節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的耦合影響*

李 睿，婁運(yùn)生**，張 震，馬 莉，李 君

?

節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的耦合影響*

李 睿1, 2，婁運(yùn)生1, 2**，張 震2，馬 莉2，李 君2

（1．南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2．南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044）

采用兩因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)大田模擬試驗(yàn)研究節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度耦合對(duì)水稻生長(zhǎng)及物候期的影響。灌溉方式設(shè)常規(guī)灌溉（F，水深5cm）和節(jié)水灌溉（W，無(wú)水層）2個(gè)水平；遮光強(qiáng)度設(shè)3個(gè)水平，即對(duì)照（CK，無(wú)遮光，自然光源）、輕度遮光（S1，單層遮光，光合有效輻射減弱60%）和重度遮光（S2，雙層遮光，光合有效輻射減弱90%）。在水稻主要生育期即分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期，觀測(cè)株高、葉面積指數(shù)（LAI）、葉綠素含量（SPAD值）、稻穗含水率和冠層高光譜。用冠層高光譜數(shù)據(jù)提取增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）時(shí)間序列，經(jīng)Spline法插值及小波濾波去噪后預(yù)測(cè)水稻抽穗盛期的日期。結(jié)果表明：隨著遮光強(qiáng)度的加重，水稻葉面積指數(shù)和葉綠素含量顯著下降，物候期明顯延遲。節(jié)水灌溉對(duì)遮光處理下水稻株高和葉綠素含量有抑制作用，對(duì)葉面積指數(shù)有促進(jìn)作用，節(jié)水灌溉可使遮光處理下水稻物候期提前，使生育期縮短。在一定遮光強(qiáng)度下，水稻冠層光譜反射率在拔節(jié)期、抽穗期表現(xiàn)為節(jié)水灌溉（W）＞常規(guī)灌溉（F），而灌漿期、成熟期表現(xiàn)為常規(guī)灌溉（F）＞節(jié)水灌溉（W）。用去噪后的EVI時(shí)間序列預(yù)測(cè)水稻抽穗盛期，準(zhǔn)確率為97%。

節(jié)水灌溉；遮光強(qiáng)度；水稻；生長(zhǎng)發(fā)育；物候期

氣候變化背景下溫度、蒸散和水資源變化一定程度上均與太陽(yáng)輻射變化有關(guān)[1]。太陽(yáng)輻射是地球表層能量的根本來(lái)源，是維持地球氣候系統(tǒng)及生態(tài)系統(tǒng)能量平衡的重要因子[2]。中國(guó)近50a大氣氣溶膠濃度、大氣渾濁度及灰霾日數(shù)增加，導(dǎo)致到達(dá)地表的總太陽(yáng)輻射呈降低趨勢(shì)，東南部地區(qū)降速為101.7MJ·m?210a?1[3]，長(zhǎng)江三角洲地區(qū)降低較明顯[4]。華東地區(qū)在1961?2008年下降速率為2.05W·m?2·10a?1 [5?6]。太陽(yáng)輻射減弱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響已成為氣候變化研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

弱光寡照對(duì)作物不同生育期生長(zhǎng)及生理特性有不同程度的影響。研究表明，50%的遮光使水稻分蘗期葉綠素含量（SPAD值）增加，凈光合速率降低[7]；拔節(jié)期弱光使莖鞘物質(zhì)積累減少，株高降低，每穗粒數(shù)和千粒重下降，導(dǎo)致產(chǎn)量減少；始穗期弱光影響谷粒充實(shí)度，使結(jié)實(shí)率及千粒重下降，減產(chǎn)幅度加大[8?9]。太陽(yáng)輻射減弱影響小麥籽粒灌漿期，使千粒重減少?gòu)亩档彤a(chǎn)量[10]。遮光使黃瓜葉綠素含量增加，光合能力降低[11]。遮光使小豆干物質(zhì)積累效率降低，葉面積指數(shù)減小，推遲開(kāi)花，延遲成熟[12]。有關(guān)水稻生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)遮光響應(yīng)的報(bào)道多局限于某一生育期，而對(duì)不同生育期或整個(gè)生育期進(jìn)行遮光的研究尚不多見(jiàn)。

