暗管排水对规模农田水稻养分吸收和产量构成的影响

江陵杰，董林林，范 鹏，曹易繁，周正萍，沈新平，陆长婴，沈明星

（1苏州市农业科学院，江苏苏州 215000；2扬州大学农学院/江苏省作物遗传生理重点实验室，江苏扬州 225009）

0 引言

水稻是中国主要粮食作物之一，年产量约占中国全年粮食总产量的33.7%，在粮食生产和消费中占据举足轻重的地位[1]。在南方稻作区，水稻生长期与汛期同季，为了迅速排出稻田多余水分的同时提高稻田水分滞蓄能力[2-3]，需要精准的排水技术调控农田排水强度和农田排水量[4]。因此，农田暗管排水技术得到了广泛的应用和推广，暗管排水不仅可以调节土壤水分提高搁田效果[5-6]，便于田间机械化作业[7]，还能改善土壤的生态环境[8-9]。有学者认为土壤的吸附和过滤作用可有效防止稻田土壤中氮、磷养分的淋溶流失[10-13]，减少农田排水中氮、磷等养分的输出，降低农业面源污染程度[14-16]，有利于植株养分吸收。此外，陈惠哲等[17]研究表明稻田土壤水分调控对水稻根系和植株地上部的生长和千粒重有显著影响。国内早期关于暗管排水的研究多是关于改善麦田和稻田盐碱化和土壤环境[5,18-24]，近年来主要集中在暗管排水对土壤养分运移动规律的探索[18,25-26]，针对暗管排水管理下作物在生育期内吸肥特性及产量的研究少有报道。本研究主要以暗管排稻田为研究对象，探究暗管排水条件下稻田不同区域水稻养分吸收和产量构成的差异，并分析产生差异的可能原由，以期为暗管排水稻田合理精确施肥和水分管理以及对后续规模农田暗管排水条件下水稻—土壤的系统性研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年5月份水稻生长季在苏州太仓东林农场(31°53'59″N，121°10'68″E)进行，该区年均温度15.7℃，降雨量1128 mm，年均光照时长3039 h，＞10℃有效积温4947℃，多年平均相对湿度为80%，无霜期年平均约240天，土壤类型属壤质黄泥土，为水稻-冬小麦轮作种植制度。试验前0～20 cm土壤养分详情见表1。

表1 试验田块0～20 cm土壤养分

1.2 试验设计

试验田块为2个南北长200 m，东西宽50 m田块，中间为宽60 cm、深100 cm的排水沟，其中一个田块于地下60 cm铺设波纹塑料管排水，暗管采用PVC波纹聚氯乙烯管（内径110 mm），外包两层无纺布，暗管间距10 m，另一个田块为传统明沟排水。铺设暗管的田块内以3个暗管为重复进行试验，南北向（田块长边）的中间部位选择3条暗管；每个暗管布置3排观测点(B1、B2、B3)：苗沟距15 m(B1)、苗沟距25 m(B2)、苗沟距35 m(B3)，每一排布置3个观测点，分别为暗管中轴线正上方(A1)、距暗管中轴线2.5 m(A2)、距暗管中轴线5 m(A3)。以此组合成9个代表性观测点；传统明沟排水田为对照组CK。在试验期间，稻田田面与沟水位差保持在0.6 m左右。本实验采取自由暗管排水，试验取样点和暗管布置见图1、2。

图1 试验小区布置图

图2 暗管排水田三维示意图

供试品种为‘南粳46’，基本苗105～120万株/hm2。肥料运筹：基肥：397.5 kg/hm2（复合肥）；分蘖肥：第1次分蘖肥为225 kg/hm2（尿素），第2次分蘖肥为172.5 kg/hm2（尿素）；穗肥：kg/hm2（尿素）。

1.3 测定内容和方法

在水稻孕穗期（田间有水层）、抽穗期（搁田）和成熟收获期在每个取样点处取3穴，分别测得氮、磷、钾含量（茎鞘、叶、穗分开）；成熟期调查产量结构（单位面积有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒重）和实际产量。植株全氮、全磷借助元素分析仪测定(Analytik Jena AG Multi N/C 3100Germany)，全钾采用火焰光度计测定。

