不同灌溉模式对水稻生长、水分和辐射利用效率的影响

2019-12-06孟翔燕周凌云张忠学吴秋峰

农业机械学报 2019年11期

孟翔燕周凌云张忠学吴秋峰

(1.东北农业大学理学院，哈尔滨 150030； 2.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；3.东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030；4.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室，哈尔滨 150030)

0 引言

水稻是我国三大粮食作物之一，根据2017年统计资料，水稻播种面积占粮食总播种面积的26.70%，而水稻产量占到了2017年粮食总产量的33.60%[1]。水稻作为高耗水作物，其耗水量是玉米和小麦等其他谷类作物的2～3倍[2]。据统计，黑龙江省农业用水总量70.46亿m3，水稻灌溉用水量达50.98亿m3，占农业总用水量的72.35%。可见水资源短缺对水稻的可持续性发展造成严重威胁[3]。黑龙江省是我国重要的水稻生产地区和商品粮生产基地[4]，其中，东部属半湿润地区，以种植水稻为主，也是全省水稻最适宜种植区。因此，研究黑龙江省半湿润区水稻节水灌溉技术，对黑龙江省水稻产业可持续发展具有重要意义。

水分利用效率和辐射利用效率是进行风险评估的两个重要指标[5]。水分利用效率或辐射利用效率的提升都对提升土地生产力至关重要[6]。辐射利用效率定义为作物通过叶片将到达冠层的光合有效辐射截获、并通过光合作用转化为干物质的转化效率[7]。水分利用效率反映了作物通过蒸发蒸腾每单位水消耗产生的谷物产量的能力[8]。传统水稻种植多采用淹水灌溉，耗水量大、水分利用效率低[9]。目前，传统淹水灌溉已逐渐向节水灌溉转变，水稻生长的适宜阶段经历适度的水分亏缺为优质高产奠定了基础[10]。聂晓等[11]的研究表明，间歇灌溉、湿润灌溉处理下的水分利用效率比淹水灌溉提高28.6%和42.9%。AVILA等[12]在巴西的研究表明，间歇灌溉比连续灌溉有更好的节水效果，且不会降低产量。SONIT等[13]在印度的试验也表明，与淹灌相比，滴灌和喷灌有更好的水分利用效率。相比淹灌节水灌溉在辐射利用效率表现方面的研究较少，已有研究表明，水分胁迫会影响作物的叶片生长，改变作物叶面积指数的垂直分布，使作物在生长过程中的光合有效辐射截获量更少，进而影响光合同化物的分配[7]。HUSSAIN等[14]在巴勒斯坦地区的研究发现，干旱胁迫对小麦的辐射截获效率产生了负面影响。

本文以控制灌溉、浅湿灌溉和全面淹灌为处理模式，以黑龙江省半湿润区水稻为研究对象，分析黑龙江省半湿润区水稻不同灌溉模式对水分利用效率和辐射利用效率的影响，并对水稻各生育期的农艺性状、叶片叶绿素含量、叶绿素荧光和光合有效辐射截获量等指标的变化规律进行研究，以期为制定黑龙江省半湿润区粳稻的节水灌溉制度提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017和2018年5—9月在庆安灌溉试验站进行，该站地处黑龙江省绥化市庆安县和平灌区，位于东经127°30′4″，北纬46°52′41″。多年平均降水量550 mm，多年平均气温2.5℃。本区作物生长期在156～171 d，平均164 d。气候特征为寒温带大陆性季风气候[15]。土壤类型为白浆土型水稻土，容重为1.02 g/cm3、孔隙度61.6%、0～30 cm体积饱和含水率为53.25%。土壤基本理化性质为：有机质质量比41.4 g/kg、pH值6.40、全钾质量比20.11 g/kg、全磷质量比15.23 g/kg、全氮质量比1.08 g/kg、有效磷质量比25.33 mg/kg、碱解氮质量比154.36 mg/kg和速效钾质量比157.25 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设计控制灌溉、浅湿灌溉和全面淹灌3种水分管理模式(表1)。控制灌溉即在返青期田面保持0～30 mm薄水层和黄熟期自然落干以外，其他各生育阶段灌水后均不建立水层，以根层土壤含水率为控制指标，灌水上限为饱和含水率。用TPIME-PICO64/32型土壤水分测定仪每天(07:00和18:00各测1次)测取土壤含水率，当土壤含水率低于或接近灌水下限时，人工灌水至灌水上限，维持土壤含水率处于相应生育阶段的灌水上限和灌水下限之间。在分蘖后期进行晒田不进行灌水，分蘖前期、中期、拔节孕穗期、抽穗开花期以及乳熟期土壤含水率下限分别取饱和含水率的百分比。淹灌小区和浅湿灌溉小区在每天08:00前后通过预埋在田面的砖块和竖尺读取水层深度，确定是否需要灌水。

