南方稻作區(qū)水肥調(diào)控研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

晏軍 李亞芳 馬萌萌

摘要 綜述了我國水稻生產(chǎn)上水肥施用與利用現(xiàn)狀，南方稻作區(qū)節(jié)水灌溉和控制排水研究狀況，從新施肥模式的運(yùn)用、新型高效肥料的推廣應(yīng)用和用地與養(yǎng)地相結(jié)合的培肥模式論述施肥技術(shù)研究新進(jìn)展。提出合理的水肥耦合調(diào)控技術(shù)、水資源的循環(huán)利用與合理的灌排管理和耕作制度與種植結(jié)構(gòu)調(diào)整成為今后南方地區(qū)水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞 南方稻作區(qū)；水稻；水肥調(diào)控；可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號(hào) S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）09-0014-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.005

Abstract This paper reviewed the current situations of water and fertilizer application and utilization in rice production in China，the research status of watersaving irrigation and controlled drainage，and discussed the new progress of fertilization technology research from the application of new fertilization modes and techniques，the promotion and application of new highefficiency fertilizers，and the combination of land use and land reclamation in southern ricegrowing areas.It is proposed that reasonable water and fertilizer coupling control technology，water resources recycling and rational irrigation and drainage management，farming system and planting structure adjustment will become the development trend of high quality，high yield and high efficiency production of rice in southern China.

Key words Southern China；Rice；Water and fertilizer regulation；Sustainable development

水稻是我國最主要的糧食作物，在我國糧食生產(chǎn)中占有極其重要的地位。我國水稻生產(chǎn)的大頭在南方，面積和總產(chǎn)分別占全國水稻的81.6%和79.4%[1]。水稻是一種喜溫、喜濕的作物，我國秦嶺—淮河以南的南方集中了全國80%左右的水資源，高溫期與多雨期一致，水熱資源豐富，比北方更適宜發(fā)展水稻生產(chǎn)[2]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上水和肥是影響作物產(chǎn)量與生態(tài)環(huán)境的重要因素，水稻是農(nóng)業(yè)灌溉用水和氮磷養(yǎng)分消耗最多的作物之一，生長期的養(yǎng)分管理和灌排水管理是非常重要的環(huán)節(jié)。近年來，南方地區(qū)水稻生產(chǎn)上如今也面臨諸多矛盾，一方面，不科學(xué)的養(yǎng)分管理極易導(dǎo)致水稻種植區(qū)氮磷養(yǎng)分流失，帶來嚴(yán)重環(huán)境問題的同時(shí)，使水稻當(dāng)季氮磷養(yǎng)分利用率下降；另一方面，由于降水時(shí)空分布不均和年際水文差異，而旱澇同季、同年現(xiàn)象極為普遍，因此，如何調(diào)控水稻種植中的水肥管理措施是一項(xiàng)緊急而艱巨的任務(wù)。

多年來，國內(nèi)外稻作科學(xué)工作者圍繞高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的目標(biāo)，針對(duì)我國南方地區(qū)的水文氣象要素、水稻各生育期水分和養(yǎng)分需求以及各區(qū)域的農(nóng)作模式與地勢環(huán)境，就稻田水肥調(diào)控技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，創(chuàng)建了“淺、濕、曬”灌溉、干濕交替灌溉、濕潤灌溉、蓄雨型灌溉和控制灌排等多種節(jié)水灌溉技術(shù)，以及有機(jī)無機(jī)肥配施、秸稈還田與化肥配施、冬閑期綠肥種植與生物炭等有機(jī)添加劑的養(yǎng)地培肥措施，緩/控釋肥或添加氮抑制劑等新型高效肥料、氮肥實(shí)時(shí)實(shí)地管理、減量優(yōu)化施肥等施肥模式，或是水肥耦合調(diào)控技術(shù)，為推動(dòng)稻作科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。筆者就我國水稻水肥利用現(xiàn)狀、南方稻區(qū)水肥調(diào)控研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢提出了以下看法。

