彭如梦， 朱 安， 张思洁， 陈 茜， 蒋玉兰， 刘立军

(扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/农业部长江中下游作物生理生态与栽培重点开放实验室，江苏扬州 225009)

水稻是我国最重要的粮食作物，也是用水最多的作物，其用水量约占农业用水总量的70%。随着世界人口的不断增长、城乡和工业迅猛发展、全球气候不断变化以及环境污染加重等状况日益突显，使得用于农田灌溉的水资源愈来愈匮乏，水稻生产可持续发展面临严峻挑战[1-3]。因此，发展节水灌溉对稳定我国水稻生产和水资源高效利用具有十分重要的意义。稻田土壤作为稻作生产的物质基础和肥力的重要载体，其各项特征、性状的变化也与水稻的生长发育息息相关。灌溉方式的改变必然对稻田土壤的物理、化学及生物学性状产生影响，进而直接或间接影响水稻地下部根系和地上部植株的生长发育，从而最终影响水稻产量和米质的形成。

1 主要节水灌溉方式及其对水稻产量的影响

目前我国大面积水稻生产中使用的灌溉方式通常为常规水层灌溉，该灌溉方式在水稻整个生育过程中(中期搁田除外)稻田保持浅水层，由于其技术难度较低，管理较为简便，因此易于被人们接受。但该灌溉方式较为粗放，灌水量大，水分利用效率低下，水资源浪费严重。近年来，稻田节水灌溉技术发展较快，涌现出了大量新型节水灌溉方式与成果，对推动我国乃至全球水稻生产的可持续发展起到了积极作用。目前我国水稻生产中常用的节水灌溉方式主要有以下几种。

1.1 湿润灌溉

湿润灌溉的技术要点在于控制土壤的水分限度，即除返青期保持浅水层外，其余各时期使土壤水分极度饱和，无需持续建立水层，使水稻生长发育保持足够的水分供应即可[4]。有研究表明，湿润灌溉可适当降低土壤含水量，实现有限度的调节土壤水势和蒸腾速率以提高水效，从而减少耗水[5]。此外，湿润灌溉还可以改善根系生长环境，提高根系活力，增加分蘖成穗率，提高自然降水利用率，节水可达50%以上[6]，产量增加15%左右[7]。但也有研究表明，在湿润灌溉条件下水稻的产量及产量构成因素均比淹水方式略低[8]，主要原因可能是水稻长期处于水分胁迫下，影响了包括蒸腾作用在内的诸多生理过程，抑制了水稻生长和地上部干物质积累，造成“源”不足，阻碍了籽粒灌浆结实，导致每穗实粒数和结实率降低。徐国伟等的研究结果[9-10]也证明这一点；也有研究认为，水稻产量降低可能是由于水分胁迫减少了溶于土壤水溶液的各种营养物质的总量，在一定程度上降低了土壤养分生物有效性[11]。这些结果表明，在湿润灌溉条件下无水层期间大部分时间土层蒸发强度小于水面蒸发强度。在不饱和条件下，土壤水分的再分布又起到限制蒸发速率的作用。这是湿润灌溉条件下的稻田耗水量比长期保持水层的淹灌大为减少的另一个重要原因。

1.2 干湿交替灌溉

干湿交替灌溉技术是目前水稻生产中应用最为广泛的节水灌溉技术，在亚洲各主要水稻生产国都得到了大面积推广与应用，并取得了显著的节水效果[12-17]。该方式的技术要点是在水稻生育过程中，一段时间内田间建立浅水层，而后自然落干至土壤干裂不严重，复水，再落干，再复水，如此循环[18]。有研究表明，干湿交替灌溉可较常规淹水灌溉提高水稻产量10%以上，节水15%以上，水分利用效率提高30%左右[8，19]。但也有研究认为，干湿交替灌溉技术虽可提高稻田水分利用效率，节水效果显著，但其对产量的影响，因土壤质地、土壤落干程度以及水稻生长季节温度和降雨量的不同而异，有的报道增产，有的报道减产[19-24]。已有研究表明，土壤落干程度会对水稻产量产生重要影响。如在干湿交替灌溉中进行轻度土壤落干，不仅可以节约用水和提高水分利用效率，而且可以较常规灌溉显著提高水稻产量和改善稻米品质[16，23]。与常规灌溉相比，轻干湿交替灌溉水稻无效分蘖减少、分蘖成穗率提高、冠层结构改善、开花前储存在茎鞘物质中的非结构性碳水化合物更多地向籽粒中运转以及弱势粒中淀粉等代谢过程关键酶活性增强，这些是轻干湿交替灌溉水稻产量提高和品质改善的重要生理原因[16，23，25]。而在重度干湿交替灌溉条件下，水稻结实率和产量均较轻干湿交替显著降低[26]。

