膜下滴灌水稻生理生化特性對灌漿期控水的響應

蒲勝海，王則玉，丁 峰，王彩風，劉小利，馬曉鵬，王濤，彭銀雙，李韻同

（1.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091；2.農業農村部西北綠洲農業環境重點實驗室，烏魯木齊 830091；3.新疆慧爾農業集團股份有限公司，新疆昌吉 831100；4.奇臺縣農業技術推廣中心，新疆奇臺 831800；5.石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子 832000；6.烏魯木齊京誠檢測技術有限公司，烏魯木齊 830000）

0 引言

【研究意義】我國水稻播種面積占全國糧食作物播種面積的26%[1]，產量約占糧食總產量的40%[2]，其用水量占農業用水量的65%[3]。水稻生產的灌溉方式主要以淹水灌溉為主，水分利用率僅為30%～40%[4]。水資源總量不足、時空分布不均、水分利用效率低已成為水稻生產發展的制約因素[5-7]。水稻節水栽培應用膜下滴灌技術，采取高頻高灌制度，其節水率高達50%～60%，且能維持較高的谷物產量[2，8]，研究水稻節水覆膜栽培對提高水分效率和水稻生產具有重要意義[9]。【前人研究進展】水稻受旱后產量損失最嚴重的時期為開花灌漿期，尤其是灌漿前期，遭遇嚴重的土壤干旱往往會導致其產量顯著降低[10-13]。灌漿乳熟期干旱脅迫顯著增加了脫落酸含量、脯氨酸含量、過氧化物酶含量、過氧化氫酶，細胞的滲透勢和活性氧顯著增加[14]。花后生育階段是籽粒灌漿的重要階段，稻米品質形成在生育后期因干旱脅迫程度不同有所差異[10]。生育后期干旱脅迫對籽粒灌漿速率影響不大，灌漿期輕度水分脅迫反而有利于節水增產，提升稻米品質[15]。【本研究切入點】前人對于灌漿期水分虧缺對產量形成方面的影響進行了一定研究[16-17]。但關于膜下滴灌條件下控水處理對水稻生理生化及產量形成的影響鮮有報道。需研究水稻灌漿期進行控水處理后，分析不同控水下限條件對滴灌水稻光合特征、生理生化特性、根系活力、產量和水分利用效應率的影響。【擬解決的關鍵問題】在水稻灌漿期設置3種不同灌水控制下限，研究滴灌水稻灌漿期控水對其生理生化特性及稻米品質的影響，為干旱區膜下滴灌水稻節水栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2018～2019年在新疆石河子市現代節水灌溉兵團重點實驗室和節水灌溉試驗站（85°59′47″E，44°19′29″N）進行，該地區5～9月平均氣溫分別為21.92和22.26℃，降水量分別為114.60和127.20 mm。土壤為典型的重壤土，有機質11.89～15.69 g/kg，有效氮57.70～67.71 mg/kg，速效 磷21.80～22.36 mg/kg，速 效 磷424.00～521.00 mg/kg。0～40 cm田間持水量為21.42%、21.58%。

選擇新稻16號品種為研究對象，各處理采用“干播濕出”（在播種后灌水出苗）。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

以田間持水率（θs）為標準，在水稻灌漿期設置70%θs（W3）、80%θs（W2）、90%θs（W1）的3種不同灌水控制下限，并設常規淹灌為對照（CK），共計4個處理。每個處理重復3次，共計12個小區，小區面積均為15 m2。利用水分傳感器實時定點監測3種不同灌水控制下限處理0～30 cm土層的平均含水率，當含水率達到灌水下限時補充灌溉至近土壤田間持水量狀態。種植模式為1膜2管4行，每個小區共有4根滴灌帶，滴頭間距為20 cm，滴頭流量為3.2 L/h。人工穴播，每穴點種8粒，深度2～3 cm，干播濕出。各小區間埋設60 cm深的防滲膜。表1，圖1

圖1 膜下滴灌水稻種植模式Fig.1 Rice planting pattern with filmed drip irrigation

表1 不同灌溉處理的田間控水標準變化Table 1 Field water control standards for different irrigation treatments

