不同旱作节水灌溉条件对土壤理化性质及水稻产量的影响

何进宇，刘飞杨，马 波，王斌

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；
2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏 银川 750021；
3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021)

关键字:水稻；
旱作；
节水灌溉；
覆膜滴灌；
土壤理化性质；
产量

水稻作为标志性粮食作物，在宁夏粮食生产和国民经济中占有举足轻重的位置[1]。宁夏银川平原属于干旱地区，年均降水量偏少且分布不均，造成春旱接连夏旱，同时强烈蒸发造成水资源严重浪费，导致传统稻田出现土壤板结、土壤肥力降低和次生盐渍化等问题，严重影响了该地区水稻的可持续发展[2]；
此外，低温冷凉、积温不足，也是限制该地区水稻生产的主要因素[3-4]。水稻旱作可有效缓解土壤板结，增加土壤通透性，提高土壤蓄水能力和作物水分利用效率[5-6]。前人研究多侧重单一的水稻耕作方式对土壤环境和产量的影响，研究周期相对较短[7-8]。针对旱作、覆膜、滴灌等耕作覆盖技术相结合下较长周期内土壤水肥热及水稻产量变化的研究鲜有报道。本研究采用水稻不同耕作处理及地膜覆盖相结合的模式，分析耕作处理、地膜覆盖及二者交互对宁夏旱区土壤理化性状及水稻产量变化的影响，以期明确适合该地区的蓄水保墒、增温稳温、培肥地力和节水稳产高效土壤耕作覆盖措施，为宁夏干旱地区旱作水稻可持续发展提供理论和技术支撑。

1.1 试验区概况

试验于2017—2019年在宁夏暖泉农场试验基地(38°39′N，106°41′E，海拔1 010 m)进行，该地区属于典型的干旱地区，年平均降水量188.5 mm，年平均日照时数2 858.2 h，年平均蒸发量1 950 mm，年平均气温10.7℃，昼夜温差大。供试土壤为灌淤土，2017年播种前耕层(0～60 cm)土壤有机质含量为11.7 g·kg-1，全氮为0.57 g·kg-1，全磷为0.73 g·kg-1，全钾为24.1 g·kg-1，碱解氮为52.8 mg·kg-1，速效磷为9.6 mg·kg-1，速效钾为155.4 mg·kg-1，pH值8.57，田间持水量为25.2%。

1.2 试验设计

大田试验采用三因素对比设计，试验因素为不同旱作节灌方式，因素1：播后上水旱直播(Irrigation after dry farming sowing，IDFS)，此方法为在机械直播后立即上水并保持薄水层；
因素2：保墒旱直播(Moisture-saving dry direct seeding，MDDS)，此方法为在保持土壤墒情条件下进行机械旱直播，当水稻生长至3～4片叶时建立水层；
因素3：覆膜滴灌旱作(Farming with mulch drip irrigation，FMDI)，此方法为采用一垄两行覆膜种植，利用滴灌带进行湿润灌溉。每个节灌方式设置1个试验小区，面积为660 m2(22 m×30 m)，重复3次。供试水稻品种为富源4号(96D10)，属于粳稻型，全生育期150 d左右。2017—2019年播种期分别为5月3日、5月1日和5月2日，出苗期分别为5月24日、5月23日和5月26日，测产收获期分别为10月5日、10月3日和10月4日。IDFS和MDDS水源来自引黄自流灌溉，IDFS全生育期灌溉定额为1 200 m3·hm-2，MDDS全生育期灌溉定额为1 000 m3·hm-2;FMDI水源来自水泵抽取试验点地下水，经首部枢纽过滤器过滤泥沙后进行滴灌，全生育期灌溉定额为800 m3·hm-2。供试氮肥为水溶性尿素(N:180 kg·hm-2)，磷肥为过磷酸钙(P2O5:90 kg·hm-2)，钾肥为氯化钾(K2O:180 kg·hm-2)，以基肥方式在播种时全部施入土壤，旋耕深度均保持30 cm，其余田间中耕管理措施保持一致。

1.3 测定项目及方法

土壤水分及水分利用效率：采用烘干法定期测定0～60 cm土层土壤含水量；
水分利用效率(WUE，kg·m-3)=水稻经济产量/生育期耗水量。

水稻耗水量：耗水量可根据整个生育期中任何一个时段(t)土壤计划湿润层(H)内储水量的变化，用水量平衡方程表示：

ET=P+K+M-(Wt-W0)

式中，ET为时段t内的作物耗水量(m3·hm-2)；
P为时段t内的有效雨量(m3·hm-2)；
K为时段t内的地下水补给量(m3·hm-2)；
M为时段t内的灌溉水量(m3·hm-2)；
W0、Wt分别为时段初和时段t时计划湿润层H的储水量(m3·hm-2)。

土壤温度：在每个小区分别埋设3组地温计测定水稻分蘖期0～10 cm土层土壤温度。

土壤紧实度：利用SC-900土壤紧实度仪于水稻分蘖期(2017-06-04、2018-06-03、2019-06-06)对不同处理0～60 cm土层土壤紧实度进行测定。

