不同灌溉模式水稻耗水規律和生長特性研究

張 浩，張一丁，黃 彥，王 柏

（1.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150006；2.黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080；3.農業農村部東北節水農業重點實驗室，哈爾濱150080）

0 引 言

2009-2018年間，中國水稻產量呈現緩慢的上升態勢，水稻的種植面積大體上處于平穩狀態[1]。黑龍江省是水稻商品糧輸出大省，在保障國家安全中占有舉足輕重的地位[2]。而三江平原是黑龍江省重要商品糧基地，水稻種植面積占全省60%以上，灌溉水源77%為地下水，造成了地表水利用率低、水資源承載力不足的水稻種植和農業發展問題，同時水稻又是半水生性糧食作物，較小麥、馬鈴薯等糧食作物的耗水量大30%以上[3]，因此提高水稻區用水效率，緩解區域地下水超采等問題迫在眉睫。傳統水稻灌溉定額用水量大，田間灌溉水層較深，灌溉水分利用效率低。當前，農業節水是解決農業水資源的有力措施[4]，只有明確水稻本身耗水特征及灌溉水分利用率，才能估算水稻最佳耗水動態，使得水資源得到充分利用[5]。

國內在對于主要灌溉模式如常規灌溉、間歇灌溉、濕潤灌溉、控制灌溉等條件下的水稻需耗水量變化規律研究成果較多[6-10]，這些學者主要采用適宜的灌溉方式，通過減少田間滲漏、提高降雨利用等途徑降低水稻耗水量。魏邦記等[11]研究表明控制灌溉使水稻對水分養分的吸收更趨于合理有效；王樹鵬等[12]研究表明與常規灌溉相比，淺濕灌溉更節水，其節水能力主要來自于提高降雨利用率，減少滲漏量；季飛[13]研究表明拔節孕穗期和抽穗開花期是水稻生育過程中需水強度最大的時期，也是水分虧缺最敏感的時期，分蘗期和乳熟期對水分虧缺不十分敏感；朱士江等[14]研究表明不同灌溉模式對水稻產量指標產生一定的影響，每種灌溉模式至少有一項指標占優，不同灌溉模式分蘗規律和株高增長幅度基本一致：分蘗呈現先增后減的特點，株高呈現“高-低-高-低-高-低”趨勢。

作物耗水量是田間水分平衡的重要組成部分，也是制定灌溉計劃和分析水分供應的前提[15]。水稻節水灌溉主要是指在水稻生長發育過程中，針對水稻不同時期對水分的敏感性進行調控，從而使水資源利用最大化[16]，有力緩解農業用水短缺問題。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

該試驗于2021年在黑龍江省佳木斯市建三江分公司前進農場試驗園區內進行。試驗區位于三江平原東南（東經133°08'，北緯47°48'），屬于寒溫帶大陸性太平洋季風氣候，夏季溫暖濕潤，冬季寒冷干燥，年降雨量350～830 mm之間，60%的降雨集中在7-9月份，年平均氣溫在1.3 ℃左右，有效積溫 2 200～2 500 ℃，年日照時數2 527 h，作物生育時數1 000～1 200 h，最高氣溫35 ℃，最低氣溫-38 ℃，年無霜期為125～130 d。供試土壤類型為白漿土，0～20 cm土壤層pH值5.93，容重為1.22 g∕cm3，重量飽和含水率為38.18%，土壤有機質量為40.73 g∕kg，堿解 氮含 量 為197.77 mg∕kg，有 效磷 含 量為38.61 mg∕kg，速效鉀含量為176.78 mg∕kg。

1.2 試驗設計

采用大田試驗，設為3種不同灌溉模式處理，分別為常規灌溉（CG）模式、控制灌溉（KG）模式和淺濕灌溉（QS）模式。CG模式田間一直保持有水層且灌水上限50 mm；KG模式露田后曬田至田面出現裂縫即灌水，灌水上限30 mm；QS模式田面露田即可灌水，灌水上限30 mm。每個試驗區面積為2 400 m2，每個處理3次重復，共計9個試驗區，各試驗區設置一處田間水位觀測點。

