不同节水灌溉方式及栽培模式下粳稻生长特性研究

孙雪梅，黄 彦，孙艳玲

（1.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080；2.黑龙江省寒区农业节水工程重点实验室，哈尔滨 150080）

0 引 言

【研究意义】水资源短缺已经是制约社会可持续发展的因素之一。节约用水既是关系人口、资源、环境可持续发展的长远战略，也是当前经济和社会发展的一项紧迫任务[1-3]。我国是农业大国，农业用水量消耗巨大，2018年，全国农业用水量约占社会总用水量的61.4%[4]。黑龙江省是水田大省，粳稻产量占全国粳稻总产量的1/2以上。2018年，黑龙江省农业灌溉用水量占全省总用水量的86.2%，其中，水田用水量占农业灌溉用水量的98.5%[5]。水田灌溉用水量过大与水资源供需矛盾，已严重制约了黑龙江粮食生产的持续健康发展[6]。如何在保证稳产高产的前提下，最大限度地减少农业用水量，保障农业可持续发展，是目前亟待解决的问题。

【研究进展】国内外关于水稻节水灌溉需水量变化规律的研究成果较多，相继得出了不同节水灌溉条件下水稻需水量变化规律[7-10]；在水稻主要生产区域（湿润半湿润气候条件），当前主流节水栽培包括干湿交替灌溉[11]、旱作栽培[12-13]、浅湿灌溉、控制灌溉、间歇灌溉等[14-15]，这些节水栽培技术围绕蒸散和渗漏等途径降低耗水量，从而达到节水目的。Shao[16]、Peng[17]等研究表明，合理地调控农田水分状况是实现水稻高产、稳产的基础，对提高水资源利用效率、减轻农业面源污染具有重要意义；吴汉等[18]研究表明，穗分化前水层落干后7～9 d，穗分化后水层落干3～5 d的补充灌溉方式能有效减少灌水量、灌排水次数，显著提高灌溉水利用效率和降水利用率，稳定水稻产量；许怡等[19]研究表明，无论是小区还是田块试验，节水灌溉以及蓄雨节水灌溉的节水效果都要优于常规灌溉。【切入点】发展节水农业是缓解区域水资源匮乏和保障农业可持续发展的关键，提高水的利用效率和生产效率是解决农业用水短缺的有效办法[20]。2019年《黑龙江省节水行动实施方案》要求，把水资源作为最大的刚性约束，全面提升水资源利用效率，促进水资源节约集约利用。【拟解决的关键问题】本文选择了黑龙江省3种主要节水灌溉技术和2种栽培模式，利用称重式蒸渗仪研究了不同节水灌溉栽培模式下粳稻生长规律、耗水特征、产量构成因素变化，明确了不同灌溉栽培模式下粳稻生长特性、耗水规律，旨在为粳稻节水栽培提供参考，加快黑龙江省发展节水高效农业，保障粮食安全和水资源安全，推动农业可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于黑龙江省庆安灌溉试验站，地理坐标为东经125°44′，北纬45°63′。试验站土壤为典型寒地黑土，土壤饱和含水率49.18%，田间持水率38.46%，干体积质量1.10 g/cm3，有机质量4.96%，全氮量15.06 g/kg，全磷量15.23 g/kg，全钾量20.11 g/kg，碱解氮量198.29 mg/kg，有效磷量36.22 mg/kg，速效钾量112.06 mg/kg，pH值6.05。多年平均气温2～3 ℃，10 ℃以上有效积温为2 500～2 800 ℃，太阳辐射量4 000～4 300 MJ/（m2·a）。多年平均降水量500～600 mm，多年平均水面蒸发量700～800 mm。本区作物水热生长期在156～171 d，平均164 d。试验站设有称质量式蒸渗仪24组，直径1.13 m，面积1 m2，配套遮雨棚设施和地下廊道，每组蒸渗仪配有一套自动称质量系统，最大称质量范围为6 000 kg，鉴别力100 g。

