水分調(diào)控和栽培方式對滴灌水稻生長及灌溉水利用效率的影響

徐 強，呂廷波*，馬曉鵬，王東旺，白 蒙，王澤林，牛靖冉

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830091；3.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000；4.農(nóng)業(yè)部西北綠洲農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830000)

【研究意義】我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水占總用水量比例最大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最受干旱缺水的困擾[1]。在我國傳統(tǒng)灌溉模式下，水稻的水資源利用率只有40 %左右，而發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)水資源利用率可達(dá)70 %左右。水的生產(chǎn)率遠(yuǎn)沒有達(dá)到高效用水的要求[2]。目前傳統(tǒng)淹水栽培模式開始逐漸向節(jié)水栽培模式轉(zhuǎn)變[3-5]?！厩叭搜芯窟M展】湯廣民[6]認(rèn)為受旱對產(chǎn)量影響最大的階段為拔節(jié)孕穗期，抽穗灌漿期次之，分蘗期適當(dāng)?shù)乃痔澣狈炊欣诤底魉镜纳L發(fā)育和增產(chǎn)。水稻覆膜旱作可抑制棵間蒸發(fā)，減少水分滲漏量，顯著減少稻田灌溉水量，提高灌溉水的利用效率[7]。大量旱作水稻研究結(jié)果表明，覆膜栽培方式下旱作水稻不僅可實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)甚至還能增產(chǎn)[8-9]。【本研究切入點】前人對旱作水稻的覆膜、水分調(diào)控等方面研究較多，但有關(guān)覆膜與裸地兩種栽培方式下，滴灌水稻進行水分調(diào)控處理對水稻生長發(fā)育、灌溉水利用效率的影響研究鮮有報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究滴灌水稻分蘗期水分調(diào)控對兩種栽培方式下滴灌水稻的生長發(fā)育、灌溉水利用效率的影響，提出較為合理的滴灌水稻分蘗期調(diào)控措施，為滴灌水稻的節(jié)水栽培提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2018年5-10月在新疆石河子大學(xué)農(nóng)試場二連現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室試驗基地(東經(jīng)85°59′47′′，北緯 44°19′29′′，海拔 412 m)進行，該站區(qū)為溫帶大陸性干旱氣候，無霜期 171 d，平均地面坡度6 ‰，多年平均降水量在200 mm左右，多年平均蒸發(fā)量1600 mm，多年平均日照時間2700 h，年平均風(fēng)速1.5 m/s。試驗田土壤屬于壤土，田間持水率為21.24 %，土壤干容重為1.56 g/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用測坑方式進行，每個處理對應(yīng)一個測坑，測坑為2 m×3 m×2 m。試驗方案見表1。每個處理3個重復(fù)。模式為1膜2管4行(行距15 cm+30 cm+15 cm+30 cm，株距10 cm)，每個測坑共有4根毛管，滴灌帶間距20 cm，流量1.8 L/h。由人工將稻種點播到孔中，毎穴點種8粒，深度2～3 cm，干播濕出，并且將膜孔用土壤封口，防止草害。出苗后及時放苗，毎穴保留6株，在苗期和分蘗初期分別中耕1次，全生育期人工拔草。各處理施肥管理一致，全生育期施肥總量為廄肥15 t/hm2，水溶性有機肥120 kg/hm2，純氮300 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。基肥在臨秋冬翻地時一次性施用廄肥15 t/hm2、P2O590 kg/hm2。苗期肥分3次隨水滴施純氮30 kg/hm2，P2O515 kg/hm2。分蘗肥分3次隨水滴施純氮110 kg/hm2，K2O 15 kg/hm2。拔節(jié)肥分3次隨水滴施純氮110 kg/hm2，K2O 25 kg/hm2，有機肥60 kg/hm2。穗肥分4次隨水滴施純氮50 kg/hm2，K2O 50 kg/hm2，有機肥60 kg/hm2。其他田間管理措施保持一致。選用新稻16號為試材，于2018年5月5日播種。6月5日開始進行水分調(diào)控處理，7月5日水分調(diào)控結(jié)束，共30 d。本文中F表示覆膜，L表示裸地。

