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Effects of Different Water and Fertilizer Regulation on Rice Yield, Dry Matter and Soil Fertility

花匠小妙招
2024-11-11 23:47

0 引言

土壤肥力是水稻生产可持续发展的基础资源[1]，良好的水肥调控模式有利于水稻与土壤中的营养元素进行充分交换，从而获得高产[2]。缓释肥作为一种新型的肥料，具有养分释放周期长、肥料利用率高、环境污染小等优点，逐渐受到关注[3-5]。已有研究表明，与相同养分含量的普通化肥相比，缓释肥能够提高肥料的利用效率和作物产量[6]，且缓释肥的施用在改善土壤肥力方面发挥着显著的效果[7]。李世发等[8]研究表明，施用缓释肥能显著的增加水稻的分蘖数和产量。间歇灌溉不仅能够减少灌溉用水量[9]，有利于土壤对总氮的保持，减缓耕层总磷下移[10]，提高水分利用率[11]，而且显著增加水稻干物质的积累量及最终产量[12, 13]。崔远来等人分析研究了不同水肥调控模式对水稻生长发育，水分利用效率，产量和构成要素的影响，得出节水灌溉较淹灌可提高水稻水分生产效率并获得高产[14]。李俊峰等[15]人研究表明，一定范围的水肥调控对水稻产量，品质有着明显的促进作用。孙永建等[16]人研究表明，不同的水肥处理对水稻各生育期阶段的干物质积累也有显著的影响。以上研究多是侧重间歇灌溉或缓释肥单方面条件下的研究成果，间歇灌溉与缓释肥不同施肥水平的交互作用对土壤肥力及作物产量方面的研究鲜有报道。本文选取长江中游典型水稻种植区漳河灌区为研究区域，开展间歇灌溉与缓释肥不同水平交互条件下水稻测桶试验，采集黄熟期植株样、收割后及泡田前的稻田土样和水稻测产数据进行分析，探究适应水稻高产的水肥交互模式，为漳河灌区及类似区域水稻生产可持续发展提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验区选址位于湖北省荆门市东宝区漳河镇却集村的湖北省灌溉试验中心站（30°54'15″N，112°05'16″E），气候温暖湿润，年无霜期达到206 d，多年平均气温在17 ℃左右，最低月平均气温为3.9 ℃，最高月平均气温27.7 ℃，年降水量在700到1 100 mm之间，多年平均降水量947 mm，年蒸发量（20 cm蒸发皿）1 300~1 800 mm，年日照总时间1 300~1 600 h。该地区地势起伏，为典型的丘陵地带，土壤为黄壤土，适宜水稻的种植，是我国重要的粮食主产区，见

图1

。

图 1 试验装置现场实物图

Fig.1 The actual picture of the test device

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本试验设计为桶栽，采用当地自然土装桶，直径为0.618 m，桶深1.2 m，装土90 cm，平均容重1.46 g/cm3，底部为20 cm的反过滤层，并设置侧向排水；大田育秧，成苗移栽，每桶5穴；设置防雨棚。试验主处理为两种灌溉模式：淹水灌溉模式W1（Continue Flooding, CF）和间歇灌溉模式W2（Alternate Wetting and Drying，AWD），2种灌溉模式不同生育期水层控制标准参考表1，副处理为两种施肥的类型及水平，N1处理为当地群众惯用的传统的氮磷钾肥，具体施肥标准为：氮肥以N计为180 kg/hm2（50%基肥、50%追肥），施基肥时用碳酸氢铵（NH4HCO3），追肥时用尿素[CO（NH2）2]，在整地泡田时施入，追肥在移栽后的15 d左右施入；磷肥以P2O5计，72 kg/hm2，为过磷酸钙（主要成分为主要成分为Ca（H2PO4）2·H2O），钾肥水平（计K2O）为115 kg/hm2，采用氯化钾（KCL）；磷、钾肥均作为基肥一次性施入。N2为施用缓释肥，N2F（1）氮磷钾肥有效含量及比例与N1一致，并在此基础上将施肥水平各增加、减少25％、50％，即将N2设计了5种施肥水平的处理，分别是N2F（0.5）、N2F（0.75）、N2F（1）、N2F（1.25）、N2F（1.5），均作为基肥一次性施入，一共12个处理，每组处理重复3次，计36个测桶。供试水稻品种为荃早优丝苗，是当地当季大面积推广种植的水稻品种。

