不同滲漏強度下寒區(qū)節(jié)水灌溉水稻生長發(fā)育與產(chǎn)量特征研究

欒雅珺，于艷梅，徐俊增

(1.河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

氣候變化背景下，黑龍江省水稻種植面積大幅度增加，傳統(tǒng)淹水灌溉水稻具有耗水量和灌水量大的特點[1-2]，這給當?shù)厮Y源帶來了巨大的壓力。應(yīng)用和推廣水稻節(jié)水灌溉技術(shù)，對于緩解水資源供需矛盾，節(jié)約水資源、保障糧食安全均具有十分重要的意義[3-10]。適宜的稻田滲漏量可調(diào)節(jié)作物根區(qū)土壤的水肥氣熱狀況、改善稻根環(huán)境，提高根系吸水吸肥能力，一定程度上促進水稻植株的生長[11-13]，適當?shù)臐B漏量是水稻生產(chǎn)過程中必要的生態(tài)用水。稻田節(jié)水過程中如何協(xié)調(diào)作物生理需水與稻田生態(tài)用水是科學(xué)合理的開展水稻節(jié)水灌溉的關(guān)鍵。黑龍江省廣泛應(yīng)用的水稻節(jié)水灌溉技術(shù)，要求在生育期間(返青以后)田面不建立灌溉水層，土壤大部分時間處于非飽和狀態(tài)[14-15]。因此，合理調(diào)節(jié)稻田滲漏強度，提高稻田水分滯蓄能力，對于實現(xiàn)水稻節(jié)水高產(chǎn)具有重要意義[16-18]。

因此，針對黑龍江省寒區(qū)水稻，設(shè)置了3種典型的滲漏強度，開展不同滲漏強度下的寒地水稻控灌試驗，分析不同滲漏強度對水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量特征的影響，探討滲漏強度對寒區(qū)水稻節(jié)水灌溉田間水分管理的影響，為寒區(qū)水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用以及今后與控制排水技術(shù)聯(lián)合開展節(jié)水減排的試驗研究提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年在黑龍江省綏化市慶安國家灌溉試驗重點站開展，該站位于慶安縣和平鎮(zhèn)，是典型的寒區(qū)黑土分布區(qū)，氣候特征屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。水稻生長期多年平均氣溫為2.5 ℃，多年平均降水量550 mm。土壤基本理化性質(zhì)：pH值6.4、有機質(zhì)41.4 g/kg、全氮15.06 g/kg、全磷15.23 g/kg、全鉀20.11 g/kg、堿解氮154.36 mg/kg、有效磷25.33 mg/kg 和速效鉀157.25 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

水稻灌溉方式采用控制灌溉技術(shù)[19]?？刂乒喔饶Ｊ匠登嗥谔镩g保持10～30 mm的水層外，其他各生育階段灌水后田面均不建立水層，各生育階段以根層土壤水分作為控制指標確定灌水時間和灌溉定額。各生育期土壤水分調(diào)控指標見表1。試驗設(shè)D1、D2、D3三種滲漏強度，對試驗區(qū)水稻分別進行處理。各處理在返青期保持相同的滲漏強度3 mm/d，分蘗期開始以后對應(yīng)的滲漏強度D1為1 mm/d、D2為2 mm/d、D3為3 mm/d，每個處理重復(fù)三次。供試水稻品種為龍慶稻3號，育秧、移栽、密度、施肥等技術(shù)相同，選擇長勢、大小相近的水稻移栽，每桶移栽4穴。5月20日移栽，9月27日收獲，水稻本田生育期為 130 d。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)滲漏量控制，本研究采用測桶試驗，試驗在9個直徑50 cm、高70 cm的圓柱形鐵桶內(nèi)開展，桶身外部包裹保溫棉防止桶壁溫度變化對試驗的影響，為了能夠更好地模擬稻田生長環(huán)境，試驗用桶兩側(cè)均布置為稻田。試驗土壤取自周邊水稻田，將土壤曬干壓碎后過篩，剔除石子。按如下容重控制回填，0 ～10 cm土層為1.21 g/cm3，10～30 cm為1.42 g/cm3，30～50 cm為1.5 g/cm3。桶底預(yù)留5 cm砂石濾層，內(nèi)部埋設(shè)十字型透水集水管。在桶壁距離底部5 cm處開小孔，通過連接件將內(nèi)部十字型透水集水管與桶外的排水軟管連接，實現(xiàn)滲漏排水的控制和淺層地下水位的人工復(fù)核。

