不同滲漏強度下寒區節水灌溉水稻生長發育與產量特征研究

欒雅珺，于艷梅，徐俊增

(1.河海大學 農業工程學院，江蘇 南京 210098；2.黑龍江省水利科學研究院，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，傳統淹水灌溉水稻具有耗水量和灌水量大的特點[1-2]，這給當地水資源帶來了巨大的壓力。應用和推廣水稻節水灌溉技術，對于緩解水資源供需矛盾，節約水資源、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節作物根區土壤的水肥氣熱狀況、改善稻根環境，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]，適當的滲漏量是水稻生產過程中必要的生態用水。稻田節水過程中如何協調作物生理需水與稻田生態用水是科學合理的開展水稻節水灌溉的關鍵。黑龍江省廣泛應用的水稻節水灌溉技術，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[14-15]。因此，合理調節稻田滲漏強度，提高稻田水分滯蓄能力，對于實現水稻節水高產具有重要意義[16-18]。

因此，針對黑龍江省寒區水稻，設置了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育及產量特征的影響，探討滲漏強度對寒區水稻節水灌溉田間水分管理的影響，為寒區水稻節水灌溉技術的應用以及今后與控制排水技術聯合開展節水減排的試驗研究提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

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，是典型的寒區黑土分布區，氣候特征屬寒溫帶大陸性季風氣候。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：pH值6.4、有機質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 試驗設計

水稻灌溉方式采用控制灌溉技術[19]。控制灌溉模式除返青期田間保持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控指標見表1。試驗設D1、D2、D3三種滲漏強度，對試驗區水稻分別進行處理。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。

為了能夠實現滲漏量控制，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境，試驗用桶兩側均布置為稻田。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。桶底預留5 cm砂石濾層，內部埋設十字型透水集水管。在桶壁距離底部5 cm處開小孔，通過連接件將內部十字型透水集水管與桶外的排水軟管連接，實現滲漏排水的控制和淺層地下水位的人工復核。

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

每個桶內布設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，降雨等氣象數據來自試驗站內的自動氣象站。在水稻生長期內，每隔5 d觀測莖蘗、株高和葉面積(按長寬法測定，系數按0.75計)。在水稻收獲時，測定各處理的有效穗數、穗粒數、結實率、千粒重等產量構成因素，最后測定產量。

2 結果與分析

2.1 不同滲漏強度下土壤水分動態變化特征

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。總體來看，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 不同滲漏調控下土壤水分變化特征(自移栽18 d后開始的小時數)

2.2 水稻莖蘗與株高動態

由于盆栽試驗受邊緣效應影響較大，因此每穴莖蘗數總體偏大。不同處理的水稻莖蘗數消長動態基本一致(見圖2)，均呈現隨生育期推進先增大后逐漸減小的變化規律。分蘗前期(移栽后15～30 d)，滲漏強度越大，莖蘗數增長速率越慢，此時莖蘗數增長速率呈現D1>D2>D3;分蘗中后期(移栽后31～38 d)，D3分蘗加快，D1分蘗變緩，分蘗期最終莖蘗數呈D2>D3>D1。拔節孕穗期水稻莖蘗數達到最大值，D3莖蘗數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地位，各處理莖蘗數逐漸減少直至趨于穩定。不同處理最高莖蘗數呈D1>D2>D3，且D1較D2、D3分別高2.78%、5.56%；最終莖蘗數呈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，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，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、株高變化

2.3 水稻葉面積指數

由于盆栽試驗邊緣效應影響較大，因此葉面積指數LAI總體較大。分析不同滲漏強度下水稻葉面積指數變化規律可以發現(見圖3)，LAI變化趨勢與莖蘗消長動態較為相似。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，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及葉片數的增加，從而降低了水稻葉面積指數。從最大葉面積指數與最終葉面積指數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也伴隨著較大的后期葉面積消亡，表明冗余生長比較多，應適當的降低稻田水分(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 水稻葉面積指數變化

2.4 水稻產量及其構成

田間地下水位調控對水稻產量及其構成的影響結果顯示(見表2)，滲漏強度越大，土壤水分下降越快，抑制莖蘗數的增加，導致有效穗數的降低。D2、D3有效穗數較D1分別降低5.71%、14.01%。此外，D1、D2、D3處理間每穗粒數差異不顯著。結實率方面，隨著日滲漏強度的增加，結實率有所增大。千粒重體現了谷粒的大小，與后期灌漿密切相關，還與稻米品質密切相關[20]。與D1相比，D2、D3千粒重分別下降2.08%、2.13%。最終，水稻產量隨著滲漏強度的增加而下降，與D1相比，D2、D3產量分別降低了3.00%、7.61%，D3處理的產量顯著降低。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，作物吸收養分能力較強，使得滲漏強度對每穗粒數影響較小，并且滲漏強度越大，有效地提高了結實率。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不足而影響產量。開花期后滲漏強度大能夠促進作物根系生長，幫助穗粒數的生長和提高結實率。從水稻產量來看，最終產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。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 水稻產量及其構成因素

3 結 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、株高及葉面積。

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

(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，節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及時進行灌溉，否則難以保證高產。