CN115843637A - 一种基于水质影响和环境效益的稻田种植方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水稻种植技术领域，公开了一种基于水质影响和环境效益的稻田种植方法，包括以下步骤：S1稻田培肥：施加基肥，之后对稻田进行翻耕整地，基肥包括主料和辅料；S2水稻种植：水稻的移栽的密度行距为24.3‑28.6cm，株距为12.9‑15.2cm，每穴3‑4苗；S3田间管理：水浆管理采用浅湿间歇灌溉，田间不灌深水，避免排水；种植期间不使用农药，杂草采用人工方式拔除；病虫害防治时，做好种子处理、在田埂边种植香根草的农业防控基础上，应用杀虫灯、害虫天敌、性诱剂进行物理、生物防治；在分蘖期进行追肥；S4水稻收获。本发明有效利用周边沼液沼渣、秸秆等农业废弃物资源，能有效降低稻田田面水氮磷流失风险的同时，保障粮食安全和农民的收入，值得进一步推广。
Description
技术领域
本发明涉及水稻种植技术领域，尤其涉及一种基于水质影响和环境效益的稻田种植方法。
背景技术
水稻是我国主要的粮食作物，为了满足生产需要，大量的化肥被广泛使用。然而，过量使用化肥对环境会产生负面影响，如降低土壤肥力、排放温室气体、农业面源污染等。化肥中只有约20％～50％的氮和30％～45％的磷能被作物利用，其余多余的氮磷反而成了环境废物，可能会通过地表径流、淋溶和渗滤等途径进入周围水体，造成农业面源污染。巢湖是中国五大淡水湖之一，其由于氮磷含量过高引起的富营养化问题已经引起广泛关注。环巢湖一公里有800hm2的农田，种植业造成的面源污染是富营养化的重要原因。因此，合理的稻田种植模式可有效降低稻田田面水氮磷流失风险，缓解农业面源污染。
环水有机农业是基于“化肥零施用”，将农业生产和水质保护进行结合的一种环境友好型农业模式。有研究认为，与常规农业相比，由于有机农业单位面积较低的外源氮素和磷素投入量，能够显著降低氮磷流失风险。研究发现，紫云英还田配合减量施肥能显著降低南方双季稻区早稻季稻田氮流失风险。发现稻田化肥减氮磷20％+有机肥处理1500kg/hm2能有效降低田面水氮、磷养分浓度，降低氮、磷地表径流产生的农田面源污染风险。在松华坝流域，研究发现，与常规施用化肥相比，60％氮素投入加牛粪、鸡粪和豆饼混合有机肥的施肥模式可提高环水有机蔬菜产量，降低农田氮磷流失风险。
目前研究大多集中在有机肥替代部分化肥对稻田水质的影响以及有机农业在其它农作物上的研究，鲜少有对不同稻田有机种植模式对稻田田面水氮磷以及水稻产量影响的研究。本研究针对环巢湖一公里核心区，探讨在化肥零施用下，不同有机种植模式(“紫云英还田+有机肥”模式、“秸秆+沼液还田”模式、“秸秆+大豆饼肥还田”模式)对稻田田面水中氮磷变化规律及环境效益的影响，以期在保证粮食安全的前提下，从而得到一种针对环巢湖一公里核心区的面源治理技术，为环巢湖核心保护区发展环水有机农业提供理论支撑。
发明内容
为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于水质影响和环境效益的稻田种植方法。
本发明采用以下技术方案实现：一种基于水质影响和环境效益的稻田种植方法，包括以下步骤：
S1稻田培肥：
施加基肥，之后对稻田进行翻耕整地，基肥包括主料和辅料；
S2水稻种植：
水稻的移栽的密度行距为24.3-28.6cm，株距为12.9-15.2cm，每穴3-4苗；
S3田间管理：
水浆管理采用浅湿间歇灌溉，田间不灌深水，避免排水；
种植期间不使用农药，杂草采用人工方式拔除；
病虫害防治时，做好种子处理、在田埂边种植香根草的农业防控基础上，应用杀虫灯、害虫天敌、性诱剂进行物理、生物防治；
在分蘖期进行追肥；
S4水稻收获。
作为上述方案的进一步改进，所述主料包括绿肥紫云英，辅料包括有机肥，其中紫云英含量为1000-1500kg/亩，有机肥含量为180-250kg/亩。
