控制灌溉增氧對超級稻生理生化特性及水分利用效率的影響

胡德勇，廖健程，陳哲，丁鑫，羅東城，游峻松

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410128)

目前中國平水年缺水總量為400億m3，其中農(nóng)業(yè)灌溉缺水300億m3，同時(shí)，中國的灌溉水利用效率十分低下，甚至不及發(fā)達(dá)國家的一半[1-2].隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)度不斷加快，耕地面積日益減少，優(yōu)質(zhì)耕地僅為27.3%[3].此外，中國化肥利用效率不高，不僅導(dǎo)致肥料的增產(chǎn)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益下降，對生態(tài)環(huán)境也造成了嚴(yán)重的威脅[4].因此，傳統(tǒng)高水肥的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已不能滿足農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求.

眾所周知，水稻生長離不開水.但研究表明長期淹灌對水稻的生長并不總是有利.一方面長期淹水狀態(tài)，降低了土壤尤其是根際土壤中的含氧量，從而影響水稻的根際生長環(huán)境；另一方面水稻的產(chǎn)量也并不隨著灌溉用水量增加而增加，適當(dāng)進(jìn)行水分調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與節(jié)水相統(tǒng)一[5-6].

彭世彰等[7]根據(jù)水稻的生理生態(tài)特性提出了控制灌溉技術(shù).控制灌溉條件下無水層狀態(tài)，改變了淹水條件下的根層土壤環(huán)境，具有更新土壤生態(tài)環(huán)境、提高氧化還原電位、排除有害物質(zhì)、防止?fàn)€根、有利于根系發(fā)育等特點(diǎn).控制灌溉既顯著降低了用水量，并且適時(shí)適量地補(bǔ)給水分，激發(fā)了水稻抗倒伏、根部干物質(zhì)積累、光合特性增強(qiáng)等潛能，提高了對水分、養(yǎng)分的吸收率，從而提高了水分利用效率[8-10].

控制灌溉具有顯著節(jié)約用水的特性，目前得到了廣泛應(yīng)用.但控制灌溉也會(huì)導(dǎo)致根際土壤中含氧量下降，進(jìn)而影響根系活力、土壤酶活性以及土壤吸收氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素[6,11-12]，最終影響水稻的生長發(fā)育[13-15]，故考慮在控制灌溉條件下加入增氧措施，以此進(jìn)一步提升土壤耕作層氧氣含量.現(xiàn)有的增氧措施有機(jī)械增氧、化學(xué)增氧和超微泡增氧.文中將控制灌溉與機(jī)械增氧、超微泡增氧兩項(xiàng)方法相結(jié)合進(jìn)行試驗(yàn)，探索該協(xié)同調(diào)控對超級稻生長的影響規(guī)律，為水稻節(jié)水灌溉技術(shù)提供一定的理論依據(jù)和方法指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)采用盆栽方式，在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤肥料資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室中心試驗(yàn)站玻璃大棚內(nèi)進(jìn)行.大棚四面通風(fēng)，室內(nèi)溫度與大氣溫度基本保持一致.供試的水稻品種為“陵兩優(yōu)268”，其中早稻試驗(yàn)于2017年3月下旬開始育苗，4月下旬移栽至試驗(yàn)盆中，7月下旬收獲，全生育期為116 d；晚稻試驗(yàn)開始于2017年6月18日育苗，7月15日移栽，10月15日收割，全生育期為121 d.供試土壤為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園試驗(yàn)基地紅壤，每盆裝土10 kg，培育2季超級稻的土壤基本理化性質(zhì)見表1，表中φm為質(zhì)量比.

表1 土壤基本理化性質(zhì)

注： 晚稻所用土壤為之前種植早稻的土壤，土壤基本理化性質(zhì)結(jié)果為4種處理后的平均值

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方案：試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理組，分別為控制灌溉條件下機(jī)械增氧(JX，每天10：00和17：00利用20 L/min氣泵通氣，每次通氣5 min)、控制灌溉條件下超微泡增氧(WP，用超微泡納米發(fā)生裝置對自來水進(jìn)行處理，處理后的水含氧量可以達(dá)到超飽和狀態(tài))、控制灌溉(CK)、淹水灌溉(YS)，試驗(yàn)方案具體見表2，表中h，θ，θf分別為淹水層深度、土壤體積含水率、土壤體積飽和含水率.其中每個(gè)處理設(shè)置12個(gè)重復(fù)試驗(yàn)，選取超級稻生育期中的分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期依次在各處理中隨機(jī)選取3盆進(jìn)行根系活力等有關(guān)數(shù)據(jù)檢測，并最后留有3盆統(tǒng)計(jì)全生育期的耗水量、產(chǎn)量等數(shù)據(jù).

