不同灌溉模式對水稻生長、水分和輻射利用效率的影響

孟翔燕 周凌云 張忠學(xué) 吳秋峰

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030；4.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

水稻是我國三大糧食作物之一，根據(jù)2017年統(tǒng)計資料，水稻播種面積占糧食總播種面積的26.70%，而水稻產(chǎn)量占到了2017年糧食總產(chǎn)量的33.60%[1]。水稻作為高耗水作物，其耗水量是玉米和小麥等其他谷類作物的2～3倍[2]。據(jù)統(tǒng)計，黑龍江省農(nóng)業(yè)用水總量70.46億m3，水稻灌溉用水量達(dá)50.98億m3，占農(nóng)業(yè)總用水量的72.35%?？梢娝Y源短缺對水稻的可持續(xù)性發(fā)展造成嚴(yán)重威脅[3]。黑龍江省是我國重要的水稻生產(chǎn)地區(qū)和商品糧生產(chǎn)基地[4]，其中，東部屬半濕潤地區(qū)，以種植水稻為主，也是全省水稻最適宜種植區(qū)。因此，研究黑龍江省半濕潤區(qū)水稻節(jié)水灌溉技術(shù)，對黑龍江省水稻產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

水分利用效率和輻射利用效率是進(jìn)行風(fēng)險評估的兩個重要指標(biāo)[5]。水分利用效率或輻射利用效率的提升都對提升土地生產(chǎn)力至關(guān)重要[6]。輻射利用效率定義為作物通過葉片將到達(dá)冠層的光合有效輻射截獲、并通過光合作用轉(zhuǎn)化為干物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率[7]。水分利用效率反映了作物通過蒸發(fā)蒸騰每單位水消耗產(chǎn)生的谷物產(chǎn)量的能力[8]。傳統(tǒng)水稻種植多采用淹水灌溉，耗水量大、水分利用效率低[9]。目前，傳統(tǒng)淹水灌溉已逐漸向節(jié)水灌溉轉(zhuǎn)變，水稻生長的適宜階段經(jīng)歷適度的水分虧缺為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)[10]。聶曉等[11]的研究表明，間歇灌溉、濕潤灌溉處理下的水分利用效率比淹水灌溉提高28.6%和42.9%。AVILA等[12]在巴西的研究表明，間歇灌溉比連續(xù)灌溉有更好的節(jié)水效果，且不會降低產(chǎn)量。SONIT等[13]在印度的試驗也表明，與淹灌相比，滴灌和噴灌有更好的水分利用效率。相比淹灌節(jié)水灌溉在輻射利用效率表現(xiàn)方面的研究較少，已有研究表明，水分脅迫會影響作物的葉片生長，改變作物葉面積指數(shù)的垂直分布，使作物在生長過程中的光合有效輻射截獲量更少，進(jìn)而影響光合同化物的分配[7]。HUSSAIN等[14]在巴勒斯坦地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫對小麥的輻射截獲效率產(chǎn)生了負(fù)面影響。

