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第1章 AWD與緩控釋肥耦合對稻田碳氮磷遷移轉(zhuǎn)化的影響

1.1 引

1.1.1 農(nóng)田面源污染與水體富營養(yǎng)化

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生源要素碳、氮、磷等的遷移轉(zhuǎn)化過程與歸宿及其循環(huán)的凈結(jié)果(即"源"或"匯")密切影響著健康生態(tài)系統(tǒng)的維持及其生態(tài)功能的發(fā)揮。目前，人類活動引起的水體加速富營養(yǎng)化已成為21世紀(jì)全球生態(tài)環(huán)境的主要問題之一。由富營養(yǎng)化引發(fā)的江河湖庫水華和海洋赤潮會進一步加重水體污染，不僅損害水產(chǎn)養(yǎng)殖、破壞水域景觀，還會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)失衡、危害人體健康。2009年Science系列報道指出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)面源氮、磷污染物的輸出對水環(huán)境惡化有著十分顯著的貢獻，富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生與農(nóng)田土壤氮磷養(yǎng)分流失有著緊密的聯(lián)系(Conley et al.，2009；Vitousek et al.，2009；Schelske，2009)。水體富營養(yǎng)化已成為當(dāng)前中國水污染的核心問題。隨著工業(yè)廢水和城市生活污水等點源污染得到不斷地控制，農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)取代點源成為水環(huán)境氮、磷污染的重要來源(Zuo et al.，2003；Ongley et al.，2010；陸宏鑫等，2013；吳雅麗等，2014)。2010年2月環(huán)境保護部、國家統(tǒng)計局和農(nóng)業(yè)部聯(lián)合的《次全國污染源普查公報》數(shù)據(jù)顯示，我國農(nóng)業(yè)污染源(不包括典型地區(qū)農(nóng)村生活源)排放總氮270.5萬t、總磷28.5萬t，分別占全國氮、磷總排放量的57.2%和67.3%，其中種植業(yè)排放總氮159.8萬t、總磷10.9萬t，分別占農(nóng)業(yè)源氮、磷總排放量的59.1%和38.2%。農(nóng)業(yè)面源已成為中國水體的主要污染源，而農(nóng)田氮磷流失又是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源。目前，化肥的過量施用及不合理的水肥管理方式導(dǎo)致的水肥利用率不高是造成我國農(nóng)田氮磷大量流失的主要原因(Ju et al.，2009；Zhao et al.，2012a；許曉光等，2013；趙宏偉和沙漢景，2014)。

水稻是我國的主要糧食作物。農(nóng)業(yè)部公布的全國2003～2012年稻米生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，近10年來我國水稻年均種植面積2900萬hm2，年均稻谷產(chǎn)量1.88億t，水稻平均單產(chǎn)6.45t/hm2，水稻種植面積和總產(chǎn)量均居世界位(農(nóng)業(yè)部信息中心，2014)。水稻又是我國灌溉用水量大、化肥消費量多的農(nóng)作物(朱成立和張展羽，2003)。一方面，我國是個缺水大國，水資源緊缺，人均年占有水資源量只有2200m3，僅為世界平均值的1/4，且水資源時空分布極不均勻、地區(qū)差異大(江云等，2007)，而占全國總用水量70%的農(nóng)業(yè)(姜萍等，2013)，其農(nóng)田灌溉用水浪費現(xiàn)象卻相當(dāng)嚴重，我國水分利用率僅為發(fā)達國家的一半左右(江云等，2007)。現(xiàn)代工業(yè)化和城市化進程的加快進一步加劇了農(nóng)業(yè)用水的供應(yīng)緊缺，農(nóng)業(yè)水分供應(yīng)量的不斷減少將威脅農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，因而必須采取措施來節(jié)省稻田的用水量(Belder et al.，2004；Feng et al.，2007)。另一方面，肥料作為作物增產(chǎn)的主要因子，我國化肥產(chǎn)量及用量均居世界首位，并且化肥消費量還在逐年增長(朱兆良，2000；Peng et al.，2010；王森等，2013)。改革開放以來，我國化肥用量幾乎呈指數(shù)上升，1977～2005年，我國氮肥施用量從707萬t增加到2621萬t，增幅271%，而同期糧食總產(chǎn)量只增加了71%，糧食產(chǎn)量增長速度遠遠低于化肥施用量的增加(Ju et al.，2009)。肥料(尤其是氮肥)的大量投入盡管一定程度提高了作物產(chǎn)量，但過量施肥、施肥方式不當(dāng)及肥料施用與田間水分管理不協(xié)調(diào)等造成氮、磷的大量流失(Zhao et al.，2012a；趙宏偉和沙漢景，2014)，使得我國肥料利用率普遍不高，氮肥利用率僅為30%～40%，由于磷素極易被土壤所吸附，因而磷肥利用率比氮肥還低，僅為15%～25%(朱兆良，2000；Yan et al.，2008；張福鎖等，2008)。化肥的大量輸入伴隨著極低的利用效率，造成了肥料浪費嚴重，而且多余的氮肥隨水土侵蝕、氨揮發(fā)、反硝化、地表徑流和地下淋溶等多種途徑流失(謝云等，2013)，終會導(dǎo)致土壤退化(尤其是土壤酸化)、水體富營養(yǎng)化、地下水污染、氨氣及溫室氣體的排放加劇等問題，給環(huán)境帶來了嚴重的污染和破壞(Guo et al.，2010；Peng et al.，2010；Spiertz，2010)。對耗水和用肥量大的水稻作物開展節(jié)水灌溉與優(yōu)化施肥的水肥管理，對于提高稻田水分和肥料利用率，建立區(qū)域性高產(chǎn)、節(jié)水、省肥、減排的高效水稻種植模式，緩解不合理的灌溉與施肥造成的環(huán)境污染及節(jié)約資源和保護環(huán)境具有重要意義。

