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(guó)最主要的糧食作物，在為我國(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)用水量的70%[1]。與此同時(shí)，目前我國(guó)超過(guò)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(wèn)題[3]。通過(guò)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(guò)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?gòu)?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(guò)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(guò)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(xiāo)，海拔14.6 m。屬亞熱帶濕潤(rùn)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(jiàn)，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(jiàn)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(wú)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(jiàn)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)適當(dāng)增施氮肥來(lái)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(wú)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(guò)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(wú)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(jiàn)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(lái)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(jiàn)，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(wú)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(guò)程中過(guò)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。