1 我國稻田水肥利用現(xiàn)狀

21世紀(jì)全球農(nóng)業(yè)面臨兩大挑戰(zhàn)：一是為滿足人口的增長需要不斷增加糧食產(chǎn)量，二是在不斷增加糧食產(chǎn)量的同時(shí)需要應(yīng)對(duì)水資源的日益減少。我國水稻年種植面積達(dá)3 100萬hm2，占總耕地面積的 30% 左右，水稻總產(chǎn)量達(dá)到 1.8×1011 kg，占總糧食產(chǎn)量的40% 左右[3-4]。水稻是我國灌溉用水量最大、化肥消費(fèi)量最多的農(nóng)作物，其用水量占農(nóng)業(yè)用水量的70%，消耗全國總用水量約50%，目前用于灌溉的水資源愈來愈匱乏，嚴(yán)重制約了水稻的生產(chǎn)。

1961—2011年，綠色革命使得我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加速，糧食產(chǎn)量增長了3.9倍，這種高投入、高產(chǎn)出的體系意味著糧食供應(yīng)的增加，但同時(shí)也意味著資源消耗和環(huán)境成本的增加[5]。特別是化肥的消耗，2011年我國氮磷鉀肥（N+P2O5+K2O）消費(fèi)總量為5 050萬t，占世界化肥總消費(fèi)量的30%[6]，正是由于化肥在水稻增產(chǎn)中的不可替代性，我國化肥使用量不斷增加，方克明等[7]調(diào)查表明2005和2015年水稻化肥用量分別為951.45和978.75 kg/hm2，而同期農(nóng)作物化肥用量分別為533.85和579.3 kg/hm2，水稻化肥單位面積用量均明顯高于相應(yīng)年份的農(nóng)作物化肥使用量平均水平。由此可見，我國稻田氮肥施用量已經(jīng)處于相當(dāng)高的水平，朱兆良[8]研究指出在中國稻田碳銨的氮肥吸收利用率低于30%，尿素為30%～40%，李慶逵等[9]研究指出中國稻田氮肥吸收利用率為30%～35%，彭少兵等[10-11]研究指出隨著我國水稻氮肥用量的增加，其農(nóng)學(xué)利用率可能會(huì)持續(xù)繼續(xù)下降。

磷是作物正常生長發(fā)育所必需營養(yǎng)元素之一，水稻的磷肥施用量高達(dá)180～200 kg/hm2，但是由于磷在土壤中移動(dòng)性較差、易被土壤吸附固定等原因，磷肥當(dāng)季利用率僅為7.0%～20.0%[12-14]。當(dāng)前的水稻生產(chǎn)中，磷肥施用存在很大的盲目性和不合理性，主要表現(xiàn)為磷肥施用量普遍偏高[15]，生產(chǎn)上多表現(xiàn)為底肥一次性施入。但是，龔海青等[16]研究表明水稻施用磷肥量后移30%的磷肥貢獻(xiàn)率、農(nóng)學(xué)利用率、偏生產(chǎn)力和吸收利用率提高了27.7%、33.6%、8.2% 和273%。而不同類型水稻對(duì)磷肥投入的反應(yīng)不同，王偉妮等[17]研究表明早、中、晚稻的磷肥（P2O5）農(nóng)學(xué)利用率平均分別為13.3、13.3和11.6 kg/kg，偏生產(chǎn)力分別為116.4、148.0和157.5 kg/kg，吸收利用率分別為14.2%、13.7%和11.3%，生理利用率分別為85.2、110.4和65.4 kg/kg。不同栽培方式下水稻對(duì)磷素利用率也不相同，郭鑫年等[18]研究表明插秧處理水稻磷肥利用效率、偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)利用效率、生理利用效率較直播處理分別提高了 17.4%、8.6%、38.4%、4.6%。在水稻-油菜輪作體系中，卜容燕等[19]研究表明水稻季施磷（P2O5）60 kg/hm2時(shí)水稻產(chǎn)量最高，磷肥當(dāng)季利用率最大，而油菜季合理施用磷肥，則顯著地增加油菜的產(chǎn)量和磷素吸收量，這是因?yàn)樗炯臼┯玫牧追蕷埩粼谕寥乐锌梢员缓蠹居筒宋绽?，具有明顯的后效作用。

