節(jié)水灌溉方式對水稻產(chǎn)量和稻田土壤性狀的影響綜述

彭如夢， 朱 安， 張思潔， 陳 茜， 蔣玉蘭， 劉立軍

(揚州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/農(nóng)業(yè)部長江中下游作物生理生態(tài)與栽培重點開放實驗室，江蘇揚州 225009)

水稻是我國最重要的糧食作物，也是用水最多的作物，其用水量約占農(nóng)業(yè)用水總量的70%。隨著世界人口的不斷增長、城鄉(xiāng)和工業(yè)迅猛發(fā)展、全球氣候不斷變化以及環(huán)境污染加重等狀況日益突顯，使得用于農(nóng)田灌溉的水資源愈來愈匱乏，水稻生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展面臨嚴峻挑戰(zhàn)[1-3]。因此，發(fā)展節(jié)水灌溉對穩(wěn)定我國水稻生產(chǎn)和水資源高效利用具有十分重要的意義。稻田土壤作為稻作生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)和肥力的重要載體，其各項特征、性狀的變化也與水稻的生長發(fā)育息息相關(guān)。灌溉方式的改變必然對稻田土壤的物理、化學(xué)及生物學(xué)性狀產(chǎn)生影響，進而直接或間接影響水稻地下部根系和地上部植株的生長發(fā)育，從而最終影響水稻產(chǎn)量和米質(zhì)的形成。

1 主要節(jié)水灌溉方式及其對水稻產(chǎn)量的影響

目前我國大面積水稻生產(chǎn)中使用的灌溉方式通常為常規(guī)水層灌溉，該灌溉方式在水稻整個生育過程中(中期擱田除外)稻田保持淺水層，由于其技術(shù)難度較低，管理較為簡便，因此易于被人們接受。但該灌溉方式較為粗放，灌水量大，水分利用效率低下，水資源浪費嚴重。近年來，稻田節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展較快，涌現(xiàn)出了大量新型節(jié)水灌溉方式與成果，對推動我國乃至全球水稻生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展起到了積極作用。目前我國水稻生產(chǎn)中常用的節(jié)水灌溉方式主要有以下幾種。

1.1 濕潤灌溉

濕潤灌溉的技術(shù)要點在于控制土壤的水分限度，即除返青期保持淺水層外，其余各時期使土壤水分極度飽和，無需持續(xù)建立水層，使水稻生長發(fā)育保持足夠的水分供應(yīng)即可[4]。有研究表明，濕潤灌溉可適當降低土壤含水量，實現(xiàn)有限度的調(diào)節(jié)土壤水勢和蒸騰速率以提高水效，從而減少耗水[5]。此外，濕潤灌溉還可以改善根系生長環(huán)境，提高根系活力，增加分蘗成穗率，提高自然降水利用率，節(jié)水可達50%以上[6]，產(chǎn)量增加15%左右[7]。但也有研究表明，在濕潤灌溉條件下水稻的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素均比淹水方式略低[8]，主要原因可能是水稻長期處于水分脅迫下，影響了包括蒸騰作用在內(nèi)的諸多生理過程，抑制了水稻生長和地上部干物質(zhì)積累，造成“源”不足，阻礙了籽粒灌漿結(jié)實，導(dǎo)致每穗實粒數(shù)和結(jié)實率降低。徐國偉等的研究結(jié)果[9-10]也證明這一點；也有研究認為，水稻產(chǎn)量降低可能是由于水分脅迫減少了溶于土壤水溶液的各種營養(yǎng)物質(zhì)的總量，在一定程度上降低了土壤養(yǎng)分生物有效性[11]。這些結(jié)果表明，在濕潤灌溉條件下無水層期間大部分時間土層蒸發(fā)強度小于水面蒸發(fā)強度。在不飽和條件下，土壤水分的再分布又起到限制蒸發(fā)速率的作用。這是濕潤灌溉條件下的稻田耗水量比長期保持水層的淹灌大為減少的另一個重要原因。

