浅水灌溉对寒地井灌稻田温度和产量构成因素的影响1)

张世春 聂 晓 王毅勇 拱秀丽

(中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地生态与环境研究中心，长春，130012)

2006年黑龙江垦区水稻种植面积达87万hm2，其中井灌面积达68万hm2以上，占垦区水稻面积近80%［1］。然而，水稻是喜温作物，适宜的生长温度为25～35℃，用4～10℃［1］的井水灌溉，会严重影响水稻生长发育和产量［2－4］。另一方面，井灌水稻年用地下水量占整个农业年用水量的90%以上，大水漫灌、无节制地利用地下水资源势必造成“吊泵”和“漏斗”现象［5－6］。为此，研究者们提出了多种灌溉技术来解决该地区井水低温和节约灌溉用水的问题。刘东林等［2］提出了浅－湿间歇灌溉技术;孙彦坤等［7］对比了控制灌溉(全生育期不建立水层)和浅－湿间歇灌溉技术;刘宏年等［8］对比了5种灌溉技术对水稻产量相关性状的影响;曹印龙等［9］则系统地研究了寒地井灌稻区井水的工程增温、设备增温和水管理增温等技术，提出快灌、少灌的灌水技术。研究表明:控制灌溉、间歇灌溉等节水灌溉措施可以提高稻田土壤温度［7，9］、促进水稻生长发育［3－4，10］、提高稻谷产量和水分利用效率［11］，并可改善稻谷的外观品质，提高出米率［4］。

然而，目前对各种灌溉技术的具体实施指标并没有统一标准，对各种灌溉技术的具体效果以及孰优孰劣也没有统一认识。因此仍需深入开展关于各种节水灌溉技术在不同气候生态、品种和田间管理措施条件下对稻田温度、水稻生长发育和产量相关性状的影响等方面的研究。本研究采用与通常的间歇灌溉等方式不同的浅水灌溉技术，探讨浅水灌溉处理对稻田水温、土温和水稻产量构成因素的影响。已有研究表明，这种灌溉方式可有效地节约灌溉用水、减小稻田蒸散和渗漏，使水稻在减小耗水量的情况下显著提高产量和水分利用效率［11－12］。因此，本研究结果有利于全面认识这种浅水灌溉技术对寒地井灌稻田温度、水稻生长发育和产量性状的影响，并可作为水稻节水灌溉研究的有益补充。

1 试验地概况

试验于2009年在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站的农田综合试验场(47.35°N，133.31°E，海拔 55.6 m)进行。该试验场位于三江平原腹地，具有温带大陆性季风气候，年平均气温为1.9℃，7月平均气温为22.0℃，全年最高气温为37.0℃，最低气温为－38.0℃，无霜期为125 d左右，年降水量为600 mm左右，且主要集中在7—9月份，占年降水量的60%以上。供试水稻田是1995年由沼泽化草甸开垦而来的耕地，实行一年一熟一冬休闲型的耕作方式。土壤体积密度为1.18 g/cm3，孔隙度为59.0%，有机质质量分数为 2.9%，pH 值为 6.5，饱和含水率为 37.2%［13］。

2 材料与方法

2.1 节水灌溉处理试验

试验设置3种灌溉处理:控制灌溉I(控I)、控制灌溉II(控II)、淹灌(CK)。每种灌溉处理3个重复，共9个试验小区，小区面积为10.0 m×9.5 m，不同灌水处理的小区用加宽、加高的田埂隔开，重复小区之间用PVC隔水板隔开。3种灌溉处理的具体方式为:CK，与当地传统灌溉方式一致，即除黄熟期末(8月中旬)排水晒田外，其余生育期均保持5～10 cm的水层;控I，插秧后每日傍晚定额灌溉一次，使田面水深保持在3 cm;控II，插秧后每日傍晚定额灌溉一次，使田面水深保持在1 cm。控I和控II属于不同田间水层深度控制的浅水灌溉。黄熟期末，控I、控II及CK小区全部人工排水晒田。在发生降水时，采用雨水深蓄的措施，合理利用降水;待控I、控II的水层自然降落到预设水平后再实施控制灌溉，分别实现对控I、控II的水层控制。

使用按固定流量出水的抽水机抽取地下水进行灌溉，然后通过灌溉用时计算灌溉水量;通过试验站内的气象观测场记录降水量;每5 d观测一次各试验小区的株高，并随时记录水稻生长发育状况。

供试水稻品种为龙粳26，5月30日插秧，10月4日收获。各小区施肥、除草及防虫均采取当地的常规管理方法。

2.2 水温和土温的测量

插秧后每天07:30—08:00利用曲管温度表(Model WQG－16)对各小区的水温(Tw)、0 cm土温(T0)、5 cm土温(T5)、10 cm土温(T10)分别进行测量，每小区3次重复。

2.3 考种测产

水稻收获时每个试验小区取5个1 m×1 m样方，按样方分别考种，考种项目包括每穴有效穗数、每穗实粒数、结实率、每粒质量等。计算每一个样方的理论产量。每个试验小区单打单收，晒干扬净后，测定实际籽实产量。