本文以控制灌溉、淺濕灌溉和全面淹灌為處理模式，以黑龍江省半濕潤區(qū)水稻為研究對象，分析黑龍江省半濕潤區(qū)水稻不同灌溉模式對水分利用效率和輻射利用效率的影響，并對水稻各生育期的農(nóng)藝性狀、葉片葉綠素含量、葉綠素?zé)晒夂凸夂嫌行л椛浣孬@量等指標(biāo)的變化規(guī)律進(jìn)行研究，以期為制定黑龍江省半濕潤區(qū)粳稻的節(jié)水灌溉制度提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017和2018年5—9月在慶安灌溉試驗站進(jìn)行，該站地處黑龍江省綏化市慶安縣和平灌區(qū)，位于東經(jīng)127°30′4″，北緯46°52′41″。多年平均降水量550 mm，多年平均氣溫2.5℃。本區(qū)作物生長期在156～171 d，平均164 d。氣候特征為寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候[15]。土壤類型為白漿土型水稻土，容重為1.02 g/cm3、孔隙度61.6%、0～30 cm體積飽和含水率為53.25%。土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比41.4 g/kg、pH值6.40、全鉀質(zhì)量比20.11 g/kg、全磷質(zhì)量比15.23 g/kg、全氮質(zhì)量比1.08 g/kg、有效磷質(zhì)量比25.33 mg/kg、堿解氮質(zhì)量比154.36 mg/kg和速效鉀質(zhì)量比157.25 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計控制灌溉、淺濕灌溉和全面淹灌3種水分管理模式(表1)?？刂乒喔燃丛诜登嗥谔锩姹３?～30 mm薄水層和黃熟期自然落干以外，其他各生育階段灌水后均不建立水層，以根層土壤含水率為控制指標(biāo)，灌水上限為飽和含水率。用TPIME-PICO64/32型土壤水分測定儀每天(07:00和18:00各測1次)測取土壤含水率，當(dāng)土壤含水率低于或接近灌水下限時，人工灌水至灌水上限，維持土壤含水率處于相應(yīng)生育階段的灌水上限和灌水下限之間。在分蘗后期進(jìn)行曬田不進(jìn)行灌水，分蘗前期、中期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期以及乳熟期土壤含水率下限分別取飽和含水率的百分比。淹灌小區(qū)和淺濕灌溉小區(qū)在每天08:00前后通過預(yù)埋在田面的磚塊和豎尺讀取水層深度，確定是否需要灌水。

1.3 試驗管理

本試驗共3個試驗處理，3次重復(fù)，共計9個田間試驗小區(qū)，每個小區(qū)面積為100 m2(10 m×10 m)。小區(qū)四周種植水稻以加設(shè)保護(hù)行。水稻品種、育秧、移栽、植保及用藥等技術(shù)措施以及田間管理條件相同。為減少側(cè)向滲透對試驗的影響，小區(qū)與小區(qū)之間采用隔滲處理，即小區(qū)四周用塑料板和水泥埂作為隔滲材料，埋入田間地表以下40 cm深。

供試的化肥分別為尿素、五氧化二磷、氧化鉀。供試水稻品種為龍綏粳18號，種植密度為30 cm×10 cm，每穴3株。各處理氮肥即施氮用量(純N量)110 kg/hm2，氮肥施用采用前氮后移施肥技術(shù)，基肥、蘗肥、促花肥、?；ǚ时壤秊?.5∶2∶1.5∶2；各處理施用五氧化二磷45 kg/hm2，氧化鉀80 kg/hm2，鉀肥分基肥和葉齡(幼穗分化期)兩次施用，前后比例1∶1，磷肥作基肥一次施用。各小區(qū)單獨灌排，進(jìn)水管接裝小型計量水表，排水管末端接徑流收集桶。所有小區(qū)排水口高度保持一致，均高于稻田表面8 cm。

表1 不同灌溉模式水稻各生育期土壤水分管理方案Tab.1 Water management scheme of different irrigation management patterns in rice growth stage

注：%為占土壤飽和含水率百分比的單位；mm為田間水層深度的單位；θs為根層土壤飽和含水率。

1.4 測定項目和方法

1.4.1株高和莖粗

標(biāo)記移栽時每個小區(qū)中生長均勻的植株10穴，從分蘗期到抽穗期定點觀測。每個生育期觀測株高，抽穗前為植株根部至每穴最高葉尖的高度，抽穗后為根部至最高穗頂?shù)母叨取y定完株高后，使用游標(biāo)卡尺測定基部第2節(jié)間莖粗。

1.4.2葉面積指數(shù)

