不同水肥耦合水稻溫室效應(yīng)及氮素利用率研究

昝 鵬，陳燕萍

(四川水利職業(yè)技術(shù)學院，成都 610000)

水稻的播種面積占糧食作物總量的42%，是中國的主要糧食作物之一[1]。水與化肥是水稻生長的主要因子，根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織FAO(Food and Agriculture Organization of the United )對世界范圍內(nèi)41個國家化肥用量的調(diào)查報告顯示，化肥在糧食增產(chǎn)中的作用達60%以上[2]。但水肥不合理的施用不僅會浪費水資源，而且會導致水體富營養(yǎng)化，隨降水的擴散，甚至會造成大面積的農(nóng)業(yè)面源污染，對生態(tài)環(huán)境造成巨大的危害[3,4]。中國是世界上13個貧水國之一，水資源的利用率極低，許多地區(qū)為達到高產(chǎn)大量消耗水資源，導致地下水位嚴重下降，水資源過度浪費。以氮肥為例，其不合理施用，將會導致水稻抗倒伏能力下降、病蟲害多發(fā)及水稻減產(chǎn)[5]。水肥耦合是指根據(jù)作物不同需水條件，將灌溉與施肥在時間、數(shù)量和方式上合理配合，促進作物根系深扎，擴大根系在土壤中的吸水范圍，提高作物的光合強度，以達到作物增產(chǎn)的目的[6]。目前，關(guān)于水肥耦合對作物產(chǎn)量、水分利用效率等的影響已開展了許多研究，隋娟等[7]研究了小麥地表滴灌條件下水肥耦合對土壤水分、氮素運移分布規(guī)律的影響；王景燕等[8]研究了漢源花椒的光合特性及其對水肥處理的響應(yīng)；王振華等[9]研究了不同滴灌水肥處理對成齡葡萄耗水及產(chǎn)量的影響；馬國成等[10]采用大田膜下滴灌種植方式，研究了不同水肥條件對馬鈴薯葉綠素及葉面光合速率的影響；蘇欣等[11]研究了小麥在不同灌水量及施肥條件下根系層中總磷的遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律。本文在結(jié)合以上研究的基礎(chǔ)上，研究目的如下：以黑龍江省高寒地區(qū)為研究區(qū)，通過設(shè)置不同的灌水方式及化肥施用量，研究水肥對寒區(qū)水稻產(chǎn)量、溫室效應(yīng)及氮素利用率的影響，找出合理的灌水施肥方式，減少氮素對水質(zhì)及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的N2O氣體對溫室效應(yīng)造成的影響，為寒區(qū)未來發(fā)展環(huán)境友好型的生態(tài)灌溉提供一種更加合理的灌水與施肥方式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2016年在黑龍江省水利科學研究院節(jié)水灌溉綜合試驗基地進行(126°36′35″E，45°43′09″E)，研究區(qū)位于東北典型黑土帶，多年平均氣溫2.9 ℃，多年平均最高氣溫36.5 ℃，多年平均最低氣溫-41.6 ℃，多年平均降水量為525 mm，多年平均日照時數(shù)為7 h，冬長夏短，四季分明，無霜期為100～160 d，屬中溫帶大陸季風性氣候[12]。

1.2 試驗設(shè)計及觀測指標

本文以水稻為研究對象，試驗品種采用龍慶稻4號，每穴5株，間隔為30 cm×20 cm，灌水方式分別采用控制灌溉(W1)、間歇灌溉(W2)及淹灌(W3)，氮肥采用4種施肥水平，分別為：高肥水平140 kg/hm2(C1)、中肥水平110 kg/hm2(C2)、低肥水平70 kg/hm2(C3)、不施氮肥(C4)。控制灌溉和間歇灌溉采用節(jié)水灌溉模式，其中控制灌溉主要控制土壤含水量，間歇灌溉田面無明顯水層，淹灌處理田面水層較深。在返青期田面保持較深水層。分蘗末期均進行曬田。每個試驗小區(qū)通過安裝水表及水尺控制灌水量及水深。試驗小區(qū)布置方式見圖1，共36個試驗小區(qū)，每種水肥管理模式設(shè)置3次重復。

