摘要
阐明关键生育期不同水分管理模式对水稻产量和氮、磷流失的影响。以云粳 37 为研究对象，在云南省大理市湾桥镇和乐村开展田间试验。在水稻生育期内进行不同灌溉处理：常规灌溉（CI）、轻度干湿交替（AWD）、重干湿交替Ⅰ（WSDⅠ）和重干湿交替Ⅱ（WSD Ⅱ），分析不同水分管理模式对水稻产量变化和氮、磷流失特征的影响。结果表明，与 CI 处理相比，AWD、WSDⅠ、WSD Ⅱ水稻有效分蘖数依次提高 31.8%、14.8%、1.1%； AWD 处理增产 6.9%，达 10.8 t·hm-2，CI 处理与 WSDⅠ、WSD Ⅱ处理间产量无显著性差异。较 CI 处理，3 个干湿交替处理显著降低全氮（TN）、全磷（TP）、铵态氮（NH4+ -N）的径流和下渗损失量，而且 WSDⅠ处理 TN、 TP、NH4+ -N、硝态氮（NO3- -N）汇入洱海的污染最低。与 CI 处理相比，AWD、WSDⅠ和 WSD Ⅱ处理的灌水量显著减少 49.9% ～ 54.0%（P<0.05），渗水量减少了 47.7% ～ 52.6%，灌溉生产力提高 59.9% ～ 137.0%。然而，干湿交替处理较 CI 处理排水量增加了 177.3% ～ 256.1%。AWD 处理 TN、TP、NH4+ -N、NO3- -N 流失依次降低 31.5%、64.1%、70.0%、47.8%；WSDⅠ处理依次降低 39.9%、73.4%、74.0%、50.6%；WSD Ⅱ处理 TP、NH4+ -N 流失依次降低 75.0%、74.0%；TN、NO3- -N 流失依次增加 3.9%、11.1%。对于地下水丰富的湖泊流域在拔节孕穗期重干湿交替后正常复水能维持水稻产量和降低氮、磷污染负荷，以上研究旨在为相似湖泊流域的稻作区发展提供参考。
Abstract
This study aimed to investigate the impact of various water management strategies on rice yield and nitrogen and phosphorus loss during key growth periods. Taking Yunjing 37 as the research object，a field experiment was carried out in Wanqiao Town and Lecun Village，Dali City，Yunnan Province. Different irrigation techniques，including conventional irrigation（CI），mild alternate wetting and drying（AWD），heavy alternate wetting and drying I（WSDⅠ），and heavy alternate wetting and drying II（WSD Ⅱ），were implemented to assess their effects on rice yield fluctuations as well as nitrogen and phosphorus loss patterns. Compared to CI treatment，the effective tillering number of AWD，WSDⅠ and WSD Ⅱ treatments increased by 31.8%，14.8% and 1.1%. AWD treatment resulted in a 6.9% increase in yield，reaching 10.8 t·hm-2. There was no significant difference in yield between CI treatment and WSDⅠ and WSD Ⅱ treatments. Compared with CI， the three dry and wet alternating treatments significantly reduced runoff and infiltration losses of total nitrogen（TN），total phosphorus（TP），ammonium nitrogen（NH4+ -N），and nitrate nitrogen（NO3- -N），with the lowest pollution to Erhai Lake observed under WSDⅠ treatment. Irrigation amount was significantly reduced by 49.9%-54.0% with AWD，WSDⅠ， and WSD Ⅱ treatments，leading to a reduction in water seepage by 47.7%-52.6%；Irrigation productivity was increased by 59.9%-137.0%．However，compared with CI treatment，the drainage increased by 177.3%-256.1%，And losses of TN， TP，NH4+ -N and NO3- -N in AWD treatment were decreased by 31.5%，64.1%，70.0% and 47.8%，respectively，and those in WSDⅠ treatment decreased by 39.9%，73.4%，74.0% and 50.6%，respectively，while WSD Ⅱ treatment reduced TP and NH4+ -N losses by 75.0% and 74.0%，respectively. However，TN and NO3- -N losses were increased by 3.9% and 11.1%， respectively. In conclusion，for lake basins with abundant groundwater，normal rehydration after alternating heavy dry and wet conditions during the jointing booting stage could maintain rice yield and reduce nitrogen and phosphorus pollution. This study provided insights for the development of rice farming areas in similar lake basins.
