稻田水肥管理研究进展及思考.pdf

书书书 年 月 第 卷 第 期 李圆圆稻田水肥管理研究进展及思考李圆圆，何平，茅桁（华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 ；浙江省杭州市萧山区农业农村局，浙江 杭州 ）收稿日期：；修回日期：；网络出版时间：网络出版地址：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）第一作者简介：李圆圆（），女，河南郑州人，讲师，博士（通信作者，），主要从事农田水肥调控研究第二作者简介：何平（），女，甘肃平凉人，硕士研究生（），主要从事农田水肥管理研究摘要：从稻田环境和温室气体排放、水稻生理生长及产量 个方面总结了稻田水肥管理的研究现状：合理的水肥管理技术能够促进水稻根系结构发展和养分吸收，促进水稻生理生长，提高水稻产量，同时还可减少稻田氮素流失和温室气体排放 通过对水稻节水灌溉与优化施肥的水肥管理模式的归纳总结，旨在提高稻田水肥利用率，对建立高产、节水、减排的高效水稻种植模式具有重要意义 结合前人研究结果，提出了现阶段稻田水肥管理模式下存在的问题：较少考虑环境因子的影响；水肥耦合试验处理少，结果差异大；高产和减排之间存在矛盾 同时强调将最新最前沿的农业科技成果（例如污水再生灌溉技术、水肥一体化技术）运用到农业生产实践中的重要性，对中国农业高效、绿色发展有指导意义关键词：稻田环境；水肥管理；生理生长；高产；节水减排中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：李圆圆，何平，茅桁 稻田水肥管理研究进展及思考 排灌机械工程学报，（）：，（），（）：（），（，；，）：，排灌机械工程学报第 卷 ，（，），：；水分和养分是水稻生长的 个基础因子，不仅对作物和环境影响显著，彼此之间也相互作用，相互制约 在土壤水分较低时，养分的有效性及利用率会大大降低；而施肥量过多时，水稻生长初期耗水量会增加，甚至在后期会导致更严重的水分胁迫，使得产量下降 这种水分和养分对水稻生长相互作用和制约的现象，称为稻田水肥耦合效应 水肥耦合技术主要是指灌溉与施肥在时间、数量和方式上的合理配合，从而改善作物品质并提升产量，达到全面提升水肥利用效率的技术 为此，国内外学者在对水肥耦合进行大量的探究后，提出了“以肥调水、以水促肥”的观点 研究表明，适宜的水肥耦合技术的施用效用远大于 种因子的单施效用，合理的水肥调控能够促进稻田土壤养分的释放，增强根系活性，使得更多的土壤水分和养分进入根系，进而向地上部分运输，有助于提高蒸腾速率，增加净光合产量，促进水稻干物质的积累，从而提高产量 ；同时，由于根系活性增强，对营养元素的吸收转化能力也相对增强 ，氮、钾等元素的利用率得到提高，氮、磷径流损失和温室气体排放相对减少，从而对环境污染有了一定程度的改善 水肥管理模式已成为近些年水稻生产研究的热点，将肥料施用（不同施肥种类、比例、次数等）与水分管理相结合的新模式应用于水稻种植已经取得了不错的增产效果，适宜的水分条件和合理的养分供应成为水稻优质高产的基本保证 文中通过总结前人的研究成果以及国内外研究动态，综述稻田水肥管理模式的研究进展，提出现阶段稻田水肥管理模式下存在的问题，并进行思考与展望，拟为今后稻田水肥管理模式的研究提供参考与指导 稻田水肥管理研究现状中国作为农业大国，年农业用水量占全国各行业用水总量的 ，水稻等粮食作物化肥利用率为 化肥的出现使得作物产量剧增，但由于滥用引起的氮磷流失对环境造成了严重污染 研究表明，稻田水肥之间的相互作用效应可正可负，而效应的大小及方向取决于水稻生长时期两者的用量、组合及平衡 