水氣熱耦合作用下寒區(qū)稻種吸水規(guī)律試驗研究

李衣菲,劉少東2,衣淑娟

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319;2.黑龍江八一農墾大學 土木水利學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

黑龍江省氣候寒冷但土質肥沃,是我國優(yōu)質的粳稻種植區(qū)。由于黑龍江省地處高緯度地區(qū),作物生長期短,不利于水稻生長發(fā)育,嚴重影響水稻產量及稻米質量。在室內適宜的人工環(huán)境條件下浸種、催芽和育秧,是延長寒區(qū)水稻生長期的重要生產措施[1]。優(yōu)質秧苗有利于機械化插秧作業(yè),可促進秧苗大田生長發(fā)育。秧苗素質與浸種催芽環(huán)節(jié)關系密切[2]。 浸種催芽是為稻種萌發(fā)提供適宜的水分、氧氣、溫度環(huán)境條件。

以黑龍江省農墾建三江管理局為代表的黑龍江農墾水稻種植區(qū),傳統(tǒng)水稻浸種催芽一般采用兩階段法。浸種階段將稻種浸泡于11～12 ℃低溫水中10 d左右,以滿足其吸水要求;催芽階段采用間歇浸泡、噴淋或蒸汽等措施將稻種溫度控制在25～28 ℃,以向其提供充足氧氣和水分。該方法實質上是在不同階段分別向稻種提供水分、氧氣和溫度條件。其弊端在于,長時間浸泡易導致稻種缺氧,最終降低整體發(fā)芽率并對芽種質量產生不利影響。

浸種催芽方法在我國探討和實踐較早,浸種外部條件對稻種發(fā)芽率有較大影響,主要包括浸種時間、浸種水溫、氧氣條件等。劉維寶等[3]及錢春榮等[4]研究發(fā)現(xiàn),適當?shù)慕N時間對種子萌發(fā)有明顯促進作用。張玉屏等[5]分析了不同溫度條件下,浸種時間對稻種含水率及發(fā)芽率的影響規(guī)律。王玉龍等[6]分析了溫度對水稻浸種時間的影響,獲得了被試品種在不同溫度條件下的適宜浸種時間。陳麗等[7]的浸種試驗表明,稻種萌發(fā)存在最佳溫度條件,在該溫度條件下可顯著提升萌發(fā)效果。孫小淋等[8]對比了連續(xù)浸種和不同時間間隔的浸種效果,結果表明間隔次數(shù)增加有助于提高發(fā)芽率。世界水稻種植區(qū)主要位于亞洲,浸種催芽相關研究工作也主要由亞洲學者完成。Junichi Kitano等[9]和 Akira Fukushima等[10]的試驗表明低溫水浸泡會對稻種萌發(fā)產生不利影響。Akemi K.Horigane等[11]發(fā)現(xiàn)稻種萌發(fā)受溫度及水份等因素影響,這些因素協(xié)同發(fā)揮作用。Chandra Subhash等[12]試驗研究了浸種時間對稻種發(fā)芽率的影響,明確了被試品種的最佳浸種時間。Shigeto Itayagoshi等[13]試驗表明高溫浸種可激發(fā)稻種萌發(fā)活力,發(fā)芽率有顯著提高。上述研究,對稻種萌發(fā)過程中的水份、溫度條件的影響規(guī)律進行了深入探討,但針對氧氣因素影響的相關研究開展較少。近年來,向稻種提供充分氧氣的新型浸種催芽方法已經開始研究并初步應用于實踐[14]。采用曝氣增氧方法進行水、氣、熱耦合供給,充分利用稻種可吸收溶解氧的特性,打破了浸種催芽過程中氣、水難以同時存在的天然限制,實現(xiàn)了水稻快速浸種催芽。

本文試驗分析水氣熱耦合作用下,氧氣及溫度變化對選定稻種吸收水分過程的影響規(guī)律,以期為寒區(qū)水稻浸種催芽方法改進提供參考。

1 稻種萌發(fā)過程中的水、氣、熱條件

種子萌發(fā),始于吸水。一般認為,當含水量低于14%時,水稻種子處于生理休眠狀態(tài)。在適當?shù)沫h(huán)境下,種子開始吸收水分,其內部貯存物質隨之分解代謝開始萌發(fā),直到根芽突破種皮[15]。通常認為水稻種子吸足自身重量25%～30%的水分,種胚才能萌動[16]。

氧氣環(huán)境方面,有氧和無氧條件下,稻種內部物質轉化過程分別如式(1)和式(2)所示

(1)