試驗供試品種為水稻1703，主莖12片葉，出苗至成熟生育日數130 d左右，活動積溫2 450 ℃左右。3種灌溉模式處理除試驗設計因素不同外，其余施肥等農藝措施均相同。5月11日移栽，9月14日收獲。水稻生長期間嚴格控制病蟲草害，注意田間管理。3種灌溉模式水稻不同生育期水分管理如表1所示。

表1 3種灌溉模式水分管理表Tab.1 Water management table of three irrigation modes

1.3 樣品采集、測定和計算

水稻田間水位、灌水量和降雨量測定：水稻生育期內每天采用電子游標卡尺測量田間水層深度，精度為1 mm；每次灌水前后加測，差值即為灌水量；降雨量、溫度通過試驗區內氣象站測定（見圖1）。

圖1 降雨量和溫度Fig.1 Rainfall and temperature

田間滲漏量測定：采用同心環測定，同心環內環30 cm，外環60 cm，內環安放精度1 mm固定水尺，環上蓋保溫板防止水面蒸發，水稻生育期內每日測量水位下降高度，取平均值視為試驗區田間滲漏量。

實際蒸發蒸騰量計算：利用水量平衡方程計算水稻耗水量減去田間滲漏量。

水稻干物質測定：將水稻劃分不同的生育期，每個生育期取小區固定點位附近長勢均勻水稻3穴，放入尼龍紗網袋中用清水沖洗干凈，將葉片、籽粒與莖桿分離，放置烘箱內殺青30 min，在75 ℃干燥至質量恒定后用精度0.01 g電子天平稱量物質干重。

水稻田間生長指標測定：在不同水稻生育時期選取小區固定點位附近長勢均勻5穴，將1.5 m直尺放置于植株中間，生育期內每隔5天觀測植株高度，抽穗前為土面至每穴最高葉尖的高度，抽穗后為土面至最高穗頂的高度（不計麥芒）；水稻分蘗選取和株高測量相同的5穴，生育期內每隔5天與株高一同量每穴分蘗數。

1.2.4 飲食護理 在術后,告知患者吃一些流質的食物,之后再逐漸吃普通的食物。但需要注意的是,禁止讓患者吃容易產生氣體的食物,如牛奶、豆漿等,要吃多纖維的食物,可以使腸道通暢。

水稻測產：水稻成熟期每個小區選取1 m×1 m范圍內水稻植株樣品，測量平方米穗數、穗粒數、空癟粒、千粒重等數據，計算水稻理論產量，生育期內取樣一次。

水稻耗水量計算：水量平衡法是計算作物耗水量的方法，其原理是通過計算特定區域內水量的收入和支出的差值來推求蒸發蒸騰量，其公式如下：

式中：ETi為水稻階段耗水量，mm；H1、H2為相鄰時段內田間水層深度，mm；P為階段有效降雨量，mm；M為階段灌水量，mm；C為時段地面排水量，mm。

實際蒸發蒸騰量計算：

式中：ET為階段實際蒸發蒸騰量，mm；ETi為為水稻階段耗水量，mm；F為階段田間滲漏量，mm。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉模式下對水稻生長指標及干物質的影響

水稻植株長勢與水稻耗水過程和干物質的積累有直接關系。由圖2～圖4可以看出，水稻株高、莖稈干重在各生育期均為CG模式＞KG模式＞QS模式，葉片干重在抽穗開花期之前長勢為CG模式＞KG模式＞QS模式，抽穗開花期時為QS模式＞KG模式＞CG模式，抽穗開花期之后依舊為CG模式＞KG模式＞QS模式；由圖5可以看出3種灌溉模式下水稻分蘗的生長趨勢均呈倒“√”式發展，在分蘗末期前，CG模式和KG模式分蘗數基本一致，QS模式分蘗數高于其余兩種灌溉模式，分蘗頂峰分蘗數大小關系為KG模式＞QS模式＞CG模式，分蘗末期后，3種灌溉模式分蘗數持續降低，關系為KG模式＞QS模式＞CG模式。