中國(guó)的淡水資源嚴(yán)重缺乏，而農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率僅為40%左右，既加劇了水資源的短缺，也造成水資源的浪費(fèi)[13]。水稻是需水量較大的作物，發(fā)展水稻節(jié)水灌溉，提高水分利用率是水稻可持續(xù)生產(chǎn)的必由之路。研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)水灌溉可改善水稻土通氣條件，使根系活力增強(qiáng)[14]，抑制水稻株高生長(zhǎng)，使莖稈粗壯，提高抗倒伏性，并減少無(wú)效分蘗，使產(chǎn)量提高[15]。研究表明，節(jié)水灌溉可使葉綠素含量、葉面積指數(shù)、凈光合速率及干物質(zhì)積累增加[16?21]。有關(guān)節(jié)水灌溉對(duì)水稻生產(chǎn)影響的研究，主要集中于生長(zhǎng)、生理及產(chǎn)量方面，而對(duì)物候期影響的研究較少。

水稻物候信息，不僅是田間管理的決策指標(biāo)，也是作物模型的重要參數(shù)[22?23]。抽穗期是水稻重要的物候期之一，標(biāo)志著水稻由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)向生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)折期，是決定水稻產(chǎn)量最為重要的關(guān)鍵期，也是水稻全生育期中生長(zhǎng)發(fā)育最迅速，對(duì)水分、光照等需求最多的時(shí)期。前人對(duì)水稻抽穗期的研究，主要采用田間直接觀測(cè)法和積溫法。田間直接觀測(cè)對(duì)于大面積水稻信息的提取，存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且人為因素誤差大的缺點(diǎn)；積溫法因需要收集較多的資料致使該方法難于推廣。用高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)水稻抽穗期，既節(jié)省人力物力且效率較高。作物物候期的高光譜監(jiān)測(cè)，一般基于植被指數(shù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的分析，但因受大氣因素的影響，需進(jìn)行去噪重建，常用的方法有最大合成值法、最佳指數(shù)斜率提取法和小波濾波法等[24]。本研究采用小波濾波方式進(jìn)行去噪重建，并預(yù)測(cè)水稻抽穗盛期的日期。

關(guān)于節(jié)水灌溉或遮光單因子對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響已有報(bào)道，但二者耦合對(duì)水稻生長(zhǎng)及物候期影響的研究報(bào)道較少。本研究從水稻拔節(jié)期開(kāi)始進(jìn)行不同強(qiáng)度遮光和節(jié)水灌溉直至成熟，以探討節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育及物候期的耦合影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)田概況

田間試驗(yàn)在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站（32.0°N，118.8°E）進(jìn)行。該站地處亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均降水量1100mm，年均氣溫15.6℃。供試土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬，質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，黏粒含量26.1%，pH6.2 （1:1土水比），全碳、全氮含量分別為 19.4、1.45g·kg?1，供試水稻品種為南粳5055。水稻于2017年5月7日育苗，6月7日移栽，株行距20cm×20cm。在水稻移栽前每小區(qū)施用復(fù)合肥（15?15?15）315g。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在大田無(wú)遮雨中進(jìn)行，采用兩因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，灌溉方式設(shè)2個(gè)水平，即節(jié)水灌溉（W，水稻整個(gè)生育期田面無(wú)水層）和常規(guī)灌溉（F，水稻整個(gè)生育期田面水層深度5cm），節(jié)水灌溉處理采用自動(dòng)定時(shí)噴灌的方法，即通過(guò)水管輸送進(jìn)行定時(shí)噴灌，保持田面濕潤(rùn)無(wú)積水層，如遇下雨天氣則通過(guò)排水措施排出田面多余水分。遮光強(qiáng)度設(shè)3個(gè)水平，即對(duì)照（CK，不遮光）、輕度遮光（S1，單層遮陽(yáng)網(wǎng)遮光，光合有效輻射減弱60%）和重度遮光（S2，雙層遮陽(yáng)網(wǎng)遮光，光合有效輻射減弱90%）。從2017年7月14日開(kāi)始（拔節(jié)期），通過(guò)鋼支架將黑色遮陽(yáng)網(wǎng)覆蓋于小區(qū)水稻植株冠層上方30cm處，并隨水稻生長(zhǎng)，定期調(diào)整其高度。

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理：（1）常規(guī)灌溉+無(wú)遮光（FCK）；（2）常規(guī)灌溉+輕遮光（FS1）；（3）常規(guī)灌溉+重遮光（FS2）；（4）節(jié)水灌溉+無(wú)遮光（WCK）；（5）節(jié)水灌溉+輕遮光（WS1）；（6）節(jié)水灌溉+重遮光（WS2）。每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)排列，共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為2m×2m = 4m2。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 冠層光譜測(cè)定

