水分管理对旱直播稻生长、氮磷吸收及土壤分布的影响

李夏雯，卢树昌

(天津农学院农学与资源环境学院，天津，300384)

我国常规水稻生产中大水灌溉下淋失、地表蒸发等途径造成稻田水分利用率低，严重制约我国水稻种植的可持续发展[1]。不合理施肥导致大量氮、磷素在土壤中积累，长期淹水覆盖增加了氮磷向土壤下层及周围的扩散运移，不利于氮、磷等营养元素的保持，且易造成环境风险[2-5]。

旱直播稻节水显著且水分利用率高，能够缓解中国农业用水短缺问题，同时可确保粮食安全。在农业生产过程中，水分作为土壤肥力中最活跃的因素，不仅影响着作物生长，对土壤氮磷的流失也起着决定性作用。而稻田采用间歇灌溉能减少灌溉用水量、减少溢流损失，减少氮磷的渗漏量及地表流失量[6-7]。有研究表明，节水灌溉可以有效减少肥水流失，降低耗水量，提高水分利用效率，减少水体污染，有利于保护生态环境[8-10]。WANG等[11]研究表明，相比水层灌溉，轻干湿交替灌溉可以调节地上部冠层结构，能控制不必要的营养生长，从而增源扩库达到产量增加的目的。魏永霞等[12]研究表明，滴灌旱直播相对于淹水灌溉，虽除分蘖末期外在其他生育时期内光合速率较低，但显著提高了水分利用效率。旱直播稻田中，适度的干湿交替管理措施在一定程度上可以调节水稻根系周围的土壤水分和氧气平衡，从而有利于促进水稻的生长发育和产量形成，同时减少了氮磷的扩散运移，降低稻田土壤氮磷环境风险。

目前，对旱直播稻的研究大多集中在栽培技术以及施肥管理等方面，而对旱直播栽培技术下水分管理方式对水稻生长特性以及土壤氮磷迁移效应的影响研究相对较少，基于此，本试验提出在田面湿润和关键需水期灌溉两种水分管理方式下，结合优化施肥，探究水分管理对旱直播稻长势、养分吸收及稻田土壤氮磷迁移情况的影响，以期为北方旱直播稻栽培合理灌水、提高水氮利用效率、降低土壤氮磷迁移环境风险提供一定参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于天津市武清区大孟庄镇后幼庄村，地理位置116°57′E，39°32′N。该区为暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降水量550～606 mm，60%集中在6—8月。土壤类型为潮土，土壤质地为轻壤，土壤CEC 15.54 cmol·kg-1，保水保肥性能较差，表层(0～30 cm)土壤有机质21.21 g·kg-1、全氮1.86 g·kg-1、硝态氮10.51 mg·kg-1、有效磷34.56 mg·kg-1、速效钾212.37 mg·kg-1，地力中等以上。30～120 cm以下土层硝态氮含量为9.3～11.85 mg·kg-1、有效磷含量为6.28～11.74 mg·kg-1。由于试验区常年大水漫灌，含水量较高的轻质土壤中氮磷移动扩散性较强，存在较大氮磷向深层运移的潜在环境风险。

1.2 供试作物

早稻，品种为津原E28。该品种为粳型常规稻，京津唐地区种植全生育期平均178 d。

1.3 试验设计

试验时间为2020年5—10月，采用田面湿润和关键需水期两种水分管理方式，设计2个处理，即T1(湿润灌溉)，T2(关键需水期灌溉)，3次重复，设置保护行，共6个试验小区，单个小区面积36 m2(6 m×6 m)，播种量为90 kg·hm-2。两种灌溉方式按照各自3个小区分开设计，中间采用1.5 m的空白间隔带。

试验全生育期有效降水量为250 mm，水稻需水量为950 mm[13]，适用于平水年华北单季稻稻作区，全生育期灌水量=作物需水量-有效降水量[14-15]。

湿润灌溉即旱直播后立即进行田间灌水等待出苗，在整个生育期内，灌小水、保持土壤湿润，全生育期灌水量7 500 m3·hm-2，10～15 d灌一次，每次750～900 m3·hm-2。关键需水期灌溉即旱直播后待秧苗长到1叶1心时开始进行田间灌水，保证水稻分蘖期、孕穗抽穗期及灌浆期的生理需水，适时进行补水，全生育期灌水6次，每次750～900 m3·hm-2，总灌水量4 500 m3·hm-2。