標(biāo)記移栽時每個小區(qū)中生長均勻的植株3株，從分蘗期到乳熟期定點觀測，每個生育期觀測一次。測量每株植株上各葉片的葉長和葉寬(葉片最寬處的寬度)并記錄。采用長寬系數(shù)法計算單個葉片面積并得到每株植株的葉片總面積，單株植株葉面積為3株植株的葉片總面積的平均。葉面積指數(shù)為單株葉面積與小區(qū)中總株數(shù)的乘積再除以小區(qū)面積。

1.4.3地上部干物質(zhì)量

從分蘗期至乳熟期，每個生育期取每個小區(qū)中生長均勻的植株3穴，將植株按莖鞘、葉、穗(抽穗期后)分別裝袋，經(jīng)干燥箱105℃殺青30 min，再經(jīng)80℃干燥到質(zhì)量恒定，測定各部位的干物質(zhì)量。

1.4.4SPAD

標(biāo)記移栽時每個小區(qū)中生長均勻的植株5株，從分蘗期到乳熟期，每個生育期觀測一次。用SPAD-502型葉綠素含量測定儀對5株水稻的頂端劍葉測量SPAD并取平均值。

1.4.5葉綠素?zé)晒?/p>

標(biāo)記移栽時每個小區(qū)中生長均勻的植株6株，從分蘗期到乳熟期，每個生育期觀測一次。選擇晴朗無云的天氣，在08:00—10:00采用LI-6400XT型光合測定儀對已標(biāo)記植株的葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行測定。每次測定前用葉片夾夾住選定的葉片進(jìn)行暗適應(yīng)30 min，不照光狀態(tài)下測定最大初始轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm；在自然光照下測定光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)qP和非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)qN。植株在充分光照2 h后，測量光下的光合電子傳遞速率(ETR)。

1.4.6光合有效輻射截獲量

光合有效輻射截獲量為冠層上方累計入射光合有效輻射量與透過冠層到達(dá)地表的累計光合有效輻射量之差。從分蘗期到乳熟期每隔10 d測量一次，選擇晴朗無云的天氣，在08:00—16:00每隔2 h整點觀測一次，在小區(qū)中間用冠層分析儀，分別測定冠層上方20 cm及地表的光合有效輻射量并記錄，每個小區(qū)重復(fù)測量3次并取平均值。

1.4.7水分利用效率

水分利用效率公式為

WUE=Y/IRR

(1)

式中WUE——水分利用效率，kg/m3

Y——產(chǎn)量，kg/hm2

IRR——灌溉用水量，m3/hm2

1.4.8輻射利用效率

輻射利用效率公式為

RUE=DM/Ipar

(2)

式中RUE——輻射利用效率，g/MJ

DM——地上部干物質(zhì)累積量，g/m2

Ipar——光合有效輻射截獲總量，MJ/m2

應(yīng)用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行Duncan顯著性分析。采用Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉模式對水稻農(nóng)藝性狀的影響

不同灌溉模式下水稻株高與莖粗變化如圖1(圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同)所示。圖1a、1b分別為兩個生長季內(nèi)水稻株高的變化。3種灌溉模式下的株高從分蘗期到抽穗期逐漸增大，并在抽穗期達(dá)到最大值。兩個生長季內(nèi)，各生育時期全面淹灌模式下的株高均高于控制灌溉。兩個生長季中全面淹灌、淺濕灌溉和控制灌溉的株高最大值分別為101.2、102.8、96.8 cm(2017年)和102.3、100.7、97.9 cm(2018年)。圖1c、1d分別為兩個生長季內(nèi)水稻莖粗的變化。從分蘗期到抽穗期，莖粗的變化趨勢與株高一致，并在抽穗期達(dá)到最大。兩個生長季內(nèi)，分蘗期和拔節(jié)期，控制灌溉下水稻莖粗顯著大于全面淹灌和淺濕灌溉，而抽穗期3種灌溉模式下莖粗差異不明顯。兩個生長季中全面淹灌、淺濕灌溉和控制灌溉的莖粗最大值分別為7.32、7.26、7.31 mm(2017年)和7.21、7.15、7.18 mm(2018年)。