1.3 水稻强化栽培体系

水稻强化栽培体系(system of rice intensification，简称SRI)是20世纪80年代提出的一种新的栽培方法[27]，在非洲马达加斯加应用获得了较好的增产效果。SRI的技术核心主要包括以下几个方面：(1)小苗移栽。秧苗秧龄一般不超过15 d，拔秧后需迅速进行移栽。(2)单本稀植。栽插的株行距通常为30 cm×30 cm，较常规栽培水稻栽插密度降低近 3/4[28]。(3)干湿灌溉。采用夜灌和日排的灌溉方式，单次灌溉量较少，以保证稻田土壤良好的通透性。(4)人工中耕除草。该方式能有效除草并为土壤通气，改善水稻根系生长环境。(5)使用有机肥。强调有机肥的施用，少用甚至不用化学肥料[29]。

林贤青等研究表明，采用SRI既能保持穗分化期群体叶面积指数不下降，又能有效地提高叶片水分利用率，主要与SRI能挖掘根系潜力，促进早发，改善群体结构、提高植株各叶位叶片的光合速率和降低蒸腾速率有关[30]。赵利梅的研究结果[31]也证实了这一点，SRI节水效果显著，整个生育期节约用水最高可达36.9%。近年来在印尼、菲律宾和中国等国陆续开展了有关SRI的试验。多国多点的试验、示范等均表明SRI具有较大的增产潜力和节水效果[32-34]，可较传统高产栽培方式大幅度减少用种、用水和用工，并有利于降低水稻纹枯病等病害的发生等。

1.4 覆盖旱种

覆盖旱种是指利用秸秆或者塑料薄膜等覆盖土壤后进行水稻移栽，全生育期以自然降雨为主，辅以必要人工灌溉的旱种方式。该方式能够在适宜的栽培管理条件下协调土、肥、气等生态因子，是干旱缺水地区或丘陵山区水稻保产稳产的一项关键技术，具有较大的应用潜力。目前覆盖旱种方式多种多样，生产上较为常见的覆盖旱种有覆膜旱种和覆草旱种2种方式。

1.4.1 覆膜旱种 水稻覆膜旱种，是在水稻传统淹水栽种改为旱地栽种的基础上，用超薄或低压高密度塑料薄膜覆盖地面，水稻整个生长季节田面无需建立水层[35]。过去30多年全国各地的研究与推广表明，水稻覆膜旱种产量显著高于裸地旱种，在部分地区其产量甚至高于常规淹灌。在水稻关键生育期(分蘖中后期、拔节—孕穗期、抽穗—灌浆期)只需控制土壤水分在田间持水量的80%～90%，可显著减少稻田用水[36]。稻田覆膜后土壤的水、温、气、养分的供给条件明显改善，促进了水稻生育前期稳健生长和根系生理活性的提高，增加分蘖数量，这是其产量得以改善的重要原因[37]。节水是覆膜旱作的显著特点。在降雨充足、水资源分配合理均匀的条件下，水稻整个生育期内可不灌水或灌少量水[38-39]。当降雨量较低时，只需在水稻关键生育期灌2～3次水，即可获得高产[38]。有研究显示，水稻覆膜旱作较常规淹灌可节水40%～80%左右[40]。覆膜旱种虽能达到节水和增产的目的，其弊端也显而易见。第一，覆膜旱种膜内土壤温度过高会对水稻根系以及稻田生态产生不利影响，进而直接或间接影响水稻地上部生长发育；第二，施用地膜会使农民增加稻作生产成本，不利于推广和民用；第三，地膜的使用势必会造成环境污染，地膜残留在土壤中也会给土壤理化性质带来不利影响[9，41]。此外，覆膜旱种也易使稻米品质变劣[42-43]。因此，地膜覆盖旱种技术的不足之处还有待解决。

1.4.2 覆草旱种 覆草旱种是指利用农作物秸秆覆盖，辅以雨水浇灌，进行旱种旱管的一项节水栽培技术。就覆膜旱种所产生的各种弊端而言，覆草旱种则能有效节约农民成本，帮助解决稻草及其他秸秆的处理问题，避免秸秆焚烧以及地膜残留对环境造成的污染，同时还可以培肥地力，促进保护性稻作的发展[9]。研究表明，覆草旱种较常规水种可节水20%以上，与裸地旱作节水相比效果不显著，在产量方面要显著高于覆膜旱种，但与常规水种无显著差异[44-45]。与上述研究不同，刘芳等的研究指出，与覆膜旱种相比，覆草旱种成穗率低，且有较高的秕谷率[46]。综上可知，覆盖旱种对水稻产量及相关性状影响的研究报道存在差异，甚至有相矛盾的结论，仍有必要继续加强这方面的研究。