圖2 不同灌溉模式水稻植株高度變化Fig.2 Changes of rice plant height under different irrigation modes

圖3 不同灌溉模式水稻葉片干重變化Fig.3 Changes of dry weight of rice leaves under different irrigation modes

圖4 不同灌溉模式水稻莖稈干重變化Fig.4 Change of stem dry weight of rice under different irrigation modes

圖5 不同灌溉模式水稻分蘗變化Fig.5 Changes of rice tiller under different irrigation modes

分蘗初期CG模式水層較深，植株長勢良好，水稻株高始終高于QS、KG模式，雖前期分蘗數較多，但后期因光照不足、營養不足以及水淹造成分蘗生長弱，缺少競爭能力而死亡；而KG模式采取干濕交替的方式，形成優勝劣汰的環境篩選作用，保留優質分蘗，利于后期干物質形成。QS模式分蘗期水稻水層處于其余兩種灌溉模式之間，受到水稻根部厭氧環境影響略差于KG模式，但水層深度低于CG模式，故其指標略優于CG模式。

2.2 不同灌溉模式下水稻耗水規律

在其他農藝措施同等條件下，不同的灌溉模式處理對水稻的耗水規律有著直接的影響。3種灌溉模式中，CG模式耗水量最多為578.12 mm，QS模式耗水次之為548.95 mm，KG模式耗水量最低為502.98 mm。圖6為水稻不同灌溉模式下各生育期耗水量。由圖6可以看出，水稻生育期耗水兩次高峰期分別為分蘗中期和拔節孕穗期。返青期水稻秧苗較小，耗水量基本以棵間蒸發為主，CG模式水層較深，耗水量略高于其余兩種模式；分蘗初期水稻耗水明顯較返青期增加，QS模式此時期耗水最多為82.26 mm，較CG模式、KG模式耗水量增加5.15%、13.65%；分蘗中期水稻快速分蘗時期，進入第一次耗水高峰期，此時期水稻秧苗開始穩定生長，耗水量以棵間蒸發和深層滲漏為主，3種灌溉模式耗水量基本一致；分蘗末期水稻植株已基本覆蓋田面，稻田進行一定的曬田管理，CG模式耗水量較QS模式、KG模式增加11.40%、18.96%；拔節孕穗期，水稻葉面積增大，光合作用和代謝作用旺盛，由于氣溫持續升高的和生育期的推進，這個時期是水稻生殖生長和營養生長并進階段，水稻植株生長速度加快且冠層覆蓋率較高，耗水量也隨著水稻的整體植株快速增長而相應增加，因而出現了水稻第二次耗水高峰期，此時田間土壤已經沉實，田間滲漏趨于穩定，CG模式耗水量為130.62 mm，較QS模式、KG模式高出15.85%、9.66%，KG植株高度此時期總體高于QS模式，從而使KG度耗水量略高于QS模式；抽穗開花期階段為水稻幼穗分化、干物質積累時期，光合作用較拔節孕穗期減弱，但呼吸作用增強，故而耗水量也較大，CG模式耗水量分別較QS模式、KG模式高出9.83%、55.49%，此時期KG模式耗水量明顯低于其余兩種灌溉模式，主要原因在于按照控灌模式水分管理下，田間水層處于較低狀態并且經過適當的曬田管理，其余兩種灌溉模式未進行曬田管理，故造成此種情況；乳熟期水稻生長基本成型，水稻對水分需求已經降至最低，3種模式耗水量基本一致。

