不同節(jié)水灌溉模式對水稻生理生長和產(chǎn)量形成的影響

毛心怡，王為木，郭相平，盧昕宇,2

(1. 河海大學農(nóng)業(yè)工程學院，南京 210098; 2. 福建農(nóng)林大學園藝學院，福州 350000)

水稻的需水量是最大的糧食作物[1]，據(jù)統(tǒng)計，水稻用水量占農(nóng)業(yè)用水量的70%，占全國總用水量近50%[2]。如何在水稻的種植、生育過程中最大程度地提高水資源的利用效率，需要進行長期的研究和探索?，F(xiàn)階段，我國農(nóng)民大多依舊使用大水漫灌和土渠輸水等傳統(tǒng)的灌溉方式，水資源的利用方式較為粗放，耗水量極大，大部分灌溉水進入田間后都會通過滲漏或者蒸發(fā)損失，浪費極其嚴重。我國農(nóng)業(yè)渠道水有效利用系數(shù)較低，僅為0.5 kg/m3左右，遠低于發(fā)達國家的2.0 kg/m3的水平[3]。而歐洲等國，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)約為0.8 kg/m3[4]。

鑒于我國目前稻田水資源利用的相關問題，水稻節(jié)水灌溉勢在必行。目前，關于水稻節(jié)水灌溉模式的研究已有不少，如控制灌溉技術、間歇灌溉技術等[5-8]。盡管節(jié)水灌溉對水稻水分利用效率和產(chǎn)量等指標的影響不乏報道，但尚缺乏多種節(jié)水灌溉模式在水稻生理生長和產(chǎn)量形成方面作用效應的比較，這使得不同節(jié)水灌溉模式在水稻節(jié)水和保產(chǎn)方面的優(yōu)劣缺乏一致結論。本研究設計4種不同節(jié)水灌溉模式(淺水勤灌、濕潤灌溉、控制灌溉和蓄水控灌)，觀測不同節(jié)水灌溉模式下水稻株高、葉綠素含量的動態(tài)變化，分析水稻總產(chǎn)量及其組成，旨在為科學制定水稻節(jié)水灌溉策略提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在江蘇省南京市江寧區(qū)河海大學南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土教育部重點實驗室-河海大學節(jié)水園區(qū)(31°53′N，118°48′E)進行，試驗地屬于亞熱帶濕潤氣候，冬冷夏熱、四季分明。年均降雨量在1 021.3 mm，多年均水面蒸發(fā)量為 900 mm 左右，年平均氣溫15.7 ℃。試驗土壤取自試驗稻田耕作土，土壤類型為黏壤土，田間質(zhì)量持水率為30.9%，速效氮為47.4 mg/kg，速效磷為10.37 mg/kg，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為2.4%。

1.2 試驗設計

本研究設計4種灌溉模式，各處理及其水分控制指標見表1所示。試驗在多個長×寬=3.0 m×2.5 m的小區(qū)進行，每個處理重復3次，共12個小區(qū)，小區(qū)外設置保護區(qū)，防止側滲水分干擾試驗，各小區(qū)隨機布置。待農(nóng)田土壤中的水分降到灌水的下限時，即灌水到上限，用鋼尺測量水層深度，在降雨時加測，假如水層的深度超過最大蓄雨的深度時，則及時排水至蓄雨上限，無水層時利用埋設在土壤中0～30 cm的TDR探頭(Mini-Trase System-Soil Moisture Equipment Crop, Santa Barbara, CA, USA)進行土壤水分測定。

供試水稻為高產(chǎn)品種“南粳44”，于5月育秧。6月10日選擇三葉一心大小基本一致的秧苗移栽，每區(qū)9穴，每穴3株，行株距為20 cm ×15 cm。6月5日施基肥(復合肥，N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%)300 kg/hm2，6月17日、7月7日和8月19日分別施用尿素(CO(NH2)2，含氮量≥46.2%)150、75和150 kg/hm2作為返青肥、分蘗肥和穗肥，各處理施肥量相同。水稻整個生育階段除灌排措施外，其他農(nóng)藝措施均保持一致。10月23日收獲水稻。