田间管理：全生育期施用纯氮300 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2。氮肥分为整地、分蘖期、分蘖末期、拔节孕穗期4次施用，分别按照40%、20%、20%、20%施入，即基追比4∶6，以尿素形式提供；磷、钾作为基肥一次性施入，以磷酸二铵和硫酸钾形式提供。

1.4 测试方法

株高：茎基部至穗尖的高度，用卷尺测量；叶绿素含量：分别取叶片叶尖、叶中和叶基各部位，用叶绿素仪(日本柯尼卡美能达，型号为SPAD-502)测定，取平均值；光合速率：用光合仪(型号为CI-340，购于北京思爱迪生态科学仪器有限公司)于10∶00进行测定。叶面积：测定叶长、叶宽，采用校正系数法(叶长×叶宽×0.7348)测定叶面积[16]。以上叶片取样部位均为顶部倒三叶。

收获时，将旱直播稻分茎叶、根、穗三部分称重后自然风干晾晒，然后在75℃烘干至恒重，计算干物质量。植物样品经浓硫酸-H2O2消煮后，分别采用凯氏定氮法、钒钼黄比色法测定各部位全氮、全磷含量，并计算各部位吸氮量(吸氮量=干物质量×含氮量)、吸磷量(吸磷量=干物质量×含磷量)。收割前每小区取5穴考种，测定有效穗数、每穗粒数、千粒重和结实率。

土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，以NH4-N mg·g-1土(37℃,24 h)表示；土壤碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定；土壤硝态氮含量采用氯化钙溶液浸提-紫外分光光度法测定；土壤有效磷含量采用碳酸氢钠溶液浸提-钼蓝比色法测定；土壤水溶性磷含量采用氯化钙溶液浸提-钼蓝比色法测定。

1.5 数据处理与分析

应用Microsoft Excel 2010进行数据处理，采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析，用Duncan法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同水分管理方式下旱直播稻的生长状况

如表1所示，两个处理的株高均随生长时期的递进呈增加趋势，叶绿素含量均在分蘖期达到最高，而后随生育进程逐渐下降。T1处理株高在分蘖期高于T2处理，在拔节孕穗期显著低于T2处理，T2处理3个时期的叶绿素含量均高于T1，说明T1湿润管理下旱直播稻生长初期长势较快，T2关键需水期管理有利于旱直播稻生育中后期生长。

表1 不同水分管理方式下旱直播稻各生育期的生长状况

随生育进程，两个处理旱直播稻不同生育时期光合速率和叶面积均呈现下降趋势。T1处理在分蘖期光合速率较T2处理高5.39%，而在拔节孕穗期，T2处理的光合速率较T1处理高20.73%。T2处理在分蘖期、拔节孕穗期和灌浆期的叶面积均高于T1处理，增幅分别为9.24%、6.11%和13.51%。整体来看，T2关键需水期管理方式下旱直播稻叶面积大、叶绿素含量高，中后期光合速率也较高，较T1湿润管理长势好。

2.2 不同水分管理方式下旱直播稻的干物质量、养分吸收及产量

如表2所示，T1湿润管理方式下干物质量较高，为30 568.65 kg·hm-2，较T2处理增加11.93%。氮素吸收方面，两处理均为茎叶>稻谷>根，总吸氮量T1处理显著高于T2。茎叶部分T1处理吸氮量较高，较T2处理增加29.70%，差异显著，占总吸氮量的36.18%，而T2茎叶部分则占总吸氮量的31.76%。根部、稻谷同样为T1吸氮量较高，但与T2间未达显著差异。说明T1处理利于干物质量的积累，对旱直播稻氮素吸收有明显的促进作用。磷素吸收方面，如图1所示，T1处理下茎叶、根部磷素吸收量分别为14.16、6.56 kg·hm-2，均显著高于T2处理。T2处理总吸磷量较高为44.90 kg·hm-2，稻谷吸磷量为26.60 kg·hm-2，显著高于T1处理，增加了13.22%。表明T2处理对促进稻谷磷素吸收效果显著。

注：不同小写字母代表相同部位处理间差异显著(P<0.05)。

表2 不同水分管理方式下旱直播稻干物质量及吸氮量/(kg·hm-2)

