王礦，袁先江，曹秀清，高振陸，蔣尚明，楊繼偉，王業(yè)凡

深蓄控排條件下稻田土壤水氮變化規(guī)律

王礦，袁先江，曹秀清，高振陸，蔣尚明，楊繼偉，王業(yè)凡

（安徽省·水利部淮河水利委員會 水利科學研究院，水利水資源安徽省重點實驗室，合肥 230088）

【】闡明不同水分管理模式下土壤水氮素的賦存規(guī)律。在肥東灌溉實驗站開展試驗，觀測L1處理（間歇時間3～4 d，蓄雨深度10 cm）、深蓄控排L2處理（間歇時間6～8 d，蓄雨深度14 cm）和L3處理（間歇時間6～8 d，蓄雨深度18 cm）地下埋深50、70、90、110、150 cm土壤水及稻田排水的氮素變化，分析干濕交替L1處理和深蓄控排L2、L3處理的灌水量、排水量以及水稻產(chǎn)量要素的響應規(guī)律。干濕交替灌溉L1處理和深蓄控排模式L2、L3處理較CK水稻灌溉水量分別降低725、1 703、2 304m3/hm2，雨水利用率分別提高11.8%、19.0%、25.9%，稻田排水次數(shù)減少1～3次。NH4+-N、NO3--N和TN隨土層深度增加而降低，深蓄控排L2、L3處理總氮峰值低于CK。L1、L2、L3處理TN污染負荷較CK減少21.3%、26.7%、31.5%。各處理間產(chǎn)量差異不顯著。通過增加蓄雨上限至18 cm，延長間歇時間6～8 d，能夠有效地減少灌溉定額，降低稻田排水量，提高雨水利用率，達到水稻節(jié)水、減排、控污、穩(wěn)產(chǎn)的目的。

水稻；稻田；灌排模式；土壤水分；氮

0 引言

【研究意義】水稻是我國最重要的糧食作物之一，種植面積約3 000萬hm２。化肥為提高水稻產(chǎn)量做出重要貢獻的同時，也加劇了氮素等營養(yǎng)物質(zhì)的流失風險[1-3]。加之水稻生育期內(nèi)降雨豐沛，排水機率高，易產(chǎn)生農(nóng)田面源污染物排放，導致水體富營養(yǎng)化，進而危及生態(tài)和生活用水安全。尤其是江淮及長江以南地區(qū)，水稻生育期內(nèi)降雨量大，在徑流和淋溶作用下，隨地表排水和土壤水運動產(chǎn)生的氮流失已經(jīng)成為地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源[4]。同時稻田又是特殊的人工濕地，已有研究指出，稻田可發(fā)揮濕地功能，實現(xiàn)對氮素的凈化。稻田通過蓄滯雨水及灌溉水資源，延長水體的滯留時間，有利于提高水分利用和凈化水質(zhì)[5-9]。因此實施水稻節(jié)水控制排水技術對于節(jié)約水資源、減輕環(huán)境污染具有重要意義[10-11]。

【研究進展】已有研究表明[12-15]，將水稻節(jié)水灌溉技術與控制排水相結(jié)合，充分發(fā)揮稻田的濕地效應，可減少灌溉定額和稻田氮污染物負荷，實現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)、減排控污的目標。水稻節(jié)水控排灌溉模式是指為充分利用降雨，提高稻田滯蓄雨水量，減少水稻的灌水次數(shù)、減少稻田排水量以及面源污染排放。羅紈等[11]研究了在水稻生長期內(nèi)抬高排水溝出口對田間排水和鹽分變化的影響，在水稻種植區(qū)采取控制排水措施可以減少排水量50%左右，淺層土壤含鹽量從0.7 g/L 增加到0.8 g/L，深層土壤水變化平緩，控制排水對土壤含鹽量增加幅度可控。肖夢華等[10]、羅紈等[11]研究發(fā)現(xiàn)采用控制排水可減少稻田排水量20%，減少銨態(tài)氮排放25%。楊麗慧等[12]從水環(huán)境保護的角度出發(fā)，并開展暗管排水研究與實踐，得出節(jié)水控排條件下氨態(tài)氮和總磷消減率分別為35.3%和41.7%。王友貞等[13]以淮北平原為例研究大溝蓄水控制排水技術及效應，利用三維地下水運動模擬模型，進行了不同控制條件下田間地下水的動態(tài)模擬，獲得不同控制方案的優(yōu)化結(jié)果。黃志強等[14]研究了不同暗管控制水位對排水、氮素流失過程和流失總量的影響，控制排水條件下淹水稻田田面氮素流失和氮濃度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)控制排水降低了排水量，暗管氮素排放量與排水量顯著相關。葉玉適等[15]研究水肥耦合條件下氮素變化規(guī)律，得出干濕交替節(jié)灌結(jié)合控釋肥（尤其是樹脂包膜尿素）施用有利于降低稻田氮素徑流流失，促進農(nóng)業(yè)面源污染減排。【切入點】綜觀國內(nèi)外研究，發(fā)現(xiàn)已有研究主要集中于節(jié)水灌溉模式對稻田地表徑流排水水量、排水水質(zhì)、水稻產(chǎn)量的影響方面[13-16]，而對雨水深蓄控制排水的水量、土壤水的氮素賦存規(guī)律研究尚少。稻田節(jié)水控排模式綜合考慮了節(jié)水灌溉與控制排水的協(xié)同效應，在保證水稻產(chǎn)量的前提下，保持或低于現(xiàn)有節(jié)水模式的灌水下限，適當增加雨后蓄水深度，達到水肥高效利用及控污的目的?！緮M解決的關鍵問題】本文將探討水稻節(jié)水灌溉與蓄雨控制排水綜合模式下的氮素賦存規(guī)律變化，旨在研究稻田控制灌排參數(shù)，合理利用雨洪資源，為減輕農(nóng)業(yè)面源污染、保護水環(huán)境提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

