不同灌溉方式对香稻产量品质及水分利用率的影响

韦小珊,梁俭伟,张集胜,佟天一,黄穗华 ,莫钊文,田 华,潘圣刚,段美洋,唐湘如

(1.华南农业大学 农学院,广东 广州 510642；2.农业部华南地区作物栽培科学观测实验站,广东 广州 510642)

水稻是我国的主要粮食作物,同时也是用水量最多的作物[1]。水分管理方式对其产量和品质会产生重要影响[2],传统的“大水大肥”粗放式管理, 灌溉决策主要依据生产经验判断, 主观性强、随意性大, 过量灌溉施肥现象较为普遍, 导致水、肥资源浪费, 土壤盐渍化、酸化, 水体环境污染加重[3]。随着社会经济的发展,对水资源的需求进一步扩增,研究如何解决有限的农业水资源的合理利用以满足农业生产需要的问题,从而提高水资源的利用率,是解决当前水资源供需矛盾的重要途径[4]。近年来,为在一定程度上缓解农业用水紧张,国内外学者在灌溉方式对水稻生长发育的影响方面进行了大量研究[5]出现了湿润灌溉、干湿交替灌溉以及旱种旱管等节水灌溉方式[2]。研究发现，在适宜的时期进行适度控水可有效改善水稻田间温光条件[6-7],强壮稻株根系,提高养分的吸收和利用能力[8-9],从而激发植物潜能增产提质[10],实现降本增效,又能发挥社会带动作用[11]。与淹水灌溉相比,干湿交替灌溉水分管理在维持和提高水稻产量的同时,可以节约用水量,显著提高水分利用效率[12-13]。

香稻是稻中的珍品,香米因具有怡人香味而受到消费者的喜爱,具有很高的市场价值[14-15],随着人口增长、人民生活水平的提高,人们对于水稻的风味及营养价值有了更高的追求[16]。香稻米的价格比一般优质大米高出很多,同时其销量仍在逐年增长[17],香稻已经引起国内外植物学家和水稻育种学家的高度关注[18]。如何在稳产甚至增产的前提下提高香稻水分利用率是目前人们研究的重点和热点,且鉴于香米高价值和日益增加的需求量,深入开展香稻增香的研究对提高种稻效益,并进一步促进香稻大面积推广种植和专业化生产具有重要意义[19]。依据国内外众多学者对稻田非充分灌溉技术的大量研究结果[20],本研究通过选用2个香稻品种,设置了5种不同的灌溉方式,与常规灌溉模式进行对比,分析了在不同灌溉模式下对香稻产量品质及其水分利用率的影响,皆在为提高香稻的高产优质栽培及水分利用率提供一定的理论依据和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料与栽培概况

试验于2018年晚季在广东省广州市华南农业大学教学试验农场进行。供试水稻品种为象牙香占和美香占2号2个常规香稻品种,自播种至收获的生育期为113 d,采用盆栽土培(盆上内径 30 cm,下内径25 cm,高 25 cm),每盆装干土12.5 kg。土壤理化性质：有机质 22.01 g/kg,全氮0.93 g/kg,全钾23.26 g/kg,全磷 0.87 g/kg,pH值4.57。基质育秧,7月17日播种, 8月1日移栽3苗/穴,每盆5穴。基肥每盆施香稻专用肥(12.5% N，6% P2O5, 10%K2O和15%有机物)10 g,采用一次性全施肥法。移栽后至水稻返青开始进行水分处理于11月6日收获。

1.2 试验设计

试验设置了常规灌溉(对照)、干湿交替灌溉、轻度落干灌溉、自然补水灌溉、重度落干灌溉5种灌溉模式,分别用CK、W1、W2、W3、W4表示。CK:常规灌溉,按照传统的灌溉模式对水稻进行浅水灌溉2～4 cm,中期晒田,浅水灌溉直至收获的前7 d排水晒田； W1:干湿交替灌溉,移栽返青后保持土壤表面湿润状态,当土壤水势达-15 kPa左右时进行浅水灌溉,待其自然落干,再浅水灌溉2～4 cm,依次循环；W2:轻度落干,齐穗期后进行轻度落干处理,待土壤自动落干至-15 kPa后进行灌溉2～4 cm,待其自然落干至指定土壤水势后继续灌溉,如此循环至收获前7 d晒田； W3:自然补水灌溉,移栽返青后,在自然雨水灌溉的条件下,观察水稻植株当达到萎蔫状态(-50～-70 kPa)时对其进行浅水灌溉2～4 cm,待其自然落干水稻植株再次达到萎蔫状态时再进行浅水灌溉2～4 cm,如此循环至收获前7 d排水晒田； W4:重度落干,水稻前期按照传统灌溉方式进行,待水稻生长至齐穗期后对水稻进行重度落干处理,即当土壤水势达-30 kPa后进行灌溉2～4 cm,待其自然落干至-30 kPa后再灌溉,依次循环。每个处理安装真空表式土壤负压计(中国科学院南京土壤研究所生产),监测9～11 cm 深土壤水势,每天8:30及18：00记录水势,当土壤水势达到所指定指标值时,用容量瓶灌溉2～4 cm,每个处理18盆,共计216盆,整个生育期严格控制病虫草害。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 考种 于水稻成熟期,各处理取9盆用于考种,每3盆作为一个重复,计有效穗数、穗粒数、结实率、千粒质量,另外将每3盆脱粒后称质量计算每3盆收获的籽粒质量。

