寒地鹽堿化土壤對(duì)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

張效霏 鄭妍妍 劉 凱 徐振華 于艷敏 張書(shū)利 張海峰 張有智 畢洪文 來(lái)永才

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)遙感與信息研究所 黑龍江哈爾濱 150086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150086；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所 黑龍江哈爾濱 150086）

土壤鹽堿化是在特定氣候、地形、水文、地質(zhì)及土壤等自然因素綜合作用下， 以及人為引水灌溉中的不當(dāng)操作引起土壤鹽化與堿化的土地質(zhì)量退化過(guò)程。 鹽堿地在世界范圍內(nèi)分布十分廣泛，遍及除南極洲以外的五大洲[1]。 聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的資料表明，其總面積約9.5×108hm2， 占地球陸地面積的7.26%，其中我國(guó)約有9.9×107hm2。 值得關(guān)注的是，我國(guó)東北松嫩平原的鹽堿土壤面積從1950 年的約2.4×106hm2已經(jīng)變?yōu)?016 年的約3.9×106hm2，增長(zhǎng)近62.5%。目前黑龍江省鹽堿地約1.02×106hm2， 分布在大小共17 個(gè)縣(市)，其中，鹽堿耕地約占1.34×105hm2。

土壤鹽堿化及次生鹽堿化現(xiàn)象日趨加重， 已經(jīng)成為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一。 鹽堿化又是一個(gè)動(dòng)態(tài)現(xiàn)象和過(guò)程，因此如何及時(shí)掌握有關(guān)鹽堿地的性質(zhì)、范圍、鹽堿化程度等方面的信息，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，對(duì)治理鹽堿地、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和進(jìn)行農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃至關(guān)重要。 2022 年中央一號(hào)文件《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于做好2022 年全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興重點(diǎn)工作的意見(jiàn)》[2]中提出，積極挖掘潛力增加耕地， 支持將符合條件的鹽堿地等后備資源適度有序開(kāi)發(fā)為耕地。

研究制定鹽堿地綜合利用規(guī)劃和實(shí)施方案。 分類改造鹽堿地， 推動(dòng)由主要治理鹽堿地適應(yīng)作物向更多選育耐鹽堿植物適應(yīng)鹽堿地轉(zhuǎn)變。 因此，研究寒地鹽堿化土壤對(duì)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響， 從而發(fā)掘和利用現(xiàn)有種質(zhì)資源， 在鹽堿條件下進(jìn)行試驗(yàn)鑒定篩選，創(chuàng)制目標(biāo)性狀突出、綜合性狀優(yōu)良的育種新材料，開(kāi)展耐鹽堿水稻種質(zhì)資源創(chuàng)新及新品系選育，對(duì)鹽堿地的開(kāi)發(fā)和利用具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究的觀察試驗(yàn)于2022 年在國(guó)家耐鹽堿水稻技術(shù)創(chuàng)新中心東北分中心五常試驗(yàn)站展開(kāi)。 選擇10 個(gè)有代表性的水稻品系作為試驗(yàn)材料， 由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所提供。 供試的土壤按照堿化度分為輕度（pH 8.97）、中度（pH 9.58）和重度（pH 9.94）3 個(gè)部分，土壤指標(biāo)檢測(cè)值見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地基礎(chǔ)土壤檢測(cè)指標(biāo)值

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于黑龍江省南部的五常市， 地處北緯44°4′、東經(jīng)126°33′，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫為3.5℃， 7 月氣溫較高， 平均為23℃， 最高達(dá)35.6℃，1 月氣溫較低， 月平均為-19.1℃， 最低達(dá)-45.4℃。年日照時(shí)數(shù)2 629 h。年均降水量約625 mm，夏季降水量約占全年降水量的70%，≥10℃活動(dòng)積溫為2 500℃·d，全年無(wú)霜期130 d。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2022 年4-9 月試驗(yàn)地最高氣溫32℃，分別出現(xiàn)在7 月27 日和7 月28 日， 最低氣溫為0℃，出現(xiàn)在4 月28 日；白天晴天數(shù)33 d（占比22%）、雨天數(shù)75 d （占比50%）， 多云、 陰天數(shù)41 d （占比28%）；夜間晴天數(shù)29 d（占比19%）、雨天數(shù)49 d（占比33%）， 多云、陰天數(shù)71 d（占比48%）；風(fēng)力1~2級(jí)有67 d（占比45%）、3~4 級(jí)有78 d（占比52%）、4~5 級(jí)有4 d （占比3%）；4－9 月各月日照時(shí)數(shù)分別為221.6 h、251.2 h、208.1 h、182.0 h、182.6 h 和175.5 h；≥10℃的積溫3 558℃。

