邢素麗，鄒拓，楊軍芳，楊云馬，黃少輝，賈良良，翟麗梅

（1.河北省農林科學院農業(yè)資源環(huán)境研究所，河北省肥料技術創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050051；2.河北省農林科學院濱海農業(yè)研究所，河北 唐山 063000；3.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與區(qū)劃研究所，北京 100081）

水稻是耗水量最多的大田作物[1～3]，在淹水栽培條件下80%的稻田灌溉水通過蒸發(fā)和淋失途徑而損失[4]；同時，生產(chǎn)中氮肥管理粗放、施用過量，氮素利用率不斷降低，導致水肥資源大量浪費。尤其在我國北方地區(qū)，水資源短缺與水肥管理不協(xié)調的矛盾始終是制約北方優(yōu)質水稻生產(chǎn)的關鍵因素[5～7]。研究表明，科學控水管理能夠增加水稻分蘗、提高產(chǎn)量[8，9]，適量控水配合科學施肥可以有效調節(jié)水稻生長。近年來，人們開始對水稻干濕交替耦合施氮和水氮互作機制進行研究[12～17]，但是有關優(yōu)化干濕交替耦合施氮配置對水稻分蘗動態(tài)的影響研究還不多見，尚未形成指導生產(chǎn)的實用性技術。通過田間試驗進一步探索北方稻區(qū)優(yōu)化干濕交替節(jié)水灌溉下氮肥減施后的適宜用量以及對水稻分蘗動態(tài)和產(chǎn)量的影響，旨為北方水稻生產(chǎn)上合理運籌水肥提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年在河北省唐山市曹妃甸區(qū)河北省農林科學院濱海農業(yè)試驗站進行。試驗區(qū)地理位置北緯 39°17′44″、東經(jīng) 118°27′23″，屬東部季風區(qū)溫帶半濕潤氣候，年平均氣溫11.7℃，年≥10℃積溫4 488.8℃，年降水量540.8 mm；土壤類型為砂壤質鹽漬水稻土，0～20 cm耕層土壤pH值7.89，基礎土壤養(yǎng)分含量為有機質13.11 g/kg、全氮1.04 g/kg、有效磷39.6 mg/kg、速效鉀243.0 mg/kg。

1.2 試驗材料

試驗水稻品種為濱稻959，由河北省農林科學院濱海農業(yè)研究所選育。

氮肥選用尿素（N含量46%），磷肥選用過磷酸鈣（P2O5含量16%），鉀肥選用硫酸鉀（K2O含量50%）。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 試驗水稻水肥管理措施設6個處理（表1）。其中，常規(guī)灌溉方式是在插秧后保持水層7～10 cm，全生育期共灌溉18次，合計灌水量13 800 m3/hm2；節(jié)水灌溉方式采用優(yōu)化干濕交替灌溉，是依據(jù)水稻不同生育階段對水分的需求而供水，以調節(jié)分蘗與生長，全生育期共灌溉19次，合計灌水量10 800 m3/hm2。優(yōu)化干濕交替灌溉的水層具體管理方法為：移栽時保持2～3 cm水層，移栽后保持3～5 cm水層，分蘗始期保持2～3 cm水層，分蘗后期晾田或曬田見干，以控制營養(yǎng)生長；幼穗分化期保持2～3 cm水層，幼穗分化后晾田或曬田，灌漿始期保持2～3 cm水層，灌漿后期晾田曬田，以促根防早衰。磷肥和鉀肥全部底施；氮肥分5次平均施用，分別是底肥1次、返青期1次、分蘗—拔節(jié)孕穗期2次、抽穗期1次。小區(qū)面積48 m2，隨機排列，3次重復，小區(qū)之間打埂并做防滲處理。

2019年6月6日移栽水稻，平均行距29.6 cm、穴距18.5 cm，秧苗苗齡40 d；10月31日收獲。試驗年度水稻生育期降水量為440.9 mm，全年降水量為542.9 mm（圖 1），其中7～9月降水量為 421.3 mm，占生育期降水量的95.55%，占全年降水量的77.6%。