1.3.2 稻米品质测定 将收获的稻米风干储藏3个月,用于品质性状的测定。谷粒直链淀粉含量和蛋白质含量用FOSS-TECATOR公司生产的近红外谷物分析仪(In-fratec1241 grain analyzer)测定。糙米率、整精米率、垩白粒率、垩白度、长宽比等的测定参照部颁标准《NY147-88米质测定方法》。

1.3.3 光合特性生理 于水稻分蘖盛期、孕穗期、齐穗期及成熟期选择天气晴朗有太阳的上午(9:00-11：00),随机选取9株长势一致的水稻植株用LI-6400便携式光合测定仪(LI-COR公司,美国)测定最顶端完全展开叶的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Cond)以及水分利用率 (WUE) 等光合特性。

1.3.4 水分利用率 每盆实际灌溉水量(m3) 所生产的干物质(稻谷/kg) 量作为灌溉水的生产效率,按照公式计算灌溉水分利用效率(Water use efficiency,WUE):

WUE=单位面积产量/单位面积灌溉量。

1.4 数据处理

用Microsofit Excel和 Statistics 软件进行数据整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 产量及其构成因素

由表1可知,就象牙香占而言, 与CK相比,W1、W2处理下产量分别提高了8.23%和11.24%,差异未达到显著性,而W3处理显著降低了24.32%, W4处理降低了17.57%，未达到显著性差异。产量提高的主要原因是在处理W2条件下,提高了象牙香占的每盆穗数、穗粒数及千粒质量,W1处理下提高了结实率和千粒质量；而在处理W3下,由于水分胁迫严重不仅导致其每盆穗数降低,其穗粒数和结实率均显著下降,W4处理下由于齐穗后期重度落干处理,水稻受到水分胁迫,水分供应不足,阻碍籽粒灌浆结实,产生了很多空瘪粒,这是其减产的主要因素。就美香占2号而言,与CK相比,W1、W2处理下产量分别提高了0.05%和6.99%,没有达到显著差异,而W3、W4处理下产量分别显著降低了27.07%和17.61%。原因是W1处理下其每盆穗数、结实率得到提高,W2处理下有效穗数、穗粒数、千粒质量提高,从而提高了产量；而在W3处理下水稻自返青开始便受到了水分胁迫,从而导致其有效穗穗数和结实率均显著降低,处理W4作用下尽管穗粒数较高,但其不仅有效穗数降低且结实率显著降低,导致W3、W4处理下产量显著降低。

表1 不同灌溉方式对香稻产量及其构成因素的影响Tab.1 Effects of different irrigation methods on yield and composition factors of fragrant rice

2.2 稻米品质

由表2可知,不同的灌溉模式下对不同香稻品质影响各不相同。就象牙香占而言,与对照相比,各处理条件下的糙米率无显著差异，除 W4处理显著降低了其整精米率外,其余各处理的整精米率均显著提高。就蛋白质含量而言，除W1处理显著提高其蛋白质含量外，其余各处理均显著降低。除W1处理显著降低其直链淀粉外,其余各处理均无显著差异； 就垩白粒率、垩白度而言，W3处理能够显著提高其垩白粒率、垩白度；W1、W2、W4处理其垩白粒率显著降低,W1处理其垩白度无显著性差异,W2、W4处理垩白度显著性降低。

就美香占2号而言,与对照相比,除处理W4糙米率显著降低外,W1、W2处理糙米率显著提高,W3处理糙米率无显著差异。W3、W4处理能够显著降低整精米率，其余各处理均显著提高。W2处理下显著提高其蛋白质含量。其余各处理均显著降低其蛋白质含量。除W2处理显著降低了其直链淀粉外,其余各处理均无显著差异。除W1处理显著提高了垩白粒率、垩白度外,其余各处理均显著降低或无显著差异。就长宽比而言，除W2、W4处理下显著提高了其长宽比外,W1处理下其籽粒长宽比显著降低,W3处理下无显著差异。

