土壤改良和灌溉方式对水稻水分利用及光合特性的影响

陈 昱，时 红，才 硕，曹 娜，陈忠平，王向光，徐 涛

（1.江西省灌溉试验中心站，南昌330201；2.江西省农业科学院园艺研究所，南昌330200；3.江西省农业技术推广中心，南昌330046；4.江西省八都镇农业技术综合服务，江西吉水331603）

水稻是我国最重要的口粮作物，其高产稳产对保障我国粮食安全具有十分重要的意义。峡江水利枢纽抬田工程位于吉安市峡江县境内赣江中游河段，“造”出了原本要被淹没的2 500 hm2耕地［1］，在保护耕地资源的永续利用中起着重要的作用。然而抬田措施的实施会破坏土壤原有的稳定结构，降低土壤保水保肥能力，从而使得稻田的生产能力出现明显下降［2，3］。原本为了垫高水库浅水淹没区的耕地以满足农业生产要求，而今却带来了一系列影响整个区域稻田的生产能力的问题。近年来，国内外科研工作者在水稻土壤改良方式对水稻生长发育、产量的影响等方面进行了大量研究，土壤改良方式有土壤改良剂、有机肥、绿肥、秸秆还田等。有研究表明，土壤改良方式可以改善土壤理化性质，提高作物对水分和养分的吸收，从而保证土壤质量。胡志华等［4］研究发现，施用土壤改良剂可以显著增加水稻有效穗数、结实率和穗粒数，显著增强其各生育期干物质积累，同时还能提高水稻产量。邱才飞等［5］研究了废白土基有机肥对水稻生长、产量及品质的影响，结果表明有机肥可以提高水稻叶片的叶面积和叶绿素含量，还能增加水稻分蘖数、有效穗数、每穗粒数、千粒重及产量，而且还能使稻米品质指标均有所提高。在研究减施化肥下紫云英和秸秆还田对土壤养分及活性有机碳的影响发现，与空白对照处理相比，紫云英、秸秆还田下均能有效提高土壤有机质、碱解氮、颗粒有机碳的含量［6］。因此，可以通过土壤改良方式，探索实现抬田区稻田恢复生产能力的途径。

我国作为农业大国，农业灌溉用水耗水量巨大，水稻是粮食生产用水量第一的作物，其灌溉用水量约占农业用水总量的70%［7］。而我国淡水资源仅为世界平均水平的1/4，且随着全球气候的变化和环境污染愈演愈烈，灌溉水资源变得越来越匮乏，严重威胁到粮食安全的发展。为了水稻的可持续发展以确保粮食供应安全，因此，国内外不少学者对节水灌溉方式与技术进行了大量研究［8-10］。经过多年的研究与探索，也取得了一些成果，有“薄浅湿晒”灌溉技术［11-13］、控制灌溉技术［14，15］、间歇灌溉技术［16-18］等。研究表明，江淮地区采用的间歇灌溉方式可以降低水稻的灌溉用水量及灌排水次数，从而提高灌溉水利用效率和降水利用率，为稻田高产水分高效利用提供技术保障［19］。

综上，从土壤改良方式和节约农业用水的角度，研究适合峡江水利枢纽抬田区节水高产稳产，水资源高效利用的生产模式具有重要意义。本试验以江西省峡江水利枢纽工程抬田稻田土壤作为研究基础，通过研究土壤改良方式和灌溉方式对抬田区双季稻产量、水分利用效率及光合特性的影响，筛选出最适合抬田区双季稻生长的栽培方式，为双季稻节水增产提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2014年选择在江西省灌溉试验中心站试验基地（东经115°58′，北纬28°26′）大型综合测坑（《地下工程防水技术规范（GB50108-2001）》）中进行，大型综合测坑土壤来自峡江抬田区土壤，按照抬田工程设计结构进行回填，用于模拟抬田工程。试验早稻品种为“陆两优996”，晚稻品种为“天优华占”。红花草于2013年10月初种植于江西省灌溉试验研究基地，在盛花期收割后运至试验基地大测坑，根据试验要求进行还田。红中生物有机肥（氮、磷、钾≥6%）、土壤改良剂（贵州产）等均在市场上购买。其中紫云英、生物有机肥、土壤改良剂、早稻秸秆的营养成分如下：红花草全氮含量为29.56 g/kg，全磷含量为1.88 g/kg，全钾含量为47.9 g/kg。生物有机肥全氮20.4 g/kg，全磷0.87 g/kg，速效钾117.99 mg/kg，有机质22.94 g/kg，pH 值5.20。土壤改良剂全氮0.06 g/kg，全磷0.47 g/kg，速效钾409.63 mg/kg，有机质19.78 g/kg，pH 值6.53。秸秆的全氮0.86 g/kg，全磷0.84 g/kg，速效钾31.96 mg/kg，有机质14.89 g/kg，pH值5.38。

