抽穗期灌溉緩解水稻高溫?zé)岷Φ奈庀髮W(xué)分析

江曉東，華夢飛，胡 凝，楊沈斌，郭建茂

(南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044)

在全球變暖背景下，近100年來中國年平均地表氣溫升高0.5～0.8 ℃，高于全球平均水平[1]，氣候變化導(dǎo)致高溫?zé)岷κ录l(fā)生頻率增強(qiáng)，對作物生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響[2]。當(dāng)日平均氣溫≥30 ℃或日最高氣溫≥35 ℃的天氣持續(xù)3 d以上，水稻的就會發(fā)生高溫?zé)岷3]。研究表明，高溫脅迫下，水稻葉片氣孔關(guān)閉，光合能力下降[4,5]，灌漿有效時間和同化產(chǎn)物的累積量減少，空粒、秕粒數(shù)增加，千粒重降低[6]，花粉形成數(shù)量及花粉的活力降低，水稻結(jié)實率下降，最終導(dǎo)致水稻減產(chǎn)[7,8]。高溫?zé)岷κ俏覈L江中下游水稻生產(chǎn)常見的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[9-11]，嚴(yán)重制約水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。2003年高溫?zé)岷?dǎo)致安徽旌德縣水稻空殼率高達(dá)27.2%～52.8%[12]；2006年高溫?zé)岷?dǎo)致安徽江淮地區(qū)水稻結(jié)實率低于72%[13]；2013年高溫?zé)岷κ够窗彩兴臼芎γ娣e達(dá)37 300 hm2，16 700 hm2以上田塊減產(chǎn)40%，7 650 hm2田塊幾乎絕收[14]。

灌溉是抵御水稻高溫?zé)岷Φ挠行Т胧沃胰A等[15]研究表明，高溫天氣期間灌水能減少稻田日平均溫度≥30℃或最高溫度≥35℃的天數(shù)，減少高溫對水稻的危害；張彬等[16]研究表明，灌溉深度越大，冠層降溫越顯著；段驊等[17]研究卻表明，抽穗灌漿期高溫脅迫下，輕干濕交替灌溉處理的水稻冠層溫度與水層灌溉處理無顯著差異。可見不同的灌溉措施對稻田高溫?zé)岷Φ木徑庑Ч嬖跔幾h。近年來，水稻節(jié)水灌溉技術(shù)由于節(jié)水和增產(chǎn)明顯而在全國大范圍推廣，稻田的“淺、濕、曬結(jié)合”、“間歇淹水”是主要的技術(shù)環(huán)節(jié)[17～19]，但在高溫?zé)岷Πl(fā)生過程中節(jié)水灌溉是否能夠緩解水稻的高溫?zé)岷Γ写谶M(jìn)一步研究。

植被冠層能量平衡是耦合土壤-植被-大氣的基本物理過程。植被冠層所截獲的太陽輻射，除了極小部分用于光合作用以外，其余都消耗于潛熱、顯熱和土壤熱通量等。能量平衡方程中各分量的分配特征可以為稻田中的熱量流動提供可靠的理論依據(jù)[20,21]。研究表明，溫度變化會影響稻田中的水熱環(huán)境和蒸散[22]，隨著氣溫和凈輻射的增加，潛熱通量、顯熱通量和土壤熱通量都呈上升趨勢[23]，其中潛熱所占的比例最大[24,25]。潛熱為稻田的主要耗散項[26]，主要由水稻蒸騰和稻田水面蒸發(fā)兩部分組成，與水稻的冠層溫度和生理過程密切相關(guān)，也和稻田灌溉方式密切相關(guān)，因此研究不同灌溉方式對能量分配的影響就顯得尤為重要。

雖然眾多學(xué)者對灌溉抵御高溫的效果做了廣泛研究，但從能量平衡的角度揭示灌溉抵御高溫機(jī)理的研究鮮有報道。為此，我們在水稻抽穗期水稻高溫?zé)岷Πl(fā)生過程中，對稻田進(jìn)行水層覆蓋和無水層覆蓋處理，以期通過能量平衡的角度揭示灌溉對水稻高溫?zé)岷τ绊懙臋C(jī)理，為預(yù)防水稻高溫?zé)岷Α⑻岣咿r(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本試驗于2016年在江蘇省南京市南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗站(32.2°N，118.7°E)進(jìn)行。供試水稻品種為“兩優(yōu)培九”(雜交秈稻)。播種期為4月15日，大田濕潤育秧，秧齡30 d，5月15日移栽，9月28日成熟收獲。水稻移栽密度為23 穴/m2，每穴1苗，株距17 cm，行距26 cm。