1.3 試驗(yàn)方法

采用小區(qū)試驗(yàn)，分輕度（pH 8.97）、中度（pH 9.58）和重度（pH 9.94）3 個(gè)鹽堿度的小區(qū)進(jìn)行處理，面積均為5 m×5 m， 每個(gè)處理3 次重復(fù)， 隨機(jī)區(qū)組排列，插秧規(guī)格為30.0 cm×13.3 cm，每穴插3 株。 10 個(gè)試驗(yàn)品系均在4 月12 日浸種、4 月20 日播種 （規(guī)格為200 g/m2）、6 月1 日插秧。水肥管理措施完全相同，保證品系不受病蟲(chóng)害和洪澇旱情影響。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

調(diào)查與觀測(cè)分別記錄10 個(gè)品系在3 種不同鹽堿化條件下的如下指標(biāo)：關(guān)鍵生育時(shí)期指標(biāo)，主要包括播種日期、插秧日期、返青期、分蘗期、始穗期（20%的植株抽穗）、 抽穗期 （50%的植株抽穗）、 齊穗期（80%的植株抽穗）和成熟期；農(nóng)藝性狀生長(zhǎng)期指標(biāo)主要包括3 次以上的分蘗動(dòng)態(tài)、 分蘗期和齊穗期（80%的植株抽穗）的株高及葉綠素（SPAD）；農(nóng)藝性狀成熟期指標(biāo)主要包括每平方米穗數(shù)、有效分蘗數(shù)、每穗粒數(shù)、穗長(zhǎng)、千粒重、結(jié)實(shí)率及產(chǎn)量。

每個(gè)水稻品系在分蘗期過(guò)后，采用五點(diǎn)取樣法，每8 d 取1 次樣，每個(gè)小區(qū)取5 穴，用105℃烘箱法[3]，將試樣放入105℃烘箱內(nèi)烘3 h 后取出，置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫，取出稱量后，再按以上方法進(jìn)行復(fù)烘，烘至恒重，測(cè)地上部干重。 10 個(gè)品系相繼在8 月25 日至9 月15 日之間成熟， 成熟期每個(gè)小區(qū)取10穴在室內(nèi)考種。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用軟件SAS 9.4 進(jìn)行指標(biāo)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)和差異分析，圖表用Excel 進(jìn)行制作和分析。

2 結(jié)果與分析

同一品系水稻在土壤不同堿化度下及不同品系水稻在同一土壤堿化度下，由于耐鹽堿特性不同，分蘗高峰期、分蘗數(shù)量、抽穗期、株高、葉綠素值、有效分蘗數(shù)、結(jié)實(shí)率和穗粒數(shù)等指標(biāo)都會(huì)存在差異，從而影響水稻最終的產(chǎn)量[4-5]。

2.1 關(guān)鍵生育時(shí)期指標(biāo)比較分析

通過(guò)10 個(gè)品系的播種日期和成熟期，分別統(tǒng)計(jì)出它們?cè)? 種不同堿化度土壤下的生育期（表2）。從兩個(gè)不同角度進(jìn)行比較，品系6 和品系10 在3 個(gè)不同鹽堿地的平均生育期相對(duì)短，約為130 d，品系2 的平均生育期最長(zhǎng)，為148 d。在輕度鹽堿地中的10 個(gè)品系的平均生育期最短，約為135 d；在重度鹽堿地中的10 個(gè)品系的平均生育周期最長(zhǎng)，約為139 d。

表2 10 個(gè)品系在3 種土壤堿化度下的生育期（單位：d）

按照黑龍江水稻品系熟期的劃分， 生育周期在128 d 以下的為早熟品系；生育周期128~130 d 的為中早熟品系；生育周期130~133 d 的為中熟品系；生育周期133~135 d 的為中晚熟品系；生育周期在135 d以上的為晚熟品系。 由表2 可知，品系1、品系2、品系4 和品系8 在3 種鹽堿度下均晚熟， 只有在輕度地中品系3、品系6 和品系10 才出現(xiàn)中早熟現(xiàn)象。

2.2 農(nóng)藝性狀生長(zhǎng)期指標(biāo)比較分析

將10 個(gè)品系的分蘗期株高、齊穗期株高、分蘗期葉綠素值及齊穗期葉綠素值分別在3 種不同土壤堿化度下比較可知，品系1、品系4、和品系8 在輕度和中度的鹽堿條件下分蘗期株高相當(dāng)（圖1）；品系1、品系2、品系4 和品系9 在輕度和中度的鹽堿條件下齊穗期株高相當(dāng)（圖2）；品系1、品系2 和品系3 在3 種不同土壤堿化度下分蘗期葉綠素值相當(dāng)（圖3）；品系3 和品系8 在3 種不同土壤堿化度下齊穗期（80%）葉綠素值相當(dāng)（圖4）。