表2 試驗(yàn)方案

肥料施用方案：N用尿素(含N量46%)、P2O5用過磷酸鈣(P2O5含量12%)，K2O 用氧化鉀(K2O含量60%).N，P2O5，K2O的用量分別為135，75，90 kg/hm2.磷肥在移栽前作基肥一次性施用；鉀肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=3∶3∶4施用；尿素按基肥∶返青肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶3∶2∶1施用，且各處理施肥量保持一致.

塑料盆尺寸：下表面直徑為25 cm，上表面直徑為30 cm，高30 cm.

1.3 測定項(xiàng)目

1) 土壤含水率觀測及耗水量統(tǒng)計(jì)：根據(jù)天氣情況每1～2 d觀測1次，利用土壤水分儀(TDR300)測定土壤的體積含水率.當(dāng)體積含水率接近70%飽和體積含水率時(shí)，用燒杯進(jìn)行灌溉，并記錄耗水量.

2) 生理生化特性：采用便攜式葉綠素儀(Model CCM-200)測定葉片葉綠素指數(shù)，每株超級稻隨機(jī)選取3～5片較為飽滿的葉片，在其葉片距離根尖約10 cm處的中間部位夾取葉片進(jìn)行檢測.采用便攜式光合儀(LCi-SD Portable Photosynthesis Systen)測定超級稻的光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度，測定方法：每株超級稻隨機(jī)選取3～5片較為飽滿的葉片，在其距離葉尖10 cm左右處的中間部位夾取葉片進(jìn)行測量.采用氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法測定根系活力[16].土壤氧化還原電位采用便攜式pH/ORP儀(SX571)測定，具體方法：將儀器探頭先用標(biāo)準(zhǔn)溶液測定其標(biāo)準(zhǔn)值，然后將探頭插入土壤中，等待一段時(shí)間，數(shù)值穩(wěn)定后讀取并記錄其數(shù)值.

3) 產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)特性：風(fēng)干后測有效穗數(shù)、穗實(shí)粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量.

2 結(jié)果與分析

2.1 增氧對超級稻葉綠素含量的影響

水稻葉片葉綠素含量與光合速率的強(qiáng)弱、水稻的營養(yǎng)吸收轉(zhuǎn)化等密切相關(guān)，因此葉片葉綠素含量是反映葉片生長的一個(gè)重要指標(biāo).

表3，4分別為早稻和晚稻在不同處理下的水稻葉綠素含量CCI.從兩表中可以看出4組處理下水稻葉綠素含量在全生育期內(nèi)整體變化趨勢為先升高后降低，在超級稻生育早期甚至存在淹水灌溉葉綠素含量高于控制灌溉增氧的情況，而與BHATTARAI等[17]發(fā)現(xiàn)氧氣含量增加作物葉綠素含量不斷上升的結(jié)論并不一致，這說明缺少水分時(shí)，相對干旱環(huán)境脅迫抑制了植株葉綠素合成，而充足的水分也是形成葉綠素的關(guān)鍵因素之一.

到了乳熟期后具有明顯差別，晚稻處理WP的最大CCI為22.8，而處理YS的CCI僅為16.5，相對提高了38.2%，且CCI按處理排序由大到小為WP，JX，CK，YS，這既反映了控制灌溉條件下增氧有利于葉片葉綠素合成、延緩生育后期水稻葉片的衰老速度，也反映了僅在控制灌溉條件下也可以促進(jìn)葉綠素的合成與衰老，2種灌溉技術(shù)的協(xié)同調(diào)控對葉片葉綠素的合成具有促進(jìn)作用.