2 南方稻作區(qū)水管理現(xiàn)狀

灌溉對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分重要，水稻是需水量最多的作物之一，我國南方地區(qū)年降雨量豐富，特別是每年的梅雨期，但也存在時(shí)空分布不均的問題，季節(jié)性干旱地區(qū)的總面積逐年增加，且干旱多發(fā)生在夏、秋季節(jié)，正是水稻生長的關(guān)鍵需水期[20]，使得水稻生產(chǎn)中灌溉水量較大，同時(shí)由于稻田化肥用量過高，加之不合理的灌排管理，大量的氮磷等營養(yǎng)元素從稻田進(jìn)入周邊水體，加劇了農(nóng)業(yè)面源污染。因此，因地制宜地實(shí)施科學(xué)的灌排管理，合理利用梅雨期降雨，既能減少農(nóng)業(yè)用水，緩解水資源短缺，又能減少稻田排水，控制面源污染，有效緩解農(nóng)用水資源短缺問題、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源的持續(xù)、高效利用以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是一舉多得的舉措。

2.1 稻田節(jié)水灌溉研究進(jìn)展

水稻節(jié)水灌溉模式是指為充分利用降雨，優(yōu)化水稻的生理需水，減少水稻的生態(tài)需水，人為控制減少無效用水，從而實(shí)施的高效水分管理和稻田土壤水分狀況調(diào)節(jié)的灌水方法。根據(jù)水稻不同生育期的需水要求，選用不同的水層控制標(biāo)準(zhǔn)，不同灌水定額、灌水次數(shù)、灌水時(shí)間和灌溉定額，即不同的灌溉制度，從而形成不同的水稻灌溉模式[21]。稻田節(jié)水主要的兩個(gè)途徑是減少消耗量和增加蓄雨量，減少消耗主要是減少葉面蒸騰、棵間蒸發(fā)量和稻田滲漏量這3部分[22]。

近年來，學(xué)者們開展了大量稻田節(jié)水灌溉試驗(yàn)研究，一系列的節(jié)水灌溉措施被不斷測試、改進(jìn)和推廣應(yīng)用，并逐漸總結(jié)出了“淺、濕、曬”灌溉、濕潤灌溉、干濕交替灌溉和蓄雨型灌溉等多種節(jié)水增效的灌溉模式[23-27]，但是，這些灌溉技術(shù)并不是所有地區(qū)都能適用，針對(duì)不同地形地貌、土壤類型、氣候條件等特點(diǎn)來做研究才是關(guān)鍵。據(jù)報(bào)道，“淺、濕、曬”灌溉可節(jié)水40%左右[28]，增加產(chǎn)量1.1%[29]。張自常等[27]研究表明干濕交替灌溉相較農(nóng)民習(xí)慣灌溉的灌溉水利用效率（產(chǎn)量/灌溉水量）2.5%，產(chǎn)量增加6.16%～11.6%，同時(shí)還可改善稻米品質(zhì)。

晏軍等[30]在江漢平原地區(qū)研究表明，淺灌深蓄的蓄雨型灌溉技術(shù)較常規(guī)淹灌處理，田間灌溉水量、總用水量、徑流量、滲漏量和降雨利用率分別降低41.7%，18.5%，45.8%，21.9%和增加16.2%，TN和TP徑流流失量分別降低32.6%～35.9%和36.4%～53.1%，TN和TP滲漏流失量分別降低22.8%～32.0%和16.2%～33.3%。潘樂[31]研究表明“淺、濕、曬”灌溉比常規(guī)淹灌排水量減少10.3%，TN流失量減少19.1%，TP流失量減少11.3%。間歇灌溉比常規(guī)淹灌排水量減少15.0%，TN流失量減少3.6%，TP流失量減少19.5%，姜萍等[32]研究表明與常規(guī)淹灌處理相比，濕潤灌溉處理可減少8.9%的灌水量， 6.0%的徑流排水量以及17.3%的滲漏排水量，同時(shí)整個(gè)水稻季，減少了38.2%的TN徑流流失，以及42.1%的TN滲漏流失。