表1 試驗設(shè)計Table 1 Test design

1.3 測定項目與方法

(1)使用北京東方潤澤生態(tài)科技股份有限公司生產(chǎn)的智墑(云智能土壤水溫傳感器)對土壤中0～1 m深度的水分、溫度變化的監(jiān)測，各月份作物系數(shù)Kc及參考作物騰發(fā)量ETo查詢得到。

(2)莖蘗的發(fā)生與消亡動態(tài)：試驗是通過定點觀測每個測坑選取有代表性的3穴于3葉期前(膜中、邊行、棵間)掛牌，6月5日開始調(diào)查分蘗動態(tài)，每6 d調(diào)查 1 次，到7月23日停止。

(3)葉面積：分別于苗期、分蘗期、拔節(jié)期、齊穗期和成熟期選取長勢一致的具有代表性的單株片完全葉作為標(biāo)準(zhǔn)葉，測量其長寬，按照葉面積=0.75×長×寬(成熟期為0.67)。

(4)生物量：于各生育期末將水稻植株沖洗干凈，在恒溫箱中105 ℃殺青30 min，70 ℃烘至恒重，使用萬分之一克感量電子天平稱量。

(5)考種測產(chǎn)：水稻成熟時，每個處理取3穴測定水稻產(chǎn)量構(gòu)成，包括單株有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)、每穗空粒數(shù)、成穗率和千粒重，后收割各處理測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003進行整理，采用Spss stitistic 19.0軟件進行統(tǒng)計分析，計算各處理性狀的平均值，并進行相關(guān)性分析。使用Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分調(diào)控和栽培方式對滴灌水稻株高的影響

從圖1可知，在水稻整個生育期內(nèi)，各處理株株高度變化趨勢相似，隨生育期進程株高不斷增加。苗期到拔節(jié)期快速增加，灌漿期之后增加緩慢。各處理在苗期和分蘗期時株高無顯著差異，自拔節(jié)期開始株高差異顯著，直到成熟期水稻株高停止變化。在2種栽培模式下，生育后期不同水分處理的平均株高表現(xiàn)為：W2>W1>W3，說明W1、W2處理對水稻株高影響不大，W3處理水分脅迫嚴(yán)重降低株高。覆膜栽培下3個處理植株高度均高于裸地栽培下3個處理，但差異不顯著。

2.2 水分調(diào)控和栽培方式對滴灌水稻分蘗動態(tài)的影響

水分調(diào)節(jié)可以促進水稻對水分和養(yǎng)分的吸收，是影響水稻營養(yǎng)生長的重要因素[10]。不同水分處理下水稻莖蘗消長動態(tài)基本保持一致，都是分蘗數(shù)達(dá)到最大值后逐漸下降。從圖2中可以看出，分蘗期不同水分處理對水稻分蘗動態(tài)的影響較大。各處理分蘗動態(tài)同步性較好均表現(xiàn)為31 d達(dá)到分蘗最大值，之后穩(wěn)定下來。在2種栽培方式下，分蘗期結(jié)束時單穴分蘗數(shù)都表現(xiàn)為W1>W2>W3，分蘗期水分調(diào)控對最終分蘗數(shù)具有明顯的影響，且有隨著干旱脅迫加重而下降的趨勢。最終分蘗數(shù)表現(xiàn)為覆膜栽培下水稻分蘗數(shù)量平均分蘗數(shù)為17.44蘗/穴，裸地栽培下水稻分蘗數(shù)量平均分蘗數(shù)為17.60蘗/穴，說明兩種種植模式對滴灌水稻分蘗數(shù)影響不大。

