淺水灌溉對寒地井灌稻田溫度和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響1)

張世春 聶 曉 王毅勇 拱秀麗

(中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所濕地生態(tài)與環(huán)境研究中心，長春，130012)

2006年黑龍江墾區(qū)水稻種植面積達(dá)87萬hm2，其中井灌面積達(dá)68萬hm2以上，占墾區(qū)水稻面積近80%［1］。然而，水稻是喜溫作物，適宜的生長溫度為25～35℃，用4～10℃［1］的井水灌溉，會嚴(yán)重影響水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量［2－4］。另一方面，井灌水稻年用地下水量占整個(gè)農(nóng)業(yè)年用水量的90%以上，大水漫灌、無節(jié)制地利用地下水資源勢必造成“吊泵”和“漏斗”現(xiàn)象［5－6］。為此，研究者們提出了多種灌溉技術(shù)來解決該地區(qū)井水低溫和節(jié)約灌溉用水的問題。劉東林等［2］提出了淺－濕間歇灌溉技術(shù);孫彥坤等［7］對比了控制灌溉(全生育期不建立水層)和淺－濕間歇灌溉技術(shù);劉宏年等［8］對比了5種灌溉技術(shù)對水稻產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響;曹印龍等［9］則系統(tǒng)地研究了寒地井灌稻區(qū)井水的工程增溫、設(shè)備增溫和水管理增溫等技術(shù)，提出快灌、少灌的灌水技術(shù)。研究表明:控制灌溉、間歇灌溉等節(jié)水灌溉措施可以提高稻田土壤溫度［7，9］、促進(jìn)水稻生長發(fā)育［3－4，10］、提高稻谷產(chǎn)量和水分利用效率［11］，并可改善稻谷的外觀品質(zhì)，提高出米率［4］。

然而，目前對各種灌溉技術(shù)的具體實(shí)施指標(biāo)并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對各種灌溉技術(shù)的具體效果以及孰優(yōu)孰劣也沒有統(tǒng)一認(rèn)識。因此仍需深入開展關(guān)于各種節(jié)水灌溉技術(shù)在不同氣候生態(tài)、品種和田間管理措施條件下對稻田溫度、水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響等方面的研究。本研究采用與通常的間歇灌溉等方式不同的淺水灌溉技術(shù)，探討淺水灌溉處理對稻田水溫、土溫和水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響。已有研究表明，這種灌溉方式可有效地節(jié)約灌溉用水、減小稻田蒸散和滲漏，使水稻在減小耗水量的情況下顯著提高產(chǎn)量和水分利用效率［11－12］。因此，本研究結(jié)果有利于全面認(rèn)識這種淺水灌溉技術(shù)對寒地井灌稻田溫度、水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量性狀的影響，并可作為水稻節(jié)水灌溉研究的有益補(bǔ)充。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2009年在中國科學(xué)院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗(yàn)站的農(nóng)田綜合試驗(yàn)場(47.35°N，133.31°E，海拔 55.6 m)進(jìn)行。該試驗(yàn)場位于三江平原腹地，具有溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為1.9℃，7月平均氣溫為22.0℃，全年最高氣溫為37.0℃，最低氣溫為－38.0℃，無霜期為125 d左右，年降水量為600 mm左右，且主要集中在7—9月份，占年降水量的60%以上。供試水稻田是1995年由沼澤化草甸開墾而來的耕地，實(shí)行一年一熟一冬休閑型的耕作方式。土壤體積密度為1.18 g/cm3，孔隙度為59.0%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.9%，pH 值為 6.5，飽和含水率為 37.2%［13］。

2 材料與方法

2.1 節(jié)水灌溉處理試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)置3種灌溉處理:控制灌溉I(控I)、控制灌溉II(控II)、淹灌(CK)。每種灌溉處理3個(gè)重復(fù)，共9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積為10.0 m×9.5 m，不同灌水處理的小區(qū)用加寬、加高的田埂隔開，重復(fù)小區(qū)之間用PVC隔水板隔開。3種灌溉處理的具體方式為:CK，與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌溉方式一致，即除黃熟期末(8月中旬)排水曬田外，其余生育期均保持5～10 cm的水層;控I，插秧后每日傍晚定額灌溉一次，使田面水深保持在3 cm;控II，插秧后每日傍晚定額灌溉一次，使田面水深保持在1 cm。控I和控II屬于不同田間水層深度控制的淺水灌溉。黃熟期末，控I、控II及CK小區(qū)全部人工排水曬田。在發(fā)生降水時(shí)，采用雨水深蓄的措施，合理利用降水;待控I、控II的水層自然降落到預(yù)設(shè)水平后再實(shí)施控制灌溉，分別實(shí)現(xiàn)對控I、控II的水層控制。