因此，适宜的水分和肥料管理对水稻生长至关重要 大量研究表明，当化肥的施用量超过水稻的需求量或某时期化肥用量时，氮素就会随着径流、淋溶、氨挥发、渗漏以及反硝化等途径损失，形成非点源污染而造成水体富营养化 针对以上问题，国内外学者提出用有机肥或缓控释肥料适量代替化肥 年农业部提出，要大力推广和使用生物有机肥，通过无机肥和化肥配合施用来实现养分高效利用，减少稻田面源污染 此外，稻田的水分管理也必不可少，其核心主要是通过田间水分调控，降低蒸散和渗漏量，按需适量为水稻提供灌溉用水 研究发现，浅湿晒灌溉、薄露灌溉、干湿交替灌溉等多种灌溉模式对水稻产量、耗水量等都有改善作用 作为替代性水源，污水的再生利用为缓解世界范围内的水资源供需矛盾问题提供了有效途径再生水灌溉不仅可以节约用水，其含有丰富的氮磷营养物质还可以实现节肥减排 关于再生水利用的研究，美国、以色列、日本和新加坡等国家起步较早，技术相对成熟，主要用在农业灌溉、工业回用、地下回灌及娱乐环境用水 近几年中国的污水再生灌溉技术也取得了较快的发展，目前在北京、天津等大中城市的郊区应用较为集中 稻田再生水灌溉研究表明，短期再生水灌溉对土壤环境、地下水以及作物均不会造成污染 ，但长期灌溉会引起土壤板结和次生盐渍化，且土壤中重金属、全盐量及 、等的含量会明显增加 随着可持续发展战略的实施，稻田再生水灌溉是回收利用污水和节约用肥的好方法，但对水土环境及作物本身所造成的危害程度及引发的食品安全问题仍有争议为了缓解供需水之间的矛盾，在节约用水的同时减少肥料对环境的污染，使作物种植的经济效益和环境效益更高，越来越多的国家将发展节水高效 第 期李圆圆，等稻田水肥管理研究进展及思考农业作为现代农业可持续发展的重要措施，以水资源再生利用为目标，提高作物灌溉水分利用效率的农田水肥调控技术被广泛应用 许多研究表明水和肥的作用不是相互独立的，也强调了水肥耦合技术对水稻种植的重要性 对于如何寻找最优的水肥耦合，等 在 年提出，水肥的影响因素和目标复杂多样，可以借助多目标规划模型来描述 吴宗钊等 研究发现施氮量应与灌水量相匹配，轻度干湿交替灌溉条件下，施用 氮肥会较好地实现水肥耦合，可以在减少灌水量的条件下，获得较高产量，并且保持较高的氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力 郑恩楠等 通过研究不同灌溉和施肥方式对水稻生长和土壤呼吸及无机氮含量影响，综合考虑确定了处理 （控制灌溉 腐植酸肥）为最佳的水肥模式 等 通过试验、模拟和优化，建立了支持水肥的多目标二次模型 等 也通过一系列的规划获得了最优的灌溉计划 基于对粮食质量的提升，等 将产量和籽粒质量也加入了构建决策模型的目标之中 何进宇等 通过建立水肥与产量之间的三元二次回归模型，提出了实现水稻目标产量的最佳水肥组合方案，并表明水肥因素的增产作用从大到小依次为水分、氮素、磷素 阳彬等 综合考虑产量和光合指标影响，确定节水灌溉和（为 、为 、为 ）为最佳水肥组合 邵东国等 运用作物生长模型 和田间水文模型 ，以水稻产量、灌水量和排水量、氮肥利用率为目标，模拟分析不同水肥条件下水稻产量与稻田排水量响应关系，得出了稻田水肥调控的临界条件，即采用稻田间歇灌溉方式，灌水定额 ，施氮量 左右，控制排水水位 缪子梅等 结合熵权法和 模型综合考虑产量、水资源利用、减少农业面源污染 项指标，对 种农田水位管理模式做出了评价和优选，即在乳熟期 （）（）作物受涝渍影响最严重，造成产量下降明显；而在分蘖期 （）（）受到涝渍胁迫时，可实现高产、节水和减排的目标因此，关于水肥管理模式的研究，目前主要是分析水肥利用效率、增产潜力、氮磷流失、作物生理指标和品质等方面规律，通过模型建立目标值与水肥因素的关系，进而确定最佳的水肥协作方案 