1.2 试验设计

试验于2019年在灌溉试验站称重式蒸渗仪中进行。试验设置湿润灌溉（SR）、控制灌溉（KZ）、浅湿灌溉（QS）、水直播（SZB）和旱直播（HZB）5种节水灌溉栽培模式，其中湿润灌溉（SR）、控制灌溉（KZ）、浅湿灌溉（QS）3种灌溉模式采用水稻育苗移栽栽培模式，水直播（SZB）和旱直播（HZB）粳稻生育期用水管理采用控制灌溉（KZ）模式，每个处理设置3次重复。不同节水灌溉栽培模式水分控制指标见表1。

表1 不同节水灌溉栽培模式水分控制指标Table 1 Water control indexes of different water-saving irrigation cultivation patterns

粳稻供试品种为龙庆稻1号，全生育期133 d，综合抗性较强，适合节水栽培。直播于5月17日播种，水直播采用条播方式，行距30 cm，平均65粒/m，出苗后定基本苗100万株/hm2；旱直播采用点播方式，行距30 cm，埋粒深度2 cm，出苗后定基本苗100万株/hm2。移栽于4月10日育秧，5月25日插秧，平均5株/穴，密度20穴/m2。各处理均于9月16日收获测产。各小区施肥量为氮肥110 kg/hm2、磷肥45 kg/hm2、钾肥80 kg/hm2，基肥、蘖肥、促花肥、保花肥施肥比例为4.5∶2.0∶1.5∶2.0。病虫害的防治及除草等管理方法同当地大田。

1.3 测定指标及方法

1）土壤含水率/田间水层：土壤含水率采用便携式土壤含水率测定仪测定，水层采用水尺观测，每隔3 d观测1次，每次09:00观测，灌水前后加测。

2）蒸腾蒸发量：每天09:00记录称质量系统读数。

3）耗水量：为蒸腾蒸发量与渗漏量之和。

4）基本苗：在粳稻返青后测定基本苗，并定水直播和旱直播基本苗数。

5）分蘖：每个蒸渗仪选有代表性的5个测点，做标记，每次均测定选定的5个测点。分蘖期每隔3 d测1次，其它生育期每隔5 d测1次。

6）株高：定点标记同分蘖测点，抽穗前株高为土面至每穴最高叶尖的高度，抽穗后株高为土面至最高穗顶（不计芒）的高度。

7）考种测产：收回每个蒸渗仪全部植株，测定小区实产。

2 结果与分析

2.1 不同节水灌溉栽培模式粳稻分蘖动态变化

粳稻生育期划分以移栽种植为准，移栽种植分蘖期开始时间为6月5日左右，直播分蘖期开始时间为6月14日左右。

图1为移栽种植模式下不同节水灌溉技术粳稻分蘖动态变化。分蘖初期，不同处理分蘖数差异较小，SR、KZ、QS处理分蘖增加速率分别为0.78、0.70、1.02株/（穴·d）；分蘖中期SR、KZ、QS处理分蘖增加速率分别为0.81、1.03、1.04株/（穴·d），较分蘖初期分别上升了4.85%、47.14%、1.96%，KZ处理分蘖增加速率大幅上升，各处理分蘖数出现差异；分蘖中末期交替时各处理分蘖数达到峰值，后缓慢下降，分蘖末期—抽穗开花期SR、KZ、QS处理分蘖减少平均速率分别为0.36、0.27、0.42株/（穴·d）；乳熟期—黄熟期各处理分蘖数趋于平稳，SR、KZ、QS处理分蘖减少平均速率分别为0.05、0.08、0.05株/（穴·d）。在有效分蘖率方面，SR、KZ、QS处理有效分蘖率分别为51.93%、55.00%、50.45%，KZ处理有效分蘖率最高，QS处理最低。

图1 不同灌溉模式粳稻生育期分蘖变化Fig.1 Tiller changes of japonica rice under different irrigation patterns during growth period