表１淹灌W1、间歇灌溉W2各生育期水分管理

Tab.1 W1（CF）、W2（AWD）water management in each growth period

灌溉模式返青分蘖前期分蘖后期拔节孕穗抽穗开花乳熟黄熟 W1 W2 W1 W2 W1 W2 W1 W2 W1 W2 W1 W2 W1 W2 灌前下限（W1,mm；W2,占土壤饱和含水率的%） 10 100 10 85 20 60~70 20 90 20 90 20 85 落 65 灌后上限/mm 40 30 40 40 50~60 晒 50~60 40 50~60 70 50~60 70 落间歇脱水天数/d 0 0 0 3~5 0 田 0 1~3 0 1~3 0 1~3 干干

1.2 数据采集分析

本试验2次土壤取样分别选在水稻泡田前（2019年5月）和黄熟期收割后（2019年9月），取土钻取土深度为0~20 cm，将土样进行风干、研磨、过筛，采用H2SO4-H2O2对土样中的全氮（TN）和全磷（TP）进行检验分析，土样TN测定参考《土壤质量全氮的测定凯氏法》（HJ 717-2014）；TP参考《土壤总磷的测定碱溶-钼锑抗分光光度法》（HJ 632-2011）。水稻黄熟期后，测桶植株全部收获，测取穗粒数、千粒重、结实率等，后将选取植株并入其他植株测产，并将植株分根、茎、叶、穗进行器官剪取，于烘箱105 ℃杀青0.5 h，85 ℃烘干48 h至恒重称其干物质重量。数据的分析和制图采用Excel 2010和SPSS 25.0软件。

2 结果和分析

2.1 不同水肥处理对水稻产量构成因子的影响

表2

可以看出，有效穗数最高的是W2N2F（1.5）处理，379 个/m2，其次是W2N2F（1）处理。除W2N2F（0.5）处理外，间歇灌溉各处理的有效穗数均维持在一个较高水平，且均高于淹水灌溉下对应处理。千粒重在W1N2F（0.5）最低，仅为19.48 g，在W2N2F（0.75）最高，为23.95 g。淹灌模式下，W1N2F（1）处理穗粒数最高，为239.5 粒；间歇灌溉下，W2N1处理的穗粒数最高，为197.2 粒。穗粒数在不同灌溉模式各处理下的趋势基本相同，但淹灌下各处理均高于间歇灌溉相应处理，且W1N2F（1）处理的提升效果最好。分析产量可知，W1N2F（1）有效穗数和结实率略低，但穗粒数显著高于其他处理，因而W1N2F（1）的产量最高，达18 170.3 kg/hm2。其次为W2N1处理，有效穗数和结实率都处在较高水平，产量达17 826.9 kg/hm2。同时，W1N2F（1）和W2N1处理的产量也是对应的灌溉模式下最高产量。N2条件下，W2N2F（1）处理的水稻产量最高，为17 128.4 kg/hm2，虽不及W2N1处理，差距却不明显。N2条件下，淹灌模式W1N2F（1）的产量分别高出其他处理21.3%~47.9%，间歇灌溉模式W2N2F（1）的水稻产量分别高出其他处理15.7%~50.3%。且不同缓释肥施肥水平下，淹灌模式下产量平均高出间歇灌溉6.43%。

表2 不同水肥处理水稻产量及其构成因子

Tab.2 Rice yield and its constituent factors under different water and fertilizer treatments

灌溉模式处理有效穗数/（个• m-2）穗粒数/粒千粒重/g 结实率/% 产量/（kg•hm-2） W1 N1 334 202.6 22.86 82.50 17 191.4 N2F（0.5） 309 212.5 19.48 84.80 14 212.9 N2F（0.75） 295 157.8 23.75 70.38 12 287.6 N2F（1） 297 239.5 22.99 79.00 18 170.3 N2F（1.25） 297 202.4 22.18 75.25 14 813.9 N2F（1.5） 324 187.1 22.24 76.30 14 979.0 W2 N1 353 197.2 23.05 87.13 17 826.9 N2F（0.5） 276 183.6 23.74 79.75 13 365.2 N2F（0.75） 349 150.1 23.95 74.75 13 940.0 N2F（1） 378 183.4 22.24 74.30 17 128.4 N2F（1.25） 309 190.4 22.64 87.88 14 798.6 N2F（1.5） 379 123.0 21.99 77.88 11 393.2