全生育期施肥總量為廄肥15 t/hm2，水溶性有機 肥120 kg/hm2，純 氮300 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。基肥在臨秋冬翻地時一次性施用廄肥和P2O5；苗期肥分3次隨水滴施純氮30 kg/hm2，K2O 15 kg/hm2；分蘗肥分3次隨水滴施純氮110 kg/hm2，K2O 10 kg/hm2；拔節肥分3次隨水滴施純氮110 kg/hm2，K2O 25 kg/hm2，有機肥60 kg/hm2；穗肥分4次隨水滴施純氮50 kg/hm2，K2O 25 kg/hm2，有機肥60 kg/hm2。常規淹灌處理同時期等量撒施。各處理除灌水和施肥方式不同外，其余栽培措施均相同。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 土壤水分含量

使用北京東方潤澤生態科技股份有限公司生產的智墑（云智能土壤水溫傳感器），對水稻全生育期土層0～100 cm深度的水分變化進行實時監測。

1.2.2.2 氣象數據

試驗站配備自動氣象站（TRM-ZS2型，錦州陽光氣象科技有限公司，錦州，中國），記錄溫度、降雨量、空氣濕度、太陽輻射等。圖2

圖2 水稻生育期降水量和平均氣溫變化Fig.2 precipitation and average temperature during the growth period of rice

1.2.2.3 光合特性

選擇晴朗無風的天氣10：00～20：00進行，使用LI-6 400便攜式光合測定儀（美國LI-COR公司生產）測定每個小區隨機選取3穴水稻進行，每片葉子記錄3個值。每隔2 h測定1輪，測定稻株最頂端完全展開葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）以及胞間CO2濃度（Ci）等光合參數。測定時光量子密度為1 200μmol/（m2·s），將儀器的進氣口與裝有恒定CO2濃度的鋼瓶相接，鋼瓶二氧化碳濃度配制成（370±5）μmol/mol。測定水稻劍葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰作用（Tr）和胞間CO2濃度（Ci）。參考徐晨等[13]方法測定。水分利用效率（WUEY）為Pn與Tr的比值（Pn/Tr）。表觀葉肉導度（AMC）為Pn與Ci的比值，用于估測RuBPCase的活性。氣孔限制百分率Ls＝（1-Ci/Ca）×100%，式中Ls為氣孔限制百分率，Ca為環境CO2濃度（即儀器進氣口的CO2濃度）。參考徐晨等[18]方法測定。

1.2.2.4 保護酶活性

超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）采用李合生[19]方法測定。

1.2.2.5 滲透性調節物質含量

茚三酮比色法測定脯氨酸含量；考馬斯亮藍G250染色法測定可溶性蛋白含量；葸酮比色法測定可溶性糖含量。采用李合生[19]方法測定。

1.2.2.6 根系活力

TTC法測定根系活力。采用李合生[19]方法進行測定。

1.2.2.7 考種測產與WUE

每個小區隨機選取3穴，有效穗數：每穗結實粒數在5粒以上的稻穗數（被病、蟲危害造成的白穗亦作有效穗數計算）。每粒穗數：包括實粒、空癟粒（谷粒完全未灌漿的為空粒，灌漿充實程度不到2/3的為癟粒。）和已脫落的粒數。千粒重：2次隨機所取曬干揚谷粒各1 000粒的平均重量，2次之差不大于3%。每個處理收割后測實際產量。

作物生長過程中的ET用水量平衡法計算（錢曉晴等[20]）

式中，ET表示蒸散量（mm），P表示降水量（mm），I表示降水量（mm）。Ds表示0～30 cm剖面中土壤含水量的變化（mm）。圖2WUE的計算參照錢曉晴等[20]方法。

式中，WUE為作物水分利用效率（kg/hm2·mm），Y為單位面積產量（kg/hm2），ET為作物水分利用率（mm）。

1.3 數據處理

使用Microsoft Excel 2016計算數據，使用Origin 2018繪 制 數 據（OriginLab，Northampton，MA01060，USA），并使用IBM SPSS v22（IBM，Armonk，NY，USA）對處理之間的多個比較進行雙向方差分析和鄧肯檢驗，顯著性閾值為P≤0.05。