2 主要节水灌溉方式对稻田土壤性状的影响

土壤是陆地表面由矿物、有机物质、水、空气和生物组成、具有肥力且能生长植物的未固结层[47]。土壤性状主要包括物理性状、化学性状和生物学性状。土壤物理性质不仅是土壤质量评价的重要指标，而且是土壤肥力的重要内涵[48]。土壤的化学性状包括土壤胶体、有机质的化学组成、土壤酸碱度、土壤氧化还原特性、离子吸附和交换以及能量关系等。土壤的生物学性状主要包括土壤酶活性、土壤微生物群落结构和土壤微生物生物量等内容[49]。水稻土是自然环境土壤经人为施加的各种栽培管理措施(包括人为翻耕、水分管理以及肥料运筹等)后形成的特殊土壤。稻田灌水期间，土壤耕层呈还原状态；在排水、晒田季节，土壤耕层呈氧化状态[50]。经此周期性的干湿交替后，形成了稻田土壤特有的物理、化学和生物学等性状[51]。稻田土壤含水量的改变必然会导致土壤性状发生变化，从而影响水稻根系对水分养分的吸收进而影响地上部生长发育与产量形成。

2.1 湿润灌溉方式对稻田土壤性状的影响

在田面无水层湿润的状态下，土温昼夜变化较大[52]。在湿润灌溉条件下，田面没有水层，使得地表接受阳光照射的强度显著增加，可吸收到更多的辐射热量，泥温高，起到了壮秧、促分蘖、促早熟和提高产量与品质的作用。还有研究指出，土壤有机质转化与温度变化密切相关，掌握土壤有机质对温度变化的响应规律，对研究有机质转化过程至关重要[53]。与常规淹灌相比，湿润灌溉显著提高了水稻氮素的吸收利用率，但同时也增加了氮素的挥发损失[54]。与上述研究类似，代家凤认为不同灌溉处理对土壤全氮、有效氮和全磷、有效磷含量的影响中，以湿润灌溉和干湿交替灌溉较好[55]。在土壤生态中，微生物群落数量及总量与土壤部分性状的改变密切相关。宋秋华等研究表明，在合理范围内，土壤中各类群微生物数量及总数随土壤温度升高而增加，随土壤湿度上升而降低[56]。湿润灌溉条件下稻田土壤食细菌线虫的数量显著低于常规淹水灌溉[57]。就湿润灌溉影响稻田土壤生物学性状而言，目前研究相对较少。土壤湿润状况与土壤各性状间的相互作用机制尚不明确，还有待进一步研究。

2.2 干湿交替灌溉方式对稻田土壤性状的影响

干湿交替灌溉引起的土壤水分变化是土壤有机质分解的主要影响因素。土壤干旱导致土壤微生物死亡，使微生物碳释放到土壤中，成为土壤有机质的一部分[58-60]；而经历降雨或重新湿润后(即湿处理)，土壤毛细管变湿，内部空气受挤压扩散引起土壤团聚体膨胀裂解，暴露出团聚体中稳定的有机质，促进有机质分解[61]。干湿交替灌溉对土壤中氮素矿化的影响受温度和施肥水平的共同制约[62-63]。杨长明等的研究指出，干湿交替模式下合理施肥可显著提高土壤有效养分含量[64]。干湿交替频率和强度影响土壤微生物量，使其先增加后降低，最终趋于稳定的势态[65]。汤宏等发现，在干湿交替灌溉下，稻田土壤微生物量碳、氮和可溶性有机碳含量较常规淹水灌溉高，而可溶性有机碳含量较低[66]。干湿交替灌溉处理中，干旱过程土壤呼吸受到抑制，复水后土壤呼吸又迅速增强[67]，水分含量的增加会刺激微生物活性，释放二氧化碳[68]。土壤酶活性与土壤水分状态和含量关系密切。增加土壤湿度，酶活性上升，而当土壤过湿时，酶活性减弱；降低土壤含水量，酶活性也会减弱，土壤水分饱和时的土壤磷酸酶活性高于一般含水量下的土壤磷酸酶活性[69]。

2.3 SRI对稻田土壤性状的影响

SRI与常规淹水栽培在水肥管理上有明显区别，因此该方法也会对土壤性状产生较大影响。贺阳冬等对SRI的研究表明，施用有机肥能使土壤容重有所下降，总孔隙度增加，而不施肥和单施用化肥会增大土壤容重，使土壤通气状况变差[70]。张亚男研究也表明，稻田由常规淹水灌溉转变成干湿灌溉后，土壤多数是呈好气状态，有机物分解加快，明显改善了土壤的通气性[35]。陈惠哲等研究表明，SRI条件下土壤的细菌和放线菌数量有所增加，而真菌的变化不明显[71]。赵利梅研究表明，与常规水作比较，SRI增加了土壤细菌、真菌、放线菌数量；增加了土壤微生物量碳、微生物量氮含量；还增加了土壤碱解氮含量，但有效磷含量差异不显著[31]。以往对SRI的研究，更多集中于其对产量和地上部性状的影响方面，对SRI条件下水稻土壤性状的影响的研究相对较少，仍有许多问题有待研究和探索。