总体看，间歇灌溉更有利于水稻有效穗数增加，这可能是因为间歇灌溉使水稻蹲苗稳长[17]，促进了水稻根系强健形态的建成，提高了对水分、养分的吸收利用，促进低节位分蘖萌发，抑制无效分蘖，提高成穗率[18]，进而提高了水稻的有效穗数。淹灌可以更好的提高水稻的穗粒数，且与缓释肥具有良好交互效应产量最高，这与李芳敏等[19]研究结论一致，这可能由于淹灌下的土壤总孔隙度和毛管孔隙度多，结构性好，持水力强[20]，田间持水量高，避免了水分胁迫对水稻穗粒数的影响。且稻田长期持有的水层也保证了缓释肥的持续性释放，促进了籽粒灌浆和生育中后期的干物质积累，优化了水稻群体结构，扩大了库容量，为高产奠定了基础。间歇灌溉传统肥处理对水稻产量的效果虽优于缓释肥，但差距不大。

2.2 不同水肥处理对水稻黄熟期各器官干物质占比的影响

由

表3

可知，水稻黄熟期干物质含量在各器官中的分配比例各不相同，但都具有相同的趋势，从大到小依次排序为穗、茎、叶、根。淹灌模式下，N1处理的根部干物质分配比例最高，为12.9%，高出N2F（1）处理299.4%。N2F（1）处理的茎部干物质比例最高，为36.85%，高出N1处理24.5%。N2F（1.5）处理下的叶部干物质比例最高，为16.82%，高出N1、N2F（1）处理55.0%、31.4%。淹灌下，N2各处理的根部干物质分配比例低于N1处理，而茎和叶部的干物质分配比例则均高于N1处理（N2F（1.5）处理除外）。W1N2F（1）处理穗部分配比例最高，为47.12%，高出W1N1处理1.02%。

表3 不同水肥处理水稻黄熟期各器官干物质占比

Tab.3 Percentage of dry matter of rice organs at yellow maturity stage under different water and fertilizer treatments

灌溉模式处理根茎叶穗合计干重/（kg•hm-2）占比/% 干重/（kg•hm-2）占比/% 干重/（kg•hm-2）占比/% 干重/（kg•hm-2）占比/% 干重/（kg•hm-2）占比/% W1 N1 435.33a 12.90 999.33ab 29.61 366.00ab 10.85 1 574.33a 46.64 3 375.33 100.00 N2F（0.5） 192.33bc 6.07 1125.67a 35.55 358.00ab 11.31 1 490.00a 47.06 3 166.00 100.00 N2F（0.75） 278.00ab 12.38 712.67b 31.75 293.33b 13.06 962.33b 42.84 2 243.00 100.00 N2F（1） 68.00c 3.23 775.33b 36.85 269.33b 12.80 991.33b 47.12 2 104.00 100.00 N2F（1.25） 253.67b 12.15 642.33b 30.77 325.33b 15.59 866.00b 41.49 2 087.33 100.00 N2F（1.5） 226.67bc 8.88 716.00b 28.06 429.33a 16.82 1 179.67ab 46.24 2 551.33 100.00 W2 N1 262.00b 10.40 772.00a 30.65 321.33a 12.76 1 164.00a 46.20 2 519.67 100.00 N2F（0.5） 163.33b 6.72 931.67a 38.36 297.33a 12.24 1 036.67a 42.68 2 429.00 100.00 N2F（0.75） 161.67b 8.08 687.33a 34.33 243.00a 12.14 910.00a 45.46 2 002.00 100.00 N2F（1） 235.67b 10.15 779.00a 33.56 266.33a 11.48 1 040.00a 44.81 2 321.00 100.00 N2F（1.25） 261.67b 11.55 711.00a 31.40 384.00a 16.96 908.00a 40.09 2 264.67 100.00 N2F（1.5） 531.67a 16.74 938.33a 29.54 417.33a 13.14 1 289.00a 40.58 3 176.33 100.00注：不同字母表示差异性显著（P<0.05，Duncan检验）。

