水分调控和栽培方式对滴灌水稻生长及灌溉水利用效率的影响

徐 强，吕廷波*，马晓鹏，王东旺，白 蒙，王泽林，牛靖冉

(1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003；2.新疆农业科学院 土壤肥料与农业节水研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；3.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000；4.农业部西北绿洲农业环境重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830000)

【研究意义】我国是农业大国，农业用水占总用水量比例最大，农业生产最受干旱缺水的困扰[1]。在我国传统灌溉模式下，水稻的水资源利用率只有40 %左右，而发达国家农业水资源利用率可达70 %左右。水的生产率远没有达到高效用水的要求[2]。目前传统淹水栽培模式开始逐渐向节水栽培模式转变[3-5]。【前人研究进展】汤广民[6]认为受旱对产量影响最大的阶段为拔节孕穗期，抽穗灌浆期次之，分蘖期适当的水分亏缺反而有利于旱作水稻的生长发育和增产。水稻覆膜旱作可抑制棵间蒸发，减少水分渗漏量，显著减少稻田灌溉水量，提高灌溉水的利用效率[7]。大量旱作水稻研究结果表明，覆膜栽培方式下旱作水稻不仅可实现稳产甚至还能增产[8-9]。【本研究切入点】前人对旱作水稻的覆膜、水分调控等方面研究较多，但有关覆膜与裸地两种栽培方式下，滴灌水稻进行水分调控处理对水稻生长发育、灌溉水利用效率的影响研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】研究滴灌水稻分蘖期水分调控对两种栽培方式下滴灌水稻的生长发育、灌溉水利用效率的影响，提出较为合理的滴灌水稻分蘖期调控措施，为滴灌水稻的节水栽培提供可靠的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2018年5-10月在新疆石河子大学农试场二连现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地(东经85°59′47′′，北纬 44°19′29′′，海拔 412 m)进行，该站区为温带大陆性干旱气候，无霜期 171 d，平均地面坡度6 ‰，多年平均降水量在200 mm左右，多年平均蒸发量1600 mm，多年平均日照时间2700 h，年平均风速1.5 m/s。试验田土壤属于壤土，田间持水率为21.24 %，土壤干容重为1.56 g/cm3。

1.2 试验设计

本试验采用测坑方式进行，每个处理对应一个测坑，测坑为2 m×3 m×2 m。试验方案见表1。每个处理3个重复。模式为1膜2管4行(行距15 cm+30 cm+15 cm+30 cm，株距10 cm)，每个测坑共有4根毛管，滴灌带间距20 cm，流量1.8 L/h。由人工将稻种点播到孔中，毎穴点种8粒，深度2～3 cm，干播湿出，并且将膜孔用土壤封口，防止草害。出苗后及时放苗，毎穴保留6株，在苗期和分蘖初期分别中耕1次，全生育期人工拔草。各处理施肥管理一致，全生育期施肥总量为厩肥15 t/hm2，水溶性有机肥120 kg/hm2，纯氮300 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。基肥在临秋冬翻地时一次性施用厩肥15 t/hm2、P2O590 kg/hm2。苗期肥分3次随水滴施纯氮30 kg/hm2，P2O515 kg/hm2。分蘖肥分3次随水滴施纯氮110 kg/hm2，K2O 15 kg/hm2。拔节肥分3次随水滴施纯氮110 kg/hm2，K2O 25 kg/hm2，有机肥60 kg/hm2。穗肥分4次随水滴施纯氮50 kg/hm2，K2O 50 kg/hm2，有机肥60 kg/hm2。其他田间管理措施保持一致。选用新稻16号为试材，于2018年5月5日播种。6月5日开始进行水分调控处理，7月5日水分调控结束，共30 d。本文中F表示覆膜，L表示裸地。

表1 试验设计Table 1 Test design

1.3 测定项目与方法

(1)使用北京东方润泽生态科技股份有限公司生产的智墒(云智能土壤水温传感器)对土壤中0～1 m深度的水分、温度变化的监测，各月份作物系数Kc及参考作物腾发量ETo查询得到。

(2)茎蘖的发生与消亡动态：试验是通过定点观测每个测坑选取有代表性的3穴于3叶期前(膜中、边行、棵间)挂牌，6月5日开始调查分蘖动态，每6 d调查 1 次，到7月23日停止。

