吳 奇 陳弘揚(yáng) 王延智 遲道才

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院， 沈陽 110866)

0 引言

我國水稻產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的40%以上，是最重要的糧食作物之一[1]。隨著我國人口的不斷增長，對(duì)稻谷的需求也日益增加。按照目前我國稻米年消費(fèi)量預(yù)測，到2030年我國水稻需求量將增加20%以上[2-3]。水稻是糧食作物中第一用水大戶，其用水量占全國總用水量的54%以上，占農(nóng)業(yè)總用水量的70%以上[4]。而傳統(tǒng)淹灌的水稻種植方式存在嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)現(xiàn)象[5]。遼西半干旱區(qū)的水資源量極為匱乏，該區(qū)域土壤常年受風(fēng)沙作用影響，經(jīng)多年的演變出現(xiàn)了土壤水肥容納能力差、養(yǎng)分肥效期短等嚴(yán)重問題[6-9]，加之當(dāng)?shù)亻L期缺乏對(duì)水稻需水、需氮規(guī)律的研究和指導(dǎo)，導(dǎo)致水肥管理較為落后。因此，在該地區(qū)實(shí)施高效節(jié)水水稻種植模式非常重要。

近年來，我國已研發(fā)出多種高效的水稻節(jié)水灌溉技術(shù)。淺濕干結(jié)合灌溉技術(shù)、水稻水能雙控灌溉技術(shù)、控制灌溉技術(shù)的應(yīng)用為提高農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用效率、緩解水資源短缺等發(fā)揮了重要作用[10-11]。在東北稻田中，以水稻能量指標(biāo)控制的干濕交替灌溉(AWD)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。高效的干濕交替灌溉最終目的是將水分與養(yǎng)分較長時(shí)間維持在作物根區(qū)，進(jìn)而提高根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收。有研究顯示，干濕交替灌溉能減少耗水量27.8%、增加產(chǎn)量10.6%、提高水分生產(chǎn)率30%以上[12]。但是，以干濕交替形式為主的節(jié)水灌溉稻田出現(xiàn)了減產(chǎn)、氨揮發(fā)、氮磷徑流和入滲損失等一系列問題，說明在關(guān)注節(jié)水調(diào)控的同時(shí)，還應(yīng)關(guān)注土壤的保肥蓄水能力，以預(yù)防木桶理論中短板效應(yīng)的產(chǎn)生。

斜發(fā)沸石(Clinoptilolite，Cp)是一種框架狀結(jié)構(gòu)的水合鋁硅酸鹽礦物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是硅(鋁)氧四面體，在三維空間內(nèi)有豐富的環(huán)和籠狀結(jié)構(gòu)。特殊的結(jié)構(gòu)使其持水量可達(dá)自身重量的50%左右[13]，是一種良好的土壤保水材料。當(dāng)土壤水分降低到一定水平時(shí)，這部分水分就會(huì)釋放出來補(bǔ)充作物根區(qū)的水分，從而提高土壤持水量[14]。同時(shí)，Cp也可以作為一種控肥材料。遲道才等[15]研究發(fā)現(xiàn)，稻田施用Cp能夠促進(jìn)植株對(duì)氮素的吸收，降低氮素?fù)p失。WU等[16-17]研究表明，Cp對(duì)土壤氮的調(diào)控釋放表現(xiàn)為先觸發(fā)氮脅迫、隨后緩慢釋放20 d，這種控釋特征能夠降低施氮頻率，有利于增加水稻的氮積累時(shí)效、減少肥料的施用總量。陳濤濤等[18]研究發(fā)現(xiàn)，Cp與節(jié)水灌溉存在協(xié)同效應(yīng)，即在節(jié)水灌溉條件下，Cp的節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)更加明顯。因此，在節(jié)水灌溉下施用Cp，能夠充分發(fā)揮其吸附-解吸作用，彌補(bǔ)節(jié)水灌溉的短板，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。現(xiàn)有大多數(shù)研究只關(guān)注沸石的節(jié)水增產(chǎn)作用，而在節(jié)水灌溉下，Cp對(duì)半干旱區(qū)水稻節(jié)水、減肥、增產(chǎn)多重效應(yīng)的相關(guān)研究較少。此外，氮素積累過程與水稻產(chǎn)量關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)，而以往研究并未將水稻氮積累過程參數(shù)與水稻高產(chǎn)對(duì)應(yīng)起來，也未完全揭示灌溉方式和沸石如何通過調(diào)控氮積累過程而影響水稻產(chǎn)量。