间歇灌溉模式下，N2F（1.5）处理根部干物质分配比例最高，为16.74%，高出N1、N2F（1）处理61.0%、64.9%；N2F（0.5）处理下茎部干物质分配比例最高，为38.36%，高出N1、N2F（1）处理25.2%、14.44%。除N2F（1.5）处理外，N2各处理的茎部的干物质分配比例均高于N1处理，这与淹灌模式下趋势一致。间歇灌溉各处理的茎部干物质分配比例均高于淹灌相应处理（N2F（1）除外）。间歇灌溉N2条件下，随着施肥量增加，茎部干物质分配比例逐渐降低，根部干物质分配比例逐渐增加。W2N1处理下穗部分配比例为间歇灌溉模式下最高，为46.20%，高出W2N2F（1）处理3.1%，类同

表2

间歇灌溉模式水稻产量。W2N2F（1）处理穗部干物质分配比例低于W1N2F（1）处理4.9%。

总体来看，间歇灌溉对茎部干物质积累效果整体好于淹灌，对穗部干物质的促进却不及淹灌。淹灌各处理的穗部干物质分配比例均高于间歇灌溉相应处理[N2F（0.75）除外]。淹灌缓释肥W1N2F（1）处理对穗部干物质的促进效果最明显。间歇灌溉缓释肥条件下随着施肥量的增加，不仅不会对水稻的穗部干物质占比起到上升作用，反而会降低。这与何军等[21]研究结论一致，原因为施肥量增加，土壤中水分较少而养分浓度较高，植物根系无法克服溶质势能将土壤溶液运输到水稻穗部，养分吸收欠缺，导致高浓度下穗部干物质分配比例偏低。

2.3 不同水肥处理对稻田土壤TN的影响

图2

为不同水肥处理稻田土壤TN含量变化。土壤氮素主要来源是外源氮肥的施用[22]，泡田前土壤为未种植作物和人为耕种的自然土，土壤氮素含量低，可以看出水稻收割后土壤中TN的含量显著高于泡田前。W1N1处理土壤TN含量为淹灌模式下最高，达1.38 g/kg，且均显著高出N2条件下各处理5.66~208.48%（P＜0.05）[N2F（1.5）除外]。淹灌模式下，N2条件下随着施肥量的增加，各处理呈现先降低后增加的趋势。N2F（1）条件土壤TN含量最低，较其他施肥水平处理减少31.0%~192.1%。N2条件下各处理[N2F（1.5）除外]均无显著性。间歇灌溉模式下，W2N1处理土壤TN含量最高，为1.74 g/kg，且均显著高出N2各处理16.70~291.03%。间歇灌溉下，N2条件下随着施肥量的增加，各处理也呈现先降低后增加的趋势，N2F（1）处理土壤TN含量最低，较其他施肥水平处理减少69.1%~234.7%，且与N2F（0.5）、N2F（0.75）差异显著。

图2 不同水肥处理稻田土壤TN含量变化注：不同小写字母表示处理间差异明显（P<0.05），下同。

Fig.2 Changes of TN content in paddy soil under different water and fertilizer treatments

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总体来看，N2条件下，W1N2F（0.5）、W2N2F（1.5）处理土壤TN的含量较高，W1N2F（1）、W2N2F（1）TN含量最低。结合

表2

产量分析，W1N2F（0.5）、W2N2F（1.5）处理水稻产量偏低，可能为养分吸收不够，TN剩余较多。而N2F（1）处理下TN的吸收效率最高，水稻穗部干物质分配比例和产量较高。缓释肥N2条件各处理TN均随着施肥水平呈现先降低后增加的趋势，分析原因可能与水稻氮代谢酶活性有关，适度的施氮量有利于氮代谢酶活性的提高，随施氮量的增加氮代谢酶活性呈现先升高后降低的变化趋势，过量或少量施氮都会降低氮代谢酶的活性，并导致氮代谢失衡[23]。间歇灌溉各处理TN含量明显高于淹灌各处理（N2F（1.5）除外），这与孙婉薷等[24]人的研究结果相似，间歇灌溉可促进土壤TN维持。