水稻供試品種為新Ⅱ優(yōu)223，試驗于2018年6—9月在肥東灌溉試驗中心站（31°46′N，117°27′E）進行。試驗點地處江淮丘陵區(qū)，是北亞熱帶季風性氣候區(qū)，年平均氣溫為15.5 ℃，年均無霜期231 d，多年平均降水量971.4 mm（1952—2017年），降雨多集中在5—9月，降水量為599.8 mm，占年均降水量的61.7%。試驗區(qū)土壤為黃棕壤，土壤結(jié)構(gòu)不良且通透性較弱。試驗站內(nèi)有24處固定式測坑，分4個區(qū)域布置，每個區(qū)域含測坑6處，試驗區(qū)設有軌道式電動遮雨棚4套，地下布設觀測采集廊道及設備間，測坑均配備分層取樣裝置及溢流桶。測坑周邊設有保護區(qū)，以減少邊際效應的影響。

1.2 試驗設計

供試種子由湖北荃銀高科種業(yè)公司提供，于5月1日泡種，5月4日催芽，5月8日下種，6月11日移栽，7月16日拔節(jié)，8月1日抽穗開花，8月16日灌漿成熟，9月22日收割。移植前1周，對試驗測坑進行泡田，以便于耕耙和插秧，株距為20 cm，行距為30 cm。水稻生育期內(nèi)共施肥2次，肥料為湖北澳特爾化工有限公司生產(chǎn)的復合肥（N、P2O5、K2O質(zhì)量比為15∶15∶15），總養(yǎng)分量≥45%。6月11日施基肥折純?yōu)?50 kg/hm2，7月27日追肥500 kg/hm2。生長期內(nèi)噴施農(nóng)藥1次，8月1日噴施5%的阿維菌素330 mL/hm2防治螟蟲。試區(qū)土壤類型為北亞熱帶的地帶性土壤（黃棕壤），0～30 cm深度土壤的理化性質(zhì)，見表1。天然降雨條件下水稻節(jié)水控排采用測坑試驗，試驗采用隨機設計，每個處理采用2次重復，受試因素為間歇時間和蓄雨深度，各生育期間歇時間為3、4、6、8 d，蓄雨深度為10、14、18 cm（處理編號及各處理的設計參數(shù)，見表2）。非試驗期間，稻田灌水水層上限為4～5 cm，達到蓄雨深度設計值繼續(xù)增加時，超蓄部分經(jīng)溢流口排入儲水箱，蓄雨結(jié)束后水位因蒸散發(fā)自然下降。

表1 試驗區(qū)0～30 cm土壤理化性質(zhì)

表2 不同水分處理試驗方案

注 分蘗期、拔節(jié)期、抽穗開花期、成熟期灌溉上限分別為4、5、5、4 cm。

試驗在測坑中進行，規(guī)格為2.0 m×2.0 m×2.4 m（長×寬×深），測坑剖面圖如圖1所示。為了抽取不同土壤層的土壤水的水樣，安裝5個土壤水層取樣管（地下埋深50、70、90、110、150 cm）。取水管二側(cè)錯位開孔（孔距5 cm，孔徑0.3 cm），取水管長度為1 m，用100目紗網(wǎng)將其包裹，經(jīng)測坑壁預留孔嵌入在土體中，構(gòu)成土壤水取樣管。測坑中土壤按每層20 cm進行分層填土，測坑底部有20 cm濾層（濾網(wǎng)+碎石層10 cm+粗沙層10 cm）。測坑四周設有保護區(qū)，減少邊界效應影響。

圖1 試驗測坑剖面圖（單位：mm）

1.3 數(shù)據(jù)觀測與水樣測定

1）水位測定。在測坑內(nèi)選取4個頂角點位置標定田面基準點，測得各基準點至水面的距離，以其平均值為最終水位，以減少田面不平整的影響。

2）排水量測定。每次降雨過程后，測坑內(nèi)超過蓄雨水深的水量通過溢流管流入位于地下室的溢流桶中，并測定溢流水量。

3）水樣采集。土壤水通過土壤水層取樣管采集，取樣管與周邊土壤結(jié)合緊密，取水樣時先排空取樣管內(nèi)積存水樣，再汲取新鮮水樣。發(fā)生溢流時，每4 h量測集水箱時段排水量，并采集水樣。土壤水各剖面氮素平均質(zhì)量濃度計算式為：

單位面積稻田地表排水氮素流失量計算式為：

式中：AVER()為地表水或分層土壤水氮素的平均質(zhì)量濃度；()為1 hm2稻田地表排水氮素流失量；()為第時段排水體中氮素質(zhì)量濃度；V為第時段排水量；plot為測坑面積，plot=4 m2。