表2 不同灌溉方式对香稻品质的影响Tab.2 Effects of different irrigation methods on composition factors of fragrant rice quality

2.3 不同灌溉方式对香稻光合特性的影响

2.3.1 气孔导度 由图1可知,就象牙香占而言,与CK相比,W1处理除分蘖盛期显著性提高其气孔导度外,其余各时期均无显著差异；W2处理各时期气孔导度均无显著性差异；W3处理分蘖盛期、孕穗期气孔导度显著提高,齐穗期显著降低,成熟期无显著差异；W4处理各时期气孔导度均无显著差异。就美香占2号而言,与CK相比,W1处理下各时期气孔导度均显著提高；W2处理下除齐穗期显著提高外,其余各时期气孔导度均无显著差异；W3处理下各时期气孔导度均显著提高；W4处理孕穗期显著提高了气孔导度,成熟期气孔导度显著降低,分蘖盛期、齐穗期其气孔导度无显著差异。

不同小写字母表示差异显著(P<0.05,LSD 检验)。图2-4同。Different lowercase means significant difference (P<0.05, LSD test).The same as Fig.2-4.

2.3.2 净光合速率 由图2可知,就象牙香占而言,与CK相比,W1处理分蘖盛期净光合速率无显著差异,孕穗期、齐穗期和成熟期净光合速率均显著提高；W2处理齐穗期净光合速率显著降低,分蘖盛期、孕穗期、成熟期净光合速率均无显著差异；W3、W4处理除分蘖盛期净光合速率无显著差异外,其余各时期净光合速率均显著提高。就美香占2号而言,与CK相比,W1处理除分蘖盛期净光合速率显著降低外,其余各时期净光合速率均显著提高；W2处理分蘖盛期、孕穗期净光合速率无显著差异,齐穗期、成熟期净光合速率均显著提高；W3处理分蘖盛期、成熟期净光合速率均显著降低,齐穗期显著提高,孕穗期无显著差异；W4处理分蘖盛期、孕穗期净光合速率无显著差异,齐穗期、成熟期净光合速率均显著提高。

图2 不同灌溉方式对香稻叶片净光合速率的影响Fig.2 Effects of different irrigation methods on net photosynthetic rate of fragrant rice

2.3.3 蒸腾速率 由图3可知,对象牙香占而言,与CK相比,W1处理除成熟期显著提高蒸腾速率外,其余各时期蒸腾速率无显著差异；W2处理各时期蒸腾速率均无显著差异；W3处理除齐穗期和成熟期无显著差异外,其余各时期均显著提高了蒸腾速率；W4处理除齐穗期蒸腾速率无显著差异外,其余各时期蒸腾速率均显著降低。就美香占2号而言,与CK相比,W1处理各时期蒸腾速率均显著提高,W2处理除分蘖盛期、齐穗期蒸腾速率显著降低外,其余各时期其蒸腾速率均无显著差异；W3处理孕穗期、齐穗期蒸腾速率显著提高,分蘖盛期、成熟期均无显著差异；W4处理齐穗期、成熟期蒸腾速率显著提高,孕穗期显著降低,分蘖盛期蒸腾速率无显著差异。

图3 不同灌溉方式对香稻叶片蒸腾速率的影响Fig.3 Effects of different irrigation methods on the transpiration rate of fragrant rice leaves

2.4 不同灌溉方式对香稻水分利用率的影响

由图4可知,两香稻品种在各处理下其灌水量均显著低于常规灌溉处理。在轻度灌溉和干湿交替灌溉处理的条件下均能够有效提高两香稻品种的水分利用率,其次过度的水分胁迫不仅不能提高香稻的产量反而降低香稻的水分利用率。就象牙香占而言,与CK相比,在W1、W2处理下其水分利用率分别提高了24.35%和19.94%,而在W4处理下其水分利用率降低了3.22%。就美香占2号而言,与CK相比,W1、W2、W4处理下水分利用率分别提高了20.47%,28.01%,5.65%。象牙香占在齐穗后期重度落干处理下水分利用率降低的原因可能是由于土壤过度干燥导致开裂,水稻受到的干旱胁迫过渡导致产量降低。

图4 不同灌溉方式对香稻水分利用率的影响Fig.4 Effects of different irrigation methods on water use efficiency of fragrant rice