2 结果与分析

2.1 苗沟距和苗管距对水稻氮含量的影响

苗管距对孕穗期、抽穗期水稻的茎鞘和叶以及成熟期穗部含氮量产生极显著影响，对成熟期茎鞘和叶有显著影响，而不同苗管距以及苗沟距和苗管距交互对水稻植株氮含量差异不显著（表2）。在苗沟距相同处理下，各个时期不同苗管距水稻茎鞘、叶的含氮量均表现为A2＞A3＞A1，在A1处理下孕穗期、抽穗期和成熟期水稻植株的茎鞘、叶和穗含氮量均达到最小值，均略低于CK处理。各个时期各处理中水稻茎鞘、叶和穗均在A2B1处理达到最大值，随着生育期推进含氮量差异逐渐增大，成熟期茎鞘、叶和穗片含氮量分别高于CK处理25.17%、5.98%和13.26%。铺设暗管田块水稻植株平均含氮量与对照田块的差异随生育进程的推进逐渐增大，成熟期水稻茎鞘、叶和穗含氮量比对照田块平均增加9.21%、4.62%和1.85%。

表2 不同苗管距与苗沟距对不同时期水稻植株含氮量的影响 g/kg

2.2 苗沟距和苗管距对水稻磷含量的影响

苗管距分别对水稻生育后期植株茎鞘和叶的磷含量均有极显著影响。成熟期水稻茎鞘和叶的含磷量较孕穗期和抽穗期急剧下降，而苗沟距仅对穗有显著影响（表3）。随着苗沟距的增大，各个时期水稻植株含磷量呈现减小的趋势，但未见显著差异；相同苗沟距下随着苗管距的增大，各时期水稻植株茎鞘、叶和穗含磷量主要表现为A2＞A3＞A1＞CK。孕穗期、抽穗期和结实期水稻茎鞘和叶含磷量均在A2B1处理下达到最大值，并在孕穗期叶片含磷量差异最大，高于CK处理45.89%；在结实期茎鞘含氮量差异最大，高于CK处理80.16%。孕穗期和抽穗期在铺设暗管田块的各处理中，水稻植株茎鞘、叶的含磷量在A1B3处理下达到最小值，并与对照组差异不显著。3个时期铺设暗管田块水稻植株茎鞘、叶和含磷量比对照田块均有增加，并在抽穗期增加最为显著，分别可达30.74%和42.06%；成熟期穗含磷量相对于对照田块平均增加34.54%。

表3 不同苗管距与苗沟距对不同时期水稻植株含磷量的影响 g/kg

2.3 苗沟距和苗管距对水稻钾含量的影响

苗沟距和苗管距对孕穗期和抽穗期水稻茎鞘和叶以及成熟期水稻茎鞘含钾量分别有显著和极显著影响，苗管距对成熟期水稻叶存在极显著影响（表4）。水稻茎鞘含钾量高于叶片，孕穗期到成熟期水稻植株含钾量呈下降趋势，成熟期穗部含钾量最低。苗管距相同，东西向随着苗沟距的增大，水稻植株含钾量有显著降低趋势；苗沟距相同，随苗管距的增大水稻植株含钾量先增大后降低趋势，并在A2B1处理下达到最大值，3个时期A2B1处理下水稻植株茎鞘和叶片含钾量均稳定高于CK处理20%以上，最高可达30.19%。而茎鞘含钾量在抽穗期差异最大，直至成熟期逐渐缩小。孕穗期、抽穗期和成熟期铺设暗管田块水稻植株茎鞘和叶含钾量比对照田块平均增5%以上，最高可达13.45%。

表4 不同苗管距与苗沟距对不同时期水稻植株含钾量的影响 g/kg

2.4 苗沟距与苗管距对水稻产量的影响

苗管距对各处理穗粒数、结实率、产量产生极显著影响，对千粒重产生显著影响；苗沟距对各处理结实率、千粒重和产量产生极显著影响；苗管距与苗沟距互作对穗粒数、结实率、千粒重和产量影响不显著。苗管距、苗沟距以及二者互作对穗数均未产生显著影响（表5）。随着苗沟距的增加，水稻结实率和千粒重呈下降趋势；随着苗管距的增大，穗粒数、结实率和千粒重均表现为先增加后减小的趋势。相同苗沟距下，穗粒数、结实率、千粒重和产量均表现为A2＞A3＞CK＞A1，并且穗粒数、结实率、千粒重和产量在A2B1处理下达到最大值，分别大于对照组27.07%、5.68%和6.68%和15.22%。在A1B1处理下结实率、千粒重均大于对照组，而产量小于对照组2.44%。铺设暗管田块穗数、穗粒数、结实率、千粒重和产量比对照田块平均增加-3.15%、14.72%、-3.77%、1.31%和-1.35%。