1.3 试验管理

本试验共3个试验处理，3次重复，共计9个田间试验小区，每个小区面积为100 m2(10 m×10 m)。小区四周种植水稻以加设保护行。水稻品种、育秧、移栽、植保及用药等技术措施以及田间管理条件相同。为减少侧向渗透对试验的影响，小区与小区之间采用隔渗处理，即小区四周用塑料板和水泥埂作为隔渗材料，埋入田间地表以下40 cm深。

供试的化肥分别为尿素、五氧化二磷、氧化钾。供试水稻品种为龙绥粳18号，种植密度为30 cm×10 cm，每穴3株。各处理氮肥即施氮用量(纯N量)110 kg/hm2，氮肥施用采用前氮后移施肥技术，基肥、蘖肥、促花肥、保花肥比例为4.5∶2∶1.5∶2；各处理施用五氧化二磷45 kg/hm2，氧化钾80 kg/hm2，钾肥分基肥和叶龄(幼穗分化期)两次施用，前后比例1∶1，磷肥作基肥一次施用。各小区单独灌排，进水管接装小型计量水表，排水管末端接径流收集桶。所有小区排水口高度保持一致，均高于稻田表面8 cm。

表1 不同灌溉模式水稻各生育期土壤水分管理方案Tab.1 Water management scheme of different irrigation management patterns in rice growth stage

注：%为占土壤饱和含水率百分比的单位；mm为田间水层深度的单位；θs为根层土壤饱和含水率。

1.4 测定项目和方法

1.4.1株高和茎粗

标记移栽时每个小区中生长均匀的植株10穴，从分蘖期到抽穗期定点观测。每个生育期观测株高，抽穗前为植株根部至每穴最高叶尖的高度，抽穗后为根部至最高穗顶的高度。测定完株高后，使用游标卡尺测定基部第2节间茎粗。

1.4.2叶面积指数

标记移栽时每个小区中生长均匀的植株3株，从分蘖期到乳熟期定点观测，每个生育期观测一次。测量每株植株上各叶片的叶长和叶宽(叶片最宽处的宽度)并记录。采用长宽系数法计算单个叶片面积并得到每株植株的叶片总面积，单株植株叶面积为3株植株的叶片总面积的平均。叶面积指数为单株叶面积与小区中总株数的乘积再除以小区面积。

1.4.3地上部干物质量

从分蘖期至乳熟期，每个生育期取每个小区中生长均匀的植株3穴，将植株按茎鞘、叶、穗(抽穗期后)分别装袋，经干燥箱105℃杀青30 min，再经80℃干燥到质量恒定，测定各部位的干物质量。

1.4.4SPAD

标记移栽时每个小区中生长均匀的植株5株，从分蘖期到乳熟期，每个生育期观测一次。用SPAD-502型叶绿素含量测定仪对5株水稻的顶端剑叶测量SPAD并取平均值。

1.4.5叶绿素荧光

标记移栽时每个小区中生长均匀的植株6株，从分蘖期到乳熟期，每个生育期观测一次。选择晴朗无云的天气，在08:00—10:00采用LI-6400XT型光合测定仪对已标记植株的叶片叶绿素荧光参数进行测定。每次测定前用叶片夹夹住选定的叶片进行暗适应30 min，不照光状态下测定最大初始转化效率Fv/Fm；在自然光照下测定光化学荧光淬灭系数qP和非光化学荧光淬灭系数qN。植株在充分光照2 h后，测量光下的光合电子传递速率(ETR)。