2.4 覆盖旱种方式对稻田土壤性状的影响

2.4.1 覆膜旱种 覆膜后水稻分蘖期土壤的养分，如全氮含量、全磷含量、速效氮含量、阳离子交换量方面较常规灌溉有所提高，但全磷、速效氮含量并未达到显著水平；到达抽穗期时，覆膜后水稻植株的养分吸收增加，导致土壤养分含量下降，特别是速效磷、速效钾及总磷含量下降幅度较大；成熟期大多数指标较常规灌溉均有所下降，但未达到显著水平。可见，覆膜栽培后，由于作物对土壤中养分吸收的增加，从而使得土壤中氮、磷、钾等养分元素平衡[72]。Cheng等的研究结果也表明，覆膜后水稻在拔节期增加了土壤氮的积累，抽穗期和成熟期对氮、磷、钾的积累则有所降低[73]。由此可见，与常规灌溉相比，覆膜旱作后可显著提高土壤温度和湿度，土壤微生物活性得到增强，从而加快有机质分解，提高氮肥利用效率，促进稻田植株对土壤营养元素的吸收[74-75]。

2.4.2 覆草旱种 赵荣玮等研究表明，覆草旱种对累积水分蒸发量的抑制效果要弱于地膜覆盖，这主要是因为多孔隙杂草-大气界面比地膜-大气界面更容易散失水汽[76]，这与姚健等的研究结果[77]相似。Spaccini等认为稻田土壤中添加玉米秸秆会改变土壤原有矿化成分，使土壤中的有机碳组分更为稳定[78-79]。同为覆草条件下，有研究证明旱地较水田不利于外源有机碳的积累，但由于秸秆在水田残留时间比旱地短，无法证明旱地覆草不利于有机物的降解[83]。赵建红的研究还发现，麦秆还田可降低土壤容重，增加耕层土壤氮素及有机质含量[80]。有研究表明，向稻田中添加作物秸秆，土壤微生物周转速率加快，但作物秸秆和土壤原有有机碳的矿化速率却显著低于旱作土壤[81-82]。作为土壤有机碳的重要来源之一，外源输入秸秆必将导致土壤生态发生变化[83-84]。

3 研究展望

综上所述，不同节水灌溉方式对水稻产量和土壤性状的影响不同。由于我国水资源严重短缺，发展节水栽培是水稻生产的永恒主题。节水灌溉必然引起土壤相关性状的变化，从而引起水稻生长发育、产量形成及品质产生变化。寻求合理的土壤水分定向调控措施，可进一步为水稻高产优质节水栽培提供理论与实践依据。未来在水稻节水灌溉方式上应继续加强以下几个方面的研究。

3.1 节水灌溉方式下土壤性状的变化及其与水稻根系生长发育的关系

植物根系作为土壤水分和养分吸收的主要器官，其内在进行着多种激素、有机酸和氨基酸合成，根系形态和生理对地上部的生长发育、产量形成、水分和养分吸收利用均有着至关重要的作用。在节水灌溉条件下，土壤性状发生改变，水稻根系的生长发育也会发生改变。土壤性状的改变会引起根系生长发生变化，而根系形态生理的变化也会反过来影响土壤性状发生改变，但土壤性状的变化与根系生长间究竟有何联系，目前仍不十分清楚。未来有必要加强在节水灌溉条件下稻田土壤性状与根系生长相互作用关系的研究。

3.2 节水灌溉方式对稻田温室气体排放的影响

温室气体主要包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)等。灌溉方式直接影响土壤含水量，从而影响土壤通气状况、氧化还原电位以及微生物活性等，这些因素会直接影响稻田温室气体的产生与排放。目前较多研究集中于水稻植株本身、种植方式、栽种密度及施肥管理等对稻田温室气体排放的影响，而不同节水灌溉方式对稻田温室气体排放的研究相对较少，且对节水灌溉影响稻田温室气体排放的机制仍然不是很清楚。加强此方面的研究，可在节水增产的同时，缓解稻田温室气体排放对全球气候变暖的影响。

3.3 节水灌溉和养分综合管理对稻田土壤和水稻产量的影响

单项栽培技术提高水稻产量的空间已十分有限，把节水灌溉技术与水稻养分综合管理相结合是未来水稻高产栽培发展的重要方向。氮肥是水稻增产的重要因素，也是投入最多的化学肥料，因此要尤其重视节水灌溉与氮肥运筹耦合的研究。除了加强节水灌溉与养分综合管理结合对产量的影响外，还需要从其对稻田土壤的调控角度阐明其影响水稻产量的生理与分子机制，以便为水稻高产节水栽培提供理论依据。