节水灌溉和遮光强度对水稻生长发育的耦合影响*

李 睿，娄运生**，张 震，马 莉，李 君



节水灌溉和遮光强度对水稻生长发育的耦合影响*

李 睿1, 2，娄运生1, 2**，张 震2，马 莉2，李 君2

（1．南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044；2．南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室，南京 210044）

采用两因素随机区组试验设计，通过大田模拟试验研究节水灌溉和遮光强度耦合对水稻生长及物候期的影响。灌溉方式设常规灌溉（F，水深5cm）和节水灌溉（W，无水层）2个水平；遮光强度设3个水平，即对照（CK，无遮光，自然光源）、轻度遮光（S1，单层遮光，光合有效辐射减弱60%）和重度遮光（S2，双层遮光，光合有效辐射减弱90%）。在水稻主要生育期即分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期，观测株高、叶面积指数（LAI）、叶绿素含量（SPAD值）、稻穗含水率和冠层高光谱。用冠层高光谱数据提取增强型植被指数（EVI）时间序列，经Spline法插值及小波滤波去噪后预测水稻抽穗盛期的日期。结果表明：随着遮光强度的加重，水稻叶面积指数和叶绿素含量显著下降，物候期明显延迟。节水灌溉对遮光处理下水稻株高和叶绿素含量有抑制作用，对叶面积指数有促进作用，节水灌溉可使遮光处理下水稻物候期提前，使生育期缩短。在一定遮光强度下，水稻冠层光谱反射率在拔节期、抽穗期表现为节水灌溉（W）＞常规灌溉（F），而灌浆期、成熟期表现为常规灌溉（F）＞节水灌溉（W）。用去噪后的EVI时间序列预测水稻抽穗盛期，准确率为97%。

节水灌溉；遮光强度；水稻；生长发育；物候期

气候变化背景下温度、蒸散和水资源变化一定程度上均与太阳辐射变化有关[1]。太阳辐射是地球表层能量的根本来源，是维持地球气候系统及生态系统能量平衡的重要因子[2]。中国近50a大气气溶胶浓度、大气浑浊度及灰霾日数增加，导致到达地表的总太阳辐射呈降低趋势，东南部地区降速为101.7MJ·m−210a−1[3]，长江三角洲地区降低较明显[4]。华东地区在1961−2008年下降速率为2.05W·m−2·10a−1 [5−6]。太阳辐射减弱对农业生产的影响已成为气候变化研究的热点问题之一。

弱光寡照对作物不同生育期生长及生理特性有不同程度的影响。研究表明，50%的遮光使水稻分蘖期叶绿素含量（SPAD值）增加，净光合速率降低[7]；拔节期弱光使茎鞘物质积累减少，株高降低，每穗粒数和千粒重下降，导致产量减少；始穗期弱光影响谷粒充实度，使结实率及千粒重下降，减产幅度加大[8−9]。太阳辐射减弱影响小麦籽粒灌浆期，使千粒重减少从而降低产量[10]。遮光使黄瓜叶绿素含量增加，光合能力降低[11]。遮光使小豆干物质积累效率降低，叶面积指数减小，推迟开花，延迟成熟[12]。有关水稻生长发育对遮光响应的报道多局限于某一生育期，而对不同生育期或整个生育期进行遮光的研究尚不多见。

中国的淡水资源严重缺乏，而农业灌溉水利用效率仅为40%左右，既加剧了水资源的短缺，也造成水资源的浪费[13]。水稻是需水量较大的作物，发展水稻节水灌溉，提高水分利用率是水稻可持续生产的必由之路。研究发现，节水灌溉可改善水稻土通气条件，使根系活力增强[14]，抑制水稻株高生长，使茎秆粗壮，提高抗倒伏性，并减少无效分蘖，使产量提高[15]。研究表明，节水灌溉可使叶绿素含量、叶面积指数、净光合速率及干物质积累增加[16−21]。有关节水灌溉对水稻生产影响的研究，主要集中于生长、生理及产量方面，而对物候期影响的研究较少。