為研究不同灌溉方式對水稻高溫?zé)岷Φ木徑庑Ч?016年8月12-20日高溫?zé)岷Πl(fā)生期間(圖1)開展了田間試驗，此時期正值水稻抽穗開花期。試驗共設(shè)置2個處理：T1為在高溫?zé)岷Πl(fā)生時將田間水層排干，當(dāng)0～10 cm土層含水量到達(dá)至田間持水量的70%時，在當(dāng)天18:00進(jìn)行灌溉，至土壤田間持水量的100%時停止，再落干，如此循環(huán)，高溫?zé)岷^程結(jié)束后恢復(fù)高產(chǎn)田的水分管理措施；T2為田間保持10 cm水層。每個處理3個重復(fù)，小區(qū)面積為5 m×5 m。除了進(jìn)行灌溉處理的時段，稻田在其他時間的水肥和病蟲害管理按照高產(chǎn)田進(jìn)行。

圖1 實驗期間氣象數(shù)據(jù)

灌溉期間，氣溫和相對濕度由溫濕度記錄儀(HOBO U23-001，Onset，USA)記錄，觀測高度為水稻冠層內(nèi)40 cm(水稻植株高度1/3處)、80 cm(水稻植株高度2/3處)和120 cm(水稻植株高度頂端)。水層溫度和土壤溫度由溫度記錄儀(HOBO U23-003，Onset，USA)記錄，觀測高度為水深5 cm和土層深度0、5、10和20 cm。風(fēng)速和環(huán)境溫度由自動氣象站(U30-NRC，Onset，USA)記錄。冠層上方的太陽總輻射及凈輻射由四分量凈輻射傳感器(CNR4，Kipp&Zonen，NED)獲取，觀測高度為150 cm，土壤熱通量(-5.0 cm)由熱通量板(HFT03，Campbell Scientific，USA )獲取。觀測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器(CR3000，Campbell Scientific，USA)自動采集，采集頻率為1 Hz，輸出為半小時平均值。試驗期間的氣象數(shù)據(jù)見圖1，從圖1中可以看出，在8月12日-20日期間，試驗田環(huán)境日最高氣溫在35.9～37.3 ℃之間變動，日平均氣溫在31.4～33.0 ℃之間變動，水稻遭受嚴(yán)重的高溫?zé)岷3]。

1.2 能量平衡的計算方法

能量平衡通過收入能量與支出能量的差值計算得出，即[27]

Rn=H+LE+Q+G

(1)

式中：Rn為水稻冠層所接收的凈輻射，W/m2，由凈輻射傳感器直接測量；LE為水稻冠層和空氣之間的潛熱交換，W/m2；H為水稻冠層和空氣之間的顯熱交換，W/m2；Q為水體含熱量的變化，W/m2；G為土壤熱通量，W/m2。

顯熱通量和潛熱通量可以根據(jù)波文比法求出[28]：

(2)

式中：β為波文比；γ為干濕表常數(shù)，取值0.667 hPa/℃；ΔT是兩個高度的溫度差，℃；Δe是兩個高度的水汽壓差，hPa。

由式(1)、(2)得出：

H=(Rn-Q-G)·β/(1+β)

(3)

LE=(Rn-Q-G)/(1+β)

(4)

水體含熱量的變化可由下式得出[29]：

(5)

式中：Cw為水的比熱，J/(kg·K)；ρw為水的密度，kg/m3；Dw為灌水深度，m;Tw為平均水溫，℃。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Excel繪制圖表。由于每天的氣溫變化趨勢相同，因此本論文中的氣溫、土溫及能量平衡分量圖均為試驗期間(8月12-20日)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉處理對水稻冠層氣溫的影響

