遼寧中部地區(qū)水稻干濕交替灌溉試驗研究

陳 偉，劉 磊，劉光巖，邰恩博，金 飛，賈國威

(1. 遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003； 2.巴彥淖爾市河套水利水電勘察設計有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學，遼寧 沈陽 110866)

水稻作為我國主要糧食作物，其種植面積約占世界種植面積的19%，生產(chǎn)量約為世界總產(chǎn)量的29%[1]。但隨著人口的不斷增長，稻谷的需求量日益增加。按照目前中國稻米的年消費量來計算，到2030年中國水稻生產(chǎn)量將增加30%以上才能滿足人們的基本需求[2]。由此可見，保障水稻穩(wěn)定生產(chǎn)和安全供應對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著舉足輕重的作用。

水稻同樣也是一種高耗水作物，其耗水量占全國總用水量的50%左右[3]，占農(nóng)業(yè)總用水量的65%以上[4]。稻田傳統(tǒng)淹灌模式所產(chǎn)生的巨大的耗水量不僅加劇了中國日益緊缺的農(nóng)業(yè)水資源問題，而且加重了稻田養(yǎng)分的滲漏、徑流和揮發(fā)，造成了地表水和地下水環(huán)境污染[5]。為保證中國糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，必須釆取有效的節(jié)水灌溉措施來減少田間灌溉用水量和灌溉次數(shù)，以此來提高稻田水分生產(chǎn)率[6]。近年來，關(guān)于節(jié)水灌溉技術(shù)的研究較多[7-9]，研究表明，相對于常規(guī)淹灌，節(jié)水灌溉技術(shù)均能不同程度的節(jié)約灌溉用水，減少水稻耗水量[10]，但關(guān)于節(jié)水灌溉技術(shù)對水稻生長特性及產(chǎn)量的影響結(jié)論尚不完全一致，具有較強的地域性。遼寧中部地區(qū)水資源在年際間以及年內(nèi)分布不均，且調(diào)蓄能力有限，嚴重影響該地區(qū)作物生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，相比其他作物，該地區(qū)水稻種植面積較廣，具有很高的節(jié)水增產(chǎn)潛力，亟需適應當?shù)厮Y源條件的節(jié)水灌溉方式。干濕交替灌溉作為在國內(nèi)外應用較多的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，具有操作簡單，節(jié)水增產(chǎn)效果明顯的特點，但在遼寧中部地區(qū)的節(jié)水增產(chǎn)效果有待研究。因此，本文通過研究干濕交替灌溉對遼寧中部地區(qū)水稻生長性狀變化規(guī)律、產(chǎn)量以及水分利用效率的影響，從而確定干濕交替灌溉在遼寧中部地區(qū)的適應性，為探求遼寧中部地區(qū)適宜水稻灌溉模式，進行水田灌區(qū)的節(jié)水改造及規(guī)劃設計提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于遼寧省灌溉試驗中心站(東經(jīng)120°30′44″，北緯42°08′59″，海拔47 m)進行，試驗站地點為平原地帶，屬溫帶大陸性季風氣候。供試土壤為黏壤土，參考理化指標為：容重1.48 g/cm3，土壤飽和體積含水率為42.2%，土壤中等肥力偏下，速效鉀107 mg/kg，速效磷40.3 mg/kg，土壤堿解氮78 mg/kg，全氮1.11 g/kg，有機質(zhì)22.3 %，土壤pH值為7。

1.2 試驗設計

測坑采用單因素試驗，因素水平為常規(guī)灌溉(CK)、干濕交替灌溉(JT)，具體控水標準見表1。

表1 不同灌溉方式處理下不同生育階段控制水深和土水勢管理

試驗在非稱重式蒸滲測坑中進行，規(guī)格為2.5 m×2.0 m。水稻供試品種采用當?shù)仄毡榉N植的千重浪2號(沈農(nóng)9765)，于5月24日插秧，行距30 cm，株距15 cm，每穴4株基本苗，全生育期為116 d。供試肥料為尿素(含N量46.4%)、硫酸鉀(含K2O量50%)和過磷酸鈣(含P2O5量12%)。依據(jù)當?shù)厥┓史绞?，將氮?含N，210 kg/hm2)作為基肥、分蘗肥和孕穗肥分別按照4∶4∶2的比例施入土壤中；磷肥(P2O5，60 kg/hm2)作為基肥一次性施入；鉀肥(K2O，75 kg/hm2)作為基肥和分蘗肥按照1∶3的比例兩次施入土壤中。