使用按固定流量出水的抽水機(jī)抽取地下水進(jìn)行灌溉，然后通過灌溉用時(shí)計(jì)算灌溉水量;通過試驗(yàn)站內(nèi)的氣象觀測場記錄降水量;每5 d觀測一次各試驗(yàn)小區(qū)的株高，并隨時(shí)記錄水稻生長發(fā)育狀況。

供試水稻品種為龍粳26，5月30日插秧，10月4日收獲。各小區(qū)施肥、除草及防蟲均采取當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)管理方法。

2.2 水溫和土溫的測量

插秧后每天07:30—08:00利用曲管溫度表(Model WQG－16)對各小區(qū)的水溫(Tw)、0 cm土溫(T0)、5 cm土溫(T5)、10 cm土溫(T10)分別進(jìn)行測量，每小區(qū)3次重復(fù)。

2.3 考種測產(chǎn)

水稻收獲時(shí)每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)取5個(gè)1 m×1 m樣方，按樣方分別考種，考種項(xiàng)目包括每穴有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、每粒質(zhì)量等。計(jì)算每一個(gè)樣方的理論產(chǎn)量。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)單打單收，曬干揚(yáng)凈后，測定實(shí)際籽實(shí)產(chǎn)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量及灌溉量

稻田灌溉水量應(yīng)依據(jù)水稻生長和稻田水分的狀況而定，因而會受到降水、氣溫等環(huán)境條件以及灌溉模式等因素的影響。其中降水量及降水時(shí)程分布直接影響灌溉水量的大小;氣溫則通過影響作物蒸發(fā)蒸騰量而影響灌溉水量;通過采用一定的灌溉模式，對水層進(jìn)行控制，也可以有效地減少水分蒸發(fā)量和滲漏量，從而減少灌溉需水。表1為不同生育時(shí)期內(nèi)的降水量及不同灌溉處理下的灌溉量。生育期內(nèi)降水量較為充沛，總降水量達(dá)437.9 mm，因此生育期內(nèi)只需較小的灌溉水量即可滿足水稻的生長需要，尤其是拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期，3種灌溉處理下的稻田灌溉定額都為0，即無灌溉，這是由于該時(shí)期的降水總量(81.5 mm)基本能夠滿足水稻需水。由表1可知，返青期和分蘗期，控I、控II灌溉水量明顯低于CK(淹灌處理)，體現(xiàn)了較好的節(jié)水效果;成熟期控I、控II灌溉處理也體現(xiàn)了一定的節(jié)水效果，特別是控II(水層控制在1 cm)節(jié)水效果要優(yōu)于控I(水層控制在3 cm)。整個(gè)本田期內(nèi)，控I和控II處理分別較CK節(jié)省灌溉量56.1%和61.2%。

表1 不同生育期內(nèi)降水量及不同灌溉處理下的灌溉量

3.2 淺水灌溉對水溫和土溫的影響

3.2.1 不同生育時(shí)期的水溫和土溫

表2是不同生育時(shí)期內(nèi)不同灌溉處理?xiàng)l件下水溫、土溫的平均值?？梢姡登嗥谕?，其余各個(gè)生育時(shí)期不同灌溉處理間水溫和土溫的平均值差異均很小(≤0.4℃)，說明相對于傳統(tǒng)淹灌處理，淺水灌溉措施并沒有顯著提高07:30—08:00的水溫和土溫。在返青期，各處理間的差異明顯大于其余時(shí)期，說明在水稻生長前期灌溉處理對水溫和土溫有較大的影響。其中，控I和控II表現(xiàn)出相反的趨勢，即控I的水溫和土溫比CK略高(高0.1～1.5℃)，控II的水溫和土溫比CK略低(低0～1.3℃)，但由于有效數(shù)據(jù)量較小(n=3)，因此差異均不顯著;控II的溫度比較明顯地低于控I處理，水溫(Tw)、0 cm土溫(T0)、5 cm土溫(T5)和10 cm土溫(T10)分別低1.4、0.6、1.5 和0.8 ℃，但差異也未達(dá)到顯著水平。

在返青期，淺水灌溉處理對溫度的影響在垂直方向上也存在著一定的規(guī)律，即控I和控II與CK處理下溫度的差值隨深度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，最小值(－1.3℃，控II)出現(xiàn)在水層(Tw)，最大值(1.5℃，控I)出現(xiàn)在5 cm土壤深度處(T5)。