由圖2實驗期間各層次冠層氣溫日變化平均值可知，不同處理各層次冠層氣溫具有相同的日變化特征，且自冠層頂部往下氣溫逐漸降低。受水層的影響，不同處理稻田各層次冠層氣溫有明顯差異，白天(8∶00-18∶00)各層次冠層氣溫皆為T1>T2，隨高度的降低處理間的差異逐漸增大，冠層各層次不同處理均在13∶00達(dá)到日最高氣溫，在此時差異最明顯。在冠層頂部，T1和T2處理的日最高氣溫分別為36.5 ℃和36.2 ℃，白天平均氣溫分別為34.6 ℃和34.4 ℃；在植株高度2/3處，T1和T2處理日最高氣溫分別為34.6 ℃和34.1 ℃，白天平均氣溫分別為32.2 ℃和31.9 ℃；植株高度1/3處，T1和T2處理日最高氣溫分別為33.3 ℃和32.7 ℃，白天平均氣溫分別為31.3 ℃和30.7 ℃。由此可見，在白天T2處理對水稻冠層的降溫效果優(yōu)于T1處理，整個冠層日最高氣溫和白天平均溫度分別比T1處理降低0.5 ℃和0.4 ℃。

圖2 不同處理冠層不同高度處氣溫日變化平均值

2.2 不同灌溉處理對稻田土溫的影響

受灌溉處理的影響，不同處理稻田各層次土溫有明顯差異，隨深度的增加，處理間的差異逐漸減小(圖3)。0 cm地表溫度，T1處理在7∶00達(dá)到日最低溫度27.4 ℃，T2在8∶00達(dá)到日最低溫度27.8 ℃，T1處理在14∶00達(dá)到日最高溫度30.4 ℃，T2處理在15∶00達(dá)到日最高溫度29.8 ℃；5 cm土溫，T1處理在9∶00達(dá)到日最低溫度27.8 ℃，T2處理在10∶00達(dá)到日最低溫度27.7 ℃，T1處理在16∶00達(dá)到日最高溫度29.1 ℃，T2處理在17∶00達(dá)到日最高溫度28.8 ℃；10 cm土溫，T1處理在9∶00達(dá)到日最低溫度27.5 ℃，T2在10∶00達(dá)到日最低溫度27.5 ℃，T1處理在17∶00達(dá)到日最高溫度28.8 ℃，T2在18∶00達(dá)到日最高溫度28.6 ℃；20 cm土溫，T1處理在10∶00達(dá)到日最低溫度27.4 ℃，T2處理在11∶00達(dá)到日最低溫度27.4 ℃，T1處理在19∶00達(dá)到日最高溫度28.0 ℃，T2處理在20∶00達(dá)到日最高溫度27.8 ℃。可見，各層次T2處理的土壤溫度相位上均比T1落后1 h，水層延緩了熱量的傳遞過程，而T2處理在白天可以維持相對較低的土溫，有利于水稻根系的生理活動。

2.3 不同灌溉處理對稻田能量平衡分量日變化的影響

不同處理對能量平衡各分量有不同程度的影響。T1和T2處理對稻田的凈輻射通量(Rn)無明顯影響[圖4(a)]，但顯著改變的稻田的顯熱通量(H)、潛熱通量(LE)、水體含熱量(Q)和土壤熱通量(G)。

T1和T2處理的H最高值分別為136.59和65.38 W/m2[圖4(b)]，T1比T2處理高108.92%，全天總量分別為2.66和1.85 MJ/m2，T1比T2處理高43.78%；T1和T2處理的LE最大值分別為323.62和346.03 W/m2[圖4(c)]，T1比T2處理低6.47%，全天總量分別為7.02和7.87 MJ/m2，T1比T2處理低10.80%；圖4(d)為Q日變化，T1處理因為田面無水層，故沒有Q值，T2的Q值在6∶00由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，13∶00達(dá)到日最大值60.97 W/m2，在16∶00由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值。由圖4(e)G日變化可知，T1和T2處理日最大值分別為31.05和26.45 W/m2，T1比T2高17.39%，全天總量分別為0.75和0.68 MJ/m2，T1比T2高10.29%。可見，水層覆蓋顯著降低了稻田的顯熱通量和土壤熱通量，而增加了稻田的潛熱通量。

