种植方式对稻田水肥利用及环境效应的影响

时 红， 才 硕， 孙占学， 万绍媛

(1.东华理工大学，江西南昌 330013； 2.江西省灌溉试验中心站，江西南昌 330201)

水稻是我国最重要的粮食作物，在保障粮食安全中具有重要地位。近年来，农村劳动力成本和农资价格大幅上涨以及水稻栽插机械化的发展，加速了农村土地流转进程，导致农业经营主体发生了变化，水稻种植方式发生了深刻变革。目前，水稻种植呈现出手工插秧、抛秧、直播和机械插秧等多元化发展的现状。20世纪90年代，江西双季稻种植还以手工栽插为主，占水稻种植面积的90%以上，而抛秧技术则处于起步发展阶段。然而，截至2017年，手工栽插的比例下降至22%，抛秧则上升至55%，机械插秧和直播发展迅速，分别达到6%和17%。水稻直播、抛秧和机械化插秧正在逐步替代传统的手工插秧。

长期以来，关于水肥管理与耕作措施对水稻养分吸收、产量品质及环境效应影响的研究主要集中在手工插秧方式上。然而，随着抛秧、直播和机插秧等轻简栽培技术的广泛应用，稻田的水肥管理方式产生了变化，致使水稻灌溉排水、养分吸收、稻田氮磷流失和温室气体排放等均发生了改变，传统手工移栽的研究成果已不能完全满足双季稻技术要求与生产实际。为此，众多学者对不同种植方式下水稻生长发育、产量及经济效益、微生物种群、病虫草害发生特点、氮素利用效率以及温室气体排放等方面进行了评价，认为种植方式不同的水稻生育期长短不同，水稻所处的温光环境条件各异，导致水稻生长发育、产量水平、养分吸收利用等均存在一定的差异。但目前针对不同种植方式下稻田水分利用、氮磷流失以及温室气体排放开展的系统分析与综合评价的研究相对较少。因此，本试验研究了不同种植方式对双季稻田的水肥利用、氮磷流失和温室效应的影响，以期为双季稻高效稳产栽培与可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试品种

试验以中嘉早17和H优518为早晚稻供试品种，于2016年3月至2017年10月在江西省灌溉试验中心站研究基地(116°00′E，28°26′N)进行。研究基地位于江西省赣抚平原灌区，属亚热带湿润季风性气候，多年平均气温约18 ℃，降水量约1 530 mm。试验田土壤为冲积性黄泥土发育而成的水稻土，试验前土壤(0～20 cm)基本理化性状：pH值6.07，有机质含量21.75 g/kg，全氮含量1.54 g/kg，全磷含量0.52 g/kg，碱解氮含量105.78 mg/kg，速效磷含量5.98 mg/kg，速效钾含量80.12 mg/kg。

1.2 试验处理

试验采用大田小区试验方法，分别设置手工插秧(HT)、抛秧ST)、机插(MT)、直播(DS)4个处理，每个小区面积86.40 m，3次重复。各小区间筑埂并用塑料薄膜包裹，单独灌排。

各处理氮肥(N)用量均为180 kg/hm，其中直播处理按基肥、断奶肥、分蘖肥、穗肥质量比 4 ∶2 ∶2 ∶2 施用，手工插秧、抛秧和机插均按基肥、分蘖肥、穗肥质量比4 ∶3 ∶3的方式施用；各处理磷肥(PO)用量均为90 kg/hm，均做基肥一次性施用；钾肥(KO)用量均为180 kg/hm，均按基肥、分蘖肥、穗肥质量比4 ∶3 ∶3的方式施用。早、晚稻不同种植方式的种植管理情况见表1，其他栽培管理措施按照当地高产栽培技术规程进行。

表1 不同试验处理种植管理情况

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤基本理化性质的测定 土壤pH值用IQ-150型pH计测定；全N、全P、碱解氮、速效磷、速效钾及有机质含量测定参照鲍士旦的方法。