表3 早稻不同處理下水稻葉綠素含量

Tab.3 Chlorophyll content under different treatments in early growth stages

處理CCI分蘗期拔節(jié)孕穗期抽穗開花素期乳熟期WP25.1a31.7ab30.8a24.2aJX26.4a29.6b28.2b23.1aCK25.3a31.6ab31.7a22.4aYS26.8a32.9a30.6a17.9b

注： 表中不同字母表示處理組之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)

表4 晚稻不同處理下水稻葉綠素含量

Tab.4 Chlorophyll content of rice under different treatments in late growth stage

處理CCI分蘗期拔節(jié)孕穗期抽穗開花素期乳熟期WP27.3b31.5b27.4a22.8aJX30.0a32.8a26.7a21.7bCK25.3c32.0a26.5a21.2bYS30.1a29.3c23.8b16.5c

注： 表中不同字母表示處理組之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)

2.2 增氧對超級稻葉片光合特性的影響

土壤含水量、土壤耕作層氧氣含量、葉片葉綠素含量都是影響作物光合作用的主要因素，而葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度以及胞間二氧化碳濃度是反映葉片光合特性的主要指標(biāo).

表5，6分別為早稻和晚稻在不同處理下的葉片光合特性指標(biāo)，表中Pn，Tr，NE，Gs分別為凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2通量、氣孔導(dǎo)度.由兩表可知，處理WP，JX，CK下，葉片光合速率指標(biāo)與處理YS相比均有明顯提高，其中在抽穗開花期，早稻凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度分別提升了44.9%，18.5%，25.0%,而晚稻分別提升了14.3%，11.5%，22.2%.

與之前的葉綠素含量對比可知，超級稻早期的葉綠素含量并沒有明顯降低，所以證明了土壤中空氣與大氣交替，以及充足的氧氣都能一定程度促進(jìn)超級稻葉片的提高光合速率，反映了控制灌溉條件下增氧能夠有效提升葉片的光合作用，使得超級稻有機(jī)物含量大幅提升，其中又有較高的氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度，亦能提升光合產(chǎn)物二氧化碳的固定和傳導(dǎo)能力，這與黃乾[10]的研究結(jié)果相一致.同時(shí)，葉片光合特性指標(biāo)按處理排序由大到小為WP，JX，CK，與前述葉片葉綠素含量結(jié)果一致，表明增氧能進(jìn)一步提升葉片的各時(shí)期光合速率，增氧有效地緩解了生育后期葉綠素下降的趨勢、延緩了葉片衰老的過程；而處理WP的大于JX的，則說明了超微泡增氧效果優(yōu)于機(jī)械增氧效果.

表5 早稻不同處理下葉片光合特性指標(biāo)

Tab.5 Photosynthetic characteristics of leaves under different treatments in early growth stage

生育期處理Pn/(μmol·m-2·s-1)Tr/(mmol·m-2·s-1)NE/(μL·L-1·s-1)Gs/(mol·m-2·s-1)分蘗期WP11.7a5.1a285b0.23aJX9.3b3.9b329a0.15bCK8.6b3.2bc307ab0.12bcYS6.1c2.7c318ab0.09c拔節(jié)孕穗期WP14.2a4.9a269c0.19aJX11.8b5.0a301b0.17aCK11.6b3.4b324a0.12bYS10.6b3.9b302b0.16ab抽穗開花期WP14.2a4.2a297a0.25aJX13.5a3.9ab277a0.20bCK11.8b4.2a284a0.23abYS9.8±0.7c3.5b269b0.20b

注： 表中不同字母表示處理組之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)

表6 晚稻不同處理下葉片光合特性指標(biāo)

Tab.6 Photosynthetic characteristics of leaves under different treatments in late growth stage

生育期處理Pn/(μmol·m-2·s-1)Tr/(mmol·m-2·s-1)NE/(μL·L-1·s-1)Gs/(mol·m-2·s-1)分蘗期WP7.9a4.1a359a0.14aJX8.0a3.7ab328b0.11aCK8.1a3.6b341ab0.14aYS7.4a3.6b351ab0.13a拔節(jié)孕穗期WP11.2b3.9a284a0.21aJX13.5a3.4a263a0.14bcCK13.5a3.7a287a0.15bYS10.2b3.3a282a0.10c抽穗開花期WP10.4a4.3ab261b0.18aJX11.2a4.6a278ab0.16abCK10.9a4.7a293a0.13bYS9.1b3.8b271ab0.14ab

注： 表中不同字母表示處理組之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)

2.3 控制灌溉條件下增氧對超級稻根系活力的影響

水稻根系生長好壞直接影響植株地上部分的生長以及最終的產(chǎn)量.一般地，植物根系越發(fā)達(dá)，根系活力水平越高，則地上部分植株生長狀況也相對較好，最終產(chǎn)量也相對較高[18].根系活力是水稻生理生化特性的重要組成部分，其強(qiáng)弱直接影響產(chǎn)量高低、品質(zhì)好壞，因此根系活力也是反映水稻生長好壞的一個(gè)重要評價(jià)指標(biāo)[19].

