不同灌溉和施肥模式對水稻產(chǎn)量、氮利用和稻田氮轉(zhuǎn)化特征的影響

曹小闖,吳龍龍,朱春權(quán),朱練峰,孔亞麗,陸若輝,孔海民,胡兆平,戴鋒,張均華?,金千瑜

1中國水稻研究所/水稻生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310006；2浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理總站，杭州 310020；3金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司/養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東臨沂 276700；4紹興沃土農(nóng)業(yè)科技有限公司，浙江紹興 312000

0 引言

【研究意義】水稻（OryzaSativaL.）是我國主要的糧食作物，氮素利用率低和稻田耗水量大是其面臨的2個(gè)主要問題。當(dāng)前，我國水稻氮素和水分利用率僅35%—40%和30%—40%，遠(yuǎn)低于世界平均水平[1-2]。長期過量施氮及不合理的灌溉方式不僅造成水氮資源利用效率低下，也導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降[3]、耕地質(zhì)量退化[4]、農(nóng)業(yè)面源污染[5]和溫室氣體排放[6-7]等系列問題，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和人類健康[8]。探索兼顧提升水稻產(chǎn)量和水氮利用效率的適宜栽培途徑一直是近年來作物栽培學(xué)、土壤學(xué)和植物營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】適宜的水氮耦合模式，如干濕交替灌溉、起壟栽培和好氧灌溉等耦合氮肥運(yùn)籌，可通過調(diào)控根系形態(tài)構(gòu)建[9]、葉面積指數(shù)和光合速率[10-12]、同化物轉(zhuǎn)運(yùn)和分配[13-14]等提升水稻群體質(zhì)量；同時(shí)，還可通過調(diào)控根際氮形態(tài)[15]、微生物群落結(jié)構(gòu)[16]和氮吸收轉(zhuǎn)化[12]等減少稻田氮素徑流損失[17]，提高水稻產(chǎn)量和氮素利用率并對稻田系統(tǒng)氮循環(huán)產(chǎn)生重大影響[14,18]。作物高產(chǎn)與養(yǎng)分高效的本質(zhì)是確保養(yǎng)分供應(yīng)的時(shí)空有效性與作物需求同步[19-20]。然而，常規(guī)尿素施入農(nóng)田后迅速轉(zhuǎn)化為NH4+和NO3-，存在較大的氨揮發(fā)和徑流損失風(fēng)險(xiǎn)，很難實(shí)現(xiàn)肥料養(yǎng)分供給與水稻需肥規(guī)律同步[21-22]?；谕寥鲤B(yǎng)分有效性、作物目標(biāo)產(chǎn)量和葉片 SPAD實(shí)時(shí)變化開發(fā)的實(shí)時(shí)實(shí)地氮肥管理系統(tǒng)（site-specific nutrient management，SSNM），可通過合理調(diào)控水稻各生育期需氮量和施氮比例提高水稻產(chǎn)量和氮素利用效率[18,23]，但其多次施肥要求同當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺的社會現(xiàn)實(shí)相矛盾。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)不斷提升，環(huán)境友好型肥料產(chǎn)品的研發(fā)與輕簡配套施用技術(shù)已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。通過添加生化抑制劑、新型包膜材料研發(fā)的系列緩控釋肥、穩(wěn)定性肥料及其配套施肥技術(shù)（如一次性施肥、側(cè)深施肥等技術(shù)），能有效簡化施肥管理，提高產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率[24-26]。同時(shí)，以生物炭為載體的土壤增效劑能顯著降低田面水各形態(tài)氮濃度，有效降低稻田氮素徑流損失及面源污染風(fēng)險(xiǎn)[27-28]。但是，當(dāng)前生物炭對稻田氮素循環(huán)的研究結(jié)論并不統(tǒng)一，HUANG等[29]研究表明生物炭可以提高水稻氮素吸收和產(chǎn)量形成，但范龍等[30]則得出相反的結(jié)論?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】當(dāng)前，人們對干濕交替灌溉在提高水稻產(chǎn)量、水分和氮素利用效率方面的作用已有明確認(rèn)識，但如何結(jié)合現(xiàn)有栽培技術(shù)充分發(fā)揮緩/控釋肥養(yǎng)分調(diào)控優(yōu)勢，構(gòu)建可協(xié)同實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)、氮肥高效利用的輕簡栽培技術(shù)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究擬通過探究不同灌溉和施肥模式對水稻產(chǎn)量、氮吸收利用和稻田氮遷移轉(zhuǎn)化特征的影響及其與水稻產(chǎn)量的關(guān)系，以期為南方稻區(qū)水稻綠色高效栽培技術(shù)集成研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于 2018—2019年在中國水稻研究所富陽試驗(yàn)基地進(jìn)行。供試土壤類型為青紫泥，pH 6.3、有機(jī)質(zhì) 36.8 g·kg-1、全氮 2.65 g·kg-1、有效磷 17.0 mg·kg-1、速效鉀 54.1 mg·kg-1、堿解氮 142 mg·kg-1。供試水稻品種為秈型三系雜交稻中浙優(yōu)1號，由中國水稻研究所與浙江勿忘農(nóng)種業(yè)集團(tuán)合作育成，具有產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)、抗性好、適應(yīng)廣等特點(diǎn)，在長江中下游和南方稻區(qū)得到廣泛推廣種植。

