智能氮肥在干濕交替灌溉下對(duì)水稻產(chǎn)量與水分利用率的影響

王易天，郭相平，Yousef Alhaj Hamoud，曹克文，朱建彬

（河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京210098）

0 引言

水稻是我國最主要的糧食作物，在為我國60%以上人口提供糧食的同時(shí)，也消耗了大量淡水資源，稻田灌溉用水量占到全國農(nóng)業(yè)用水量的70%[1]。與此同時(shí)，目前我國超過95%的水稻在淹水條件下種植[2]，存在水資源消耗巨大，肥料氮磷流失產(chǎn)生水土污染等問題[3]。通過對(duì)水稻需水規(guī)律的掌握進(jìn)行節(jié)水灌溉，控制農(nóng)田的水分狀況，達(dá)到減少水分消耗、提高水分利用率具有重要意義[4]。

干濕交替灌溉技術(shù)在目前水稻生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛，其特點(diǎn)是在水稻的生育過程中，先灌水形成田間淺水層，然后對(duì)稻田進(jìn)行自然落干，一段時(shí)間后再復(fù)水，繼而再落干，如此交替的對(duì)田間土壤進(jìn)行淹水與落干[5]。根據(jù)以往對(duì)干濕交替灌溉的研究顯示，干濕交替灌溉能大幅降低稻田用水以及氮素的流失，提高水分利用效率，并減少灌溉次數(shù)從而節(jié)約生產(chǎn)成本[6,7]，節(jié)約灌溉用水量高達(dá)44%[8]，增加氮肥利用效率達(dá)60%以上[9]。

與傳統(tǒng)肥料相比，控釋肥料能定量地控制肥料的釋放時(shí)間與釋放量，使其與植物生長(zhǎng)需要相結(jié)合，起到延長(zhǎng)肥料作用時(shí)間、減少肥料用量、提高利用率的效果[10]。環(huán)境響應(yīng)性材料會(huì)隨著外界環(huán)境變化(如pH 值、溫度、磁場(chǎng)、光照等)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)成分釋放的可控性[11]，將其作為控釋肥的包膜材料是功能肥料研究的新方向。pH 響應(yīng)材料在不同酸堿環(huán)境下分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起通透性的改變[12]，以其作為控釋肥的包膜材料，就可使得控釋肥的養(yǎng)分釋放受到土壤pH變化的調(diào)控。一些學(xué)者通過不同技術(shù)制備出pH 響應(yīng)性肥料[13-15]，并進(jìn)行施用試驗(yàn)得到較好的結(jié)果[14,15]。pH 響應(yīng)性肥料的養(yǎng)分釋放需要受到pH 變化的調(diào)控，不具有普適性，且目前的研究主要關(guān)注肥料自身，缺乏與水分條件的結(jié)合。本實(shí)驗(yàn)利用干濕交替灌溉的過程中，稻田土壤的pH 值會(huì)隨土壤含水率的變化而重復(fù)升高或降低這一特性，提出將pH 響應(yīng)性肥料與干濕交替灌溉相結(jié)合，或成為pH 響應(yīng)性肥料應(yīng)用方向的新思路

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2019年6-10月在河海大學(xué)江寧校區(qū)節(jié)水園區(qū)大棚內(nèi)進(jìn)行，地處118°50′E，31°95′N，海拔14.6 m。屬亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫15.5 ℃（最高氣溫43.0 ℃，最低氣溫-16.9 ℃），年蒸發(fā)量為1 472.5 mm，多年平均降雨量為1 062 mm。試驗(yàn)土壤為粘壤土，容重為1.44 g/cm3，飽和質(zhì)量含水率為54.33%，pH 值為7.08，有機(jī)質(zhì)含量為1.27%，速效氮、速效磷和速效鉀量分別為34.87、12.15和109.26 mg/kg。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

試驗(yàn)為桶栽實(shí)驗(yàn)，采用高90 cm、直徑16 cm 的圓桶，土面以下每15 cm 設(shè)置兩個(gè)對(duì)稱取土孔，共3 排，底部處設(shè)置排水孔，并在邊上埋放集水桶收集滲漏水，測(cè)桶底部填有砂石反濾層。