1.3.2 測定項目與方法

1.3.2.1 基礎土壤指標。水稻移栽前，采用“S”型取樣法采集0～20 cm耕層基礎土樣，測定土壤pH值以及有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量。其中，pH值測定采用PH計法；有機質含量測定采用重鉻酸鉀容量法；全氮含量測定采用凱氏法；有效磷含量測定采用alson法；速效鉀含量測定采用火焰光度法[18]。

表1 不同處理的水肥管理方案Table 1 Designs of irrigation and fertilization of different treatments

圖1 2019年的日降水量Fig.1 Daily precipitation of 2019

1.3.2.2 水稻指標。水稻生長季，記錄灌溉水量。移栽后第4天每小區(qū)均選擇長勢均勻的稻株20穴進行標記，定點、定期調查莖蘗（穗）數(shù)量，直至成熟前。計算成穗率（穗數(shù)/最大分蘗數(shù)×100%）和無效分蘗率（100%-成穗率）。

成熟期，每小區(qū)均選取10穴，調查穗粒數(shù)、結實率和千粒重；其余未破壞性取樣的部分去掉邊行后收獲，測定實際產(chǎn)量。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 利用Excel軟件進行統(tǒng)計和數(shù)據(jù)作圖處理，利用DPS軟件進行重復間數(shù)據(jù)的顯著度比較分析。

2 結果與分析

2.1 節(jié)水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻分蘗動態(tài)及成穗的影響

2.1.1 對水稻分蘗動態(tài)的影響 氮肥不足影響水稻的分蘗數(shù)量（圖2）。與不施用氮肥的CK0相比，5個施氮處理各時期的分蘗數(shù)均顯著增多。

圖2 節(jié)水灌溉下不同減施氮肥處理的水稻群體分蘗動態(tài)Fig.2 Tillers development dynamics of rice population of different treatments of reducing nitrogen application rate under water saving irrigation

適量水氮配合能夠促進水稻分蘗的發(fā)生。與常規(guī)水肥管理的CK2相比，節(jié)水灌溉條件下，在分蘗高峰期之前水稻分蘗數(shù)隨施氮量的增大而增多。而施氮量與CK1相同、水量為常規(guī)灌溉量的CK2，相同時期下水稻分蘗數(shù)均低于CK1。表明適量的水氮配合促進了水稻分蘗的發(fā)生，而過量水分會抑制水稻分蘗。

氮肥不足或過量還影響水稻分蘗高峰的到達時間和分蘗數(shù)量。各處理均在6月19日進入快速分蘗盛期，但不同處理分蘗高峰的到達時間和分蘗數(shù)量不盡相同。CK0的分蘗高峰出現(xiàn)在7月1日，最高分蘗數(shù)為162.89萬個/hm2；7月1日之后分蘗數(shù)開始衰減。T1和T2處理的分蘗高峰均出現(xiàn)在7月8日，最高分蘗數(shù)分別為224.62萬和235.57萬個/hm2；7月8日之后分蘗數(shù)開始衰減。而氮肥用量較高的3個處理（T3、CK1、CK2）均在7月15日達到分蘗高峰，最高分蘗數(shù)分別為248.36萬、273.12萬和266.25萬個/hm2；7月15日之后分蘗數(shù)開始衰減。自7月1日開始，CK1的分蘗數(shù)均顯著＞CK2，表明氮肥過量時過多水分在一定程度上會抑制水稻分蘗的發(fā)生。

2.1.2 對水稻成穗和無效分蘗的影響 氮肥不足和過量均會影響水稻的單位面積穗數(shù)、成穗率和無效分蘗率（圖3）。不同處理的總莖數(shù)和單位面積穗數(shù)順序均為 T2＞T3＞CK1＞T1＞CK2＞CK0，成穗率順序為 CK0＞T2＞T1＞T3＞CK1＞CK2，無效分蘗率順序為 CK2＞CK1＞T3＞T1＞T2＞CK0，基本趨勢表現(xiàn)為，節(jié)水灌溉條件下，在一定的施氮量范圍內，單位面積穗數(shù)隨著施氮量的增大而逐漸增多，氮肥過量后群體穗數(shù)和成穗率均隨施氮量的增大而降低；無效分蘗率隨著氮肥用量的增多而逐漸增大。CK1的成穗率＞CK2，表明水分過量由于抑制了分蘗的發(fā)生，進而影響到單位面積穗數(shù)的增多。所有處理中，CK0的成穗率（97.68%）最高，且無效分蘗率（2.32%）最低，與該處理單位面積穗數(shù)最少有關。施肥條件下，T2處理成穗率（93.20%）最高且與CK0差異不顯著，無效分蘗率（6.80%）最低，因此認為是比較科學的水氮組合。可以看出，優(yōu)化干濕交替灌溉氮肥用量減少30%的處理可以促進水稻植株分蘗，增加有效分蘗成穗率，減少無效分蘗。