采用便攜式高光譜儀（ASD FieldSpec HandHeld，美國(guó)）測(cè)定水稻冠層光譜反射率。2017年6月23日開(kāi)始（分蘗期），每5～7d選擇天氣晴朗無(wú)云或少云、微風(fēng)或少風(fēng)的天氣，在10：00?14：00（太陽(yáng)高度角＞45°）時(shí)進(jìn)行測(cè)定。光譜儀的有效波段范圍在350?2500nm，350?1050nm區(qū)間光譜分辨率為3nm，光譜采樣間隔為1.4nm；1050?2500nm區(qū)間光譜分辨率為10nm，光譜采樣間隔為2nm，探頭視場(chǎng)角為25°。測(cè)定時(shí)，探頭垂直向下水平放置進(jìn)行觀測(cè)，距冠層垂直高度0.6m，遮光處理的小區(qū)，先去除遮光網(wǎng)再進(jìn)行測(cè)定。每次采集目標(biāo)光譜前后均進(jìn)行校正，每個(gè)小區(qū)重復(fù)測(cè)量3次，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，以其平均值作為該觀測(cè)點(diǎn)的光譜反射值。利用ASD ViewSpecPro4.5軟件對(duì)采集的原始光譜曲線進(jìn)行分析處理，取其平均值。

1.3.2 葉面積指數(shù)（LAI）測(cè)定

采用手持式葉面積指數(shù)儀（LI?2000，美國(guó)）測(cè)定水稻葉面積指數(shù)（LAI）。2017年6月23日開(kāi)始（分蘗期），每隔5～7d測(cè)定一次。LAI測(cè)定在天氣穩(wěn)定且光線良好的條件下進(jìn)行，在水稻冠層采集1個(gè)點(diǎn)，在稻田水面處采集4個(gè)不同區(qū)域的點(diǎn)，讀出儀器上的LAI數(shù)值并記錄，作為該小區(qū)水稻的葉面積指數(shù)，每個(gè)小區(qū)重復(fù)測(cè)定3次，取其平均值。LAI和冠層反射光譜數(shù)據(jù)的測(cè)定時(shí)間和地點(diǎn)一致。

1.3.3 葉綠素含量（SPAD值）測(cè)定

葉綠素含量的測(cè)定采用手持便攜式葉綠素儀（SPAD?502），2017年6月23日開(kāi)始（分蘗期），每隔5～7d與冠層光譜同步測(cè)定。在每個(gè)小區(qū)中選取3株水稻，每株水稻選取3片劍葉進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定時(shí)在每片葉的上、中、下部各測(cè)1次，取其平均值作為該小區(qū)水稻葉片的SPAD值。

1.3.4 株高測(cè)定

使用長(zhǎng)卷尺，2017年6月23日開(kāi)始（分蘗期），每隔5～7d與冠層光譜同步測(cè)定，從水稻底部測(cè)量至水稻冠層，每個(gè)小區(qū)選取3株水稻進(jìn)行測(cè)量，取其平均值。

1.3.5 稻穗含水率測(cè)定

待水稻抽穗后每隔5～7d與冠層光譜同步測(cè)定。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3株水稻，每株水稻取1整穗，先測(cè)定鮮重，而后在105℃烘箱內(nèi)下殺青20min，80℃下烘至恒重，用天平稱重。

1.3.6 遮光率測(cè)定

遮光率的測(cè)定采用AccuPAR植物冠層分析儀（DECAGON LP?80，美國(guó)）。每個(gè)生育期選擇晴朗無(wú)云天氣，在11：00?13：00完成測(cè)定，使用前先對(duì)儀器進(jìn)行校正，然后在每個(gè)小區(qū)水稻冠層處測(cè)量，記錄網(wǎng)下光強(qiáng)及網(wǎng)外光強(qiáng)，遮光率的計(jì)算式為

遮光率=1?網(wǎng)內(nèi)光強(qiáng)/網(wǎng)外光強(qiáng) （1）

1.3.7 水稻物候期觀測(cè)

物候期觀測(cè)方法參考文獻(xiàn)[25]，具體見(jiàn)表1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用ASD ViewSpecPro4.5軟件對(duì)采集的原始光譜曲線進(jìn)行分析處理。采用Matlab進(jìn)行三次樣條插值（Spline插值）及小波濾波處理以預(yù)測(cè)水稻抽穗盛期。采用SPSS21.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。采用OriginPro 8.5和Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖。

表1 水稻物候期觀測(cè)方法

2 結(jié)果與分析

2.1 節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度對(duì)水稻物候期的耦合影響

根據(jù)《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》[25]，采用計(jì)算百分率及含水率的方法，記錄水稻主要生育期，包括分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期。表2為各生育期起止時(shí)間，由表可見(jiàn)，各處理分蘗期開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間基本一致，從拔節(jié)期開(kāi)始，抽穗期、灌漿期和成熟期的起止時(shí)間逐漸出現(xiàn)差異。

