第1章 AWD与缓控释肥耦合对稻田碳氮磷迁移转化的影响

1.1 引

1.1.1 农田面源污染与水体富营养化

农业生态系统生源要素碳、氮、磷等的迁移转化过程与归宿及其循环的净结果(即"源"或"汇")密切影响着健康生态系统的维持及其生态功能的发挥。目前，人类活动引起的水体加速富营养化已成为21世纪全球生态环境的主要问题之一。由富营养化引发的江河湖库水华和海洋赤潮会进一步加重水体污染，不仅损害水产养殖、破坏水域景观，还会导致生态系统失衡、危害人体健康。2009年Science系列报道指出农业生态系统面源氮、磷污染物的输出对水环境恶化有着十分显著的贡献，富营养化现象的发生与农田土壤氮磷养分流失有着紧密的联系(Conley et al.，2009；Vitousek et al.，2009；Schelske，2009)。水体富营养化已成为当前中国水污染的核心问题。随着工业废水和城市生活污水等点源污染得到不断地控制，农业面源污染已经取代点源成为水环境氮、磷污染的重要来源(Zuo et al.，2003；Ongley et al.，2010；陆宏鑫等，2013；吴雅丽等，2014)。2010年2月环境保护部、国家统计局和农业部联合的《次全国污染源普查公报》数据显示，我国农业污染源(不包括典型地区农村生活源)排放总氮270.5万t、总磷28.5万t，分别占全国氮、磷总排放量的57.2%和67.3%，其中种植业排放总氮159.8万t、总磷10.9万t，分别占农业源氮、磷总排放量的59.1%和38.2%。农业面源已成为中国水体的主要污染源，而农田氮磷流失又是农业面源污染的主要来源。目前，化肥的过量施用及不合理的水肥管理方式导致的水肥利用率不高是造成我国农田氮磷大量流失的主要原因(Ju et al.，2009；Zhao et al.，2012a；许晓光等，2013；赵宏伟和沙汉景，2014)。

水稻是我国的主要粮食作物。农业部公布的全国2003～2012年稻米生产数据显示，近10年来我国水稻年均种植面积2900万hm2，年均稻谷产量1.88亿t，水稻平均单产6.45t/hm2，水稻种植面积和总产量均居世界位(农业部信息中心，2014)。水稻又是我国灌溉用水量大、化肥消费量多的农作物(朱成立和张展羽，2003)。一方面，我国是个缺水大国，水资源紧缺，人均年占有水资源量只有2200m3，仅为世界平均值的1/4，且水资源时空分布极不均匀、地区差异大(江云等，2007)，而占全国总用水量70%的农业(姜萍等，2013)，其农田灌溉用水浪费现象却相当严重，我国水分利用率仅为发达国家的一半左右(江云等，2007)。现代工业化和城市化进程的加快进一步加剧了农业用水的供应紧缺，农业水分供应量的不断减少将威胁农田生态系统的生产力，因而必须采取措施来节省稻田的用水量(Belder et al.，2004；Feng et al.，2007)。另一方面，肥料作为作物增产的主要因子，我国化肥产量及用量均居世界首位，并且化肥消费量还在逐年增长(朱兆良，2000；Peng et al.，2010；王森等，2013)。改革开放以来，我国化肥用量几乎呈指数上升，1977～2005年，我国氮肥施用量从707万t增加到2621万t，增幅271%，而同期粮食总产量只增加了71%，粮食产量增长速度远远低于化肥施用量的增加(Ju et al.，2009)。肥料(尤其是氮肥)的大量投入尽管一定程度提高了作物产量，但过量施肥、施肥方式不当及肥料施用与田间水分管理不协调等造成氮、磷的大量流失(Zhao et al.，2012a；赵宏伟和沙汉景，2014)，使得我国肥料利用率普遍不高，氮肥利用率仅为30%～40%，由于磷素极易被土壤所吸附，因而磷肥利用率比氮肥还低，仅为15%～25%(朱兆良，2000；Yan et al.，2008；张福锁等，2008)。化肥的大量输入伴随着极低的利用效率，造成了肥料浪费严重，而且多余的氮肥随水土侵蚀、氨挥发、反硝化、地表径流和地下淋溶等多种途径流失(谢云等，2013)，终会导致土壤退化(尤其是土壤酸化)、水体富营养化、地下水污染、氨气及温室气体的排放加剧等问题，给环境带来了严重的污染和破坏(Guo et al.，2010；Peng et al.，2010；Spiertz，2010)。对耗水和用肥量大的水稻作物开展节水灌溉与优化施肥的水肥管理，对于提高稻田水分和肥料利用率，建立区域性高产、节水、省肥、减排的高效水稻种植模式，缓解不合理的灌溉与施肥造成的环境污染及节约资源和保护环境具有重要意义。

