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(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北省肥料技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050051；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所，河北 唐山 063000；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)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(guò)蒸發(fā)和淋失途徑而損失[4]；同時(shí)，生產(chǎn)中氮肥管理粗放、施用過(guò)量，氮素利用率不斷降低，導(dǎo)致水肥資源大量浪費(fèi)。尤其在我國(guó)北方地區(qū)，水資源短缺與水肥管理不協(xié)調(diào)的矛盾始終是制約北方優(yōu)質(zhì)水稻生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[5～7]。研究表明，科學(xué)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(xué)施肥可以有效調(diào)節(jié)水稻生長(zhǎng)。近年來(lái)，人們開(kāi)始對(duì)水稻干濕交替耦合施氮和水氮互作機(jī)制進(jìn)行研究[12～17]，但是有關(guān)優(yōu)化干濕交替耦合施氮配置對(duì)水稻分蘗動(dòng)態(tài)的影響研究還不多見(jiàn)，尚未形成指導(dǎo)生產(chǎn)的實(shí)用性技術(shù)。通過(guò)田間試驗(yàn)進(jìn)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(duì)水稻分蘗動(dòng)態(tài)和產(chǎn)量的影響，旨為北方水稻生產(chǎn)上合理運(yùn)籌水肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年在河北省唐山市曹妃甸區(qū)河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地理位置北緯 39°17′44″、東經(jīng) 118°27′23″，屬東部季風(fēng)區(qū)溫帶半濕潤(rùn)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(zhì)鹽漬水稻土，0～20 cm耕層土壤pH值7.89，基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)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(yàn)材料

試驗(yàn)水稻品種為濱稻959，由河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所選育。

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

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)水稻水肥管理措施設(shè)6個(gè)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(jì)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(duì)水分的需求而供水，以調(diào)節(jié)分蘗與生長(zhǎng)，全生育期共灌溉19次，合計(jì)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(shí)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(jiàn)干，以控制營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)；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(jī)排列，3次重復(fù)，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(yàn)?zāi)甓人旧诮邓繛?40.9 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(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.2.1 基礎(chǔ)土壤指標(biāo)。水稻移栽前，采用“S”型取樣法采集0～20 cm耕層基礎(chǔ)土樣，測(cè)定土壤pH值以及有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量。其中，pH值測(cè)定采用PH計(jì)法；有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法；全氮含量測(cè)定采用凱氏法；有效磷含量測(cè)定采用alson法；速效鉀含量測(cè)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(biāo)。水稻生長(zhǎng)季，記錄灌溉水量。移栽后第4天每小區(qū)均選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的稻株20穴進(jìn)行標(biāo)記，定點(diǎn)、定期調(diào)查莖蘗（穗）數(shù)量，直至成熟前。計(jì)算成穗率（穗數(shù)/最大分蘗數(shù)×100%）和無(wú)效分蘗率（100%-成穗率）。

成熟期，每小區(qū)均選取10穴，調(diào)查穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重；其余未破壞性取樣的部分去掉邊行后收獲，測(cè)定實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 利用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)作圖處理，利用DPS軟件進(jìn)行重復(fù)間數(shù)據(jù)的顯著度比較分析。

2 結(jié)果與分析

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

2.1.1 對(duì)水稻分蘗動(dòng)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(gè)施氮處理各時(shí)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(dòng)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(jìn)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(shí)期下水稻分蘗數(shù)均低于CK1。表明適量的水氮配合促進(jìn)了水稻分蘗的發(fā)生，而過(guò)量水分會(huì)抑制水稻分蘗。

氮肥不足或過(guò)量還影響水稻分蘗高峰的到達(dá)時(shí)間和分蘗數(shù)量。各處理均在6月19日進(jìn)入快速分蘗盛期，但不同處理分蘗高峰的到達(dá)時(shí)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(wàn)個(gè)/hm2；7月1日之后分蘗數(shù)開(kāi)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(wàn)和235.57萬(wàn)個(gè)/hm2；7月8日之后分蘗數(shù)開(kāi)始衰減。而氮肥用量較高的3個(gè)處理（T3、CK1、CK2）均在7月15日達(dá)到分蘗高峰，最高分蘗數(shù)分別為248.36萬(wàn)、273.12萬(wàn)和266.25萬(wàn)個(gè)/hm2；7月15日之后分蘗數(shù)開(kāi)始衰減。自7月1日開(kāi)始，CK1的分蘗數(shù)均顯著＞CK2，表明氮肥過(guò)量時(shí)過(guò)多水分在一定程度上會(huì)抑制水稻分蘗的發(fā)生。

