吳蘊(yùn)玉，張展羽，郝樹(shù)榮，陳文猛，潘永春，鄭成鑫

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京 210098；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210017)

0 引 言

農(nóng)田氮素流失是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染的主要因素之一。中國(guó)氮肥消費(fèi)量占世界氮肥總消費(fèi)量的30%，與主要產(chǎn)稻國(guó)相比，中國(guó)水稻生產(chǎn)氮肥施用量較高而利用率較低，只有40%左右[1]。灌水和降雨導(dǎo)致氮素淋溶滲漏，是農(nóng)田氮素流失的主要途徑，不僅浪費(fèi)農(nóng)業(yè)水資源，更會(huì)污染地下水、湖泊、河流等[2-7]。因此，稻田灌溉水量調(diào)控研究成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年5月11日至10月27日在南京市河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)(31°57′N(xiāo)，118°50′E)進(jìn)行，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候，年均降雨量1 021.3 mm，年均蒸發(fā)量900 mm，年均氣溫15.7 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 212.8 h。土壤取自節(jié)水園區(qū)耕作層，黏壤土，土

壤飽和質(zhì)量含水率38.2%，全磷、速效磷、全氮和速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為33.0、10.37、62.9和47.4 mg/kg，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.40%，pH值8.03。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用測(cè)桶試驗(yàn)，測(cè)桶尺寸為40 cm×40 cm×100 cm(長(zhǎng)×寬×高)，測(cè)桶結(jié)構(gòu)及布置如圖1所示。測(cè)桶底部鋪設(shè)7 cm砂石反濾層，然后將風(fēng)干過(guò)篩后的土分層壓實(shí)裝入桶中，土壤容重1.41 g/m3。土層深73 cm，土表距桶頂20 cm。測(cè)桶底部安裝排水閥，可進(jìn)行地下排水和采集水樣。距桶頂50 cm處設(shè)土壤水分監(jiān)測(cè)孔，用TDR探頭測(cè)定稻田表層30 cm處土壤含水率。測(cè)桶外壁安裝水位管，每天上午7點(diǎn)讀取地下水位。

圖1 測(cè)桶結(jié)構(gòu)及布置圖(單位：cm)Fig.1 Bucker structure and layout

試驗(yàn)選用控制灌溉(CI)、覆秸稈旱作(DPS)和淺水勤灌(FSI)3種灌溉模式，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)，不同灌溉模式的水分控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。其中，DPS處理土壤表面覆蓋2 cm厚的半腐解秸稈。試驗(yàn)前將生稻草剪碎至每根長(zhǎng)度為5 cm，浸泡3 d撈起并用塑料薄膜覆蓋，堆制10 d取出，覆蓋在DPS處理土壤表面，用草量為6 000 kg/hm2(折干物質(zhì)量)。各處理除灌溉模式外，其他農(nóng)藝措施相同。

表1 不同灌溉模式水分控制標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Water control program of each treatment

注：表中第一個(gè)數(shù)據(jù)為灌水下限(mm)；第二個(gè)數(shù)據(jù)為灌水上限(mm)，“%”表示表層30 cm土壤含水率占飽和含水率的百分比；第三個(gè)數(shù)據(jù)為雨后最大蓄水深度(mm)。

試驗(yàn)水稻品種為南粳5055，6月17日移栽，10月27日收獲。肥料采用尿素(含N量46% )，過(guò)磷酸鈣(含P2O5量15%)，氯化鉀(含K2O量63% )。施肥標(biāo)準(zhǔn)參照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田，純氮總施入量為244 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.45∶0.8。氮肥分3次施用(基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶2∶4)，磷肥作基肥一次性施入，鉀肥分兩次施入(基肥∶分蘗肥=6∶4)。6月16日施基肥，6月27日分蘗肥，8月16日穗肥。