圖1 試驗布置圖Fig.1 The layout map of experience

當試驗小區(qū)有水層時，采用毫米刻度尺測量小區(qū)內(nèi)6個觀測點的水層深度，取其平均值作為該小區(qū)水層深度，當試驗小區(qū)無水時，采用土壤水分速測儀測定土壤含水量。每次灌水量及灌水時間采用水表測定；CO2、CH4、N2O采用人工靜態(tài)箱法定位觀測，其中CH4、N2O采用不透光靜態(tài)箱體，CO2氣體采集時采用透明箱體；CO2和CH4濃度采用氫火焰離子化檢測器測定，N2O氣體濃度采用熱導檢測器測定；水稻產(chǎn)量隨機抽取各小區(qū)長勢中等的15株植株測定。

1.3 計算方法

(1)總增溫效應(yīng)GWP[13]。

GWP=MCO2a1+MCH4a2+MN2Oa3

(1)

式中：MCO2、MCH4、MN2O分別為水稻全生育期CO2、CH4、N2O的總排放量；a1、a2、a3均為多年時間尺度上氣體分子溫室效應(yīng)折算系數(shù)，參考文獻[14]，100 a時間尺度上，a1、a2、a3分別取1、23、310。

(2)灌溉水分生產(chǎn)率WP[15]與水分利用效率WUE[16]。

WP=WU/P

(2)

WUE=WU/WY

(3)

式中：WU為作物產(chǎn)量，kg/hm2；P為作物灌水量，m3/hm2；WY為作物耗水量，m3/hm2。

(3)氮肥利用率[17,18]。

REN=(N-N0)/F

(4)

式中：N為施氮后作物地上部分的氮吸收總量；N0為未施氮時作物地上部分的氮吸收總量；F為試驗小區(qū)的氮肥投入量。

(4)CO2、CH4、N2O排放通量[19]。

(5)

式中：Fw為溫室氣體排放通量，mg/(m2·h)；ρ為標準狀態(tài)下溫室氣體密度，CO2、CH4、N2O的密度分別為1.98、0.71、1.96 kg/m3；h為箱體高度；dC/dt為溫室氣體濃度變化率，mL/(m3·h)；t為箱體內(nèi)平均溫度，℃；p為箱體內(nèi)平均氣體壓強；P0為標準大氣壓強。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對水稻產(chǎn)量的影響

不同組合灌水方式與施氮量對水稻單位面積穗數(shù)、結(jié)實率及產(chǎn)量等的影響見表1，可以看出：節(jié)水灌溉模式配合氮肥施用量的增加能顯著增加水稻產(chǎn)量，對于不同灌水方式，高施氮量下水稻的產(chǎn)量總是大于低肥與不施氮肥，說明氮肥施用量的增加能顯著提高水稻產(chǎn)量。控制灌溉、間歇灌溉及淹灌3種灌水方式下高肥水平與不施氮肥相比，產(chǎn)量分別提高61.84%、57.27%、60.4%，中肥水平與不施氮量相比，產(chǎn)量分別提高63.58%、60.14%、56.94%，高施氮量與低施氮量相比產(chǎn)量相差不大，控制灌溉與間歇灌溉在C1與C2施氮量下的水稻產(chǎn)量優(yōu)于淹灌。淹灌條件下，不同施氮水平水稻的穗粒數(shù)相差不大，在66左右。顯著性分析表明：控制灌溉及間歇灌溉模式下，C1與C2施氮水平下水稻產(chǎn)量相對于對照組C4均達到了顯著性差異(P<0.05)，而C1與C2施氮水平之間沒有顯著性差異(P>0.05)，淹灌模式下，不同施氮水平水稻產(chǎn)量增產(chǎn)明顯，但氮肥施用量的變化沒有使水稻產(chǎn)量具有顯著性差異(P>0.05)。從水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子對水稻產(chǎn)量的影響分析表明：水稻產(chǎn)量不同時，穗粒數(shù)的變化較大，說明節(jié)水灌溉模式配合氮肥施用主要通過影響穗粒數(shù)來影響水稻產(chǎn)量，對穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重與產(chǎn)量之間分別做相關(guān)性分析，其相關(guān)系數(shù)分別為0.759、0.357、0.683，說明對產(chǎn)量影響的大小為：穗粒數(shù)>千粒重>結(jié)實率。