圖6 不同灌溉模式耗水量Fig.6 Water consumption under different irrigation modes

圖7為不同灌溉模式水稻生育期田間耗水強度。由圖7可以明顯看出3種灌溉模式的耗水強度均呈“M”雙峰趨勢發展。返青期CG、KG、QS模式耗水強度基本一致，分別為4.10 mm∕d、3.78 mm∕d、3.97 mm∕d；3種灌溉模式耗水強度從移植秧苗開始就處于上升趨勢，KG模式、CG模式和QS模式在分蘗中期到達第一次耗水強度頂峰，分別為6.99 mm∕d、7.02 mm∕d和7.14 mm∕d，而之后在分蘗中期到分蘗末期之間耗水強度均呈現下降趨勢；分蘗末期水稻耗水強度逐漸減弱，田間耗水強度峰值大小關系為CG模式＞QS模式＞KG模式，耗水強度分別為5.84 mm∕d、5.24 mm∕d、4.91 mm∕d；拔節孕穗期耗水強度到達最大值，大小關系為CG模式＞KG模式＞QS模式，耗水強度分別為8.16 mm∕d、7.44 mm∕d、7.05 mm∕d；拔節孕穗期之后，KG模式和QS模式田間耗水強度均呈直線下降趨勢，KG模式因后期曬田管理多于其余兩種灌溉模式，故其抽穗開花期和乳熟期耗水強度均低于CG模式和QS模式，分別為4.44 mm∕d、3.75 mm∕d；CG模式整體水稻植株高大壯碩，抽穗開花期耗水強度明顯高于QS模式和KG模式，為6.86 mm∕d，與拔節孕穗期耗水強度并無明顯差別；乳熟期水稻生長基本定型，此時水稻耗水強度基本一致，CG、KG、QS模式耗水強度分別為3.87 mm∕d、3.75 mm∕d、4.32 mm∕d。

圖7 不同灌溉模式田間耗水強度Fig.7 Field water consumption intensity under different irrigation modes

圖8為不同灌溉模式下水稻每個生育期的蒸發蒸騰量（ET）和滲漏量對比。由圖8可見，滲漏量在分蘗中期之前處于直線上升趨勢，分蘗中期至拔節孕穗期處于直線下降趨勢，之后至水稻乳熟期，滲漏量均處于平穩趨勢。QS模式和KG模式水稻生育期ET值變化規律一致，CG模式水層建立充分，其ET值變化呈現先增加后減少趨勢，返青期至分蘗期結束水稻ET主要以棵間蒸發為主，分蘗初期、中期、末期ET變化規律呈現直線趨勢；拔節孕穗期為水稻耗水量最高時期，也是水稻ET值最高時期，而此時期田間土壤已經沉實，滲漏量開始進入平穩趨勢，水稻植株葉面開始覆蓋地面，主要以植株蒸騰為主，此時期CG模式ET最高為124.68 mm，相較于QS模式、KG模式分別高出13.64%、16.99%；拔節孕穗期之后3種模式水稻ET均為下降趨勢，抽穗開花期CG模式和QS模式依舊建立水層，其ET值相較于拔節孕穗期并無明顯差別，呈現緩慢下降趨勢，KG模式抽穗開花期田間曬田充分，其ET值下降明顯。

圖8 不同灌溉模式水稻生育期蒸發蒸騰量和滲漏量Fig.8 Evapotranspiration and leakage of rice under different irrigation modes during growth period

2.3 不同灌溉模式下水稻產量及水分生產率

表2為不同灌溉模式產量及構成因素方差分析。3種灌溉模式穗長、穗粒無明顯差別，穗長穗粒數大小關系均為QS模式＞CG模式＞KG模式，空癟粒KG模式與CG、QS模式差異性顯著，較CG和QS模式分別降低30.25%、19.71%；KG模式每平米有效穗數較CG模式、QS模式分別提高6.58%、4.81%；水稻千粒質量大小關系為KG模式＞QS模式＞CG模式；最終產量KG模式最多，較CG模式和QS模式分別增加5.28%、10.97%；CG模式和QS模式灌溉水分生產率相近，為1.56 kg∕m3和1.61 kg∕m3，兩者僅相差3.21%，KG模式灌溉水分生產率為1.94 kg∕m3，相較于CG和QS模式分別提高20.50%、24.36%。

表2 不同灌溉模式產量及構成因素方差分析Tab.2 Analysis of variance of yield and component factors under different irrigation modes