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，以灌溉模式為主區(qū)、施肥模式為裂區(qū)，各處理重復(fù)3次，主區(qū)間做水泥埂保證單獨(dú)排灌。2種灌溉模式如下：（1）干濕交替灌溉（alternate wet and dry irrigation，AWD），具體水分管理參考彭玉等[14]方法；（2）常規(guī)淹灌（flood irrigation，F(xiàn)I），除分蘗期外整個(gè)生育期田面保持2—3 cm水層，分蘗期曬田，收獲前自然落干。5種施肥模式如下：（1）空白對照（N0）、（2）常規(guī)施氮（PUN100）、（3）減氮 20%（PUN80）、（4）緩控釋復(fù)合肥減氮20%+生物炭（CRFN80-BC）和（5）穩(wěn)定性復(fù)合肥減氮20%+生物碳（SFN80-BC）。PUN100和PUN80處理中施氮量分別為180和144 kg·hm-2，氮肥以尿素計(jì)，按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3分 3次施用；CRFN80-BC和SFN80-BC處理中施氮量為144 kg·hm-2，按照基肥∶穗肥=7∶3分2次施用（一基一追，基施緩控釋/穩(wěn)定性復(fù)合肥，追施尿素）。所有5種施肥處理中 P2O5、K2O 施用量均為 90、150 kg·hm-2，磷肥（以CaP2H4O8計(jì)）一次性基施，鉀肥（以KCl計(jì)）按照基肥∶穗肥=6∶4分 2次施入。其中，CRFN80-BC和SFN80-BC處理肥料用量包含生物炭中的氮、磷和鉀養(yǎng)分含量。

緩控釋復(fù)合肥（control-released fertilizer，CRF，N、P2O5和K2O含量為22%、8%和12%）由山東金正大生態(tài)工程股份有限公司提供，采用熱固性樹脂快速成膜技術(shù)制備，膜用量為肥料質(zhì)量的0.2%左右，控釋期3個(gè)月。穩(wěn)定性復(fù)合肥（stable fertilizer，SF，N、P2O5和K2O含量為21%、8%和18%）由紹興沃土農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，含有2-氯-6-三氯甲基吡啶（CP）作為硝化抑制劑，其含量為氮養(yǎng)分含量的1.5%。生物炭為水稻秸稈在500℃隔氧裂解1 h燒制而成，施用量為1 800 kg·hm-2，其基本理化性狀為 pH 9.1、全氮 4.3 g·kg-1、全磷 0.7 g·kg-1、全鉀 15.5 g·kg-1、速效氮 4.3 mg·kg-1、速效磷 154.0 mg·kg-1、速效鉀 8 730 mg·kg-1，插秧前一天同基肥一起施于稻田。

1.2 稻田滲漏液收集

稻田滲漏液采用帶有具微孔陶土頭的 PVC管收集[31]。預(yù)先用外徑1.8 cm的土鉆垂直打孔，將 PVC 管插入至距表土層15、30和60 cm深度。使用便攜式電動(dòng)真空泵在收集滲濾液前天下午18：00進(jìn)行抽氣，負(fù)壓12 h后收集滲濾水。返青前滲濾液在水稻移栽后的第1、3、5、7、9天收集，秧苗返青—成熟期每隔7 d收集一次，用定性濾紙過濾后置于4℃冰箱保存?zhèn)溆?。同時(shí)，在水稻分蘗盛期、齊穗期和收獲期采集15、30和60 cm剖面深度土壤樣品，自然風(fēng)干后過20目篩備用。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因子 成熟后，每小區(qū)隨機(jī)調(diào)查10株水稻有效穗，取3叢考察每穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率，各小區(qū)實(shí)收測產(chǎn)。