1.1.2 干濕交替節(jié)水灌溉研究進展

1.水稻灌溉的發(fā)展

傳統(tǒng)上水稻栽培多采用連續(xù)淹水灌溉(continuous flooding irrigation，CF)模式。水稻淹灌栽培具有抑制部分雜草發(fā)芽、淋洗鹽分及其他有毒物質(zhì)(重金屬，農(nóng)藥)等優(yōu)勢(Dong，2008；de Vries et al.，2010)，但稻田連續(xù)淹水也帶來諸多的不利，包括：田間暴雨徑流產(chǎn)生量大、化肥和農(nóng)藥流失量較高，地下滲漏淋溶也較高，加重了地表水和地下水污染(Mao，2001；趙宏偉和沙漢景，2014)；田面長期淹水，其水分蒸發(fā)、蒸騰散失也加劇，水分利用效率低(茆智，2002)；淹灌條件下田間灌溉次數(shù)多，需要投入大量的人力、能源和時間(Mahajan et al.，2012)；淹灌模式下土壤通氣條件差，過深的淹水會抑制水稻的根系發(fā)育和植株分蘗，往往難以獲得高產(chǎn)(Jayakumar et al.，2005；Zhao et al.，2012b)。水稻淹灌栽培模式耗水量大，與我國日益緊缺的農(nóng)業(yè)水資源供給相悖(Belder et al.，2004)。為保障我國糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，必須采取有效的節(jié)水灌溉措施來減少田間灌溉用水，提高稻田水分利用效率(Feng et al.，2007；Yao et al.，2012)。自20世紀(jì)80年代以來，研究者開展了大量節(jié)水灌溉試驗研究，一系列的稻田節(jié)水灌溉措施被不斷測試、改進和推廣應(yīng)用，并逐漸總結(jié)出了淺濕曬灌溉、濕潤灌溉、干濕交替灌溉、半旱栽培和覆膜旱作等多種節(jié)水增效的灌溉模式(茆智，2002；Zhang et al.，2008；姜萍等，2013)。其中，推廣應(yīng)用為廣泛的是干濕交替灌溉(alternate wetting and drying irrigation，AWD)(Belder et al.，2004；Tuong et al.，2005；Feng et al.，2007)。

2.干濕交替灌溉概述

1)干濕交替灌溉技術(shù)簡介

干濕交替節(jié)水灌溉屬于稻田強化栽培體系中的一種水分管理實踐(Bouman et al.，2007)。與常規(guī)連續(xù)淹灌(CF)相比，干濕交替灌溉(AWD)大的特點在于允許稻田周期性的灌溉與落干(Tuong et al.，2005；LiHMandLiMX，2010)。

典型AWD管理稻田田面水位變化見圖1.1(Bouman et al.，2007)。

圖1.1干濕交替灌溉稻田田面水位變化示意圖

2)干濕交替灌溉操作方法

應(yīng)用干濕交替灌溉進行水稻種植期田間的水分管理，需要密切關(guān)注田面水位。大田試驗中，可在稻田中埋置透水的AWD管材作為水位觀測裝置。AWD管材是一種圓柱形PVC空心管，直徑20cm、長40cm，管壁半段20cm的柱形區(qū)域每隔2cm均勻鉆有直徑5mm的滲水孔(圖1.2)。

圖1.2 AWD管材(a)及其田間水分監(jiān)測原理(b)(Bouman et al.，2007)

選取距離田埂50～80cm(方便水位觀測)且避開角落和低洼處的平整地塊(水位有代表性)，將AWD管材豎直埋置，埋深為25cm，至犁底層，然后將管材內(nèi)的泥土刨空，便于隨時觀察田間的水位變化(連通器原理)(圖1.3)。