1.3 觀測項目與方法

(1)生長性狀。按照灌溉試驗規(guī)范SL 13—2015，通過定點觀察每叢苗數(shù)，開始分蘗時，每隔5 d記錄一次，臨近分蘗高峰期至抽穗期每隔2～3 d記錄一次，并每10 d查一次株高。從分蘗期開始，每隔7 d用SPAD—502型便攜式葉綠素儀測量葉片SPAD值，每個小區(qū)測3穴，每穴3片(最頂部完全展開葉)，每片葉上、中、下部各1次，取平均值作為該小區(qū)的SPAD值。采用AccuPAR植物冠層分析儀測量葉面積指數(shù)，每個測坑在3個不同方位分別進行測量，取平均值作為該小區(qū)的葉面積指數(shù)。

(2)耗水量及產(chǎn)量。每日8:00和14:00記錄水深及土壤負壓值。水深、負壓值和灌水量分別采用水尺、水銀負壓計和全自動灌溉系統(tǒng)來測定計量。生育期耗水量(W),計算公式為：

W=P+I+K

(1)

式中：P為降水量，m3/hm2；I為灌水量，m3/hm2；K為地下水補給量，m3/hm2。由于蒸滲儀設有自動遮雨棚，降水量及地下水補給量均為零。

黃熟期結(jié)束后，每個小區(qū)單打單收，曬干揚凈，測量實際產(chǎn)量。水分生產(chǎn)率=產(chǎn)量/全生育期耗水量。

本試驗采用SPSS軟件進行單因素方差分析，試驗設計模型的固定因子灌溉方式(W)，隨機因子為區(qū)組(B)，誤差項分別為B×W，均值差異檢測采用Tukey’s HSD方法，顯著性水平為p<0.05。本試驗只對方差分析顯著的因子進行分析。運用Origin 9.0繪圖軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕交替灌溉對水稻生長性狀的影響

2.1.1 干濕交替灌溉對水稻莖蘗動態(tài)的影響

由圖1可以看出，不同灌溉方式下水稻莖蘗動態(tài)變化規(guī)律相似，均呈先增加后降低的單峰曲線。其中分蘗中期分蘗速率最快，分蘗數(shù)于分藥后期達到高峰，拔節(jié)期開始緩慢下降，乳熟期后趨于穩(wěn)定。常規(guī)淹灌處理(CK)在6月20日達到分蘗高峰，平均分蘗數(shù)為21株，隨著生育進程的不斷推進，分蘗數(shù)開始穩(wěn)步下降，最終分蘗數(shù)穩(wěn)定在12株；交替灌溉(JT)較CK處理分蘗高峰時間有所延遲，于7月2日達到分蘗高峰，最大分蘗數(shù)為26株，比CK處理的最大分蘗數(shù)高19%。達到分蘗高峰后，JT處理較CK處理分蘗下降幅度略有增大，最終分蘗數(shù)穩(wěn)定在15株，較CK處理分別高20%。由此可見灌溉方式顯著影響了水稻莖蘗動態(tài)，可能是由于干濕交替灌溉較常規(guī)淹灌減少了氮肥損失，更充分的養(yǎng)分條件促進水稻植株分蘗。

圖1 灌溉方式對水稻莖蘗動態(tài)的影響

2.1.2 干濕交替灌溉對水稻株高的影響

由圖2可知，株高在不同灌溉方式下的變化規(guī)律大體一致，隨著生育期的進行平穩(wěn)增長。分蘗階段各處理下株高無顯著性差異，拔節(jié)孕穗階段JT處理的株高明顯高于CK處理，而后隨著穗肥的施入差異逐漸減小。3種灌溉方式下的株高均在乳熟期達到峰值，表現(xiàn)為JT(111.12 cm)> CK(107.62 cm)。