1.3 測(cè)定內(nèi)容及方法

2 結(jié)果與分析

2.1 地下排水量變化規(guī)律

控制灌溉和覆秸稈旱作可有效減少稻田地下排水量(表2)。水稻不同生育階段內(nèi)，DPS處理的地下排水總量為109.8 mm，分別較CI(197.5 mm)和FSI(364.3 mm)處理減少44.6%和69.9%，CI處理的地下排水總量較FSI處理減少45.8%。CI和DPS處理的灌水上、下限和雨后蓄水深度較低，田面?？刂圃跓o(wú)水層狀態(tài)，減少了稻田滲漏量，從而有效減少稻田地下排水量。這與張展羽、劉廣明[22, 23]等人研究結(jié)果一致。

不同生育階段各處理稻田地下排水量同樣存在顯著差異，規(guī)律為DPS

表2 不同灌溉模式各生育階段地下排水量 mm

注：同列不同字母表示各處理顯著性差異(P<0.05)，下同。

2.2 地下排水氮素濃度變化規(guī)律

2.2.1 不同生育階段地下排水TN濃度變化

不同灌溉模式各生育階段地下排水TN濃度變化見(jiàn)圖2。由圖2可知，各處理地下排水TN濃度變化較為一致，在水稻分蘗期和拔節(jié)孕穗期，TN濃度維持在較高水平(4.51～9.36 mg/L)，進(jìn)入抽穗開(kāi)花期后TN濃度逐漸降低至6.35～3.23 mg/L，且各處理在不同生育階段TN濃度均值差異顯著，規(guī)律為CI>FSI>DPS。施分蘗肥后1 d內(nèi)，由于CI和FSI處理在返青期控水指標(biāo)相同，分蘗前期TN濃度差異不大；DPS處理移栽后田面

圖2 不同生育階段地下排水TN濃度變化Fig.2 Change of TN concentration in underground dranige at different stages

不保留水層，基肥和分蘗肥中的氮素淋溶遷移至地下部分較少，地下排水TN濃度較低。施分蘗肥后4 d內(nèi)各處理出現(xiàn)濃度峰值，CI(9.36 mg/L)較DPS(7.32 mg/L)和FSI(8.65 mg/L)處理分別增加了27.8%和8.2%，之后9 d內(nèi)CI、DPS和FSI處理TN濃度分別降至6.44、6.96和5.56 mg/L，分別較其濃度峰值下降了31.2%、18.6%和24.2%。施穗肥后，各處理TN濃度在5 d內(nèi)出現(xiàn)峰值，且隨后9 d內(nèi)快速下降了25.1%～35.2%。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是：施肥后，尿素經(jīng)水解等一系列反應(yīng)產(chǎn)生大量無(wú)機(jī)氮，當(dāng)土壤對(duì)其吸附達(dá)到飽和，無(wú)機(jī)氮隨水遷移至地下，導(dǎo)致地下排水TN濃度較高，隨后由于作物吸收利用等，TN濃度開(kāi)始降低。

分蘗前期DPS處理TN濃度始終低于FSI，分蘗后期TN濃度隨降雨變化波動(dòng)較大，7月22日和7月31日甚至比CI處理略高3.3%和3.7%。原因在于該處理自移栽后田面不保留水層，灌水和降雨較少，施肥后氮素富集于上層土壤，難以淋溶遷移至地下。7月22日和7月31日前1-2d內(nèi)該處理進(jìn)行灌水，將上層土壤中氮素淋溶遷移至地下，導(dǎo)致地下排水中TN濃度迅速增加，之后田面水層排干，氮素缺乏向下遷移動(dòng)力，地下排水TN濃度又逐漸降低。此外，DPS處理TN濃度在分蘗后期和拔節(jié)孕穗前期(7月22日至8月15日)均在4.51 mg/L以上，且與FSI差異不大，說(shuō)明DPS處理在水分脅迫的情況下，氮素營(yíng)養(yǎng)仍能較長(zhǎng)期地處于良好狀態(tài)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是半腐爛秸稈有一定保墑作用，且在高溫下秸稈腐爛會(huì)產(chǎn)生一部分氮素，從而在水稻生長(zhǎng)前期增加土壤氮肥，確保水稻正常生長(zhǎng)生產(chǎn)，這與石英[16]研究結(jié)果一致。水稻進(jìn)入抽穗開(kāi)花期后，由于不再施肥以及作物對(duì)養(yǎng)分的不斷吸收，各處理地下排水TN濃度快速下降，抽穗開(kāi)花期、乳熟期和黃熟期TN濃度均值較分蘗期分別下降約29.9%、46.3%和65.2%。抽穗開(kāi)花期至黃熟期，DPS處理TN濃度均值顯著低于CI和FSI，主要是因?yàn)闀r(shí)段內(nèi)水稻需水需肥量大，土壤中的氮素被大量吸收，且DPS處理田面無(wú)水層，土壤含水率低且溫度較高，導(dǎo)致土表裂縫孔隙較多，灌水和降雨后易產(chǎn)生優(yōu)先流，淋溶至水中的氮素較少，導(dǎo)致地下排水TN濃度較低。