圖1為不同時(shí)期各處理組的根系活力RA.從圖中可以看出，各組的根系活力均隨著水稻生長發(fā)育而逐漸減弱.在超級稻全生育期內(nèi)，控制灌溉條件下增氧組其根系活力都顯著優(yōu)于淹水灌溉組，且控制灌溉條件下增氧處理組的強(qiáng)于單一控制灌溉組，其中根系活力的強(qiáng)弱在拔節(jié)孕穗期最明顯，晚稻的根系活力，處理WP的為0.282，分別高于CK(值為0.253)、YS(值為0.195)11.5%，44.6%；處理JX的為0.275，分別高于CK(值為0.253)、YS(值為0.195)8.7%，41.0%，反映了控制灌溉條件下增氧進(jìn)一步改善了土壤耕作層的氣體環(huán)境，有利于根系生長發(fā)育，從而顯著提高超級稻的根系活力，并且延緩了超級稻根系的衰老速率.

圖1 不同時(shí)期各處理組根系活力

Fig.1 Root vigor under different treatments in various growth stages

2.4 增氧對土壤氧化還原電位的影響

在傳統(tǒng)的淹水灌溉模式下，大量的灌溉用水不僅不能得到充分利用而造成水資源浪費(fèi)，并且一直存在水層，使得稻田土壤長期處于還原性狀態(tài)，可產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)以及溫室氣體，并且對于水稻根系中的Fe2+和一些對植物生長不利的物質(zhì)也得到了積累，最終導(dǎo)致水稻根系生長狀況不良，進(jìn)而最終影響水稻的產(chǎn)量[20].

試驗(yàn)中采用便攜式pH/ORP(SX571)儀測定了稻田土壤的氧化還原電位Eh，其中試驗(yàn)儀器的Eh標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)溫度、濕度有所波動(dòng)，早稻的標(biāo)準(zhǔn)值一般為170～220 mV，晚稻的標(biāo)準(zhǔn)值一般為200～240 mV.土壤氧化還原電位的實(shí)際表現(xiàn)為高于標(biāo)準(zhǔn)值則反映為氧化性，低于標(biāo)準(zhǔn)值則反映為還原性.

表7，8分別為早稻和晚稻在不同處理下的土壤Eh.由兩表可知，4種處理下稻田土壤氧化還原電位均有所差異，具體表現(xiàn)為處理YS下可能全生育期稻田土壤都處于還原性狀態(tài)，而處理WP，JX，CK下稻田土壤在超級稻生長過程中大部分時(shí)期處于氧化性狀態(tài)，表明了控制灌溉下提高了表面土壤的通氣性，而在氧化性上表現(xiàn)為處理WP，JX下一般大于CK，則表現(xiàn)了對土壤耕作層提供適量氧氣，改善了土壤氧化還原條件.

表7 早稻各組處理下土壤Eh

Tab.7 SoilEhunder different treatments in early growth stages

日期Eh/mVWPJXCKYS05-08135.90133.7196.7072.5005-18167.5091.8470.1263.4005-28373.90332.44296.24103.5006-08143.50106.0889.6674.5006-18198.65221.43159.7073.7006-28205.25186.92181.40121.10

表8 晚稻各組處理下土壤Eh

Tab.8 SoilEhunder different treatments in late growth stages

日期Eh/mVWPJXCKYS08-15159.25149.3876.1334.2508-25131.50157.6397.5069.8809-05225.81222.43242.80121.6309-15307.45302.18315.89184.1409-25220.55230.78217.51100.8210-05239.51251.59228.58126.37

