南方稻作区水肥调控研究现状及其发展趋势
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摘要 综述了我国水稻生产上水肥施用与利用现状,南方稻作区节水灌溉和控制排水研究状况,从新施肥模式的运用、新型高效肥料的推广应用和用地与养地相结合的培肥模式论述施肥技术研究新进展。提出合理的水肥耦合调控技术、水资源的循环利用与合理的灌排管理和耕作制度与种植结构调整成为今后南方地区水稻优质高产高效生产的发展趋势。
关键词 南方稻作区;水稻;水肥调控;可持续发展
中图分类号 S511 文献标识码 A
文章编号 0517-6611(2019)09-0014-05
doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.005
Abstract This paper reviewed the current situations of water and fertilizer application and utilization in rice production in China,the research status of watersaving irrigation and controlled drainage,and discussed the new progress of fertilization technology research from the application of new fertilization modes and techniques,the promotion and application of new highefficiency fertilizers,and the combination of land use and land reclamation in southern ricegrowing areas.It is proposed that reasonable water and fertilizer coupling control technology,water resources recycling and rational irrigation and drainage management,farming system and planting structure adjustment will become the development trend of high quality,high yield and high efficiency production of rice in southern China.
Key words Southern China;Rice;Water and fertilizer regulation;Sustainable development
水稻是我国最主要的粮食作物,在我国粮食生产中占有极其重要的地位。我国水稻生产的大头在南方,面积和总产分别占全国水稻的81.6%和79.4%[1]。水稻是一种喜温、喜湿的作物,我国秦岭—淮河以南的南方集中了全国80%左右的水资源,高温期与多雨期一致,水热资源丰富,比北方更适宜发展水稻生产[2]。农业生产上水和肥是影响作物产量与生态环境的重要因素,水稻是农业灌溉用水和氮磷养分消耗最多的作物之一,生长期的养分管理和灌排水管理是非常重要的环节。近年来,南方地区水稻生产上如今也面临诸多矛盾,一方面,不科学的养分管理极易导致水稻种植区氮磷养分流失,带来严重环境问题的同时,使水稻当季氮磷养分利用率下降;另一方面,由于降水时空分布不均和年际水文差异,而旱涝同季、同年现象极为普遍,因此,如何调控水稻种植中的水肥管理措施是一项紧急而艰巨的任务。
多年来,国内外稻作科学工作者围绕高产、优质、高效、生态、安全的目标,针对我国南方地区的水文气象要素、水稻各生育期水分和养分需求以及各区域的农作模式与地势环境,就稻田水肥调控技术进行了大量的研究,创建了“浅、湿、晒”灌溉、干湿交替灌溉、湿润灌溉、蓄雨型灌溉和控制灌排等多种节水灌溉技术,以及有机无机肥配施、秸秆还田与化肥配施、冬闲期绿肥种植与生物炭等有机添加剂的养地培肥措施,缓/控释肥或添加氮抑制剂等新型高效肥料、氮肥实时实地管理、减量优化施肥等施肥模式,或是水肥耦合调控技术,为推动稻作科学的进步和发展做出了重要贡献。笔者就我国水稻水肥利用现状、南方稻区水肥调控研究进展及未来发展趋势提出了以下看法。