1.3.2 各器官氮累積、氮轉(zhuǎn)運(yùn)和氮素利用率 在分蘗盛期、齊穗期和成熟期采集3穴水稻樣品，分成莖鞘（包含莖和葉鞘）、葉片和穗 3個(gè)部分，烘干至恒重后稱重、粉碎，采用H2SO4-H2O2消煮凱氏定氮法測定各器官氮含量。水稻氮累積量、氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮轉(zhuǎn)運(yùn)率、轉(zhuǎn)運(yùn)氮對籽粒貢獻(xiàn)率，以及氮素農(nóng)學(xué)利用率、回收效率、生理利用率和偏生產(chǎn)力等測定采用霍中洋等[32]方法。

1.3.3 稻田土壤和滲濾液各形態(tài)氮含量 不同剖面深度土壤及滲濾液中的可溶性總氮（DTN）采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定[33]，NH4+和 NO3-含量采用流動(dòng)分析儀檢測（Bran & Luebe，Norder-stedt，Germany）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft excel 2010和SPSS數(shù)據(jù)分析軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和方差分析，不同處理間顯著性檢驗(yàn)采用 LSD0.05（Least significant difference test）進(jìn)行比較，各指標(biāo)間的相關(guān)性分析采用 Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行分析。采用Origin 8.0 進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果

2.1 不同灌溉和施肥模式對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

由表1所示，灌溉和施肥模式顯著影響水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子，二者交互效應(yīng)顯著（P＜0.05）。與常規(guī)淹灌（FI）相比，干濕交替灌溉（AWD）顯著增加了各處理水稻產(chǎn)量，N0、PUN100、PUN80、CRFN80-BC和SFN80-BC處理2年平均產(chǎn)量分別增產(chǎn)8.6%、9.7%、6.1%、11.9%和13.8%。FI和AWD灌溉方式下，PUN80處理水稻產(chǎn)量較 PUN100處理分別顯著降低 6.9%和8.8%（2018年）、4.7%和8.9%（2019年）；相反，CRFN80-BC和SFN80-BC處理產(chǎn)量顯著高于PUN100，且以AWD灌溉下SFN80-BC處理最高。從2年產(chǎn)量構(gòu)成因子來看，AWD灌溉模式下，CRFN80-BC處理可通過增加有效穗、穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率提高水稻產(chǎn)量，而 SFN80-BC處理主要通過增加穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率增加產(chǎn)量。與PUN80處理相比，無論AWD還是FI模式，CRFN80-BC和SFN80-BC處理均通過增加有效穗提高水稻產(chǎn)量。2018和2019年各施肥和灌溉模式下水稻產(chǎn)量無顯著差異，且年份與施肥、灌溉模式交互作用不顯著，表明2年結(jié)果基本一致且相對獨(dú)立，故本文采用2019年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 不同灌溉和施肥模式對水稻各器官氮含量的影響

分蘗期PUN100和PUN80處理水稻葉片、莖鞘氮含量較 N0處理顯著降低（P＜0.05）（圖 1），但受灌溉模式影響差異不顯著（除PUN100處理莖鞘）；與FI相比，AWD灌溉模式顯著增加 CRFN80-BC和SFN80-BC處理葉片、莖鞘氮含量。AWD灌溉模式顯著增加齊穗期N0處理水稻葉片、莖鞘和穗氮含量（P＜0.05），但對其他處理（除PUN80處理葉片、SFN80-BC處理穗）無顯著影響，CRFN80-BC和SFN80-BC處理水稻葉片、莖鞘氮含量顯著高于PUN100和 PUN80處理（P＜0.05）。水稻成熟期 AWD灌溉模式降低了 N0處理莖鞘氮含量，但增加了 N0和SFN80-BC處理穗部氮含量。