1.2 干濕交替灌溉

干濕交替灌溉技術(shù)是目前水稻生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的節(jié)水灌溉技術(shù)，在亞洲各主要水稻生產(chǎn)國都得到了大面積推廣與應(yīng)用，并取得了顯著的節(jié)水效果[12-17]。該方式的技術(shù)要點是在水稻生育過程中，一段時間內(nèi)田間建立淺水層，而后自然落干至土壤干裂不嚴重，復(fù)水，再落干，再復(fù)水，如此循環(huán)[18]。有研究表明，干濕交替灌溉可較常規(guī)淹水灌溉提高水稻產(chǎn)量10%以上，節(jié)水15%以上，水分利用效率提高30%左右[8，19]。但也有研究認為，干濕交替灌溉技術(shù)雖可提高稻田水分利用效率，節(jié)水效果顯著，但其對產(chǎn)量的影響，因土壤質(zhì)地、土壤落干程度以及水稻生長季節(jié)溫度和降雨量的不同而異，有的報道增產(chǎn)，有的報道減產(chǎn)[19-24]。已有研究表明，土壤落干程度會對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響。如在干濕交替灌溉中進行輕度土壤落干，不僅可以節(jié)約用水和提高水分利用效率，而且可以較常規(guī)灌溉顯著提高水稻產(chǎn)量和改善稻米品質(zhì)[16，23]。與常規(guī)灌溉相比，輕干濕交替灌溉水稻無效分蘗減少、分蘗成穗率提高、冠層結(jié)構(gòu)改善、開花前儲存在莖鞘物質(zhì)中的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物更多地向籽粒中運轉(zhuǎn)以及弱勢粒中淀粉等代謝過程關(guān)鍵酶活性增強，這些是輕干濕交替灌溉水稻產(chǎn)量提高和品質(zhì)改善的重要生理原因[16，23，25]。而在重度干濕交替灌溉條件下，水稻結(jié)實率和產(chǎn)量均較輕干濕交替顯著降低[26]。

1.3 水稻強化栽培體系

水稻強化栽培體系(system of rice intensification，簡稱SRI)是20世紀80年代提出的一種新的栽培方法[27]，在非洲馬達加斯加應(yīng)用獲得了較好的增產(chǎn)效果。SRI的技術(shù)核心主要包括以下幾個方面：(1)小苗移栽。秧苗秧齡一般不超過15 d，拔秧后需迅速進行移栽。(2)單本稀植。栽插的株行距通常為30 cm×30 cm，較常規(guī)栽培水稻栽插密度降低近 3/4[28]。(3)干濕灌溉。采用夜灌和日排的灌溉方式，單次灌溉量較少，以保證稻田土壤良好的通透性。(4)人工中耕除草。該方式能有效除草并為土壤通氣，改善水稻根系生長環(huán)境。(5)使用有機肥。強調(diào)有機肥的施用，少用甚至不用化學(xué)肥料[29]。

林賢青等研究表明，采用SRI既能保持穗分化期群體葉面積指數(shù)不下降，又能有效地提高葉片水分利用率，主要與SRI能挖掘根系潛力，促進早發(fā)，改善群體結(jié)構(gòu)、提高植株各葉位葉片的光合速率和降低蒸騰速率有關(guān)[30]。趙利梅的研究結(jié)果[31]也證實了這一點，SRI節(jié)水效果顯著，整個生育期節(jié)約用水最高可達36.9%。近年來在印尼、菲律賓和中國等國陸續(xù)開展了有關(guān)SRI的試驗。多國多點的試驗、示范等均表明SRI具有較大的增產(chǎn)潛力和節(jié)水效果[32-34]，可較傳統(tǒng)高產(chǎn)栽培方式大幅度減少用種、用水和用工，并有利于降低水稻紋枯病等病害的發(fā)生等。