2022 年，中国水稻种植面积达 3.0×107 hm2，约占粮食种植面积的 24.9%[1]。稻田灌溉用水约占农业用水 70%，随着人口增长和全球气候变化等因素，水资源日益缺少，严重降低了水稻可持续农业发展[2]。不合理灌溉不仅耗水量大，还会因径流、淋洗和排水等因素增加水体的污染负荷[3-6]。洱海是云南省第二大高原湖泊，是大理各族人民赖以生存的“母亲湖”，水稻种植面积为 7086 hm2，约有 75% 的水稻生产依然依靠传统灌溉[7-8]。因此进行优化节水灌溉、提高水分利用效率，对减少洱海流域农业面源污染具有重要意义[9-11]。稻田长期淹水会导致生长点低温、土壤氧化还原电位失衡和硝化作用降低，增加还原性物质积累，抑制水稻生长[12-13]。这种高消耗水资源的生产方式不仅影响水稻产量，而且制约了农业可持续发展[14]。Lampayan 等[11]研究表明，水稻生长不需要持续灌水，水稻移栽之后，即使土壤湿润没有明水，水稻根系仍能够从根际周围汲取地下水分；Bouman 等[15]也证实了这一点，水稻生理需水只占其全部耗水的 15% 左右。近年来，国内外学者围绕高产与节水为靶向，创立了干湿交替灌溉技术，该研究主要集中于水稻整个生长期内干湿交替或旱涝胁迫对农艺性状、生理特性、水分利用效率及土壤环境方面的研究[16-17]。然而，云南省大理州近十年来的降水情况表明关键生育期的降水量处于较高水平，加之洱海地下水位较为丰富，那么，云南省对于关键生育期内的重度干湿交替究竟能否达成节约水资源、降低氮磷流失以及维持水稻产量等目标，仍有待进一步深入探究和明确。以提高水稻产量和降低氮、磷污染为目的，在洱海流域开展不同干湿交替节水试验，分析农田氮、磷流失和水稻产量的情况，建立适用于洱海流域水稻的水分管理模式，从而更加准确地指导田间水分管理，减少稻田氮、磷流失，降低农业面源污染。通过大田试验，在水稻生育期内进行了不同灌溉处理，以分析各处理对水稻产量及氮、磷流失的影响。
1 材料与方法
1.1 试验地
试验地位于云南省大理市喜州镇和乐村大理苍洱留香农业发展有限公司基地（25°53′34″N， 100°10′27″E），海拔 1980 m，年平均气温 14.6℃，降水量 1048 mm 左右。试验地耕层土壤 pH 值 7.06，有机质 64.72 g·kg-1，全氮 3.21 g·kg-1，有效磷 74.4 mg·kg-1，速效钾 76 mg·kg-1。
1.2 供试品种
供试水稻品种为云粳 37，当地手工插秧株行距：10 cm×22 cm，水稻移栽到收获时间为 2023 年 5 月 20 日至 9 月 20 日，全生育期共 120 d。
1.3 施肥
按照当地常规推荐肥料用量：N-P2O5-K2O 为 160-60-90 kg·hm-2，基肥为缓释肥（ 云天化绿色智能肥水稻专用肥，氮、磷、钾为 15%-11%-14%）。氮肥运筹为基肥∶分蘖肥∶促花肥∶保花肥 =4∶2∶1.5∶2.5；磷、钾肥分两次施用，基追比为 1∶1。磷肥为过磷酸钙（P2O5 16.0%）；钾肥为硫酸钾镁肥（K2O 25.0%），小区面积 120 m2 （长 40 m，宽 3 m）。
1.4 试验设计
试验设置水分管理模式分别为常规灌溉（CI）、轻度干湿交替（AWD）、重干湿交替Ⅰ（WSDⅠ） 和重干湿交替Ⅱ（WSD Ⅱ）。每个处理设 3 个重复，共 12 个小区，不同处理控水试验设计详见表1。为更优地模拟田间试验状况，本试验摒弃大棚遮雨方式，依据近十年的降水量、气温数据以及云粳 37 的生育时长来精准计算秧苗的移栽时间，旨在更有效地规避水稻关键生育期遭遇极端阴雨天气的情形。再者，试验田土壤渗漏速率偏快使得控水试验得以更出色地完成。最后，小雨过后落干的土水势大体能够契合轻度干湿交替的水分管理要求，而重度干湿交替若要实现重度落干，排水频次将会增加，相应地灌水量较之于轻度干湿交替也会增多。
表1不同灌溉制度的水分管理方案
注：-kPa 指水分落干时土壤压力势，轻度落干时压力势值-15 kPa，重度落干时压力势值-30 kPa；10 mm 表示田面水高度。
1.5 仪器设备安装