3 讨论与结论

随着水资源供需矛盾日益激烈,近年来关于节水稻作、旱作水稻及土壤水分胁迫对水稻生长、发育及产量影响的研究较多[21],但研究结果不一,有研究认为节水灌溉比保持水层灌溉可提高产量[22-25],也有研究认为节水灌溉将降低产量[26-28]。本研究结果表明,与传统漫灌的水稻栽培方式(CK)相比,全生育期干湿交替灌溉(W1)和齐穗后期轻度落干灌溉(W2)处理均能够提高2个香稻品种的产量,自然补水灌溉(W3)、齐穗后期重度落干灌溉(W4)处理下香稻品种象牙香占产量降低但没有达到显著差异,美香占2号的产量显著降低,这与裴岗、傅志强等[29-30]研究结果较一致。从产量构成因素上来看,可以发现W1、W2产量的提高与产量构成因素的提高密切相关,而W3和W4产量的显著降低是由于在高强度的水分胁迫下产量的构成因素有效穗数、穗粒数降低或无显著差异加上结实率显著降低而导致的减产。这可能是由于轻度的节水灌溉和干湿交替灌溉,有利于根系的生长并提高了根系活力,使水稻吸收更多的水分和养分,提高了水稻的净光合速率、蒸腾速率,利于“源”的积累和“库”的形成,从而有利于同化物向库的运输,促进籽粒灌浆结实[21],从而获得增产,而自然补水灌溉和齐穗后期重度落干灌溉处理下水稻受水分胁迫严重处于水分亏缺状态,使“源”不足,阻碍籽粒灌浆结实,导致有效穗数、穗粒数、结实率和千粒质量低,是造成产量低的主要原因[30]。

其次不同灌溉方式对不同香稻品种的稻米品质影响也不一样,就象牙香占而言,干湿交替灌溉和齐穗后期轻度落干灌溉处理下香稻整精米率显著提高,垩白粒率、垩白度显著降低，长宽比显著提高,显著提高了稻米品质；自然补水灌溉下整精米率显著提高,蛋白质含量显著降低,垩白粒穗率、垩白度显著提高,显著降低了稻米外观品质；齐穗后重度落干灌溉处理下香米整精米率、蛋白质含量显著降低,碾磨品质显著降低,外观品质显著提高。就美香占2号而言,干湿交替灌溉处理下显著提高了糙米率、整精米率,碾磨品质显著提高,垩白粒率、垩白度显著提高,显著降低了稻米的外观品质；齐穗后轻度落干灌溉处理下糙米率、整精米率、蛋白质含量显著提高,垩白粒率、垩白度显著降低，长宽比显著提高,显著提高了稻米品质。自然补水灌溉处理下,整精米率、蛋白质含量显著降低,外观品质无显著性差异,稻米品质显著降低；齐穗后重度落干灌溉处理下香米糙米率、整精米率、蛋白质含量显著降低,显著降低了稻米的碾磨品质,但外观品质显著提高。本研究结果表明,干湿交替灌溉能够改善稻米品质,齐穗后轻度落干能够显著提高稻米品质,这可能是干湿交替灌溉和齐穗后轻度落干灌溉处理下显著增强了籽粒中的蔗糖合成酶等酶的活性,提高了淀粉积累速率和数量[31],这与刘立军等[32]、柯传勇[33]结果一致。自然灌溉条件下稻米品质显著降低,齐穗后重度落干灌溉处理虽然外观品质显著提高,但其碾米品质和蛋白质含量显著降低,对稻米品质产生了一定影响。这与杨建昌等[31]、王秋菊等[34]、徐国伟等[35]的研究结果较一致。此外本研究结果表明,各处理除了齐穗后期重度落干灌溉处理下降低了象牙香占的水分利用率外,其余各处理均能够提高香稻的水分利用率,这与杨生龙等[36]研究结果不太一致,造成研究结果不一致的原因可能与试验地所处的生态环境、栽培方式、品种类型及水分处理的时间及干旱程度的不同等内外在因素有关。

在农艺技术条件和气候因素相同的条件下,与常规灌溉相比,干湿交替灌溉、齐穗后轻度落干灌溉、自然补水灌溉以及齐穗后重度落干灌溉方式下,象牙香占产量分别增产8.23%,11.24%,减产24.32%,17.57%；美香占2号产量增产0.05%,6.99%,减产 27.07%,17.61%。

与常规灌溉相比,干湿交替灌溉、齐穗后轻度落干灌溉、齐穗后重度落干灌溉方式下象牙香占水分利用率分别提高24.35%，19.94%，降低3.22%；美香占2号水分利用率分别提高了20.47%,28.01%,5.65%。

不同灌溉方式对稻米品质影响不同,与常规灌溉相比,齐穗后期轻度落干能够显著提高稻米品质,干湿交替灌溉能够有效改善稻米品质,自然补水灌溉处理显著降低了稻米品质,齐穗后期重度落干虽然能够显著提高稻米的外观品质,但其研磨品质显著降低,影响了稻米品质。