圖1 2017年和2018年不同灌溉模式下水稻株高與莖粗Fig.1 Plant height and stem diameter under different irrigation patterns in 2017 and 2018

不同灌溉模式下水稻地上部干物質(zhì)量變化如表2所示。兩個生長季內(nèi)拔節(jié)期與抽穗期3種灌溉模式的地上部干物質(zhì)量差異顯著，拔節(jié)期全面淹灌、淺濕灌溉和控制灌溉模式下地上部干物質(zhì)量分別為360.55、351.56、413.84 g/m2(2017年)和368.04、361.08、484.84 g/m2(2018年)。抽穗期全面淹灌、淺濕灌溉和控制灌溉模式下地上部干物質(zhì)量分別為398.46、400.46、455.38 g/m2(2017年)和402.40、408.96、467.08 g/m2(2018年)。

不同灌溉模式下水稻葉面積指數(shù)的變化如圖2所示。3種灌溉模式下的水稻葉面積指數(shù)逐漸增大，抽穗期達(dá)到最大值后在乳熟期下降。不同灌溉模式間對比表明，各生育期控制灌溉模式葉面積指數(shù)顯著高于淺濕灌溉與全面淹灌，而淺濕灌溉與全面淹灌之間差異不顯著。兩個生長季中全面淹灌、淺濕灌溉和控制灌溉的葉面積指數(shù)最大值分別為6.06、6.12、6.58(2017年)和6.11、6.18、6.49(2018年)?？刂乒喔人靖魃龝r期葉面積指數(shù)比全面淹灌分別增加7.94%～23.67%(2017年)和5%～14.47%(2018年)。

表2 2017年和2018年不同灌溉模式下地上部干物質(zhì)量Tab.2 Above ground dry matter under different irrigation patterns in 2017 and 2018 g/m2

注：同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

圖2 2017年和2018年不同灌溉模式下葉面積指數(shù)Fig.2 LAI under different irrigation patterns in 2017 and 2018

2.2 不同灌溉模式對光合特性的影響

圖3為不同灌溉模式下水稻光合有效輻射截獲量日變化。由圖3可知，兩個生長季3種灌溉模式下整個生育過程中光合有效輻射截獲量呈波浪變化，分別在拔節(jié)期和抽穗期后期達(dá)到波峰，且在拔節(jié)期后期達(dá)到最大值。兩個生長季中控制灌溉、淺濕灌溉與全面淹灌下日光合有效輻射截獲量的最高值分別為22.30、21.69、20.70 μmol/(m2·s)(2017年)和24.6、23.8、23.5 μmol/(m2·s)(2018年)。

表3為兩個生長季內(nèi)不同灌溉模式下水稻葉片SPAD與葉綠素?zé)晒鈪?shù)。由表3可知，兩個生長季內(nèi)不同灌溉模式下SPAD沒有顯著差異。3種灌溉模式下葉片SPAD從分蘗期到抽穗期略有波動，并在乳熟期呈下降的趨勢。兩個生長季內(nèi)，控制灌溉葉片SPAD在乳熟期略低于淺濕灌溉與全面淹灌，其余生育時期控制灌溉均顯著高于淺濕灌溉與全面淹灌。

圖3 2017年和2018年光合有效輻射截獲量日變化曲線Fig.3 IPAR under different irrigation patterns in 2017 and 2018

兩個生長季內(nèi)，F(xiàn)v/Fm從分蘗期開始上升，拔節(jié)期和抽穗期達(dá)到最大值后在乳熟期下降，qN、qP前期略有波動，從乳熟期迅速下降，ETR從分蘗期到乳熟期逐漸下降。Fv/Fm和qN在2017年乳熟期時差異最大，控制灌溉Fv/Fm分別比淺濕灌溉與全面淹灌增加了9.21%與5.06%，全面淹灌下qN分別比淺濕灌溉與控制灌溉增加了17.27%與7.95%。qP和ETR在2017年拔節(jié)期時差異最大，全面淹灌下qP分別比淺濕灌溉與控制灌溉增加了18.52%和45.45%，全面淹灌下ETR分別比淺濕灌溉與控制灌溉增加了23.92%和51.26%。Fv/Fm在各時期都有控制灌溉高于全面淹灌。兩個生長季中，除分蘗期外，全面淹灌下qP與ETR均高于淺濕灌溉與控制灌溉。在分蘗期，拔節(jié)期和抽穗期之間3種灌溉模式下qN差異不大。