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置兩因素，分別為3 種灌水下限的干濕交替灌溉：適度干濕交替灌溉（設(shè)置100%飽和含水率為灌水下限），記為W1、重度干濕交替灌溉（設(shè)置90%飽和含水率為灌水下限），記為W2、臨界旱脅迫干濕交替灌溉（設(shè)置70%飽和含水率為灌水下限）記為W3[16]；3 種肥料使用方式：智能氮肥，記為SF；常用氮肥尿素，記為MF；不施氮肥，記為NF。共9個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)中使用的智能氮肥為pH 響應(yīng)性肥料，內(nèi)部養(yǎng)分在低pH 時(shí)增大釋放，高pH 時(shí)減少釋放，與干濕交替灌溉結(jié)合的作用機(jī)理如圖1所示。

圖1 智能氮肥作用機(jī)理Fig.1 The Mechanism of action of smart fertilizer

供試水稻品種選用當(dāng)?shù)爻Ｓ贸?jí)稻“南粳9108”，于2019年6月4日育秧，7月16日選擇生長(zhǎng)狀況基本一致的秧苗進(jìn)行移栽，每桶1穴，每穴3株，10月22日收獲。施肥標(biāo)準(zhǔn)按每千克土壤施用純氮150 mg、純磷100 mg、純鉀130 mg，磷肥、鉀肥選用磷酸氫二鉀和硫酸鉀，氮肥按處理分別使用智能肥、尿素和不施肥。為探究智能肥的功效，所有肥料均作為基肥在裝土?xí)r埋設(shè)在土壤表層下20 cm 處。試驗(yàn)桶中埋設(shè)TDR 探頭，當(dāng)土壤水分達(dá)到控制下限時(shí)，灌水至淺水層，實(shí)驗(yàn)在大棚內(nèi)進(jìn)行，不受降雨影響。試驗(yàn)期間各處理的水分管理如表1所示，除灌溉制度及氮肥形式處理外，試驗(yàn)中控制處理間其他因素相同。

表1 不同灌溉制度的水分管理方案Tab.1 Water management under different irrigation regimes

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

水稻成熟后，進(jìn)行考種，測(cè)定水稻單株有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重，同時(shí)測(cè)量每個(gè)測(cè)筒中水稻實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.2 灌排水量

每次的灌水量計(jì)算式為：

式中：I為灌水量，mm；Q為灌后水層高度，mm；Ws為土壤飽和含水率，%；Wa為灌溉時(shí)土壤實(shí)際含水率，%；S為土壤干重，g；A為測(cè)桶橫截面面積，mm2；D為測(cè)桶內(nèi)直徑，mm。

排水量：每次灌水前收集并測(cè)量排水桶里的水量。

1.3.3 需水量

實(shí)驗(yàn)在大棚內(nèi)進(jìn)行，降雨量為0，需水量計(jì)算式為：

式中：ET為水稻需水量，mm；I為灌溉水量，mm；P為滲漏水量，mm。

1.3.4 水分利用率

式中：WUE為水分生產(chǎn)率，kg/m3；Y為水稻產(chǎn)量，kg；ET為需水量，m3；IWUE為灌溉水生產(chǎn)率，kg/m3；I為灌水量，m3。

1.3.5 土壤pH

在灌水前后采集測(cè)桶內(nèi)0～40 cm 土層的土壤，按土：水=1∶5用pH計(jì)測(cè)量土壤pH值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥處理對(duì)土壤pH的影響

圖2 為不同水肥處理各生育期土壤pH 值在灌水前后的變化情況，由圖2 可見，不同水肥處理下，每次灌水前后土壤pH 變化呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，在灌水后迅速下降，之后緩慢上升直至下一次灌水。干濕交替灌溉時(shí)，對(duì)土壤不斷的淹水、復(fù)干，稻田土壤的pH 值也隨之變化，這正是智能氮肥得以與干濕交替灌溉結(jié)合發(fā)揮作用的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 不同水肥處理下灌水前后土壤pHFig.2 Soil pH under different water-fertilizer managements

對(duì)比3 種灌溉制度下的土壤pH 值，在灌水前差異顯著，從高到低依次為W3、W2、W1，分別維持在6.8、6.3、5.7 左右，這表明水稻土壤的pH 值受到水分管理模式的影響，土壤含水率越高，土壤pH 值越低。在灌水之后土壤均為飽和含水率，pH 值W1、W2、W3 分別為5.2、5.7、5.5 左右，差異不大。分析不同氮肥形式對(duì)土壤pH 值的影響，可發(fā)現(xiàn)W1、W3灌溉制度下，土壤pH 值SF