3.2.2 降水對水溫和土溫的影響

本試驗(yàn)觀測期間降水事件頻繁，90 d的觀測時(shí)期中發(fā)生降水的天數(shù)高達(dá)54 d，降水量達(dá)到437.9 mm。由于降水和不降水的氣象條件(如光照、氣溫等)間有很大區(qū)別，這會對稻田的耗水進(jìn)而對稻田的溫度產(chǎn)生影響，因此本研究區(qū)分了無降水(全天降水量小于0.1 mm)和有降水(全天降水量達(dá)到或超過0.1 mm)條件下的數(shù)據(jù)，對比了兩種天氣情況下不同灌溉處理間溫度的差異(表3)。從表3可見，相對于有降水的情況，無降水條件下控I和控II的水溫和土溫更傾向于低于CK的水溫和土溫，可能反映了無降水天氣條件下夜間和清晨傳統(tǒng)淹灌相對淺水灌溉具有更好的保溫作用。但是兩種天氣情況下不同灌溉處理間水溫和土溫的差異未達(dá)到顯著水平，說明本試驗(yàn)中在有降水和無降水天氣條件下，淺水灌溉措施相對于傳統(tǒng)淹灌并沒有顯著提高07:30—08:00時(shí)段內(nèi)水溫和土溫的效果。

3.3 淺水灌溉對產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

表4為不同灌溉處理下的水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素。由表4可看出，除每穗穎花數(shù)和每粒質(zhì)量在不同處理間無顯著差別外，淺水灌溉處理下的株高、每穴有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率均顯著高于傳統(tǒng)淹灌處理，因而理論產(chǎn)量和實(shí)測產(chǎn)量均顯著高于傳統(tǒng)淹灌處理。其中控I和控II處理的實(shí)測產(chǎn)量分別比CK的實(shí)測產(chǎn)量高7.4%和12.7%?？豂和控II處理間的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素則沒有顯著差別。

表2 不同生育時(shí)期淺水灌溉與傳統(tǒng)淹灌處理下的水溫和土溫 ℃

表3 無降水與有降水條件下淺水灌溉與傳統(tǒng)淹灌處理下的水溫和土溫 ℃

表4 淺水灌溉與傳統(tǒng)淹灌處理下的水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

4 結(jié)論與討論

本研究通過淺水灌溉(控I，水層控制在3 cm;控II，水層控制在1 cm)與傳統(tǒng)淹灌(CK，水層控制在5～10 cm)的對比試驗(yàn)，探討了淺水灌溉措施對寒地井灌稻田水溫、土溫和水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響。在水稻本田期內(nèi)的各生育時(shí)期，3種灌溉處理間水溫和土溫的差異均不顯著，這可能是由于本試驗(yàn)未考慮溫度的日變化以及試驗(yàn)期間降水偏多、溫度偏低所導(dǎo)致。本研究中對水溫和土溫的觀測均在07:30—08:00進(jìn)行，故本試驗(yàn)結(jié)果僅表明這一時(shí)段內(nèi)淺水灌溉的效果，不能代表全天的情況。孫彥坤等［7］研究表明，控制灌溉(全生育期內(nèi)田間不建立水層)和間歇灌溉(全生育期保持3～5 cm水層，待水層落干后進(jìn)行下一次灌水)條件下0～15 cm土溫存在著明顯的日變化過程，08:00和18:00時(shí)控灌區(qū)各層土壤平均地溫比間歇灌溉低0.5～1.0℃;白天控灌地溫始終高于間歇灌，14:00時(shí)控灌區(qū)各層土壤平均地溫比間歇灌高0.7～1.0℃。觀測研究發(fā)現(xiàn)，該站點(diǎn)2010年淺水灌溉處理下的土溫在上午低于傳統(tǒng)淹灌，而下午則高于傳統(tǒng)淹灌(數(shù)據(jù)未發(fā)表)。這些證據(jù)表明灌溉方式對稻田溫度的影響在一天的不同時(shí)段內(nèi)是不同的。淺水灌溉由于水層淺，所以白天水層和土壤升溫快，但夜間輻射冷卻也快，因此夜間和清晨淺水灌溉下的水溫和土溫可能會接近甚至低于保持較深水層的傳統(tǒng)淹灌。此外，本試驗(yàn)期間的降水頻繁，陰雨天較多，造成氣溫、水溫和土溫偏低，例如觀測發(fā)現(xiàn)本研究中該站點(diǎn)2010年的0 cm土溫(T0)較2010年低3℃左右(數(shù)據(jù)未發(fā)表)。據(jù)孫彥坤等［7］研究，在陰天時(shí)不同灌溉方式對0～15 cm土溫的影響不明顯。因此在本研究中，偏多的降水和偏低的溫度可能是造成控制灌溉與傳統(tǒng)淹灌處理間差異不顯著的另一個(gè)原因。