4）氣象數(shù)據(jù)的測定。WS-STD1型自動氣象站觀測氣溫、地溫、相對濕度、風向、風速、水面蒸發(fā)量、降水量、日照、太陽輻射、土壤墑情參數(shù)。

5）水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)的測定。各測坑水稻收割后隨機取30 株測定株高、穗長、分蘗、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量及產(chǎn)量等相關指標。株高、穗長采用鋼直尺測量，分蘗為人工計數(shù)，穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量等指標為數(shù)粒儀結(jié)合電子天平測定。

6）水樣測定。TN-過硫酸鉀分光光度法，NH4+-N-納氏試劑比色法，NO3--N-紫外分光光度法；土壤TP量采用H2SO4-HClO4雙酸消煮，鉬銻抗比色法測定（鮑士旦，2000）；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定，速效磷采用0.5 mol/LNaHCO3浸提-鉬銻抗分光光度法，土壤中全鉀的測定采用火焰光度法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS19.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，通過單因素方差分析（ANOVA）判斷處理之間是否存在顯著差異，采用最小顯著極差法（LSD）進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生育期內(nèi)氣溫與降雨量

2018年水稻生長期119 d（移栽后）內(nèi)日溫度、濕度降水量如圖2所示。隨水稻從夏季入秋季，日平均溫度波動較大，整體均呈相似的下降趨勢。2018年水稻生育期內(nèi)日平均溫度為27.2 ℃。最高、最低日平均溫度分別為32.0 ℃（7月14日，40 d）和19.8 ℃（10月1日，119 d）。2018年水稻全生育期總降水量分別為612.8 mm。降水量年內(nèi)分配差異較大，日降水量最大為154.6 mm（8月17日，臺風“溫比亞”降水，74 d）。

圖2 稻田生長期內(nèi)降水、溫度和濕度日變化情況

2.2 土壤水氮素的變化

2.2.1 NH4+-N變化

圖3表示水稻移栽后不同水肥管理稻田土壤水NH4+-N的動態(tài)變化。由圖3可知，水稻生育期內(nèi)土壤水NH4+-N介于0.03～3.67 mg/L之間，伴隨水稻基肥和追肥的投入出現(xiàn)2次峰值。水稻生育前期基肥投入后，土壤水NH4+-N迅速達到峰值，之后逐漸下降，10 d后趨于平穩(wěn)，55 d后隨肥料的投入再次回升。第1次施肥出現(xiàn)的峰值高于第2次施肥，其原因為：一是基肥施肥量大于第2次追肥量；二是由于稻田翻耕耙田會導致田間土質(zhì)疏松，產(chǎn)生較大土壤孔隙，灌溉水或雨水易沿大孔隙、裂隙形成優(yōu)先流迅速向土壤下層淋溶，而移栽初期的秧苗植株小、根系弱，吸氮量低，氮素易于淋失。

L1、L2、L3處理和CK水稻生育期內(nèi)土壤水各剖面（50、70、90、110、150 cm）NH4+-N質(zhì)量濃度隨深度遞減，各剖面NH4+-N平均質(zhì)量濃度分別為0.67、0.48、0.41、0.36、0.28 mg/L，各處理不同深度土壤水各剖面NH4+-N質(zhì)量濃度平均值呈梯度變化。CK與L1處理各剖面土壤水NH4+-N質(zhì)量濃度呈單峰變化，峰值的出現(xiàn)與施肥時間密切相關，L2處理與L3處理呈多峰變化，其原因是周期性波動與灌溉及降雨相關。CK與L1處理各剖面土壤水NH4+-N質(zhì)量濃度峰值（土壤水50～150 cm平均值）出現(xiàn)在移栽后約55 d，L2處理與L3處理第2次峰值出現(xiàn)在57～63 d，較CK和L1處理滯后。節(jié)水減排L2處理與L3處理有利于降低NH4+-N質(zhì)量濃度，延滯NH4+-N峰值的出現(xiàn)。

圖3 典型處理土壤水NH4+-N變化

2.2.2 NO3--N變化

各處理硝態(tài)氮變化如圖4所示，從圖4可以看出，L1、L2、L3處理和CK土壤水的NO3--N出現(xiàn)多峰變化，峰值出現(xiàn)時間較NH4+-N質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)時間滯后約7～10 d。NO3--N是稻田氮素淋失主要成分之一，NO3--N帶負電荷不易被土壤膠體粒子吸附，從而極易通過土壤淋溶和地表徑流隨水體流失。稻田土壤中硝化作用是氮循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，對于硝態(tài)氮的反應過程，在有氧環(huán)境下硝化細菌生長更快，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成NO3--N與NO2--N，NO2--N形態(tài)不穩(wěn)定，在這種好氧環(huán)境下易轉(zhuǎn)化為NO3--N；一部分NO3--N會被水稻根系吸收與利用，另一部分隨著擴散和運移進入根區(qū)之外的厭氧環(huán)境，發(fā)生反硝化作用生成N2和N2O。