2.3 不同灌溉和施肥模式對水稻氮累積和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

隨生育期推進(jìn)，各處理（N0處理除外）水稻葉片、莖鞘氮積累量均呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，穗氮積累量明顯增加（表2）。與FI相比，AWD灌溉模式顯著增加了分蘗期和齊穗期N0、CRFN80-BC和SFN80-BC處理水稻莖鞘、葉片氮累積量（P＜0.05），且以SFN80-BC處理最高；相反，顯著降低了成熟期N0處理葉片、莖鞘氮累積量，但增加了PUN80和SFN80-BC處理莖鞘、CRFN80-BC處理葉片氮累積量。除PUN80處理外，AWD灌溉模式顯著提高了成熟期各處理穗部氮累積量，且SFN80-BC和PUN100處理顯著高于其他處理。不同處理各器官氮累積量、分配比例在分蘗期、齊穗期和成熟期呈現(xiàn)葉＞莖鞘、葉≈莖鞘＞穗、穗＞莖鞘＞葉的趨勢。與FI相比，AWD灌溉顯著降低分蘗期N0、PUN100、CRFN80-BC和SFN80-BC處理水稻莖鞘氮分配比例，但增加了其葉片氮分配比例。

表2 水稻主要生育期群體各器官氮積累量及比例Table 2 Nitrogen accumulation and its ratio to total in main growth stages of rice

灌溉和施肥模式對水稻葉、莖鞘和穗氮累積量以及氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率均存在顯著交互效應(yīng)（P＜0.05）（表3）。AWD灌溉模式顯著增加了CRFN80- BC和SFN80-BC處理莖鞘、葉片氮轉(zhuǎn)運(yùn)量和氮轉(zhuǎn)運(yùn)率，且顯著高于PUN100和PUN80處理。AWD灌溉模式顯著增加各處理轉(zhuǎn)運(yùn)氮對穗部氮貢獻(xiàn)率，SFN80-BC處理顯著高于其他各處理。從葉片和莖鞘貢獻(xiàn)率看，AWD灌溉模式顯著增加N0、CRFN80-BC和SFN80-BC處理葉片和莖鞘氮轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率，且葉片氮轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率明顯高于莖鞘。

表3 水稻抽穗期至成熟期群體各器官氮轉(zhuǎn)運(yùn)量和氮轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率Table 3 N translocation and contribution of nitrogen translocation in stems-sheaths and leaves of rice from the heading to maturity stage

2.4 不同灌溉和施肥模式對水稻氮素利用率的影響

灌溉和施肥模式均顯著影響水稻各氮素利用率指標(biāo)（表4）。與FI相比，AWD灌溉模式對PUN100處理水稻氮回收利用率、氮農(nóng)學(xué)利用率和氮生理利用率無顯著影響（P＞0.05）。除PUN80處理氮農(nóng)學(xué)利用率、CRFN80-BC處理氮生理利用率外，AWD灌溉模式均顯著增加PUN80、CRFN80-BC和SFN80-BC處理水稻氮回收利用率、氮農(nóng)學(xué)利用率、氮生理利用率和氮偏生產(chǎn)力（P＜0.05），以SFN80-BC處理最高，分別達(dá)53.6%、19.4 kg·kg-1、42.2 kg·kg-1和 68.8 kg·kg-1，且顯著高于其他處理。

表4 不同處理水稻氮素利用率指標(biāo)Table 4 Nitrogen use efficiency of rice in different treatments

2.5 不同灌溉和施肥模式對稻田、滲濾液中各形態(tài)氮含量的影響

分蘗期和齊穗期各處理土壤可溶性總氮（dissolved total N，DTN）、NH4+和NO3-含量隨剖面深度呈現(xiàn)先增加后降低趨勢（圖2）。與FI相比，除齊穗期PUN100處理外，AWD灌溉模式對上述各處理DTN含量均無顯著影響，降低了分蘗期PUN100處理稻田NH4+和NO3-以及SFN80-BC處理NH4+含量，但增加了PUN80處理NH4+及SFN80-BC處理NO3-含量。同時(shí)，AWD灌溉模式降低了齊穗期SFN80-BC處理NH4+含量，但增加了N0處理NO3-以及CRFN80-BC處理NH4+和NO3-含量。與FI相比，AWD灌溉模式顯著增加了成熟期CRFN80-BC和SFN80-BC處理稻田DTN和NO3-含量，但降低了PUN100、CRFN80-BC和SFN80-BC處理稻田0—30 cm深度NH4+含量。無論FI還是AWD灌溉模式，CRFN80-BC和SFN80-BC處理各剖面NO3-和NH4+均明顯高于PUN100處理。