水肥管理对稻田环境和作物生长的影响 水肥管理对稻田环境及温室气体排放的影响随着水稻种植过程中水肥管理技术模式的合理应用，水稻对于氮、磷的吸收有所提升，土壤中的氮、磷流失也相对减少 合理的灌溉模式显著加快了氮的固定和矿化 笔者前期研究发现，节水灌溉模式可以有效提高水稻对氮素的吸收，并降低氨挥发总量和肥料氨挥发占比 节水灌溉模式下氮素损失量比常规灌溉减小 ，土壤中氮素含量增加 ，肥料氮素利用率平均增加 蓄雨式间歇灌溉能提升作物的吸氮能力和土壤固氮能力，是因为雨后蓄水深度和蓄水持续时间的增加有利于氮肥的吸收利用 此外，施肥量和施肥方式对稻田污染物的排放影响很大，与一次撒施相比，分次施肥能提高氮肥的吸收利用 有研究表明，有机肥部分替代化肥与施用常规复合肥相比，可以消减稻田氮素的径流损失量，在一定程度上减少非点源污染 对于不同的水肥调控模式，干湿交替灌溉下生物炭配施缓控释 稳定性复合肥也能有效提高水稻高产群体建构、氮吸收运转和氮素利用效率，并降低稻田氮淋溶损失，从而减少非点源污染 然而，笔者研究发现，不同的水位管理模式下，土壤中的氮磷含量变化也不同 与干旱处理相比，全磷在淹水处理中所占的比例较小，充足的供水导致土壤缺氧和反硝化，流失量增加，全磷流失量较少，导致干旱处理的面源污染物流失量低于淹水处理，其中 ，和 流失量分别减小 ，和 等 研究得出，稻田中，和 的离子浓度与环境条件存在一定的相关性，所以如何通过调控稻田环境因子进而避免污染物的流失是笔者目前研究的重点作为温室气体的主要排放源，稻田 ，和等气体的排放是大多数学者关注的问题 稻田的水分和肥料是影响温室气体排放的主要因素，不同的水肥模式下，稻田温室气体排放差异显著 研究表明，相对于 ，和 的全球增温潜势是其数倍，并且稻田被认为是 和 的主要来源之一 在农田生态系统中，的固定与排放仅代表一个动态循环过程，所以并不作为温室气体此外，稻田中 对温室气体的贡献极小，这是因为，在优化栽培模式下间歇灌溉降低的 排放量 排灌机械工程学报第 卷较大，即使新模式下 的释放量有所增加，但温室气体总排放量仍表现为降低 研究发现，施化肥能增加 的排放，而无机氮肥减量 配施生物炭处理会降低 排放量，但对 排放没有影响 ；相反，在杨丹等 的研究中，化肥减量配施有机肥会增加稻田 的排放，有机肥的种类不同对 排放的影响也不同 有机肥不仅可以提高土壤肥力，增加肥料利用效率，还可以通过改变土壤碳氮比，调节 的产生与排放 通过有机和无机肥配合施用可促进土壤中氮素的积累，提高氮素利用效率，减少硝态氮渗漏，降低氮素流失风险，与单施尿素处理相比，氨挥发减少，与单施有机肥处理相比，排放降低 周纪东等 研究发现，控制灌溉可以提高高氮处理下的土壤铵态氮含量，随着氮肥的增加，土壤的氮含量会维持在较高的水平，这使得土壤微生物和土壤有机质的分解得到促进，使得 和 之间呈极显著负相关 因此，水肥管理模式对于降低稻田温室气体排放的研究十分必要 尽管不同的水分管理和施氮水平对温室气体的排放影响不同，但两者都是通过影响土壤生物和环境条件来改变稻田温室气体排放总体而言，控制灌溉和有机肥配施的水肥管理模式一定程度上能够减少稻田温室气体排放，但如何筛选最优的水肥耦合方案则较为复杂，需要结合当地环境条件确定评价因子，进行更明确的研究 水肥管理对作物生理生长指标的影响在水稻生长阶段，除了从土壤吸收养分外，植株与大气也进行着物质交换 水分经由土壤到达植物根系，被根系吸收，通过细胞传输，进入茎，由植物木质部分到达叶片，再由叶片气孔扩散到空气中，最后参与大气的湍流变换，形成一个统一的、动态的、互相反馈的连续系统（系统）在此过程中，作物的任何一个物质活动都离不开水的作用 