圖1 3 種土壤堿化度下10 個(gè)品系分蘗期株高對(duì)比

圖2 3 種土壤堿化度下10 個(gè)品系齊穗期株高對(duì)比

圖3 3 種土壤堿化度下10 個(gè)品系分蘗期葉綠素值（SPAD）對(duì)比

圖4 3 種土壤堿化度下10 個(gè)品系齊穗期葉綠素值（SPAD）對(duì)比

2.3 農(nóng)藝性狀成熟期指標(biāo)比較分析

10 個(gè)品系在3 個(gè)不同鹽堿地中成熟期平均有效分蘗數(shù)隨鹽堿性增強(qiáng)而減少。 同樣成熟期的平均結(jié)實(shí)率也隨著鹽堿性的增強(qiáng)而降低（表3、表4、圖5、圖6）。成熟期結(jié)實(shí)率本身受到物粒比的制約，對(duì)產(chǎn)量、收獲指數(shù)的影響較大[6]。

圖5 3 種不同土壤堿化度下成熟期平均有效分蘗數(shù)對(duì)比

圖6 3 種不同土壤堿化度下成熟期平均結(jié)實(shí)率對(duì)比

表3 3 種土壤堿化度下10 個(gè)品系成熟期平均有效分蘗數(shù)（單位：個(gè)/m2）

表4 3 種土壤堿化度下10 個(gè)品系成熟期平均結(jié)實(shí)率（單位：%）

由成熟期產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表5）可知，成熟期的平均產(chǎn)量隨著鹽堿性的增強(qiáng)而降低，對(duì)比情況見(jiàn)圖7，輕度鹽堿化條件下的平均產(chǎn)量比重度鹽堿化的高237.5%。 由圖8 可知，品系3 在3 種不同土壤堿化度下，成熟期的產(chǎn)量變化幅度最小。

圖7 3 種不同土壤堿化度下成熟期平均產(chǎn)量對(duì)比

圖8 3 種不同土壤堿化度下10 個(gè)品系的成熟期產(chǎn)量對(duì)比

表5 3 種土壤堿化度下10 個(gè)品系成熟期產(chǎn)量（單位：kg/hm2）

在pH 8.97 的土壤堿化度下， 用統(tǒng)計(jì)軟件求得10 個(gè)品系各成熟期指標(biāo)間的相關(guān)矩陣， 得出有效分蘗數(shù)和對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量之間有較強(qiáng)的線性關(guān)系（圖9），其相關(guān)系數(shù)r=0.811 8**， 所建立的線性回歸關(guān)系模型為y=683.65x+1 623.2，決定系數(shù)R2=0.659，其中自變量x代表有效分蘗數(shù)，y代表成熟期水稻產(chǎn)量。

圖9 pH 8.97 的土壤堿化度下有效分蘗數(shù)和對(duì)應(yīng)產(chǎn)量的線性回歸關(guān)系

在pH 9.58 的土壤堿化度下， 對(duì)10 個(gè)品系的有效分蘗數(shù)和對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 得出二者有較強(qiáng)的線性關(guān)系（圖10），其相關(guān)系數(shù)r= 0.76**，所建立的線性回歸關(guān)系模型為y= 485.25x+ 1928.9，決定系數(shù)R2= 0.574， 其中自變量x代表有效分蘗數(shù)，y代表成熟期水稻產(chǎn)量。

圖10 pH 9.58 的土壤堿化度下有效分蘗數(shù)和對(duì)應(yīng)產(chǎn)量的線性回歸關(guān)系

在pH 9.94 的土壤堿化度下， 對(duì)10 個(gè)品系的有效分蘗數(shù)和對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 得出二者有較強(qiáng)的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)r= 0.86**。 建立三次多項(xiàng)式回歸關(guān)系模型為y=-196.19x3+1 726.7x2-3 869.7x+3 529.2，決定系數(shù)R2= 0.692 9，其中自變量x代表有效分蘗數(shù)，y代表成熟期水稻產(chǎn)量（圖11）。

圖11 pH 9.94 的土壤堿化度下有效分蘗數(shù)和對(duì)應(yīng)產(chǎn)量的三次多項(xiàng)式回歸關(guān)系

3 討論與結(jié)論

對(duì)關(guān)鍵生育時(shí)期指標(biāo)進(jìn)行分析，計(jì)算10 個(gè)品系分別在3 種不同堿化度土壤條件下的生育期， 比較發(fā)現(xiàn)，鹽堿度對(duì)不同品系生育期的影響不同。 其中品系6 在輕度、 中度和重度鹽堿化地中的生育期均最短，天數(shù)分別是128 d、129 d 和133 d，屬于中早熟品種；品系2 在輕度、中度和重度鹽堿化地中的生育期均最長(zhǎng)，天數(shù)分別為146 d、148 d 和149 d，屬于晚熟品種。 有研究表明[7-8]鹽堿地能夠減少產(chǎn)量及生物量，早熟品種容易發(fā)生早衰，不適宜在鹽堿地種植。 但是本研究的10 個(gè)品系并未出現(xiàn)較早熟現(xiàn)象。