3 结果与分析

3.1 降水量及灌溉量

稻田灌溉水量应依据水稻生长和稻田水分的状况而定，因而会受到降水、气温等环境条件以及灌溉模式等因素的影响。其中降水量及降水时程分布直接影响灌溉水量的大小;气温则通过影响作物蒸发蒸腾量而影响灌溉水量;通过采用一定的灌溉模式，对水层进行控制，也可以有效地减少水分蒸发量和渗漏量，从而减少灌溉需水。表1为不同生育时期内的降水量及不同灌溉处理下的灌溉量。生育期内降水量较为充沛，总降水量达437.9 mm，因此生育期内只需较小的灌溉水量即可满足水稻的生长需要，尤其是拔节孕穗期和抽穗开花期，3种灌溉处理下的稻田灌溉定额都为0，即无灌溉，这是由于该时期的降水总量(81.5 mm)基本能够满足水稻需水。由表1可知，返青期和分蘖期，控I、控II灌溉水量明显低于CK(淹灌处理)，体现了较好的节水效果;成熟期控I、控II灌溉处理也体现了一定的节水效果，特别是控II(水层控制在1 cm)节水效果要优于控I(水层控制在3 cm)。整个本田期内，控I和控II处理分别较CK节省灌溉量56.1%和61.2%。

表1 不同生育期内降水量及不同灌溉处理下的灌溉量

3.2 浅水灌溉对水温和土温的影响

3.2.1 不同生育时期的水温和土温

表2是不同生育时期内不同灌溉处理条件下水温、土温的平均值。可见，除返青期外，其余各个生育时期不同灌溉处理间水温和土温的平均值差异均很小(≤0.4℃)，说明相对于传统淹灌处理，浅水灌溉措施并没有显著提高07:30—08:00的水温和土温。在返青期，各处理间的差异明显大于其余时期，说明在水稻生长前期灌溉处理对水温和土温有较大的影响。其中，控I和控II表现出相反的趋势，即控I的水温和土温比CK略高(高0.1～1.5℃)，控II的水温和土温比CK略低(低0～1.3℃)，但由于有效数据量较小(n=3)，因此差异均不显著;控II的温度比较明显地低于控I处理，水温(Tw)、0 cm土温(T0)、5 cm土温(T5)和10 cm土温(T10)分别低1.4、0.6、1.5 和0.8 ℃，但差异也未达到显著水平。

在返青期，浅水灌溉处理对温度的影响在垂直方向上也存在着一定的规律，即控I和控II与CK处理下温度的差值随深度的增加呈现出先增大后减小的趋势，最小值(－1.3℃，控II)出现在水层(Tw)，最大值(1.5℃，控I)出现在5 cm土壤深度处(T5)。

3.2.2 降水对水温和土温的影响

本试验观测期间降水事件频繁，90 d的观测时期中发生降水的天数高达54 d，降水量达到437.9 mm。由于降水和不降水的气象条件(如光照、气温等)间有很大区别，这会对稻田的耗水进而对稻田的温度产生影响，因此本研究区分了无降水(全天降水量小于0.1 mm)和有降水(全天降水量达到或超过0.1 mm)条件下的数据，对比了两种天气情况下不同灌溉处理间温度的差异(表3)。从表3可见，相对于有降水的情况，无降水条件下控I和控II的水温和土温更倾向于低于CK的水温和土温，可能反映了无降水天气条件下夜间和清晨传统淹灌相对浅水灌溉具有更好的保温作用。但是两种天气情况下不同灌溉处理间水温和土温的差异未达到显著水平，说明本试验中在有降水和无降水天气条件下，浅水灌溉措施相对于传统淹灌并没有显著提高07:30—08:00时段内水温和土温的效果。

3.3 浅水灌溉对产量构成因素的影响

表4为不同灌溉处理下的水稻产量及产量构成因素。由表4可看出，除每穗颖花数和每粒质量在不同处理间无显著差别外，浅水灌溉处理下的株高、每穴有效穗数、每穗实粒数、结实率均显著高于传统淹灌处理，因而理论产量和实测产量均显著高于传统淹灌处理。其中控I和控II处理的实测产量分别比CK的实测产量高7.4%和12.7%。控I和控II处理间的产量及产量构成因素则没有显著差别。

