无水层控制灌溉对水稻生长性状及产量的影响

彭劲舟，孙书洪，2，薛 铸，2，邱菁华，衣若晨，董建舒

（1.天津农学院 水利工程学院，天津300392;2.天津市农业水利技术工程中心，天津 300384）

水资源紧缺依旧是世界性难题[1]，目前中国水资源总量为2.81万亿m3，人均占比2 100 m3，仅占世界平均水平的28%，而农业用水是主要水资源消耗途径，占总用水量85%以上[2]。天津作为水资源最为短缺城市之一，人均水资源仅100 m3，约占全国1/20，天津地区种植业发展迫切需要降低灌溉用水[3]，提高用水效率。

水稻作为我国主要粮食作物，占粮食总产量的40%[4]，2021年天津市水稻种植面积达到6.7万hm2[5]。在所有粮食作物中，水稻种植耗水量巨大且浪费严重[6-7]。传统水稻种植是全生育期建立浅水层，土壤基本处于饱和含水状态，多余水分以渗漏、蒸发等形式流失[8-11]，加剧了水资源短缺和污染问题。

无水层控制灌溉技术是节水灌溉技术之一，指分蘖期开始进行无水层灌溉管理，以土壤饱和含水率作为灌溉上限，依据水稻对水分的敏感度，以饱和含水率的90%～60%为灌溉下限。张瑞喜等[12]指出，在节水控制灌溉模式下，穗数比常规高16.9穗，产量比常规灌溉高3.7%。Xu等[13]采用节水灌溉方式提高水稻籽粒的产量。其中，控制灌溉技术依据水稻对水分的需求敏感度，控制土壤水分的供应，使水稻对适度的水分亏缺具有适应和补偿能力，可有效减少作物的棵间蒸发量、田间渗漏量，提高稻米品质、促进水稻增产，减少面源污染以及抑制盐渍化稻田等，具有良好经济效益和环境效益[10-11]。以往学者分别从控制灌溉对水稻节水效率、产量、水稻生长等角度展开研究。李博等[14]采用自动控制灌溉系统发现控制灌溉的灌水量较常规灌溉降低37.3%，水分生产率提高28.8%。孙雪梅等[15]设置3种节水灌溉方式和2栽培模式，结果发现较湿润灌溉、浅湿灌溉相比，控制灌溉下水稻产量、耗水量均是最优，超出其他灌溉模式4.22%～28.53%。王向平等[16]表示，控制灌溉较常规节约9.4 m·hm-2水资源，达到15.5%节水效率同时粮食增产到372 kg·hm-2，促进产量增长达4.5%。丁国华等[17]表明，控灌节水46%～62%，提高灌溉水分利用效率52%～70%，其利用效率达1.8～3.0 kg·m-3。Zhang等[18]指出，控制灌溉与其他灌溉技术相比，节水率最高达到35.12%。毛心怡等[9]设置4种不同节水灌溉模式，结果发现控制灌溉超出常规灌溉产量达到9 922 kg·hm-2。柯传勇[19]表明，控制灌溉可改善稻田土壤，增强水稻根系吸水能力。王青菊等[20]研究表明，控制灌溉节水增产的同时，可提高水稻抗倒伏、抗病能力和品质。多人研究发现[21-23]，控制灌溉下水稻有效分蘖数、水稻穗长、穗粒数、结实率和千粒质量均高于常规灌溉，水稻增产11%～4.14%。因此，在适宜灌溉处理下，水分胁迫促使作物优质高产，实现水分的高效利用。

目前，有关水稻节水灌溉的研究大多限于不同节水灌溉技术之间的比较研究，对适宜水稻生长的无水层控制灌溉的下限研究较少。本研究旨在通过4种无水层控制灌溉处理（分别以饱和含水率60%、70%、80%、90%为灌溉下限）与常规（淹灌）灌溉处理进行比较，从水稻生长性状、产量、水分利用效率等方面，探究无水层控制灌溉对水稻的影响，并在此基础上评估水稻的水分利用效率和产量，拟提出当地水稻适宜的控制灌溉技术。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年6—10月在天津农学院西校区实验地（116°97″E，39°16″N）进行。该试验地日照时数为2 029 h，夏季高温，降雨集中在7月和8月，约占全年降雨量的86%，多年平均降雨量为573 mm。试验土壤（0～30 cm)容重为1.54 g·cm-3，土壤饱和质量含水率为26.61%。试验期间降雨量为442.3 mm，平均气温20.6℃，平均风速1.06 m·s-1。