1.4 覆蓋旱種

覆蓋旱種是指利用秸稈或者塑料薄膜等覆蓋土壤后進行水稻移栽，全生育期以自然降雨為主，輔以必要人工灌溉的旱種方式。該方式能夠在適宜的栽培管理條件下協(xié)調(diào)土、肥、氣等生態(tài)因子，是干旱缺水地區(qū)或丘陵山區(qū)水稻保產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的一項關(guān)鍵技術(shù)，具有較大的應(yīng)用潛力。目前覆蓋旱種方式多種多樣，生產(chǎn)上較為常見的覆蓋旱種有覆膜旱種和覆草旱種2種方式。

1.4.1 覆膜旱種 水稻覆膜旱種，是在水稻傳統(tǒng)淹水栽種改為旱地栽種的基礎(chǔ)上，用超薄或低壓高密度塑料薄膜覆蓋地面，水稻整個生長季節(jié)田面無需建立水層[35]。過去30多年全國各地的研究與推廣表明，水稻覆膜旱種產(chǎn)量顯著高于裸地旱種，在部分地區(qū)其產(chǎn)量甚至高于常規(guī)淹灌。在水稻關(guān)鍵生育期(分蘗中后期、拔節(jié)—孕穗期、抽穗—灌漿期)只需控制土壤水分在田間持水量的80%～90%，可顯著減少稻田用水[36]。稻田覆膜后土壤的水、溫、氣、養(yǎng)分的供給條件明顯改善，促進了水稻生育前期穩(wěn)健生長和根系生理活性的提高，增加分蘗數(shù)量，這是其產(chǎn)量得以改善的重要原因[37]。節(jié)水是覆膜旱作的顯著特點。在降雨充足、水資源分配合理均勻的條件下，水稻整個生育期內(nèi)可不灌水或灌少量水[38-39]。當降雨量較低時，只需在水稻關(guān)鍵生育期灌2～3次水，即可獲得高產(chǎn)[38]。有研究顯示，水稻覆膜旱作較常規(guī)淹灌可節(jié)水40%～80%左右[40]。覆膜旱種雖能達到節(jié)水和增產(chǎn)的目的，其弊端也顯而易見。第一，覆膜旱種膜內(nèi)土壤溫度過高會對水稻根系以及稻田生態(tài)產(chǎn)生不利影響，進而直接或間接影響水稻地上部生長發(fā)育；第二，施用地膜會使農(nóng)民增加稻作生產(chǎn)成本，不利于推廣和民用；第三，地膜的使用勢必會造成環(huán)境污染，地膜殘留在土壤中也會給土壤理化性質(zhì)帶來不利影響[9，41]。此外，覆膜旱種也易使稻米品質(zhì)變劣[42-43]。因此，地膜覆蓋旱種技術(shù)的不足之處還有待解決。

1.4.2 覆草旱種 覆草旱種是指利用農(nóng)作物秸稈覆蓋，輔以雨水澆灌，進行旱種旱管的一項節(jié)水栽培技術(shù)。就覆膜旱種所產(chǎn)生的各種弊端而言，覆草旱種則能有效節(jié)約農(nóng)民成本，幫助解決稻草及其他秸稈的處理問題，避免秸稈焚燒以及地膜殘留對環(huán)境造成的污染，同時還可以培肥地力，促進保護性稻作的發(fā)展[9]。研究表明，覆草旱種較常規(guī)水種可節(jié)水20%以上，與裸地旱作節(jié)水相比效果不顯著，在產(chǎn)量方面要顯著高于覆膜旱種，但與常規(guī)水種無顯著差異[44-45]。與上述研究不同，劉芳等的研究指出，與覆膜旱種相比，覆草旱種成穗率低，且有較高的秕谷率[46]。綜上可知，覆蓋旱種對水稻產(chǎn)量及相關(guān)性狀影響的研究報道存在差異，甚至有相矛盾的結(jié)論，仍有必要繼續(xù)加強這方面的研究。