表1 水稻各生育期灌水下限控制指標

注：θs為土壤飽和含水率。

1.3 測定項目及測定方法

每個桶內(nèi)布設(shè)水位計自動記錄地下水埋深變化；在距離土壤表面5 cm、15 cm、25 cm、35 cm處埋設(shè)TDR探頭，用以觀測土壤含水率變化。自分蘗期開始，每天按照設(shè)定滲漏強度(換算為排水重量)定期排水，即為日滲漏量。每次灌溉水量采用量筒精確計量，降雨等氣象數(shù)據(jù)來自試驗站內(nèi)的自動氣象站。在水稻生長期內(nèi)，每隔5 d觀測莖蘗、株高和葉面積(按長寬法測定，系數(shù)按0.75計)。在水稻收獲時，測定各處理的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素，最后測定產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滲漏強度下土壤水分動態(tài)變化特征

水稻的分蘗期到乳熟期，不同滲漏強度下土壤水分變化特征如圖1?？傮w來看，滲漏強度越大的稻田土壤含水率下降越快。分蘗期水稻植株耗水較慢，不同處理間土壤水分變化差異較明顯，此時土壤水分下降速率D3>D2>D1，分蘗期末曬田期間土壤含水率降低到一個較低水平。拔節(jié)孕穗期水稻生長耗水量大且快，土壤水分從飽和下降到水分下限時間較分蘗期短。抽穗開花期土壤水分下降速率D2>D3>D1，這可能是因為滲漏強度為2 mm/d的水稻后期長勢較好，植株蒸騰量增大，使得D2處理水分下降速率快于D3處理。乳熟期不同處理間土壤水分下降速率差異較小。

圖1 不同滲漏調(diào)控下土壤水分變化特征(自移栽18 d后開始的小時數(shù))

2.2 水稻莖蘗與株高動態(tài)

由于盆栽試驗受邊緣效應(yīng)影響較大，因此每穴莖蘗數(shù)總體偏大。不同處理的水稻莖蘗數(shù)消長動態(tài)基本一致(見圖2)，均呈現(xiàn)隨生育期推進先增大后逐漸減小的變化規(guī)律。分蘗前期(移栽后15～30 d)，滲漏強度越大，莖蘗數(shù)增長速率越慢，此時莖蘗數(shù)增長速率呈現(xiàn)D1>D2>D3;分蘗中后期(移栽后31～38 d)，D3分蘗加快，D1分蘗變緩，分蘗期最終莖蘗數(shù)呈D2>D3>D1。拔節(jié)孕穗期水稻莖蘗數(shù)達到最大值，D3莖蘗數(shù)達到峰值時間要早于其余處理，說明滲漏強度越大，水稻分蘗越早地進入莖蘗消退期。抽穗開花期-乳熟期(移栽后73～97 d)無效莖蘗消亡占主導(dǎo)地位，各處理莖蘗數(shù)逐漸減少直至趨于穩(wěn)定。不同處理最高莖蘗數(shù)呈D1>D2>D3，且D1較D2、D3分別高2.78%、5.56%；最終莖蘗數(shù)呈D1>D2>D3，且D1較D2、D3分別高3.70%、3.71%。因此，滲漏強度越大，土壤水分下降越快，在一定程度上抑制了水稻莖蘗數(shù)的增加。

不同滲漏強度下水稻株高變化顯示(見圖2)：分蘗期-拔節(jié)孕穗期，各處理生育前期株高增長迅速，且處理間非常接近；進入抽穗開花期，株高增長速率變緩直至趨于平穩(wěn)，此時株高呈D3>D2>D1；乳熟期后水稻株高變化較小并趨于平穩(wěn)，最終水稻株高呈D3>D2>D1。不同處理之間水稻株高差異極小。

圖2 水稻莖蘗數(shù)、株高變化

2.3 水稻葉面積指數(shù)