對(duì)農(nóng)藝性狀生長(zhǎng)期指標(biāo)進(jìn)行分析。 有些品系在3 種不同鹽堿度條件下，各時(shí)期的株高或者葉綠素值變化幅度很小，而有些變化幅度特別大，這種現(xiàn)象與鹽堿脅迫有關(guān)。 在10 個(gè)品系中，有90%在分蘗期和齊穗期的株高隨著堿化度升高而降低； 有40%在分蘗期的葉綠素值隨著堿化度升高而降低； 對(duì)于齊穗期的葉綠素值，有50%在重度鹽堿地最高，另50%在中度鹽堿地最高。 在齊穗期的葉綠素值比分蘗期的略低， 這可能是因?yàn)辂}堿脅迫導(dǎo)致葉綠素合成相關(guān)基因提前表達(dá)或表達(dá)量降低[9]，也與品系的本身特性有關(guān)系，有的品系抗鹽堿性比較好，那么在3 種不同鹽堿度下指標(biāo)值變化幅度就小， 而有的抗鹽堿性相對(duì)比較弱，就可能在某些指標(biāo)值上變化較大，甚至出現(xiàn)數(shù)值異常。

對(duì)農(nóng)藝性狀成熟期指標(biāo)進(jìn)行分析， 分蘗數(shù)的整體趨勢(shì)是鹽堿性越強(qiáng)分蘗數(shù)越少。 其原因是鹽堿度越強(qiáng)， 對(duì)水稻生長(zhǎng)的抑制越強(qiáng)， 那么分蘗數(shù)就比較少，進(jìn)而它的產(chǎn)量性狀會(huì)受到明顯的影響[10]。 數(shù)據(jù)分析顯示， 成熟期的平均產(chǎn)量隨著鹽堿度的增強(qiáng)而下降， 這個(gè)趨勢(shì)與平均有效分蘗數(shù)和平均結(jié)實(shí)率的結(jié)果相一致。即在pH 逐漸增加（鹽堿度增高）的情況下分蘗數(shù)降低，成熟期的有效分蘗數(shù)也自然會(huì)降低，導(dǎo)致平均產(chǎn)量降低。 10 個(gè)品系中有8 個(gè)品系的成熟期產(chǎn)量都是隨著鹽堿度增高而降低， 僅有品系1 和品系6 在中度鹽堿土壤中的產(chǎn)量比在輕度里的高，可能跟遺傳因素有關(guān)。

在輕、中、重3 個(gè)不同的鹽堿度下，水稻的每平方米穗數(shù)與對(duì)應(yīng)產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)r值分別為0.42、0.76 和0.44，相關(guān)性總體較好。另外，水稻的有效分蘗數(shù)和對(duì)應(yīng)產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)r值分別為0.81、0.76 和0.44，線性相關(guān)性總體較顯著。 當(dāng)土壤堿化度pH 分別為8.97、9.58 時(shí)，10 個(gè)品系的有效分蘗數(shù)和對(duì)應(yīng)產(chǎn)量之間有較好的線性擬合關(guān)系， 可以建立決定系數(shù)R2較高的線性回歸模型。 當(dāng)土壤堿化度pH 為9.94時(shí)，10 個(gè)品系的有效分蘗數(shù)和對(duì)應(yīng)產(chǎn)量之間有較好的3 次多項(xiàng)式擬合關(guān)系， 可以建立決定系數(shù)R2較高的三次多項(xiàng)式回歸模型。 對(duì)于這10 個(gè)品系來(lái)說(shuō)，在相似的環(huán)境和管理?xiàng)l件下， 所得的回歸模型可作為不同品系成熟期產(chǎn)量估算的依據(jù)。

在10 個(gè)水稻品系中，品系2、品系10 分別屬于晚熟、偏中早熟品種，且產(chǎn)量較低；品系3 和品系5 在重度堿化度下產(chǎn)量排在前2 位，耐鹽堿性較強(qiáng)。 研究表明，水稻隨著土壤堿化度的增強(qiáng)，會(huì)出現(xiàn)分蘗高峰期延遲、分蘗數(shù)量減少、抽穗期延長(zhǎng)、株高降低、有效分蘗數(shù)減少等一系列變化， 最終導(dǎo)致水稻產(chǎn)量嚴(yán)重下降。 本研究結(jié)果可對(duì)寒地不同品系鹽堿地水稻的產(chǎn)量估算提供研究基礎(chǔ)，同時(shí)，為篩選和選育適合鹽堿地土壤種植的水稻品系提供方法和依據(jù)。