表1 不同灌溉模式下的設計灌排指標

注：①分蘗期灌溉控制指標前高后低，拔節(jié)孕穗期灌溉控制指標前低后高；②“mm”表示田面水深，“%”表示表層 30 cm 土壤的含水率占土壤飽和含水率的百分比，“*”表示本行數(shù)據(jù)表示方式不同于同行其他數(shù)據(jù)。

1.3 指標測定

水稻株高：從水稻移栽后的第24 d開始測定植株株高，抽穗前測量從根莖部到葉頂?shù)母叨?，抽穗后測量從根莖部到穗頂?shù)母叨?。每三天測量一次至全生育期結束。

葉綠素含量：從水稻移栽后的第33 d開始，至移栽后135 d，用葉綠素計(SPAD-502, Minolta, Japan)測定水稻倒三葉葉綠素量，測定葉片中段的SPAD值，以平均值作為該小區(qū)葉片的SPAD值[9]。

產(chǎn)量：水稻完熟期(移栽后135 d)按小區(qū)面積單打單收換算實際產(chǎn)量，同時記錄每穴有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結實率、千粒質(zhì)量和每穴產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

顯著性和相關性分析(Duncan's multiple range test)采用SPSS 17.0軟件[10,11]。

2 結果與分析

2.1 不同節(jié)水灌溉模式對水稻株高的影響

水稻在不同生育階段的生長狀況將直接或間接地影響其產(chǎn)量形成，因此，研究節(jié)水灌溉對水稻生長指標的影響是理解節(jié)水灌溉對水稻籽粒灌漿、結實和產(chǎn)量組成機制的關鍵。圖1所示為淺水勤灌、濕潤灌溉、控制灌溉、蓄水控灌4種不同灌溉模式下水稻株高隨移栽后天數(shù)的變化。從圖中可看出，移栽后24～107 d，不同節(jié)水灌溉模式下水稻株高為37～108 cm，四種灌溉模式下水稻株高動態(tài)變化規(guī)律較為一致。株高變化呈現(xiàn)3個不同的階段，包括快速增長期、緩慢增長期和平穩(wěn)期?？焖僭鲩L期、緩慢增長期和平穩(wěn)期所處的3個時間段大約為移栽后24～85、85～100和100 d至生育期結束。這可能由于：0～85 d屬于水稻生營養(yǎng)生長的關鍵時期，水稻在該階段根系迅速擴張，吸收營養(yǎng)速度快，生長迅速；85～100 d，水稻從營養(yǎng)生長階段進入生殖生長階段，養(yǎng)分向生殖器官轉移并累積，株高的增長有所放緩；100 d后，水稻進入結實的關鍵時期，籽粒大量形成，株高不再有明顯的變化。從結果來看，不同節(jié)水灌溉模式水稻的株高隨移栽后天數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律較為一致，說明不同節(jié)水灌溉模式并沒有明顯影響水稻進入不同生育階段的時間。王振昌[12]研究表明，旱澇交替脅迫對水稻株高后期生長具有補償效應。本研究中，蓄水控灌模式下水稻黃熟期株高顯著高于其他處理，這印證了王振昌的研究結論。

圖1 不同節(jié)水灌溉模式下水稻株高隨移栽后天數(shù)的變化

為了更好地了解水稻株高隨移栽后天數(shù)的動態(tài)變化，本研究采用線性模型和指數(shù)模型對水稻株高和不同移栽后天數(shù)的關系進行模擬，結果如表2和表3所示(n=29)。從表2和表3可知，線性模型和指數(shù)模型均能較好地模擬不同節(jié)水灌溉模式下水稻株高隨移栽后時間的動態(tài)變化，線性模型相關系數(shù)達到0.978 1～0.982 4，指數(shù)模型相關系數(shù)達到0.975 6～0.982 7。從模擬效果來看，線性模型的模擬效果略優(yōu)于指數(shù)模型，但兩者差別并不大。