圖3 不同處理不同層次土溫日變化平均值

圖4 不同處理能量平衡分量日變化均值

對能量各組分于凈輻射的關(guān)系進(jìn)行分析可知(表1)，各處理LE/Rn的比例最大，這表明稻田中凈輻射的消耗以潛熱交換為主，這與Gutiérrez、Ham和劉笑吟等的研究結(jié)果一致[24-26]。田間水層覆蓋主要影響了稻田顯熱和潛熱交換從而使冠層氣溫出現(xiàn)顯著差異。各處理中，T2處理LE/Rn比T1高9.71%，說明水層覆蓋下稻田水汽交換顯著增加，有利于田間蒸散散熱。H為稻田能量平衡系統(tǒng)中第二大能量消耗項，T2處理H/Rn比T1低31.87%，G/Rn比T1低10.17%，這表明有水層緩沖的情況下，冠層氣溫和土壤溫度上升較慢。

表1 能量各組分日總量占凈輻射的比例均值 %

3 討 論

稻田有無水層覆蓋，顯著改變的稻田的能量分配。本試驗結(jié)果表明，由于缺少水層的緩沖作用，T1處理在白天土壤直接受太陽輻射加熱而使G急速上升，溫度上升，而T2處理的水層吸收了太陽輻射，并轉(zhuǎn)化為Q儲存在水體中，使T2處理各層次土溫日最大值出現(xiàn)的時間均比T1處理落后1 h，緩沖延緩并削弱了進(jìn)入土壤的熱量，使得G總量和土壤溫度低于T1處理。在冠層，由于田面缺乏水層，T1處理水稻冠層在白天與外界環(huán)境發(fā)生了大量的顯熱交換，使其H顯著高于T2，LE顯著低于T2處理，導(dǎo)致水稻冠層在白天升溫速度快于T2處理，冠層各層次日最高氣溫和日平均氣溫均高于T2處理。

本試驗結(jié)果表明，稻田灌水可降低水稻冠層的日最高溫度、平均溫度和土壤溫度，緩解高溫?zé)岷λ镜挠绊懀c宋忠華等[15]和張彬等[16]研究結(jié)果相同。段驊等[17]指出，高溫脅迫下，輕干濕交替灌溉與水層灌溉處理對水稻冠層溫度無顯著影響，與本研究結(jié)果有所不同，這主要是因為其試驗是采用盆缽在玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗條件與大田試驗有差異造成的。高溫?zé)岷Πl(fā)生時稻田灌溉改善了田間小氣候，有利于提高水稻產(chǎn)量。汪壽康等[12]的田間調(diào)查數(shù)據(jù)明確指出，高溫?zé)岷Πl(fā)生時，無水層灌溉的田塊的水稻空殼率高于灌溉稻田24.3%，這主要是因為，灌溉后相對較低的冠層溫度有利于提高水稻的花粉活力，提高水稻的受精結(jié)實率[7,8]，較低的冠層溫度和充足的水分有利于水稻葉片蒸騰作用，減輕高溫對光系統(tǒng)的損傷，提高光合能力[4-6]，較低的土壤溫度可以也可以提高水稻根系的吸收能力，促進(jìn)水稻產(chǎn)量的提高，水稻節(jié)水灌溉技術(shù)因其可以提高水稻的水分利用效率、產(chǎn)量，節(jié)約農(nóng)業(yè)用水而在全國大面積推廣應(yīng)用，抽穗結(jié)實期間歇灌溉是該技術(shù)的重要組成部分[17-19]。從本試驗結(jié)果看，在高溫?zé)岷Πl(fā)生期間稻田保持水層覆蓋，可避免高溫對水稻產(chǎn)量的不利影響，促進(jìn)水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

4 結(jié) 論

(1)田間有水層覆蓋可使冠層及土壤各層次日平均氣溫有不同程度的降低并使土壤最高溫度出現(xiàn)時間延后1 h，可以有效緩解稻田的高溫?zé)岷Α?/p>

(2)水層覆蓋顯著降低了稻田的顯熱通量和土壤熱通量，增加了稻田的潛熱通量。