水稻物候信息，不仅是田间管理的决策指标，也是作物模型的重要参数[22−23]。抽穗期是水稻重要的物候期之一，标志着水稻由营养生长转向生殖生长的转折期，是决定水稻产量最为重要的关键期，也是水稻全生育期中生长发育最迅速，对水分、光照等需求最多的时期。前人对水稻抽穗期的研究，主要采用田间直接观测法和积温法。田间直接观测对于大面积水稻信息的提取，存在费时、费力且人为因素误差大的缺点；积温法因需要收集较多的资料致使该方法难于推广。用高光谱遥感技术监测水稻抽穗期，既节省人力物力且效率较高。作物物候期的高光谱监测，一般基于植被指数时间序列数据的分析，但因受大气因素的影响，需进行去噪重建，常用的方法有最大合成值法、最佳指数斜率提取法和小波滤波法等[24]。本研究采用小波滤波方式进行去噪重建，并预测水稻抽穗盛期的日期。

关于节水灌溉或遮光单因子对水稻生长的影响已有报道，但二者耦合对水稻生长及物候期影响的研究报道较少。本研究从水稻拔节期开始进行不同强度遮光和节水灌溉直至成熟，以探讨节水灌溉和遮光强度对水稻生长发育及物候期的耦合影响。

1 材料与方法

1.1 试验田概况

田间试验在南京信息工程大学农业气象试验站（32.0°N，118.8°E）进行。该站地处亚热带湿润气候区，年均降水量1100mm，年均气温15.6℃。供试土壤为潴育型水稻土，灰马肝土属，质地为壤质黏土，黏粒含量26.1%，pH6.2 （1:1土水比），全碳、全氮含量分别为 19.4、1.45g·kg−1，供试水稻品种为南粳5055。水稻于2017年5月7日育苗，6月7日移栽，株行距20cm×20cm。在水稻移栽前每小区施用复合肥（15−15−15）315g。

1.2 试验设计

试验在大田无遮雨中进行，采用两因素随机区组设计，灌溉方式设2个水平，即节水灌溉（W，水稻整个生育期田面无水层）和常规灌溉（F，水稻整个生育期田面水层深度5cm），节水灌溉处理采用自动定时喷灌的方法，即通过水管输送进行定时喷灌，保持田面湿润无积水层，如遇下雨天气则通过排水措施排出田面多余水分。遮光强度设3个水平，即对照（CK，不遮光）、轻度遮光（S1，单层遮阳网遮光，光合有效辐射减弱60%）和重度遮光（S2，双层遮阳网遮光，光合有效辐射减弱90%）。从2017年7月14日开始（拔节期），通过钢支架将黑色遮阳网覆盖于小区水稻植株冠层上方30cm处，并随水稻生长，定期调整其高度。

试验共设6个处理：（1）常规灌溉+无遮光（FCK）；（2）常规灌溉+轻遮光（FS1）；（3）常规灌溉+重遮光（FS2）；（4）节水灌溉+无遮光（WCK）；（5）节水灌溉+轻遮光（WS1）；（6）节水灌溉+重遮光（WS2）。每个处理重复3次，随机排列，共18个小区，小区面积为2m×2m = 4m2。

1.3 测定方法

1.3.1 冠层光谱测定

采用便携式高光谱仪（ASD FieldSpec HandHeld，美国）测定水稻冠层光谱反射率。2017年6月23日开始（分蘖期），每5～7d选择天气晴朗无云或少云、微风或少风的天气，在10：00−14：00（太阳高度角＞45°）时进行测定。光谱仪的有效波段范围在350−2500nm，350−1050nm区间光谱分辨率为3nm，光谱采样间隔为1.4nm；1050−2500nm区间光谱分辨率为10nm，光谱采样间隔为2nm，探头视场角为25°。测定时，探头垂直向下水平放置进行观测，距冠层垂直高度0.6m，遮光处理的小区，先去除遮光网再进行测定。每次采集目标光谱前后均进行校正，每个小区重复测量3次，每个处理设3个重复，以其平均值作为该观测点的光谱反射值。利用ASD ViewSpecPro4.5软件对采集的原始光谱曲线进行分析处理，取其平均值。

1.3.2 叶面积指数（LAI）测定

采用手持式叶面积指数仪（LI−2000，美国）测定水稻叶面积指数（LAI）。2017年6月23日开始（分蘖期），每隔5～7d测定一次。LAI测定在天气稳定且光线良好的条件下进行，在水稻冠层采集1个点，在稻田水面处采集4个不同区域的点，读出仪器上的LAI数值并记录，作为该小区水稻的叶面积指数，每个小区重复测定3次，取其平均值。LAI和冠层反射光谱数据的测定时间和地点一致。