1.2 试验设计

在考虑灌溉方式上，进行不同土壤改良措施对比研究。试验设2种灌溉方式，即淹水灌溉（F1）和间歇灌溉（F2），设4种土壤改良方式，即无改良措施（Y1，CK）、土壤改良剂（Y2）、生物有机肥（Y3）、绿肥还田+早稻秸秆腐蚀剂（Y4）。试验共设8 个处理，设置3 次重复，总计24 个小区，每个测坑的平面形状为内边长2 m×2 m 的正方形，测坑面积为4 m2，周边种植与测坑相同的作物，以保护测坑周边环境。除秸秆还田处理外，其他试验小区早、晚稻秸秆均不还田。各试验小区栽插方式与病虫害防治等措施均按照当地习惯操作，且处理间保持一致。

在土壤改良措施实施时，土壤改良剂、生物有机肥分别按照3 450 和3 330 kg/hm2于早、晚稻耕田时一次性施入；紫云英鲜草为早稻肥源，鲜草还田量为30 000 kg/hm2，剪碎后栽插前15 d 田翻压还田，采用人工收割早稻秸秆作为晚稻绿肥，切碎后全量还田。

在灌溉方式实施时，淹水灌溉则不要求水田经常自然落干，当水层低于下限时即补水；间歇灌溉按照每灌一次水，待其自然消耗后，田面呈湿润状态，再灌下次水，做到后水不见前水，形成几天有水层，几天无水层，构成浅水与湿润反复交替，浅、湿、干灵活调节的灌溉模式。两种灌溉方式的水层控制标准见表1。

表1 灌溉方式水层控制标准Tab.1 Water layer control standards for irrigation methods

在肥料施用上，常规施肥采用抬田区当地农民施肥模式，早、晚稻氮肥用量为180 和195 kg/hm2。Y0、Y1、Y3 处理均以45%的复合肥为基肥，Y2 以生物有机肥为基肥，各处理均以尿素作为分蘖肥和穗肥。磷钾肥施用标准相同，用量及其方法见表2。基肥于移栽前1 d 施用，分蘖肥在移栽后10 d 施用，孕穗肥在移栽后35～40 d（叶龄余数为2）时施用。

表2 不同生育期试验稻田肥料运筹方式 kg/hm2Tab.2 Fertilizer operation methods of paddy field in different growth periods

1.3 测定指标与方法

试验在大型综合测坑中进行，每天8∶00定时进行一次田间水位观测，田面有水层时，在每个小区固定位置上，用电测针，按规定时间进行观测，在田间无水层时，用补水法确定，每个小区采用量水表计算水量。灌水量和排水量分别由不同水表直接读出。采用英国Delta 公司生产的SunScan 冠层分析系统测定水稻LAI 在抽穗前期、孕穗期和抽穗开花期期选择晴天9∶00-11∶00，每个小区选6 处测定。叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度以及细胞间CO2浓度用“CIRAS”全自动便携式光合作用测定系统野外测定，测定时间选取抽穗开花期，晴朗无风或微风的9∶30-11∶30 之间，测量剑叶或顶部第1 片展开叶，每个指标在每个处理小区测量5次重复。收割前调查各小区有效穗数，根据各小区平均有效穗数取考种样品5蔸，考种项目包括：穗长、有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒重和产量。每个小区单收测产。相关指标的计算公式如下：

（1）需水量根据《灌溉试验规范（SL13-2015）》方法进行计算。需水量计算式为：

式中：ETd为水稻日需水量，mm；h1为当日田面水深，mm；h2为次日田面水层深度，mm；p为当日降水量，mm；m为当日灌水量，mm；c为当日排水量，mm。

（2）水分利用参数。

式中：I为水分生产率，kg/m3；GY为水稻产量，kg/m2；ET为耗水量，m3/m2。

式中：WUEp为降水利用率，%；p为降水量，mm；c为排水量，mm。

式中：WUEm为灌水利用效率，kg/m3；GY为水稻产量，kg/m2；m为灌水量，m3/m2。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013 和SPSS 20.0 统计软件进行数据分析，不同处理之间的多重比较采用最小显著性检验（Duncan）法进行。