1.4.6光合有效辐射截获量

光合有效辐射截获量为冠层上方累计入射光合有效辐射量与透过冠层到达地表的累计光合有效辐射量之差。从分蘖期到乳熟期每隔10 d测量一次，选择晴朗无云的天气，在08:00—16:00每隔2 h整点观测一次，在小区中间用冠层分析仪，分别测定冠层上方20 cm及地表的光合有效辐射量并记录，每个小区重复测量3次并取平均值。

1.4.7水分利用效率

水分利用效率公式为

WUE=Y/IRR

(1)

式中WUE——水分利用效率，kg/m3

Y——产量，kg/hm2

IRR——灌溉用水量，m3/hm2

1.4.8辐射利用效率

辐射利用效率公式为

RUE=DM/Ipar

(2)

式中RUE——辐射利用效率，g/MJ

DM——地上部干物质累积量，g/m2

Ipar——光合有效辐射截获总量，MJ/m2

应用Excel 2010对数据进行整理，对数据进行Duncan显著性分析。采用Excel软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉模式对水稻农艺性状的影响

不同灌溉模式下水稻株高与茎粗变化如图1(图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同)所示。图1a、1b分别为两个生长季内水稻株高的变化。3种灌溉模式下的株高从分蘖期到抽穗期逐渐增大，并在抽穗期达到最大值。两个生长季内，各生育时期全面淹灌模式下的株高均高于控制灌溉。两个生长季中全面淹灌、浅湿灌溉和控制灌溉的株高最大值分别为101.2、102.8、96.8 cm(2017年)和102.3、100.7、97.9 cm(2018年)。图1c、1d分别为两个生长季内水稻茎粗的变化。从分蘖期到抽穗期，茎粗的变化趋势与株高一致，并在抽穗期达到最大。两个生长季内，分蘖期和拔节期，控制灌溉下水稻茎粗显著大于全面淹灌和浅湿灌溉，而抽穗期3种灌溉模式下茎粗差异不明显。两个生长季中全面淹灌、浅湿灌溉和控制灌溉的茎粗最大值分别为7.32、7.26、7.31 mm(2017年)和7.21、7.15、7.18 mm(2018年)。

图1 2017年和2018年不同灌溉模式下水稻株高与茎粗Fig.1 Plant height and stem diameter under different irrigation patterns in 2017 and 2018

不同灌溉模式下水稻地上部干物质量变化如表2所示。两个生长季内拔节期与抽穗期3种灌溉模式的地上部干物质量差异显著，拔节期全面淹灌、浅湿灌溉和控制灌溉模式下地上部干物质量分别为360.55、351.56、413.84 g/m2(2017年)和368.04、361.08、484.84 g/m2(2018年)。抽穗期全面淹灌、浅湿灌溉和控制灌溉模式下地上部干物质量分别为398.46、400.46、455.38 g/m2(2017年)和402.40、408.96、467.08 g/m2(2018年)。

不同灌溉模式下水稻叶面积指数的变化如图2所示。3种灌溉模式下的水稻叶面积指数逐渐增大，抽穗期达到最大值后在乳熟期下降。不同灌溉模式间对比表明，各生育期控制灌溉模式叶面积指数显著高于浅湿灌溉与全面淹灌，而浅湿灌溉与全面淹灌之间差异不显著。两个生长季中全面淹灌、浅湿灌溉和控制灌溉的叶面积指数最大值分别为6.06、6.12、6.58(2017年)和6.11、6.18、6.49(2018年)。控制灌溉水稻各生育时期叶面积指数比全面淹灌分别增加7.94%～23.67%(2017年)和5%～14.47%(2018年)。