1.3.3 叶绿素含量（SPAD值）测定

叶绿素含量的测定采用手持便携式叶绿素仪（SPAD−502），2017年6月23日开始（分蘖期），每隔5～7d与冠层光谱同步测定。在每个小区中选取3株水稻，每株水稻选取3片剑叶进行测定，测定时在每片叶的上、中、下部各测1次，取其平均值作为该小区水稻叶片的SPAD值。

1.3.4 株高测定

使用长卷尺，2017年6月23日开始（分蘖期），每隔5～7d与冠层光谱同步测定，从水稻底部测量至水稻冠层，每个小区选取3株水稻进行测量，取其平均值。

1.3.5 稻穗含水率测定

待水稻抽穗后每隔5～7d与冠层光谱同步测定。每个小区随机选取3株水稻，每株水稻取1整穗，先测定鲜重，而后在105℃烘箱内下杀青20min，80℃下烘至恒重，用天平称重。

1.3.6 遮光率测定

遮光率的测定采用AccuPAR植物冠层分析仪（DECAGON LP−80，美国）。每个生育期选择晴朗无云天气，在11：00−13：00完成测定，使用前先对仪器进行校正，然后在每个小区水稻冠层处测量，记录网下光强及网外光强，遮光率的计算式为

遮光率=1−网内光强/网外光强 （1）

1.3.7 水稻物候期观测

物候期观测方法参考文献[25]，具体见表1。

1.4 数据处理

采用ASD ViewSpecPro4.5软件对采集的原始光谱曲线进行分析处理。采用Matlab进行三次样条插值（Spline插值）及小波滤波处理以预测水稻抽穗盛期。采用SPSS21.0进行显著性检验。采用OriginPro 8.5和Microsoft Excel 2010进行数据处理与绘图。

表1 水稻物候期观测方法

2 结果与分析

2.1 节水灌溉和遮光强度对水稻物候期的耦合影响

根据《农业气象观测规范》[25]，采用计算百分率及含水率的方法，记录水稻主要生育期，包括分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期。表2为各生育期起止时间，由表可见，各处理分蘖期开始和结束时间基本一致，从拔节期开始，抽穗期、灌浆期和成熟期的起止时间逐渐出现差异。

在常规灌溉+无遮光条件下（FCK），水稻7月14日进入拔节期，8月20日结束，历时37d；8月21日进入抽穗期，9月3日结束，历时13d；9月4日进入灌浆期，9月10日结束，历时6d；10月11日成熟收获，整个生育期126d。而在节水灌溉+无遮光条件下（WCK处理），水稻拔节期、抽穗期和灌浆期分别历时32d、11d和5d，均比FCK缩短，成熟期提前，10月3日收获，整个生育期缩短8d。说明在自然光照条件下，节水灌溉使该品种水稻主要生育期缩短，成熟期提前。

常规灌溉条件下，各遮光处理（FS1和 FS2）与无遮光处理（FCK）相比，抽穗期、灌浆期和成熟期开始时间均有推迟，最少3d，最多10d，且随着遮光程度的加重，推迟天数增多，FS1和FS2全生育期历时131d和140d，比FCK延长5d和14d。可见，常规灌溉条件下，遮光使该品种水稻物候期延迟；节水灌溉条件下，各遮光处理（WS1和WS2）比无遮光处理（WCK）推迟进入抽穗期、灌浆期和成熟期，最少的推迟1d，最多9d，推迟天数随遮光程度加重而加重，全生育期WS1和WS2比WCK分别延长6d和14d，可见，节水灌溉下遮光处理同样使水稻物候期推迟，说明无论何种灌溉条件下，遮光均导致水稻物候期延长。

表2 各处理水稻主要生育期的起止日期（月.日）

注：FCK：常规灌溉+无遮光；FS1：常规灌溉+轻遮光；FS2：常规灌溉+重遮光；WCK：节水灌溉+无遮光；WS1：节水灌溉+轻遮光；WS2：节水灌溉+重遮光。下同。

Note: FCK: conventional irrigation + no shading; FS1: conventional irrigation + light shading; FS2: conventional irrigation + heavy shading; WCK: water-saving irrigation + no shading; WS1: water-saving irrigation + light shading; WS2: water-saving irrigation + heavy shading. The same as below.