1.5.1 地表径流设施建设
地表径流监测试验小区排列为单排式（图1），径流小区与径流池之间一一对应，共建 12 个小区和 12 个径流池。各小区之间均以田埂分隔。每个径流池的容积为 7.2～7.8 m3（长6.0～6.5 m，宽 2.0 m，深 0.6 m），内外墙壁均用防水砂浆抹面，并用氨酯涂料做防渗处理，避免漏水和渗水。为防止小动物和其他垃圾进入径流池影响径流水样测试结果，同时防止雨水进入径流池影响监测结果，在径流池上铺设硬质石棉瓦盖板。
1.5.2 地下渗漏收集装置设计与安装
下渗水收集装置如图2所示，其分为箱体、连接管、收集管 3 部分。其中，收集箱的长、宽、高分别为 40、25、30 cm，底面钻直径 2.5 cm 的孔，在底面铺设尼龙网、细砂，再将原位土填充进去； 收集管为直径 10 cm 的 PVC 管，总长为 250 cm，下端用 PVC 堵头封死，其通过 45°弯头以及连接管与收集箱连接，收集箱中的下渗水经过滤后汇入收集管中。其整体埋入地下，收集箱底端距地面 30 cm，为防止作物落叶、泥沙蚊虫进入，在 PVC 管顶端配制螺旋盖并高于地表以上 30 cm。
图1单排式地表径流监测试验小区设计图
图2下渗水收集装置
1.6 样品采集与测定
径流水样品采集：每次降水并产生径流以及水稻晒田期人为排水后，记载各径流池水面高度后采集径流水样。至少选取 8 点采集水样，采集后置于清洁的塑料盆中。分装到 2 个样品瓶中，每瓶水样不少于 500 mL，其中一个供分析测试用，另一个作为备用。如果当天不能进行分析，应立即将水样冷冻保存。
渗漏液样品采集：采样时，提前 1 d 用脚踏式抽气泵接 150 cm 长的细塑料管，将积存在管中的水抽出放掉，待第 2 d 上午，将新渗入管中的水抽出作为样品，注入贮样瓶，带回实验室储存到 4℃ 的冰箱中备用并立即检测或冰冻保存。种植前和施肥前后加测渗漏水，其余时间每隔 7～15 d 从取样管中抽取 60 cm 的水样进行测定。
氮、磷渗漏损失量（kg·hm-2）= 氮、磷时间间隔加权平均浓度（mg·L-1）× 渗水量（m3）/ 面积（hm2）×10-3[18]
渗水量（m3）= 渗水速度（mm·d-1）× 面积 （m2）× 浸没天数（d）×10-3
氮、磷时间间隔加权平均浓度（mg·L-1）=Σ[每次渗漏水氮、磷浓度（mg·L-1）× 时间间隔（d）]/ 总生长时间（d）[19]
氮、磷径流流失量（kg·hm-2）=Σ[每次径流过程中氮、磷浓度（mg·L-1）× 每次径流过程中径流体积（m3 ·hm-2）×10-3][20]
渗水速率测定方法：在每个小区中央 30 cm 处插入一个白色不透明 PVC 大圆桶塑料管，在塑料管加水使得水位和稻田水位平齐，间隔一周或 15 d 观察水位下降高度并记录数据，然后换算成平均日渗漏速率，从而求出渗水速率。
1.7 指标测定
1.7.1 分蘖、产量性状测定
（1）在水稻进入分蘖期选取有代表性的植株 10～20 株，分别数分蘖数和茎蘖数，并求平均值。
（2）作物产量指标：作物成熟后，分别采用割方（6.67 m2）进行实割和理论测产。
1.7.2 水样测定
水样全氮（TN）、硝态氮（NO3--N）、铵态氮 （NH4+-N）、全磷（TP）分别使用过硫酸钾氧化分光光度法、气相色谱法、紫外分光光度法、紫外分光光度法测定。
2 结果与分析
2.1 不同水分管理对分蘖的影响
相比 CI 处理，干湿交替提高了水稻分蘖数 （图3），AWD、WSDⅠ和 WSD Ⅱ处理有效分蘖数分别提高了 31.8%、14.8% 和 1.1%。
图3不同水分管理对水稻分蘖的影响
2.2 不同水分管理对水稻产量及产量构成因素的影响
较 CI 处理，AWD 处理增产 6.9%，产量达 10.8 t·hm-2；而重干湿交替（WSDⅠ和 WSD Ⅱ）分别减产 9.9%、4.0%（表2）。AWD 处理有效穗数和穗粒数的增加是增产的主要原因。与 AWD 处理相比， CI 处理有效穗数和穗粒数分别降低 13.6% 和 3.9%， WSDⅠ和 WSD Ⅱ两个处理有效穗数依次降低 9.0% 和 5.8%，穗粒数分别降低 18.8% 和 28.9%。AWD 处理较 CI、WSDⅠ、WSD Ⅱ处理结实率分别提高了 8.0%、17.3%、5.6%。各处理间千粒重没有显著性差异。