(3)叶面积：分别于苗期、分蘖期、拔节期、齐穗期和成熟期选取长势一致的具有代表性的单株片完全叶作为标准叶，测量其长宽，按照叶面积=0.75×长×宽(成熟期为0.67)。

(4)生物量：于各生育期末将水稻植株冲洗干净，在恒温箱中105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒重，使用万分之一克感量电子天平称量。

(5)考种测产：水稻成熟时，每个处理取3穴测定水稻产量构成，包括单株有效穗数、每穗总粒数、每穗实粒数、每穗空粒数、成穗率和千粒重，后收割各处理测产。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2003进行整理，采用Spss stitistic 19.0软件进行统计分析，计算各处理性状的平均值，并进行相关性分析。使用Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 水分调控和栽培方式对滴灌水稻株高的影响

从图1可知，在水稻整个生育期内，各处理株株高度变化趋势相似，随生育期进程株高不断增加。苗期到拔节期快速增加，灌浆期之后增加缓慢。各处理在苗期和分蘖期时株高无显著差异，自拔节期开始株高差异显著，直到成熟期水稻株高停止变化。在2种栽培模式下，生育后期不同水分处理的平均株高表现为：W2>W1>W3，说明W1、W2处理对水稻株高影响不大，W3处理水分胁迫严重降低株高。覆膜栽培下3个处理植株高度均高于裸地栽培下3个处理，但差异不显著。

2.2 水分调控和栽培方式对滴灌水稻分蘖动态的影响

水分调节可以促进水稻对水分和养分的吸收，是影响水稻营养生长的重要因素[10]。不同水分处理下水稻茎蘖消长动态基本保持一致，都是分蘖数达到最大值后逐渐下降。从图2中可以看出，分蘖期不同水分处理对水稻分蘖动态的影响较大。各处理分蘖动态同步性较好均表现为31 d达到分蘖最大值，之后稳定下来。在2种栽培方式下，分蘖期结束时单穴分蘖数都表现为W1>W2>W3，分蘖期水分调控对最终分蘖数具有明显的影响，且有随着干旱胁迫加重而下降的趋势。最终分蘖数表现为覆膜栽培下水稻分蘖数量平均分蘖数为17.44蘖/穴，裸地栽培下水稻分蘖数量平均分蘖数为17.60蘖/穴，说明两种种植模式对滴灌水稻分蘖数影响不大。

2.3 水分调控和栽培方式对滴灌水稻叶面积的影响

叶面积是光合作用的基础，较高的叶面积对产量形成至关重要[11]。从图3可知，6个处理的叶面积生展动态基本一致。叶面积变化均为单峰曲线，随生长时期的不断推移单穴叶面积不断增大。水稻分蘖期后叶面积快速提高，到拔节期达最大值而后下降。2种栽培方式下，苗期时各处理单穴叶面积无显著差异，分蘖期表现为W1>W2>W3，拔节期表现为W2>W1>W3。灌浆期和成熟期时W2处理仍能够保持较高的群体光合叶面积。生育后期W2处理能保持较高叶面积，有利于水稻光合作用的进行，进而影响干物质的积累和产量的形成。

图1 水分调控和栽培方式对滴灌水稻株高的影响Fig.1 Effects of water regulation and cultivation methods on plant height of drip irrigation rice

图2 水分调控和栽培方式对滴灌水稻分蘖动态的影响Fig.2 Effects of water regulation and cultivation methods on tillering dynamics of drip irrigation rice

2.4 水分调控和栽培方式对滴灌水稻干物质量积累的影响

干物质积累动态与产量密切相关，同样的干物质积累量，穗分化前期积累量越大，成穗率越低。因此，优化干物质积累动态是提高成穗率，实现高产的基础[12]。图5表明各生育期的干物质积累量及其占总干质量的比例。结果表明，在2种栽培方式下，水分调控可使拔节期以前干物质积累量与其占总干质量的比值下降，其中各处理占总干质量比例分别为:W1、W2、W3处理分别为45.67 %和46.03 %、38.25 %和42.99 %、40.92 %和43.17 %；水分调控使各处理拔节期之后干物质积累量及其占总干质量的比值提高，拔节期之后W1、W2、W3处理积累的干物质量占全生育期的比例分别为54.33 %和53.93 %、61.75 %和57.01 %、59.08 %和56.83 %；同时，W2处理干物质总量较W1、W3处理有所增加，分别提高了4.09 %和5.24 %、9.43 %和7.74 %。覆膜栽培比裸地栽培表现更好，覆膜栽培使拔节期以前干物质积累量与其占总干质量的比值降低，覆膜栽培与裸地栽培各处理的平均值为41.61 %、44.06 %；拔节期之后覆膜、裸地各处理积累的干物质量占全生育期的比例分别为58.39 %、55.94 %；同时，覆膜处理干物质总量较裸地处理有所增加。