由表2可知，在相同轻度遮光条件下，节水灌溉+轻度遮光条件（WS1）比常规灌溉+轻度遮光条件（FS1）分别提前4d、6d和7d进入抽穗期、灌浆期和成熟期，整个生育期缩短7d。在相同重度遮光条件下，节水灌溉+重度遮光条件（WS2）比常规灌溉+重度遮光条件下（FS2）分别提前4d、5d和6d进入抽穗期、灌浆期和成熟期，全生育期缩短8d，可见，节水灌溉使遮光处理下的水稻物候期提前，并缩短生育期。

2.2 节水灌溉和遮光强度对水稻生长发育的耦合影响

2.2.1 株高

从图1可以看出，在水稻生长初期，除节水灌溉（WCK）处理的株高与其它处理相比较低外，其余处理间株高均无明显差异。随着水稻生长进程推进，从抽穗期开始不同处理株高出现差异，之后至成熟期株高不再持续增长。常规灌溉条件下，轻遮光（FS1）和重遮光（FS2）处理株高比无遮光处理（FCK）分别平均降低3.3%和4.9%，均达显著水平（P＜0.05）；节水灌溉条件下，轻遮光（WS1）和重遮光（WS2）处理株高比无遮光处理（WCK）平均上升17.5%和15.6%，亦达显著水平（P＜0.05）。

抽穗−成熟期，无遮光条件下，常规灌溉（FCK）的株高比节水灌溉（WCK）处理平均增加25.3%，差异均达显著水平（P＜0.05），说明在自然光照条件下，节水灌溉对水稻株高有明显抑制作用；在抽穗期和灌浆期内，相同轻遮光条件下，常规灌溉（FS1）的株高比节水灌溉（WS1）分别平均增加2.3%和2.4%，差异达显著水平（P＜0.05）；在相同重遮光处理下，常规灌溉（FS2）的株高比节水灌溉（WS2）分别上升2.0%和4.0%，且达显著水平（P＜0.05）。说明节水灌溉对遮光处理下的水稻株高有显著抑制作用。

图1 水稻主要生育期处理间株高的比较

注：短线表示标准误差。不同字母表示同一生育期处理间差异显著（P＜0.05）。下同。

Note: The bar is standard errors. Different letters indicate significant difference between treatments during the same growth period (P＜0.05). The same as below.

2.2.2 叶面积指数

由图2可见，在水稻生长初期，由于分蘖数不断增加，LAI不断升高，在抽穗期达最大值，在生长后期因叶片衰老，LAI值呈下降趋势。全生育期内，常规灌溉条件下，轻遮光（FS1）和重遮光（FS2）处理叶面积指数比无遮光（FCK）处理分别平均降低21.5%和39.5%，且差异达显著水平（P<0.05）；节水灌溉条件下，轻遮光（WS1）和重遮光（WS2）处理叶面积指数比无遮光（WCK）分别降低11.5%和17.8%，除分蘖期外，其余均达显著水平（P＜0.05）。说明随着遮光程度的加重，水稻叶面积指数显著下降。

图2 主要生育期处理间水稻叶面积指数的比较

无遮光条件下，常规灌溉（FCK）的叶面积指数比节水灌溉（WCK）有所下降，说明在自然光照条件下，节水灌溉对水稻叶面积指数有促进作用；轻遮光条件下，常规灌溉（FS1）的叶面积指数比节水灌溉（WS1）平均降低14.6%，均通过显著性检验（P＜0.05）；重遮光条件下，常规灌溉（FS2）的叶面积指数比节水灌溉（WS2）平均降低29.4%，均达显著水平（P＜0.05）。可见，节水灌溉对遮光处理下的水稻叶面积指数有促进作用。