2 结果与分析

2.1 不同处理下稻田水量平衡分析

研究期间水稻水量平衡分析如表3 所示，早稻季累积降雨量为645 mm，不同处理间排水次数不尽相同。各处理排水量从大到小依次为：F1Y1＞F2Y1＞F2Y3＞F1Y3＞F2Y2＞F1Y2＞F1Y4＞F2Y4。相同灌溉方式下，以Y1 处理排水最多，Y4 处理排水最少；灌水量仍是Y1 处理最高，而耗水量则是最少。以F1Y1 处理相比，F1Y4 处理排水量和灌水量分别减少了27.18%、55.88%，耗水量增加了10.19%。以F2Y1 处理相比，F2Y4 处理排水量和灌水量分别减少了21.68%、44.44%，耗水量增加了10.93%。相同土壤改良方式下，淹水灌溉方式起排水量与间歇灌溉方式相差不大，仅Y1 处理排水量间歇灌溉比淹水灌溉减少了6.83%。4 种土壤改良方式间歇灌溉灌水量较淹水灌溉依次分别减少了47.06%、42.86%、42.86%和33.33%。晚稻时期降雨量仅有93.8 mm，整个生育期间从未排水，因此灌水量远远高于早稻时期。灌水量刚好与早稻相反，相同灌溉方式下，灌水量以Y1处理最少，耗水量仍是Y4最高。相同土壤改良方式下，4 种土壤改良方式间歇灌溉灌水量较淹水灌溉依次分别减少了1.98%、5.84%、6.51%和5.31%；耗水量依次分别减少了1.59%、4.79%、5.34%和4.37%。说明间歇灌溉可以减少灌水量，土壤改良方式可以提高作物的耗水量。

表3 不同处理下早稻水量平衡分析 mmTab.3 Water balance analysis of early rice under different treatments

2.2 不同处理对水稻水分利用效率的影响

水分对于植物的生长是必不可少的条件之一，适当的水分控制可能更有利于作物的生长的发育［20］。由表4 可知，不同处理对水稻水分利用效率的影响，土壤改良方式与灌溉方式对水分生产率、降水利用率及灌水利用效率均有一定的影响。早稻时期，相同灌溉方式下，水分生产率、降水利用率和灌水利用效率均以Y4处理最高，与F1Y1处理相比，F1Y4其水分生产率、降水利用率和灌水利用效率分别增加了3.33%、23.07% 和158.43%；与F2Y1 处理相比，F2Y4 处理其水分生产率、降水利用率和灌水利用效率分别增加了3.87%、16.32%和107.29%。相同土壤改良方式下，间歇灌溉方式水分生产率和灌水利用效率均高于淹水灌溉方式，4 种土壤改良方式水分生产率依次分别增加了3.33%、6.90%、6.71%和3.87%；灌水利用效率依次分别增加了89.66%、81.03%、79.94%和52.13%。在晚稻时期，由于降雨量较少，降雨得到充分利用。相同灌溉方式下，各处理间的水分生产率和灌水利用效率差异不明显。相同土壤改良方式下，间歇灌溉方式水分生产率和灌水利用效率仍高于淹水灌溉方式。4种土壤改良方式间歇灌溉水分生产率较淹水灌溉依次分别增加了2.92%、8.18%、7.83%和5.33%。

表4 不同处理对晚稻水分利用效率的影响Tab.4 Effects of different treatments on WUE of late rice

目前，通过节水灌溉技术提高水稻水分利用效率方面的研究很多［21，22］，并已明确认识到，较传统的淹水灌溉相比，间歇灌溉可减少灌水10%～37%，可提高灌溉水利用率21%～54%，灌溉水利用效率为1.4～2.4 kg/m3。赵宏亮［20］研究也表明，在秸秆还田条件下，间歇灌溉和控制灌溉均可以有效提高水分利用率，同时还能保证水稻的产量。本研究中，间歇灌溉可以提高水分生产率和灌水利用效率，而土壤改良方式仅在早稻时期对水稻水分利用效率有促进作用。