2.3 不同灌溉模式對水分和輻射利用效率的影響

不同灌溉模式下水分利用效率與輻射利用效率見表4?？刂乒喔认碌厣喜扛晌镔|(zhì)量的累積顯著高于淺濕灌溉與全面淹灌，兩個生長季內(nèi)分別比全面淹灌增加了12.13%(2017年)和7.98%(2018年)，比淺濕灌溉增加了10.17%(2017年)和8.86%(2018年)；而冠層光合有效輻射截獲總量，控制灌溉和淺濕灌溉較全面淹灌都所增加，兩個生長季分別增加74.05、23.65 μmol/(m2·s)(2017年)和63.35、16.85 μmol/(m2·s)(2018年)。兩個生長季內(nèi)控制灌溉與淺濕灌溉的灌溉用水量較全面淹灌分別減少了31.45%、9.16%(2017年)和31.67%、7.88%(2018年)；控制灌溉下產(chǎn)量略高于全面淹灌但差異不顯著，而顯著高于淺濕灌溉。兩個生長季內(nèi)控制灌溉下灌溉水利用效率分別較淺濕灌溉和全面淹灌增加了53.38%、46.45%(2017年)和51.97%、46.20%(2018年)；控制灌溉下輻射利用效率分別較淺濕灌溉和全面淹灌增加了4.301%、1.042%(2017年)和3.723%、1.036%(2018年)。

表3 2017年和2018年不同灌溉模式下葉片SPAD與葉綠素?zé)晒鈪?shù)Tab.3 SPAD value and chlorophyll fluorescence parameters under different irrigation patterns in 2017 and 2018

表4 2017年和2018年不同灌溉模式下水分利用效率與輻射利用效率Tab.4 WUE and RUE under different irrigation patterns in 2017 and 2018

3 討論

不同灌溉方式會對稻田土壤水分造成影響，從而對水稻的株高、莖粗造成較大的影響[16-18]。郭相平等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)淹灌相比，節(jié)水灌溉會使水稻株高受到抑制，而莖粗增加，與本試驗的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，控制灌溉與淺濕灌溉與全面淹灌相比，有利于水稻葉面積指數(shù)和地上部干物質(zhì)的增加。表明節(jié)水灌溉對水稻的葉面積指數(shù)具有促進(jìn)作用，從而有利于葉片光合能力的增強(qiáng)，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的積累，這與前人研究結(jié)果相同[19-22]。