表2 2017年和2018年不同灌溉模式下地上部干物质量Tab.2 Above ground dry matter under different irrigation patterns in 2017 and 2018 g/m2

注：同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

图2 2017年和2018年不同灌溉模式下叶面积指数Fig.2 LAI under different irrigation patterns in 2017 and 2018

2.2 不同灌溉模式对光合特性的影响

图3为不同灌溉模式下水稻光合有效辐射截获量日变化。由图3可知，两个生长季3种灌溉模式下整个生育过程中光合有效辐射截获量呈波浪变化，分别在拔节期和抽穗期后期达到波峰，且在拔节期后期达到最大值。两个生长季中控制灌溉、浅湿灌溉与全面淹灌下日光合有效辐射截获量的最高值分别为22.30、21.69、20.70 μmol/(m2·s)(2017年)和24.6、23.8、23.5 μmol/(m2·s)(2018年)。

表3为两个生长季内不同灌溉模式下水稻叶片SPAD与叶绿素荧光参数。由表3可知，两个生长季内不同灌溉模式下SPAD没有显著差异。3种灌溉模式下叶片SPAD从分蘖期到抽穗期略有波动，并在乳熟期呈下降的趋势。两个生长季内，控制灌溉叶片SPAD在乳熟期略低于浅湿灌溉与全面淹灌，其余生育时期控制灌溉均显著高于浅湿灌溉与全面淹灌。

图3 2017年和2018年光合有效辐射截获量日变化曲线Fig.3 IPAR under different irrigation patterns in 2017 and 2018

两个生长季内，Fv/Fm从分蘖期开始上升，拔节期和抽穗期达到最大值后在乳熟期下降，qN、qP前期略有波动，从乳熟期迅速下降，ETR从分蘖期到乳熟期逐渐下降。Fv/Fm和qN在2017年乳熟期时差异最大，控制灌溉Fv/Fm分别比浅湿灌溉与全面淹灌增加了9.21%与5.06%，全面淹灌下qN分别比浅湿灌溉与控制灌溉增加了17.27%与7.95%。qP和ETR在2017年拔节期时差异最大，全面淹灌下qP分别比浅湿灌溉与控制灌溉增加了18.52%和45.45%，全面淹灌下ETR分别比浅湿灌溉与控制灌溉增加了23.92%和51.26%。Fv/Fm在各时期都有控制灌溉高于全面淹灌。两个生长季中，除分蘖期外，全面淹灌下qP与ETR均高于浅湿灌溉与控制灌溉。在分蘖期，拔节期和抽穗期之间3种灌溉模式下qN差异不大。

2.3 不同灌溉模式对水分和辐射利用效率的影响

不同灌溉模式下水分利用效率与辐射利用效率见表4。控制灌溉下地上部干物质量的累积显著高于浅湿灌溉与全面淹灌，两个生长季内分别比全面淹灌增加了12.13%(2017年)和7.98%(2018年)，比浅湿灌溉增加了10.17%(2017年)和8.86%(2018年)；而冠层光合有效辐射截获总量，控制灌溉和浅湿灌溉较全面淹灌都所增加，两个生长季分别增加74.05、23.65 μmol/(m2·s)(2017年)和63.35、16.85 μmol/(m2·s)(2018年)。两个生长季内控制灌溉与浅湿灌溉的灌溉用水量较全面淹灌分别减少了31.45%、9.16%(2017年)和31.67%、7.88%(2018年)；控制灌溉下产量略高于全面淹灌但差异不显著，而显著高于浅湿灌溉。两个生长季内控制灌溉下灌溉水利用效率分别较浅湿灌溉和全面淹灌增加了53.38%、46.45%(2017年)和51.97%、46.20%(2018年)；控制灌溉下辐射利用效率分别较浅湿灌溉和全面淹灌增加了4.301%、1.042%(2017年)和3.723%、1.036%(2018年)。

表3 2017年和2018年不同灌溉模式下叶片SPAD与叶绿素荧光参数Tab.3 SPAD value and chlorophyll fluorescence parameters under different irrigation patterns in 2017 and 2018