2.4 不同水肥处理对稻田土壤TP的影响

图3

为不同水肥处理稻田土壤TP的含量变化。不同灌溉模式下，收割后土壤中TP的含量与泡田前相比并无明显升高。淹灌模式N2条件下，随着施肥量增加，土壤中TP含量呈现先增加后降低的趋势（W1N2F（1.5）除外）），W1N2F（0.75）处理稻田收割后TP的含量最高，为0.33 g/kg，相对泡田前减少了1.56%，显著高出W1N1处理65.3%（P<0.05）。间歇灌溉N2条件下土壤中TP的含量随着各处理施肥量增加而增加，W2N2F（1.5）处理收割后TP的含量最高，为0.37 g/kg，相对泡田前增加了26.05%，且显著高出W2N1处理101.29%（P<0.05）。

图3 不同水肥处理稻田土壤TP含量变化

Fig.3 Changes of TP content in paddy soil under different water and fertilizer treatments

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总体上W1N2F（0.75）、W2N2F（1.5）处理土壤TP含量较高，但分析产量发现，水稻产量较低，原因类同TN。缓释肥增减下TP的含量在不同灌溉模式呈现不同趋势，减量缓释肥条件下，淹灌下TP的含量高出间歇灌溉59.7%~165.52%，增量缓释肥，间歇灌溉TP含量高出淹灌53.46%~118.36%。原因可能与土壤的吸附性有关，低施肥量时，磷素容易被土壤吸附闭蓄，土壤中的磷素积累增多。而淹灌较间歇灌溉更易促进磷素下移[25]，随着施肥量增加，土壤的吸附闭蓄达到饱和，灌溉渗水将磷素带入下层土壤，故使土壤磷素偏低。

3 讨论与结论

前人研究认为间歇灌溉延缓了水稻根系生命周期，促进了水稻分蘖和水稻各器官干物质积累，提高了水稻净光合速率和有效穗数，从而获得较高的产量[26]。高捷等[27]人研究表明，缓控释肥可以满足水稻全生育期生长发育对养分的需要，促进中后期水稻干物质积累，提高源库转换率和养分吸收能力，从而提高产量。刘明等[28]人认为节水灌溉与控释氮肥联合调控在减少水量和氮肥投入的同时，不仅保证了水稻产量，而且大幅提高了水稻水肥利用效率。本研究表明，间歇灌溉能提高水稻的有效穗数，但淹灌较间歇灌溉可以更好的增加穗部干物质的分配比例和穗数数量，适量缓释肥可以提高土壤的氮磷肥力和穗部干物质的积累，进而提高水稻的产量。缓释肥淹灌交互作用良好，W1N2F（1）处理达最高产量18 170.3 kg/hm2，穗部干物质的分配比例达47.12%，W2N2F（1）处理产量为17 128.4 kg/hm2，穗部干物质的分配比例为44.81%。

已有研究表明，相较淹灌，间歇灌溉能较好促进和维持稻田耕作上层土壤全氮、全磷含量[25]。WU认为缓释肥可以提高土壤的养分供给，提高作物的养分利用率[29]。饶继翔[30]表示，与常规肥相比，缓释肥可以有效的维持土壤的肥力，提高植株对氮磷的吸收效率，进而增加植物体的地上生物量。本试验表明，间歇灌溉较淹灌可以更好地促进对土壤中TN的维持，减量施肥条件下，间歇灌溉较淹灌对TP的维持效果更好，过量施肥条件下则不如淹灌。缓释肥处理对土壤中TN的吸收有促进作用，对TP的维持效果好于常规肥。W2N1处理的土壤TN含量最高，为1.74 g/kg，W2N2F（1.5）处理TP的含量明显高于其他处理，达0.37 g/kg。

间歇灌溉对维持土壤中的TN的含量及提高水稻有效穗数方面效果明显，和缓释肥交互下水稻产量与淹灌差距不大，值得进一步关注。

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