2.2 稻田控制排水研究進(jìn)展

稻田排水對(duì)水稻生長發(fā)育具有十分重要作用，合理排水可調(diào)節(jié)田間水、肥、氣、熱。控制排水有利于保持作物適宜的土壤水分條件、可減少排水流失量以及排水中的污染物[21]。然而，排水本身具有因地制宜的特點(diǎn)，合理的排水管理將會(huì)為水稻用水需求提供穩(wěn)定的用水供給與安全保障。Drury等[33]研究比較了傳統(tǒng)排水和控制排水對(duì)排水水質(zhì)的影響，研究表明控制排水的氮和磷的減少30%到50%。Ayars等[34]報(bào)道了控制排水是改善灌溉農(nóng)業(yè)用水管理的下一個(gè)合理步驟，和玉璞等[35-37]研究表明節(jié)水灌溉技術(shù)與控制排水技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可以有效減少稻田排水中氮、磷養(yǎng)分含量。喬欣等[38]研究指出節(jié)灌控排模式較非節(jié)灌控排明顯減少了農(nóng)田排水量和氮磷流失量，同時(shí)提高了養(yǎng)分利用率。

稻田控制排水除了影響稻田排水水量、水質(zhì)外，還會(huì)影響稻田田間耗水量。Wesstrm等[39]2年試驗(yàn)研究表明，暗管排水田塊蒸發(fā)蒸騰量分別較不排水田塊增加16%和7%；Tan等[40]3年的試驗(yàn)研究表明，在較干旱年份，暗管控制排水田塊蒸發(fā)蒸騰量較自由排水田塊顯著增加。俞雙恩等[41]、高世凱等[42-43]和Djaman K等[44]在太湖流域研究表明，控制排水通過對(duì)稻田水位的調(diào)控，排水量顯著減少，同時(shí)能有效地削減稻田地表排水中氮磷負(fù)荷，提高水稻水氮利用效率。

3 南方稻作區(qū)肥管理研究現(xiàn)狀

3.1 新施肥模式與技術(shù)的運(yùn)用

在水稻施肥模式與技術(shù)上，施肥方式應(yīng)盡量考慮分次施肥、深施和平衡施用，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕涤炅俊⒑０胃叨?、土壤類型與質(zhì)地和氣溫等特點(diǎn)設(shè)計(jì)出有效的施肥方式，同時(shí)應(yīng)以兼顧農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[45-46]。另外，施肥時(shí)期的確定也是一項(xiàng)重要技術(shù)，當(dāng)作物最需要養(yǎng)分時(shí)才施肥可以大大地提高肥料的利用率，減少氮磷等養(yǎng)分流失。目前，研究表明實(shí)地氮肥管理（SSNM）通過用SPAD（或LCC）自分蘗至抽穗監(jiān)測水稻葉色變化，根據(jù)所測定的SPAD 值（或LCC讀數(shù)）與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而決定施肥與否，以期獲得施氮時(shí)間和施氮量與水稻對(duì)氮素吸收的協(xié)調(diào)一致[47]。劉立軍等[48]研究表明，與農(nóng)民習(xí)慣施肥法（FFP）相比，SSNM的施氮量較FFP降低38.7%～41.3%，產(chǎn)量提高2.5%～3.5%，氮素產(chǎn)谷率、吸氮利用率和生理氮轉(zhuǎn)化率分別提高88.3%～117.7%、34.0%～39.5%和46.1%～61.6%。另外，在產(chǎn)量不降低甚至有所增加的前提下，馮緒猛[49]研究發(fā)現(xiàn)氮磷肥減量后移施用有利于降低氮肥用量，提高氮肥利用率，優(yōu)化施肥（226 kg/hm2 N）較習(xí)慣施肥（333 kg/hm2N）在平均減氮32.1%的基礎(chǔ)上顯著提高水稻產(chǎn)量5.5%，優(yōu)化施肥的氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）、氮肥農(nóng)學(xué)效率（AEN）、氮肥回收效率（REN）和氮肥生理利用率（PEN）較習(xí)慣施肥分別平均增加55.5%、79.1%、18.7%和48.7%；從水稻葉片光合特性、稻谷產(chǎn)量及氮素利用率等綜合考慮，氮磷適度減施在太湖地區(qū)水稻生產(chǎn)上是可行的[50]。