表5 不同苗管距与苗沟距对不同时期水稻植产量构成的影响

3 结论

苗管距和苗沟距均对水稻养分吸收和产量构成产生不同程度的影响，主要表现在水稻孕穗期和抽穗期最为显著。苗管距对水稻各生育阶段氮磷钾吸收和产量构成影响更为显著，其中对磷元素的吸收影响最大，钾元素次之，氮元素最小。苗管距和苗沟距主要影响水稻群体的穗粒数、结实率和千粒重导致产量差异的。苗沟距的增加导致了水稻结实率和千粒重的下降，而伴随着苗管距的增加穗粒数、结实率和千粒重均先增加后减少。虽然暗管排水增加了水稻群体平均氮磷钾养分的吸收量，但局部的产量偏低仍可能导致整体产量的下降，本试验暗管排水田块穗数、结实率以及总产量略低于对照田块，尤其表现为暗管正上方水稻植株对氮磷钾养分的吸收以及产量构成低于其他各处理和对照组，与暗管排水增产理论相悖，很可能由于自由暗管排水系统导致稻田渗漏排水不受限制，易造成养分随排水流失，因此肥料运筹应侧重于暗管正上方区域适时补充肥料防止养分不足，同时排系统应根据水稻植株养分吸收特性配套相应的排水控制措施，水稻关键生育阶段堵住暗管排水口，同时保持田面与沟渠适当水位差控制田间渗漏，避免养分流失而造成的减产。本实验仅研究了暗管排水对水稻植株养分吸收以及产量构的差异，而造成这些差异的具体原因应结合土壤渗漏强度以及渗漏量与土壤养分运移动特性做进一步分析。

4 讨论

稻田铺设暗管能有效增加土壤水分的重力势和压力势梯度，是土壤水肥向下渗漏的强大推动力。暗管正上方处水稻植株茎鞘、叶和穗含氮量均显著小于偏离暗管处理的植株，甚至出现小于对照组的现象，而水稻植株从孕穗期到抽穗期为吸氮高峰期[27]，所以苗管距对此时水稻植株含氮量有极显著影响。而成熟期水稻植株氮素主要向穗部转移，导致不同处理穗部差异比茎鞘和叶显著。在规模农田中，排水沟能局部补充相邻田块局部土壤水分，提高地下水位，因此距离沟渠较远区域土壤渗透强度稍大于临近沟沟区域，可能造成更高的肥料淋失，而晚稻生育后期对磷钾的吸收多为奢侈吸收，因此水稻植株从孕穗期到抽穗期茎鞘和叶片含磷、钾含量随苗沟距离的增大均存在降低趋势，成熟期由于水稻植株磷、钾元素部分向籽粒转运和自身消耗，因此苗沟距对其影响并不显著。在苗沟距相同的条件下，随苗管距的增加水稻氮、磷、钾含量均表现为先增加后减小的趋势，孕穗期、抽穗期和结实期植株各器官的氮、磷、钾含量均在苗沟距15 m、苗管距2.5 m处理下达到最大值。铺设暗管对水稻植株氮磷钾含量有一定提高的效果，但在苗沟距35 m、苗管距0 m处理下出现含氮量小于对照组的情况，出现这种现象的可能原因是这种人为改变田间渗漏途径的方式对于溶质迁移特征等有着重大作用[15,28]，可能暗管正上方养分的大量流失，而不利于植株的生长。

暗管排水可以增加稻田垂直渗透量，淋洗有毒物质，并带入一定的溶解氧至根系层，从而更新根系层的水气环境，增强植株养分吸收的能力，为壮杆、大穗、争粒重打下坚实基础。本试验中苗管距主要通过影响水稻穗粒数、结实率和千粒重而影响水稻产量；苗沟距是通过影响水稻结实率、千粒重导致水稻产量差异的产生。随着苗沟距的增加，水稻结实率和千粒重呈下降趋势；随着苗管距的增大，穗粒数、结实率和千粒重均表现为先增加后减小的趋势，其中穗粒数的差异最大。产量在苗沟距15 m、苗管距2.5 m处理下达到最大值9.97 t/hm2，大于对照组15.22%。在苗沟距15 m、苗管距0 m下穗数小于对照组7.19%，结实率、千粒重均大于对照组，而产量小于对照组2.44%；铺设暗管田块主要提高了穗粒数和千粒重，而穗数和结实率是产量降低的主要原因。适当的稻田暗管排水强度有利于水稻早期根系生长[17]，提高水稻植株对养分的吸收能力，增加水稻产量[29]，但自由暗管排水可能导致水溶性的氮、磷和钾的流失，不利于后期水稻根系生长和对养分的吸收导致产量下降。