2.1.2 對(duì)水稻成穗和無(wú)效分蘗的影響 氮肥不足和過(guò)量均會(huì)影響水稻的單位面積穗數(shù)、成穗率和無(wú)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?yàn)?CK0＞T2＞T1＞T3＞CK1＞CK2，無(wú)效分蘗率順序?yàn)?CK2＞CK1＞T3＞T1＞T2＞CK0，基本趨勢(shì)表現(xiàn)為，節(jié)水灌溉條件下，在一定的施氮量范圍內(nèi)，單位面積穗數(shù)隨著施氮量的增大而逐漸增多，氮肥過(guò)量后群體穗數(shù)和成穗率均隨施氮量的增大而降低；無(wú)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(guò)量由于抑制了分蘗的發(fā)生，進(jìn)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(wú)效分蘗率（2.32%）最低，與該處理單位面積穗數(shù)最少有關(guān)。施肥條件下，T2處理成穗率（93.20%）最高且與CK0差異不顯著，無(wú)效分蘗率（6.80%）最低，因此認(rèn)為是比較科學(xué)的水氮組合?？梢钥闯?，優(yōu)化干濕交替灌溉氮肥用量減少30%的處理可以促進(jìn)水稻植株分蘗，增加有效分蘗成穗率，減少無(wú)效分蘗。

圖3 節(jié)水灌溉下不同減施氮肥處理對(duì)水稻成穗率和無(wú)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(duì)水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的影響

2.2.1 對(duì)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(huì)導(dǎo)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(duì)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(dá)到了11 439.10 kg/hm2，分別較CK0、CK1增產(chǎn)36.11%和7.52%，差異均達(dá)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(nóng)民習(xí)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(nóng)民習(xí)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(dá)到農(nóng)民習(xí)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(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)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(jié)實(shí)率均＞CK0，其中減施氮肥的3個(gè)處理與CK0差異均達(dá)到了顯著水平；千粒重均＜CK0（表2）。表明施用氮肥可明顯促進(jìn)水稻群體穗數(shù)和穗粒數(shù)增多，提高結(jié)實(shí)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(jié)實(shí)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(jié)實(shí)率均呈先增加后降低的變化，其中，T2處理的指標(biāo)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(jié)實(shí)率均顯著＞CK1；千粒重變化規(guī)律不明顯，其中T2處理的指標(biāo)值與CK0差異不顯著。表明氮肥不足或過(guò)量均會(huì)影響水稻群體穗數(shù)、穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，適量水氮配合會(huì)促進(jìn)水稻群體穗數(shù)和穗粒數(shù)增加，提高結(jié)實(shí)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(nóng)民習(xí)慣用量減少30%處理的各項(xiàng)產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)均最好，與CK0相比，單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)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(jié)實(shí)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(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)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(jié)實(shí)率和千粒重與CK2差異均不顯著，表明在農(nóng)民習(xí)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(gòu)成因子水平能夠達(dá)到農(nóng)民習(xí)慣灌溉的產(chǎn)量構(gòu)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(gòu)成因子的效果。

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

經(jīng)濟(jì)效益是反映肥料配方效果的重要指標(biāo)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(jì)效益為-2 348.58元/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5個(gè)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(jì)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(jì)效益呈先增加后降低的變化，其中，T2處理的經(jīng)濟(jì)效益最高，達(dá)到了4 932.32元/hm2。與農(nóng)民習(xí)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(jì)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(duì)水稻經(jīng)濟(jì)效益的影響Table 3 Effects of different treatments of reducing nitrogen application rate on economic beneficial of rice

3 結(jié)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(dá)15 660 m3/hm2，占全生育期總用水量的72%。由此可見(jiàn)，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(shí)，伴隨著灌溉水的大量損失，肥料過(guò)量特別是氮肥過(guò)量損失的問(wèn)題亦十分突出。本研究區(qū)域農(nóng)民習(xí)慣施氮量高達(dá)360～450 kg/hm2，但從養(yǎng)分吸收角度來(lái)看，實(shí)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(shí)證與優(yōu)化干濕交替節(jié)水栽培相匹配的科學(xué)減氮量，綜合調(diào)控水稻的水氮需求，對(duì)改變北方水稻水氮過(guò)量的生產(chǎn)現(xiàn)狀具有現(xiàn)實(shí)意義。

水分和養(yǎng)分是影響水稻分蘗的2個(gè)重要因素。分蘗早生快發(fā)，爭(zhēng)取低位蘗有利于增產(chǎn)[22～25]。水稻分蘗期對(duì)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(shí)分蘗最多，溫度低于20℃且土壤持水量達(dá)100%時(shí)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(shí)期水稻對(duì)水分的需求進(jìn)行的，可以促進(jìn)分蘗（CK1的分蘗數(shù)和收獲穗數(shù)均多于CK2），對(duì)促進(jìn)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(duì)群體分蘗數(shù)和有效分蘗影響較大。水稻施氮量過(guò)大時(shí)分蘗高峰期延遲，且隨著施氮量的增大，無(wú)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(shí)，施用粒肥能夠促進(jìn)水稻灌漿，提高千粒重[27，28]。水稻無(wú)效分蘗死亡時(shí)會(huì)將其體內(nèi)的碳、氮同化物轉(zhuǎn)移至有效分蘗。

水氮過(guò)量均會(huì)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(jié)實(shí)率以及水稻產(chǎn)量和效益。與當(dāng)前研究區(qū)農(nóng)民習(xí)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(nóng)民習(xí)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(jié)實(shí)率分別提高7.37%、6.77%和6.89%，增產(chǎn)8.72%，經(jīng)濟(jì)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(jì)和生態(tài)效益，是當(dāng)前合理的水氮管理方法，可用于指導(dǎo)相似類型區(qū)水稻生態(tài)栽培。