表1 不同水氮組合下水稻含量及其構(gòu)成因素試驗結(jié)果Tab.1 Content and its constituent factors of paddy under different water and nitrogen combinations

2.2 不同水氮處理對水稻收獲指數(shù)的影響

不同水氮處理對水稻秸稈產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量及收獲指數(shù)的影響見圖2，收獲指數(shù)為水稻秸稈產(chǎn)量與生物產(chǎn)量之比?？梢钥闯觯弘S施氮量的減少，水稻各產(chǎn)量均呈現(xiàn)減小趨勢，水稻收獲指數(shù)并沒有隨水氮處理方式的不同而發(fā)生較大變化，3種灌水方式其均值分別為41.86%、42.65%、40.3%。對各曲線添加趨勢線的結(jié)果表明，間歇灌溉條件下生物產(chǎn)量受施氮水平的影響最大，其趨勢線斜率絕對值為2398。對各產(chǎn)量及其構(gòu)成因子進行相關(guān)性分析的結(jié)果表明：施氮量與有效穗數(shù)、籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量的R2分別為0.905、0.926、0.935，有效穗數(shù)與結(jié)實率、籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量的R2分別為0.907、0.956、0.953，結(jié)實率與籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量0.945、0.928，籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量的R2為0.983，上述各因子之間相互影響均達到了極顯著水平。

圖2 不同水氮處理水稻各產(chǎn)量因子及收獲指數(shù)Fig.2 Yield factors and harvest Indexes of paddy under different water and nitrogen treatments

2.3 不同水氮處理對水稻溫室氣體總排放量的影響

本文計算了不同水氮處理方式下水稻生長季CO2、CH4、N2O 3種溫室氣體的總排放量及單位產(chǎn)量排放量見表2和表3，可以看出：3種灌溉模式下CO2的總排放量變化范圍分別為1 712.5～2 118.3、1 321.2～2 284.7、1 500.8～2 273.8 kg/hm2，間歇灌溉模式下CO2的總排放量變化幅度最大。3種灌溉模式下CH4的總排放量變化范圍分別為252.5～292.7、233.5～261.7、301.3～436.3 kg/hm2，淹灌模式下CH4的總排放量變化幅度最大。3種灌溉模式下N2O的總排放量變化范圍分別為0.23～0.37、0.19～0.41、0.14～0.24 kg/hm2，間歇灌溉模式下N2O的總排放量變化幅度最大，其均值為0.27 kg/hm2。

表2 CO2、CH4、N2O總排放量 kg/hm2

表3 單位產(chǎn)量CO2、CH4、N2O排放量 kg/hm2

與對照組相比，3種灌溉模式下高施氮量的CO2、CH4、N2O單位產(chǎn)量排放量均小于對照組，分別降低了29.1%、22.5%、11.1%，CH4也表現(xiàn)出了相同的變化?？刂乒喔饶Ｊ较拢S施氮量的增加，CO2、CH4單位產(chǎn)量的排放量逐漸減小，而不同水氮處理下，N2O單位產(chǎn)量的排放量沒有表現(xiàn)出顯著的差異，其數(shù)值極小，3種溫室氣體排放量的大小為CO2>CH4>N2O。

2.4 不同水氮處理對水稻總體溫室效應(yīng)的影響

不同水氮處理下計算的CO2、CH4、N2O溫室效應(yīng)及氣體總溫室效應(yīng)見圖3，氣體單位以kg/hm2計，可以看出：CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)遠大于CO2和N2O，N2O產(chǎn)生的溫室效應(yīng)很小。不同灌溉模式下CO2產(chǎn)生的溫室效應(yīng)為1 321～2 285 kg/hm2，CH4為5 359～10 028 kg/hm2，N2O為43.4～127.1 kg/hm2，CH4的平均溫室效應(yīng)為CO2和N2O的3.61、88.73倍，說明水稻整個生長季N2O氣體的排放量很小，對溫室效應(yīng)的促進作用很小。不同灌水方式氣體總溫室效應(yīng)的均值分別為8 333、7 683.43、10 288.25 kg/hm2即淹灌>控制灌溉>間歇灌溉，說明節(jié)水灌溉有助于降低作物對大氣產(chǎn)生的總體溫室效應(yīng)，但控制灌溉與間歇灌溉中高施氮量氣體總溫室效應(yīng)與對照組相比，沒有發(fā)生較大變化。