2.3 不同处理对水稻叶面积指数的影响

叶面积指数的大小是衡量作物生长发育的指标之一，与作物光合作用息息相关。如表5所示，在不同处理下，水稻叶面积指数LAI 的随着生育期推进的变化。从中可以看出，不同土壤改良技术的水稻叶面积指数的变化都大致呈上升趋势，并在抽穗开花期叶面积指数达到最大值。相同土壤改良方式下，3 个时期间歇灌溉早稻叶面积指数基本上均高于淹水灌溉，其中抽穗开花期，4 种土壤改良方式间歇灌溉叶面积指数较淹水灌溉依次分别增加了4.02%、3.35%、1.41%和2.83%。F2Y4 处理在孕穗期和抽穗开花期均叶面积指数是最高，与其他处理相比，差异达到显著水平（除F1Y4 处理外）。相同灌溉方式下，无论是间歇灌溉，还是淹水灌溉，在孕穗期和抽穗开花期均是Y4 处理叶面积指数最高，且差异达到显著水平。在晚稻时期，相同土壤改良方式下，前2 个时期间歇灌溉叶面积指数基本上与淹水灌溉无异，而在抽穗开花期，间歇灌溉叶面积指数均显著高于淹水灌溉（除Y3 处理外）。与淹水灌溉相比，间歇灌溉在一定程度上可以提高水稻叶面积指数，有利于水稻叶片的生长。而在相同灌溉模式下，无论是间歇灌溉，还是淹水灌溉，在孕穗期和抽穗开花期仍是Y4 处理叶面积指数显著高于其他土壤改良处理，其中在抽穗开花期F1Y4处理较其他3个处理分别提高16.07%、11.30%和5.18%；在抽穗开花期F2Y4 处理较其他3 个处理分别提高16.84%、11.94%和9.46%。4种土壤改良方式下，无论是早稻晚稻，还是间歇淹水灌溉，叶面积指数均是Y4 处理下最高，且与其他改良方式存在显著差别，说明Y4 处理可以促进水稻叶面积生长发育。综合处理下，以F2Y4 处理表现最好。

表5 不同处理对早稻叶面积指数的影响Tab.5 Effects of different treatments on early rice leaf area index

2.4 不同处理对水稻叶片光合特性的影响

从图1（a）可以看出，早、晚稻叶片光合特性基本上呈现出Y4＞Y3＞Y2＞Y1 的变化规律。从光合速率可以看出，与Y1 处理相比，早稻Y4 淹水灌溉和间歇灌溉处理叶片光合速率分别显著增加60.45%、38.38%；晚稻分别显著增加16.17%、23.08%。从2 种灌溉方式对比来看，仅早稻Y1 处理间存在显著差异，F2Y1 处理较F2Y1 处理光合速率显著增加了13.73%。从图1（b）蒸腾速率可以看出，早稻在相同灌溉方式下，土壤改良处理间无显著差别，而晚稻中则均表现出间歇灌溉显著高于淹水灌溉。4种土壤改良方式间歇灌溉蒸腾速率较淹水灌溉依次分别增加了13.09%、25.52%、24.65%和23.61%。从图1（c）气孔导度可以看出，与Y1处理相比，早稻Y4淹水灌溉和间歇灌溉处理叶片气孔导度分别显著增加22.25%、19.36%；晚稻分别显著增加15.38%、14.29%。2 种灌溉方式对比发现，早稻Y1 处理间存在显著差异，F2Y1 处理较F2Y1 处理气孔导度显著增加了2.43%；晚稻土壤改良方式间歇灌溉气孔导度均显著高于淹水灌溉（除Y2 处理外未达到显著水平），4 种土壤改良方式间歇灌溉气孔导度较淹水灌溉依次分别增加了5.81%、2.35%、3.19% 和4.82%。从图1（d）胞间CO2浓度可以看出，早稻在相同灌溉方式下，Y3 和Y4 土壤改良处理间无显著差别，而Y1 和Y2 间歇灌溉处理胞间CO2浓度比淹水灌溉处理分别显著增加了3.37%、4.96%。晚稻土壤改良方式间歇灌溉胞间CO2浓度均显著高于淹水灌溉（除Y3 处理外未达到显著水平），4 种土壤改良方式间歇灌溉胞间CO2浓度较淹水灌溉依次分别增加了4.01%、1.82%、0.74%和1.88%。

图1 不同处理对水稻叶片光合特性的影响Fig.1 Effects of different treatments on photosynthetic characteristics of rice leaves