綜上所述，各處理在分蘗期、拔節(jié)孕穗期以及施肥后5 d內(nèi)為地下排水TN高濃度時(shí)期，是控制氮素淋失的關(guān)鍵時(shí)期，這與殷國(guó)璽、高煥之等人研究結(jié)論一致[24, 25]。CI較FSI處理提高了地下排水TN濃度，增加了氮素流失風(fēng)險(xiǎn)，但地下排水量也顯著減少，總氮流失負(fù)荷有待進(jìn)一步分析；DPS處理TN濃度較低，氮素流失風(fēng)險(xiǎn)最小，但長(zhǎng)期水分脅迫可能影響作物產(chǎn)量。

圖3 不同生育階段地下排水濃度變化Fig.3 Change of concentration in underground dranige at different stages

圖4 不同生育階段地下排水濃度變化Fig.4 Change of concentration in underground dranige at different stages

2.3 不同灌溉模式地下氮素流失負(fù)荷和產(chǎn)量

表3 不同灌溉模式各生育階段地下排水氮素流失負(fù)荷Tab.3 Nitrogen losses under different treatments during growth period

不同灌溉模式產(chǎn)量和氮素流失總量見(jiàn)圖5。CI處理產(chǎn)量(9.80 t/hm2)較FSI處理(9.37 t/hm2)增加4.6%，DPS處理產(chǎn)量(9.02 t/hm2)較FSI處理減少3.7%。由此可見(jiàn)，雖然CI處理地下排水TN濃度高，氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)大，但其排水量顯著低于FSI，地下氮素流失負(fù)荷也較小，在節(jié)水的同時(shí)降低了氮素流失量，并增加產(chǎn)量。DPS處理地下氮素流失負(fù)荷最低，但產(chǎn)量也顯著低于FSI處理，說(shuō)明DPS處理有較好的節(jié)水減排效果，但過(guò)度節(jié)水會(huì)影響作物產(chǎn)量。綜合考慮，控制灌溉在節(jié)水減排的同時(shí)增加產(chǎn)量，有較好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益；覆秸稈旱作在減排方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖5 不同灌溉模式氮素淋失量及產(chǎn)量Fig.5 Nitrogen losses and rice grain yield under different treatments

3 結(jié) 語(yǔ)

(2)與淺水勤灌相比，覆秸稈旱作節(jié)水減排效果最好，地下排水量顯著減少69.9%，氮素流失負(fù)荷減少71.6%，但長(zhǎng)時(shí)間水分脅迫導(dǎo)致產(chǎn)量降低3.7%?？刂乒喔犬a(chǎn)量最高，地下排水量及氮素流失負(fù)荷顯著降低45.8%和42.5%，在節(jié)水減排的同時(shí)增產(chǎn)4.6%。綜合考慮，控制灌溉模式在節(jié)水減排的同時(shí)保持較高產(chǎn)量，而覆秸稈旱作灌溉模式在減少氮素流失方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。