2.3 水分調(diào)控和栽培方式對滴灌水稻葉面積的影響

葉面積是光合作用的基礎(chǔ)，較高的葉面積對產(chǎn)量形成至關(guān)重要[11]。從圖3可知，6個處理的葉面積生展動態(tài)基本一致。葉面積變化均為單峰曲線，隨生長時期的不斷推移單穴葉面積不斷增大。水稻分蘗期后葉面積快速提高，到拔節(jié)期達(dá)最大值而后下降。2種栽培方式下，苗期時各處理單穴葉面積無顯著差異，分蘗期表現(xiàn)為W1>W2>W3，拔節(jié)期表現(xiàn)為W2>W1>W3。灌漿期和成熟期時W2處理仍能夠保持較高的群體光合葉面積。生育后期W2處理能保持較高葉面積，有利于水稻光合作用的進行，進而影響干物質(zhì)的積累和產(chǎn)量的形成。

圖1 水分調(diào)控和栽培方式對滴灌水稻株高的影響Fig.1 Effects of water regulation and cultivation methods on plant height of drip irrigation rice

圖2 水分調(diào)控和栽培方式對滴灌水稻分蘗動態(tài)的影響Fig.2 Effects of water regulation and cultivation methods on tillering dynamics of drip irrigation rice

2.4 水分調(diào)控和栽培方式對滴灌水稻干物質(zhì)量積累的影響

干物質(zhì)積累動態(tài)與產(chǎn)量密切相關(guān)，同樣的干物質(zhì)積累量，穗分化前期積累量越大，成穗率越低。因此，優(yōu)化干物質(zhì)積累動態(tài)是提高成穗率，實現(xiàn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)[12]。圖5表明各生育期的干物質(zhì)積累量及其占總干質(zhì)量的比例。結(jié)果表明，在2種栽培方式下，水分調(diào)控可使拔節(jié)期以前干物質(zhì)積累量與其占總干質(zhì)量的比值下降，其中各處理占總干質(zhì)量比例分別為:W1、W2、W3處理分別為45.67 %和46.03 %、38.25 %和42.99 %、40.92 %和43.17 %；水分調(diào)控使各處理拔節(jié)期之后干物質(zhì)積累量及其占總干質(zhì)量的比值提高，拔節(jié)期之后W1、W2、W3處理積累的干物質(zhì)量占全生育期的比例分別為54.33 %和53.93 %、61.75 %和57.01 %、59.08 %和56.83 %；同時，W2處理干物質(zhì)總量較W1、W3處理有所增加，分別提高了4.09 %和5.24 %、9.43 %和7.74 %。覆膜栽培比裸地栽培表現(xiàn)更好，覆膜栽培使拔節(jié)期以前干物質(zhì)積累量與其占總干質(zhì)量的比值降低，覆膜栽培與裸地栽培各處理的平均值為41.61 %、44.06 %；拔節(jié)期之后覆膜、裸地各處理積累的干物質(zhì)量占全生育期的比例分別為58.39 %、55.94 %；同時，覆膜處理干物質(zhì)總量較裸地處理有所增加。

圖3 水分調(diào)控和栽培方式對滴灌水稻葉面積的影響Fig.3 Effects of water regulation and cultivation on rice leaf area under drip irrigation

2.5 水分調(diào)控和栽培方式對滴灌水稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表2可知，栽培方式和分蘗期水分脅迫對水稻的有效穗數(shù)影響顯著，表現(xiàn)為F>L，W2>W1>W3。這主要是因為分蘗期W1在充分供水條件下，產(chǎn)生了過多的無效分蘗，導(dǎo)致后期有效穗數(shù)減少，而W2處理適度的水分脅迫可提高水稻的有效穗數(shù)，W3處理水分脅迫程度過大則抑制了水稻的分蘗，導(dǎo)致后期有效穗數(shù)降低，從而影響了產(chǎn)量；實粒數(shù)也表現(xiàn)為W2>W1>W3，說明W2處理分蘗期適度的水分脅迫可提高水稻的實粒數(shù)；F因素(覆膜和裸地方式)和 W 因素(水分處理)之間的互作效應(yīng)對結(jié)實率、成穗率、每穗粒數(shù)、產(chǎn)量的影響達(dá)到顯著水平，對有效穗數(shù)、千粒重的影響則未達(dá)到顯著水平。

圖4 水分調(diào)控和栽培方式對滴灌水稻干物質(zhì)量積累的影響Fig.4 Effects of water regulation and cultivation methods on dry matter accumulation in drip irrigation rice