3 討 論

本研究3種灌溉模式水稻均于5月11日插秧，9月14日收獲。本試驗中通過葉齡來判斷生育期，此項生理指標主要影響因素為天氣、溫度、土壤肥力，與田間水層深度無直接關系。CG模式水層建立較深可能在一定程度上抑制水稻生長發育，造成1～2 d的生育期延后，但生育期推進以試驗小區內80%植株達到為準，個別植株造成的影響已被消除，因此本試驗將不同灌溉模式水稻生育期進行了統一劃分。本研究結果表明水稻在KG模式下植株生長高度最低，有效分蘗數最高。KG模式水層建立淺，對水稻的干旱脅迫高于其余兩種灌溉模式，這與李賢勇等[17]的認為干旱脅迫下使水稻植株降低結果一致，韓孝順等[18]認為水稻分蘗主要通過水肥管理實現，曬田能起到先抑后促的作用，本研究成果與已有成果一致。

單從不同灌溉模式耗水量分析，本研究CG模式耗水量最高，無效耗水較多，QS模式無效分蘗較多，這與孫雪梅等[19]的研究結果一致；水稻分蘗期時期歷時較長，株間間距過大，葉片覆蓋率低，株間蒸散發強度大[20]，此外田間滲漏也以分蘗期為主，故而3種灌溉模式均在水稻分蘗期耗水最多，占到水稻整個生育期的41%～53%之間，以分蘗前期、分蘗中期耗水占比最高；拔節孕穗期是水稻本研究第二次耗水高峰期，有學者[21,22]研究表明此時期是水稻營養生長與生殖生長并進時期，孕穗期水稻對干旱抵抗能力弱，缺水會阻礙幼穗發育，因此拔節孕穗期水稻對水分需求量較大，與本研究結果一致；此后水稻進入乳熟期，此時期水稻穗粒結構基本形成，植株開始對水分虧缺表現出一定的忍耐力[23]，田間可以作適當的受旱處理。

水稻產量構成因素之間是相互聯系、相互制約的，主要生長于拔節孕穗期，較深的水層發生淹澇脅迫可能促使水稻把有限的碳同化物更多地用于葉、莖的生長發育，導致水稻結實率、穗粒數、總粒數的減少，進而導致減產[24]。CG模式水層建立較深，地溫會低，長期深水層不利于水稻根系土壤通透性，雖然水稻植株高于QS、KG模式，但其最后的產量并不理想，表明水稻株高過高會導致水稻減產，這與何雙紅[25]等研究結果一致；QS模式水層建立低于CG模式，相較于CG模式受到相同抑制整體會減輕，但是在未施加水分脅迫情況下，其產量屬于中游；KG模式曬田會增加土壤通透性，增加根系發展，提供充足氧氣排出有毒有害氣體，有利于水稻的生長，其產量最高，此研究結果與毛心怡等學者[26,27]研究一致。

4 結 論

本研究在三江平原采用之前學者少有的大田實驗，精準度雖不如小區、盆栽實驗，但可以反映三江平原水稻不同灌溉模式下整個育期生長過程和水稻生育過程耗水量。通過本研究可得出以下結論：

（1）3種灌溉模式下CG模式植株長勢、干物質重均高于QS模式和KG模式，水稻產量最低，KG模式產量最高，較QS模式和CG模式分別提高5.28%、10.98%。

（2）水稻在各生育期耗水規律變化呈現“M”雙峰趨勢，且不同灌溉模式下水稻耗水變化規律一致，KG模式較CG模式和QS模式分別減少12.99%、8.37%，水稻分蘗中期之前田間滲漏量較大，在分蘗中期之前和抽穗開花期須確保水稻水分供求充足。

（3）水稻KG模式下產量和水分生產率均明顯高于其余兩種模式，結合耗水量，KG模式提高了降雨利用率，降低了滲漏量和蒸發蒸騰量，降低了水稻的無效耗水，因此水稻采用控制灌溉管理方式能節約水資源提高產量，可以“由點及面”在三江平原進行節水技術推廣。