稻田不同剖面滲濾液中DTN、NH4+含量在移栽第3天出現(xiàn)峰值隨后逐漸降低，且15 cm滲濾液DTN在穗肥施用后出現(xiàn)第 2個(gè)峰值（圖 3）。與 FI相比，AWD灌溉模式增加水稻拔節(jié)前（7月15日）N0、PUN80處理稻田 15 cm剖面滲濾液中 DTN含量，降低了CRFN80-BC和SFN80-BC處理DTN含量。AWD灌溉模式增加了N0、PUN100和PUN80處理拔節(jié)前稻田15 cm剖面滲濾液中 NO3-含量，但降低了 CRFN80-BC和SFN80-BC處理 NO3-和所有處理中 NH4+含量，且CRFN80-BC處理NH4+、NO3-含量明顯低于其他處理。此外，AWD灌溉模式還一定程度降低了CRFN80-BC和SFN80-BC處理稻田60 cm滲濾液NH4+和NO3-含量，且NO3-含量明顯高于NH4+。

2.6 水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因子與氮吸收運(yùn)轉(zhuǎn)、氮利用效率及稻田氮含量的相關(guān)性

抽穗期和成熟期水稻葉和莖鞘氮積累量、莖鞘氮轉(zhuǎn)運(yùn)量及其轉(zhuǎn)運(yùn)氮貢獻(xiàn)率均與水稻有效穗、每穗穎花數(shù)和產(chǎn)量顯著或極顯著正相關(guān)（P＜0.05），但與千粒重和結(jié)實(shí)率相關(guān)性不顯著或顯著負(fù)相關(guān)。氮回收利用率、氮農(nóng)學(xué)利用率與有效穗和產(chǎn)量極顯著正相關(guān)，氮農(nóng)學(xué)利用率、氮偏生產(chǎn)力與每穗穎花數(shù)和產(chǎn)量極顯著正相關(guān)（表5）。由此可見，水稻氮素累積、運(yùn)轉(zhuǎn)及氮效率與產(chǎn)量密切相關(guān)，氮素積累、運(yùn)轉(zhuǎn)主要是通過影響有效穗和穗粒數(shù)影響水稻產(chǎn)量；營養(yǎng)生長期葉、莖鞘氮素累積對有效穗、穗粒數(shù)和產(chǎn)量起正效應(yīng)作用，對千粒重和結(jié)實(shí)率則表現(xiàn)一定的負(fù)效應(yīng)。各氮素利用率指標(biāo)均與水稻產(chǎn)量、葉片和莖鞘氮累積量、轉(zhuǎn)運(yùn)量及轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率顯著正相關(guān)（部分?jǐn)?shù)據(jù)表 5未顯示）。此外，水稻產(chǎn)量還與成熟期稻田土壤DTN和NO3-含量顯著正相關(guān)，但與NH4+顯著負(fù)相關(guān)。

表5 水稻氮累積轉(zhuǎn)運(yùn)、氮素利用率和稻田氮含量與產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients of nitrogen accumulation, translocation, nitrogen use efficiency and soil nitrogen concentration with rice yield and its yield components

3 討論

3.1 不同灌溉和施氮模式對水稻產(chǎn)量形成的影響

本研究中，AWD灌溉模式較FI顯著提高各處理水稻產(chǎn)量，且CRFN80-BC和SFN80-BC處理顯著高于其他處理。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，AWD灌溉模式可通過增加有效穗、穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率提高CRFN80-BC處理水稻產(chǎn)量，SFN80-BC則通過增加穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率增加產(chǎn)量。這可能是AWD灌溉模式能抑制水稻無效分蘗形成，一定程度上保證了成穗率，有助于高產(chǎn)群體構(gòu)建并降低氮素的奢侈消費(fèi)；同時(shí)，AWD灌溉模式有助于保持較高的根系活力，可增加稻株對氮的吸收和氮素在植株中的分配、運(yùn)轉(zhuǎn)[34]。李娜等[35]發(fā)現(xiàn)控制灌溉下氮高效水稻品種較高的穗粒數(shù)、總穎花量和群體庫容量是其產(chǎn)量更具優(yōu)勢的關(guān)鍵，而氮低效品種可通過增加籽粒千粒重縮小其與氮高效品種的產(chǎn)量差距。徐云姬等[13]采用揚(yáng)兩優(yōu)6號、武運(yùn)粳24和旱優(yōu)8號也得出類似的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)控制灌溉有利于花后籽粒尤其是弱勢粒灌漿，可依靠千粒重的優(yōu)勢彌補(bǔ)其群體穎花量上的不足。中浙優(yōu)1號作為耐肥性強(qiáng)的高產(chǎn)組合，控制灌溉對不同施肥模式水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響不同，我們分析這可能與不同處理氮肥有效性、水稻氮吸收轉(zhuǎn)運(yùn)緊密相關(guān)。常規(guī)淹灌下尿素水解和氮素遷移迅速，易導(dǎo)致營養(yǎng)生長期水稻群體過大、無效分蘗增加、稻田氮肥后勁不足等問題，對后期氮素運(yùn)轉(zhuǎn)和分配造成消極影響[14]，不利于水稻高產(chǎn)群體構(gòu)建。穩(wěn)定性/緩控釋復(fù)合肥由于養(yǎng)分釋放緩慢、氮有效性較高[36]，能保證足穗并促進(jìn)重穗，有利于提高水稻有效穗、產(chǎn)量和氮素利用率。此外，AWD灌溉模式下好氧環(huán)境促進(jìn)了微生物群落結(jié)構(gòu)和活性，有利于提高土壤氮礦化及硝化作用進(jìn)程、減少土壤氮素淋溶損失[37]，這也能一定程度提高水稻產(chǎn)量。