1.3.2 产量、耗水量与水分利用效率 产量：于成熟期各小区实割6 m，脱粒、晒干去杂称质量，并按照13.5%含水量折算实际产量。

耗水量：在水稻生长期内每天08：00观测田间水位。田面有水层时使用ZHD-60型电测针在每个小区固定位置上测定水层深，无水层时采用补水法确定耗水量。根据逐日耗水量累加计算得出生育期的总耗水量。

水分利用效率(kg/m)=稻谷产量/耗水量。

1.3.3 植株氮磷养分吸收利用 水稻收获时各小区随机采集植株样本5穴，将根剪除后按茎、叶、穗分开包扎，在105 ℃下杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量，冷却称量干物质质量后研磨、过筛，采用Kjeltec 2300全自动凯氏定氮仪(瑞典FOSS公司)测定全氮含量，全磷含量采用钼锑抗比色法(NY/T 2421—2013《植株全磷含量测定 钼锑抗比色法》)测定。

水稻植株氮(磷)养分吸收量(kg/hm)=地上部分干物质量×养分含量；氮(磷)养分收获指数=籽粒养分吸收量/植株养分吸收量×100%；氮(磷)养分内部利用效率(kg/kg)=稻谷产量/植株养分吸收量。

1.3.4 径流氮磷排放量 于每次稻田排水过程中采集每个小区田面水到室内进行总氮(TN)和总磷(TP)浓度测定，同时记录每次排水量。采集的水样当日送至实验室测定分析，总氮浓度用碱性过硫酸钾消解，采用紫外分光光度法(HJ 636—2012《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》)测定，总磷浓度采用钼酸铵分光光度法(GB/T 11893—1989《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》)测定。

径流氮(磷)排放量(kg/hm)=田面排水量×排水氮(磷)浓度。

1.3.5 温室气体采集与测定 CH、NO、CO的采集与测定采用静态暗箱-气相色谱法。早晚稻生长期内气体采集时间为当日08：00—11：00，采样频率为5～7 d采集1次，施肥后1周内2～3 d采集1次，采样时按0、10、20、30 min的时间间隔用 50 mL 注射器抽取采气箱内气体，并迅速保存至真空气袋中，待采样结束后带回实验室，采用Agilent7890b气相色谱仪(美国Agilent公司)测定CH、NO、CO气体浓度。静态箱构造与通气量计算方法参照Zhang等的方法。

以100年为时间尺度，单位质量CH和NO的全球增温潜势分别为CO的25倍和298倍。全球增温潜势(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)计算公式如下：

全球增温潜势(COkg/hm)=25×CH+298×NO；温室气体排放强度(CO-eq kg/kg)=全球增温潜势/双季水稻全年产量。

1.4 数据处理与统计分析

2016年和2017年2年产量数据趋势一致，且年际间无显著差异，文中试验数值为2年数据的平均值±标准差。采用Excel 2003软件处理数据，利用SPSS 17.0软件对数据进行方差分析。不同处理之间的多重比较采用最小显著性检验(Duncan’s)法，以不同小写字母表示达到显著差异水平(<0.05)。

2 结果与分析

2.1 产量及水分利用效率

由表2可知，不同种植方式下，早晚稻产量和水分利用效率的变化趋势均表现为HT>ST>MT>DS，早稻耗水量大小顺序依次为DS>MT>ST>HT，晚稻耗水量依次为DS>MT>HT>ST。早晚稻不同处理的产量均以HT处理最高，且显著高于其他处理，产量最低的DS处理较MT、ST和HT分别减产0.43%、1.51%、8.83%和10.50%、12.26%、16.38%。早、晚稻DS处理耗水量均显著高于其他处理，较HT处理分别增加12.88%和4.30%。早晚稻DS处理的水分利用效率显著低于其他处理，其减幅范围分别为6.52%～19.38%和13.61%～19.62%。