在常規(guī)灌溉+無(wú)遮光條件下（FCK），水稻7月14日進(jìn)入拔節(jié)期，8月20日結(jié)束，歷時(shí)37d；8月21日進(jìn)入抽穗期，9月3日結(jié)束，歷時(shí)13d；9月4日進(jìn)入灌漿期，9月10日結(jié)束，歷時(shí)6d；10月11日成熟收獲，整個(gè)生育期126d。而在節(jié)水灌溉+無(wú)遮光條件下（WCK處理），水稻拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期分別歷時(shí)32d、11d和5d，均比FCK縮短，成熟期提前，10月3日收獲，整個(gè)生育期縮短8d。說(shuō)明在自然光照條件下，節(jié)水灌溉使該品種水稻主要生育期縮短，成熟期提前。

常規(guī)灌溉條件下，各遮光處理（FS1和 FS2）與無(wú)遮光處理（FCK）相比，抽穗期、灌漿期和成熟期開(kāi)始時(shí)間均有推遲，最少3d，最多10d，且隨著遮光程度的加重，推遲天數(shù)增多，F(xiàn)S1和FS2全生育期歷時(shí)131d和140d，比FCK延長(zhǎng)5d和14d。可見(jiàn)，常規(guī)灌溉條件下，遮光使該品種水稻物候期延遲；節(jié)水灌溉條件下，各遮光處理（WS1和WS2）比無(wú)遮光處理（WCK）推遲進(jìn)入抽穗期、灌漿期和成熟期，最少的推遲1d，最多9d，推遲天數(shù)隨遮光程度加重而加重，全生育期WS1和WS2比WCK分別延長(zhǎng)6d和14d，可見(jiàn)，節(jié)水灌溉下遮光處理同樣使水稻物候期推遲，說(shuō)明無(wú)論何種灌溉條件下，遮光均導(dǎo)致水稻物候期延長(zhǎng)。

表2 各處理水稻主要生育期的起止日期（月.日）

注：FCK：常規(guī)灌溉+無(wú)遮光；FS1：常規(guī)灌溉+輕遮光；FS2：常規(guī)灌溉+重遮光；WCK：節(jié)水灌溉+無(wú)遮光；WS1：節(jié)水灌溉+輕遮光；WS2：節(jié)水灌溉+重遮光。下同。

Note: FCK: conventional irrigation + no shading; FS1: conventional irrigation + light shading; FS2: conventional irrigation + heavy shading; WCK: water-saving irrigation + no shading; WS1: water-saving irrigation + light shading; WS2: water-saving irrigation + heavy shading. The same as below.

由表2可知，在相同輕度遮光條件下，節(jié)水灌溉+輕度遮光條件（WS1）比常規(guī)灌溉+輕度遮光條件（FS1）分別提前4d、6d和7d進(jìn)入抽穗期、灌漿期和成熟期，整個(gè)生育期縮短7d。在相同重度遮光條件下，節(jié)水灌溉+重度遮光條件（WS2）比常規(guī)灌溉+重度遮光條件下（FS2）分別提前4d、5d和6d進(jìn)入抽穗期、灌漿期和成熟期，全生育期縮短8d，可見(jiàn)，節(jié)水灌溉使遮光處理下的水稻物候期提前，并縮短生育期。

2.2 節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的耦合影響

2.2.1 株高

從圖1可以看出，在水稻生長(zhǎng)初期，除節(jié)水灌溉（WCK）處理的株高與其它處理相比較低外，其余處理間株高均無(wú)明顯差異。隨著水稻生長(zhǎng)進(jìn)程推進(jìn)，從抽穗期開(kāi)始不同處理株高出現(xiàn)差異，之后至成熟期株高不再持續(xù)增長(zhǎng)。常規(guī)灌溉條件下，輕遮光（FS1）和重遮光（FS2）處理株高比無(wú)遮光處理（FCK）分別平均降低3.3%和4.9%，均達(dá)顯著水平（P＜0.05）；節(jié)水灌溉條件下，輕遮光（WS1）和重遮光（WS2）處理株高比無(wú)遮光處理（WCK）平均上升17.5%和15.6%，亦達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

抽穗?成熟期，無(wú)遮光條件下，常規(guī)灌溉（FCK）的株高比節(jié)水灌溉（WCK）處理平均增加25.3%，差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05），說(shuō)明在自然光照條件下，節(jié)水灌溉對(duì)水稻株高有明顯抑制作用；在抽穗期和灌漿期內(nèi)，相同輕遮光條件下，常規(guī)灌溉（FS1）的株高比節(jié)水灌溉（WS1）分別平均增加2.3%和2.4%，差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）；在相同重遮光處理下，常規(guī)灌溉（FS2）的株高比節(jié)水灌溉（WS2）分別上升2.0%和4.0%，且達(dá)顯著水平（P＜0.05）。說(shuō)明節(jié)水灌溉對(duì)遮光處理下的水稻株高有顯著抑制作用。

圖1 水稻主要生育期處理間株高的比較

注：短線表示標(biāo)準(zhǔn)誤差。不同字母表示同一生育期處理間差異顯著（P＜0.05）。下同。

Note: The bar is standard errors. Different letters indicate significant difference between treatments during the same growth period (P＜0.05). The same as below.