圖3 節(jié)水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻成穗率和無效分蘗率的影響Fig.3 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on panicle rate and invalidtiller rate of rice under water saving irrigation

2.2 節(jié)水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的影響

2.2.1 對水稻產(chǎn)量的影響 施氮處理的水稻產(chǎn)量均顯著＞CK0（圖4），表明不施氮肥會導致產(chǎn)量明顯降低。

圖4 節(jié)水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻產(chǎn)量的影響Fig.4 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on yield of rice under water saving irrigation

不同施氮處理的產(chǎn)量差異較大。節(jié)水灌溉條件下，隨著施氮量的增大，水稻產(chǎn)量呈先增加后降低的變化，其中T2處理產(chǎn)量最高，達到了11 439.10 kg/hm2，分別較CK0、CK1增產(chǎn)36.11%和7.52%，差異均達到了顯著水平；分別較T1、T3處理增產(chǎn)3.63%和4.10%，但差異均不顯著。表明節(jié)水灌溉下水稻最高產(chǎn)量的氮肥用量是較農民習慣用量減少30%，但該產(chǎn)量水平下仍具有一定的減氮潛力。CK1較CK2增產(chǎn)1.11%，但差異不顯著，表明在農民習慣施氮量條件下采用優(yōu)化干濕交替節(jié)水灌溉的產(chǎn)量水平能夠達到農民習慣灌溉的產(chǎn)量水平，即優(yōu)化干濕交替節(jié)水灌溉具有節(jié)水、穩(wěn)產(chǎn)的效果。

2.2.2 對水稻產(chǎn)量構成因子的影響 施氮處理的水稻單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)均顯著＞CK0；結實率均＞CK0，其中減施氮肥的3個處理與CK0差異均達到了顯著水平；千粒重均＜CK0（表2）。表明施用氮肥可明顯促進水稻群體穗數(shù)和穗粒數(shù)增多，提高結實率，但不利于千粒重的提高。

不同施氮處理的單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、結實率和千粒重差異較大。節(jié)水灌溉條件下，隨著施氮量的增大，單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和結實率均呈先增加后降低的變化，其中，T2處理的指標值均為最高，與T3處理差異均不顯著，但均顯著＞CK2和T1處理，且穗粒數(shù)和結實率均顯著＞CK1；千粒重變化規(guī)律不明顯，其中T2處理的指標值與CK0差異不顯著。表明氮肥不足或過量均會影響水稻群體穗數(shù)、穗粒數(shù)和結實率，適量水氮配合會促進水稻群體穗數(shù)和穗粒數(shù)增加，提高結實率，保證千粒重，其中T2處理效果最好。節(jié)水灌溉下施氮量較農民習慣用量減少30%處理的各項產(chǎn)量構成指標均最好，與CK0相比，單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和結實率均顯著提高，而千粒重降低不明；與CK2相比，明顯增加群體穗數(shù)（7.37%）、穗粒數(shù)（6.77%）和結實率（6.89%），千粒重略有提高。

表2 節(jié)水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻產(chǎn)量構成因子的影響Table 2 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on yield components of rice under water saving irrigation

CK1的群體穗數(shù)、穗粒數(shù)、結實率和千粒重與CK2差異均不顯著，表明在農民習慣施氮量條件下采用優(yōu)化干濕交替節(jié)水灌溉的產(chǎn)量構成因子水平能夠達到農民習慣灌溉的產(chǎn)量構成因子水平，即優(yōu)化干濕交替節(jié)水灌溉具有節(jié)水、穩(wěn)定產(chǎn)量構成因子的效果。