图3 水分调控和栽培方式对滴灌水稻叶面积的影响Fig.3 Effects of water regulation and cultivation on rice leaf area under drip irrigation

2.5 水分调控和栽培方式对滴灌水稻产量构成的影响

由表2可知，栽培方式和分蘖期水分胁迫对水稻的有效穗数影响显著，表现为F>L，W2>W1>W3。这主要是因为分蘖期W1在充分供水条件下，产生了过多的无效分蘖，导致后期有效穗数减少，而W2处理适度的水分胁迫可提高水稻的有效穗数，W3处理水分胁迫程度过大则抑制了水稻的分蘖，导致后期有效穗数降低，从而影响了产量；实粒数也表现为W2>W1>W3，说明W2处理分蘖期适度的水分胁迫可提高水稻的实粒数；F因素(覆膜和裸地方式)和 W 因素(水分处理)之间的互作效应对结实率、成穗率、每穗粒数、产量的影响达到显著水平，对有效穗数、千粒重的影响则未达到显著水平。

图4 水分调控和栽培方式对滴灌水稻干物质量积累的影响Fig.4 Effects of water regulation and cultivation methods on dry matter accumulation in drip irrigation rice

2.6 水分调控和栽培方式对滴灌水稻耗水量及水分利用效率的影响

由图5可知，滴灌水稻作物系数呈现单峰曲线趋势，在8月达到最值，后逐渐降低。2种栽培方式下，作物系数均表现为W1>W2>W3。其中覆膜栽培方式下W1作物系数介于0.59～1.49，均值为1.08；W2作物系数介于0.57～1.32，均值为1.02；W3作物系数介于0.63～1.22，均值为0.96。

裸地栽培方式下W1作物系数介于0.93～2.05，均值为1.58；W2作物系数介于0.92～1.74，均值为1.40；W3作物系数介于0.93～1.64，均值为1.28。覆膜栽培下作物系数介于0.57～1.49，平均值为1.02；裸地栽培下的作物系数介于0.92～2.05，平均值为1.43。覆膜栽培滴灌水稻平均作物系数仅为裸地栽培的71.33 %。

表2 不同处理产量构成Table 2 Yield composition of different treatments

由ET=Kc×ETo计算各月的耗水量如图5，滴灌水稻耗水量与作物系数变化一致，在8月达到最值，后逐渐降低。2种栽培方式下，全生育期的耗水量表现为W1>W2>W3。覆膜栽培下W1处理全生育期耗水量与W2、W3处理相比分别高出5.93 %、11.39 %；裸地栽培下W1处理与W2、W3处理相比全生育期耗水量分别高出12.86 %、22.48 %。覆膜栽培下各处理耗水量为9461.92～10 821.37 m3/hm2，平均值为10 149.71 m3/hm2；裸地栽培下各处理腾发量为12 741.38～15 787.21 m3/hm2，平均值为14 146.17 m3/hm2。滴灌水稻裸地栽培平均耗水量为覆膜栽培的1.39倍。

全生育期灌溉水量与滴灌水稻产量、灌溉水利用效率的回归曲线关系。从图6可以看出：2种栽培方式下，水稻产量、灌溉水利用效率与全生育期灌水量的回归曲线均为2次多项式曲线。在覆膜栽培方式下W2处理灌溉水利用率最高为0.64 kg/m3，产量为6733.67 kg/hm2，灌溉水量为10 7101.9 m3/hm2。裸地栽培方式下W2处理灌溉水利用效率最高，效率为0.46 kg/m3，灌溉水量为13 930.9 m3/hm2，产量为6505.5 kg/hm2。