2.2.2 葉面積指數(shù)

由圖2可見(jiàn)，在水稻生長(zhǎng)初期，由于分蘗數(shù)不斷增加，LAI不斷升高，在抽穗期達(dá)最大值，在生長(zhǎng)后期因葉片衰老，LAI值呈下降趨勢(shì)。全生育期內(nèi)，常規(guī)灌溉條件下，輕遮光（FS1）和重遮光（FS2）處理葉面積指數(shù)比無(wú)遮光（FCK）處理分別平均降低21.5%和39.5%，且差異達(dá)顯著水平（P<0.05）；節(jié)水灌溉條件下，輕遮光（WS1）和重遮光（WS2）處理葉面積指數(shù)比無(wú)遮光（WCK）分別降低11.5%和17.8%，除分蘗期外，其余均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。說(shuō)明隨著遮光程度的加重，水稻葉面積指數(shù)顯著下降。

圖2 主要生育期處理間水稻葉面積指數(shù)的比較

無(wú)遮光條件下，常規(guī)灌溉（FCK）的葉面積指數(shù)比節(jié)水灌溉（WCK）有所下降，說(shuō)明在自然光照條件下，節(jié)水灌溉對(duì)水稻葉面積指數(shù)有促進(jìn)作用；輕遮光條件下，常規(guī)灌溉（FS1）的葉面積指數(shù)比節(jié)水灌溉（WS1）平均降低14.6%，均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）；重遮光條件下，常規(guī)灌溉（FS2）的葉面積指數(shù)比節(jié)水灌溉（WS2）平均降低29.4%，均達(dá)顯著水平（P＜0.05）?？梢?jiàn)，節(jié)水灌溉對(duì)遮光處理下的水稻葉面積指數(shù)有促進(jìn)作用。

2.3 節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度對(duì)水稻葉片葉綠素含量和冠層光譜反射率的耦合影響

2.3.1 葉綠素含量

由圖3可見(jiàn)，水稻生長(zhǎng)初期各處理間SPAD值差異不顯著，水稻SPAD值從分蘗期開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，在抽穗期達(dá)最高，此后開(kāi)始緩慢下降。

圖3 主要生育期處理間水稻SPAD值的比較

從水稻拔節(jié)期開(kāi)始，常規(guī)灌溉條件下，輕遮光（FS1）和重遮光（FS2）處理的SPAD值比無(wú)遮光處理（FCK）均有所減少，且FS1高于FS2；節(jié)水灌溉條件下，輕遮光（WS1）和重遮光（WS2）處理的SPAD值比無(wú)遮光（WCK）處理減少，其中WS2與WCK的差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。說(shuō)明遮光使水稻葉綠素含量降低，且隨著遮光程度的加重，水稻葉片葉綠素含量（SPAD值）的降幅加大。

拔節(jié)?成熟期，無(wú)遮光條件下，常規(guī)灌溉（FCK）的SPAD值高于節(jié)水灌溉（WCK），說(shuō)明在自然光照條件下，節(jié)水灌溉對(duì)水稻SPAD值有抑制作用；輕遮光條件下，常規(guī)灌溉（FS1）的SPAD值與節(jié)水灌溉（WS1）相比有所增加；重度遮光條件下，常規(guī)灌溉（FS2）的SPAD值比節(jié)水灌溉（WS2）平均降低4.8%，達(dá)顯著水平（P＜0.05）。說(shuō)明節(jié)水灌溉對(duì)遮光處理下水稻葉綠素含量（SPAD值）有抑制作用。

2.3.2 冠層光譜反射率

選取400?1000nm可見(jiàn)光和近紅外波段分析水稻實(shí)測(cè)冠層光譜特征。由圖4可見(jiàn)，在可見(jiàn)光波段（450? 760nm），各處理均表現(xiàn)為兩“谷”一“峰”，即在500nm附近出現(xiàn)藍(lán)光低谷，550nm附近有明顯的綠峰，680nm附近出現(xiàn)紅光低谷；拔節(jié)?成熟期內(nèi)，自然光照條件下，節(jié)水灌溉+無(wú)遮光處理（WCK）的冠層光譜反射率大于常規(guī)灌溉+無(wú)遮光處理（FCK）；遮光條件下，常規(guī)灌溉+遮光處理（FS1和FS2）的冠層光譜反射率均大于節(jié)水灌溉+遮光處理（WS1和WS2）。