各處理土壤水NO3--N質(zhì)量濃度變化總體上呈雙峰波動趨勢，CK、L1、L2處理和L3處理第1次峰值出現(xiàn)于移栽后20～30 d，各處理第2次峰值出現(xiàn)于移栽后50～70 d。各處理土壤水NO3--N質(zhì)量濃度在第1次施肥下降快，第2次施肥后下降慢，主要是由于田面水中高質(zhì)量濃度的NO3--N滲漏到下層使得滲漏水氮素質(zhì)量濃度升高。返青期后，尤其是進入分蘗期水稻生長加快，對氮素的吸收量隨之增加，加上土壤固定、氨揮發(fā)、反硝化環(huán)境趨于穩(wěn)定，土壤水NO3--N質(zhì)量濃度逐漸下降。水稻生育期內(nèi)土壤水NO3--N質(zhì)量濃度易受降雨和灌溉產(chǎn)生小幅波動。

2.2.3 TN變化

圖5為典型處理土壤水TN變化，由圖5可知，各處理土壤水TN質(zhì)量濃度變化趨勢與NO3--N變化趨勢相似。水稻生育期各處理土壤水TN質(zhì)量濃度介于0.20～3.85 mg/L，平均0.92 mg/L。L1、L2、L3處理和CK各處理TN質(zhì)量濃度平均值分別為1.06、1.04、0.77、0.82 mg/L，與CK相比，其他處理的TN質(zhì)量濃度平均值分別減小了1.8%、27.3%、22.6%，CK與L1處理差異不明顯。

圖4 典型處理土壤水NO3--N變化

圖5 典型處理土壤水TN變化

2.3 水稻蓄雨量、排水量、產(chǎn)量及氮素排放的影響

表3為不同水分管理下水稻灌水量、蓄雨量和排水量。2018年水稻全生育期總降雨量為612.8 mm，降雨量隨時間分布不均，日降雨量最大為154.6 mm，約占生育期降水總量的25%。雨水利用率順序為：L3處理>L2處理>L1處理>CK，L3處理蓄雨量為5493 m3/hm2，排水量635 m3/hm2，雨水利用率89.6%；CK的蓄雨量為3 903 m3/hm2，雨水利用率63.7%，排水量2 225 m3/hm2。

表3 不同水分管理下水稻灌水量、蓄雨量和排水量

注 同列數(shù)據(jù)后相同字母代表處理的平均值之間差異不顯著（>0.05）。

由表4可知，各處理TN、NH4+-N、NO3--N流失量順序為：CK>L1處理>L2處理>L3處理。稻田各處理總氮流失量為1.65～2.4 kg/hm2，流失率為0.77%～1.29%；各處理銨態(tài)氮、硝態(tài)氮流失量分別為0.78～1.21、0.23～0.62 kg/hm2。稻田徑流中氮素的流失以銨態(tài)氮為主要形式，銨態(tài)氮流失量占總氮的50.4%～60.7%。不同處理水稻產(chǎn)量分別介于8 203.0～8 956.5 kg/hm2。L1處理增加了水稻單位面積有效產(chǎn)量，水稻增產(chǎn)6.78%。

不同處理下水稻的生長形態(tài)及產(chǎn)量等指標詳見表5。由表5可知，L1處理水稻株高、穗長、千粒質(zhì)量及產(chǎn)量均大于CK，表明短期間歇處理，提高了水稻干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量。L1處理較CK增產(chǎn)6.8%，L2、L3處理較CK減少2%，長時間的受旱，對于株高和穗長有一定抑制，產(chǎn)量略有降低，與CK差異不顯著。