由表3可知，产量上T1处理较高，为12 666.00 kg·hm-2，较T2处理增加了16.48%。产量构成因子方面，T1处理下优势明显，其有效穗数、每穗粒数和结实率均显著高于T2处理，增幅分别为4.24%、7.20%和1.60%，千粒重高于T2但差异未达显著水平，说明在湿润灌溉条件下能够促进穗部发育，更有利于提高旱直播稻有效穗数、每有效穗总粒数，以及获得较高结实率以增加产量，而在关键需水期干湿交替的灌溉方式对产量因素有一定影响。

表3 不同水分管理方式下旱直播稻产量及其构成因素

2.3 不同水分管理方式下旱直播稻田土壤氮磷运移情况

2.3.1 土壤脲酶、磷酸酶活性 如表4所示，与种植前相比，种植后两处理均能显著提高土壤脲酶、磷酸酶活性，其中T2处理显著提高了38.21%和73.33%；与T1相比，T2处理的脲酶、磷酸酶活性分别提高了3.94%和6.82%。说明T2处理对脲酶和磷酸酶活性促进作用更明显，进而有利于促进旱直播稻植株对土壤氮、磷的向上吸收。

表4 不同水分管理方式下稻田土壤脲酶、磷酸酶活性

2.3.2 土壤硝态氮含量 如图2所示，种植后两个时期(中期，9月12日，拔节孕穗期；收获期，10月31日，结实期，下同)T2处理均能够显著降低4个土层的硝态氮含量，降幅在17.48%～65.92%；T1处理中期与收获期30～60 cm土层的硝态氮含量分别较种植前降低15.27%和15.42%，在60～90 cm土层硝态氮含量升高但差异不显著，在90～120 cm土层硝态氮含量显著增加了28.93%。与中期相比，收获期各土层硝态氮含量均有增加趋势，可能因为结实期追施了尿素，未被吸收利用的氮素随水向下运移，但在90～120 cm土层，T2 处理较种植前降低了3.01%，说明T2处理降低氮素迁移效果较好。综上，T2处理4个土层中硝态氮含量的降低幅度最大，即T2处理能够显著降低硝态氮含量，对减少土壤氮素迁移有明显效果。

注：不同小写字母代表相同土层处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.3.3 土壤有效磷含量 如图3所示，在中期，与基础值相比，T2处理能够显著降低各个土层土壤有效磷含量，降幅在16.18%～57.47%之间，较T1处理各个土层显著(30～60 cm除外)降低6.73%～37.63%，

图3 不同水分管理方式下稻田各土层的土壤有效磷含量

而T1处理在90～120 cm土层较种植前有所增加，表明其在中期磷素向深层运移。收获期，相比种植前T1、T2处理均只在0～30 cm和30～60 cm土层降低了有效磷含量，T2处理效果明显，在两土层较基础值的降低率分别为13.85%和21.71%，较T1处理分别降低8.04%和18.05%；在60～90 cm和90～120 cm土层，两处理有效磷含量较种植前均有所增加，在90～120 cm土层，T1处理较种植前增加25.16%，较T2处理增加20.72%，向深层迁移度较大，表明湿润灌溉下相对增加了磷素迁移风险。综上，T2需水关键期灌溉方式能够弱化磷素随水流失扩散，有效将土壤磷素固持在土壤表层，减缓磷素向下迁移程度。

2.3.4 土壤水溶性磷含量 如图4所示，与种植前相比，T2处理两个时期均能够不同程度地降低4个土层土壤水溶性磷含量，降幅在10.34%～37.53%；中期T1在0～30 cm和30～60 cm土层水溶性磷含量有所降低，降幅为12.78%～26.77%；在60～90 cm和90～120 cm土层水溶性磷含量有不同程度的增加，说明T1处理在种植后有磷素向下迁移情况。收获期与中期相比，T2处理各土层水溶性磷含量均有不同程度的降低，其中在0～30 cm和30～60 cm土层降低明显，分别达8.62%和9.42%；T1处理则增加了水溶性磷含量，且在30～60 cm增幅最大(19.0%)，说明T2处理降低4个土层中水溶性磷含量效果最好，对减缓土壤磷素向深层迁移效果显著。

图4 不同水分管理方式下稻田土壤水溶性磷含量

3 讨 论

本试验结果表明，T2处理生长前期株高较低，这与赵步洪等[17]研究相符，即水分亏缺致使细胞代谢、营养物质运输受阻，株高降低[18-19]。而中后期优势明显，这可能是适度的水分胁迫改善了干物质积累，株高增加[20]。殷大伟[21]研究认为，全生育期轻干湿交替灌溉可以提高水稻尤其是中后期的株高，这与本试验研究结果一致。本研究发现，较T1处理，T2处理下适度干旱使得中后期叶片叶绿素含量升高，这与刘艳等[22]研究相一致，干湿交替使土壤通气性提高，促进根系良好发育进而提高对水分、养分的吸收，使SPAD值显著提高。