由于盆栽試驗邊緣效應(yīng)影響較大，因此葉面積指數(shù)LAI總體較大。分析不同滲漏強度下水稻葉面積指數(shù)變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)(見圖3)，LAI變化趨勢與莖蘗消長動態(tài)較為相似。分蘗前期LAI較低，進入分蘗高峰期后，隨著莖蘗的增加和葉片的生長，LAI快速增大，在拔節(jié)孕穗后期-抽穗開花期達到了全生育期的最大值，乳熟期后因為無效莖蘗消亡、葉片衰敗等原因而下降。全生育期內(nèi)，D1處理LAI最大值為12.56，分別較D2、D3高15.45%、23.32%；D1處理LAI平均值為6.14，分別較D2、D3高18.49%、20.91%；D1處理LAI最終值為8.37，分別較D2、D3高12.84%、18.58%。因此，滲漏強度大抑制了水稻莖蘗數(shù)及葉片數(shù)的增加，從而降低了水稻葉面積指數(shù)。從最大葉面積指數(shù)與最終葉面積指數(shù)在處理間的對比顯示，低滲漏強度下過大的最大葉面積指數(shù)也伴隨著較大的后期葉面積消亡，表明冗余生長比較多，應(yīng)適當?shù)慕档偷咎锼?通過減少灌溉或者增大滲漏)控制和減少部分冗余生長。

圖3 水稻葉面積指數(shù)變化

2.4 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成

田間地下水位調(diào)控對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響結(jié)果顯示(見表2)，滲漏強度越大，土壤水分下降越快，抑制莖蘗數(shù)的增加，導(dǎo)致有效穗數(shù)的降低。D2、D3有效穗數(shù)較D1分別降低5.71%、14.01%。此外，D1、D2、D3處理間每穗粒數(shù)差異不顯著。結(jié)實率方面，隨著日滲漏強度的增加，結(jié)實率有所增大。千粒重體現(xiàn)了谷粒的大小，與后期灌漿密切相關(guān)，還與稻米品質(zhì)密切相關(guān)[20]。與D1相比，D2、D3千粒重分別下降2.08%、2.13%。最終，水稻產(chǎn)量隨著滲漏強度的增加而下降，與D1相比，D2、D3產(chǎn)量分別降低了3.00%、7.61%，D3處理的產(chǎn)量顯著降低。這可能是因為滲漏強度越大、土壤水分下降越快，促進了水稻根系的生長，作物吸收養(yǎng)分能力較強，使得滲漏強度對每穗粒數(shù)影響較小，并且滲漏強度越大，有效地提高了結(jié)實率。但千粒重的下降表明：水稻灌漿期(開花期和乳熟期)水分應(yīng)適當提高。

綜上所述，生育前期稻田日滲漏強度大能夠促進水稻成熟，抑制無效分蘗，但會造成單位面積有效穗數(shù)不足而影響產(chǎn)量。開花期后滲漏強度大能夠促進作物根系生長，幫助穗粒數(shù)的生長和提高結(jié)實率。從水稻產(chǎn)量來看，最終產(chǎn)量隨著日滲漏強度的增大而降低。因此，滲漏強度越大的稻田應(yīng)該在土壤水分到達下限時及時進行灌溉，否則難以保證高產(chǎn)。且為了能夠保障較高的千粒重，需要在開花和乳熟期適當提高灌水下限。

表2 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

3 結(jié) 論

(1)稻田日滲漏強度越大，土壤水分下降越快，一定程度上降低控灌水稻莖蘗數(shù)、株高及葉面積。

(2)從產(chǎn)量及其構(gòu)成要素來看，日滲漏強度越大，會造成有效穗數(shù)、千粒重的降低，但能夠獲得較高的結(jié)實率，對穗粒數(shù)影響很小。產(chǎn)量方面隨著日滲漏強度越大，水稻最終產(chǎn)量越低，主要原因在于有效穗數(shù)和千粒重的降低。

(3)為了能保障較高的千粒重，需要在抽穗開花期到乳熟期適當提高灌水下限。在滲漏強度比較大的地區(qū)，節(jié)水灌溉水稻對灌溉及時度的要求更高，即在土壤含水率達到下限時應(yīng)及時進行灌溉，否則難以保證高產(chǎn)。