表4 不同水分管理稻田氮素徑流流失量

注 TN流失率=當季TN徑流流失量/當季作物施氮量×100%。

表5 不同試驗方案下水稻產(chǎn)量要素

3 討論

3.1 不同水分管理對稻田土壤水氮素的影響

稻田土壤水TN與NH4+-N質(zhì)量濃度變化趨勢相同：施肥后各處理TN與NH4+-N質(zhì)量濃度均顯著增加，并隨時間推移不斷降低。這是因為土壤中存在裂隙和孔隙，同時苗期植株生物量小，根系不發(fā)達，植株對氮素吸收速度慢且吸收量低，水稻移栽初期養(yǎng)分易于流失和垂向滲漏。隨著移栽日期的推移，水稻隨植株生長，對氮素吸收增加。由于土壤氮素淋溶受土壤吸附作用影響，土壤剖面氮素質(zhì)量濃度與土層深度呈負相關，淺層土壤氮素質(zhì)量濃度高于深層土壤氮素質(zhì)量濃度[17-19]。與傳統(tǒng)的灌排模式相比，深蓄控排模式NH4+-N質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)時間滯后，峰值偏低，這是因為受旱時間延緩了峰值的出現(xiàn)，水稻受旱促進了土壤中氮素的硝化作用，促使NH4+-N轉(zhuǎn)化成NO3--N，導致深蓄控排L2、L3處理NH4+-N峰值低于L1處理和CK。水稻生長前期氮素流失以NH4+-N成分為主，水稻生長中期、后期以NO3--N為主，且NH4+-N容易被土壤吸附，這與高世凱等[17]研究結(jié)果一致。水稻種植前期稻田翻耕耙田會導致田間土質(zhì)疏松，加之前期旱作物種植產(chǎn)生較大土壤孔隙，灌溉水或雨水易沿大孔隙、裂隙形成優(yōu)先流迅速向土壤下層淋溶。NO3--N帶負電荷不易被土壤膠體粒子吸附，從而極易通過土壤淋溶和地表徑流隨水體流失，是造成水體污染的活躍型氮素形態(tài)。研究可知，隨著稻田水分的干濕交替，硝態(tài)氮呈周期性波動。即稻田有水層時形成厭氧環(huán)境，NO3--N的反硝化作用明顯；稻田受旱過程，土壤水分與空氣充分接觸，NH4+-N更多的轉(zhuǎn)化為NO3--N，NO3--N峰值出現(xiàn)滯后于NH4+-N。NO3--N易通過土壤淋溶和地表徑流隨水體流失，其質(zhì)量濃度也較易受降雨和灌溉產(chǎn)生小幅波動。深蓄控排L2、L3處理氮素峰值低于CK。本研究表明深蓄控排L2、L3處理下NO3--N淋失量大于NH4+-N，CK的NH4+-N淋失量大于NO3--N，這是因為水稻淹灌條件下稻田基本處于水分飽和強還原狀態(tài)，厭氧環(huán)境抑制了自養(yǎng)硝化細菌的活性，土壤硝化作用弱；同時淹水土壤中氮的轉(zhuǎn)化主要為氨化作用、反硝化作用和生物固氮，無機氮絕大多數(shù)以NH4+-N形式存在，使得土壤水中NO3--N的質(zhì)量濃度相對NH4+-N質(zhì)量濃度要低。下層土壤的硝化細菌較上層急劇下降，且尿素酶活性低，施肥后溶質(zhì)隨水遷移至土壤下層，導致地下排水中 NH4+-N質(zhì)量濃度較高。各處理地下排水NO3--N質(zhì)量濃度波動升高，進入抽穗開花期后逐漸降低，且施肥后NO3--N質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)的時間滯后于NH4+-N。深蓄控排L2、L3處理的稻田土壤水NH4+-N、NO3--N和TN質(zhì)量濃度的峰值均低于L1處理和CK，即水稻受旱后超蓄控排，延長雨水滯留時間，更有利于降低稻田排水中的NH4+-N和NO3--N質(zhì)量濃度，同時加劇了氮素淋失的風險，稻田氮素的側(cè)滲和深層淋溶等方面需要進一步研究。

3.2 不同水分管理對節(jié)水減排的影響

土壤氮素的運移受控于土壤水分的垂向與側(cè)向移動，相關研究結(jié)果相差較大。其影響因素有氣候條件、土壤特性、作物類型、耕作方式、灌溉制度和施肥管理。稻田氮素造成面源污染主要隨徑流流入各種水體造成水體富營養(yǎng)化。邵東國等[9]灌溉試驗水稻增產(chǎn)5.0%以上，氮素滲漏量下降了28.1%。崔遠來等[5]的水稻淺薄濕露灌溉研究發(fā)現(xiàn)，薄露灌模式的排水中TN、NH4+-N的排放質(zhì)量濃度較傳統(tǒng)灌溉降低13.4%、27.6%。郭相平等[4]對控制排水進行了研究，與常規(guī)灌溉相比排水量減少了21%以上，灌水次數(shù)也有所減少，達到了節(jié)水省工的目的。同時深蓄控排處理也有利于土壤對氮素的保持，防止肥力流失，進而提高產(chǎn)量降低農(nóng)業(yè)面源污染[17]。該研究結(jié)果與前人研究基本一致。通過試驗研究不同水分管理模式下氮素運移規(guī)律，得到深蓄控排模式減少排水量和氮素流失量，這與劉敏昊等[16]研究結(jié)果一致。此外，稻田對雨水的蓄滯提高了雨水利用率，減輕稻田的排澇壓力，減排控污效果顯著。

3.3 不同水分管理對產(chǎn)量要素的影響

本研究中，干濕交替灌溉L1處理顯著提高水稻產(chǎn)量，并在株高和穗長方面表現(xiàn)出優(yōu)勢。干濕交替灌溉模式有助于提高根系活力，促進稻株對氮的吸收與利用[5]。徐云姬等[20]發(fā)現(xiàn)控制灌溉提高了穗粒數(shù)、總穎花量和群體庫容量等指標。常規(guī)淹灌下尿素水解和氮素遷移迅速，易導致營養(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，對后期氮素運轉(zhuǎn)和分配造成消極影響，進而影響產(chǎn)量[10]?？刂乒喔扔欣诨ê笞蚜９酀{，并在千粒質(zhì)量等產(chǎn)量要素方面表現(xiàn)出優(yōu)勢[21]。此外，干濕交替灌溉模式下好氧環(huán)境促進了微生物群落結(jié)構(gòu)和活性，有利于提高土壤氮礦化及硝化作用進程、減少土壤氮素淋溶損失[22]，這也能一定程度上提高水稻產(chǎn)量。L2、L3處理產(chǎn)量低于CK，但各處理間差異不顯著，由于間歇時間6～8 d，導致水稻受旱，造成植株體內(nèi)水分虧缺，嚴重影響了水稻植株的氮代謝，進而制約了作物光合產(chǎn)物的形成、轉(zhuǎn)化以及礦物質(zhì)元素的吸收，不利于水稻籽粒對營養(yǎng)元素的吸收[23]。后期將進一步開展受旱閾值研究。