表2不同水分管理对水稻产量及产量构成的影响
注：不同小写字母表示处理间差异显著（P <0.05）。下同。
2.3 不同水分管理对稻田田面水和下渗水氮、磷加权平均浓度的影响
2.3.1 不同水分管理对田面水全氮、硝态氮、铵态氮、全磷时间间隔加权平均浓度的影响
与 CI 处理相比，干湿交替显著降低了田面水 TP、NH4+-N 时间间隔加权平均浓度，但干湿交替处理显著提高了田面水 TN、NO3--N 时间间隔加权平均浓度（表3）。与 CI 处理相比，AWD 处理 TP 降低 80%，干湿交替处理间 TP 浓度无显著性差异。较 AWD 处理，重干湿交替（WSDⅠ和 WSD Ⅱ 处理）依次显著降低 NH4+-N 浓度 50.0% 和 50.0%；与 CI 处理相比，AWD 处理 TN、NO3--N 浓度分别提高 9.68%、31.58%。但重干湿交替 WSDⅠ处理较 AWD 处理能显著降低 NO3--N 浓度 8%。
表3不同水分管理对田面水氮、磷时间间隔加权平均浓度的影响
2.3.2 不同水分管理对下渗水全氮、硝态氮、铵态氮、全磷时间间隔加权平均浓度变化的影响
较 CI 处理，干湿交替处理显著降低了下渗水 TP、NH4+-N 浓度，但重干湿交替 WSD Ⅱ处理下渗水 NO3--N、TN 浓度均高于其他处理（表4）。较 CI 处理，AWD 处理下渗水 TP、NH4+-N 浓度分别显著降低 41.07%、46.81%。较 AWD 处理，重干湿交替 WSDⅠ处理 NO3--N、TN 浓度分别降低 7.58%、 10.48%，而重干湿交替 WSD Ⅱ处理 NO3--N、TN 浓度分别增加 73.48%、48.79%。
表4不同水分管理对下渗水氮、磷时间间隔加权平均浓度的影响
2.4 不同水分管理对氮、磷径流流失的影响
该试验区在整个水稻季不同水分管理模式产生径流次数不同。CI、AWD、WSDⅠ、WSD Ⅱ处理分别产生 3、7、9、10 次径流。CI 处理 TN、NO3--N、NH4+-N 径流损失量最低，相比 AWD、WSDⅠ、 WSD Ⅱ处理 TN 依次降低 55.8%、68.1%、67.13%， NO3--N 依次降低 55.13%、68.81%、68.37%，NH4+-N 依次降低 64.29%、72.22%、72.22%（表5）。
表5不同水分管理氮、磷径流总流失量
2.5 不同水分管理对稻田下渗和径流氮、磷损失的影响
干湿交替处理显著降低稻田灌水量和渗水量、灌溉水生产力，但是增加了排水量。与 CI 处理相比，AWD、WSDⅠ和 WSD Ⅱ处理的灌水量显著减少了 49.9%～54.0%（P<0.05），渗水量减少了 47.7%～52.6%，灌溉水生产力提高了 59.9%～137.0%。然而，干湿交替处理较 CI 处理排水量增加了 177.3%～256.1%（表6）。
与 CI 处理相比，AWD 处理降低 TN、TP、NH4+-N 下渗和径流流失总量，而重干湿交替 WSD Ⅱ显著增加 NO3--N 下渗和径流损失。较 CI 处理，AWD 处理 TN、TP、NH4+-N、NO3--N 流失依次降低 31.5%、 64.1%、70.0%、47.8%；WSDⅠ处理依次降低 39.9%、 73.4%、74.0%、50.6%； 而 WSD Ⅱ 处理 TN、NO3--N 流失依次增加 3.9%、11.1%，TP、NH4+-N 流失依次降低 75.0%、74.0%（表7）。
表6不同水分管理水稻灌水量和排水量以及渗水量、灌溉水生产力
表7不同处理氮、磷下渗和径流流失总量
3 讨论
3.1 不同水分管理对水稻分蘖和产量的影响