3.2 新型高效肥料的推廣應(yīng)用

目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所用的化肥，均屬于速溶性肥料，施用當(dāng)時(shí)在土壤溶液中的濃度高、活性大、變化快、易隨水流失。因此，作物在生長過程中實(shí)際吸收的量往往較少，利用率不高。國內(nèi)外有關(guān)研究表明，緩控釋肥具有養(yǎng)分有效供應(yīng)期長、利用率高、省肥省工等突出特點(diǎn)，是提高肥料利用效率、增加糧食產(chǎn)量的有效途徑。據(jù)報(bào)道，施用控釋（緩釋）肥料可使氮肥利用率達(dá) 60%～80%，在達(dá)到相同作物產(chǎn)量的情況下，可減少施肥量10%～50%[51]，這類肥料由于肥料利用率高，可以減少肥料用量以及淋溶損失，從而減少對(duì)環(huán)境的污染。目前，生產(chǎn)上應(yīng)用較廣的緩控釋肥料包括；物理型緩控釋肥料（主要為各種包膜肥料）；化學(xué)型緩控釋肥料（主要為養(yǎng)分釋放抑制型肥料、阻溶型肥料及化學(xué)合成類肥料等）。

針對(duì)化學(xué)肥料長期施用過度，有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥的應(yīng)用也較多，它主要是將有機(jī)肥料與無機(jī)肥料結(jié)合的新型肥料，有機(jī)物質(zhì)大都為加工后的有機(jī)肥料（如禽畜糞便、稻稈、木屑、食品加工廢料等）及其他含有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)（草炭、風(fēng)化煤、褐煤、腐殖酸等），無機(jī)營養(yǎng)部分主要是化學(xué)肥料[52]。王強(qiáng)[53]研究表明豬糞堆肥有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥和菜粕堆肥有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥的稻谷產(chǎn)量相對(duì)于于無機(jī)復(fù)合肥處理可分別增產(chǎn)4.3%和4.6%。孟琳[54]研究表明與單施化肥相比，施用有機(jī)-無機(jī)肥料能顯著促進(jìn)水稻生長后期對(duì)氮素的吸收，提高氮肥利用率。另外，新型微生物在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用也越來越廣泛，它是由一種或數(shù)種有益微生物活細(xì)胞制備而成的肥料，是將微生物和基質(zhì)按照一定比例混合，它能促進(jìn)植物生長、提高抗逆性[55]。微生物肥料含有大量有益微生物，同時(shí)化學(xué)養(yǎng)分含量相對(duì)較少，對(duì)作物增產(chǎn)和調(diào)控植株的生長、環(huán)境保護(hù)和改善品質(zhì)等方面起到重要作用，但是由于這類肥料價(jià)格較高，短期內(nèi)很難滿足水稻較大的養(yǎng)分需求，所以在水稻生產(chǎn)上應(yīng)用較少。