3 讨 论

水分胁迫可以改善冠层结构、茎蘖动态及株型等，从而可能有利于产量的提高[14]。在2种栽培方式下W1、W2处理对水稻分蘖影响不大，W3水分处理则严重降低分蘖数量。水稻主要依靠主茎和一次分蘖成穗的产量贡献，分蘖早生快发，争取低位蘖有利于增产。一次分蘖的对产量贡献最大，占总产量的60 %左右[15]。本研究结果表明两种栽培方式下W2处理可促进滴灌水稻分蘖早发，提高早期分蘖速率，减少后期高位蘖分蘖发生，促进低位蘖成穗，进而提高成穗率和产量。水分调控对水稻叶面积影响显著，又能延缓下位叶的衰老，增加光合作用的时间[16]。2种栽培方式下分蘖期适度的水分胁迫有利于生育后期叶面积保持较高水平，这与于美芳等[17]研究结果一致。 生殖生长期干物质量占总物质量比例较高，有利于子粒的形成，最终获得高产[18]。本研究表明在不同栽培条件下，W2处理拔节期之后积累的干物质量占全生育期的比例最高，最终产量也最高。

图5 各处理作物系数及耗水量变化Fig.5 Variations of crop coefficients and water requirements for each treatment

图6 滴灌水稻全生育期灌溉水量与水稻产量和灌溉水利用效率的关系Fig.6 The relationship between irrigation water amount and rice yield and irrigation water use efficiency during the whole growth period of drip irrigation rice

韩娴姝等[19]指出宁夏地区覆膜滴灌水稻的作物系数介于0.31～1.04，平均作物系数为0.71作物系数，呈现出类抛物线形态，呈先增加后减小的趋势。这与本研究5-9月的作物系数趋势一致。本研究表明石河子地区覆膜栽培下的作物系数介于0.30～1.02，平均值为0.76；裸地栽培下的作物系数介于0.6～1.41，平均值为1.08。覆膜栽培作物系数略高于前人研究成果，这可能与试验地区、水稻品种等因素有关。

干旱胁迫对作物灌溉水利用率的影响存在异议，有报道认为干旱胁迫可提高作物灌溉水利用效率[20]，但也有学者认为干旱胁迫会降低灌溉水利用效率[21]。本研究认为，2种栽培方式下生育期灌溉水量与灌溉水利用效率均为2次回归曲线关系。适度的水分胁迫可以提高灌溉水利用效率，而随着水分胁迫的加重，灌溉水利用效率则逐渐降低。

4 结 论

(1)W1、W2处理对水稻株高影响不大，W3处理水分胁迫严重降低株高。分蘖期水分调控对最终分蘖数具有明显的影响，且有随着干旱胁迫加重而下降的趋势。生育后期W2处理仍能够保持较高的群体光合叶面积。生育后期W2处理能保持较高叶面积，更利于水稻光合作用的进行光合产物的积累以及最终产量的形成。

(2)水分调控降低了拔节期以前干物质积累量与其占总干质量的比值。覆膜栽培降低了拔节期以前干物质积累量与其占总干质量的比值。同时，覆膜栽培干物质总量较裸地栽培有所增加。

(3)F因素(栽培方式)和 W 因素(水分调控)之间的互作效应对结实率、成穗率、每穗粒数的影响达到显著水平，对有效穗数、千粒重的影响则未达到显著水平。

(4)石河子地区滴灌水稻覆膜栽培下作物系数介于0.57～1.49之间，平均值为1.02；裸地栽培下的作物系数介于0.92～2.05之间，平均值为1.43。覆膜栽培滴灌水稻平均作物系数仅为裸地栽培的71.33 %。

(5)2种栽培方式下水稻产量、灌溉水利用效率与灌溉水量的回归曲线均为2次多项式曲线，在覆膜栽培方式时W2处理灌溉水利用率最高为0.64 kg/m3，产量为6733.67 kg/hm2，灌水量为107 101.9 m3/hm2。裸地栽培方式时W2灌溉水利用效率最高为0.46 kg/m3，灌水量为13 930.9 m3/hm2，产量为6505.5 kg/hm2。

综上可知，分蘖期水分调控对不同栽培方式滴灌水稻的生长、灌溉水利用效率有显著性影响。滴灌水稻分蘖期适度的水分胁迫有利于作物生长发育进而提高产量，从滴灌水稻节水栽培的角度考虑，滴灌水稻FW2处理可作为基于本试验条件下较适宜的调控措施。