(2)

對照式(1)、式(2)可知,有氧條件下稻種萌發(fā)過程產生的物質及釋放的能量存在顯著差異。缺氧條件下,稻種內會產生對種子發(fā)芽有害的酒精并釋放出較少能量。因此,大多數(shù)水稻品種在低氧條件下浸種,發(fā)芽力表現(xiàn)較差[17]。

溫度條件方面,適宜的環(huán)境溫度對稻種萌發(fā)具有顯著促進作用。通常,適于稻種萌發(fā)的溫度區(qū)間為11～40 ℃。低于11 ℃,種子生理活動會受到抑制,高于40 ℃會導致種芽細胞質停止流動,甚至燒壞種芽[16,18]。

事實上,水分、氧氣及溫度三者之間相互耦合,共同對稻種萌發(fā)產生影響[19-20]。厘清三者之間的相互影響規(guī)律,對于創(chuàng)新浸種催芽方法并改進浸種催芽設備具有重要意義。

2 材料與方法

時間與地點:試驗于2023年4月在黑龍江八一農墾大學工程學院水稻生態(tài)育秧實驗室進行,室溫8～10 ℃。

供試稻種:綏粳27,稻種初始含水量8.2%。

儀器設備:1 000 mL玻璃燒杯、微孔曝氣增氧泵、恒溫水浴鍋、電子秤、烘箱。

試驗方案:選擇水溫與增氧時距為試驗因素,分別代表稻種萌發(fā)環(huán)境中的水分與氧氣條件。其中,增氧時距為兩次曝氣增氧的時間間隔,增氧時距越長水中溶解氧含量越低[14]。水溫因素選擇20,25,30,35及40 ℃五個水平。增氧時距因素選擇0,6,12,18和24 h五個水平,其中0 h增氧時距為連續(xù)曝氣增氧狀態(tài)。試驗采用全因子設計方法,試驗分組方案如表1所示。

表1 試驗因素及水平表

試驗步驟:①選種。從待測稻種中,挑選飽滿顆粒。②種子分組。每1 000粒種子裝入紗布袋作為一個測試種包,按每2 h取1個種包測試稻種含水率為標準確定種包數(shù)量。③水溫控制。在燒杯內裝入1 000 mL清水,放入恒溫水浴內加熱至試驗方案設定溫度,放入滿足試驗數(shù)量的測試種包并保持溫度恒定。④曝氣增氧。按試驗方案所設增氧時距在燒杯內用微孔增氧泵實施增氧,單次曝氣增氧時長5 min。⑤稻種含水量測定。每2 h從燒杯內取出1個種包,用烘干法測定種子含水量。⑥每組試驗重復三次用于分析。

為便于對比,本試驗同時進行了常規(guī)浸種方法的含水量試驗。具體操作過程是:按上文方法準備測試種包,放入10 ℃清水中。每2 h取出一袋,用烘干法測定稻種含水量。試驗重復3次(圖1)。

圖1 稻種吸水規(guī)律試驗過程圖

稻種含水率ω如式(3)所示

(3)

式中,m1為稻種烘干前質量,kg;m2為稻種烘干后質量,kg。

3 結果與分析

圖2為綏粳27稻種分別在20 ℃(圖2a),25 ℃(圖2b),30 ℃(圖2c),35 ℃(圖2d)和40 ℃(圖2e)水溫條件下含水量隨時間變化規(guī)律曲線。從圖中可以看出,在不同溫度條件下,稻種含水量隨著浸種時間增加呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律:浸種早期一定時間范圍內,稻種含水量增長速度較快,然后含水量增長幅度開始變緩。綜合對比各圖數(shù)據(jù),稻種含水量增加較快階段均在浸種0～6 h時間范圍內,稻種含水量由初始含水量8.2%快速增長至20%左右,其后種子含水率開始沿一定斜率緩慢、持續(xù)增長。

圖2 綏粳27稻種含水量變化規(guī)律曲線

在圖2a～e各圖中,還可以看到:當水溫相同時,不同增氧時距條件下的稻種含水量呈現(xiàn)纏繞上升形態(tài),這表明增氧時距對稻種含水量增長速度無明顯影響。稻種浸種6 h后逐漸開始吸收水中溶解氧并萌發(fā),水中氧氣含量狀態(tài)與增氧時距直接相關,增氧時距越大,水中含氧量越低[15]。反之,水中含氧量越高。綜合分析可知,稻種吸收水分速度與水中氧氣含量無明顯相關關系。