表2 不同种植方式下双季稻产量及水分利用效应

2.2 氮磷养分利用效率

由图1可见，不同种植方式对水稻植株氮磷养分利用产生一定影响。在氮素利用方面，早晚稻DS处理的氮素养分内部利用效率均显著低于其他处理，较MT、ST、HT分别降低3.65%、5.52%、9.28%和3.49%、4.88%、4.18%；氮素收获指数总体呈现出HT>ST(或MT)>DS的变化趋势，且DS处理明显低于HT处理，早晚稻分别降低5.73%和5.31%。在磷素利用方面，早晚稻磷素内部利用效率和收获指数的大小关系均表现为HT>ST>MT>DS，早晚稻DS处理的磷素内部利用效率较其他处理显著减少了5.20%～8.08%和2.87%～4.50%，磷素收获指数分别减少6.01%～10.28%和2.03%～4.91%。可见，早晚稻不同种植方式的植株养分利用效应均以直播处理最低。

2.3 稻田径流氮磷排放效应

如表3所示，由于早晚稻种植期内降水量的差异(早稻季降水量为536.6 mm，晚稻季为261.28 mm)，致使早稻的田间排水量和径流氮磷排放量均明显高于晚稻。在早稻季，不同处理的排水量以DS处理最高，且显著高于其他处理；总氮和总磷排放量总体呈现DS>ST(或MT)>HT，并且DS较HT分别显著增加2.55、52.54 g/hm，增幅分别为16.61%和31.31%。在晚稻季，HT、ST、MT各处理的排水量差异不大，但均显著低于DS处理；DS处理的总氮和总磷排放量均显著高于其他处理，其增幅分别为16.26%～34.00%和28.23%～67.64%。双季累计来看，DS处理的排水量显著高于其他处理；不同处理总氮排放量和总磷排放量均以DS处理最高，ST或MT处理次之，HT处理最低，且DS处理较HT、ST、MT分别显著高出24.05%、10.97%、19.72%和41.40%、31.45%、20.65%。

表3 不同种植方式稻田径流氮磷排放效应

2.4 温室气体排放效应

2.4.1 不同种植方式对稻田温室气体排放效应的影响 如表4所示，在CH排放方面，早稻CH排放量的变化趋势为DS>MT>HT>ST，晚稻为ST>MT>DS>HT，双季则为DS>MT>ST>HT，DS处理的双季累计CH排放量较其他处理显著增加4.32%～6.67%。在CO排放方面，不同处理早稻季、晚稻季和双季的CO排放量均以DS处理最高，HT处理最低，且两者间差异均达到显著水平，其中双季累计条件下DS处理较HT、ST、MT分别显著增加14.47%、3.34%、11.11%。在NO排放方面，早稻季、晚稻季、双季不同处理稻田NO排放量变化趋势一致，均表现为ST>DS>MT>HT，HT较ST、MT、DS分别减少5.20%～13.10%(早稻)、6.17%～12.64%(晚稻)、5.70%～12.87%(双季)。

表4 不同种植方式稻田温室气体排放量 kg/hm2

2.4.2 不同种植方式对稻田综合温室效应的影响 由表5可知，早稻季DS处理的全球增温潜势显著高于其他处理，较HT、ST、MT处理的增加幅度为7.74%～12.64%；晚稻季不同处理的全球增温潜势以ST处理最高，HT处理最低，但各处理间差异不显著；双季累计的全球增温潜势和温室气体排放强度的变化规律均表现为DS>MT>ST>HT，且DS处理较HT、ST、MT处理分别增加6.74%、5.88%、4.31%和21.37%、13.15%、9.23%。说明双季稻采用手工插秧有利于降低综合温室效应，而直播则会加剧稻田的温室效应。

表5 不同种植方式综合温室效应

2.5 不同种植方式产量与环境效应相关分析

通过产量与环境效应指标的相关分析(表6)可知，不同种植方式下，水稻产量与磷素内部利用效率呈正相关，与水分利用效率、植株氮素内部利用效率呈显著正相关；水稻产量与稻田径流总氮排放量、总磷排放量均呈极显著负相关，相关系数分别达到-0.959和-0.933；水稻产量与全球增温潜势(=-0.742)、温室气体排放强度(=-0.886)分别达到显著、极显著负相关。说明通过种植方式提高水稻产量可以提高水分利用效率，促进氮磷养分吸收利用，从而减少稻田养分的径流损失以及温室气体的排放。