1 我国稻田水肥利用现状
21世纪全球农业面临两大挑战:一是为满足人口的增长需要不断增加粮食产量,二是在不断增加粮食产量的同时需要应对水资源的日益减少。我国水稻年种植面积达3 100万hm2,占总耕地面积的 30% 左右,水稻总产量达到 1.8×1011 kg,占总粮食产量的40% 左右[3-4]。水稻是我国灌溉用水量最大、化肥消费量最多的农作物,其用水量占农业用水量的70%,消耗全国总用水量约50%,目前用于灌溉的水资源愈来愈匮乏,严重制约了水稻的生产。
1961—2011年,綠色革命使得我国农业生产加速,粮食产量增长了3.9倍,这种高投入、高产出的体系意味着粮食供应的增加,但同时也意味着资源消耗和环境成本的增加[5]。特别是化肥的消耗,2011年我国氮磷钾肥(N+P2O5+K2O)消费总量为5 050万t,占世界化肥总消费量的30%[6],正是由于化肥在水稻增产中的不可替代性,我国化肥使用量不断增加,方克明等[7]调查表明2005和2015年水稻化肥用量分别为951.45和978.75 kg/hm2,而同期农作物化肥用量分别为533.85和579.3 kg/hm2,水稻化肥单位面积用量均明显高于相应年份的农作物化肥使用量平均水平。由此可见,我国稻田氮肥施用量已经处于相当高的水平,朱兆良[8]研究指出在中国稻田碳铵的氮肥吸收利用率低于30%,尿素为30%~40%,李庆逵等[9]研究指出中国稻田氮肥吸收利用率为30%~35%,彭少兵等[10-11]研究指出随着我国水稻氮肥用量的增加,其农学利用率可能会持续继续下降。 磷是作物正常生长发育所必需营养元素之一,水稻的磷肥施用量高达180~200 kg/hm2,但是由于磷在土壤中移动性较差、易被土壤吸附固定等原因,磷肥当季利用率仅为7.0%~20.0%[12-14]。当前的水稻生产中,磷肥施用存在很大的盲目性和不合理性,主要表现为磷肥施用量普遍偏高[15],生产上多表现为底肥一次性施入。但是,龚海青等[16]研究表明水稻施用磷肥量后移30%的磷肥贡献率、农学利用率、偏生产力和吸收利用率提高了27.7%、33.6%、8.2% 和273%。而不同类型水稻对磷肥投入的反应不同,王伟妮等[17]研究表明早、中、晚稻的磷肥(P2O5)农学利用率平均分别为13.3、13.3和11.6 kg/kg,偏生产力分别为116.4、148.0和157.5 kg/kg,吸收利用率分别为14.2%、13.7%和11.3%,生理利用率分别为85.2、110.4和65.4 kg/kg。不同栽培方式下水稻对磷素利用率也不相同,郭鑫年等[18]研究表明插秧处理水稻磷肥利用效率、偏生产力、农学利用效率、生理利用效率较直播处理分别提高了 17.4%、8.6%、38.4%、4.6%。在水稻-油菜轮作体系中,卜容燕等[19]研究表明水稻季施磷(P2O5)60 kg/hm2时水稻产量最高,磷肥当季利用率最大,而油菜季合理施用磷肥,则显著地增加油菜的产量和磷素吸收量,这是因为水稻季施用的磷肥残留在土壤中可以被后季油菜吸收利用,具有明显的后效作用。
2 南方稻作区水管理现状
灌溉对农业生产十分重要,水稻是需水量最多的作物之一,我国南方地区年降雨量丰富,特别是每年的梅雨期,但也存在时空分布不均的问题,季节性干旱地区的总面积逐年增加,且干旱多发生在夏、秋季节,正是水稻生长的关键需水期[20],使得水稻生产中灌溉水量较大,同时由于稻田化肥用量过高,加之不合理的灌排管理,大量的氮磷等营养元素从稻田进入周边水体,加剧了农业面源污染。因此,因地制宜地实施科学的灌排管理,合理利用梅雨期降雨,既能减少农业用水,缓解水资源短缺,又能减少稻田排水,控制面源污染,有效缓解农用水资源短缺问题、实现农业水资源的持续、高效利用以及农业的可持续发展,是一举多得的举措。
2.1 稻田节水灌溉研究进展