由于氧氣條件對稻種吸水無明顯影響,為便于比較不同溫度條件對稻種吸收水分速度的影響,將相同水溫條件、不同增氧時距的稻種含水量取均值分析,可獲得稻種含水量隨水溫和浸種時長的變化規(guī)律,結果如圖3所示。

圖3 稻種平均含水量曲線

此外,還將采用常規(guī)浸種催芽方法的稻種含水量變化規(guī)律曲線同時繪制于圖3中作為對照。

由圖3可知,不同溫度下稻種含水量增長曲線均呈現(xiàn)出先快后慢的變化規(guī)律。實際上,圖3中稻種含水量曲線的斜率代表著種子吸水速度,曲線陡峭表示吸水速度快,曲線平緩表示吸水速度慢。因此可知,稻種浸水后,早期吸水快速,后期吸水緩慢。

相關研究指出,種子吸水可以分為物理吸脹階段和萌動吸水階段[21]。物理吸脹階段種子吸水方式為吸脹吸水,其機理是種子內部親水膠體物質吸附水分子,吸水速度較快。當種子吸水量達到萌發(fā)要求后,便轉入萌動吸水階段。該階段由萌發(fā)過程中的生化反應速度決定種子吸水速度。圖3所示稻種含水量變化規(guī)律印證了這一規(guī)律。各溫度條件下的含水量曲線轉折點在6～8 h處。表明本試驗選定的溫度條件下,種子吸水6～8 h均可達到萌發(fā)所需的水分條件。與文獻21所述吸水階段相對應,稻種浸水后6～8 h處于物理吸脹階段,然后進入萌動吸水階段。從種子萌發(fā)所需含水量角度看,稻種綏粳27含水量超過20%后,即開始萌發(fā)。

比較圖3中各溫度條件下的稻種含水量曲線可知,稻種含水量曲線變化均受到溫度影響。從圖3中可以看出,稻種含水量曲線隨水溫升高而漸次升高,這表明稻種吸水速度與溫度呈正相關關系,水溫越高則稻種吸水速度越快。同時,對比圖2a～e各圖中浸種6 h后的含水量曲線斜率可知,水溫越高,含水量曲線斜率也越大。這表明進入萌發(fā)階段后,溫度對稻種吸水速度存在正向影響:浸種水溫越高,稻種吸水速度也越快。其原因可能是,較高的溫度可促進種子內部的生化反應,加速了種子萌發(fā),因此種子吸水速度更快。

圖3中,常規(guī)浸種方法稻種含水量曲線位于曲線簇最下部,其對應的試驗水溫為10 ℃,可以看出,該水溫條件下稻種含水量總體呈現(xiàn)緩慢增長形態(tài),沒有出現(xiàn)上述各水溫條件下的“先快后慢”增長規(guī)律。這表明,低水溫對稻種吸水有明顯的抑制作用,甚至能夠減緩其在物理吸脹階段的吸脹吸水。從含水量數(shù)值上看,綏粳27稻種在10 ℃水中浸泡80 h后,種子含水量尚未達到20%,仍不具備萌發(fā)所需含水量條件。20 ℃水溫下,浸泡8 h即可達到該含水量,而在40 ℃水溫條件下,僅需6 h即可達到?？芍?前文中提及的常規(guī)浸種方法確實需要較長的浸種時間?？梢缘贸鼋Y論,提高浸種水溫是提高稻種吸水速度、縮短浸種時間的有效措施。

4 結論

稻種萌發(fā)是種子吸水后開始營養(yǎng)物質轉化的連續(xù)生理過程,該過程需要水分、溫度和氧氣三項要素的同步全程參與。在耦合供給條件下,三者對稻種萌發(fā)的影響并非完全獨立,本文研究表明:

1)在水、氣、熱耦合作用條件下,綏粳27稻種吸收水分速度與主要受溫度條件影響,而與環(huán)境中的氧氣條件無顯著相關關系。溫度對稻種吸水速度產生正向影響,溫度越高則稻種吸水速度越快。

2)在本文選定的溫度條件下,稻種吸水速度呈現(xiàn)“先快后慢”的變化規(guī)律。物理吸脹階段,稻種吸水速度較快;萌動吸水階段,稻種吸水速度較慢。轉折點對應含水量即為稻種萌發(fā)所需含水量,綏粳27萌發(fā)含水量約為20%。

3)含水量是種子萌發(fā)的重要前提,低溫條件會抑制稻種吸水,提高水溫可加快吸水速度,進而縮短浸種耗時。