也有研究發(fā)現(xiàn)干濕交替會通過縮短灌漿期、減少地上部干物質(zhì)累積導(dǎo)致水稻減產(chǎn)[38-39]，不同水氮耦合研究對水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響并不統(tǒng)一。這可能與土壤落干程度、肥料類型以及水稻品種抗旱性等密切關(guān)系。與常規(guī)秈稻和粳稻相比，甬優(yōu)系列秈粳雜交稻較高的莖鞘和葉片氮含量有利于維持生育后期較強(qiáng)的根系活力和氮素吸收積累，這是其高產(chǎn)形成的重要生理特征[40]。當(dāng)前，控制灌溉下不同基因型水稻莖鞘和葉向穗部籽粒的氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率及其與產(chǎn)量形成關(guān)系有何差異仍鮮有報(bào)道。因此，不同緩控釋/穩(wěn)定性肥料對水稻產(chǎn)量的影響應(yīng)結(jié)合水稻品種和水肥管理進(jìn)行長期深入的研究，這也是本研究的局限性，有待進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善。

3.2 不同灌溉和施氮模式對水稻氮素吸收利用的影響

前人研究發(fā)現(xiàn)通過栽培方式[41]、養(yǎng)分調(diào)控[42]、高產(chǎn)品種[32]等維持水稻營養(yǎng)生長期較高的干物質(zhì)和氮素積累，增強(qiáng)抽穗-成熟期氮素向穗轉(zhuǎn)運(yùn)是其獲得高產(chǎn)和氮高效利用的基礎(chǔ)。本研究中，不同灌溉和施肥模式在水稻氮吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)及氮利用率上表現(xiàn)出顯著協(xié)同促進(jìn)作用，進(jìn)一步完善了前人的研究結(jié)果[14,34]。與FI相比，AWD灌溉模式顯著提高了抽穗前CRFN80-BC和SFN80-BC處理水稻莖鞘和葉片氮累積量，增加了營養(yǎng)器官向生殖器官氮轉(zhuǎn)運(yùn)的“源”。除成熟期莖鞘氮累積量外，水稻產(chǎn)量與抽穗前莖鞘、葉片和穗氮累積量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系（表5），表明提高此階段氮素累積將有助于增加水稻產(chǎn)量。灌漿期至成熟期作物體內(nèi)的養(yǎng)分主要進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)分配，前人發(fā)現(xiàn)水稻灌漿期根系吸收氮素僅占吸收總量的10%—30%，其余主要通過水稻莖、葉等營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)運(yùn)來實(shí)現(xiàn)[43]。AWD灌溉模式提高了CRFN80-BC和SFN80-BC處理莖鞘和葉片氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮轉(zhuǎn)移率及其氮轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率，且其數(shù)值顯著高于PUN100和PUN80處理。各處理中水稻營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)運(yùn)氮對穗部的貢獻(xiàn)率達(dá) 42.8%—80.6%，這也間接證明了維持抽穗期營養(yǎng)器官較高氮素累積量對水稻高產(chǎn)的重要性。相關(guān)分析結(jié)果顯示，水稻營養(yǎng)生長期葉和莖鞘氮積累量、成熟期氮轉(zhuǎn)運(yùn)量及其轉(zhuǎn)運(yùn)氮貢獻(xiàn)率與水稻產(chǎn)量顯著正相關(guān)（P＜0.05），表明二者可協(xié)同促進(jìn)氮素在稻株中的吸收、分配和運(yùn)轉(zhuǎn)暢通，進(jìn)而顯著提高其產(chǎn)量。這與霍中洋等[32]和彭玉等[14]的研究結(jié)果一致。這可能與CRFN80-BC和SFN80-BC處理中緩控釋/穩(wěn)定性復(fù)合肥養(yǎng)分釋放特性能有效契合水稻生長規(guī)律、氮素有效期長有關(guān)，進(jìn)而提高水稻氮吸收利用效率[36,44]；另一方面，水稻生育后期CRFN80-BC和 SFN80-BC處理仍維持較高的氮含量，不僅能防止葉片早衰，增強(qiáng)后期光合作用，還有利于維持生育后期較強(qiáng)的根系活力和氮吸收積累，保證灌漿期間穗部籽粒對氮素的需求和轉(zhuǎn)運(yùn)[45]。