圖2 灌溉方式對水稻株高的影響

2.1.3 干濕交替灌溉對水稻葉綠素(SPAD)的影響

圖3 灌溉方式對水稻葉綠素(SPAD)的影響

由圖3可知，兩種灌溉方式下水稻全生育期葉綠素(SPAD)表現(xiàn)相似的變化規(guī)律，均呈現(xiàn)“兩高一低”的雙峰曲線變化趨勢。在返青至分蘗期由于充足的肥料供應，水稻植株由緩苗階段過渡到生殖生長階段，SPAD在分蘗中期迅速達到全生育期最高點，約為47.7；隨后由于養(yǎng)分的消耗與損失，SPAD開始緩慢降低，在拔節(jié)孕穗末期達到最低值，約為39.0；而后又表現(xiàn)出上升的趨勢并在抽穗開花期到達第二個峰值，之后SPAD值逐漸下降。對比水稻栽培管理過程中的施肥日期發(fā)現(xiàn)，本試驗施用分蘗肥和孕穗肥的時間與SPAD值出現(xiàn)上升趨勢和達到峰值的時間極度吻合。這也間接說明水稻葉片中的含氮量與葉片的葉綠素含量(SPAD值)存在顯著相關(guān)關(guān)系。方差分析表明，灌溉方式對水稻葉綠素影響較小，雖然干濕交替灌溉處理SPAD值略高于常規(guī)淹灌處理。

2.1.4 干濕交替灌溉對水稻葉面積指數(shù)(LAI)的影響

由圖4可以看出，葉面積指數(shù)(LAI)的變化與莖蘗動態(tài)呈現(xiàn)類似的“先增后減”的趨勢，但二者波峰出現(xiàn)時間不一致。LAI返青期較小，分蘗至拔節(jié)階段不斷增大，抽穗開花初期達到最大，隨后緩慢減小，乳熟期趨于平穩(wěn)，除了返青期外，JT處理各個生育階段LAI均明顯高于CK處理。其中JT比CK處理的葉面積指數(shù)高14.5%～31.7%?？梢姼蓾窠惶婀喔雀幸嬗谒救~面積的生長，這可能是由于優(yōu)化灌溉方式更有利于土壤截留養(yǎng)分，進而使得水稻植株高效吸收利用養(yǎng)分。

圖4 灌溉方式對水稻葉面積指數(shù)的影響

2.2 干濕交替灌溉對水稻耗水量的影響

由圖5可知，水稻全生育期灌水量表現(xiàn)為CK(457.0284 m3/畝)>JT(405.8028 m3/畝)。與CK相比，JT處理節(jié)水11.21%。足以可見，干濕交替灌溉由于周期性灌溉與落干致使灌水量大幅度減少，且干濕交替灌溉減少了深層滲漏并有效調(diào)節(jié)植株生理耗水，因此，相比常規(guī)淹灌，干濕交替灌溉顯著降低了水稻耗水量。

圖5 灌溉方式對水稻全生育期耗水量的影響

2.3 干濕交替灌溉對水稻產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率的影響

圖6 灌溉方式對水稻產(chǎn)量的影響

圖7 灌溉方式對水分生產(chǎn)率的影響

圖6、圖7表明，灌溉方式顯著影響水稻產(chǎn)量，交替灌溉處理產(chǎn)量顯著高于常規(guī)灌溉，增產(chǎn)達6.8%。對水分生產(chǎn)率的方差分析顯示：JT處理水分生產(chǎn)率顯著高于CK處理?？梢姡c常規(guī)淹灌相比，干濕交替灌溉不僅大幅度減少了耗水量，而且增加了產(chǎn)量，從而提高了水分生產(chǎn)率。