1.1.2 干湿交替节水灌溉研究进展

1.水稻灌溉的发展

传统上水稻栽培多采用连续淹水灌溉(continuous flooding irrigation，CF)模式。水稻淹灌栽培具有抑制部分杂草发芽、淋洗盐分及其他有毒物质(重金属，农药)等优势(Dong，2008；de Vries et al.，2010)，但稻田连续淹水也带来诸多的不利，包括：田间暴雨径流产生量大、化肥和农药流失量较高，地下渗漏淋溶也较高，加重了地表水和地下水污染(Mao，2001；赵宏伟和沙汉景，2014)；田面长期淹水，其水分蒸发、蒸腾散失也加剧，水分利用效率低(茆智，2002)；淹灌条件下田间灌溉次数多，需要投入大量的人力、能源和时间(Mahajan et al.，2012)；淹灌模式下土壤通气条件差，过深的淹水会抑制水稻的根系发育和植株分蘖，往往难以获得高产(Jayakumar et al.，2005；Zhao et al.，2012b)。水稻淹灌栽培模式耗水量大，与我国日益紧缺的农业水资源供给相悖(Belder et al.，2004)。为保障我国粮食安全和农业可持续发展，必须采取有效的节水灌溉措施来减少田间灌溉用水，提高稻田水分利用效率(Feng et al.，2007；Yao et al.，2012)。自20世纪80年代以来，研究者开展了大量节水灌溉试验研究，一系列的稻田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、半旱栽培和覆膜旱作等多种节水增效的灌溉模式(茆智，2002；Zhang et al.，2008；姜萍等，2013)。其中，推广应用为广泛的是干湿交替灌溉(alternate wetting and drying irrigation，AWD)(Belder et al.，2004；Tuong et al.，2005；Feng et al.，2007)。

2.干湿交替灌溉概述

1)干湿交替灌溉技术简介

干湿交替节水灌溉属于稻田强化栽培体系中的一种水分管理实践(Bouman et al.，2007)。与常规连续淹灌(CF)相比，干湿交替灌溉(AWD)大的特点在于允许稻田周期性的灌溉与落干(Tuong et al.，2005；LiHMandLiMX，2010)。

典型AWD管理稻田田面水位变化见图1.1(Bouman et al.，2007)。

图1.1干湿交替灌溉稻田田面水位变化示意图

2)干湿交替灌溉操作方法

应用干湿交替灌溉进行水稻种植期田间的水分管理，需要密切关注田面水位。大田试验中，可在稻田中埋置透水的AWD管材作为水位观测装置。AWD管材是一种圆柱形PVC空心管，直径20cm、长40cm，管壁半段20cm的柱形区域每隔2cm均匀钻有直径5mm的渗水孔(图1.2)。

图1.2 AWD管材(a)及其田间水分监测原理(b)(Bouman et al.，2007)

选取距离田埂50～80cm(方便水位观测)且避开角落和低洼处的平整地块(水位有代表性)，将AWD管材竖直埋置，埋深为25cm，至犁底层，然后将管材内的泥土刨空，便于随时观察田间的水位变化(连通器原理)(图1.3)。

