%～17.46%，同时水分利用效率高出14.15%～17.47%，其中T1 处理均高于其他处理。

在降雨对田间氨态氮及硝态氮分布影响方面，本试验研究发现，降雨后田间水层中氨态氮及硝态氮量有不同程度的增加，CK、T1 处理降雨后氨态氮量增加范围在1.18～1.61 mg/L，而T3 处理降雨后氨态氮量增加7.82 mg/L，其原因是降雨时CK 与T1处理田间尚存水层，对雨水中氮素有稀释作用，而T3 处理降雨时田间无水层，因此T3 处理水样中氨态氮及硝态氮质量浓度较高。说明降雨对田间氨态氮及硝态氮量具有补给作用。在肥料分布均匀性方面，降雨后各处理氨态氮分布均匀性与降雨前相比增加2.51%～23.19%，硝态氮分布均匀性增加1.87%～41.19%。