3 討 論

3.1 干濕交替灌溉對水稻生長性狀的影響

調(diào)節(jié)稻田水分狀況，促進和控制水稻對氮素等營養(yǎng)成分的吸收和利用，對水稻生長特性起著至關(guān)重要的作用[11]。本研究結(jié)果表明，與常規(guī)淹灌相比，干濕交替灌溉促使分蘗高峰期后移，增加了有效分蘗數(shù)；各生育階段的葉面積指數(shù)均表現(xiàn)為干濕交替灌溉高于常規(guī)淹灌。這可能是由于干濕交替灌溉處理的土壤在“干”與“濕”的更替中改善了自身通氣狀況，保障了根系系統(tǒng)的生長，使根系吸收更多的養(yǎng)分與水分，從而增強水稻植株葉片生長[12-13]，這一結(jié)果與夏瓊梅等[14]研究較為一致。但不同灌溉方式對株高的影響與金學泳等[15]研究存在差異，本研究結(jié)果表明，干濕交替灌溉條件下的株高較常規(guī)淹灌增加3.5 cm，但并未達到顯著水平，與前人研究不一致的原因很可能與水稻的品種類型、生態(tài)條件和栽培措施有關(guān)。全生育期水稻植株的葉綠素含量呈現(xiàn)“兩高一低”的雙峰曲線變化規(guī)律，兩次峰值均在追施氮肥之后出現(xiàn)，且干濕交替灌溉對葉綠素含量的影響不明顯，可見葉綠素含量主要受氮素調(diào)節(jié)[16]，與灌溉方式關(guān)系不大。

3.2 干濕交替灌溉對水稻產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率的影響

張自常等研究表明[17]，與常規(guī)淹灌相比，土壤落干至土壤水勢為-15 kPa的干濕交替灌溉可顯著提高產(chǎn)量9.4%～11.8%，其增產(chǎn)的主要原因是交替灌溉顯著改善了分蘗成穗率、葉片光合速率、粒葉比、花后干物質(zhì)生產(chǎn)及根系活性等群體質(zhì)量，從而顯著增產(chǎn)。本研究中，干濕交替灌溉通過提高有效分蘗數(shù)、葉面積指數(shù)等生長特性指標，優(yōu)化水稻群體結(jié)構(gòu)，進而達到增產(chǎn)6.8%的效果。干濕交替灌溉的節(jié)水效果已得到廣泛認可[18-19]，本研究的交替灌溉較常規(guī)淹灌節(jié)水11.21%，這主要是由于干濕交替灌溉較常規(guī)淹灌不僅減少深層滲漏損失，而且也通過水稻自身生理調(diào)節(jié)機制控制氣孔導度，顯著提高蒸騰蒸發(fā)效率和單葉水分效率，降低因持續(xù)覆水所引起的深層滲漏和棵間蒸發(fā)。與常規(guī)淹灌相比，干濕交替灌溉在顯著減少灌溉用水的基礎下增加水稻產(chǎn)量，進而顯著提高水分生產(chǎn)率，這一結(jié)果與眾多學者研究一致[20-21]。由此可見干濕交替灌溉不僅具有顯著的增產(chǎn)減耗作用，且具有較高的推廣應用潛力，適宜在遼寧中部地區(qū)廣泛使用。

4 結(jié) 論

通過在遼寧中部地區(qū)進行干濕交替灌溉對水稻生長性狀、產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率的試驗研究，得到以下結(jié)論：灌溉方式對水稻莖蘗動態(tài)、葉面積指數(shù)響應程度較大，干濕交替灌溉明顯優(yōu)于常規(guī)淹灌；但灌溉方式對水稻株高、葉綠素的影響均未產(chǎn)生顯著性影響；干濕交替灌溉顯著影響水稻生產(chǎn)耗水、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率。干濕交替灌溉下的水稻產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率均顯著高于常規(guī)淹灌，耗水量表現(xiàn)為常規(guī)淹灌顯著高于干濕交替灌溉。因此，鑒于干濕交替灌溉優(yōu)化了水稻群體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了水稻的節(jié)水增產(chǎn)，可以在遼寧中部地區(qū)的水稻生產(chǎn)中進一步推廣和應用。