图1 水稻生育期气象条件

1.2 试验设计

水是影响水稻生长的重要因素之一，试验以土壤饱和含水率60%(I)、70%(II)、80%(III)、90%(IV)为下限的控制灌溉处理，每个处理进行3次重复，共15处试验小区。试验小区均为有底测坑，尺寸为2 m×2 m×1.5 m（长×宽×高）。每小区栽种6行、每行9穴、共54穴，每穴插3苗，行距30 cm、株距20 cm。6月21日插秧到测坑，10月21日收割。试验选择复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）600 kg·hm-2为基肥。尿素（含氮量≥46%）为追肥，返青期施追肥37.5 kg·hm-2；分蘖期施加追肥45 kg·hm-2；孕穗期施加追肥45 kg·hm-2；抽穗期施加追肥45 kg·hm-2。试验期间除灌溉措施以外，其他农艺措施一致。具体试验设计见表1。

表1 试验设计

1.3 观测指标及测定方法

1.3.1 株高 在每个生育期后期定株测定株高，抽穗前测量水稻地面至叶尖处高度，抽穗后测量地面至穗顶处高度。

1.3.2 叶面积指数

式中，k为修正系数取0.75；L为最大叶片长度；W为最大叶片宽度。

式中，LAI为叶面积指数；S为单穴叶面积；N为单位面积穴数；A为单位土地面积。

1.3.3 生物量 在水稻返青期后的每个生育期，进行生物量样本采集。每个处理取3穴水稻地上和地下部分，放入105℃烘箱中杀青30 min杀青处理，后调至75℃烘干8 h后（干物质量至恒质量）测定干物质质量。

1.3.4 考种 穗长：黄熟期每个测坑测定5穴水稻的穗长。cm

结实率：每个测坑随机取5穴，将水稻样本进行脱粒，将其放入清水中，分离实穗粒与不饱和穗粒。烘干穗粒后分别记录实粒数与不饱和粒数，计算得到结实率。

千粒质量：每穴取1 000粒实粒数，进行称质量（精确到0.01 g），重复3次取均值。

产量：水稻样本测定到的千粒质量、每穗实粒数、有效穗、结实率等计算其理论产量[24]。

1.3.5 耗水量

式中，ETc为作物耗水量，mm；P为生育期降雨量，mm；I为生育期作物灌溉量，mm；U为地下水补给量，mm；D为深层渗漏量，mm；R为地表径流，mm；ΔW为试验初期和试验末期0~30 cm土层土壤水分变化量，mm。本研究中试验小区在有底测坑进行，不形成地下水补给量、深层渗漏量，所以忽略不计。

1.3.6 水分利用效率

式中，WUE为作物水分利用效率（kg·m-3）；Y为产量（kg·hm-2）；ETc为作物耗水量（m3·hm-2)。

1.4 数据处理

单因素方差分析使用SPSS26.0软件分析不同处理之间各项指标均值显著性，结合origin软件对数据进行图形分析。运用SPSSpro进行灰色关联度分析和TOPSIS综合评价找到最优控制灌溉处理。

2 结果与分析

2.1 无水层控制灌溉对水稻生长性状的影响

2.1.1 株高 株高是表达作物茎秆形态的农艺性状组成，过高过矮都会影响作物产量的形成。无水层控制灌溉下，水分胁迫状态对水稻株高的影响由图2所示。

由图2可知，无水层控制灌溉株高增长趋势大体一致，为分蘖至抽穗增长迅速期、抽穗至乳熟的增长缓慢期和乳熟至黄熟增长平稳期。分蘖至抽穗期株高涨幅率最大处理I为68.04%，处理IV次之，为63.95%；抽穗至乳熟期株高涨幅率最大处理III为7.34%，其次为处理IV；乳熟至黄熟期株高涨幅率最大处理III为3.09%，处理II次之。

