淺析水稻節(jié)水灌溉高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)機(jī)理

李蔚然，于小彭，展廣軍，王康健，于艷青

（遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010）

水稻是我國最主要的糧食作物， 播種面積約占糧食種植總面積的30%，產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量的1/2。 同時水稻也是需水量最多的糧食作物，對于氣候和灌溉條件方式等因素要求很大。 我國農(nóng)業(yè)用水量約占全社會用水量的60%，農(nóng)田灌溉的傳統(tǒng)方式為淹水灌溉， 但是由于傳統(tǒng)的淹水灌溉方式不合理，大約30%的灌溉水量通過地表徑流、田間滲透、棵間蒸發(fā)等方式被消耗，灌溉用水利用率極低。 我國農(nóng)業(yè)的缺水量占全國缺水量的3/4，在水資源日益緊張的同時，農(nóng)業(yè)用水上卻存在著大量的水資源浪費(fèi)， 目前我國的農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率只有1.0 kg/m3， 低于國際上發(fā)達(dá)水平的2.0 kg/m3， 從這一數(shù)據(jù)當(dāng)中我們也可以看出農(nóng)業(yè)用水在我國存在嚴(yán)重的浪費(fèi)問題[1]。水資源的匱乏嚴(yán)重影響了我國水稻糧食安全， 國民經(jīng)濟(jì)也會遭受嚴(yán)重影響。研究水稻的需水特性，依據(jù)水稻需水特性以及自身機(jī)能采取不同的節(jié)水灌水方式（主要有控制灌溉、脅迫灌溉、間歇灌溉、淺濕曬灌溉、淺水灌溉等，均在土壤飽和含水率情況下），既可以最大程度上滿足水稻用水， 也可以降低無效蒸騰，提高水肥利用率，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。

1 水稻需水特性

水稻是喜水作物，對水的依賴性較大，充足的水分也是水稻生長的必要條件之一。 水稻產(chǎn)量高低有諸多影響因素，以水、肥、氣候等為主，其中水是最活躍的因子， 人們可以根據(jù)水稻的需水特性與規(guī)律來更好地制定灌溉制度，進(jìn)行合理灌溉，充分發(fā)揮水對水稻生長的有利作用。

1.1 水稻體內(nèi)水分的生理作用

水分既是細(xì)胞原生質(zhì)的主要成分， 也是水稻新陳代謝的不可替代的反應(yīng)物質(zhì)。 水稻體內(nèi)含有大量的水分，含水量占其鮮重的70%～80%。 水分是水稻生理代謝過程中的重要參與者， 在光合作用、呼吸作用、有機(jī)物質(zhì)的合成和分解過程中，都有大量的水分子參與[2]。

水分是否充足對水稻的各個器官以及光合作用等生理作用有很大影響。 當(dāng)水稻體內(nèi)水分充足時，細(xì)胞會變得膨脹從而使各個器官保持應(yīng)有的緊張度，使水稻葉片的氣孔開放，提高光合作用速率。

1.2 水稻根系對水分的吸收

水稻的葉片雖然也能吸收水分， 但是對整體來說作用有限， 主要還是依靠水稻的根系從土壤中吸收；水稻根系也不是全部都能吸水，吸水作用主要是在根尖部分進(jìn)行， 所以水稻根部的發(fā)育是否茁壯對于水稻整個生長周期是至關(guān)重要的。

蒸騰拉力是水稻根系吸水的主要動力之一，葉片產(chǎn)生蒸騰作用時產(chǎn)生的細(xì)胞水勢壓力會導(dǎo)致根部主動從土壤中吸收水分， 根系周圍可以利用吸收的水分耗盡后， 水稻會通過根系的生長外延去追蹤新的水分從而用于一些生理作用， 同時也促進(jìn)了根系發(fā)育。