图2为控制灌溉条件下不同栽培模式粳稻生育期分蘖动态变化。直播种植分蘖期较移栽滞后约10 d左右，但直播处理开始分蘖后直接进入快速分蘖期，KZ处理在分蘖中期与分蘖末期交替时达到分蘖峰值，SZB处理和HZB处理在分蘖末期达到峰值。分蘖初期—中期KZ处理分蘖数显著高于SZB处理和HZB处理，KZ、SZB、HZB处理分蘖增加速率分别为0.88、1.40、1.14株/（穴·d），直播分蘖速率显著高于移栽种植，SZB处理分蘖速率增加尤为显著；分蘖期末各处理分蘖数开始缓慢下降，至乳熟期逐渐趋于平稳，分蘖末期—拔节孕穗期HZB处理分蘖数低于KZ处理和SZB处理，抽穗开花期—黄熟期各处理分蘖数差异较小；拔节孕穗期—抽穗开花期KZ、SZB、HZB处理分蘖减少速率分别为0.37、0.33、0.29株/（穴·d），乳熟期—黄熟期分别为0.08、0.04、0.12株/（穴·d），KZ、SZB处理分蘖减少速率差异较小，乳熟期—黄熟期HZB处理分蘖减少速率显著高于KZ、SZB处理。KZ、SZB、HZB处理有效分蘖率分别为55.00%、59.45%、56.13%，直播种植有效分蘖率略高于移栽，表明直播种植在分蘖期会产生补偿效应，在分蘖中后期分蘖数迅速增加，水直播有效分蘖数和有效分蘖率均高于移栽种植。

图2 不同栽培模式粳稻生育期分蘖变化Fig.2 Tiller changes of japonica rice under different cultivation patterns during growth period

2.2 不同节水灌溉栽培模式粳稻株高动态变化

图3为移栽种植模式下不同节水灌溉技术粳稻生育期株高动态变化。不同处理株高在整个生育期生长趋势一致，分蘖期SR、KZ、QS处理株高基本一致，株高生长速率分别为1.32、1.30、1.34 cm/d，差异较小；拔节孕穗期—抽穗开花期SR、KZ、QS处理株高生长速率分别为1.22、1.04、1.20 cm/d，KZ株高生长速率低于SR处理和QS处理；乳熟期—黄熟期SR、KZ、QS处理株高生长速率分别为0.59、0.59、0.53 cm/d，3个处理株高趋于稳定，生长速率基本一致。QS处理水分供给较KZ、SR处理充分，在水稻生长中后期株高高于其他处理。

图3 不同灌溉模式粳稻生育期株高变化Fig.3 Plant height changes of japonica rice under different irrigation patterns during growth period

图4为控制灌溉条件下不同种植模式粳稻生育期株高动态变化。分蘖期—抽穗开花期移栽种植株高高于直播种植，直播种植分蘖中期株高生长缓慢，分蘖末期—抽穗开花期快速生长，乳熟期—黄熟期SZB处理与KZ处理株高基本一致，HZB处理略低；SZB处理与HZB处理株高在分蘖期—抽穗开花期差异不大，生长趋势一致。分蘖期KZ、SZB、HZB处理株高生长速率分别为1.30、0.84、0.74 cm/d，拔节孕穗期—抽穗开花期分别为1.04、1.46、1.56 cm/d，乳熟期—黄熟期分别为0.59、0.56、0.55 cm/d。直播种植株高在水稻生育前期低于移栽种植，分蘖末期后进入株高快速生长期，在生育期末SZB处理株高与移栽种植基本一致，HZB处理株高略低。

图4 不同栽培模式粳稻生育期株高变化Fig.4 Plant height changes of japonica rice under different cultivation patterns during growth period