2 結果與分析

2.1 控水處理對水稻葉片光合特性的影響

研究表明，拔節期時各處理的Pn、Ci沒有顯著 差 異（P＞0.05），Pn處 于17.39～14.80 mmol/（min2·s），Ci在183～136 mmol/mol。隨著土壤含水量降低，Tr呈逐漸降低趨勢；W3處理最小，與CK相比在2019年降低顯著。CK的Gs2018年顯著高于控水處理（P＜0.05），2019年也顯著高于W1處理。灌漿期控水處理隨著土壤含水量的降低，各處理的Pn、Tr、Gs和Ci均呈下降趨勢且各處理間差異顯著（P＜0.05）。與CK相比，W1、W2、W3處理Pn降幅為15.12%～72.38%；Tr降幅為25.32%～67.59%；Ci降幅為29.62%～62.61%；Gs降幅為5.93%～24.34%。成熟期W1、W2和W3處理的水稻葉片的Pn顯著低于CK（P＜0.05），控水處理分別為CK的73.25%～48.87%；W1、W2和W3處理的Tr分別僅為CK的87.76～75.32%；W1、W2和W3處理的Gs分別僅為CK的78.26%、69.56%、91.30%；W1、W2和W3處理的Ci分別僅為CK的88.41%、75.50%、81.93%。

控水處理的水分利用效率（WUEY）顯著高于CK。其中，拔節期以W3的水分利用效率最高為3.16μmol/mmol，W1和W2均為3.09μmol/mmol，CK的水分利用效率（WUEY）僅為2.85μmol/mmol。灌漿期控水時W1、W2、W3處理的水分利用效率（WUEY）均顯著高于CK，與CK相比較分別提高了79.34%、46.11%、76.65%。進入成熟期各控水處理的WUEY下降明顯，CK仍然保持在較高水平達到2.21μmol/mmol，分別是W1、W2、W3處理的1.32倍、1.37倍、1.91倍。控水條件下，與CK相比較控水各處理的Ci呈下降趨勢，Ls呈上升趨勢，表觀葉肉導度（AMC）呈下降趨勢，3個控水處理均表現為顯著下降（P＜0.05），水稻植株光合能力的下降可能不僅與氣孔限制有關也與非氣孔限制因素有關。控水條件下，與CK相比較控水各處理的Ci呈下降趨勢，Ls呈上升趨勢，表觀葉肉導度（AMC）呈下降趨勢，3個控水處理均表現為顯著下降（P＜0.05），水稻植株光合能力的下降可能不僅與氣孔限制有關也與非氣孔限制因素有關。圖3

圖3 控水處理下水稻葉片光合特性變化Fig.3 Effects of water control on Photosynthetic Characteristics of rice leaves

水稻葉片的Pn與Gs、Tr呈正相關（P＜0.05），與Ci顯著負相關（P＜0.01），Gs與Tr顯著正相關（P＜0.01）。表2

表2 滴灌水稻光合參數間的相關矩陣Table 2 Correlation matrix between the photosynthetic parameters of drip irrigation rice

2.2 控水處理對抗氧化系統的影響

研究表明，隨著生育期推進，SOD、CAT、POD均呈現先上升后下降趨勢；與POD相比，SOD、CAT變化幅度相對較大；控水灌溉有利于增強酶活性。SOD活性在拔節期變化范圍在167.21～193.00 U/g，2018年各處理間差異不顯著，2019年控水處理顯著高于CK；灌漿期各控水處理的SOD活性分別比CK高77.78%（W1）、83.59%（W2）、79.13%（W3），差異顯著；在成熟期的SOD活性逐漸降低，但活性仍大于拔節期。CAT活性在拔節期各處理的差異不顯著，灌漿期和成熟期差異明顯；灌漿期W3與其他處理相比較分別高出24.64%（CK）、7.72%（W1）、2.36%（W2）；成熟期CAT活性低于拔節期。POD活性在拔節期各處理的差異不顯著；在灌漿期控水處理顯著高于CK（P＜0.05），與CK相比較分別高出14.24%（W1）、13.14%（W2）、16.53%（W3）；在成熟期的POD活性大小與拔節期相當，2018年僅W2與CK表現顯著，2019年各處理間活性差異較小。圖4