1.3 土壤通氣性對水稻根系吸水的影響

水稻根系吸水需要氧氣來供應(yīng)與維持。 大量實(shí)驗證明： 如果長時間淹水灌溉導(dǎo)致土壤通氣性不好，根系缺乏氧氣，不僅是水稻，小麥和玉米的根系吸水量也會降低10%～20%；如果讓土壤接觸氧氣，增加通氣性，則吸水性增加。 因為土壤二氧化碳濃度過高或者缺氧會導(dǎo)致水稻根系的細(xì)胞呼吸減弱，影響根壓，從而導(dǎo)致吸水效果減慢[3]。

2 水稻節(jié)水灌溉可以提高產(chǎn)量

傳統(tǒng)的水稻淹水灌溉并不能保證水稻高產(chǎn)，反而會使根系受損， 長時間的缺氧狀態(tài)會產(chǎn)生有機(jī)酸、硫化氫、亞鐵等還原物質(zhì)，阻止水稻根系吸收養(yǎng)分。 因此，必須改進(jìn)灌水技術(shù)、根據(jù)水稻自身的需水特性和需水規(guī)律來調(diào)節(jié)和控制灌水， 既可以大大降低無效灌水并且達(dá)到節(jié)水目的， 也可以適應(yīng)水稻作物生長需求達(dá)到高產(chǎn)的目的。

2.1 節(jié)水灌溉可以降低無效蒸騰實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)

蒸騰是水稻不可缺少的重要的生理作用，只有通過蒸騰作用水稻才可以獲得生長需要的二氧化碳，提高水稻的耐高溫的特性；通過蒸騰作用，水稻可以吸收和運(yùn)輸水分， 葉片部分失水從而產(chǎn)生水勢作用需要從相鄰細(xì)胞吸收水分， 產(chǎn)生蒸騰拉力， 達(dá)到由葉片蒸騰作用產(chǎn)生的作用力傳到根部繼續(xù)吸收水分和養(yǎng)分， 水稻自身也會通過蒸騰拉力把從根系吸收的養(yǎng)分分配到各個器官中去。

但是相關(guān)研究表明，水稻通過葉片、根系等方式吸收的水分總量僅有約1%左右能被自身利用， 其余均通過蒸騰作用等一些生理方式排到外界。 可見，降低無效蒸騰作用尤為重要，既能提高自身水分利用率，也可以提高自身養(yǎng)分利用率[3]。

先進(jìn)的水稻節(jié)水灌溉技術(shù)，例如控制灌溉、脅迫灌溉、間歇灌溉、淺濕曬灌溉、淺水灌溉等，其主要原理都是針對水稻生理需水和生態(tài)需水規(guī)律，可以給水稻創(chuàng)造更好更利于生長的水分養(yǎng)分環(huán)境，充分發(fā)揮出水稻自身的生理機(jī)能，降低無效蒸騰作用進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)[4]。

2.2 節(jié)水灌溉可以降低養(yǎng)分流失實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)

水稻除了蒸騰作用等生理性需水外， 還有棵間蒸發(fā)、田間滲透等生態(tài)性需水。 其中，田間滲透量約占水稻總需水的70%[5]。 棵間蒸發(fā)量和田間滲透量的變化不僅受自然氣候等影響， 也受田間的水層深度和土壤含水率的影響。采用節(jié)水灌溉，在土壤含水率100%的情況下， 水稻整個生育期的水層較低甚至不建立水層， 可以很大程度上減少棵間蒸發(fā)量，轉(zhuǎn)而被土壤蒸發(fā)所代替；水稻根系不斷吸收水分， 同時保持土壤含水率在80%～100%，可以加強(qiáng)根系對土壤中水分的吸收，促進(jìn)根系發(fā)育，吸收無機(jī)物效率提高，水稻通過根系運(yùn)輸水分和養(yǎng)分也相應(yīng)效率提高[6]。

相關(guān)資料顯示， 田間滲透量與田面的水層深度呈正相關(guān)，隨著水層深度越大滲透量越大。淹水灌溉過程中， 需要保持一定量的田間滲透量來帶走土壤中的有毒還原物質(zhì)， 并且需要地表徑流等方式淋洗土壤，同時也帶走了大量的肥料養(yǎng)分，造成大量水分、養(yǎng)分流失，對地下水環(huán)境也帶來巨大壓力。 采用節(jié)水灌溉，降低田間水層深度，灌溉時土壤含水量也達(dá)到了飽和含水量。 大氣與土壤的直接接觸和交換， 改變了水田土壤的長期處于還原的被動局面，減少了土壤有害還原物質(zhì)的形成，也有利于減緩水稻田間土壤的退化速度[7]。