2.3 节水灌溉和遮光强度对水稻叶片叶绿素含量和冠层光谱反射率的耦合影响

2.3.1 叶绿素含量

由图3可见，水稻生长初期各处理间SPAD值差异不显著，水稻SPAD值从分蘖期开始呈上升趋势，在抽穗期达最高，此后开始缓慢下降。

图3 主要生育期处理间水稻SPAD值的比较

从水稻拔节期开始，常规灌溉条件下，轻遮光（FS1）和重遮光（FS2）处理的SPAD值比无遮光处理（FCK）均有所减少，且FS1高于FS2；节水灌溉条件下，轻遮光（WS1）和重遮光（WS2）处理的SPAD值比无遮光（WCK）处理减少，其中WS2与WCK的差异均达显著水平（P＜0.05）。说明遮光使水稻叶绿素含量降低，且随着遮光程度的加重，水稻叶片叶绿素含量（SPAD值）的降幅加大。

拔节−成熟期，无遮光条件下，常规灌溉（FCK）的SPAD值高于节水灌溉（WCK），说明在自然光照条件下，节水灌溉对水稻SPAD值有抑制作用；轻遮光条件下，常规灌溉（FS1）的SPAD值与节水灌溉（WS1）相比有所增加；重度遮光条件下，常规灌溉（FS2）的SPAD值比节水灌溉（WS2）平均降低4.8%，达显著水平（P＜0.05）。说明节水灌溉对遮光处理下水稻叶绿素含量（SPAD值）有抑制作用。

2.3.2 冠层光谱反射率

选取400−1000nm可见光和近红外波段分析水稻实测冠层光谱特征。由图4可见，在可见光波段（450− 760nm），各处理均表现为两“谷”一“峰”，即在500nm附近出现蓝光低谷，550nm附近有明显的绿峰，680nm附近出现红光低谷；拔节−成熟期内，自然光照条件下，节水灌溉+无遮光处理（WCK）的冠层光谱反射率大于常规灌溉+无遮光处理（FCK）；遮光条件下，常规灌溉+遮光处理（FS1和FS2）的冠层光谱反射率均大于节水灌溉+遮光处理（WS1和WS2）。

图4 主要生育期处理间水稻冠层光谱反射率的比较

在近红外波段（760−1000nm），水稻冠层反射率出现反射高台，在拔节期和抽穗期，轻遮光处理反射率大于重遮光处理；自然光照条件下，节水灌溉+无遮光处理（WCK）的冠层光谱反射率大于常规灌溉+无遮光处理（FCK）；遮光条件下，节水灌溉+遮光处理（WS1和WS2）的冠层光谱反射率与常规灌溉+遮光处理（FS1和FS2）反射率表现为WS1＞FS1，WS2＞FS2。在灌浆期和成熟期，节水灌溉+无遮光处理（WCK）的冠层光谱反射率小于常规灌溉+无遮光处理（FCK）；在遮光条件下，节水灌溉+遮光处理（WS1和WS2）的冠层光谱反射率与常规灌溉+遮光处理（FS1和FS2）反射率表现为FS1＞WS1，FS2＞WS2。

2.4 节水灌溉和遮光强度对稻穗含水率的耦合影响

水稻的成熟期可以分为乳熟、蜡熟和完熟3个时期，在完熟末期稻穗含水率下降至23%时为水稻收获的最佳时期[26−28]。由表3可知，移栽后92～140d稻穗含水率的变化，以乳熟期下降速率最大。48d内，6组不同处理的稻穗含水率日平均下降速度，以节水灌溉+无遮光（WCK）处理最大，其次为常规灌溉+无遮光（FCK）处理，常规灌溉+重遮光（FS2）处理最小。

常规灌溉条件下，轻遮光（FS1）和重度遮光（FS2）处理稻穗含水率降至23%比无遮光（FCK）处理分别延迟约5d和14d；节水灌溉条件下，轻遮光（WS1）和重遮光（WS2）处理稻穗含水率比无遮光（WCK）处理延迟约6d和14d。说明遮光处理会延迟水稻收获期，且随着遮光加重水稻最佳收获期明显延迟。

无遮光条件下，常规灌溉（FCK）处理稻穗含水率降至23%比节水灌溉（WCK）延迟8d；轻遮光条件下，常规灌溉（FS1）处理稻穗含水率比节水灌溉（WS1）延迟7d；重遮光下条件，常规灌溉（FS2）处理稻穗含水率比节水灌溉（WS2）延迟8d。说明节水灌溉可使遮光处理下水稻的成熟期提前。