2.2 不同水肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

表2為不同水肥模式下水稻產(chǎn)量，可見所有處理產(chǎn)量分為5 個(gè)梯度，W1SF 處理最高，達(dá)到64.84 g/桶，其次是W1MF、W2SF 處理，W2MF 處理在二三之間，第三檔為W1NF 處理，第4梯度為W2NF，W3處理下3個(gè)處理產(chǎn)量最低，在23 g/桶左右。適度干濕交替灌溉下的水稻產(chǎn)量高于重度干濕交替灌溉，臨界干濕交替灌溉制度是不適宜水稻產(chǎn)量表現(xiàn)的灌溉制度，此灌溉制度下氮肥形式處理間無差異。在適度干濕交替灌溉和重度干濕交替灌溉下，與不施氮肥相比較，尿素和智能氮肥分別對(duì)水稻產(chǎn)量提升25%、46%左右，施用智能氮肥的水稻產(chǎn)量均顯著高于常用氮肥尿素處理下的水稻產(chǎn)量。

表2 不同處理下水稻產(chǎn)量g/桶Tab.2 Grain yield under different water-fertilizer managements

表3為水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素分別受灌溉制度和氮肥形式影響分析，可見灌溉制度影響水稻的有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重，氮肥形式主要影響水稻的有效穗數(shù)和千粒重。

表3 不同水肥管理下的水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Tab.3 Grain yield and its yield components under different water-fertilizer managements

對(duì)比各灌溉制度間產(chǎn)量構(gòu)成因素的表現(xiàn)。在NF 處理下，有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)W1、W2、W3 間無顯著差異，結(jié)實(shí)率W1>W2=W3，千粒重W1=W2>W3；MF 處理下，有效穗數(shù)和千粒重W1=W2>W3，每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率W1>W2=W3；SF 處理下，有效穗數(shù)W1>W2>W3，千粒重W1=W2>W3，每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率間無顯著差異。

對(duì)比氮肥對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響。在W1灌溉制度下，有效穗數(shù)SF>MF>NF、千粒重SF>MF 差異顯著；W2 灌溉制度下，結(jié)實(shí)率SF>MF、千粒重SF>MF>NF 差異顯著；W3 灌溉制度下各因素間無顯著差異。

以往的研究顯示，水、氮對(duì)水稻產(chǎn)量存在互作效應(yīng)，在土壤水分虧缺的條件下，通過水分和肥料的合理搭配，供水不足對(duì)產(chǎn)量的不利影響在一定范圍內(nèi)可以通過適當(dāng)增施氮肥來控制，仍可獲得較好的產(chǎn)量[17,18]。程建平等[19]的研究證實(shí)，適宜的水氮組合對(duì)水稻產(chǎn)量有著顯著的交互作用，在土壤輕度干旱時(shí)，水稻產(chǎn)量的高低依次為高氮>中氮>低氮。陳新紅等[20]的研究提出了在高施氮條件下，水分的增加無法影響水稻產(chǎn)量，從另一個(gè)角度驗(yàn)證了氮肥與水分之間的互作效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)中，在W1 和W2 灌溉制度下，施用氮肥的處理的產(chǎn)量高于不施氮肥，與前人的結(jié)果一致，驗(yàn)證了氮肥對(duì)水分的調(diào)控，同時(shí)，施用智能氮肥的處理對(duì)產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的促進(jìn)效果優(yōu)于尿素，體現(xiàn)了智能氮肥氮素供給的優(yōu)越性。而在W3灌溉制度下，干旱脅迫成為影響水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的主要因子，水分的缺乏導(dǎo)致“以肥調(diào)水”的效應(yīng)減小，氮肥形式造成的影響已經(jīng)不明顯，過度的水分缺失影響到水稻的生長(zhǎng)、功能的發(fā)揮，導(dǎo)致減產(chǎn)，這也與楊建昌等的研究結(jié)果一致[27]。

2.3 不同水肥處理對(duì)水稻需水特性的影響

圖3為不同水肥管理下水稻各生育期的需水量，全生育期總需水量由高到低分布為W1NF>W1MF>W1SF>W2NF>W2MF>W2SF>W3NF>W3MF>W3SF，分別為：1036.8、1027.0、1023.9、980.8、977.6、972.2、835.6、799.7、785.2 mm，總體呈現(xiàn)出W1>W2>W3，NF>MF>SF的規(guī)律。其中，灌溉制度之間差異顯著，與W1 處理相比，W2 處理的總需水量均下降5%左右；與W2處理相比，W3 處理的需水量均下降20%左右。比較各氮肥處理間總需水量的差異，W1、W2灌溉制度下NF、MF、SF處理之間總需水量無顯著差異，W3 灌溉制度下NF、MF、SF 處理之間需水量差異顯著。