作为上述方案的进一步改进，所述主料包括水稻秸秆，辅料包括沼液，其中，沼液含量为800-1200kg/亩，水稻秸秆含量500-600kg/亩。
作为上述方案的进一步改进，所述基肥包括水稻秸秆、饼肥，其中，饼肥含量为120-180kg/亩，水稻秸秆含量500-600kg/亩。
作为上述方案的进一步改进，在所述步骤S3中追肥成分与辅料成分一致，追肥与辅料质量比为3.5-4.5:6。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明能有效降低稻田田面水氮磷流失风险，能提高田面水氮磷减排潜能，在移栽期，有机种植组田面水的TN浓度和TP浓度分别降低了13.47％～23.84％和23.71％～28.79％；在分蘖期，有机种植组田面水的TN浓度和TP浓度分别降低了13.47％～23.84％和21.86％～36.75％。
2、本发明能在不降低稻米产量的同时，将水稻的转运效率提高14.50％～23.80％，而且，稻米中的Cd、As和Pb均显著降低，重金属含量符合国家卫生标准。
3、本发明适合在环巢湖流域实施，能在基本保障粮食安全的前提下，有效利用周边沼液沼渣、秸秆等农业废弃物资源，提高经济收益，降低农业面源污染风险。
附图说明
图1为本发明提供的水稻生长期总氮浓度变化示意图；
图2为本发明提供的水稻生长期各氮素占比示意图；
图3为本发明提供的水稻生长期总磷浓度变化示意图；
图4为本发明提供的水稻生长期总磷浓度变化示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例1：
本实施例的一种基于水质影响和环境效益的稻田种植方法，包括以下步骤：
S1稻田培肥：
施加基肥，之后对稻田进行翻耕整地，基肥包括主料和辅料；
S2水稻种植：
水稻的移栽的密度行距为26.7cm，株距为13.3cm，每穴4苗；
S3田间管理：
水浆管理采用浅湿间歇灌溉，田间不灌深水，避免排水；
种植期间不使用农药，杂草采用人工方式拔除；
病虫害防治时，做好种子处理、在田埂边种植香根草的农业防控基础上，应用杀虫灯、害虫天敌、性诱剂进行物理、生物防治；
在分蘖期进行追肥；
S4水稻收获；
稻田选址为：安徽省巢湖市烔炀镇(东经117°41′37″，北纬31°39′37″)；属亚热带以及暖温带过渡性季风区气候，气候特点为常年气候温和，日照充足，雨量适中；降雨主要集中在夏季，年平均降水量1160mm，年平均气温18～19℃；土壤类型为潜育型水稻土，其理化性质见表1：
表1为稻田土壤的基本理化性质：
实施例2：
将施入的肥料根据成分划分为T1、T2、T3组，其中，T1组中主料为1100kg/亩的紫云英，辅料为210kg/亩有机肥，追肥为140kg/亩的有机肥；
T2组中，主料为550kg/亩的水稻秸秆，辅料为900kg/亩的沼液，追肥为600kg/亩的沼液；
T3组中，主料为550kg/亩的水稻秸秆，辅料为150kg/亩的饼肥，追肥为100kg/亩的饼肥；
常规处理组CK最为对照组，其中，复合肥的含量为600kg/hm2的、尿素的含量为150kg/hm2；
饼肥的养分为全氮3.10％、全磷0.40％、全钾0.90％、有机质38.18g/kg；沼液的养分为全氮0.6％、全磷0.5％、全钾0.7％；有机肥的养分含量为全氮2.40％、全磷1.89％、速效钾1.04％；
紫云英开春时播种，鲜草养分为全氮0.04％、全磷0.009％、全钾0.27％；复合肥的氮磷钾含量为N:P2O5:K2O＝21:9:10；尿素的含氮量46％；水稻秸秆来源于稻田；
水稻品种为“荃两优丝苗”，审定编号：国审稻20176041；
其分组内容如表2所示：
实施例3：
稻田田面水氮素分析：
采集T1、T2、T3和CK组种植过程中的稻田田面水氮素含量，如图1所示的水稻生长期总氮浓度变化示意图，其中，在水稻的各个生长期内，T1组、T2组、T3组的TN浓度均分别小于常规处理组CK的浓度，所有组在移栽期和分蘖前期TN浓度达到峰值，在之后的生长期呈逐渐下降的趋势；因采用基肥和分蘖肥方式施肥，施肥时间距移栽期和分蘖前期最近，导致两个时期的TN浓度最高；