有研究认为，通过绿肥和秸秆联合还田能够提高水稻生育后期叶片光合参数（净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间二氧化碳浓度），从而促进水稻产量增加［23］，本研究中土壤改良方式在早晚稻种植中也可以提高叶片光合作用。李伏生［24］研究表明，间歇灌溉可以促进水稻提高净光合速率、胞间二氧化碳浓度和光合色素含量。本研究结果在早晚稻时期表现不一，在晚稻种植时采用间歇灌溉方式更有利于叶片进行光合作用，而在早稻时期并未在节水灌溉方式上显著表现出光合作用的优势。

2.5 不同处理对水稻产量及其构成因素的影响

如表6 所示，与对照处理（F1Y1）相比，早稻F1Y2、F1Y3 和F1Y4 处理产量分别显著增加了4.20%、7.20%和14.00%；与对照处理（F2Y1）相比，早稻F2Y2、F2Y3 和F2Y4 处理产量分别显著增加了7.37%、9.76%1 和15.14%。可见在相同灌溉模式下，土壤改良方式可以增加早稻产量，且达到显著水平。在淹水模式下，F1Y4 处理早稻产量最高，并且穗长、有效穗、穗粒数和千粒重等指标均显著高于对照处理，较F1Y1 处理分别增加了12.64%、2.86%、31.34%和6.20%；在间歇模式下，F2Y4 处理早稻产量也最高，与对照（F1Y1）处理相比，其穗长、穗粒数和千粒重等指标分别显著增加了13.13%、36.21%和4.01%。另外，在相同的土壤改良方式下，间歇灌溉模式处理其产量均高于淹水灌溉模式，4 种土壤改良方式依次分别增加了25、225.01、187.5和100 kg/hm2，增幅0.40%、3.46%、2.80%和1.43%，其中间歇模式Y2和Y3处理其产量与淹水模式差异达到显著水平。说明间歇灌溉模式在早稻的产量方面要优于传统淹水灌溉模式。

表6 不同处理对早稻产量及其构成因素的影响Tab.6 Effects of different treatments on early rice yield and its components

在晚稻时，淹水模式下，与F1Y1 处理相比，F1Y4 处理晚稻有效穗、穗粒数、千粒重和产量等指标均均显著提高，分别增加了8.09%、11.41%、1.48%和9.04%；在间歇模式下，F2Y4 处理早稻产量最高，与对照（F2Y1）处理相比，其有效穗、穗粒数和产量等指标分别显著增加了6.32%、16.51%和9.08%。说明无论在何种灌溉方式下，Y4 处理可以提高晚稻的有效穗、穗粒数和产量等指标，且达到显著水平。另外，在相同的土壤改良方式下，晚稻产量均是间歇灌溉模式处理高于淹水灌溉模式，4 种土壤改良方式依次分别增加了100、225.02、175.01 和112.5 kg/hm2，增幅1.23%、2.72%、2.02%和1.26%，其中间歇模式Y1 和Y2 处理其产量与淹水模式差异达到显著水平。可见间歇灌溉模式水稻产量仍高于淹水灌溉模式。

3 研究结论

（1）无论是早稻还是晚稻，在相同土壤改良方式下，相较于淹水灌溉方式，间歇灌溉能提高水分生产率和灌水利用效率。3种土壤改良方式在早稻时期均可以提高水稻降雨利用率和灌水利用效率，其中Y4处理水分利用效率最高。

（2）在相同土壤改良方式下，与淹水灌溉相比，间歇灌溉方式在晚稻种植时能提高蒸腾速率、气孔导度和胞间二氧化碳浓度，说明更有利于叶片进行光合作用。不同土壤改良方式下，叶面积指数均是Y4 处理下最高，且与其他改良方式存在显著差别。早、晚稻叶片光合特性指标基本上呈现出Y4＞Y3＞Y2＞Y1的变化规律，并与抽穗开花期对应处理水稻的叶面积指数大小基本一致。

（3）在相同土壤改良方式下，采用间歇灌溉模式水稻产量要高于传统淹水灌溉模式。在相同灌溉模式下，采用土壤改良方式后，水稻产量较对照显著提升，其中以土壤改良方式Y4 处理增产效果最佳。

（4）最适合抬田区稻田复产稳产、水分高效利用的改良措施是：采用间歇灌溉模式，配合绿肥还田+早稻秸秆腐蚀剂的土壤改良方式。 □