图2 无水层控制灌溉对水稻株高的影响

无水层控制灌溉对水稻株高的生长具有差异性。无水层条件下，分蘖期处理IV最高，为59.5 cm，处理III次之，为58.33 cm，表现为CK＞IV＞III=II＞I；拔节期处理IV最高，为72.70 cm，处理III次之，为67.25 cm，与常规相比，控灌株高降幅为5%~14%，表现为CK＞IV＞III=II=I。孕穗期处理II最高为85.67 cm，处理III次之；抽穗期、灌浆期、乳熟期、黄熟期常规灌溉均高于控制灌溉2.62~6.07 cm、3~4.33 cm、0.57~4.73 cm、0.67~4.33 cm，表明土壤水分亏缺会影响水稻株高的增长。

2.1.2 叶面积 叶面积指数对作物长势具有一定参照作用，水稻叶面积指数的增加，促进单位面积下水稻叶的光合作用，从而促进其生长。无水层控制灌溉处理下水稻叶面积指数变化如图3所示。

由图3看出，无水层控制灌溉下叶面积指数从分蘖期到灌浆期呈现递增变化，灌浆末期到黄熟期呈现降低趋势。处理CK分蘖至灌浆期LAI涨幅最大，为76.66%；其次处理I为75.87%；灌浆至黄熟期降幅最大处理CK为58.44%，处理II次之为45.87%。其中，抽穗期处理IV最高，为6.39，比CK高出3.81%，处理III次之为6.24，比CK高出1.41%；乳熟期处理IV最高，为5.96，比CK高出4.92%，处理III次之，为5.83，比CK高出2.57%；黄熟期控灌组均优于对照组6.53%~12.35%。

图3 无水层控制灌溉水稻叶面积指数的变化

对无水层控制灌溉水稻叶面积指数用显著水平P=0.05做方差分析，水分胁迫对其在孕穗期、抽穗期、乳熟期、黄熟期有显著影响。在适宜水分胁迫环境下，水稻叶面积指数随土壤饱和含水率的增加而增加，当灌溉量达到土壤饱和含水率90%时，继续增加灌溉水量，叶面积指数的生长反而下降。因此，在适宜控灌处理下，水稻叶面积的生长优于对照处理。其中，在土壤饱和含水率90%的条件下，叶面积指数明显优于其他灌溉处理。

2.1.3 生物量 水稻干物质积累是产量形成的基础，无水层控制灌溉下水稻生物量的累计如图4所示。由于不同处理间设置的土壤灌溉下限不同，导致水稻生物量也存在不同程度的差异。进一步观测笔者发现，控制灌溉处理下水稻生物量均值增长处理II最高，达14.36 t·hm-2，处理I次之，为13.24 t·hm-2，处理超出对照3%~26%。各处理生物量最小值均超出对照1.53%~3.8%。这表明在适当水分胁迫条件下能促进作物生物量的增加。

图4 无水层控制灌溉水稻生物量变化

2.2 无水层控制灌溉对水稻产量及产量构成的影响

无水层控制灌溉的研究基于提高水分利用，同时达到高产效果。无水层控制灌溉下，水稻产量如表2所示。无水层控制灌溉下穗长较对照高3.76%~1.52%，千粒质量较对照高5.66%~1%，结实率较对照高1.1%。从穗数上看，处理III最高，达351.33穗·m-2，其次为处理IV，高出对照2.83%、2.63%；从穗粒数上看，控制灌溉处理均高于对照8.98%~1.68%，其中处理II最高，为112粒·穗-1，各灌溉处理存在显著差异：处理II＞处理III＞处理IV＞处理I＞CK（P＜0.05）；庞桂斌等[25]同样发现，控制灌溉相比对照可促进水稻有效穗数、穗粒数的增加。从产量上看，除处理I外，其他控制灌溉处理较对照高9.5%~7.24%，处理IV最高达9 884.95 kg·hm-2。上述结果表明，无水层控制灌溉对穗数和穗粒数的增长具有一定促进作用，当控制灌溉的下限高于土壤饱和含水率60%时，控制灌溉处理对水稻产量具有促进作用。