在移栽期，相较于常规处理组CK，T1组、T2组、T3组的TN浓度分别降低了23.84％、13.47％、16.58％；在返青期各组TN浓度降低，随后在分蘖前期达到峰值，相较于常规处理组CK，T1组、T2组、T3组的TN浓度分别降低了16.39％、13.49％、20.32％；
在分蘖后期，TN浓度迅速下降，此时水稻在分蘖期生长迅速，大量吸收营养成分；随后的生长期内，TN浓度持续下降，但下降速率小于分蘖期；在各个生长期内，T1组、T2组、T3组的TN浓度下降速度远小于常规处理组CK，由于有机肥的释放速率较慢，营养成分的释放持续于整个生长期；从而说明有机种植能降低各生长期田面水TN浓度，降低田面水TN流失风险；
如图2所示的水稻生长期各氮素占比示意图，其中，由于NH4+-N是TN主要的组成部分，各组的NH4+-N变化趋势与TN浓度变化基本一致，NH4+-N占比在前期维持在比较高的水平，到了后期逐渐降低，这是因为水稻是喜氨植物，主要通过吸收NH4+-N来降低氮素水平；在生长后期，T1组、T2组、T3组的NH4+-N占比显著低于常规处理组CK，因为有T1组、T2组、T3组的TN水平较低，水稻吸收后占比更易降低；
各组的NO3--N占比在前期较为稳定，在后期逐渐上升，这是因为生长后期NH4+-N大量减少；在水稻分蘖后的各个时期，T1组、T2组、T3组的ON的占比显著高于常规处理组CK，这可能是因为有机肥中ON的含量较高，大量的ON随着施肥进入水体。
实施例4：
稻田田面水磷素分析：
采集T1、T2、T3和CK组种植过程中的稻田田面水磷素含量，如图3所示的水稻生长期总磷浓度变化示意图，其中，水稻各个生长期TP变化趋势，各组在移栽期达到峰值，随后有T1、T2、T3组TP浓度逐渐降低，常规种植组CK在分蘖后期TP浓度会继续升高，随后逐渐降低；由于施肥大多以基肥的形式施入，导致各组前期的TP浓度显著高于后期(p<0.05)；在水稻的各个生长期，只有移栽期T1、T2、T3和常规种植组CK的TP浓度差异不显著(p>0.05)，在其它生长期，有T1、T2、T3的TP浓度显著高于常规种植组CK(p<0.05)；在移栽期，相较于常规种植组CK，T1、T2、T3的浓度降低了23.71％～28.79％；在分蘖后期，T1、T2、T3的浓度降低了21.86％～36.75％；在水稻的各生长期，T1、T2、T3的TP的浓度变化程度较小，与有机肥和化肥的养分释放规律不一致有关；有机肥中磷素主要以颗粒态存在并容易吸附在土壤中，释放速率较为缓慢，只有一部分溶解于田面水；T1、T2、T3组能有效降低田面水TP浓度，从而降低田面水TP流失的风险；
如图4所示的水稻生长期总磷浓度变化示意图，其中，各组的DTP(MRP和DOP之和)占比在前期较高，在水稻生长后期占比逐渐降低。这是因为DTP主要以正磷酸盐的形式存在，水稻可以直接吸收利用；在生长后期，T1组、T2组、T3组的PP占比显著高于常规处理组CK，因为有机肥中磷素大多以颗粒态存在，且不易被植物吸收。
实施例5：
T1组、T2组、T3组的田面水氮磷减排潜能分析：
在种植时稻田田面水高度为5cm，使用瞬时养分流失量的公式，按照施基肥期和分蘖肥期两个时期计算累积流失量，可模拟出稻田田面水TN和TP的绝对流失量如表3所示：
表3氮磷绝对流失量
其中，T1组、T2组、T3组的蘖肥期TN、TP流失量均显著高于基肥期(p<0.05)，T1组、T2组、T3组的流失量均显著低于正常施肥组(p<0.05)；相较于对照组，在基肥期，T1、T2、T3组TN绝对流失量分别降低了16.87％，19.23％、10.77％，TP绝对流失量无显著影响；在分蘖肥期，T1组TN、TP绝对流失量分别显著降低了30.21％、26.90％，T2组TN、TP绝对流失量分别显著降低了20.09％、33.90％，T3组TN、TP绝对流失量分别显著降低了25.41％、34.85％；从而表明有机种植能提高田面水氮磷减排潜能。