本文通過分析Cp對(duì)干濕交替稻田水稻生長、耗水、需氮規(guī)律、氮素積累及其過程參數(shù)等指標(biāo)的影響，重點(diǎn)闡明節(jié)水灌溉稻田中Cp的節(jié)水減肥雙重效應(yīng)，研究并揭示基于斜發(fā)沸石調(diào)控的氮積累過程參數(shù)與水稻產(chǎn)量之間的關(guān)系，為遼西半干旱區(qū)節(jié)水灌溉稻區(qū)節(jié)水減肥、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)和構(gòu)建水肥管理合理評(píng)價(jià)模式提供思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大田試驗(yàn)于2019—2020年在遼寧省彰武縣綠維農(nóng)場開展。研究區(qū)位于遼西半干旱區(qū)(42°64′N，122°36′E)，如圖1所示。研究區(qū)全年四季變化明顯，雨熱同期，其多年平均降雨量為350～500 mm，多集中在6—8月，多年平均蒸發(fā)量為1 700 mm，作物生育期蒸發(fā)量為1 300 mm，占年蒸發(fā)量的76.4%。此區(qū)域水資源較為匱乏，大于500 mm的降水保證率僅為21.5%[9]，多年平均氣溫7.6℃，無霜期152 d。土壤質(zhì)地為砂壤土，pH值為7.2，總氮質(zhì)量比1.28 g/kg，堿解氮質(zhì)量比92.15 mg/kg，有效磷質(zhì)量比18.76 mg/kg，有效鉀質(zhì)量比201.43 mg/kg，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比13.05 g/kg。由于其土壤常年受風(fēng)沙作用影響，且持續(xù)干旱少雨，肥水容納能力較差。

1.2 試驗(yàn)材料

供試稻種采用“遼粳399”，生育期154 d左右，屬中熟品種。行距為30 cm，株距為13.3 cm，每穴插3～4株。供試肥料為尿素、有機(jī)肥、五氧化二磷和氧化鉀。耕地前先用100～150 kg有機(jī)肥培田。深翻深度控制在20 cm左右，用帶深翻犁的機(jī)械把犁底層的粘重土壤翻犁上來，使表層的輕質(zhì)土壤與底層的粘重土充分混和，增加耕作層厚度。翻地垡塊應(yīng)整齊，深淺一致，犁底層應(yīng)平整。機(jī)械插秧要求田塊平整，格田內(nèi)高低相差不應(yīng)超過3 cm。泡田時(shí)，氮肥(尿素，225 kg/hm2)按照基肥、分蘗肥、穗肥比例為6/13、4/13、3/13施入。磷肥(P2O5，210 kg/hm2)作為基肥一次性施入。鉀肥(K2O，114 kg/hm2)按基肥和穗肥兩次施入，各占50%。供試Cp(10 t/hm2)采用粒徑為0.18～0.38 mm的自然斜發(fā)沸石，其比表面積為670 m2/g，陽離子交換量(CEC)為135～200 cmol/kg。其主要成分為硅和鋁氧化物，其中SiO2占65.56%、Al2O3占10.62%、H2O占8.16%、CaO占2.59%等。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共設(shè)置5個(gè)處理，3次重復(fù)，每個(gè)處理小區(qū)面積15 m2(5 m×3 m)，設(shè)置常規(guī)淹灌(CF)處理作對(duì)照，T0；AWD和Cp以及傳統(tǒng)氮管理處理，T1；AWD和Cp以及少1/4氮(施肥比例不變，減少總施氮量)處理，T2；AWD和Cp以及少1/4磷處理，T3；AWD和Cp以及有機(jī)肥(總氮量與速效肥一致)處理，T4。其他農(nóng)藝措施均依據(jù)當(dāng)?shù)亓?xí)慣，其中，有機(jī)肥采用當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)肥料。水位采用簡易正負(fù)水位監(jiān)測裝置監(jiān)測，其直徑20 cm，孔距2 cm，孔徑5 mm，上部10 cm位于地表以上，用于控制水層，下部50 cm打孔且埋于地表以下控制負(fù)水位?？厮畼?biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 常規(guī)淹灌和干濕交替灌溉控水標(biāo)準(zhǔn)