2.5 控制灌溉條件下增氧對水分利用效率的影響

試驗(yàn)所采用的水分利用效率為作物總產(chǎn)量與總耗水量的比值.表9為不同處理的水分利用效率，表中Y，Yt，E，WUE分別為總產(chǎn)量、理論總產(chǎn)量、耗水量、水分利用效率.從表中可看出，早稻全生育期最大節(jié)水率達(dá)14.6%，晚稻達(dá)18.5%，體現(xiàn)了控制灌溉模式獨(dú)有的節(jié)水特性.同時(shí)，通過對比早、晚稻的耗水量，可看出早稻的明顯低于晚稻，其主要原因是晚稻條件下氣溫過高、光照強(qiáng)度等因素導(dǎo)致了早稻條件下耗水量明顯低于晚稻條件下.其次，早稻條件下處理CK的耗水量低于處理WP，JX的，表明增氧處理后在一定程度上促進(jìn)了水稻根系吸收水分.同時(shí)，對比各處理的產(chǎn)量，可看出4種處理下的水稻總產(chǎn)量均是處理YS下的最高，但總體相差不大，主要原因是處理YS的有效穗數(shù)較多.最后，水分利用效率按處理排序由大到小為WP，JX，CK，YS.最終結(jié)果表明控制灌溉條件下增氧處理WP和JX其最大水分利用效率高于處理CK，早稻條件下提升了6.8%，晚稻條件下提升了9.2%；更高于處理YS，早稻條件下提升了8.9%，晚稻條件下提升了15.8%.

表9 不同處理的水分利用效率

Tab.9 Comparison of water use efficiency under different treatments

處理Y/(g·盆-1)Yt/(kg·hm-2)E/mmWUE/(kg·m-3)早稻晚稻早稻晚稻早稻晚稻早稻晚稻W(wǎng)P46.70ab46.02a6 607ab6 511a6016921.10a0.94aJX44.97ab44.61a6 362ab6 362ab6116661.04a0.95aCK43.12b43.87a6 100b6 206b5927131.03a0.87abYS50.23a47.20a7 106a6 678a7048171.01a0.82b

注： 表中不同字母表示處理組之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)

3 結(jié) 論

超級稻全生育期內(nèi)采用控制灌溉與增氧灌溉相結(jié)合進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，可以顯著減少全生育期灌溉用水量；控制灌溉條件下增氧有效地改善了土壤氧化還原條件，促進(jìn)了作物根系的生長發(fā)育，顯著提高了植物根系活力.因此把控制灌溉與增氧灌溉相結(jié)合，可促進(jìn)作物葉綠素合成，從而有效延緩葉片衰老，進(jìn)一步提升了作物各時(shí)期的光合特性，有利于作物干物質(zhì)積累.

控制灌溉建立的無水層灌溉模式，加快了外界氣體環(huán)境與土壤內(nèi)部氣體交替更新，利于增強(qiáng)土壤的通氣性；在控制灌溉條件下增氧，土壤通氣性進(jìn)一步增強(qiáng)，使得土壤氧化還原電位處于氧化性狀態(tài)，可以防止根系中產(chǎn)生的Fe2+等離子對植株的毒害作用，間接增強(qiáng)了根系活力，促進(jìn)了干物質(zhì)積累.水稻全生育期內(nèi)采用控制灌溉下增氧處理，表現(xiàn)出來的光合特性指標(biāo)幾乎都高于淹水灌溉，且比單一控制灌溉效果更好，表明增氧對其有促進(jìn)作用.控制灌溉條件下，除返青期外都進(jìn)行了水分調(diào)控，灌溉用水量顯著減少，但產(chǎn)量也有小幅度降低.雖然控制灌溉條件下增氧處理(WP，JX)比僅控制灌溉處理(CK)的耗水量略高，但通過對比其水分利用效率可以得知控制灌溉條件下增氧處理的水分利用效率優(yōu)于淹水灌溉條件，說明水稻增氧后可以促進(jìn)根系對水分的吸收利用效率，具有一定的實(shí)際意義.

綜上所述，控制灌溉條件下增氧處理從多個(gè)方面影響超級稻的生理生化特性及最終產(chǎn)量，在節(jié)水效率上，采取的全生育期70%的飽和含水率為下限，節(jié)水效率最大為18.5%，節(jié)水效率十分明顯；但在總產(chǎn)量上實(shí)際結(jié)果與最初試驗(yàn)預(yù)想還存在一定的差距，因此在控制灌溉的過程中，應(yīng)該進(jìn)一步找到每個(gè)時(shí)期水稻的最佳需水閾值，以此達(dá)到高產(chǎn)、節(jié)水的目的.