圖3 不同水氮處理下CO2、CH4、N2O溫室效應(yīng)及氣體總溫室效應(yīng)Fig.3 Greenhouse effect and total greenhouse effect of CO2、CH4、N2O under different water and nitrogen treatments

2.5 不同水氮處理下水稻水分及氮素利用效率

灌溉水分生產(chǎn)率及水分利用效率表征水稻灌溉與消耗單位水量時，其經(jīng)濟產(chǎn)量，能夠反映水稻不同水氮處理方式所達到的節(jié)水灌溉效果。本文計算的不同水氮處理下水稻水分利用效率見表4，可以看出：灌溉水分生產(chǎn)率與水分利用效率的變化較為一致，隨著施氮量的增加，水分利用效率逐漸增加，但超過C2以后達到C1時，水分利用效率開始減小，表明水分利用效率不隨施氮量的增加一直增加，當達到中施氮量即最佳施氮量以后開始減小。W1C2的WP與WUE值最大，節(jié)水灌溉模式即控制灌溉與間歇灌溉的WP與WUE值明顯大于淹灌，達到了很好的節(jié)水及增產(chǎn)效果，3種灌水方式的WP均值分別為：2.49、2.32、1.7，WUE均值分別為1.75、1.49、1.12。

2.6 不同水氮處理下水稻氮素利用效率

水稻地上部分總吸氮量由秸稈含氮量及籽粒含氮量組成，不同水氮處理下其含氮量及氮素利用率見圖4，可以看出：控制灌溉模式下，水稻地上部分總吸氮量隨施氮量的增加而增加，其變化范圍為87～155.7 kg/hm2，氮素利用率變化范圍為29.9%～50.8%。淹灌模式下，隨著施氮量的增加，氮素利用率逐漸減小?？刂乒喔扰c間歇灌溉的氮素利用率無顯著變化趨勢，氮素利用率的最大值出現(xiàn)在W2C2。籽粒含氮量與水稻地上部分總吸氮量的變化趨勢基本一致。方差分析表明：節(jié)水灌溉模式配合氮肥施用對水稻氮肥利用率影響極顯著(P<0.01)。

表4 不同水氮處理下水稻水分利用效率Tab.4 Water use efficiency of paddy under different water and nitrogen treatments

圖4 不同水氮處理下的氮素利用率Fig.4 Nitrogen utilization of paddy under different water and nitrogen treatments

3 結(jié) 語

(1)對于不同灌水方式，高施氮量下水稻的產(chǎn)量總是大于低肥與不施氮肥即氮肥施用量的增加能顯著提高水稻產(chǎn)量。高施氮量與低施氮量相比產(chǎn)量相差不大。淹灌條件下，不同施氮水平水稻的穗粒數(shù)相差不大。

(2)不同水氮處理對水稻各產(chǎn)量組成及收獲指數(shù)的研究表明：水稻隨施氮量的減少，各產(chǎn)量均呈現(xiàn)減小趨勢，水稻收獲指數(shù)沒有發(fā)生較大變化，間歇灌溉條件下生物產(chǎn)量受施氮水平的影響最大。

(3)與對照組相比，3種灌溉模式下高施氮量的CO2、CH4、N2O單位產(chǎn)量均小于對照組，分別降低了29.1%、22.5%、11.1%，CH4也表現(xiàn)出了相同的變化。

(4)控制灌溉模式下， CO2、CH4單位產(chǎn)量隨施氮量的增加排放量逐漸減小，說明合理的施氮量有助于抑制CO2、CH4氣體的排放，3種溫室氣體排放總量的大小為CO2>CH4>N2O，N2O氣體的排放量很小。

(5)不同灌水方式氣體總溫室效應(yīng)的大小為：淹灌>控制灌溉>間歇灌溉，說明節(jié)水灌溉有助于降低作物對大氣產(chǎn)生的總體溫室效應(yīng)。對水稻水分利用效率的研究表明：其不隨施氮量的增加一直增加，當達到中施氮量即最佳施氮量以后開始減小。

[1] 何進宇, 田軍倉. 膜下滴灌旱作水稻水肥耦合模型及組合方案優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2015,31(13):77-82.