水稻地上部生物量與冠層截獲光合有效輻射的能力有關(guān)。李華龍等[7]的試驗表明，水分脅迫對冠層光合有效輻射截獲量的影響主要通過葉面積增長來體現(xiàn)，葉面積指數(shù)與冠層光合有效輻射截獲量成正相關(guān)。本試驗結(jié)果同樣表明，在整個生育期，控制灌溉和淺濕灌溉的冠層光合有效輻射截獲量一直高于全面淹灌。一定范圍內(nèi)，光合強(qiáng)度隨葉綠素含量的增加而加強(qiáng)，因此葉綠素含量是反映植物豐產(chǎn)性能的生理指標(biāo)之一。郭相平等[23]研究表明，從抽穗期到乳熟期水稻葉片SPAD因葉片衰老而不斷降低，但節(jié)水灌溉相比淹灌會減緩SPAD的下降。本試驗研究同樣發(fā)現(xiàn)，整個生育期中控制灌溉與淺濕灌溉下SPAD高于全面淹灌，表明節(jié)水灌溉能提高水稻葉片的SPAD，從而增強(qiáng)水稻葉片的光合作用強(qiáng)度。葉綠素?zé)晒鈪?shù)是反映植物光合效率的指標(biāo)。本試驗中對葉綠素?zé)晒膺M(jìn)行了測量，選取了Fv/Fm、qP、qN、ETR 4個參數(shù)作為檢測指標(biāo)。已有研究[24]表明，葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm、qP會隨著生育期的推遲逐漸下降，而qN卻會逐漸上升。而本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)v/Fm從分蘗期開始上升，拔節(jié)期和抽穗期達(dá)到最大值后在乳熟期下降，qN、qP前期略有波動，從乳熟期迅速下降，ETR從分蘗期到乳熟期逐漸下降。與前人的研究產(chǎn)生差異的原因可能是光照強(qiáng)度、水分脅迫、溫度變化等因素對作物的光合作用能力造成了影響。

水分利用效率反映了作物生長中能量轉(zhuǎn)化效率，也是評價缺水條件下作物生長適宜程度的指標(biāo)[25]。AVILA等[12]在巴西的試驗結(jié)果表明，間歇灌溉與連續(xù)灌溉相比，產(chǎn)量沒有造成影響，而灌溉用水減少了22%～76%，水分利用效率增加了15%～346%。本試驗研究表明，控制灌溉與全面淹灌相比在產(chǎn)量上有一定的提升，灌溉用水量顯著降低，控制灌溉下水分利用效率也顯著高于全面淹灌，這與SONIT等[13]試驗結(jié)果相同。這是由于控制灌溉在生育期受到適宜的水分脅迫，激發(fā)水稻的生長與生產(chǎn)潛能，提高了產(chǎn)量與水分利用效率。作物的產(chǎn)量與冠層截獲輻射能力與輻射轉(zhuǎn)化為干物質(zhì)的效率密切相關(guān)[26]。而輻射利用效率與作物的干物質(zhì)生產(chǎn)與冠層光截獲率密切相關(guān)。輻射利用效率的差異能反映水分虧缺、養(yǎng)分脅迫、疾病和低溫等環(huán)境因素對水稻生長發(fā)育的影響。這是因為不同階段的水分脅迫使作物根部與冠層光合同化物的分配不同或作物在不同生育期遭受水分脅迫使得光合有效輻射截獲的不同造成的[27]。研究結(jié)果表明，控制灌溉下地上部干物質(zhì)量的累積與光合有效輻射截獲總量都顯著高于全面淹灌，控制灌溉下輻射利用效率也高于全面淹灌，這和ISLAM等[28]的結(jié)果相同，原因可能是水稻在不同生育時期受到水分脅迫，使得葉面積指數(shù)顯著提升，進(jìn)而增加了冠層光能有效輻射截獲量，增大了輻射利用效率。

4 結(jié)論

(1)控制灌溉和淺濕灌溉較全面淹灌更能延遲水稻株高的生長、促進(jìn)莖粗的增長，提升水稻葉面積指數(shù)，對地上部干物質(zhì)量的積累也有積極作用。

(2)在光合特性方面，控制灌溉和淺濕灌溉的SPAD較全面淹灌有一定的提升，能增強(qiáng)水稻冠層光合有效輻射截獲量。除Fv/Fm外，全面淹灌下葉綠素?zé)晒飧鲄?shù)均高于控制灌溉和淺濕灌溉。

(3)在不同生育期進(jìn)行適宜的水分脅迫，控制灌溉比全面淹灌的輻射利用效率高，控制灌溉能顯著提高水分利用效率，產(chǎn)量較全面淹灌也有提升。

(4)在黑龍江省寒地黑土半濕潤區(qū)，相比淺濕灌溉與全面淹灌，控制灌溉是更適宜的灌溉模式。