表6 产量与主要环境效应相关分析

3 讨论与结论

不同稻作模式的栽培技术不同，水稻生育期及其所生长的温光环境条件各异，从而导致水稻生长发育和产量水平存在一定差异。张坤等研究了移栽方式下水稻产量的变化规律，其最终产量表现为手工栽插>抛秧>机插。刘成立研究表明，不同种植方式的水稻产量以机直播处理最低，人工栽秧次之，机插方式最高。李杰等研究认为，不同种植方式的水稻产量均以直播方式最低。周红英等研究认为，水稻采用手工栽插和抛秧方式的产量最高，机插其次，直播最低。上述研究普遍认为不同种植方式水稻的产量总体上以手工插秧最高、直播最低，这与本研究结果一致，即手工插秧>抛秧(或机插)>直播。但也有研究认为，直播处理的产量最高，这可能与水稻种类以及试验期间的气候条件有关，单季稻较双季稻生育期的光热适宜且易避免倒春寒和寒露风等气象灾害的影响，从而获得高产。

水肥吸收利用决定着水稻的产量，也直接影响着稻田生态环境。相关研究表明，水稻水分管理与吸收利用会随着种植方式的改变而发生变化。冀俊超研究表明，虽然直播处理的产量低于手工栽插，但因其全生育期耗水量显著下降，从而使得水分利用效率显著提高。陶冶研究认为，直播处理在增加水稻产量的同时，还能够提高水分利用效率。本研究则表明，早晚稻直播处理的水分利用效率显著低于手工插秧处理(减幅分别为19.38%和19.62%)，其原因主要是直播方式下早晚稻耗水量较手工插秧高，而产量又低于手工插秧处理。目前，针对不同稻作模式的氮磷吸收利用的研究结果不尽相同。徐国伟研究认为，成熟期植株氮积累量直播稻高于移栽稻；而李杰的试验则表明，水稻手工插秧方式的氮素吸收利用率显著高于机插，且极显著高于直播；王春雨的研究表明，人工插秧方式在提高水稻氮素农艺利用率和氮收获指数的同时，也促进了磷素的吸收利用。本研究也认为手工插秧的氮磷养分利用效率和收获指数较直播处理显著增加。前人研究普遍认为，农田排水的增加和水肥利用效率的下降均会加大氮磷流失的风险。在本研究中，不同种植方式的氮磷径流排放量均以排水量最大且水分和氮磷养分利用效率最低的直播处理最高，这与前人研究相一致。

水稻生长的时空环境随种植方式的改变而发生变化，并可能影响到稻田土壤性状和稻株自身生长，进而对CH和NO的排放产生不同程度的影响。张岳芳等研究表明，与手工插秧相比，机插处理的稻田CH排放总量增加了14%，NO排放总量减少了11%，整个水稻季CH和NO排放的总全球增温潜势(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)分别增加8%和10%。马永跃等研究认为，双季稻不同种植方式稻田CH排放通量变化趋势为抛秧<手工插秧<直播<机插，而NO排放通量和综合温室效应均表现为手工插秧<机插<抛秧<直播。本研究表明，双季稻田NO排放量的大小规律为手工插秧<机插<直播<抛秧，CH排放量、GWP和GHGI则均以手工插秧最低、直播最高，这可能与不同种植方式的水稻群体密度有关，即水稻种植密度高，茎叶数多，根量大，从而加快了甲烷的传输和排放。本研究4种不同种植方式的种植密度大小顺序为直播>抛秧>机插>手工插秧，因此，手工栽插方式表现出较好的温室气体减排效应，而直播方式导致了温室气体排放和温室效应的增加。

手工插秧能够在水分消耗较少的前提下获得较高的产量，有利于提高水肥利用效率，减少排水量、氮磷径流排放量以及CH、CO和NO的累计排放量。直播方式在获得较低产量的同时，却增加了灌水量、耗水量、氮磷地表径流排放量以及温室气体排放量，加剧了温室效应。本研究认为不同水稻种植方式的生态效应以手工插秧最优，抛秧或机插次之，直播相对较差。