俗话说，“白根有劲、黄根保命、黑根有病、灰根要命”作为植物生长特征的器官之一，根的颜色是判断根活性和作物生长情况的重要依据 研究表明，水肥调控对水稻根系的影响显著，水稻的生长状况与白根比呈正相关性 除此之外，根系的数量、根重、根长以及根系吸收水肥的程度都显著影响着水稻产量和生长状况 研究表明，根系的活性和生长与水稻的灌溉形式有很大关系，其中轻微的水分胁迫或干旱、曝气灌溉以及轻度干湿交替灌溉对根活性均有提升作用 与此同时，调控氮肥的管理模式与根系的生长也具有紧密关系，不同的氮肥管理措施，例如氮肥减施配施有机肥、氮肥后移以及实时实地氮肥管理等，对水稻的根系活性具有促进作用作为水稻的地上部分，茎、叶的大小以及株高主要受根系吸收水分和养分的影响，同时也受外界环境影响，它们通过与外界进行物质交换，影响地上部干物质形成进而影响水稻的产量 研究表明，控制灌溉可以有效抑制水稻营养生长向生殖生长转化期（拔节孕穗期）的株高，提高水稻植株的抗倒伏能力，促进产量的提升 在吴宗钊等 的研究中，中度干湿交替灌溉可以显著降低低氮处理的株高叶片作为植物光合作用最直接的通道，其大小受水和肥的影响，与常规淹灌相比，间歇灌溉能促进根系生长及养分吸收，促进叶片早生快发，为水稻生长提供更大的叶面积 而随着土壤水分的降低，叶面积指数会呈下降趋势，但施氮量的增加会弥补灌水量减少的影响 等 发现，干旱条件下，作物的叶面积指数会下降 随着土壤水分的减少，净光合速率也会减小 淹水处理和干旱处理情况下的稻田单叶和冠层的日光合积累低于常规灌溉，对叶面积指数和产量有负面影响，但未形成致命损害薄 浅 湿 干灌溉和间歇灌溉可以通过提高根系吸氮能力，增加水稻生长后期叶片氮含量和叶面积指数 笔者研究发现，蓄雨灌溉下的光合速率和蒸腾速率与叶绿素含量呈二次曲线关系 ；在以稻田水位为灌溉排水的调控指标的试验中，净光合速率和蒸腾速率与气孔导度呈二次关系和线性关系 研究表明，肥料对于水稻生理特性也有一定的影响，叶面积的数值会随着施氮量的增加而增加，在不同氮素水平下各品种之间的叶面积数值变化较显著；提高施氮水平能够提高水稻光合速率、生物量和产量，但当氮肥高于某个特定值时，光合作用的提升速率就会下降 由此可见，不同水肥管理模式对水稻生理生长指标的影响显著相较于其他方面，稻田水肥调控下的作物理化性质的研究相对较少，考虑水分与肥料综合作用下水稻理化指标的变化，结合理化因子与产量的关系，对研究合理的水肥管理模式具有较大意义 水肥管理对水稻产量的影响水肥管理不仅影响稻田温室气体排放和水稻生理生长，也是水稻产量的关键影响因子，不同的水肥管理模式对水稻产量的影响显著 水稻作为中国主要的粮食作物，其产量是筛选适宜的水肥管理方案的主要评判指标，任何合理的试验结果都是基于水稻不减产实施的 第 期李圆圆，等稻田水肥管理研究进展及思考试验表明，同一施肥水平下，水稻产量在干旱处理和淹水处理下差异显著，淹水处理，水稻的有效穗数、结实率、千粒质量以及籽粒产量都会下降，相反，适宜的干旱会使得产量增加 节水灌溉在一定程度上控制了株高的生长，抑制了分蘖，特别是无效分蘖的发生，进而促进水稻产量提高；适当增加分蘖期的氮肥比例，对于水稻中后期的干物质积累有明显的提升效果 研究发现，干湿交替灌溉下，生物炭配施缓控释复合肥和稳定性复合肥条件下水稻产量均高于常规施氮肥处理，主要是通过增加水稻穗粒数有效提高了水稻产量；结实期干湿交替灌溉处理可提高不同水稻品种的结实率与千粒质量，从而提高产量 水稻产量与水肥管理模式关系密切，间歇灌溉下的产量增大，但不施氮肥则有明显的减产作用 ，双季稻区耦合干湿交替灌溉、氮磷肥减施和钾肥增施技术，能提高氮肥利用率，增加水稻产量 