表2 線性模型

表3 指數(shù)模型

2.2 不同節(jié)水灌溉模式對水稻產(chǎn)量組成及總產(chǎn)量的影響

圖2所示為不同節(jié)水灌溉模式下水稻產(chǎn)量組成，不同節(jié)水灌溉模式下每穴有效穗數(shù)存在顯著差異[圖2(a)]，表現(xiàn)為控制灌溉模式顯著高于其他處理，淺水勤灌模式顯著低于其他處理，而濕潤灌溉和蓄水控灌每穴有效穗數(shù)差異并不顯著。從每穴有效穗數(shù)來看，控制灌溉處于較優(yōu)水平，達到13.06。每穗粒數(shù)從高到低依次為淺水勤灌、蓄水控灌、濕潤灌溉和控制灌溉[圖2(b)]，這一規(guī)律與每穴有效穗數(shù)有所不同?？刂乒喔忍幚砻克肓?shù)顯著低于其他處理，僅為123.0；而淺水勤灌處理顯著高于其他處理，達到了131.7，這說明淺水勤灌處理更有利于水稻每穗粒數(shù)的提高。

圖2 不同節(jié)水灌溉模式下水稻產(chǎn)量組成注：圖中不同英文字母表示同一生育時期內(nèi)各處理指標在0.05水平上差異顯著。

圖2(c)所示為不同節(jié)水灌溉模式下水稻的結實率情況。圖中可看出，控制灌溉和蓄水控灌水稻結實率處于較優(yōu)水平，兩種模式之間結實率并無顯著差異；濕潤灌溉次之，為88.5%；而淺水勤灌處理結實率最低，僅為84.7%，且顯著低于其他處理。這一結果說明水稻每穴穗數(shù)高的處理每穗粒數(shù)不一定高，每穗粒數(shù)較好地處理結實率并不一定高。從水稻結實率單一指標來看，蓄水控灌要優(yōu)于其他處理。蓄水控灌水稻千粒質(zhì)量處于最高水平[圖2(d)]，但與控制灌溉之間差異并不顯著，蓄水控灌和控制灌溉水稻千粒質(zhì)量分別為26.17和25.53 g；濕潤灌溉次之，為25.13 g，與控制灌溉之間差異并不顯著；淺水勤灌處理水稻千粒質(zhì)量最低，僅為24.67 g，顯著低于控制灌溉和蓄水控灌處理?？傮w來看，蓄水控灌模式最有利于水稻千粒質(zhì)量的提升。

圖2(e)所示為不同節(jié)水灌溉模式對每穴產(chǎn)量的影響。蓄水控灌處理每穴產(chǎn)量最高，達到37.7 g；控制灌溉處理次之，為36.8 g，略低于蓄水控灌處理，與蓄水控灌處理之間沒有顯著差異；濕潤灌溉處理每穴產(chǎn)量為35.2 g，顯著低于控制灌溉和蓄水控灌；淺水勤灌每穴產(chǎn)量最低，僅為32.4 g，顯著低于其他3個處理。

水稻總產(chǎn)量是評價節(jié)水灌溉模式優(yōu)劣的重要指標[13,14]。圖中可看出，不同節(jié)水灌溉模式下產(chǎn)量最高的處理為蓄水控灌處理，達到10 172 kg/hm2(圖3)，并顯著高于濕潤灌溉和淺水勤灌處理；控制灌溉處理次之，產(chǎn)量達到9 922 kg/hm2；而淺水勤灌處理顯著低于其他處理，產(chǎn)量最低，僅為8 735 kg/hm2，充分說明相比其他處理，蓄水控灌模式更有利于水稻產(chǎn)量的提高。這可能是因為蓄水控灌模式下，水稻土壤干濕交替，土壤透氣性良好，在稻田水層較薄的情況下，有益于好氧微生物的生長，促進了肥料的分解與吸收[15,16]。陳朱葉[17]研究結果表明，蓄水控灌模式下的產(chǎn)量相對于常規(guī)灌溉有了提高，本研究充分印證了其研究結論。