2.3 不同节水灌溉栽培模式粳稻耗水对比分析

2.3.1 蒸腾蒸发量动态变化规律

图5为移栽种植模式下不同节水灌溉模式粳稻生育期蒸发蒸腾量（ET）变化，3种处理作物ET变化规律一致。返青期—分蘖期ET以棵间蒸发为主，受天气影响较大，植株蒸腾较小，ET峰值均出现在水面蒸发大的晴朗天气，QS、KZ、SR处理平均ET分别为3.64、3.42、3.13 mm/d，QS、KZ处理灌溉后田面产生水层，其ET大于SR处理。拔节孕穗期—抽穗开花期是粳稻需水高峰期，粳稻叶片遮盖地面，棵间蒸发减少，ET以植株蒸腾为主，ET峰值分别出现在拔节孕穗中期、拔节孕穗—抽穗开花转换期和抽穗开花中期；拔节孕穗期QS、KZ、SR处理平均ET分别为6.50、5.50、5.55 mm/d；抽穗开花期QS、KZ、SR处理平均ET分别为5.62、5.64、5.26 mm/d，QS、KZ处理平均ET差异缩小，且高于SR处理。进入乳熟期，粳稻ET开始下降，QS、KZ、SR处理平均ET分别为3.59、3.81、3.25 mm/d，KZ处理平均ET最高，SR处理最低；黄熟期前期粳稻平均ET为3.45、3.56、3.29 mm/d，QS、KZ处理平均ET比乳熟期略有降低，SR处理平均ET与乳熟期基本持平，8月末粳稻黄熟末期ET趋近于0。

图5 不同灌溉模式粳稻生育期蒸发蒸腾量变化Fig.5 Evapotranspiration changes of japonica rice under different irrigation patterns during growth period

图6为节水灌溉条件下不同种植模式粳稻生育期蒸发蒸腾量（ET）变化。返青期—分蘖前期KZ处理田面处于“浅-湿-干”循环交替状态，HZB、SZB处理处于出苗期，田面不建立水层，KZ处理ET高于HZB、SZB处理，KZ、HZB、SZB处理平均ET分别为3.69、2.50、2.72 mm/d；分蘖中后期HZB、SZB处理进入快速分蘖期，水分管理与KZ处理一致，ET有所升高，KZ、HZB、SZB处理平均ET分别为3.57、2.95、3.11 mm/d。拔节孕穗期—抽穗开花期不同处理进入蒸腾蒸发高峰期，拔节孕穗期KZ、HZB、SZB处理平均ET分别为5.50、5.66、5.96 mm/d，HZB、SZB处理开始表现出生长补偿效应，ET迅速升高，SZB处理ET高于HZB处理；抽穗开花期KZ、HZB、SZB处理平均ET分别为5.64、4.98、5.61 mm/d，SZB处理仍表现出较强的补偿效应，HZB处理ET下降幅度较大，补偿效应后劲不足。乳熟期KZ、HZB、SZB处理平均ET分别为3.81、4.05、3.78 mm/d，HZB处理平均ET略高；黄熟前期KZ、HZB、SZB处理平均ET分别为3.56、3.97、3.99 mm/d，HZB、SZB处理ET高于KZ处理，黄熟末期各处理ET趋近于0。

图6 不同栽培模式粳稻生育期蒸发蒸腾量变化Fig.6 Evapotranspiration changes of japonica rice under different cultivation patterns during growth period

2.3.2 耗水量对比分析

图7为不同节水灌溉模式下粳稻生育期耗水量。耗水高峰期依次为分蘖中期、拔节孕穗期、抽穗开花期和乳熟期。返青期移栽稻苗小，耗水量以棵间蒸发为主，QS处理田面一直保持水层，耗水量最大，KZ处理田面干湿交替，耗水量低于QS处理，SR处理田面不建立水层，耗水量最小；分蘖前期粳稻需水量较小，此时期土壤已融通，但耕层土壤尚未沉实，耗水量以棵间蒸发和深层渗漏为主，KZ处理耗水量高于QS处理和SR处理，其原因可能是KZ处理“浅-湿-干”的灌溉模式增加了深层渗漏；分蘖中期，耕层土壤已沉实，深层渗漏趋于稳定，粳稻进入耗水第一高峰期，耗水量以棵间蒸发和作物蒸腾为主，QS处理耗水量分别较KZ、SR处理高22.14%、28.23%；分蘖末期进入晒田期，粳稻植株基本覆盖田面，各处理耗水量均较小；拔节孕穗期是粳稻耗水第二高峰期，耗水量主要以作物蒸腾为主，QS处理耗水量分别较KZ、SR处理高16.92%、23.54%；抽穗开花期是粳稻第三耗水高峰期，QS处理耗水量分别较KZ、SR处理高22.56%、41.81%；乳熟期各处理耗水量略有降低，QS处理耗水量分别较KZ、SR处理高26.68%、34.50%；黄熟期基本不需灌水，3个处理耗水量均较小且差异不大。分析可知，QS处理属于充分灌溉，田面大部分时间保持水层，耗水量最大；SR处理属于完全非充分灌溉，田面不建立水层，耗水量最小；KZ处理耗水量介于QS处理和SR处理之间。