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1水稻干物質(zhì)量和產(chǎn)量

在水稻每個(gè)生育期內(nèi)，根據(jù)平均分蘗數(shù)在小區(qū)1 m2區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取長勢均勻的3穴水稻樣本，各樣本根、莖、葉、穗分解并分裝后，105℃殺青30 min，75℃干燥48 h至質(zhì)量恒定，用電子秤稱量并記錄干物質(zhì)質(zhì)量。各小區(qū)實(shí)收計(jì)產(chǎn)。

1.4.2水稻各部分氮積累量

將各部分干物質(zhì)粉碎、過篩和消煮等處理后，用全自動(dòng)凱氏定氮儀(Butch K-360型)測定氮素含量，并計(jì)算植株各部分總氮積累量。

1.4.3水分生產(chǎn)率

水分生產(chǎn)率是指消耗單位水資源量所獲得的產(chǎn)量，計(jì)算式為

(1)

式中WP——水分生產(chǎn)率，kg/m3

Y——水稻實(shí)收產(chǎn)量，kg/hm2

WT——全生育期耗水量，m3/hm2

按照干濕交替灌溉控水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水位控制后，根據(jù)簡易正負(fù)水位監(jiān)測裝置的水位差估算耗水量。

1.4.4水稻氮積累過程參數(shù)

采用Richards生長函數(shù)模型用于氮積累評(píng)價(jià)，公式為[19]

(2)

式中W——氮積累量，g/穴

t——時(shí)間，d

A——氮積累量終值，g

B、K、N——方程系數(shù)

對(duì)式(2)求一階導(dǎo)數(shù)，可得(t或W具體方程)

(3)

式中G——氮累積速率，g/(穴·d)

相對(duì)累積速率為

(4)

對(duì)式(2)求二階導(dǎo)數(shù)，可得G隨時(shí)間t而改變的速率，即

(5)

確定方程后，對(duì)起始生長勢等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算式分別為

R0=K/N

(6)

(7)

Wmax=A(N+1)-1/N

(8)

(9)

式中R0——起始生長勢，即積累勢

tmax——G達(dá)到最大時(shí)的時(shí)間，d

Wmax——G最大時(shí)的氮累積量，g/穴

I——G最大時(shí)的氮累積量占氮積累量終值的比值

分別對(duì)式(3)求積分并結(jié)合氮積累量終值得到

(10)

式中Gmean——平均累積速率，g/(穴·d)

D——氮積累活躍期，d

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Origin 2020對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素隨機(jī)區(qū)組方差分析，利用LSD法對(duì)數(shù)據(jù)均值進(jìn)行多重比較，并進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理的水稻需水規(guī)律和水分生產(chǎn)率

表2為灌溉模式與不同氮肥管理模式對(duì)水稻產(chǎn)量、階段耗水量和水分生產(chǎn)率(WP)的影響。由表2可知水稻的耗水規(guī)律為：拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期耗水量大，分蘗期和乳熟期耗水量較少。分蘗期耗水量約占總耗水量的12.13%、拔節(jié)孕穗期為35.86%、抽穗開花期為25.24%，乳熟期為23.76%，返青期僅為3.01%。從表2可以看出，與T0相比，T1和T3處理顯著提高了水稻的產(chǎn)量，說明在節(jié)水灌溉條件下施用Cp容易獲得高產(chǎn)并且具有明顯節(jié)水作用。從水分生產(chǎn)率看，在AWD節(jié)水灌溉模式下，所有處理均能夠節(jié)水4.8%～11.4%，最高增產(chǎn)9.7%，且T1和T3平均提高水分生產(chǎn)率15.5%。說明在AWD節(jié)水灌溉條件下施用Cp，不僅產(chǎn)生了較為顯著的節(jié)水效應(yīng)還明顯提高了水稻產(chǎn)量。