2.6 水分調(diào)控和栽培方式對滴灌水稻耗水量及水分利用效率的影響

由圖5可知，滴灌水稻作物系數(shù)呈現(xiàn)單峰曲線趨勢，在8月達(dá)到最值，后逐漸降低。2種栽培方式下，作物系數(shù)均表現(xiàn)為W1>W2>W3。其中覆膜栽培方式下W1作物系數(shù)介于0.59～1.49，均值為1.08；W2作物系數(shù)介于0.57～1.32，均值為1.02；W3作物系數(shù)介于0.63～1.22，均值為0.96。

裸地栽培方式下W1作物系數(shù)介于0.93～2.05，均值為1.58；W2作物系數(shù)介于0.92～1.74，均值為1.40；W3作物系數(shù)介于0.93～1.64，均值為1.28。覆膜栽培下作物系數(shù)介于0.57～1.49，平均值為1.02；裸地栽培下的作物系數(shù)介于0.92～2.05，平均值為1.43。覆膜栽培滴灌水稻平均作物系數(shù)僅為裸地栽培的71.33 %。

表2 不同處理產(chǎn)量構(gòu)成Table 2 Yield composition of different treatments

由ET=Kc×ETo計算各月的耗水量如圖5，滴灌水稻耗水量與作物系數(shù)變化一致，在8月達(dá)到最值，后逐漸降低。2種栽培方式下，全生育期的耗水量表現(xiàn)為W1>W2>W3。覆膜栽培下W1處理全生育期耗水量與W2、W3處理相比分別高出5.93 %、11.39 %；裸地栽培下W1處理與W2、W3處理相比全生育期耗水量分別高出12.86 %、22.48 %。覆膜栽培下各處理耗水量為9461.92～10 821.37 m3/hm2，平均值為10 149.71 m3/hm2；裸地栽培下各處理騰發(fā)量為12 741.38～15 787.21 m3/hm2，平均值為14 146.17 m3/hm2。滴灌水稻裸地栽培平均耗水量為覆膜栽培的1.39倍。

全生育期灌溉水量與滴灌水稻產(chǎn)量、灌溉水利用效率的回歸曲線關(guān)系。從圖6可以看出：2種栽培方式下，水稻產(chǎn)量、灌溉水利用效率與全生育期灌水量的回歸曲線均為2次多項式曲線。在覆膜栽培方式下W2處理灌溉水利用率最高為0.64 kg/m3，產(chǎn)量為6733.67 kg/hm2，灌溉水量為10 7101.9 m3/hm2。裸地栽培方式下W2處理灌溉水利用效率最高，效率為0.46 kg/m3，灌溉水量為13 930.9 m3/hm2，產(chǎn)量為6505.5 kg/hm2。

3 討 論

水分脅迫可以改善冠層結(jié)構(gòu)、莖蘗動態(tài)及株型等，從而可能有利于產(chǎn)量的提高[14]。在2種栽培方式下W1、W2處理對水稻分蘗影響不大，W3水分處理則嚴(yán)重降低分蘗數(shù)量。水稻主要依靠主莖和一次分蘗成穗的產(chǎn)量貢獻(xiàn)，分蘗早生快發(fā)，爭取低位蘗有利于增產(chǎn)。一次分蘗的對產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大，占總產(chǎn)量的60 %左右[15]。本研究結(jié)果表明兩種栽培方式下W2處理可促進滴灌水稻分蘗早發(fā)，提高早期分蘗速率，減少后期高位蘗分蘗發(fā)生，促進低位蘗成穗，進而提高成穗率和產(chǎn)量。水分調(diào)控對水稻葉面積影響顯著，又能延緩下位葉的衰老，增加光合作用的時間[16]。2種栽培方式下分蘗期適度的水分脅迫有利于生育后期葉面積保持較高水平，這與于美芳等[17]研究結(jié)果一致。 生殖生長期干物質(zhì)量占總物質(zhì)量比例較高，有利于子粒的形成，最終獲得高產(chǎn)[18]。本研究表明在不同栽培條件下，W2處理拔節(jié)期之后積累的干物質(zhì)量占全生育期的比例最高，最終產(chǎn)量也最高。