有研究表明，水稻控制灌溉和旱作管理下叶片光合速率较淹灌均有所下降[23-24]，本研究得到，T2处理光合速率在分蘖期较低，生育中后期表现较高，较T1处理高出20.73%，灌浆结实期差异较小，这可能是由于干旱控制造成叶片含水率下降，叶间蒸腾作用加剧，在消耗单位水量情况下，有机物积累增加[25]，另外水分胁迫使得旱直播稻中后期根系发达，拔节孕穗期T2处理光合速率明显高于T1处理，说明根据作物需水规律进行适度节水灌溉，也能促进旱直播稻正常生长。本试验T2处理叶面积在生育中后期始终维持较高水平，这是由于水分胁迫延缓了叶片衰老，与于美芳[26]研究结果一致。

本试验研究发现，干物质量与吸氮量方面T2处理较低，这可能由于拔节孕穗期之后水分胁迫促进根系发育，根系活力提高且获得较高根部干物质累积，而这对旱直播稻籽粒生长产生了负向影响[27]，因而影响了产量。磷素吸收方面，T2稻谷吸磷量显著高于T1，这可能由于适度干旱下作物内部运转加快，促进了旱直播稻磷素养分从茎叶向稻谷的运输。研究表明，直播稻后期干物质量积累与有效穗数呈正相关[28-30]，与本试验T1湿润灌溉下增加了有效穗数及每有效穗总粒数的结果相一致，湿润条件下保证了水分充足，能够加快地上部物质运转，促进灌浆，提高产量。

本文研究结果，试验中期T1处理土壤硝态氮含量在60～90 cm和90～120 cm两土层较种植前有所升高，并且在90～120 cm土层达显著差异，这可能由于湿润管理下，旱直播稻生育中期需水旺盛，累积在土壤中的硝态氮没有被及时汲取，在灌水的淋洗下向下迁移脱离根区[31]，增加了硝态氮向深层的迁移；而在试验后期，T1处理土壤硝态氮含量除在30～60 cm土层含量降低外，在其他土层均有显著增加，此为灌水加大与后期追肥的共同影响，这与前人研究相一致，即土壤水分下渗会引起硝态氮的淋失，且随降水或灌溉增多而淋失增大[32-33]。而T2处理土壤硝态氮含量较种植前能够保有降低趋势，且在各个时期显著低于T1，可能因为干湿交替减缓了灌溉造成的下渗累积，适度干旱下土壤通气性增强，旱直播稻根系发达且酶活性提高，有利于促进氮素向上吸收利用。有研究发现，作物获产后硝态氮在土壤中含量会升高[34]，这与本试验收获时期硝态氮含量较中期升高的结果相一致。

本试验T2处理降低4个土层有效磷、水溶性磷含量的优势明显，降幅分别为16.18%～40.50%和10.34%～37.53%，可能由于干湿交替下土壤通透性强，氧化条件促进了亚铁离子向三价铁离子转化，土壤对磷亲和力增强，进而能够将磷素固持在土壤表面，降低了有效磷含量[35]；另外，土壤碱性磷酸酶活性提高，土壤磷素周转加快，促进磷素向上吸收，这与余双等[36]研究结果相一致，说明T2关键需水期灌溉有利于磷素的保持，能够降低磷素向深层迁移的风险。

4 结 论

T2关键需水期灌溉方式有利于促进旱直播稻中后期生长发育。T1湿润灌溉能够获得较高干物质量与吸氮量，分别为30 568.65 kg·hm-2和287.70 kg·hm-2，而T2处理对促进稻谷部位磷素吸收效果显著，稻谷吸磷量达26.70 kg·hm-2。从产量看，T1能够提高有效穗数、每有效穗总粒数、千粒重和结实率，获得较高产量12 666.00 kg·hm-2。从土壤氮磷迁移方面看，T2关键需水期灌溉方式显著降低了旱直播稻田土壤4个土层的硝态氮、有效磷和水溶性磷含量，对减缓氮磷迁移有显著效果，能够有效降低土壤氮磷迁移造成的环境风险。