土壤养分：在水稻分蘖期，分层采集0～60 cm土层土壤样品，测定有机质、全氮、全磷和全钾含量，土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定，全氮采用凯氏定氮法测定，全磷采用钼锑抗比色法测定，全钾采用火焰光度法测定[9]。

考种与产量：水稻成熟后，每个处理小区内分3个不同位置各采3组样品，自然晾干后，进行考种，分别测定株高、单株地上部干重、千粒重、饱籽率、经济产量和生物产量等指标，并计算收获指数(收获指数=经济产量/生物产量)。

1.4 数据分析

采用Microsoft Office Excel 2019和SPSS 19软件进行数据处理及分析，采用最小显著差异法(Least Significant Difference，LSD)进行差异显著性分析。

2.1 不同处理对表层土壤温度的影响

由表1可知，FMDI较IDFS和MDDS显著提高了水稻分蘖期土壤表层(0～10 cm)日平均地温，其中2017年日平均地温分别提高了1.5℃和0.7℃，2018年分别提高了1.2℃和0.6℃，2019年分别提高了1.4℃和0.6℃；
由于不同年份气温不同，以及连续相同耕作覆盖方式使得稻田土壤物理结构发生一定程度变化[10-11]，因此不同年份地温变化幅度不同，但整体趋势一致，地膜覆盖显著改善了土壤热量[12-13]，FMDI处理3年平均较IDFS和MDDS使分蘖期土壤表层(0～10 cm)日平均地温增加1.7℃。

表1 不同处理水稻分蘖期土壤表层(0～10 cm)日平均地温/℃Table 1 Daily average ground temperature of 0～10 cm soil surface layer at tillering stage of rice under different treatments

2.2 不同处理对水稻分蘖期土壤含水量的影响

由表2可知，IDFS和MDDS采用“浅-薄-湿-晒”水分控制方式，故在分蘖期处于自然落干状态，土壤水分基本保持在90%田间持水量水平。FMDI控制灌溉水平为80%田间持水量，但由于覆膜对土壤具有较好的蓄水保墒效应[14]，故在非充分灌溉条件下，依然可以保持>80%田间持水量，结合本团队前期膜下滴灌旱作水稻水分生产函数模型试验结论，当土壤水分保持在80%田间持水量以上，其产量和品质不降反增[15]。

表2 不同处理水稻分蘖期0～60 cm土层土壤平均含水量/%Table 2 Average soil water content of 0～60 cm layer under different treatments at tillering stage of rice

2.3 不同处理对水稻分蘖期土壤紧实度的影响

2017—2019年稻田0～60 cm土层土壤紧实度结果表明(图1)，FMDI土壤紧实度显著低于IDFS和MDDS，尤其在表层土壤较为明显，可能是因为IDFS和MDDS在建立水层落干后，土壤板结更为严重[16]。2017年IDFS和MDDS分别比FMDI平均高出1.45倍和1.50倍；
2018年IDFS和MDDS分别比FMDI平均高出1.55倍和1.52倍；
2019年IDFS和MDDS分别比FMDI平均高出1.48倍和1.50倍。同时，随着耕作年限的增加，不同耕作覆盖处理对深层土壤影响差距逐渐显现，3年MDDS 30～60 cm土层土壤紧实度比FMDI平均依次高出1.11倍、1.18倍和1.21倍；
IDFS 30～60 cm土层土壤紧实度比FMDI平均依次高出1.02倍、1.15倍和1.2倍。其中深层土壤最大差距出现在2019年10～20 cm处，此时IDFS和MDDS土壤紧实度分别比FMDI平均高出1.74倍和1.77倍。

图1 不同处理水稻分蘖期0～60 cm土层土壤紧实度Fig.1 Soil compaction of 0～60 cm depth under different treatments at tillering stage of rice

2.4 不同处理对水稻0～20 cm土层土壤肥力的影响

连续3 a不同耕作覆盖处理后，稻田土壤肥力状况显著不同(表3)，FMDI处理0～20 cm土层土壤有机质、全氮、全磷和全钾较其他2种耕作处理均有显著(P<0.05)增加。2019年FMDI土壤有机质较MDDS和IDFS分别提高7.8%和6.8%，FMDI全氮较MDDS和IDFS分别提高8.9%和7.0%，FMDI全磷较MDDS和IDFS分别提高2.7%和5.6%，FMDI全钾较MDDS和IDFS分别提高4.5%和5.8%。

表3 2019年不同处理水稻分蘖期0～20 cm土层土壤有机质和全量养分含量/(g·kg-1)Table 3 Soil organic matter and total nutrient content in 0～20 cm layer of rice tillering stage under different treatments in 2019