水稻节水灌溉模式是指为充分利用降雨,优化水稻的生理需水,减少水稻的生态需水,人为控制减少无效用水,从而实施的高效水分管理和稻田土壤水分状况调节的灌水方法。根据水稻不同生育期的需水要求,选用不同的水层控制标准,不同灌水定额、灌水次数、灌水时间和灌溉定额,即不同的灌溉制度,从而形成不同的水稻灌溉模式[21]。稻田节水主要的两个途径是减少消耗量和增加蓄雨量,减少消耗主要是减少叶面蒸腾、棵间蒸发量和稻田渗漏量这3部分[22]。
近年来,学者们开展了大量稻田节水灌溉试验研究,一系列的节水灌溉措施被不断测试、改进和推广应用,并逐渐总结出了“浅、湿、晒”灌溉、湿润灌溉、干湿交替灌溉和蓄雨型灌溉等多种节水增效的灌溉模式[23-27],但是,这些灌溉技术并不是所有地区都能适用,针对不同地形地貌、土壤类型、气候条件等特点来做研究才是关键。据报道,“浅、湿、晒”灌溉可节水40%左右[28],增加产量1.1%[29]。张自常等[27]研究表明干湿交替灌溉相较农民习惯灌溉的灌溉水利用效率(产量/灌溉水量)2.5%,产量增加6.16%~11.6%,同时还可改善稻米品质。
晏军等[30]在江汉平原地区研究表明,浅灌深蓄的蓄雨型灌溉技术较常规淹灌处理,田间灌溉水量、总用水量、径流量、渗漏量和降雨利用率分别降低41.7%,18.5%,45.8%,21.9%和增加16.2%,TN和TP径流流失量分别降低32.6%~35.9%和36.4%~53.1%,TN和TP渗漏流失量分别降低22.8%~32.0%和16.2%~33.3%。潘乐[31]研究表明“浅、湿、晒”灌溉比常规淹灌排水量减少10.3%,TN流失量减少19.1%,TP流失量减少11.3%。间歇灌溉比常规淹灌排水量减少15.0%,TN流失量减少3.6%,TP流失量减少19.5%,姜萍等[32]研究表明与常规淹灌处理相比,湿润灌溉处理可减少8.9%的灌水量, 6.0%的径流排水量以及17.3%的渗漏排水量,同时整个水稻季,减少了38.2%的TN径流流失,以及42.1%的TN渗漏流失。
2.2 稻田控制排水研究进展
稻田排水对水稻生长发育具有十分重要作用,合理排水可调节田间水、肥、气、热。控制排水有利于保持作物适宜的土壤水分条件、可减少排水流失量以及排水中的污染物[21]。然而,排水本身具有因地制宜的特点,合理的排水管理将会为水稻用水需求提供稳定的用水供给与安全保障。Drury等[33]研究比较了传统排水和控制排水对排水水质的影响,研究表明控制排水的氮和磷的减少30%到50%。Ayars等[34]報道了控制排水是改善灌溉农业用水管理的下一个合理步骤,和玉璞等[35-37]研究表明节水灌溉技术与控制排水技术有机结合,可以有效减少稻田排水中氮、磷养分含量。乔欣等[38]研究指出节灌控排模式较非节灌控排明显减少了农田排水量和氮磷流失量,同时提高了养分利用率。
稻田控制排水除了影响稻田排水水量、水质外,还会影响稻田田间耗水量。Wesstrm等[39]2年试验研究表明,暗管排水田块蒸发蒸腾量分别较不排水田块增加16%和7%;Tan等[40]3年的试验研究表明,在较干旱年份,暗管控制排水田块蒸发蒸腾量较自由排水田块显著增加。俞双恩等[41]、高世凯等[42-43]和Djaman K等[44]在太湖流域研究表明,控制排水通过对稻田水位的调控,排水量显著减少,同时能有效地削减稻田地表排水中氮磷负荷,提高水稻水氮利用效率。
3 南方稻作区肥管理研究现状
3.1 新施肥模式与技术的运用 在水稻施肥模式与技术上,施肥方式应尽量考虑分次施肥、深施和平衡施用,并结合当地的降雨量、海拔高度、土壤类型与质地和气温等特点设计出有效的施肥方式,同时应以兼顾农业的经济效益和环境效益[45-46]。另外,施肥时期的确定也是一项重要技术,当作物最需要养分时才施肥可以大大地提高肥料的利用率,减少氮磷等养分流失。目前,研究表明实地氮肥管理(SSNM)通过用SPAD(或LCC)自分蘖至抽穗监测水稻叶色变化,根据所测定的SPAD 值(或LCC读数)与预先设定的阈值进行比较,从而决定施肥与否,以期获得施氮时间和施氮量与水稻对氮素吸收的协调一致[47]。刘立军等[48]研究表明,与农民习惯施肥法(FFP)相比,SSNM的施氮量较FFP降低38.7%~41.3%,产量提高2.5%~3.5%,氮素产谷率、吸氮利用率和生理氮转化率分别提高88.3%~117.7%、34.0%~39.5%和46.1%~61.6%。