圖4 主要生育期處理間水稻冠層光譜反射率的比較

在近紅外波段（760?1000nm），水稻冠層反射率出現(xiàn)反射高臺(tái)，在拔節(jié)期和抽穗期，輕遮光處理反射率大于重遮光處理；自然光照條件下，節(jié)水灌溉+無(wú)遮光處理（WCK）的冠層光譜反射率大于常規(guī)灌溉+無(wú)遮光處理（FCK）；遮光條件下，節(jié)水灌溉+遮光處理（WS1和WS2）的冠層光譜反射率與常規(guī)灌溉+遮光處理（FS1和FS2）反射率表現(xiàn)為WS1＞FS1，WS2＞FS2。在灌漿期和成熟期，節(jié)水灌溉+無(wú)遮光處理（WCK）的冠層光譜反射率小于常規(guī)灌溉+無(wú)遮光處理（FCK）；在遮光條件下，節(jié)水灌溉+遮光處理（WS1和WS2）的冠層光譜反射率與常規(guī)灌溉+遮光處理（FS1和FS2）反射率表現(xiàn)為FS1＞W(wǎng)S1，F(xiàn)S2＞W(wǎng)S2。

2.4 節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度對(duì)稻穗含水率的耦合影響

水稻的成熟期可以分為乳熟、蠟熟和完熟3個(gè)時(shí)期，在完熟末期稻穗含水率下降至23%時(shí)為水稻收獲的最佳時(shí)期[26?28]。由表3可知，移栽后92～140d稻穗含水率的變化，以乳熟期下降速率最大。48d內(nèi)，6組不同處理的稻穗含水率日平均下降速度，以節(jié)水灌溉+無(wú)遮光（WCK）處理最大，其次為常規(guī)灌溉+無(wú)遮光（FCK）處理，常規(guī)灌溉+重遮光（FS2）處理最小。

常規(guī)灌溉條件下，輕遮光（FS1）和重度遮光（FS2）處理稻穗含水率降至23%比無(wú)遮光（FCK）處理分別延遲約5d和14d；節(jié)水灌溉條件下，輕遮光（WS1）和重遮光（WS2）處理稻穗含水率比無(wú)遮光（WCK）處理延遲約6d和14d。說(shuō)明遮光處理會(huì)延遲水稻收獲期，且隨著遮光加重水稻最佳收獲期明顯延遲。

無(wú)遮光條件下，常規(guī)灌溉（FCK）處理稻穗含水率降至23%比節(jié)水灌溉（WCK）延遲8d；輕遮光條件下，常規(guī)灌溉（FS1）處理稻穗含水率比節(jié)水灌溉（WS1）延遲7d；重遮光下條件，常規(guī)灌溉（FS2）處理稻穗含水率比節(jié)水灌溉（WS2）延遲8d。說(shuō)明節(jié)水灌溉可使遮光處理下水稻的成熟期提前。

表3 處理間稻穗含水率的比較（%，平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤）

2.5 節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度對(duì)EVI的耦合影響

采用冠層高光譜數(shù)據(jù)（ASD）提取各處理移栽45d以后的增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）值，經(jīng)過(guò)三次樣條插值法（Spline插值法）填補(bǔ)中間空缺的數(shù)值，構(gòu)建逐日增強(qiáng)型植被指數(shù)時(shí)間序列集。采用小波濾波對(duì)其進(jìn)行去噪處理，得到反映水稻生長(zhǎng)過(guò)程的日時(shí)間序列曲線（圖5）。