3.4 稻田水分管理模式

稻田中影響氮素流失的因素眾多，如施肥量、降水強度、降雨時機、農(nóng)田水分管理方式、土壤性質(zhì)等。農(nóng)田氮素來源主要是肥料投入，農(nóng)田水分運動是氮素運移的關鍵因素。相當一部分的氮素以溶質(zhì)形態(tài)或顆粒形態(tài)存在于田間水中并容易隨著水分運動而遷移至周圍水體。通過減少灌溉水量降低稻田水分下滲，稻田水分向深層及旁側(cè)的滲漏量可大幅度減少，從而減少了氮素的淋失[15]。傳統(tǒng)的稻田水分管理措施由于灌溉和排水的方式、發(fā)生時間、灌排水量控制等環(huán)節(jié)具有主觀隨意性和不確定性，導致用水量大、用水效率低、田間水分運動劇烈，傳統(tǒng)的水分管理措施增加了氮素流失風險[23]。延長施肥與田間排水的時間差，可有效降低營養(yǎng)元素的流失率[22]。研究顯示，施入氮肥后1周內(nèi)，田面水中營養(yǎng)負荷較高，是防止氮素大量流失的關鍵時期，應避免大量排水[24]。節(jié)水灌溉使稻田表層具有獨特的物理和化學特征，可降低氮磷的流失率。通過研究不同水分管理模式下氮素運移規(guī)律，得到超蓄控排模式減少排水量和降低地表排水中氮素量。此外，稻田對雨水的蓄滯能力得到提高，提高了雨水利用率，減少農(nóng)田灌溉次數(shù)與灌水量，達到了節(jié)水省工的預期，同時有助于減輕稻田的排澇壓力，有減排控污的效果。深蓄控排模式延緩了下滲和徑流等水文因素，改變了水文循環(huán)特征，對削減稻田氮磷流失具有積極的影響，還需要根據(jù)各生育期需水特性開展水分生產(chǎn)函數(shù)后續(xù)研究。此外，在不同水文年型，其影響機制、影響程度因降雨量和降雨強度而異，同時蓄雨上限及受旱天數(shù)的確定與土壤質(zhì)地、作物種類、生育階段等因素密切相關，稻田節(jié)水減排效果會有所不同，仍需要進一步研究[25-26]。

4 結(jié)論

1）深蓄控排處理顯著提高了雨水利用率，減少灌水次數(shù)。L3處理較CK，雨水利用率提高22.3%，灌水次數(shù)減少3次。

2）深蓄控排通過調(diào)節(jié)稻田水分狀況，提高稻田的蓄滯能力，減少稻田排水量與排水次數(shù)，降低氮素流失風險。L3處理較CK，排水次數(shù)減少2次，排水量減少1 590 m3/hm2，TN流失量減少0.75 kg/hm2，氮素流失率顯著降低。

3）各處理不同深度土壤水NH4+-N質(zhì)量濃度隨深度增加而遞減，氮素質(zhì)量濃度隨時間推移而降低。施肥7 d內(nèi)是氮素流失風險控制的關鍵期，該階段應適時降低灌溉上限，提高蓄雨水深，降低氮素等養(yǎng)分流失的風險。

4）深蓄控排處理提高了水分和氮素利用的有效性，綜合考慮節(jié)水、減排、控污、穩(wěn)產(chǎn)等因素，L3處理是較佳的水分管理模式。

[1] 謝陽村, 徐敏, 高世凱, 等. 基于DRAINMOD模型的不同灌排模式稻田水氮運移模擬[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(4): 37-44.

XIE Yangcun, XU Min, GAO Shikai, et al. Using DRAINMOD to simulate the impact of irrigation and drainage on reaction and movement of water and nitrogen in paddy field[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(4): 37-44.

[2] 丁紫娟, 徐洲, 田應兵, 等. 再生稻干濕交替灌溉與根區(qū)分層施氮減少溫室氣體排放[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(7): 51-58.

DING Zijuan, XU Zhou, TIAN Yingbing, et al. Reducing gas emissions from ratooning rice field using controlled nitrogen fertilization and alternate wetting-drying irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 51-58.

[3] 張巧玲, 胡海棠, 王道蕓, 等. 海河流域農(nóng)田氮磷面源污染的空間分布特征及關鍵區(qū)識別[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(4): 97-106.

ZHANG Qiaoling, HU Haitang, WANG Daoyun, et al. Spatial distribution of nitrogen and phosphorus in Haihe Basin and their determinants[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(4): 97-106.

[4] 郭相平, 張展羽, 殷國璽. 稻田控制排水對減少氮磷損失的影響[J].上海交通大學學報(農(nóng)業(yè)科學版), 2006, 24(3): 307-310.

GUO Xiangping, ZHANG Zhanyu, YIN Guoxi. Effect of controlled drainage on loss of nitrogen and phosphorous from paddy field[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University (Agricultural Science), 2006, 24(3): 307-310.

[5] 崔遠來, 李遠華, 呂國安, 等. 不同水肥條件下水稻氮素運移與轉(zhuǎn)化規(guī)律研究[J]. 水科學進展, 2004, 15(3): 280-285.

CUI Yuanlai, LI Yuanhau, LYU Guoan, et al. Nitrogen movement and transformation with different water supply for paddy rice[J]. Advances in Water Science, 2004, 15(3): 280-285.

[6] 薛利紅, 楊林章. 太湖流域稻田濕地對低污染水中氮磷的凈化效果[J].環(huán)境科學研究, 2015, 28(1): 117-124.