另外,在产量不降低甚至有所增加的前提下,冯绪猛[49]研究发现氮磷肥减量后移施用有利于降低氮肥用量,提高氮肥利用率,优化施肥(226 kg/hm2 N)较习惯施肥(333 kg/hm2N)在平均減氮32.1%的基础上显著提高水稻产量5.5%,优化施肥的氮肥偏生产力(PFPN)、氮肥农学效率(AEN)、氮肥回收效率(REN)和氮肥生理利用率(PEN)较习惯施肥分别平均增加55.5%、79.1%、18.7%和48.7%;从水稻叶片光合特性、稻谷产量及氮素利用率等综合考虑,氮磷适度减施在太湖地区水稻生产上是可行的[50]。
3.2 新型高效肥料的推广应用
目前,农业生产中所用的化肥,均属于速溶性肥料,施用当时在土壤溶液中的浓度高、活性大、变化快、易随水流失。因此,作物在生长过程中实际吸收的量往往较少,利用率不高。国内外有关研究表明,缓控释肥具有养分有效供应期长、利用率高、省肥省工等突出特点,是提高肥料利用效率、增加粮食产量的有效途径。据报道,施用控释(缓释)肥料可使氮肥利用率达 60%~80%,在达到相同作物产量的情况下,可减少施肥量10%~50%[51],这类肥料由于肥料利用率高,可以减少肥料用量以及淋溶损失,从而减少对环境的污染。目前,生产上应用较广的缓控释肥料包括;物理型缓控释肥料(主要为各种包膜肥料);化学型缓控释肥料(主要为养分释放抑制型肥料、阻溶型肥料及化学合成类肥料等)。
针对化学肥料长期施用过度,有机无机复混肥的应用也较多,它主要是将有机肥料与无机肥料结合的新型肥料,有机物质大都为加工后的有机肥料(如禽畜粪便、稻秆、木屑、食品加工废料等)及其他含有机质的物质(草炭、风化煤、褐煤、腐殖酸等),无机营养部分主要是化学肥料[52]。王强[53]研究表明猪粪堆肥有机无机复混肥和菜粕堆肥有机无机复混肥的稻谷产量相对于于无机复合肥处理可分别增产4.3%和4.6%。孟琳[54]研究表明与单施化肥相比,施用有机-无机肥料能显著促进水稻生长后期对氮素的吸收,提高氮肥利用率。另外,新型微生物在农业上应用也越来越广泛,它是由一种或数种有益微生物活细胞制备而成的肥料,是将微生物和基质按照一定比例混合,它能促进植物生长、提高抗逆性[55]。微生物肥料含有大量有益微生物,同时化学养分含量相对较少,对作物增产和调控植株的生长、环境保护和改善品质等方面起到重要作用,但是由于这类肥料价格较高,短期内很难满足水稻较大的养分需求,所以在水稻生产上应用较少。
3.3 用地与养地相结合的培肥模式
在水稻水肥调控模式的研究和制定过程中,除考虑作物产量、生产效益、环境影响等因素外,还应从可持续发展的角度,在生产过程中注意土地生产力的培养和维持。在我国南方稻区有大量冬闲田,通过种植绿肥来进行稻田培肥,研究表明紫云英还田后可减少无机氮肥的投入,适当比例的紫云英与氮肥配施还可以增加水稻产量,对于土壤肥力也有提升作用[56-57],而聂江文等[58]研究表明,冬种紫云英不还田施氮肥也能显著增加水稻产量和紫云英盛花期土壤微生物数量,改变土壤微生物菌群结构,改善土壤化学性质。另外一方面,生物炭作为农林资源的再生产物,因其具有保水保肥、大比表面积、强吸附性等特性,在土壤改良与与固碳减排等方面均具有较好的效果,实现资源化利用的同时,其改良效果对农业生产及生态修复等都具有重要意义,备受国内外学科领域关注。目前相关学者研究表明,生物炭与氮磷钾肥配施[59-60],微生物菌肥与生物炭组合处理[61],可促进水稻生长,显著提高水稻产量,有效降低水稻生育前期氮素流失风险,缩短养分流失风险期,并能维持土壤肥力。
4 南方稻区水肥调控研究发展趋势
4.1 合理的水肥耦合调控技术
在影响作物生长的水、肥、气、热等诸多因子中,水与肥是作物生产力水平提高的关键因素。在农田系统中,水分和养分之间及作物与水肥间相互促进与拮抗的动态关系,以及作物生长发育和产量的形成对这些相互作用的反应叫做水肥耦合效应[62]。单一的水管理或肥管理可以达到节水或节肥,水肥综合调控可以作为节水、控污、高效的稻田水肥管理措施[63]。因此,进一步研究水肥耦合效应对水稻养分吸收和产量形成以及品质的影响及其交互效应,可以较少的水肥投入获得最大经济效益,同时对于生态环境的保护,指导水稻高产、优质和高效栽培具有重要意义。