由圖5可見(jiàn)，各處理中EVI時(shí)間序列均呈現(xiàn)單峰型變化過(guò)程。虛線表示經(jīng)過(guò)三次樣條插值后的EVI時(shí)間序列，虛線上的圓點(diǎn)表示實(shí)測(cè)值；實(shí)線表示經(jīng)過(guò)小波濾波后的EVI時(shí)間序列，用于預(yù)測(cè)水稻抽穗盛期。根據(jù)水稻抽穗期的生理特征可推斷，該最大EVI值出現(xiàn)在水稻從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)進(jìn)入生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)折時(shí)期，為水稻抽穗盛期，因此，可將其對(duì)應(yīng)的時(shí)間估計(jì)為水稻抽穗盛期的日期[24,29?30]。由圖中可見(jiàn)，不同處理達(dá)到最高點(diǎn)的天數(shù)及其EVI最大值存在差異，EVI值最大的為常規(guī)灌溉+無(wú)遮光處理（FCK），常規(guī)灌溉+重遮光處理最?。‵S2）。表明在無(wú)遮光條件下，節(jié)水灌溉使EVI值下降，在相同遮光處理下，節(jié)水灌溉使EVI值上升。對(duì)比實(shí)測(cè)抽穗盛期（表4）可以看出，各處理與對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)天數(shù)中，最大誤差天數(shù)出現(xiàn)在WS2處理（3d），最小誤差天數(shù)出現(xiàn)在FS2和WS1處理，為0d。標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值為2.12d，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度為97%，表明在節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度處理下用EVI時(shí)間序列預(yù)測(cè)水稻抽穗盛期是可行的。

3 結(jié)論與討論

水稻為喜陽(yáng)作物，對(duì)光照條件的需求較大。遮光處理使水稻葉面積指數(shù)下降，隨著遮光強(qiáng)度增加，葉面積指數(shù)降低越多，主要原因在于遮光引起光合產(chǎn)物運(yùn)輸受阻，降低葉面積擴(kuò)展速率，使葉面積減少。但也有研究表明，插秧?孕穗期對(duì)水稻進(jìn)行遮光處理可以明顯提高水稻劍葉面積，遮光后，光照強(qiáng)度減弱且以散射光為主，水稻葉面積的增加有利于其截獲更多的光能，以適應(yīng)弱光逆境[31]。本試驗(yàn)中，從拔節(jié)期?成熟期，遮光處理的水稻葉綠素含量均低于自然光照條件下（CK）水稻的葉綠素含量（SPAD值），且在抽穗期、灌漿期與無(wú)遮光處理（CK）相比下降速率最大。前人研究認(rèn)為，在灌漿結(jié)實(shí)期水稻上三葉的葉綠素含量下降幅度隨光照減弱而增大，其中倒三葉的葉綠素含量下降幅度最大[32?34]，這與本研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，遮光處理會(huì)延遲水稻物候期，隨遮光強(qiáng)度加重，延遲時(shí)間越長(zhǎng)，主要原因是太陽(yáng)輻射的減弱改變了地表的熱傳導(dǎo)、光反射和熱散射，使土壤及冠層空氣溫度上升緩慢，引起物候期的延遲。

有關(guān)節(jié)水灌溉對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育影響的相關(guān)報(bào)道不一。楊生龍等研究發(fā)現(xiàn)[35]，常規(guī)灌溉使水稻分蘗高峰期提前，株高和葉綠素含量增加；但也有學(xué)者認(rèn)為[36]，節(jié)水灌溉下水稻分蘗提早，成熟期提前，節(jié)水灌溉顯著增加了水稻株高、葉面積指數(shù)和葉綠素含量。本試驗(yàn)表明，節(jié)水灌溉對(duì)遮光處理下的水稻株高和葉綠素含量有抑制作用，對(duì)葉面積指數(shù)有促進(jìn)作用，節(jié)水灌溉可使遮光處理下水稻物候期提前，并縮短生育期。主要原因在于，節(jié)水灌溉下水稻生長(zhǎng)在水分較少的環(huán)境中，不利于干物質(zhì)積累和傳輸，導(dǎo)致株高下降，但節(jié)水灌溉改善了土壤通氣條件，有利于土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和根系生長(zhǎng)，從而促進(jìn)植株生長(zhǎng)，使物候期提前，生育期縮短。

圖5 各處理抽穗?成熟期增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）的變化過(guò)程

注：虛線表示經(jīng)過(guò)三次樣條插值后的EVI時(shí)間序列，虛線上的圓點(diǎn)表示實(shí)測(cè)值；實(shí)線表示經(jīng)過(guò)小波濾波后的EVI時(shí)間序列，用于預(yù)測(cè)水稻抽穗盛期。

Note: The dashed line represents the EVI time series after spline interpolation. Dots on the dashed line represent measured values, and solid lines represent wavelet-filtered EVI time series to predict the heading stage of rice.