在水稻返青期，各處理間的差異明顯大于其余生育期內(nèi)的差異，在此期間(返青期)控I的水溫和土溫比CK略高(高0.1～1.5℃)，控II的水溫和土溫比 CK略低(低0～1.3℃)，控II的溫度比控I處理低0.6～1.5℃。雖然這些差異均未達(dá)到顯著水平，但這些差異可能表明淺水灌溉處理在水稻生長前期對稻田溫度的影響較大，在生長后期對稻田溫度的影響較小;控I和控II間的差異似乎說明在水稻生長前期氣溫較低時(shí)水層控制深度可能有一個(gè)理想閾值，過淺或過深的水層都不利于提高稻田溫度。因此在生長前期對水層的調(diào)控要格外小心，防止水層過淺或落干造成的輻射低溫冷害，而生長后期冠層郁閉后灌溉處理間對稻田溫度影響的差異較小，這可為生長后期在保證稻田溫度和水稻生理需水的條件下節(jié)約灌溉用水量提供了一定的理論依據(jù)。

盡管淺水灌溉處理(控I和控II)并未顯著提高各生育期07:30—08:00的平均水溫和土溫，但淺水灌溉顯著地提高了水稻有效穗數(shù)和每穗實(shí)粒數(shù)，因而最終分別較傳統(tǒng)淹灌(CK)增產(chǎn)7.4%和12.7%，但控I和控II處理間產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的差異不顯著。從產(chǎn)量構(gòu)成因素的角度來看，淺水灌溉是通過影響有效穗數(shù)和每穗實(shí)粒數(shù)而影響產(chǎn)量，這與前人的研究結(jié)果一致。付勇智［14］等研究表明水層深度與水稻的分蘗數(shù)呈線性負(fù)相關(guān)。王秋菊等［15］研究表明控制灌溉可顯著提高水稻分蘗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量。從增產(chǎn)機(jī)理上考慮，本研究中淺水灌溉下產(chǎn)量提高的原因可能包括:(1)淺水灌溉改變了水溫和土溫的日變化過程，加大了溫度的日較差，有利于增強(qiáng)白天的光合作用并抑制夜間的呼吸作用，從而有利于光合物質(zhì)的積累;(2)淺水灌溉改善了土壤通透性，有利于排除有毒氣體，因而促進(jìn)了根系活力和其他生理活性。

井水低溫是中國寒地井灌稻區(qū)水稻產(chǎn)量提高的重要限制因子，前人已就利用節(jié)水灌溉技術(shù)解決這一問題進(jìn)行了大量的探索。本研究以及最近的幾項(xiàng)研究［11－12］表明，淺水灌溉技術(shù)對于寒地井灌稻區(qū)節(jié)約灌溉和水稻增產(chǎn)具有一定的應(yīng)用價(jià)值，本研究則嘗試了從溫度和產(chǎn)量構(gòu)成因素的角度來評價(jià)淺水灌溉技術(shù)的效果，但仍有一些問題需要進(jìn)一步的研究。例如，本研究未考慮水溫和土溫的日變化問題，僅在早上一個(gè)時(shí)段內(nèi)進(jìn)行了溫度的觀測，因此本研究的結(jié)果具有局限性，不能反映日變化過程中不同處理間的差異，而這種差異可能對水稻生理活動過程有著重要的影響。本研究發(fā)現(xiàn)在陰雨天氣較多、溫度偏低的情況下淺水灌溉沒有顯著提高上午的稻田水溫和土溫，因此灌溉方式與氣象因子(如降水和氣溫等)之間的交互作用對稻田溫度和水稻生長的影響也需要進(jìn)一步的探討。此外，本研究未考慮施肥的影響。Pan等［16］研究表明氮肥施用量與灌溉方法對于每公頃穗數(shù)有顯著的交互作用。本文為淺水灌溉模式的初步研究結(jié)果，對于淺水灌溉措施在不同時(shí)間尺度、不同天氣條件及不同農(nóng)田管理措施下對稻田溫度、水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量性狀的影響，確定淺水灌溉水層控制深度的理想閾值，以及如何在保證高產(chǎn)的基礎(chǔ)上有效利用降水、節(jié)約灌溉用水、提高水分利用效率等方面的問題都需要進(jìn)一步的深入研究。

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