莖鞘非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSCs）是水稻籽粒灌漿的重要物質(zhì)來源，而協(xié)調(diào)莖鞘NSCs的積累與再分配是實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)和增強(qiáng)抗逆能力的重要途徑[46]。前人從水稻產(chǎn)量形成的庫-源關(guān)系、同化物轉(zhuǎn)運(yùn)方面做了較多研究，發(fā)現(xiàn)抽穗前莖鞘中儲存NSCs的運(yùn)轉(zhuǎn)和抽穗后光合產(chǎn)物對產(chǎn)量形成的貢獻(xiàn)分別為 30%和70%[47-48]。適度水分脅迫可通過增強(qiáng)莖鞘 α-淀粉酶和蔗糖磷酸合成酶活性，加快儲藏淀粉的水解與蔗糖合成；同時(shí)，也可通過調(diào)控籽粒中 ABA合成加速灌漿進(jìn)程，促進(jìn)莖鞘積累NSCs向籽粒再分配[49-50]。另一方面，與CRFN80-BC和SFN80-BC處理相比，常規(guī)施氮處理較高施氮水平可導(dǎo)致碳庫競爭、源限制以及呼吸消耗增加，不利于莖鞘NSCs的積累和再轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致莖鞘NSCs殘留量增加和對產(chǎn)量貢獻(xiàn)率下降[51]?；谝陨涎芯?，除了確保氮素在水稻中的吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)暢通，我們推測干濕交替模式下CRFN80-BC和SFN80-BC處理還可通過調(diào)控抽穗前期干物質(zhì)形成、灌漿期較高的光合產(chǎn)物累積及其籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)而維持較高產(chǎn)量水平。但是，其莖鞘NSCs內(nèi)在轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 不同灌溉和施氮模式對稻田氮遷移轉(zhuǎn)化特征的影響

氮素施用后在脲酶、微生物等作用下被分解，各形態(tài)氮遷移轉(zhuǎn)化受土壤吸附、生物固定、揮發(fā)損失、硝化作用等過程影響[52]。水稻營養(yǎng)生長期 PUN100、PUN80、CRFN80-BC和SFN80-BC處理土壤DTN、NH4+和NO3-含量隨剖面深度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。這可能與該時(shí)期根系主要分布于淺層土壤，對氮素需求量大等有關(guān)[53]。稻田硝化作用受根際水分含量和溶氧量影響[52]，理論上干濕交替過程有利于促進(jìn) NH4+向NO3-轉(zhuǎn)化，進(jìn)而增加CRFN80-BC和SFN80-BC處理稻田 NO3-含量。也有研究指出，硝化抑制劑能有效降低肥料NH4+釋放速率及其硝化速率，使稻田中氮素更多地以 NH4+形式存在[54-55]。不同的是，SFN80-BC處理分蘗期和齊穗期稻田 NH4+含量顯著降低，這可能與AWD灌溉模式誘導(dǎo)的硝化作用一定程度上高于硝化抑制劑（如CP）誘導(dǎo)的硝化抑制作用有關(guān)；另一方面，作為喜 NH4+作物，AWD灌溉模式能夠促進(jìn)水稻根系向下層土壤伸長并保持較高的根系活力[9]，能促進(jìn)水稻對NH4+的吸收和利用[56]。這也間接解釋了CRFN80-BC和SFN80-BC處理滲濾液中 NO3-質(zhì)量較低、水稻氮素利用率較高的原因。成熟期伴隨著水稻根系氮吸收能力降低和硝化作用增強(qiáng)，AWD灌溉模式顯著增加了 CRFN80-BC和SFN80-BC處理各剖面稻田 DTN、NO3-質(zhì)量濃度，并降低NH4+濃度?？傊?，不同灌溉模式下，肥料養(yǎng)分釋放和水稻吸收能力不同導(dǎo)致CRFN80-BC和SFN80-BC處理 NH4+和 NO3-呈現(xiàn)明顯的濃度差異特征。雖然AWD灌溉模式可有效降低稻田反硝化作用及其產(chǎn)生的N2O損失[57]，但硝化作用的增強(qiáng)也為反硝化作用提供了底物NO3-，也有增加稻田氮素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)。因此，進(jìn)一步明確稻田干濕交替過程中硝化-反硝化耦合過程、氮損失貢獻(xiàn)及其微生物機(jī)制，對深入揭示水氮耦合下水稻氮高效利用機(jī)制具有重要意義。