表2 不同處理耗水規(guī)律及水分生產(chǎn)率

2.2 水稻干物質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化

莖葉干物質(zhì)量隨移栽時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化見圖2(圖中各處理及采樣日期(第30天等)對(duì)應(yīng)的不同顏色條帶表示干物質(zhì)積累量(g/穴)之和，即刻度終止值，其中，處理?xiàng)l帶處(T0～T4)代表5個(gè)生育期的干物質(zhì)積累量之和，而生育期時(shí)間條帶處(第30天等)代表5個(gè)處理的干物質(zhì)積累量之和)。莖干物質(zhì)積累量在不同生育期呈遞增的變化趨勢，即不同處理對(duì)應(yīng)條帶越來越寬。拔節(jié)孕穗期至抽穗開花期干物質(zhì)積累量增長率最大(30～60 d)，抽穗開花期至乳熟期出現(xiàn)峰值。從整個(gè)生育期看，減氮肥處理(T2)降低了水稻的莖部干物質(zhì)積累量，即其對(duì)應(yīng)各階段條帶明顯變窄，T1和T3及T4處理的水稻莖部干物質(zhì)累積量較大。水稻葉部干物質(zhì)積累量總體上均呈拋物線型曲線的變化趨勢。拔節(jié)孕穗期至抽穗開花期水稻光合作用旺盛，同化產(chǎn)物增多，干物質(zhì)積累量增長迅速(30～60 d)，此后葉片逐漸干枯衰亡，部分干物質(zhì)及光合作用的產(chǎn)物慢慢向穗部轉(zhuǎn)移，干物質(zhì)積累量呈明顯的下降趨勢。從圖中莖葉不同階段的轉(zhuǎn)化來看，節(jié)水灌溉下Cp對(duì)莖葉干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)化影響最大的階段為30～60 d，淹灌下為60 d左右，說明節(jié)水灌溉有利于Cp在水稻營養(yǎng)階段發(fā)揮顯著作用，其對(duì)養(yǎng)分的緩釋作用促進(jìn)了該階段干物質(zhì)的積累，而相對(duì)于莖部，Cp對(duì)葉部干物質(zhì)積累的影響更為明顯。

2.3 不同處理水稻生育末期的干物質(zhì)量和氮素分配

由表3可知，干物質(zhì)積累量在穗部的分配比例最大，根和葉部的干物質(zhì)積累量大部分集中流向穗部，其分配比例較小，尤其以葉片轉(zhuǎn)化相對(duì)量最高。AWD灌溉模式下，氮素在根系中集中可能是水稻增產(chǎn)的重要原因，這在T3和T1處理也得到了驗(yàn)證。但是，T3和T1莖部干物質(zhì)量較高，因此營養(yǎng)生長過盛可能也是限制其產(chǎn)量持續(xù)增加的重要因素。對(duì)比T3處理和T0處理可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)水灌溉模式下施用Cp在保證作物產(chǎn)量的情況下可減施25%磷肥。與T0相比，T3處理使根部干物質(zhì)量顯著提高了1.37 g/穴，莖部顯著提高了2.23 g/穴，葉部顯著提高了0.33 g/穴和穗部顯著提高了3.22 g/穴，而T1處理和T4處理穗部干物質(zhì)量最高，分別為41.65、41.53 g/穴(兩年均值)，這說明施加Cp和增施有機(jī)氮肥等延長氮肥時(shí)效性的方法可以顯著提高氮素在穗部的積累，有利于提高最終產(chǎn)量。