表3 处理间稻穗含水率的比较（%，平均值±标准误）

2.5 节水灌溉和遮光强度对EVI的耦合影响

采用冠层高光谱数据（ASD）提取各处理移栽45d以后的增强型植被指数（EVI）值，经过三次样条插值法（Spline插值法）填补中间空缺的数值，构建逐日增强型植被指数时间序列集。采用小波滤波对其进行去噪处理，得到反映水稻生长过程的日时间序列曲线（图5）。

由图5可见，各处理中EVI时间序列均呈现单峰型变化过程。虚线表示经过三次样条插值后的EVI时间序列，虚线上的圆点表示实测值；实线表示经过小波滤波后的EVI时间序列，用于预测水稻抽穗盛期。根据水稻抽穗期的生理特征可推断，该最大EVI值出现在水稻从营养生长进入生殖生长的转折时期，为水稻抽穗盛期，因此，可将其对应的时间估计为水稻抽穗盛期的日期[24,29−30]。由图中可见，不同处理达到最高点的天数及其EVI最大值存在差异，EVI值最大的为常规灌溉+无遮光处理（FCK），常规灌溉+重遮光处理最小（FS2）。表明在无遮光条件下，节水灌溉使EVI值下降，在相同遮光处理下，节水灌溉使EVI值上升。对比实测抽穗盛期（表4）可以看出，各处理与对应实测天数中，最大误差天数出现在WS2处理（3d），最小误差天数出现在FS2和WS1处理，为0d。标准偏差最大值为2.12d，预测准确度为97%，表明在节水灌溉和遮光强度处理下用EVI时间序列预测水稻抽穗盛期是可行的。

3 结论与讨论

水稻为喜阳作物，对光照条件的需求较大。遮光处理使水稻叶面积指数下降，随着遮光强度增加，叶面积指数降低越多，主要原因在于遮光引起光合产物运输受阻，降低叶面积扩展速率，使叶面积减少。但也有研究表明，插秧−孕穗期对水稻进行遮光处理可以明显提高水稻剑叶面积，遮光后，光照强度减弱且以散射光为主，水稻叶面积的增加有利于其截获更多的光能，以适应弱光逆境[31]。本试验中，从拔节期−成熟期，遮光处理的水稻叶绿素含量均低于自然光照条件下（CK）水稻的叶绿素含量（SPAD值），且在抽穗期、灌浆期与无遮光处理（CK）相比下降速率最大。前人研究认为，在灌浆结实期水稻上三叶的叶绿素含量下降幅度随光照减弱而增大，其中倒三叶的叶绿素含量下降幅度最大[32−34]，这与本研究结果一致。本研究发现，遮光处理会延迟水稻物候期，随遮光强度加重，延迟时间越长，主要原因是太阳辐射的减弱改变了地表的热传导、光反射和热散射，使土壤及冠层空气温度上升缓慢，引起物候期的延迟。

有关节水灌溉对水稻生长发育影响的相关报道不一。杨生龙等研究发现[35]，常规灌溉使水稻分蘖高峰期提前，株高和叶绿素含量增加；但也有学者认为[36]，节水灌溉下水稻分蘖提早，成熟期提前，节水灌溉显著增加了水稻株高、叶面积指数和叶绿素含量。本试验表明，节水灌溉对遮光处理下的水稻株高和叶绿素含量有抑制作用，对叶面积指数有促进作用，节水灌溉可使遮光处理下水稻物候期提前，并缩短生育期。主要原因在于，节水灌溉下水稻生长在水分较少的环境中，不利于干物质积累和传输，导致株高下降，但节水灌溉改善了土壤通气条件，有利于土壤养分转化和根系生长，从而促进植株生长，使物候期提前，生育期缩短。

图5 各处理抽穗−成熟期增强型植被指数（EVI）的变化过程

注：虚线表示经过三次样条插值后的EVI时间序列，虚线上的圆点表示实测值；实线表示经过小波滤波后的EVI时间序列，用于预测水稻抽穗盛期。

Note: The dashed line represents the EVI time series after spline interpolation. Dots on the dashed line represent measured values, and solid lines represent wavelet-filtered EVI time series to predict the heading stage of rice.