分蘖是水稻生长过程中至关重要的阶段，其数量直接影响着水稻产量。分蘖是指腋芽原基逐渐形成蘖芽的过程。蘖芽初始时处于生长抑制状态，只有在受到植物内源激素的刺激后才会开始生长[21]。过去研究表明，干湿交替灌溉可以刺激水稻合成玉米素核苷 + 玉米素（Z+ZR）和生长素（IAA）的过程，促进蘖芽的分化[22-23]。相比之下，常规灌溉和重干湿交替抑制了 Z+ZR 和 IAA 的合成，降低了蘖芽的分化。干湿交替灌溉增强了根系对养分的吸收，尤其提高了对 NH4+ 的吸收，促进了氨基酸的转化[24]。在复水时，干湿交替灌溉促进了地上部叶片的光合速率和叶片中的氮代谢酶（硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶）活性，提高了茎鞘中非结构性碳水化合物向籽粒的转运，增强了籽粒中蔗糖合成酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和淀粉合成酶的活性，最终提高了水稻的千粒重和结实率。然而，重干湿交替和常规灌溉明显降低了根系的活力[23，25]。重干湿交替还下调了蔗糖酶合成和淀粉合酶基因表达以及降低了合成关键酶的活性；此外，它还上调了抑制信号传递和能量代谢等上述蛋白的表达[26-27]。常规灌溉会妨碍地上部分气体的扩散，减少光线的透入，导致生长点温度降低，碳源和能量的摄取和转化减少[28]。本研究中传统淹灌和关键生育期重干湿交替产量没有显著性差异，但不同生育阶段对水分的敏感性存在差异，这和杨晓龙[29]的研究结果相一致，不同之处在于本试验重干湿交替相比常规灌溉没有大幅度减产，其原因可能是洱海流域地下水位偏高，水稻根系可以通过毛管引力吸收地下水，因此没有出现大幅度减产。本试验还发现，抽穗扬花重干湿交替比拔节孕穗更敏感，这与前人研究结果相似，抽穗前的光合产物对籽粒灌浆物质的贡献可达 20%～40%，抽穗后的光合产物对产量的贡献为 60%～80%[30]。因此，土壤落干程度是影响产量的关键因素，建议关键生育期水分落干至-15 Kp 作为落干程度的安全指标。
3.2 不同水分管理对田面水和下渗水时间间隔加权平均浓度及氮、磷损失的影响
相比常规灌溉，干湿交替处理下有机氮更容易矿化和硝化，能够提高水稻根际与非根际土壤硝态氮含量和脲酶、蔗糖酶活性，降低土壤 NH4+-N 含量[31]，导致 TN 田面水时间间隔加权平均浓度高于淹灌处理，且处理中 NO3--N 浓度大于 NH4+-N 浓度。本研究重干湿交替 NO3--N 时间间隔加权平均浓度高于轻度干湿交替，从落干频率来看，重干湿交替落干频率 >轻干湿交替落干频率，前人研究指出随着落干频率的降低，净氮矿化量也随之降低，低频率的干湿交替较容易促进氮固定，高频率的干湿交替循环更容易促进氮矿化[32-33]。落干频率的增加会使得氮矿化过程比重增加，NH3--N 含量增加。3 个干湿交替处理 TP 田面水时间间隔加权平均浓度低于常规灌溉处理，从 Aboulfazli 等[34] 的研究机理可以看出，干湿交替使土壤亚铁含量降低，土壤微生物生物量磷增多，导致难溶解的磷酸亚铁和土壤中有效磷含量降低。
常规灌溉处理 TP、NH4+-N 和 TN 下渗水时间间隔加权平均浓度显著高于其他处理，究其原因，常规灌溉以漫灌为主，漫灌增加了渗水量，减少土壤对养分的吸附，使得重力水流运动增强，导致较高浓度的 TP、NH4+-N 和 TN 随灌溉水向下渗漏，从而增加氮、磷下渗的流失风险[35]。关键生育期重干湿交替降低了氮、磷流失量，其中拔节孕穗期重干湿交替氮、磷流失 <抽穗扬花期重干湿交替。可能是由于拔节孕穗期重度落干频率及持续的时间较短，且水稻在拔节孕穗期对养分的吸收强度大于抽穗扬花期[36]，导致拔节孕穗期重干湿交替增加了作物和微生物对养分的竞争。
4 结论
干湿交替是可靠的水稻生产节水技术，主要方法是稻田土壤落干至-15～-30 kPa 后复水 50 mm。本研究中轻度干湿交替较常规灌溉可实现节水 50%，增产 6.9%，全氮和全磷排放分别减少了 31.5% 和 64.1%，但是拔节孕穗期重干湿交替全氮和全磷排放比轻干湿交替分别减少了 12.3% 和 26.1%，且产量与常规灌溉没有显著性差异。因此，从环保的角度分析，地下水丰富的洱海流域短时段重干湿交替不仅能节约水资源，还能维持水稻产量，这对于水稻的绿色发展提供了重要的指导。