圖4 控水處理下抗氧化系統變化Fig.4 Effect of water control treatment on anti oxidation system

2.3 控水處理對滲透性調節物質的影響

研究表明，隨著生育期推進，可溶性糖含量、脯氨酸呈先增加后降低趨勢，可溶性蛋白含量均呈現逐漸減少的趨勢。在灌漿期，隨著土壤水分含量的降低可溶性糖含量逐漸升高，差異最顯著（P＜0.05）；W3處理可溶性糖含量最高，分別是CK、W1和W2處理的可溶性糖含量的2.32、1.35和1.38倍。各控水處理的水稻葉片可溶性蛋白含量均比CK含量低，灌漿期各處理間差異顯著（P＜0.05），CK可溶性蛋白含量最高，較控水處理分別高出25.24%、9.95%、6.72%；在成熟期時，葉片老化，可溶性蛋白含量大幅下降，CK仍可保持較高的可溶性蛋白含量為28.07μmol/g，較W1、W2、W3處理分別高出56.03%、59.85%、44.47%。2年的脯氨酸含量在灌漿期時W1、W2和W3處理均明顯高于CK（P＜0.05），各處理在拔節期脯氨酸含量沒有顯著差異（P＞0.05），2018年在成熟期控水處理顯著高于CK。圖5

圖5 控水處理下滲透性調節物質變化Fig.5 Effect of water control treatment on Osmotic Adjustment Substances

2.4 控水處理對根系活力的影響

研究表明，各處理的根系活力隨著生育期的推進均呈下降趨勢，控水處理根系活力下降的百分率高于CK。從拔節期到成熟期下降比率分別為68.85%（CK）、76.06%（W1）、74.70%（W2）、71.58%（W3）。拔節期時各處理的根系活力沒有顯著差異（P＞0.05），其中CK根系活力最高為167.23μg/（g·h），控水處理在98.45～114.09μg/（g·h）。灌漿期各處理的水稻根系活力均有所下降，CK仍然保持較高水平，CK的水稻根系活力較W1、W2和W3處理相比較分別高出52.50%、44.46%和110.34%。圖6

圖6 控水處理下根系活力變化Fig.6 Effect of water control treatment on root activity

2.5 控水處理對稻米產量和水分利用效率影響

研究表明，灌漿期控水處理會降低水稻產量，且減產幅度隨著土壤含水量的降低而增大。各處理產量差異顯著（P＜0.05），CK處理的產量最高為8 222.12 kg/hm2，W1處理產量為7 065.77 kg/hm2，W2處理產量為6 124.54 kg/hm2，W3處理僅為5 140.21 kg/hm2。CK處理耗水量最大為3 244.71 mm，W1、W2和W3處理的耗水量與CK處理相比較分別下降56.06%、58.04%、61.66%。CK處理的水分利用效率最低僅為2.54 kg/（mm·hm2），控水處理的水分利用效率較CK處理分別提 高 了48.79%（W1）、43.43%（W2）和38.65%（W3）。灌漿期控水處理導致產量下降的主要原因是有效穗數、結實率和千粒重顯著下降。CK處理的有效穗數最高為597.02穗/m2，較W1、W2和W3處理分別高出22.41%、13.48%、21.52%。各處理結實率分別為79.75%（CK）、74.27%（W1）、68.39%（W2）、64.36%（W3）。各處理的千粒重與結實率正相關表現為CK＞W1＞W2＞W3，CK較W1、W2和W3處理分別提高16.00%、30.39%、36.67%。水稻產量與有效穗數、穗粒數、千粒重、耗水量呈極顯著正相關（P＜0.01），耗水量與有效穗數、穗粒數、結實率、千粒重和產量呈顯著正相關（P＜0.01）。表3，表4

表3 控水處理下稻米產量變化Table 3 Effect of water control treatment on rice yield

表4 產量構成參數相關矩陣Table 4 Correlation matrix of yield component parameters

3 討論

調節干旱脅迫下水稻的光合生產能力，對干旱環境下水稻穩產具有重要作用[11]。當出現干旱脅迫時，作物體內水分含量降低，氣孔阻力加大，蒸騰減小，光合速率降低[21]。研究結果表明，在水分脅迫條件下水稻灌漿期的光合作用會減弱，與對照（CK）相比，葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）分別下降15.12%～72.38%、25.32%～67.59%、5.93%～24.34%和29.62%～62.61%，與徐強等[22]的研究結果基本一致。Jones等[23]認為Ci值和Pn值可作為決定光合作用是受氣孔關閉或代謝損害限制的指標。研究結果表明，控水條件下，與CK相比較控水各處理的Ci呈下降趨勢，Ls呈上升趨勢，氣孔限制因素在增加，光合下降的原因可能來自于氣孔限制[24]。表觀葉肉導度（AMC）呈下降趨勢，3個控水處理均表現為顯著下降（P＜0.05），水稻植株光合能力的下降可能也與RuBPCace活性等非氣孔限制因素有關[18]。