2 主要節(jié)水灌溉方式對稻田土壤性狀的影響

土壤是陸地表面由礦物、有機物質(zhì)、水、空氣和生物組成、具有肥力且能生長植物的未固結(jié)層[47]。土壤性狀主要包括物理性狀、化學(xué)性狀和生物學(xué)性狀。土壤物理性質(zhì)不僅是土壤質(zhì)量評價的重要指標，而且是土壤肥力的重要內(nèi)涵[48]。土壤的化學(xué)性狀包括土壤膠體、有機質(zhì)的化學(xué)組成、土壤酸堿度、土壤氧化還原特性、離子吸附和交換以及能量關(guān)系等。土壤的生物學(xué)性狀主要包括土壤酶活性、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤微生物生物量等內(nèi)容[49]。水稻土是自然環(huán)境土壤經(jīng)人為施加的各種栽培管理措施(包括人為翻耕、水分管理以及肥料運籌等)后形成的特殊土壤。稻田灌水期間，土壤耕層呈還原狀態(tài)；在排水、曬田季節(jié)，土壤耕層呈氧化狀態(tài)[50]。經(jīng)此周期性的干濕交替后，形成了稻田土壤特有的物理、化學(xué)和生物學(xué)等性狀[51]。稻田土壤含水量的改變必然會導(dǎo)致土壤性狀發(fā)生變化，從而影響水稻根系對水分養(yǎng)分的吸收進而影響地上部生長發(fā)育與產(chǎn)量形成。

2.1 濕潤灌溉方式對稻田土壤性狀的影響

在田面無水層濕潤的狀態(tài)下，土溫晝夜變化較大[52]。在濕潤灌溉條件下，田面沒有水層，使得地表接受陽光照射的強度顯著增加，可吸收到更多的輻射熱量，泥溫高，起到了壯秧、促分蘗、促早熟和提高產(chǎn)量與品質(zhì)的作用。還有研究指出，土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化與溫度變化密切相關(guān)，掌握土壤有機質(zhì)對溫度變化的響應(yīng)規(guī)律，對研究有機質(zhì)轉(zhuǎn)化過程至關(guān)重要[53]。與常規(guī)淹灌相比，濕潤灌溉顯著提高了水稻氮素的吸收利用率，但同時也增加了氮素的揮發(fā)損失[54]。與上述研究類似，代家鳳認為不同灌溉處理對土壤全氮、有效氮和全磷、有效磷含量的影響中，以濕潤灌溉和干濕交替灌溉較好[55]。在土壤生態(tài)中，微生物群落數(shù)量及總量與土壤部分性狀的改變密切相關(guān)。宋秋華等研究表明，在合理范圍內(nèi)，土壤中各類群微生物數(shù)量及總數(shù)隨土壤溫度升高而增加，隨土壤濕度上升而降低[56]。濕潤灌溉條件下稻田土壤食細菌線蟲的數(shù)量顯著低于常規(guī)淹水灌溉[57]。就濕潤灌溉影響稻田土壤生物學(xué)性狀而言，目前研究相對較少。土壤濕潤狀況與土壤各性狀間的相互作用機制尚不明確，還有待進一步研究。