2019 年在遼寧省鹽堿地利用研究所實(shí)驗基地農(nóng)田測坑進(jìn)行了節(jié)水灌溉初步試驗， 實(shí)際面積為336 m2，淹水灌溉為對照，控制灌溉為處理，不同灌溉方式水稻生育期各項指標(biāo)對比見表1。 從表1 中可以看出， 控制灌溉水稻的根系比淹水灌溉水稻的根系長度高了10.3 個百分點(diǎn)，穗長高了3.2 個百分點(diǎn)，有效穗數(shù)（理論換算）多了0.85 萬穗/667 m2，產(chǎn)量（理論換算）提高6.8 個百分點(diǎn)，進(jìn)一步驗證節(jié)水灌溉理論的可行性。

表1 不同灌溉方式水稻生育期各項指標(biāo)對比

采用因地制宜、先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)水稻田間保水保肥，提高水肥的利用率，把水稻的棵間蒸發(fā)和田間滲透等生態(tài)需水合理降低， 也可以發(fā)揮水稻自身機(jī)能的調(diào)節(jié)機(jī)制和對水分生理需求的適應(yīng)性， 為水稻生產(chǎn)的節(jié)水增產(chǎn)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

3 水稻節(jié)水灌溉可以提高稻米品質(zhì)

稻米品質(zhì)的重要指標(biāo)之一就是蛋白質(zhì)的含量，普通稻米的蛋白質(zhì)含量為7%～9%。 李壽聲等在河海大學(xué)等灌溉試驗站對水稻的需水規(guī)律等方面的研究過程中，采用控制灌溉技術(shù)，大米中粗蛋白含量高達(dá)10.05%， 已經(jīng)達(dá)到了優(yōu)質(zhì)大米的標(biāo)準(zhǔn)，比淹水灌溉提高了4.8%[8]。

傳統(tǒng)的淹水灌溉方式，土壤通氣性不好，缺少氧氣，有機(jī)質(zhì)分解效果不好，根系發(fā)展緩慢，吸收氮素情況也欠佳。 節(jié)水灌溉由于在水田建立淺水層，返青期后若條件允許甚至可以在土壤飽和含水率情況下不建立水層，土壤通透性大大提升，土壤含氧程度也有所改善， 土壤中的好氧微生物含量上升，有機(jī)質(zhì)被迅速分解，肥料中更多的氮轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У煌瑫r水稻根系發(fā)達(dá)，可以吸收更多的氮素為自身利用，輸送到籽粒當(dāng)中合成更多的蛋白質(zhì)。

4 結(jié)語與建議

節(jié)水灌溉技術(shù)可以減少作物的無效蒸騰量、棵間蒸發(fā)量、田間滲透量等，因此也減少了作物需水量，提高水肥利用率，避免水肥大量流失，甚至可以達(dá)到水稻“最佳生態(tài)狀態(tài)”的高產(chǎn)水稻和優(yōu)質(zhì)米要求。 發(fā)展并推廣先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必然選擇， 并且都有著不錯的試驗成果，但是目前我國的節(jié)水灌溉推廣效果并不顯著，大多數(shù)只是在試驗田內(nèi)進(jìn)行， 農(nóng)戶們對于節(jié)水灌溉的原理、 對水稻的需水特性和需水規(guī)律也不夠了解。 應(yīng)拿出有力的實(shí)驗成果、配套的科普手冊，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃ぷ髡竞娃r(nóng)業(yè)推廣站， 建立示范基地，讓農(nóng)戶們可以更加直觀地了解節(jié)水灌溉，真正做到節(jié)水高產(chǎn)，顯示出農(nóng)業(yè)科技的力量，為社會為百姓造福。