XUE Lihong, YANG Linzhang. Purification of water with low concentrations of N and P in paddy wetlands in Taihu Lake Region[J]. Research of Environmental Sciences, 2015, 28(1): 117-124.

[7] THKEDA I, FUKUSHIMA A, THAKA R. Non-point pollutant reduction in a paddy-field watershed using a circular irrigation system[J]. Water Research, 1997, 31(11): 2 685-2 692.

[8] 卑志鋼. 稻田梯級生態(tài)排水試驗研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2018(2): 164-167.

BEI Zhigang. The research of step ecological drainage of rice fields[J]. China Rural Water and Hydropower, 2018(2): 164-167.

[9] 邵東國, 孫春敏, 王洪強, 等. 稻田水肥資源高效利用與調(diào)控模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2010, 26(12): 72-78.

SHAO Dongguo, SUN Chunmin, WANG Hongqiang, et al. Simulation on regulation for efficient utilization of water and fertilizer resources in paddy fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(12): 72-78.

[10] 肖夢華, 俞雙恩, 章云龍. 控制排水條件下淹水稻田田面及地下水氮濃度變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2011, 27(11): 180-186.

XIAO Menghua, YU Shuang’en, ZHANG Yunlong. Changes of nitrogen concentration for surface and groundwater in flooding paddy field under controlled drainage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(10): 180-186.

[11] 羅紈, 賈忠華, 方樹星, 等. 灌區(qū)稻田控制排水對排水量及鹽分影響的試驗研究[J]. 水利學報, 2006, 37(5): 608-612.

LUO Wan, JIA Zhonghua, FANG Shuxing, et al.Effect of drainage control on salt and water balance in rice field[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2006, 37(5): 608-612.

[12] 楊麗慧, 王少麗, 阮本清, 等. 基于排水溝的寧夏銀北灌區(qū)農(nóng)田退水污染演變研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2015, 23(12): 1 580-1 587.

YANG Lihui, WANG Shaoli, RUAN Benqing, et al. Evolution of drain-based research of irrigation return flow pollution in Yinbei Irrigation Area[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2015, 23(12): 1 580-1 587.

[13] 王友貞, 于鳳存, 沈濤. 淮北平原區(qū)干溝控制排水技術及效應[J], 水利學報, 2013, 44(1): 104-110.

WANG Youzhen, YU Fengcun, SHEN Tao. Study on the technique and effect of controlled drainage through the main drainage ditch[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2013, 44(1): 104-110.

[14] 黃志強, 袁念念. 控制排水條件下旱地排水及氮素流失規(guī)律研究[J]. 河海大學學報(自然科學版), 2012, 2012(4): 412- 419. 

HUANG Zhiqiang, YUAN Niannian. Drainage and nitrogen loss in dry soils with controlled drainage[J]. Journal of Hohai University (Natural Sciences), 2012, 2012(4): 412- 419.

[15] 葉玉適, 梁新強, 李亮, 等. 不同水肥管理對太湖流域稻田磷素徑流和滲漏損失的影響[J]. 環(huán)境科學學報, 2015, 35(4): 1 125-1 135.

YE Yushi, LIANG Xinqiang, LI Liang, et al. Effects of different water and nitrogen managements on phosphorus loss via runoff and leaching from paddy fields in Taihu Lake basin[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2015, 35(4): 1 125-1 135.

[16] 劉敏昊, 任瑞英, 朱振榮, 等. 水稻蓄雨控灌技術的環(huán)境效應[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2016 (5): 55-57.

LIU Minhao, REN Ruiying, ZHU Zhenrong, et al. Environment effect of rain-water storage and controllable irrigation of rice[J]. China Rural Water and Hydropower, 2016 (5): 55-57.

[17] 高世凱, 俞雙恩, 王梅, 等. 旱澇交替下控制灌溉對稻田節(jié)水及氮磷減排的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2017, 33(5): 122-128.

GAO Shikai, YU Shuang’en, WANG Mei, et al. Effect of controlled irrigation and drainage on saving water and reducing nitrogen and phosphorus loss in paddy field under alternate drought and flooding condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(5): 122-128.

[18] 王瑩, 彭世彰, 焦健, 等. 不同水肥條件下水稻全生育期稻田氮素濃度變化規(guī)律[J]. 節(jié)水灌溉, 2009(9): 12-16.

WANG Ying, PENG Shizhang, JIAO Jian, et al. Research on nitrogen dynamics in paddy field under different levels of water and fertilizer during whole growing period[J]. Water Saving Irrigation, 2009(9): 12-16.

[19] PATHAK B K, KAZAMA F, TOSHIAKI I, et al. Monitoring of nitrogen leaching from a tropical paddy in Thailand[J]. Journal of scientific Research and Development, 2004(6): 1-11.

[20] 徐云姬, 許陽東, 李銀銀, 等. 干濕交替灌溉對水稻花后同化物轉(zhuǎn)運和籽粒灌漿的影響[J]. 作物學報, 2018, 44(4): 554-568.

XU Yunji, XU Yangdong, LI Yinyin, et al. Effect of alternate wetting and drying irrigation on post-anthesis remobilization of assimilates and grain filling of rice[J]. Acta Agronomica Sinica, 2018, 44(4): 554-568.