表2 无水层控制灌溉水稻产量对比

针对5个产量指标（穗长、结实率、千粒质量、实穗粒数、穗数）和5组灌溉处理进行灰色关联度分析，以产量作为参考值，研究5个产量指标与产量关联关系。由表3可知，穗数与产量关联度最大达0.758，其次为穗粒数。综合以上数据分析，无水层控制处理条件下，水稻产量指标有效穗数对产量贡献最大，控制灌溉促进穗数、穗粒数的增长并直接影响产量变化，这与王君等[26]的结论一致。

表3 产量与构成因素之间的关联度

2.3 无水层控制灌溉对水稻水分利用效率的影响

无水层控制灌溉研究基于不减产的前提下，提高水分利用效率。由表4可知，淹水灌溉水稻耗水量较无水层控制灌溉超出50%~67%。根据产量及各处理间耗水量，可以得到各处理下水分利用效率（表4）。由表4可知，控制灌溉组水分利用率均高出0.9~1.56 kg·m-3。结果表明，采取控制灌溉技术可以提高水分利用效率，这与梁乾平等[27]的研究结果一致，水分胁迫促进水稻生长从而提高水稻的产量。

表4 无水层控制灌溉水稻水分利用效率

从表5可知，针对2个指标（产量、水分利用效率）进行TOPSIS评价，最终计算得出各评价对象与最优灌溉处理接近程度（C值），并进行排序。其中，处理II最优，达0.94，其次为处理III。综合数据表明，处理II是更为适宜的灌溉处理。

3 讨论与结论

水分利用效率是衡量灌溉水量科学性合理性重要指标。大量试验表明，合理、科学的灌溉方式及灌溉水量能有效提高稻田的水分利用效率。前人研究认为，水稻传统淹水灌溉流失绝大部分养分，长期泡田处理危害根系呼吸、加快根系衰老，导致减产[21]。适度水分胁迫有利于作物生育过程中根系吸收养分能力的提高，促进作物各部分生长，减少过度水分流失，有效提高水分利用效率。本研究通过田间无水层控制灌溉试验对水稻株高、叶面积指数、生物量、产量及水分利用效率等方面影响的研究。研究结果表明，不同灌溉处理下水稻株高具有显著性差异，水分亏缺不利于水稻株高生长，但适度水分胁迫对水稻干物质累积、叶面积生长有促进作用，分别较对照处理高出3%~26%、6.53%~12.35%。张忠学等[28]发现，水分调控能有效促进肥料在稻田土层的积累，有利于水稻根系吸收利用营养物质，增加土壤根系含氧度，提高根系生长力[29]。马丙菊[30]发现，水稻增产得益于穗数以及穗粒数的增加。试验中不同灌溉处理下水稻的穗长、千粒质量、结实率、穗数、穗粒数分别较常规灌溉3.76%~1.52%、5.66%~1%、1.1%、2.83%~2.63%、8.98%~1.68%，穗数、穗粒数存在显著差异，与马丙菊[30]的研究结论相似。除处理I外，其他灌溉处理产量较对照组高9.5%~7.24%。前人研究发现，水稻处于土壤饱和含水率60%以下将影响水稻的正常生长发育，从而降低水稻产量[21]。不同灌溉处理下，水分利用效率均高于对照组0.9~1.56 kg·m-3。控制灌溉可显著提高水分利用效率，孙雪梅等[15]设置多种节水灌溉模式进行对照试验，耗水量和产量控制灌溉均优于其他节水灌溉模式。黄玲等[31]也表明，耗水量增加的主要因素是灌溉水量的增加，无水层控制灌溉基于土壤饱和含水率百分数的下限进行水分调控，直接降低作物灌溉水量，显著提高水分利用效率。

综合考虑水稻产量、水分利用效率，无水层控制灌溉处理II（土壤饱和含水率70%）产量较高，为9 680.19 kg·hm-2，水分利用效率为2.33 kg·m-3，且水稻叶面积指数、生物量分别为4.46和28.23 t·hm-2。可将控制土壤饱和含水率70%作为天津地区水稻适宜生长的灌水下限。