表4 EVI預(yù)測(cè)抽穗盛期與實(shí)測(cè)抽穗盛期的比較（d）

節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度耦合對(duì)水稻冠層光譜反射率有明顯影響。在近紅外波段內(nèi)，拔節(jié)期和抽穗期表現(xiàn)為節(jié)水灌溉+遮光處理的水稻反射率大于常規(guī)灌溉+遮光處理，這主要是因?yàn)榍捌诠?jié)水灌溉+遮光水稻的葉面積指數(shù)高，而近紅外光譜反射率高低主要取決于生物量和葉面積指數(shù)的大小[37]。在灌漿期和成熟期節(jié)水灌溉的反射率小于常規(guī)灌溉，主要是因?yàn)楣?jié)水灌溉下的水稻水分含量少，導(dǎo)致節(jié)水灌溉下的水稻加速衰老。研究表明，水稻衰老或環(huán)境脅迫下，近紅外波段反射率會(huì)下降[38]，說(shuō)明節(jié)水灌溉+遮光處理對(duì)水稻后期生長(zhǎng)有一定的抑制作用，導(dǎo)致水稻成熟期提前。水稻拔節(jié)?成熟期是江蘇沿江地區(qū)水稻高溫?zé)岷Χ喟l(fā)期[39?40]，遮光處理對(duì)水稻有一定的降溫緩解作用，因此，遮光處理的水稻衰老較慢，近紅外反射率較高。

用EVI時(shí)間序列預(yù)測(cè)節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度耦合下水稻抽穗盛期，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度為97%，說(shuō)明用EVI預(yù)測(cè)水稻抽穗盛期是可行的。最大合成值法和最佳指數(shù)斜率提取法是常用的濾波方法，最大合成值法的計(jì)算過(guò)程較簡(jiǎn)便，但在處理過(guò)程中沒(méi)有考慮大氣條件地表的雙向反射和數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤等因素的影響，使得濾波重建的結(jié)果存在很大偏差；最佳指數(shù)斜率提取法的選擇主要依靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，帶有一定的主觀性[41?42]。本研究中，經(jīng)小波濾波后的 EVI 曲線能較好地反映出水稻隨時(shí)間連續(xù)變化的生長(zhǎng)過(guò)程。此外，本研究得到的EVI時(shí)間序列曲線對(duì)種植模式識(shí)別、作物生長(zhǎng)模型、數(shù)據(jù)同化等相關(guān)研究也有一定的參考意義。

綜上所述，節(jié)水灌溉對(duì)遮光處理下水稻葉面積指數(shù)有促進(jìn)作用，使水稻物候期提前，生育期縮短。未來(lái)可進(jìn)一步研究節(jié)水灌溉和遮光對(duì)水稻光合作用及產(chǎn)量構(gòu)成等方面的影響，采用DSSAT等作物模型模擬水稻物候期，以提高區(qū)域水稻生產(chǎn)應(yīng)對(duì)和適應(yīng)太陽(yáng)輻射減弱及水資源短缺的能力。

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Coupling Effects of Water-Saving Irrigation and Shading Intensity on Growth and Development for Rice

LI Rui1, 2, LOU Yun-sheng1, 2, ZHANG Zhen2, MA Li2, LI Jun2

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044)

A field experiment was conducted to reveal the coupling effects of water-saving irrigation and shading intensity on rice growth and phenological period. Irrigation was designed with 2 levels, conventional irrigation (F, flooding with 5cm water depth layer) and water-saving irrigation (W, wetting without water layer); shading intensity was set at 3 levels, control (CK, natural light source without shading), light shading (S1, single layer shading, photosynthetically active radiation decreased by 60%) and heavy shading (S2, double layer shading, photosynthetically active radiation decreased by 90%). Rice growth parameters were measured in main stages, tillering, jointing, heading, filling and maturing, which included plant height, leaf area index (LAI), chlorophyll content (SPAD value), and water content in single ear as well as canopy hyperspectral data. Using canopy hyperspectral data to extract the enhanced vegetation index (EVI) time series, heading date was predicted by denoising through spline interpolation and wavelet filtering. The results showed that with higher shading intensity, leaf area index and SPAD value decreased, and phenological periods delayed. Water-saving irrigation inhibited plant height and SPAD value of rice, promoted leaf area index under shading conditions. Water-saving irrigation advanced phenophase and shortened phenological periods of rice under shading conditions. Under the same shading conditions, the spectral reflectance on rice canopy was higher in water-saving irrigation (W) than that in conventional irrigation (F) at jointing stage and heading stage, but higher in conventional irrigation (F) than in water-saving irrigation (W) at filling stage and maturity stage. The denoised EVI time series were used to predict heading date in rice, with prediction accuracy being 97%, and extremely significant correlation (P < 0.01).

Water-saving irrigation; Shading intensity; Rice; Growth; Phenophase

2018?05?09

。E-mail：yunshlou@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金（41375159）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20131430）

李睿（1993?），女，碩士生，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究。E-mail：461917970@qq.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.11.002

李睿,婁運(yùn)生,張震,等.節(jié)水灌溉和遮光強(qiáng)度對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的耦合影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(11):702-714