[2] 孔 東, 晏 云, 段 艷,等. 不同水氮處理對冬小麥生長及產(chǎn)量影響的田間試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2008,24(12):36-40.

[3] 張鳳翔, 周明耀, 郭文善. 不同氮素水平下孕穗開花期土壤水分對冬小麥產(chǎn)量效應(yīng)的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2006,22(7):52-55.

[4] 楊士紅, 彭世彰, 徐俊增,等. 不同水氮管理下稻田氨揮發(fā)損失特征及模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2012,28(11):99-104.

[5] 徐國偉, 王賀正, 翟志華,等. 不同水氮耦合對水稻根系形態(tài)生理、產(chǎn)量與氮素利用的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2015,31(10):132-141.

[6] 周罕覓, 張富倉, Roger Kjelgren,等. 水肥耦合對蘋果幼樹產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用的效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2015,46(12):173-183.

[7] 隋 娟, 王建東, 龔時宏,等. 滴灌條件下水肥耦合對農(nóng)田水氮分布及運移規(guī)律的影響[J]. 灌溉排水學報, 2014,33(1):1-6.

[8] 王景燕, 龔 偉, 包秀蘭,等. 水肥耦合對漢源花椒幼苗葉片光合作用的影響[J]. 生態(tài)學報, 2016,36(5):1 321-1 330.

[9] 王振華, 權(quán)利雙, 何建斌. 極端干旱區(qū)水肥耦合對滴灌葡萄耗水及產(chǎn)量的影響[J]. 節(jié)水灌溉, 2014,(6):13-15.

[10] 馬國成, 尹 娟, 李文證. 水肥耦合對馬鈴薯葉綠素和光合速率的影響[J]. 節(jié)水灌溉, 2016,(6):35-40.

[11] 蘇 欣, 李強坤, 王軍濤,等. 水肥耦合條件下小麥田根系層土壤總磷遷移特征[J]. 節(jié)水灌溉, 2017,(4):19-23.

[12] 滕 云, 劉淑艷, 于振良,等. 黑土區(qū)玉米膜下坐水施肥耦合對產(chǎn)量的影響[J]. 節(jié)水灌溉, 2009,(9):24-26.

[13] 張 斌, 劉曉雨, 潘根興,等. 施用生物質(zhì)炭后稻田土壤性質(zhì)、水稻產(chǎn)量和痕量溫室氣體排放的變化[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2012,45(23):4 844-4 853.

[14] Willem Landman. Climate change 2007: the physical science basis[J]. South African Geographical Journal Being a Record of the Proceedings of the South African Geographical Society, 2007,92(1):86-87.

[15] 郭丙玉, 高 慧, 唐 誠,等. 水肥互作對滴灌玉米氮素吸收、水氮利用效率及產(chǎn)量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學報, 2015,26(12):3 679-3 686.

[16] 游 磊, 馬英杰, 洪 明,等. 不同灌水處理對灰棗產(chǎn)量、水分利用效率及品質(zhì)的影響研究[J]. 節(jié)水灌溉, 2015,(6):18-25.

[17] 楊憲龍, 同延安, 路永莉,等. 農(nóng)田氮肥利用率計算方法研究進展[J]. 應(yīng)用生態(tài)學報, 2015,26(7):2 203-2 212.

[18] 張 燕, 張富倉, 吳立峰. 水肥耦合對棉花產(chǎn)量和氮累積利用的影響[J]. 節(jié)水灌溉, 2016,(12):20-26.

[19] Cao G, Xu X, Long R, et al. Methane emissions by alpine plant communities in the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Biology Letters, 2008,4(6):681.