2.2 干濕交替灌溉方式對稻田土壤性狀的影響

干濕交替灌溉引起的土壤水分變化是土壤有機質(zhì)分解的主要影響因素。土壤干旱導(dǎo)致土壤微生物死亡，使微生物碳釋放到土壤中，成為土壤有機質(zhì)的一部分[58-60]；而經(jīng)歷降雨或重新濕潤后(即濕處理)，土壤毛細管變濕，內(nèi)部空氣受擠壓擴散引起土壤團聚體膨脹裂解，暴露出團聚體中穩(wěn)定的有機質(zhì)，促進有機質(zhì)分解[61]。干濕交替灌溉對土壤中氮素礦化的影響受溫度和施肥水平的共同制約[62-63]。楊長明等的研究指出，干濕交替模式下合理施肥可顯著提高土壤有效養(yǎng)分含量[64]。干濕交替頻率和強度影響土壤微生物量，使其先增加后降低，最終趨于穩(wěn)定的勢態(tài)[65]。湯宏等發(fā)現(xiàn)，在干濕交替灌溉下，稻田土壤微生物量碳、氮和可溶性有機碳含量較常規(guī)淹水灌溉高，而可溶性有機碳含量較低[66]。干濕交替灌溉處理中，干旱過程土壤呼吸受到抑制，復(fù)水后土壤呼吸又迅速增強[67]，水分含量的增加會刺激微生物活性，釋放二氧化碳[68]。土壤酶活性與土壤水分狀態(tài)和含量關(guān)系密切。增加土壤濕度，酶活性上升，而當土壤過濕時，酶活性減弱；降低土壤含水量，酶活性也會減弱，土壤水分飽和時的土壤磷酸酶活性高于一般含水量下的土壤磷酸酶活性[69]。

2.3 SRI對稻田土壤性狀的影響

SRI與常規(guī)淹水栽培在水肥管理上有明顯區(qū)別，因此該方法也會對土壤性狀產(chǎn)生較大影響。賀陽冬等對SRI的研究表明，施用有機肥能使土壤容重有所下降，總孔隙度增加，而不施肥和單施用化肥會增大土壤容重，使土壤通氣狀況變差[70]。張亞男研究也表明，稻田由常規(guī)淹水灌溉轉(zhuǎn)變成干濕灌溉后，土壤多數(shù)是呈好氣狀態(tài)，有機物分解加快，明顯改善了土壤的通氣性[35]。陳惠哲等研究表明，SRI條件下土壤的細菌和放線菌數(shù)量有所增加，而真菌的變化不明顯[71]。趙利梅研究表明，與常規(guī)水作比較，SRI增加了土壤細菌、真菌、放線菌數(shù)量；增加了土壤微生物量碳、微生物量氮含量；還增加了土壤堿解氮含量，但有效磷含量差異不顯著[31]。以往對SRI的研究，更多集中于其對產(chǎn)量和地上部性狀的影響方面，對SRI條件下水稻土壤性狀的影響的研究相對較少，仍有許多問題有待研究和探索。

2.4 覆蓋旱種方式對稻田土壤性狀的影響

2.4.1 覆膜旱種 覆膜后水稻分蘗期土壤的養(yǎng)分，如全氮含量、全磷含量、速效氮含量、陽離子交換量方面較常規(guī)灌溉有所提高，但全磷、速效氮含量并未達到顯著水平；到達抽穗期時，覆膜后水稻植株的養(yǎng)分吸收增加，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量下降，特別是速效磷、速效鉀及總磷含量下降幅度較大；成熟期大多數(shù)指標較常規(guī)灌溉均有所下降，但未達到顯著水平。可見，覆膜栽培后，由于作物對土壤中養(yǎng)分吸收的增加，從而使得土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素平衡[72]。Cheng等的研究結(jié)果也表明，覆膜后水稻在拔節(jié)期增加了土壤氮的積累，抽穗期和成熟期對氮、磷、鉀的積累則有所降低[73]。由此可見，與常規(guī)灌溉相比，覆膜旱作后可顯著提高土壤溫度和濕度，土壤微生物活性得到增強，從而加快有機質(zhì)分解，提高氮肥利用效率，促進稻田植株對土壤營養(yǎng)元素的吸收[74-75]。