图1.3 AWD田间水位监测示意图

AWD管理具体操作步骤如下(Bouman et al.，2007；Li H M and Li M X，2010)：稻谷播种后，经过2～3周的育秧期，将秧苗移植于平整的大田，秧苗移栽后10～14d田间维持10～40mm的淹水层，保障水稻顺利存活和返青。水稻返青进入分蘖后，根据雨情预报将稻田一次性灌溉至40～60mm水深，因水分蒸发、植株蒸腾和土壤渗漏，田面水位降至表土层以下(自然落干)。稻田落干可达数天，至田面水降低至表土以下约100mm，根据当地降雨情况、稻田土壤类型、抗旱能力及水稻生长状态，选择合适的时机，再次灌溉至初始水深，自然落干，完成一个连续灌溉-烤田的干湿交替过程。之后，干湿交替灌溉往复进行。水稻孕穗和扬花期，保持田间淹水30～50mm约一周。盛花期后，继续干湿交替灌溉直至水稻黄熟，不再灌水，收割。

3)干湿交替灌溉优缺点

AWD较CF有几点优势：首先，适度的干湿交替灌溉可以在符合水稻生理需水的情况下维持水稻生长以节省灌溉水用量，提高水分利用率(Wu，1998；Cabangon et al.，2004；Liang et al.，2013)。其次，干湿交替灌溉条件下，稻田土壤的通气状况得以改善，可向土壤(水稻根区)提供足够的氧，有利于改善水稻的根系系统(Mao，2001；Bouman et al.，2007；张静等，2014)。再次，节灌处理通过调整稻田水分和土壤生态环境改善了水稻的生育率，稻田微区场地环境改变，也有利于降低水稻的病虫害(Wu，1998；茆智，2002)。后，干湿交替节灌模式能够改善中国南方部分地区因过度淹没而导致还原性土壤环境农田的低产状况(Wu，1998；Bouman et al.，2007)。

从目前的报道来看，干湿交替作为一种有效的水稻节水灌溉，对水稻生长和产量等的影响结论并不一致(Bouman and Tuong，2001；Bouman et al.，2007；Cabangon et al.，2011；Sun et al.，2012)。这源于诸多外部因素(如降雨、太阳辐射、土壤质地等因素)、内部因素(水稻品种等)及各研究者操作的不确定性(干旱胁迫的程度、复水后的水层深度、干湿交替频率的设置等)(杨菲和谢小立，2010；张静等，2014)。此外，由于节灌增加了土壤通气好氧，田间硝化进程加速，N2O排放量会随之增加(李香兰等，2009；Johnson-Beebout et al.，2009)，可能会增加稻田温室效应，不过这还取决于节灌条件下削减的CH4排放量(节灌处理稻田CH4排放量下降)与增加的N2O排放量的温室效应抵扣的结果(Hou et al.，2000)。

3.干湿交替灌溉的生理基础及节水效应

水稻需水量是指满足水稻全生育期内正常生长发育所需要的总水量，包括植株蒸腾量、棵间蒸发量和田间渗漏量三部分。植株蒸腾量为水稻生理需水量(水稻生长发育、进行正常生命活动所需的水分)，棵间蒸发量和田间渗漏量则为水稻生态需水量(保障水稻正常发育，创造良好的生态环境所需的水分)(陈玉民等，1997；赵利梅，2009)。研究表明，水稻在系统发育过程中形成了对淹水的适应性和"半水生性"的特点，而且水稻很多水分消耗只是为了满足以水调温、以水调气、以水调肥、淋洗有毒物质、遏制稻田杂草等生态需要(陈玉民等，1997；Kato and Okami，2010)，因而水稻的灌溉存在着一定的灵活性和可塑性。水稻孕穗期对土壤干旱为敏感，对分蘖后期和拔节期受旱有特别强的恢复补偿能力(黄文江等，2003)，因此干旱时期对水稻产量形成的影响程度依次为：孕穗期>抽穗开花期>灌浆期>分蘖盛期>分蘖末期(赵利梅，2009)。可见，水稻在不同的生育时期对水的需求量不同，根据水稻生长发育和需水特性来进行合理灌溉，可以有效降低水稻生态需水量的供给，减少