3.3 用地與養(yǎng)地相結(jié)合的培肥模式

在水稻水肥調(diào)控模式的研究和制定過程中，除考慮作物產(chǎn)量、生產(chǎn)效益、環(huán)境影響等因素外，還應(yīng)從可持續(xù)發(fā)展的角度，在生產(chǎn)過程中注意土地生產(chǎn)力的培養(yǎng)和維持。在我國南方稻區(qū)有大量冬閑田，通過種植綠肥來進(jìn)行稻田培肥，研究表明紫云英還田后可減少無機(jī)氮肥的投入，適當(dāng)比例的紫云英與氮肥配施還可以增加水稻產(chǎn)量，對(duì)于土壤肥力也有提升作用[56-57]，而聶江文等[58]研究表明，冬種紫云英不還田施氮肥也能顯著增加水稻產(chǎn)量和紫云英盛花期土壤微生物數(shù)量，改變土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)，改善土壤化學(xué)性質(zhì)。另外一方面，生物炭作為農(nóng)林資源的再生產(chǎn)物，因其具有保水保肥、大比表面積、強(qiáng)吸附性等特性，在土壤改良與與固碳減排等方面均具有較好的效果，實(shí)現(xiàn)資源化利用的同時(shí)，其改良效果對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)修復(fù)等都具有重要意義，備受國內(nèi)外學(xué)科領(lǐng)域關(guān)注。目前相關(guān)學(xué)者研究表明，生物炭與氮磷鉀肥配施[59-60]，微生物菌肥與生物炭組合處理[61]，可促進(jìn)水稻生長，顯著提高水稻產(chǎn)量，有效降低水稻生育前期氮素流失風(fēng)險(xiǎn)，縮短養(yǎng)分流失風(fēng)險(xiǎn)期，并能維持土壤肥力。

4 南方稻區(qū)水肥調(diào)控研究發(fā)展趨勢

4.1 合理的水肥耦合調(diào)控技術(shù)

在影響作物生長的水、肥、氣、熱等諸多因子中，水與肥是作物生產(chǎn)力水平提高的關(guān)鍵因素。在農(nóng)田系統(tǒng)中，水分和養(yǎng)分之間及作物與水肥間相互促進(jìn)與拮抗的動(dòng)態(tài)關(guān)系，以及作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成對(duì)這些相互作用的反應(yīng)叫做水肥耦合效應(yīng)[62]。單一的水管理或肥管理可以達(dá)到節(jié)水或節(jié)肥，水肥綜合調(diào)控可以作為節(jié)水、控污、高效的稻田水肥管理措施[63]。因此，進(jìn)一步研究水肥耦合效應(yīng)對(duì)水稻養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量形成以及品質(zhì)的影響及其交互效應(yīng)，可以較少的水肥投入獲得最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，指導(dǎo)水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效栽培具有重要意義。

4.2 水資源的循環(huán)利用與合理的灌排管理 對(duì)于南方平原地區(qū)湖泊水資源保護(hù)而言，濱湖池塘養(yǎng)殖對(duì)水環(huán)境影響比較大。養(yǎng)殖池塘與稻田協(xié)作模式可使池塘水及其養(yǎng)分在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)利用，具有節(jié)水、對(duì)水環(huán)境友好的特點(diǎn)。再者，池塘養(yǎng)殖水含有作物可利用的氮磷營養(yǎng)，用于灌溉作物能減少化肥施用量，可降低作物生產(chǎn)成本。另外，農(nóng)田排水也可作為稻田灌水的一個(gè)重要來源，可使降雨期間進(jìn)入農(nóng)溝排水中的氮磷養(yǎng)分得到循環(huán)利用，減少進(jìn)入環(huán)境的氮磷負(fù)荷[64]。農(nóng)田排水再利用作為一種緩解水資源短缺矛盾的重要途徑在國內(nèi)外許多地區(qū)已經(jīng)得到應(yīng)用實(shí)踐。許多研究者指出，利用排水作為水源不僅提供給作物所需水分，同時(shí)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生最小化影響[65-67]。

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