实施例6：
稻米重金属及健康风险评价分析：
检测稻米重金属量，如表4所示：
表4稻米重金属含量
其中，所有组的重金属均未超过GB2762-2017中规定的稻米重金属含量标准，达到了卫生标准；T1、T2、T3组的稻米的Cr和Ni的含量无显著差异；T1组稻米中Cd、Pb、As、Cu和Zn含量分别降低了34.62％、37.04％、53.61％、66.02％和25.47％，呈显著性差异；T2组稻米中Cd、Pb、As、Cu和Zn含量分别降低了61.53％、30.86％、70.10％、25.13％和54.16％，呈显著性差异；T3组稻米中中Cd、Pb、As、Cu和Zn含量分别降低了53.85％、25.93％、47.94％、41.44％以及38.21％，呈显著性差异；一方面，由于有机肥的施入导致土壤pH增加，土壤胶体表面的负电荷随之增加，导致土壤中更多的铁和锰氧化物的形成，从而增加对重金属的吸附能力；另一方面，有机肥中的有机物质改变了水稻根际土壤的微环境，土壤中的重金属可以通过与有机物吸附以形成稳定的有机部分来固定重金属，进而降低水稻的吸收。
居民食用研究稻田产出稻米人均日重金属摄入量，见表5
表5居民食用研究稻田产出稻米人均日重金属摄入量
假设该区域居民以当地出产的稻米作为主食，且稻米烹饪中重金属含量无变化，可估算居民因食用稻米而摄入Cu、Zn、Ni、Cr、Cd、Pb和As的量(见表5)。各模式下居民对Cu、Zn、Ni、Cr、Cd、Pb和As的摄入量均低于世界卫生组织(WHO)和联合国粮食及农业组织(FAO)提出的重金属人均每日摄入可允许限量标准(PTDI)。说明有机种植模式下，居民通过稻米摄入重金属不会产生健康风险。
实施例7：
水稻的产量及水稻植株的转运效率：
计量水稻产量，如表6所示：
表6水稻产量及养分含量
其中，相对常规处理组CK，T1、T2、T3组的秸秆产量显著下降了28.72％～34.04％，籽粒产量下降了8.89％～13.33％，但不显著(p>0.05)；T1、T2、T3组显著降低了秸秆和籽粒含氮量，对秸秆和籽粒含磷量无显著影响；稻米含氮量与稻米食味品质有拮抗作用，因此有机种植可能会对稻米食味品质有积极的影响；此外，T1、T2、T3组的水稻的转运效率提高了28.12％～38.54％，说明有机种植能更好的利用养分，提高水稻对养分的利用效率；有机种植模式对稻米产量影响不显著，能提高养分的利用效率；
稻田的经济效益如表7所示，
表7稻田的经济效益(元/hm2)
其中，相较于常规种植组CK，T1、T2、T3组的净经济效益分别提高了49.29％、51.64％和37.59％；虽然T1、T2、T3组需要人工除草以及物理防虫，所以需要更大的人工成本和设备成本；但是，有机种植模式不需要使用化肥和农药，同时，有机稻米在市场上更受欢迎，售价更高，因此T1、T2、T3组的净经济效益更高，可以帮助农民提高收入。
实施例8：
样品采集及测定
稻田田面水和土壤测定：
在水稻的移栽期(7月3日)、返青期7月7日)、分蘖前期(7月19日)、分蘖后期(8月17日)、孕穗期(9月3日)、抽穗期(9月16日)和乳熟期(9月28日)采集各处理区的表层水样，采集时使用注射器，在实验田内随机选5处抽取，装入塑料瓶，水样采集后立即放入冰箱4℃冷藏保存，并在48h内测定其总磷(TP)、可溶性磷(DTP)、总氮(TN)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)和可溶态反应性无机磷(MRP)浓度；在水稻收获之后，每个试验区域采用“X”型5点采样，在0～20cm进行收集土样，所有土壤样品都风干并通过100目筛网进行筛分，用于测定重金属元素(Cd、Cr、Ni、Pb、As、Cu和Zn)含量；