笔者前期研究发现，常规灌溉比节水灌溉条件下水稻产量减少 ，而施肥方式对产量影响不显著，施肥量对产量影响显著 同时，水肥管理模式又受环境的影响，降雨会使灌溉量减少，导致施肥条件对产量影响的差异性极大，而灌溉条件的影响则不明显 除了降雨影响，土壤昼夜温差、光合积累量以及种植过程中发生的病害等都会影响作物的产量 在前人关于水稻产量的试验研究中，大多考虑水分与养分对产量各构成因子的影响，对当地气候等自然环境因子的影响考虑较少，影响了试验结果的准确性、适用性和可推广性 总结与展望不同的稻田水肥管理模式对稻田环境及水稻生长有显著影响 合理的水肥运筹，可以调控水稻根系生长，进而促进叶面积指数、光合及蒸腾速率等生理生长指标的优化，提高水稻产量；还可以通过控制根系对养分的吸收、调控氮吸收转化和氮利用率以及影响土壤微生物分解等来减少稻田氮素流失和温室气体排放，减轻对环境的污染 稻田合理的水肥管理技术具有节水、节肥、减排、增产（稳产）等综合效益因此，稻田水肥管理模式是一个长期的研究目标，其影响因子复杂多样，国内外许多学者在研究过程中仍有不少的问题，主要有以下几点：）关于稻田水肥管理模式的研究多考虑水分和肥料 个因子，但有关环境因子（例如土壤环境因子、稻田环境因子）对水分和养分吸收利用的影响考虑较少，影响试验结果的准确性与普适性）由于人力、环境以及技术条件限制，稻田水肥管理模式试验各因子数较少（例如有机、无机肥配施比例设置较少），导致处理难以充分反映水肥耦合模式对水稻的各项指标的影响规律，同时水文气象条件的差异使得各试验结果也存在较大差异）水肥互作对于提高产量和减少污染物排放之间仍存在矛盾，合理的水肥耦合模式对水稻的产量有明显的提升效果，但无论怎样合理的施肥对稻田环境还是会造成一定的污染，不利于中国环保、绿色的农业可持续发展理念综上所述，随着可持续发展战略的实施，水稻种植要继续加强水肥一体化的研究，以节水节肥、减排增效、稳产高产为目的，结合有机栽培方式，因地制宜，优化运行，避免为追求高效节水而导致的土壤肥力减少 中国属于农业大国，农业生产占据着重要的位置，在今后的农业发展中，要加强最新农业技术的应用和实践，将最前沿的科技成果运用到农业生产中，例如农村生活污水再生利用技术、水肥一体化技术、化肥减量增效技术等 用现代化的理念指导农业建设，用现代化管理制度、先进管理手段强化农业管理，全面推动中国农业技术的长远发展参考文献（）徐国伟，王贺正，翟志华，等 不同水氮耦合对水稻根系形态生理，产量与氮素利用的影响 农业工程学报，（）：，（）：（），（），：赵志成，王为木，郭相平 水钾耦合对水稻根际土壤钾空间分布及根系生长的影响 灌溉排水学报，（）：，排灌机械工程学报第 卷 ，（）：（），：张子璐，刘峰，侯庭钰 我国稻田氮磷流失现状及影响因素研究进展 应用生态学报，（）：，（）：（）姜海斌，张克强，邹洪涛，等 减氮条件下不同施肥模式对稻田氮素淋溶流失的影响 环境科学，（）：，（）：（），：，（）：，：，：陈梦婷，杨琳，吴光星，等 考虑降雨有效利用的水稻灌溉模式的优化 排灌机械工程学报，（）：，（）：（）张亮，曹秀清，蒋尚明，等 间歇灌溉模式不同间歇时间下江淮丘陵区水稻耗水规律及其节水效益研究 节水灌溉，（）：，（）：（），：，：韩焕豪，刘鑫焱，高蓉，等 水稻再生水灌溉下的节水减排效果 节水灌溉，（）：，（）：（），（）：刘源，崔二苹，李中阳，等 养殖废水灌溉下施用生物质炭和果胶对土壤养分和重金属迁移的影响 植物营养与肥料学报，（）：，（）：（），（）：吴宗钊，原保忠 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