图7 不同灌溉模式粳稻生育期耗水量Fig.7 Water consumption of japonica rice under different irrigation patterns during growth period

图8为不同栽培模式下粳稻生育期耗水量。耗水量高峰期为分蘖中期、拔节孕穗期、抽穗开花期和乳熟期。返青期SZB处理和HZB处理处于出苗期，HZB处理土壤保持湿润，SZB处理土壤处于饱和状态，SZB处理耗水量高于HZB处理和KZ处理；分蘖前期HZB处理耗水量略高于KZ处理，与田面复水后渗漏大增加有关，SZB处理土壤一直处于饱和状态，耗水量低于KZ处理；分蘖中期，深层渗漏趋于稳定，进入第一耗水高峰期，HZB处理需水补偿效应明显，SZB处理未表现出补偿效应，SZB、HZB处理耗水量分别较KZ处理低25.85%、2.26%；分蘖末期进入晒田期，各处理耗水量均较小，SZB处理耗水量略高；拔节孕穗期耗水量为生育期最高，SZB处理表现出明显的补偿效应，SZB处理耗水量较KZ处理高5.63%，HZB处理耗水量较KZ处理低3.52%；抽穗开花期耗水量开始降低，HZB处理和SZB处理耗水量分别较KZ处理低23.12%、15.29%；乳熟期HZB处理和SZB处理耗水量分别较KZ处理高2.57%、17.66%；黄熟期各处理耗水量大幅下降，SZB处理耗水量高于HZB处理和KZ处理，SZB处理生长补偿效应高于HZB处理。分析可知，SZB处理拔节孕穗期耗水量升高，补偿效应高于HZB处理。HZB、SZB、KZ处理生育期耗水量分别为4 435、4 583、4 546 m3/hm2，差异不大。

图8 不同栽培模式粳稻生育期耗水量Fig.8 Water consumption of japonica rice under different cultivation patterns during growth period

2.4 不同节水灌溉栽培模式粳稻产量及构成因素

表2为不同节水灌溉栽培模式粳稻产量及构成因素方差分析结果。不同处理粳稻穗长、穗粒数、结实率无显著差异，穗长移栽大于直播，穗粒数和结实率无明显规律；QS处理和SZB处理有效穗数最高，HZB处理和SR处理最低，SZB、QS、KZ处理间有效穗数无显著差异，但显著高于HZB、SR处理；移栽与直播组内千粒质量无显著差异，但组间差异显著，移栽千粒质量显著高于直播。不同处理理论产量大小为KZ处理＞QS处理＞SZB处理＞SR处理＞HZB处理，KZ处理与QS处理理论产量无显著差异，但显著高于其他处理，HZB处理理论产量显著低于其他处理。相同灌溉方式移栽理论产量高于直播，SZB处理高于HZB处理；QS、SZB、SR、HZB处理产量分别较KZ低4.22%、12.35%、16.00%、28.53%。KZ处理和SR处理水分生产率显著高于其他处理，SZB处理显著高于HZB处理。

表2 不同节水灌溉栽培模式粳稻产量及构成因素方差分析Table 2 Variance analysis of yield and components under different water-saving irrigation cultivation patterns