表3 不同處理的水稻干物質(zhì)量和吸氮量

2.4 水稻需氮規(guī)律

為探明遼西半干旱區(qū)水稻的需氮規(guī)律并以此指導(dǎo)施肥，本研究分析了兩年的水稻需氮規(guī)律(圖3)，圖中點(diǎn)代表每個(gè)處理需氮量均值。由于兩年的需氮規(guī)律基本相同，以2020年需氮規(guī)律進(jìn)行分析。圖3b顯示水稻5～30 d(分蘗關(guān)鍵期)大約需氮81.2%，30～60 d(分蘗末期和拔節(jié)孕穗期)水稻需氮14.5%，60～80 d(抽穗開花期)需氮2.1%，而乳熟期水稻需氮同樣較低，僅為2.2%。上述結(jié)果表明，考慮到沸石對(duì)銨根離子吸附更強(qiáng)，前期氮肥以銨態(tài)氮為好，且至分蘗末期，應(yīng)施入氮肥總量的80%左右；分蘗盛期后，應(yīng)再考慮施入氮肥10%～15%，促控結(jié)合，確保有效分蘗率；至抽穗開花期，應(yīng)酌情施入5%左右的穗肥，確保中后期足夠的養(yǎng)分轉(zhuǎn)向生殖生長，增加穎花數(shù)量，防止穎花退化，促穗大粒重，同時(shí)具有養(yǎng)根、健葉、壯稈、防倒伏的作用。從圖3還可以看出，水稻吸氮量總體呈現(xiàn)生長函數(shù)的變化規(guī)律。為了方便計(jì)算各個(gè)階段的吸氮量和吸氮速率，即水稻需氮規(guī)律，利用Richards生長函數(shù)對(duì)水稻的需氮規(guī)律進(jìn)行了擬合，也為后文分析氮素積累過程參數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系提供理論支撐。

2.5 氮素積累過程參數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系

圖4為氮素積累過程參數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)關(guān)系(2020年為例)，氮積累過程用圖3b中的Richards方程展示。圖3方程表征的各參數(shù)如表4所示。從圖4和表4可以看出，氮素利用過程的參數(shù)對(duì)產(chǎn)量具有明顯的相關(guān)關(guān)系。可以看出，T2處理減產(chǎn)的原因是由于氮素積累的有效期非常短或者氮肥作用的時(shí)效性較差。T1的增產(chǎn)機(jī)制為其主要在生長有效期內(nèi)提高了氮源的積累及與最終吸氮量的比重。而T3處理增產(chǎn)是起始增速平穩(wěn)、積累速率平穩(wěn)且氮積累時(shí)間長的綜合調(diào)控結(jié)果。以上分析說明，為了獲得水稻高產(chǎn)，氮肥管理或者高效氮肥產(chǎn)品，在土壤的供給和水稻植株利用方面，應(yīng)能夠保證前期氮素積累的平穩(wěn)性、提高前期氮積累總量、在一定程度上降低平均氮積累速率從而延長氮積累總時(shí)長。

3 討論

3.1 AWD灌溉對(duì)稻田節(jié)水控肥效應(yīng)和水分生產(chǎn)率的影響

3.2 斜發(fā)沸石對(duì)AWD灌溉稻田節(jié)水減肥效應(yīng)的影響

4 結(jié)論

(1)在AWD灌溉稻田施加斜發(fā)沸石可以達(dá)到節(jié)水控肥的目的。相較于CF處理，節(jié)水灌溉條件下施用斜發(fā)沸石可以在減少25%磷肥的基礎(chǔ)上，顯著節(jié)水4.8%～11.4%，提高水分生產(chǎn)率6.2%～15.5%。

(2)明確了節(jié)水灌溉條件下施用斜發(fā)沸石對(duì)干物質(zhì)的調(diào)控規(guī)律。AWD下施用斜發(fā)沸石可以積極調(diào)控水稻營養(yǎng)階段的干物質(zhì)積累，保證了足夠的氮源，提高了總干物質(zhì)積累量。

(3)基于Richards生長函數(shù)模型，探明了遼西半干旱區(qū)水稻全生育期需氮規(guī)律，5～30 d(分蘗關(guān)鍵期)大約需氮81.2%，30～60 d(分蘗末期和拔節(jié)孕穗期)需氮14.5%，60～80 d(抽穗開花期)需氮2.1%，而乳熟期需氮僅為2.2%。

(4)揭示了氮積累過程參數(shù)與水稻高產(chǎn)的關(guān)系。在水稻氮素積累過程中，氮素積累時(shí)間(時(shí))、總量(量)和平穩(wěn)性(穩(wěn))是影響水稻產(chǎn)量的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。T3和T1處理高產(chǎn)的原因主要是較高的水稻前期氮素積累量、適當(dāng)降低的氮素積累速率和延長的氮積累時(shí)間。