圖3 不同節(jié)水灌溉模式對水稻產(chǎn)量的影響注：圖中不同英文字母表示同一生育時期內(nèi)各處理指標在0.05水平上差異顯著。

2.3 不同節(jié)水灌溉模式對水稻葉綠素含量動態(tài)變化的影響

圖4所示為不同節(jié)水灌溉模式下移栽后33～137 d水稻葉片葉綠素含量的動態(tài)變化。水稻葉綠素變化分為3個階段，移栽后33～45 d為緩慢增長期，各處理水稻葉綠素含量變化較為平穩(wěn)；移栽后45～76 d水稻葉綠素進入相對較快的增長階段；移栽后76～137 d水稻葉綠素含量進入衰退期，各節(jié)水灌溉模式下水稻葉片葉綠素含量逐漸下降。

從不同移栽時間來看，移栽后33和39 d不同處理水稻葉綠素含量差異并不大。移栽后45 d，蓄水控灌處理葉綠素含量總體要優(yōu)于其他3個處理。移栽后56 d，不同處理水稻葉綠素含量存在一定的差異，具體表現(xiàn)為蓄水控灌>控制灌溉>淺水勤灌>濕潤灌溉，其中蓄水灌溉處理水稻葉片葉綠素含量達到47.7。移栽后66 d不同處理葉綠素含量的差異與移栽后56 d的規(guī)律相似。移栽后76 d，不同節(jié)水灌溉模式水稻葉綠素含量達到峰值，其中蓄水控灌最高，達到49.3；控制灌溉處理次之，為47.9；淺水勤灌處理為47.4；濕潤灌溉最低，僅為46.7。移栽后87 d，葉綠素含量較移栽后76 d略有降低，各處理降低幅度較為一致，其中仍以蓄水控灌處理葉綠素含量最高，為47.6；控制灌溉次之；而淺水勤灌最低，僅為44.8。移栽后108～118 d，葉綠素含量又有所下降，蓄水控灌與控制灌溉總體高于其他處理。移栽后118～137 d，葉綠素含量出現(xiàn)較大幅度下降，下降幅度達到28.7%～34.5%，蓄水控灌處理最高，為23.8；控制灌溉處理次之，為21.3；淺水勤灌最低，為20.1。

圖4 不同節(jié)水灌溉模式對水稻葉綠素含量的影響

3 結 論

通過對不同節(jié)水灌溉模式下水稻株高、產(chǎn)量形成和葉綠素含量等指標的研究和分析，可得以下結論。

(1)不同節(jié)水灌溉模式下水稻株高變化規(guī)律的差異并不明顯。水稻收獲時的株高以蓄水控灌最高(103.4 cm)，控制灌溉處理次之，淺水勤灌最小。線性模型和指數(shù)模型均能較好地模擬不同節(jié)水灌溉模式下水稻株高隨移栽后時間的動態(tài)變化，相關系數(shù)分別為0.978 1～ 0.982 4和0.975 6～0.982 7。

(2)不同節(jié)水灌溉模式對水稻每穴有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結實率、千粒質(zhì)量和每穴產(chǎn)量都有一定影響。不同節(jié)水灌溉模式中，蓄水控灌處理水稻產(chǎn)量最高，達到10 172 kg/hm2，而淺水勤灌處理最低，僅為8 735 kg/hm2。

(3)水稻葉綠素含量于移栽后76 d達到峰值，移栽76 d后進入衰退期，葉綠素含量逐漸下降。不同節(jié)水灌溉模式中，蓄水控灌處理水稻生長中后期葉綠素含量總體高于其他處理。