2.3 節(jié)水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻經(jīng)濟效益的影響

經(jīng)濟效益是反映肥料配方效果的重要指標之一。不施用氮肥的CK0雖然投入成本最低，但由于產(chǎn)量最低致使產(chǎn)值最低，最終經(jīng)濟效益為-2 348.58元/hm2，遠遠低于5個施肥處理（表3）。常規(guī)水氮處理的CK2，由于投入成本最高，最終經(jīng)濟效益僅為786元/hm2，明顯低于節(jié)水灌溉方式的各施肥處理。節(jié)水灌溉條件下，隨著施氮量的增加，水稻經(jīng)濟效益呈先增加后降低的變化，其中，T2處理的經(jīng)濟效益最高，達到了4 932.32元/hm2。與農民習慣水氮管理（CK2）相比，T2處理水稻產(chǎn)值增加2 384.78元/hm2，且減少氮肥用量30%、節(jié)省灌溉水21.74%，最終節(jié)本增效總收益為4 146.14元/hm2，具有良好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

表3 節(jié)水灌溉下不同減施氮肥處理對水稻經(jīng)濟效益的影響Table 3 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on economic beneficial of rice

3 結論與討論

有資料顯示，水稻全生育期的需水量為2310m3/hm2，蒸發(fā)量為3 735 m3/hm2，分別占全生育期總用水量的11%和17%；而滲漏量多達15 660 m3/hm2，占全生育期總用水量的72%。由此可見，水稻生產(chǎn)中大量的灌溉水是消耗在蒸發(fā)和滲漏上[19～21]。與此同時，伴隨著灌溉水的大量損失，肥料過量特別是氮肥過量損失的問題亦十分突出。本研究區(qū)域農民習慣施氮量高達360～450 kg/hm2，但從養(yǎng)分吸收角度來看，實現(xiàn)水稻產(chǎn)量水平10 500～11 250 kg/hm2的氮素需求量約為255 kg/hm2。研究實證與優(yōu)化干濕交替節(jié)水栽培相匹配的科學減氮量，綜合調控水稻的水氮需求，對改變北方水稻水氮過量的生產(chǎn)現(xiàn)狀具有現(xiàn)實意義。

水分和養(yǎng)分是影響水稻分蘗的2個重要因素。分蘗早生快發(fā)，爭取低位蘗有利于增產(chǎn)[22～25]。水稻分蘗期對水分比較敏感，淺灌有利于分蘗。在溫度26～33℃、土壤持水量為80%時分蘗最多，溫度低于20℃且土壤持水量達100%時分蘗最少[26]。優(yōu)化干濕交替灌溉的水層管理是依據(jù)不同時期水稻對水分的需求進行的，可以促進分蘗（CK1的分蘗數(shù)和收獲穗數(shù)均多于CK2），對促進水稻有效分蘗具有顯著作用。此外，養(yǎng)分也是影響水稻分蘗的重要因素，水稻施氮量對群體分蘗數(shù)和有效分蘗影響較大。水稻施氮量過大時分蘗高峰期延遲，且隨著施氮量的增大，無效分蘗數(shù)增加，有效分蘗成穗率下降。減少前期氮肥用量有利于提高水稻的有效穗數(shù)，同時，施用粒肥能夠促進水稻灌漿，提高千粒重[27，28]。水稻無效分蘗死亡時會將其體內的碳、氮同化物轉移至有效分蘗。

水氮過量均會使有效分蘗成穗率降低；合理水氮配置能夠增加穗粒數(shù)，提高結實率以及水稻產(chǎn)量和效益。與當前研究區(qū)農民習慣水氮管理相比，優(yōu)化干濕交替節(jié)水灌溉下，施氮量較農民習慣用量減少30%處理的有效分蘗成穗率為93.20%，群體穗數(shù)、穗粒數(shù)、結實率分別提高7.37%、6.77%和6.89%，增產(chǎn)8.72%，經(jīng)濟效益提升4 146.14元/hm2，且氮肥用量減少30%，肥料投入節(jié)省261.36元/hm2，灌溉水節(jié)約21.7%，具有良好的經(jīng)濟和生態(tài)效益，是當前合理的水氮管理方法，可用于指導相似類型區(qū)水稻生態(tài)栽培。