表4 EVI预测抽穗盛期与实测抽穗盛期的比较（d）

节水灌溉和遮光强度耦合对水稻冠层光谱反射率有明显影响。在近红外波段内，拔节期和抽穗期表现为节水灌溉+遮光处理的水稻反射率大于常规灌溉+遮光处理，这主要是因为前期节水灌溉+遮光水稻的叶面积指数高，而近红外光谱反射率高低主要取决于生物量和叶面积指数的大小[37]。在灌浆期和成熟期节水灌溉的反射率小于常规灌溉，主要是因为节水灌溉下的水稻水分含量少，导致节水灌溉下的水稻加速衰老。研究表明，水稻衰老或环境胁迫下，近红外波段反射率会下降[38]，说明节水灌溉+遮光处理对水稻后期生长有一定的抑制作用，导致水稻成熟期提前。水稻拔节−成熟期是江苏沿江地区水稻高温热害多发期[39−40]，遮光处理对水稻有一定的降温缓解作用，因此，遮光处理的水稻衰老较慢，近红外反射率较高。

用EVI时间序列预测节水灌溉和遮光强度耦合下水稻抽穗盛期，预测准确度为97%，说明用EVI预测水稻抽穗盛期是可行的。最大合成值法和最佳指数斜率提取法是常用的滤波方法，最大合成值法的计算过程较简便，但在处理过程中没有考虑大气条件地表的双向反射和数据传输错误等因素的影响，使得滤波重建的结果存在很大偏差；最佳指数斜率提取法的选择主要依靠实践经验，带有一定的主观性[41−42]。本研究中，经小波滤波后的 EVI 曲线能较好地反映出水稻随时间连续变化的生长过程。此外，本研究得到的EVI时间序列曲线对种植模式识别、作物生长模型、数据同化等相关研究也有一定的参考意义。

综上所述，节水灌溉对遮光处理下水稻叶面积指数有促进作用，使水稻物候期提前，生育期缩短。未来可进一步研究节水灌溉和遮光对水稻光合作用及产量构成等方面的影响，采用DSSAT等作物模型模拟水稻物候期，以提高区域水稻生产应对和适应太阳辐射减弱及水资源短缺的能力。

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Coupling Effects of Water-Saving Irrigation and Shading Intensity on Growth and Development for Rice

LI Rui1, 2, LOU Yun-sheng1, 2, ZHANG Zhen2, MA Li2, LI Jun2

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044)

A field experiment was conducted to reveal the coupling effects of water-saving irrigation and shading intensity on rice growth and phenological period. Irrigation was designed with 2 levels, conventional irrigation (F, flooding with 5cm water depth layer) and water-saving irrigation (W, wetting without water layer); shading intensity was set at 3 levels, control (CK, natural light source without shading), light shading (S1, single layer shading, photosynthetically active radiation decreased by 60%) and heavy shading (S2, double layer shading, photosynthetically active radiation decreased by 90%). Rice growth parameters were measured in main stages, tillering, jointing, heading, filling and maturing, which included plant height, leaf area index (LAI), chlorophyll content (SPAD value), and water content in single ear as well as canopy hyperspectral data. Using canopy hyperspectral data to extract the enhanced vegetation index (EVI) time series, heading date was predicted by denoising through spline interpolation and wavelet filtering. The results showed that with higher shading intensity, leaf area index and SPAD value decreased, and phenological periods delayed. Water-saving irrigation inhibited plant height and SPAD value of rice, promoted leaf area index under shading conditions. Water-saving irrigation advanced phenophase and shortened phenological periods of rice under shading conditions. Under the same shading conditions, the spectral reflectance on rice canopy was higher in water-saving irrigation (W) than that in conventional irrigation (F) at jointing stage and heading stage, but higher in conventional irrigation (F) than in water-saving irrigation (W) at filling stage and maturity stage. The denoised EVI time series were used to predict heading date in rice, with prediction accuracy being 97%, and extremely significant correlation (P < 0.01).

Water-saving irrigation; Shading intensity; Rice; Growth; Phenophase

2018−05−09

。E-mail：yunshlou@163.com

国家自然科学基金（41375159）；江苏省自然科学基金（BK20131430）

李睿（1993−），女，硕士生，主要从事农业气象研究。E-mail：461917970@qq.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.11.002

李睿,娄运生,张震,等.节水灌溉和遮光强度对水稻生长发育的耦合影响[J].中国农业气象,2018,39(11):702-714