圖3 不同水肥管理下水稻各生育期的需水量Fig.3 ET in different growth stage under different water-fertilizer managements

分析氮肥形式對(duì)水稻各生育期需水量的影響。水稻需水量在分蘗期和拔節(jié)孕穗期表現(xiàn)為SF>MF>NF，抽穗揚(yáng)花期和乳熟期則表現(xiàn)為NF>MF>SF。這種結(jié)果的出現(xiàn)可能是由于施肥處理下水稻生長(zhǎng)更好，作物生理耗水量更大，而在拔節(jié)孕穗期中，水稻的葉面積達(dá)到最大值，水稻莖稈體積和葉面積的增長(zhǎng)也增加了遮蔭，同時(shí)，智能氮肥的吸水效果將部分水分保持在土壤中層，這些因素都使得地表水分的蒸發(fā)減少，減少了水稻生育后期的需水量。

2.4 不同水肥處理對(duì)水稻水分利用率的影響

表4為全生育期內(nèi)的水稻灌水量、需水量灌水生產(chǎn)率及水分生產(chǎn)率，分析灌水量間的差異，灌水量受灌溉制度、氮肥形式及二者的交互作用影響顯著。不同灌溉制度下的灌水量從高到低為W1、W2、W3，與W1處理相比，W2、W3處理下的灌水量分別顯著減少23.0%和40.1%（NF）、16.6%和33.1%（MF）、16.3%和30.6%（SF），可見干濕交替灌溉中灌水下限的降低的干濕交替灌溉能顯著減少灌水量。從氮肥形式的影響來看，總灌水量受氮肥形式影響在W1、W3 條件下為NF>MF>SF，W2 條件下為MF>NF>SF，相較于MF 處理，SF 處理的總灌水量降低5.4%（W1）、5.1%（W2）、5.9%（W3），施用智能氮肥有利于減少灌水量。

表4 不同水氮管理下的灌水生產(chǎn)率和水分生產(chǎn)率Tab.4 IWUE and WUE under different water-nitrogen management

水稻灌水生產(chǎn)效率和水分生產(chǎn)效率受灌溉制度和氮肥形式影響顯著，水分生產(chǎn)效率受二者的交互作用影響顯著。在NF 條件下，灌溉制度對(duì)灌水生產(chǎn)效率的影響為W1>W2>W3；在MF、SF 條件下，W1=W2>W3。在適度干濕交替灌溉W1、重度干濕交替灌溉W2下，與尿素相比，智能氮肥對(duì)灌水生產(chǎn)效率均有顯著提高。

水分生產(chǎn)效率整體表現(xiàn)為W1>W2>W3、SF>MF>NF。與W1 處理相比，W2、W3 處理下的水分生產(chǎn)率分別減少12.2%和34.9%（NF）、7.8%和44.2%（MF）、13.8%和47.1%（SF）。與NF 處理相比，MF、SF 處理下的水分生產(chǎn)率提高22.5%和49.5%（W1）、28.7%和46.8%（W2），W3 處理下各氮肥形式間差異不顯著。

經(jīng)上述對(duì)比可見，W2、W3 處理下水稻灌水量、需水量、產(chǎn)量都較W1降低，W2處理的灌水生產(chǎn)效率高于W1，水分生產(chǎn)率低于W1。

施用智能氮肥使灌水生產(chǎn)率和水分生產(chǎn)率得到提升，原因在于智能氮肥中氮素的釋放受水分調(diào)控，使得水稻能在獲得水分時(shí)同步獲得養(yǎng)分，水分和養(yǎng)分的需求得到匹配，從而減少氮素?fù)p失，提高水肥利用效率。

3 結(jié)論

(1)在與適度干濕交替模式結(jié)合下，施用智能氮肥能可觀提高水稻產(chǎn)量，較常規(guī)氮肥尿素提高產(chǎn)量21.8%(W1)、13.9%(W2)。W1 灌溉制度與智能氮肥結(jié)合下產(chǎn)量最高，為64.84 g/桶。

(2)智能氮肥的施用對(duì)水稻總需水量無顯著影響，但能減少水稻生育后期的蒸發(fā)量，提高了水稻水肥需求與供應(yīng)的一致性，較常用氮肥尿素顯著提高灌水生產(chǎn)率和水分生產(chǎn)率。

(3)干濕交替灌溉可有效減少水稻灌水量、需水量。灌溉過程中過度的落干則會(huì)抑制水稻生長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)量降低，在灌水下限為70%飽和含水率時(shí)，產(chǎn)量受不同肥料形式的影響已不顯著。