利用灰色相关性分析对不同产量构成因素与理论产量的相关性进行分析，得出不同产量构成因素与理论产量的相关顺序为穗粒数＞穗长＞有效穗数＞千粒质量＞结实率，关联系数矩阵为R=[穗长、穗粒数、有效穗数、千粒质量、结实率]=[0.677 2，0.909 3，0.589 1，0.622 6，0.510 0]，可以看出，与理论产量相关度最高的是穗粒数，其次是穗长和千粒质量。KZ处理穗粒数、穗长和千粒质量均较高，产量优势明显；QS处理穗粒数、穗长和千粒质量略低于KZ处理，有效穗数高于KZ处理，产量次之；HZB处理穗粒数、穗长和千粒质量均较低，理论产量最低；SZB处理理论产量仅次于KZ处理和QS处理。

3 讨 论

本研究中移栽种植4月10日育秧，5月25日插秧种植，直播5月17日播种，直播播种日期较移栽晚37 d，导致直播生育期较移栽滞后。但移栽插秧后需7～10 d的返青期才开始分蘖，直播种植开始分蘖后直接进入快速分蘖期，且产生补偿效应，在分蘖末期移栽与直播生育期已基本一致。

不同节水灌溉栽培模式对粳稻分蘖和株高有不同程度的影响，本研究表明只有适度控水，才能达到促进有效分蘖的效果。本研究QS处理无效分蘖多，有效分蘖率低，SR处理有效分蘖少，KZ处理水分控制介于二者之间，有效分蘖数和分蘖率均较高，赵黎明等[21]认为适度干湿交替更有利于控制无效分蘖，而在重干湿交替和浅水灌溉方式下，会降低水稻成穗率，李永松等[22]认为控制灌溉条件下各肥力水平平均单株分蘖数比淹水灌溉高，过度控制灌水量抑制了水稻分蘖，与本研究结论一致。粳稻耗水方面也体现出相同的结果，水分控制过于严格粳稻表现出生长后劲不足，而适度控水则表现出补偿效应。本研究中QS处理属于充分灌溉，耗水量最大，但无效耗水多，有效分蘖率低；SR处理耗水量最小，但分蘖数总体低于QS处理和KZ处理，这与刘路广等[23]在水稻耗水量方面的研究规律一致。本研究中SZB处理在返青期未建立水层，但耗水量高于KZ处理，可能与SZB处理此时期渗漏量大有关，需进一步研究。

本研究不同处理粳稻穗长、穗粒数、结实率无显著差异，SZB、QS、KZ处理有效穗数显著高于HZB、SR处理，而毛心怡等[24]的研究结果表明控制灌溉的有效穗数和结实率高于其他节水灌溉处理，穗粒数低于其他节水灌溉处理，结果不一致的原因可能是区域和品种差异导致的，尚需进一步验证。KZ处理理论产量最高，QS、SZB、SR、HZB处理产量分别较KZ处理低4.22%、12.35%、16.00%、28.53%，水分生产率KZ处理和SR处理显著高于其他处理，表明KZ处理在节水高产方面优势明显，毛心怡等[24]和张忠明等[25]的研究表明不同的水分管理会对田间土壤环境产生影响，进而影响水稻最终产量，控制灌溉处理可以获得较高的产量，这一结论与本研究相似。

4 结 论

1）SR处理水分控制严格，粳稻有效分蘖不足，虽然耗水量低、水分生产率高，但产量远低于KZ处理和QS处理；QS处理水分供给充足，产生过多无效分蘖，耗水量高、水分生产率低，但产量较高，仅次于KZ处理；KZ处理在有效分蘖数、耗水量、产量方面均优于QS处理和SR处理，水分生产率与SR处理相当，是最优的节水高产灌溉模式。

2）直播种植生长期较移栽滞后，分蘖中后期SZB处理分蘖数与KZ处理基本持平，HZB处理分蘖数低于KZ、SZB处理；直播和移栽种植生育期耗水量差异较小；产量方面，直播种植低于移栽，HZB处理产量和水分生产率远低于SZB处理，SZB处理产量优于SR处理，水分生产率优于QS处理，同时节省插秧人工，推广前景优于HZB处理。