表4 2017年和2018年不同灌溉模式下水分利用效率与辐射利用效率Tab.4 WUE and RUE under different irrigation patterns in 2017 and 2018

3 讨论

不同灌溉方式会对稻田土壤水分造成影响，从而对水稻的株高、茎粗造成较大的影响[16-18]。郭相平等[19]的研究发现，与常规淹灌相比，节水灌溉会使水稻株高受到抑制，而茎粗增加，与本试验的研究结果一致。本研究结果表明，控制灌溉与浅湿灌溉与全面淹灌相比，有利于水稻叶面积指数和地上部干物质的增加。表明节水灌溉对水稻的叶面积指数具有促进作用，从而有利于叶片光合能力的增强，促进有机质的积累，这与前人研究结果相同[19-22]。

水稻地上部生物量与冠层截获光合有效辐射的能力有关。李华龙等[7]的试验表明，水分胁迫对冠层光合有效辐射截获量的影响主要通过叶面积增长来体现，叶面积指数与冠层光合有效辐射截获量成正相关。本试验结果同样表明，在整个生育期，控制灌溉和浅湿灌溉的冠层光合有效辐射截获量一直高于全面淹灌。一定范围内，光合强度随叶绿素含量的增加而加强，因此叶绿素含量是反映植物丰产性能的生理指标之一。郭相平等[23]研究表明，从抽穗期到乳熟期水稻叶片SPAD因叶片衰老而不断降低，但节水灌溉相比淹灌会减缓SPAD的下降。本试验研究同样发现，整个生育期中控制灌溉与浅湿灌溉下SPAD高于全面淹灌，表明节水灌溉能提高水稻叶片的SPAD，从而增强水稻叶片的光合作用强度。叶绿素荧光参数是反映植物光合效率的指标。本试验中对叶绿素荧光进行了测量，选取了Fv/Fm、qP、qN、ETR 4个参数作为检测指标。已有研究[24]表明，叶绿素荧光参数Fv/Fm、qP会随着生育期的推迟逐渐下降，而qN却会逐渐上升。而本试验结果发现，Fv/Fm从分蘖期开始上升，拔节期和抽穗期达到最大值后在乳熟期下降，qN、qP前期略有波动，从乳熟期迅速下降，ETR从分蘖期到乳熟期逐渐下降。与前人的研究产生差异的原因可能是光照强度、水分胁迫、温度变化等因素对作物的光合作用能力造成了影响。

水分利用效率反映了作物生长中能量转化效率，也是评价缺水条件下作物生长适宜程度的指标[25]。AVILA等[12]在巴西的试验结果表明，间歇灌溉与连续灌溉相比，产量没有造成影响，而灌溉用水减少了22%～76%，水分利用效率增加了15%～346%。本试验研究表明，控制灌溉与全面淹灌相比在产量上有一定的提升，灌溉用水量显著降低，控制灌溉下水分利用效率也显著高于全面淹灌，这与SONIT等[13]试验结果相同。这是由于控制灌溉在生育期受到适宜的水分胁迫，激发水稻的生长与生产潜能，提高了产量与水分利用效率。作物的产量与冠层截获辐射能力与辐射转化为干物质的效率密切相关[26]。而辐射利用效率与作物的干物质生产与冠层光截获率密切相关。辐射利用效率的差异能反映水分亏缺、养分胁迫、疾病和低温等环境因素对水稻生长发育的影响。这是因为不同阶段的水分胁迫使作物根部与冠层光合同化物的分配不同或作物在不同生育期遭受水分胁迫使得光合有效辐射截获的不同造成的[27]。研究结果表明，控制灌溉下地上部干物质量的累积与光合有效辐射截获总量都显著高于全面淹灌，控制灌溉下辐射利用效率也高于全面淹灌，这和ISLAM等[28]的结果相同，原因可能是水稻在不同生育时期受到水分胁迫，使得叶面积指数显著提升，进而增加了冠层光能有效辐射截获量，增大了辐射利用效率。