表2 不同生育时期浅水灌溉与传统淹灌处理下的水温和土温 ℃

表3 无降水与有降水条件下浅水灌溉与传统淹灌处理下的水温和土温 ℃

表4 浅水灌溉与传统淹灌处理下的水稻产量及产量构成因素

4 结论与讨论

本研究通过浅水灌溉(控I，水层控制在3 cm;控II，水层控制在1 cm)与传统淹灌(CK，水层控制在5～10 cm)的对比试验，探讨了浅水灌溉措施对寒地井灌稻田水温、土温和水稻产量构成因素的影响。在水稻本田期内的各生育时期，3种灌溉处理间水温和土温的差异均不显著，这可能是由于本试验未考虑温度的日变化以及试验期间降水偏多、温度偏低所导致。本研究中对水温和土温的观测均在07:30—08:00进行，故本试验结果仅表明这一时段内浅水灌溉的效果，不能代表全天的情况。孙彦坤等［7］研究表明，控制灌溉(全生育期内田间不建立水层)和间歇灌溉(全生育期保持3～5 cm水层，待水层落干后进行下一次灌水)条件下0～15 cm土温存在着明显的日变化过程，08:00和18:00时控灌区各层土壤平均地温比间歇灌溉低0.5～1.0℃;白天控灌地温始终高于间歇灌，14:00时控灌区各层土壤平均地温比间歇灌高0.7～1.0℃。观测研究发现，该站点2010年浅水灌溉处理下的土温在上午低于传统淹灌，而下午则高于传统淹灌(数据未发表)。这些证据表明灌溉方式对稻田温度的影响在一天的不同时段内是不同的。浅水灌溉由于水层浅，所以白天水层和土壤升温快，但夜间辐射冷却也快，因此夜间和清晨浅水灌溉下的水温和土温可能会接近甚至低于保持较深水层的传统淹灌。此外，本试验期间的降水频繁，阴雨天较多，造成气温、水温和土温偏低，例如观测发现本研究中该站点2010年的0 cm土温(T0)较2010年低3℃左右(数据未发表)。据孙彦坤等［7］研究，在阴天时不同灌溉方式对0～15 cm土温的影响不明显。因此在本研究中，偏多的降水和偏低的温度可能是造成控制灌溉与传统淹灌处理间差异不显著的另一个原因。

在水稻返青期，各处理间的差异明显大于其余生育期内的差异，在此期间(返青期)控I的水温和土温比CK略高(高0.1～1.5℃)，控II的水温和土温比 CK略低(低0～1.3℃)，控II的温度比控I处理低0.6～1.5℃。虽然这些差异均未达到显著水平，但这些差异可能表明浅水灌溉处理在水稻生长前期对稻田温度的影响较大，在生长后期对稻田温度的影响较小;控I和控II间的差异似乎说明在水稻生长前期气温较低时水层控制深度可能有一个理想阈值，过浅或过深的水层都不利于提高稻田温度。因此在生长前期对水层的调控要格外小心，防止水层过浅或落干造成的辐射低温冷害，而生长后期冠层郁闭后灌溉处理间对稻田温度影响的差异较小，这可为生长后期在保证稻田温度和水稻生理需水的条件下节约灌溉用水量提供了一定的理论依据。

尽管浅水灌溉处理(控I和控II)并未显著提高各生育期07:30—08:00的平均水温和土温，但浅水灌溉显著地提高了水稻有效穗数和每穗实粒数，因而最终分别较传统淹灌(CK)增产7.4%和12.7%，但控I和控II处理间产量及产量构成因素的差异不显著。从产量构成因素的角度来看，浅水灌溉是通过影响有效穗数和每穗实粒数而影响产量，这与前人的研究结果一致。付勇智［14］等研究表明水层深度与水稻的分蘖数呈线性负相关。王秋菊等［15］研究表明控制灌溉可显著提高水稻分蘖数、穗粒数和产量。从增产机理上考虑，本研究中浅水灌溉下产量提高的原因可能包括:(1)浅水灌溉改变了水温和土温的日变化过程，加大了温度的日较差，有利于增强白天的光合作用并抑制夜间的呼吸作用，从而有利于光合物质的积累;(2)浅水灌溉改善了土壤通透性，有利于排除有毒气体，因而促进了根系活力和其他生理活性。

井水低温是中国寒地井灌稻区水稻产量提高的重要限制因子，前人已就利用节水灌溉技术解决这一问题进行了大量的探索。本研究以及最近的几项研究［11－12］表明，浅水灌溉技术对于寒地井灌稻区节约灌溉和水稻增产具有一定的应用价值，本研究则尝试了从温度和产量构成因素的角度来评价浅水灌溉技术的效果，但仍有一些问题需要进一步的研究。例如，本研究未考虑水温和土温的日变化问题，仅在早上一个时段内进行了温度的观测，因此本研究的结果具有局限性，不能反映日变化过程中不同处理间的差异，而这种差异可能对水稻生理活动过程有着重要的影响。本研究发现在阴雨天气较多、温度偏低的情况下浅水灌溉没有显著提高上午的稻田水温和土温，因此灌溉方式与气象因子(如降水和气温等)之间的交互作用对稻田温度和水稻生长的影响也需要进一步的探讨。此外，本研究未考虑施肥的影响。Pan等［16］研究表明氮肥施用量与灌溉方法对于每公顷穗数有显著的交互作用。本文为浅水灌溉模式的初步研究结果，对于浅水灌溉措施在不同时间尺度、不同天气条件及不同农田管理措施下对稻田温度、水稻生长发育及产量性状的影响，确定浅水灌溉水层控制深度的理想阈值，以及如何在保证高产的基础上有效利用降水、节约灌溉用水、提高水分利用效率等方面的问题都需要进一步的深入研究。

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