4.2 水资源的循环利用与合理的灌排管理 对于南方平原地区湖泊水资源保护而言,滨湖池塘养殖对水环境影响比较大。养殖池塘与稻田协作模式可使池塘水及其养分在系统内循环利用,具有节水、对水环境友好的特点。再者,池塘养殖水含有作物可利用的氮磷营养,用于灌溉作物能减少化肥施用量,可降低作物生产成本。另外,农田排水也可作为稻田灌水的一个重要来源,可使降雨期间进入农沟排水中的氮磷养分得到循环利用,减少进入环境的氮磷负荷[64]。农田排水再利用作为一种缓解水资源短缺矛盾的重要途径在国内外许多地区已经得到应用实践。许多研究者指出,利用排水作为水源不仅提供给作物所需水分,同时对环境产生最小化影响[65-67]。 农田灌排管理因气候条件、地理条件、土壤类型、作物种类等的不同而变化,因此,不同气候、土壤和作物等条件下的灌排水管理技术对经济和环境效益影响的试验研究仍是的研究热点。氮磷的淋溶和径流损失总是伴随着水分的流动,以产量经济效益和环境综合效益为目标、优化水肥管理,使肥料与灌排的分配与作物生理需求同步,是防止和减轻氮磷流失的有效手段之一[68-70]。传统的淹灌不利于水稻生长,同时浪费水资源,极易导致稻田养分流失,而较薄的水层有利于氧气交换,土壤与水相界面保持相对平衡的氧化还原状态,加速硝化作用,同时可以增大稻田蓄积雨水的能力,提高水的利用效率。
4.3 耕作制度与种植结构调整
因地制宜采取水稻耕作能显著减少水土流失及养分损失量,水稻的免耕抛秧技术是在稻田在收获上一季度作物之后不经过任何翻耕,先使用除草剂进行杂草清除活动后进行灌溉和施肥,等到水层自然落干后将秧苗抛栽到大田中的一项新的水稻耕作栽培技术[82],对防止氮磷淋失效果显著,可减少施肥部位的养分随入渗水分向深层土壤的迁移和累积。另外,水稻的勉耕轻耙节水栽培技术也深受农民欢迎,该技术主要针对农田灌溉水源不足,为解决缺水泡田问题而研究推广的一项栽培新技术。该技术的应用可节约插秧期泡田用水70%以上,常规栽培用水量节省3 000 m3/hm2,而且有利于水稻扎根和防止早衰[66]。此外,在水稻连续种植的条件下,除非通过人工修复,否则土壤养分供应能力会迅速下降,而绿肥作物可以提供丰富的有机质,改善土壤的物理、化学和生物特性,保持土壤养分和生产力,最终维持作物产量,因此,在冬季种植绿肥是一种非常好的土壤培肥措施。
如今,随着人们对环境和农产品安全的重视,协调农业发展与环境保护的关系显得尤为重要,最终这一点体现在农作物水肥管理上,水稻生产同样如此,调整种植结构,探索水稻生态种养新模式,对南方稻区可持续发展意义重大。目前,头季—再生稻种植的生态效应多年种植发现,具有南方特色稻作制度的再生稻一方面可以充分利用有限的光温资源、提高单位面积稻田复种指数和总产,另一方面与“早稻+连晚”相比,再生稻可破坏二化螟等虫害和纹枯病等病害的适宜生存环境,从而减少农药化肥用量、大大降低农业面源污染,也可降低稻米中重金属含量,提高稻米品质[71]。另外一方面,稻田种养复合生态模式是我国南方稻作区一种主要的种养模式,其主要体现在节肥、节药、抑草、改善土壤和水体等方面上。近年来,稻虾共作模式已发展成为我国长江中下游地区一种以涝渍稻田为条件,以种稻为中心,稻草还田养虾为特点的新兴稻田种养复合生态模式,该模式在长江中下游稻区发展很快,在生产过程中投入品以有机肥和生物农药为主,大大减少了化学农药、化肥的施用量,保护了生态环境。另外一项调查分析[73]显示,稻-鱼模式下农户化肥使用量比常规水稻种植模式的使用量要减少15.21%,农药使用量要减少40.17%。这种种养结合模式是一种发展绿色有机农业的好模式,利于水稻生产的可持续发展。
5 结语
综上所述,可以认为,稻田不适当的灌排水管理和施肥措施极易造成水肥利用率降低和水稻减产,改进施肥方法与肥料种类,加强稻田水肥耦合调控管理,高效的节水灌排和用地与养地相结合的水肥管理措施,同时因地制宜改变耕作制度、实施稻田种养结合循环农业模式策略,有利于水稻的增产、高效、环保和可持续生产。
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