圖5 各處理作物系數(shù)及耗水量變化Fig.5 Variations of crop coefficients and water requirements for each treatment

圖6 滴灌水稻全生育期灌溉水量與水稻產(chǎn)量和灌溉水利用效率的關(guān)系Fig.6 The relationship between irrigation water amount and rice yield and irrigation water use efficiency during the whole growth period of drip irrigation rice

韓嫻姝等[19]指出寧夏地區(qū)覆膜滴灌水稻的作物系數(shù)介于0.31～1.04，平均作物系數(shù)為0.71作物系數(shù)，呈現(xiàn)出類拋物線形態(tài)，呈先增加后減小的趨勢。這與本研究5-9月的作物系數(shù)趨勢一致。本研究表明石河子地區(qū)覆膜栽培下的作物系數(shù)介于0.30～1.02，平均值為0.76；裸地栽培下的作物系數(shù)介于0.6～1.41，平均值為1.08。覆膜栽培作物系數(shù)略高于前人研究成果，這可能與試驗地區(qū)、水稻品種等因素有關(guān)。

干旱脅迫對作物灌溉水利用率的影響存在異議，有報道認(rèn)為干旱脅迫可提高作物灌溉水利用效率[20]，但也有學(xué)者認(rèn)為干旱脅迫會降低灌溉水利用效率[21]。本研究認(rèn)為，2種栽培方式下生育期灌溉水量與灌溉水利用效率均為2次回歸曲線關(guān)系。適度的水分脅迫可以提高灌溉水利用效率，而隨著水分脅迫的加重，灌溉水利用效率則逐漸降低。

4 結(jié) 論

(1)W1、W2處理對水稻株高影響不大，W3處理水分脅迫嚴(yán)重降低株高。分蘗期水分調(diào)控對最終分蘗數(shù)具有明顯的影響，且有隨著干旱脅迫加重而下降的趨勢。生育后期W2處理仍能夠保持較高的群體光合葉面積。生育后期W2處理能保持較高葉面積，更利于水稻光合作用的進行光合產(chǎn)物的積累以及最終產(chǎn)量的形成。

(2)水分調(diào)控降低了拔節(jié)期以前干物質(zhì)積累量與其占總干質(zhì)量的比值。覆膜栽培降低了拔節(jié)期以前干物質(zhì)積累量與其占總干質(zhì)量的比值。同時，覆膜栽培干物質(zhì)總量較裸地栽培有所增加。

(3)F因素(栽培方式)和 W 因素(水分調(diào)控)之間的互作效應(yīng)對結(jié)實率、成穗率、每穗粒數(shù)的影響達(dá)到顯著水平，對有效穗數(shù)、千粒重的影響則未達(dá)到顯著水平。

(4)石河子地區(qū)滴灌水稻覆膜栽培下作物系數(shù)介于0.57～1.49之間，平均值為1.02；裸地栽培下的作物系數(shù)介于0.92～2.05之間，平均值為1.43。覆膜栽培滴灌水稻平均作物系數(shù)僅為裸地栽培的71.33 %。

(5)2種栽培方式下水稻產(chǎn)量、灌溉水利用效率與灌溉水量的回歸曲線均為2次多項式曲線，在覆膜栽培方式時W2處理灌溉水利用率最高為0.64 kg/m3，產(chǎn)量為6733.67 kg/hm2，灌水量為107 101.9 m3/hm2。裸地栽培方式時W2灌溉水利用效率最高為0.46 kg/m3，灌水量為13 930.9 m3/hm2，產(chǎn)量為6505.5 kg/hm2。

綜上可知，分蘗期水分調(diào)控對不同栽培方式滴灌水稻的生長、灌溉水利用效率有顯著性影響。滴灌水稻分蘗期適度的水分脅迫有利于作物生長發(fā)育進而提高產(chǎn)量，從滴灌水稻節(jié)水栽培的角度考慮，滴灌水稻FW2處理可作為基于本試驗條件下較適宜的調(diào)控措施。