圖1.3 AWD田間水位監(jiān)測示意圖

AWD管理具體操作步驟如下(Bouman et al.，2007；Li H M and Li M X，2010)：稻谷播種后，經(jīng)過2～3周的育秧期，將秧苗移植于平整的大田，秧苗移栽后10～14d田間維持10～40mm的淹水層，保障水稻順利存活和返青。水稻返青進入分蘗后，根據(jù)雨情預(yù)報將稻田一次性灌溉至40～60mm水深，因水分蒸發(fā)、植株蒸騰和土壤滲漏，田面水位降至表土層以下(自然落干)。稻田落干可達數(shù)天，至田面水降低至表土以下約100mm，根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤昵闆r、稻田土壤類型、抗旱能力及水稻生長狀態(tài)，選擇合適的時機，再次灌溉至初始水深，自然落干，完成一個連續(xù)灌溉-烤田的干濕交替過程。之后，干濕交替灌溉往復(fù)進行。水稻孕穗和揚花期，保持田間淹水30～50mm約一周。盛花期后，繼續(xù)干濕交替灌溉直至水稻黃熟，不再灌水，收割。

3)干濕交替灌溉優(yōu)缺點

AWD較CF有幾點優(yōu)勢：首先，適度的干濕交替灌溉可以在符合水稻生理需水的情況下維持水稻生長以節(jié)省灌溉水用量，提高水分利用率(Wu，1998；Cabangon et al.，2004；Liang et al.，2013)。其次，干濕交替灌溉條件下，稻田土壤的通氣狀況得以改善，可向土壤(水稻根區(qū))提供足夠的氧，有利于改善水稻的根系系統(tǒng)(Mao，2001；Bouman et al.，2007；張靜等，2014)。再次，節(jié)灌處理通過調(diào)整稻田水分和土壤生態(tài)環(huán)境改善了水稻的生育率，稻田微區(qū)場地環(huán)境改變，也有利于降低水稻的病蟲害(Wu，1998；茆智，2002)。后，干濕交替節(jié)灌模式能夠改善中國南方部分地區(qū)因過度淹沒而導(dǎo)致還原性土壤環(huán)境農(nóng)田的低產(chǎn)狀況(Wu，1998；Bouman et al.，2007)。

從目前的報道來看，干濕交替作為一種有效的水稻節(jié)水灌溉，對水稻生長和產(chǎn)量等的影響結(jié)論并不一致(Bouman and Tuong，2001；Bouman et al.，2007；Cabangon et al.，2011；Sun et al.，2012)。這源于諸多外部因素(如降雨、太陽輻射、土壤質(zhì)地等因素)、內(nèi)部因素(水稻品種等)及各研究者操作的不確定性(干旱脅迫的程度、復(fù)水后的水層深度、干濕交替頻率的設(shè)置等)(楊菲和謝小立，2010；張靜等，2014)。此外，由于節(jié)灌增加了土壤通氣好氧，田間硝化進程加速，N2O排放量會隨之增加(李香蘭等，2009；Johnson-Beebout et al.，2009)，可能會增加稻田溫室效應(yīng)，不過這還取決于節(jié)灌條件下削減的CH4排放量(節(jié)灌處理稻田CH4排放量下降)與增加的N2O排放量的溫室效應(yīng)抵扣的結(jié)果(Hou et al.，2000)。

3.干濕交替灌溉的生理基礎(chǔ)及節(jié)水效應(yīng)

水稻需水量是指滿足水稻全生育期內(nèi)正常生長發(fā)育所需要的總水量，包括植株蒸騰量、棵間蒸發(fā)量和田間滲漏量三部分。植株蒸騰量為水稻生理需水量(水稻生長發(fā)育、進行正常生命活動所需的水分)，棵間蒸發(fā)量和田間滲漏量則為水稻生態(tài)需水量(保障水稻正常發(fā)育，創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境所需的水分)(陳玉民等，1997；趙利梅，2009)。研究表明，水稻在系統(tǒng)發(fā)育過程中形成了對淹水的適應(yīng)性和"半水生性"的特點，而且水稻很多水分消耗只是為了滿足以水調(diào)溫、以水調(diào)氣、以水調(diào)肥、淋洗有毒物質(zhì)、遏制稻田雜草等生態(tài)需要(陳玉民等，1997；Kato and Okami，2010)，因而水稻的灌溉存在著一定的靈活性和可塑性。水稻孕穗期對土壤干旱為敏感，對分蘗后期和拔節(jié)期受旱有特別強的恢復(fù)補償能力(黃文江等，2003)，因此干旱時期對水稻產(chǎn)量形成的影響程度依次為：孕穗期>抽穗開花期>灌漿期>分蘗盛期>分蘗末期(趙利梅，2009)。可見，水稻在不同的生育時期對水的需求量不同，根據(jù)水稻生長發(fā)育和需水特性來進行合理灌溉，可以有效降低水稻生態(tài)需水量的供給，減少