水样中的TP、DTP和MRP浓度采用钼酸铵分光光度法测定；TN浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；NH4+-N浓度采用纳氏试剂分光光度法测定；NO3--N浓度采用紫外分光光度法测定；有机氮(ON)浓度、可溶态反应性有机磷(DOP)浓度和颗粒态磷(PP)浓度通过差减法计算；
稻米计量采集：
水稻成熟期后各处理区水稻单产单收，脱谷后实测产量；各处理区调查单位面积(1m2)收获穗数，取代表性稻株5穴用以考种；稻米的Cd、Cr、Ni、Pb、As、Cu、Zn在聚四氟乙烯坩埚中用5ml HNO3、5ml HF和3ml HClO4组成的混合酸体系(优级纯)消解，含量用Agilent7500型电感耦合等离子体质谱(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer，ICP-MS，美国)测定；方法准确度和精密度采用国家稻米标准物质(GBW10045)和室内平行样品进行质量控制，各个重金属在平行样和参考标样中的回收率在95％～115％之间，平行样的相对标准偏差优于5％；
评价方法和数据处理：
采用瞬时养分流失法进行数据处理，其中，养分流失潜力采用养分绝对流失量法进行估算，公式为：
ΔQi＝A×Ti×Fi (1)
其中；A为稻田面积(m2)；Ti为在采样时间各指标的质量浓度(mg/L)；Fi为稻田水层高度(m)；
稻米摄入重金属的健康风险评价：
采用日人均摄入量(daily intake，DI)来评估居民通过稻米摄入重金属量，公式：
DI＝Fir×C (2)
式中，Fir为食物的日均消费量(g/人/d)。根据《中国居民膳食指南(2022)》，每天应摄入谷类食物200～300g，假设谷类全部为大米作物，则成人日均消费稻米约为0.30kg；C为食物中重金属平均含量(mg/kg)。
数据处理：
试验数据均以“均值±标准偏差”形式表示，采用SPSS 26.0和Origin 2021软件进行统计分析，制图分析；使用Duncan多重比较检验的单因素方差分析(ANOVA)来确定不同组之间的显著差异(p＜0.05)。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于水质影响和环境效益的稻田种植方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1稻田培肥：
施加基肥，之后对稻田进行翻耕整地，基肥包括主料和辅料；
S2水稻种植：
水稻的移栽的密度行距为24.3-28.6cm，株距为12.9-15.2cm，每穴3-4苗；
S3田间管理：
水浆管理采用浅湿间歇灌溉，田间不灌深水，避免排水；
种植期间不使用农药，杂草采用人工方式拔除；
病虫害防治时，做好种子处理、在田埂边种植香根草的农业防控基础上，应用杀虫灯、害虫天敌、性诱剂进行物理、生物防治；
在分蘖期进行追肥；
S4水稻收获。
2.如权利要求1所述的一种基于水质影响和环境效益的稻田种植方法，其特征在于，所述主料包括绿肥紫云英，辅料包括有机肥，其中紫云英含量为1000-1500kg/亩，有机肥含量为180-250kg/亩。
3.如权利要求1所述的一种基于水质影响和环境效益的稻田种植方法，其特征在于，所述主料包括水稻秸秆，辅料包括沼液，其中，沼液含量为800-1200kg/亩，水稻秸秆含量500-600kg/亩。
4.如权利要求1所述的一种基于水质影响和环境效益的稻田种植方法，其特征在于，所述基肥包括水稻秸秆、饼肥，其中，饼肥含量为120-180kg/亩，水稻秸秆含量500-600kg/亩。
5.如权利要求1所述的一种基于水质影响和环境效益的稻田种植方法，其特征在于，在所述步骤S3中追肥成分与辅料成分一致，追肥与辅料质量比为3.5-4.5:6。
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