在水分脅迫發生后，作物體內會積累一些小分子的滲透調節物質，如可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸等[25]。不同生育期干旱脅迫后葉片水勢均顯著下降，根系和葉片的有機滲透調節物質的含量均大幅度上升[26]。研究結果表明，在灌漿期，控水下限越低，可溶性糖含量、脯氨酸含量越高，可溶性蛋白越低；W3的可溶性糖含量是其他處理的1.35～2.32倍，CK可溶性蛋白含量高出控水處理6.72%～25.24%，與Koca等[27]、Tripathi等[28]和何海兵等[29]的研究結果基本一致。

酶促系統主要包括SOD、POD和CAT等抗氧化酶，其活性大小通常可以作為植物抗脅迫能力的強弱[30]。SOD能清除活性氧的傷害，CAT能夠催化過氧化氫，POD具有清除氧自由基的作用，都是植物細胞內重要的保護酶[30-31]。Raza等[32]和王抄抄等[30]的研究結果表明，適度控水會增強保護酶活性。試驗結果表明，水稻灌漿期的SOD、POD和CAT在水分協迫條件下活性增強，達到顯著水平。王賀正等[33-34]認為隨著土壤水分脅迫加劇，能夠提高SOD、POD和CAT的活性，但隨著脅迫時間的增加，3種酶活性均下降，與研究中在成熟期水稻劍葉的SOD、POD和CAT的活性在控水處理和淹灌條件下都呈逐漸降低的趨勢，但控水處理下的下降幅度大于CK的結果一致。

在水稻生殖生長階段，干旱脅迫對水稻的生長發育具有顯著的抑制作用，且在不同的生育時期對水稻生理影響的機理存在明顯的差異，特別是灌漿期[11]。研究結果表明，灌漿期控水會使水稻葉片光合作用減弱，抗氧化系統和滲透性調節物資產生干旱脅迫效應，根系活力降低，植株正常生長受阻，導致有效穗數、結實率和千粒重顯著下降，從而造成減產，與部分研究結果不盡一致。蔡一霞[10]和楊曉龍[11]認為水稻灌漿期適度水分虧缺不僅不會造成產量顯著降低，還有利于稻米品質的改善。耿艷秋[35]研究表明，蘇打鹽堿地水稻在灌漿乳熟期不必持續淹水灌溉，濕潤灌溉可增加水稻結實率、千粒重、根系活力、地上部分干物質積累量以及葉片葉綠素含量，提高水稻產量并。可能是膜下滴灌水稻的栽培方式是通過少量、高頻率的滴灌策略使土壤含水量保持在田間持水量的90%左右，既不同于常規水稻的栽培模式，且與旱稻種植相比也有很大的差異[36]。膜下滴灌水稻灌漿期受到干旱脅迫會影響其生理生化特性，會使葉片過早衰老枯黃[37]，導致水稻籽粒干物質的積累不足[38]，而引起減產。

合理的水分和養分管理是水稻高產、優質、高效的重要基礎。膜下滴灌技術可實現水肥一體化管理[39]，而水肥耦合尤其水氮交互作用對旱作水稻產量的影響顯著[40]，但試驗中將施肥設為同一水平，并未考慮施肥與灌溉控制下限的交互作用，還需進一步研究。

4 結論

4.1 灌漿期隨著控水下限降低，各處理的Pn、Tr、Gs和Ci均呈下降趨勢且差異顯著，水稻葉片的Pn與Gs、Tr呈正相關，與Ci顯著負相關，Gs與Tr顯著正相關。

4.2 灌漿期控水可增強水稻抗氧化系統酶活性，W3的SOD、CAT和POD均最高，比CK依次高出77.78%、24.64%和14.24%。

4.3 灌漿期控水下限越低，可溶性糖含量、脯氨酸含量越高，可溶性蛋白越低；W3的可溶性糖含量是其他處理的1.35～2.32倍，CK可溶性蛋白含量高出控水處理6.72%～25.24%。

4.4 膜下滴灌水稻灌漿期為水分敏感期，不同程度的控水會使葉片光合作用減弱，抗氧化系統和滲透性調節物資產生干旱脅迫效應，根系活力降低，植株正常生長受阻，導致有效穗數、結實率和千粒重顯著下降，造成減產。