2.5 不同处理对水稻产量构成的影响

如表4所示，与当地传统水稻多年平均经济产量(6 256.85 kg·hm-2)相比，不同年份旱作节灌方式均有显著(P<0.05)增产效果，增产效果依次是FMDI>IDFS>MDDS。2017年FMDI较MDDS和IDFS经济产量分别增加6.57%和4.61%，2018年FMDI较MDDS和IDFS经济产量分别增加12.43%和2.41%，2019年FMDI较MDDS和IDFS经济产量分别增加12.96%和4.06%；
由于不同年度土壤水热条件不同，增产幅度有所不同。2018年土壤温度较低，FMDI处理蓄水保墒作用不明显，因此增产幅度略低。FMDI处理产量的增加，主要是由于饱籽率和千粒重的增加，通过产量构成因素的积累，较MDDS显著增加了经济产量；
而株高和地上部干重与IDFS之间差异不显著，导致这2种旱作节灌方式处理间生物产量差异不显著。受经济产量的直接影响，FMDI收获指数较IDFS有所提升，但显著高于MDDS；
2017年FMDI较MDDS和IDFS收获指数分别提高5.57%和2.09%，2018年分别提高9.80%和4.47%，2019年分别提高11.52%和5.29%。所有处理中FMDI处理的经济产量和收获指数最高。

表4 2017—2019年不同处理水稻产量构成和相关性状Table 4 Yield components and related shapes of rice under different treatments in 2017-2019

2.6 不同处理对水稻耗水量和水分利用效率的影响

如图2所示，2017—2019年份间不同耕作覆盖处理下耗水量不同，导致水稻在生产水平上的水分利用效率显著(P<0.05)不同。IDFS水分利用效率显著高于MDDS，3年增幅分别为7.0%、8.0%和3.0%；
而FMDI节水效果明显，在仅有一半耗水量的情况下，依然可以达到较高的产量，故其水分利用效率显著提高，FMDI的水分利用效率较MDDS处理3年增幅分别为54.0%、60.0%和56.0%，故在节水保产为目标的情况下，FMDI处理是较好的水稻旱作节灌方式。

低温冷凉、积温不足是限制宁夏寒、旱地区粮食作物增产的一个重要因素，水稻作为喜温作物，对低温环境的耐受程度较差，即使较小幅度的温差，也会对水稻的生长造成显著影响[17-18]。水具有较高比热值，随环境温度变化，水层可对水稻秧苗起到保护作用，而覆膜能更好地达到保水保墒保温的效果。本研究表明，覆膜处理3 a平均较不覆膜处理增加水稻分蘖期表层(0～10 cm)日平均地温1.7℃。这可能是因为土壤温度主要受土壤热容量与热传导率影响，土壤颗粒与水分相比，具有较低的热容量和较高的热传导率，造成土壤含水量较高，土壤的温度变化幅度较小。地膜覆盖显著的增温作用和前人的研究结果相同[19-20]。

合理的耕作覆盖方式有利于改善播期耕层土壤水分状况[21]，为旱作水稻的出苗保苗和分蘖拔节创造良好的土壤环境。本试验结果表明，保墒旱直播和播后上水旱直播方式因为具有较高的灌溉水量，其土壤水分状况保持在较高的水平，但会增加土壤的表层水分无效蒸发[22]；
而覆膜滴灌方式由于较好的蓄水保墒能力[23]，即使在非充分灌溉的条件下，依然可以让土壤水分保持在满足水稻生长的水平，起到了较好的节水稳产效果。

土壤紧实度是直接关系到作物出苗与根系生长的关键因素[24]，其过高或过低都不利于旱作水稻的出苗保苗以及生长发育。本试验结果表明，3 a保墒旱直播和播后上水旱直播0～30 cm土层土壤紧实度比覆膜滴灌旱作平均高出1.45倍、1.51倍，30～60 cm土层土壤紧实度比覆膜滴灌旱作平均高出1.17倍、1.13倍；
这说明在同样旋耕30 cm的条件下，覆膜滴灌旱作方式可较好地保持表层土壤通气性，但在深层土壤中，并未打破犁底层，建议通过深松来打破旧犁底层，增加耕层厚度，构造新的犁底层，结合FMDI，达到蓄墒保墒保肥的目的。

本试验结果表明，覆膜滴灌旱作较保墒旱直播及播后上水旱直播方式，其全氮含量显著提高，这是因为地膜覆盖能增加耕层土壤全效养分的含量[25]，其增温保墒效应促进了土壤养分的转化、释放和吸收[26]。合理的耕作方式和覆盖不但可以改善土壤的水、肥、气和热状况，同时有利于作物的生长发育，最终提高旱地作物的产量。本试验中，覆膜滴灌方式具有蓄水保墒、增温稳温和培肥土壤等效应，因此其连续3 a水稻经济产量和生物产量均较保墒旱直播方式显著增加，增产原因主要是饱籽率和千粒重的增加。又因为覆膜滴灌具有较好的节水效果，故其水分利用效率也明显优于其他2种种植方式，地膜覆盖的增温保墒节水和提质增产效应再一次得到验证。

与保墒旱直播及播后上水旱直播方式相比，覆膜滴灌旱作方式在宁夏银川平原地区，可协调土壤水-肥-气-热关系，起到蓄水保墒、增温稳温和培肥地力的作用，最终达到增产节水的目的，是目前低温冷凉、春旱频发和土壤肥力持续下降地区较为理想的水稻节灌种植方式，本试验中采用的一垄两行覆膜滴灌方式是较为推荐的节水增产技术措施。