2.4.2 覆草旱種 趙榮瑋等研究表明，覆草旱種對累積水分蒸發(fā)量的抑制效果要弱于地膜覆蓋，這主要是因為多孔隙雜草-大氣界面比地膜-大氣界面更容易散失水汽[76]，這與姚健等的研究結(jié)果[77]相似。Spaccini等認為稻田土壤中添加玉米秸稈會改變土壤原有礦化成分，使土壤中的有機碳組分更為穩(wěn)定[78-79]。同為覆草條件下，有研究證明旱地較水田不利于外源有機碳的積累，但由于秸稈在水田殘留時間比旱地短，無法證明旱地覆草不利于有機物的降解[83]。趙建紅的研究還發(fā)現(xiàn)，麥稈還田可降低土壤容重，增加耕層土壤氮素及有機質(zhì)含量[80]。有研究表明，向稻田中添加作物秸稈，土壤微生物周轉(zhuǎn)速率加快，但作物秸稈和土壤原有有機碳的礦化速率卻顯著低于旱作土壤[81-82]。作為土壤有機碳的重要來源之一，外源輸入秸稈必將導(dǎo)致土壤生態(tài)發(fā)生變化[83-84]。

3 研究展望

綜上所述，不同節(jié)水灌溉方式對水稻產(chǎn)量和土壤性狀的影響不同。由于我國水資源嚴重短缺，發(fā)展節(jié)水栽培是水稻生產(chǎn)的永恒主題。節(jié)水灌溉必然引起土壤相關(guān)性狀的變化，從而引起水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量形成及品質(zhì)產(chǎn)生變化。尋求合理的土壤水分定向調(diào)控措施，可進一步為水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)節(jié)水栽培提供理論與實踐依據(jù)。未來在水稻節(jié)水灌溉方式上應(yīng)繼續(xù)加強以下幾個方面的研究。

3.1 節(jié)水灌溉方式下土壤性狀的變化及其與水稻根系生長發(fā)育的關(guān)系

植物根系作為土壤水分和養(yǎng)分吸收的主要器官，其內(nèi)在進行著多種激素、有機酸和氨基酸合成，根系形態(tài)和生理對地上部的生長發(fā)育、產(chǎn)量形成、水分和養(yǎng)分吸收利用均有著至關(guān)重要的作用。在節(jié)水灌溉條件下，土壤性狀發(fā)生改變，水稻根系的生長發(fā)育也會發(fā)生改變。土壤性狀的改變會引起根系生長發(fā)生變化，而根系形態(tài)生理的變化也會反過來影響土壤性狀發(fā)生改變，但土壤性狀的變化與根系生長間究竟有何聯(lián)系，目前仍不十分清楚。未來有必要加強在節(jié)水灌溉條件下稻田土壤性狀與根系生長相互作用關(guān)系的研究。

3.2 節(jié)水灌溉方式對稻田溫室氣體排放的影響

溫室氣體主要包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)等。灌溉方式直接影響土壤含水量，從而影響土壤通氣狀況、氧化還原電位以及微生物活性等，這些因素會直接影響稻田溫室氣體的產(chǎn)生與排放。目前較多研究集中于水稻植株本身、種植方式、栽種密度及施肥管理等對稻田溫室氣體排放的影響，而不同節(jié)水灌溉方式對稻田溫室氣體排放的研究相對較少，且對節(jié)水灌溉影響稻田溫室氣體排放的機制仍然不是很清楚。加強此方面的研究，可在節(jié)水增產(chǎn)的同時，緩解稻田溫室氣體排放對全球氣候變暖的影響。

3.3 節(jié)水灌溉和養(yǎng)分綜合管理對稻田土壤和水稻產(chǎn)量的影響

單項栽培技術(shù)提高水稻產(chǎn)量的空間已十分有限，把節(jié)水灌溉技術(shù)與水稻養(yǎng)分綜合管理相結(jié)合是未來水稻高產(chǎn)栽培發(fā)展的重要方向。氮肥是水稻增產(chǎn)的重要因素，也是投入最多的化學(xué)肥料，因此要尤其重視節(jié)水灌溉與氮肥運籌耦合的研究。除了加強節(jié)水灌溉與養(yǎng)分綜合管理結(jié)合對產(chǎn)量的影響外，還需要從其對稻田土壤的調(diào)控角度闡明其影響水稻產(chǎn)量的生理與分子機制，以便為水稻高產(chǎn)節(jié)水栽培提供理論依據(jù)。