[21] 彭玉, 孫永健, 蔣明金, 等. 不同水分條件下緩/控釋氮肥對水稻干物質(zhì)量和氮素吸收、運轉(zhuǎn)及分配的影響[J]. 作物學報, 2014, 40(5): 859-870.

PENG Yu, SUN Yongjian, JIANG Mingjin, et al. Effects of water management and slow/controlled release nitrogen fertilizer on biomass and nitrogen accumulation, translocation, and distribution in rice[J]. Acta Agronomica Sinica, 2014, 40(5): 859-870.

[22] 桂娟, 陳小云, 劉滿強, 等. 節(jié)水與減氮措施對稻田土壤微生物和微動物群落的影響[J]. 應用生態(tài)學報, 2016, 27(1): 107-116.

GUI Juan, CHEN Xiaoyun, LIU Manqiang, et al. Influences of water-saved and nitrogen-reduced practice on soil microbial and microfauna assemblage in paddy field[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(1): 107-116.

[23] 王康, 沈榮開. 節(jié)水條件下土壤氮素的環(huán)境影響效應研究[J]. 水科學進展, 2003, 14 (4): 437-441.

WANG Kang, SHEN Rongkai. Effects of soil mineral nitrogen on the environment under water-saving irrigation conditions[J]. Advances in Water Science, 2003, 14(4): 437-441.

[24] 張志劍, 董亮, 朱蔭湄. 水稻田面水氮素的動態(tài)特征、模式表征及排水流失研究[J]. 環(huán)境科學學報, 2001, 21 (4): 475-480.

ZHANG Zhijian, DONG Liang, ZHU Yinmei. The dynamic characteristics and modeling of nitrogen in paddy field surface water and nitrogen loss from field drainage[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2001, 21(4): 475-480.

[25] 崔遠來, 茆智, 李遠華. 水稻水分生產(chǎn)函數(shù)時空變異規(guī)律研究[J]. 水科學進展, 2002, 13 (4): 484-491.

CUI Yuanlai, MAO Zhi, LI Yuanhua. Study on temporal and spatial variation of rice water production function[J]. Advances in Water Science, 2002, 13(4): 484-491.

[26] 王瑄, 遲道才, 郁凌峰. 水稻各生育期需水量預測的綜合模型[J]. 灌溉排水學報, 2002, 21(3): 75-78.

WANG Xuan, CHI Daocai, YU Lingfeng. A Comprehensive model of predicting water requirement in paddy rice[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2002, 21(3): 75-78.

Variation in Paddy Soil Nitrogen as Impacted by Combination of Deep Rainfall Storage and Controlled Drainage

WANG Kuang, YUAN Xianjiang, CAO Xiuqing, GAO Zhenlu,JIANG Shangming, YANG Jiwei, WANG Yefan

(Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research,Anhui Province Key Laboratory of Water Conservancy and Water Resources, Hefei 230088, China)

【】Nitrogen in paddy soil is modulated by both rainfall and drainage, and in this paper we present the results of an experimental studies on its response to controlled drainage and deep rainfall storage.【】The experiment was conducted in 2018 in field plots at the Feidong Irrigation Experimental Station. We compared two irrigation methods: alternate dry and wet irrigation (L1), and deep rainfall storage and controlled drainage irrigation (L2 and L3). Business as usual used by local farmers was taken as the control (CK). During the experiment we measured nitrogen changes in soil water and the drainage water at the depths from 50 cm to 150 cm, and analyzed the response of nitrogen dynamics to irrigation amount, drainage amount, as well as rice yield under different water managements.【】Compared with CK, L1, L2 and L3 reduced the irrigation water by 725 m3/hm2, 1 703 m3/hm2and 2 304 m3/hm2, and increased the rainwater utilization by 11.8%, 19.0% and 25.9%，respectively. In the meantime, they also reduced the irrigation times by 1～3. Soil nitrogen content decreased as the soil depth increased, regardless of treatments. Compared to CK, L2 and L3 reduced the maximum total nitrogen (TN) compared to CK, and L1, L2 and L3 reduced TN pollution load by 21.3%, 26.7%, 31.5%, while no significant difference in the yield was found between them.【】Increasing the upper limit of the rainfall storage and extending the interval, coupled with deep rainfall storage and controlled drainage, can effectively reduce irrigation requirement and drainage times, thereby improving rainwater use efficiency. It also reduced nitrogen pollution and can thus be used as an improved agronomic practice for rice production in paddy field.

rice; paddy field; controlled drainage and deep rainfall storage; nitrogen; soil water content

1672 - 3317（2022）04 - 0040 - 09

S125

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021252

王礦, 袁先江, 曹秀清, 等. 深蓄控排條件下稻田土壤水氮變化規(guī)律[J]．灌溉排水學報, 2022, 41(4): 40-48.

WANG Kuang, YUAN Xianjiang, CAO Xiuqing, et al. Variation in Paddy Soil Nitrogen as Impacted by Combination of Deep Rainfall Storage and Controlled Drainage[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(4): 40-48.

2021-06-15

國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFC1508300）；國家自然科學基金項目（50236090）；水利部科技推廣示范項目（SF-201814）

王礦（1983-），男，江蘇徐州人。碩士，主要研究方向為農(nóng)田灌排理論與試驗研究。E-mail: wangkuang81@163.com

責任編輯：陸紅飛