各處理稻田滲漏液中 NH4+和 DTN 濃度于第 1—3 天達(dá)到峰值后降低，第6天分別降為峰值的22.9%—47.2%、12.3%—49.6%，與周旋等[58]和潘圣剛等[59]的研究結(jié)果基本一致。不同剖面深度滲濾液中各形態(tài)氮濃度呈現(xiàn) DTN＞＞NO3-＞NH4+，DTN是滲漏液氮的主要損失形態(tài)，這可能與DTN移動(dòng)性較強(qiáng)有關(guān)[60]。與 FI相比，AWD灌溉模式顯著降低了 CRFN80-BC和SFN80-BC處理稻田滲濾液中DTN、NH4+和NO3-含量，且其含量顯著低于N0、PUN100和PUN80處理。這可能因?yàn)镃RFN80-BC和SFN80-BC處理中穩(wěn)定性復(fù)合肥、緩釋復(fù)合肥NH4+處于緩慢釋放過程或其硝化作用被抑制。鄭圣先等[61]研究也表明，一次性基施控釋氮肥的氨揮發(fā)、淋失和硝化-反硝化的損失量分別比普通尿素下降54.0%、32.5%和94.2%。也有研究指出，添加硝化抑制劑會提高稻田根層土壤滲漏水的NH4+和TN濃度，降低根層土壤滲漏液NO3-濃度[62]。本研究中外源添加生物炭能大量負(fù)載吸附NH4+，有效降低滲濾液中氮含量；同時(shí)，生物炭表面孔隙可為硝化抑制劑提供豐富的負(fù)載位點(diǎn)，也有利于減少硝化抑制劑的水解損失，充分發(fā)揮其對硝化反應(yīng)的抑制作用[63]。此外，水稻產(chǎn)量、氮素利用率還與成熟期稻田DON、NO3-顯著正相關(guān)，與NH4+顯著負(fù)相關(guān)，但與分蘗期和齊穗期含量相關(guān)性不顯著。表明通過適宜的水氮管理模式，維持水稻生育后期較高的氮素有效性，有助于減少氮素?fù)p失并維持水稻高產(chǎn)和氮肥高效。

4 結(jié)論

干濕交替灌溉（AWD）下，生物炭配施緩控釋復(fù)合肥和穩(wěn)定性復(fù)合肥可通過增加水稻穗粒數(shù)、有效穗提高水稻產(chǎn)量，分別達(dá) 9 721 kg·hm-2和 10 056 kg·hm-2（2018年）、9 492 kg·hm-2和9 907 kg·hm-2（2019年），且均顯著高于常規(guī)施氮處理。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，AWD灌溉模式顯著提高了該處理抽穗前水稻莖鞘和葉片氮累積量、抽穗后莖鞘和葉片氮轉(zhuǎn)運(yùn)量及其氮轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率；同時(shí)，有效降低了稻田滲濾液中可溶性總氮、NH4+和NO3-質(zhì)量濃度，并增加成熟期稻田可溶性總氮、NO3-含量。表明 AWD灌溉模式下生物炭配施緩釋/穩(wěn)定性復(fù)合肥能協(xié)同促進(jìn)水稻氮素吸收、分配和運(yùn)轉(zhuǎn)暢通，顯著提高水稻群體質(zhì)量、氮素利用率及稻田氮素有效性。