寒地鹽堿化土壤對水稻生長和產量的影響

張效霏 鄭妍妍 劉 凱 徐振華 于艷敏 張書利 張海峰 張有智 畢洪文 來永才

（1.黑龍江省農業科學院農業遙感與信息研究所 黑龍江哈爾濱 150086；2.黑龍江省農業科學院 黑龍江哈爾濱 150086；3.黑龍江省農業科學院生物技術研究所 黑龍江哈爾濱 150086）

土壤鹽堿化是在特定氣候、地形、水文、地質及土壤等自然因素綜合作用下， 以及人為引水灌溉中的不當操作引起土壤鹽化與堿化的土地質量退化過程。 鹽堿地在世界范圍內分布十分廣泛，遍及除南極洲以外的五大洲[1]。 聯合國糧農組織的資料表明，其總面積約9.5×108hm2， 占地球陸地面積的7.26%，其中我國約有9.9×107hm2。 值得關注的是，我國東北松嫩平原的鹽堿土壤面積從1950 年的約2.4×106hm2已經變為2016 年的約3.9×106hm2，增長近62.5%。目前黑龍江省鹽堿地約1.02×106hm2， 分布在大小共17 個縣(市)，其中，鹽堿耕地約占1.34×105hm2。

土壤鹽堿化及次生鹽堿化現象日趨加重， 已經成為嚴重的環境問題之一。 鹽堿化又是一個動態現象和過程，因此如何及時掌握有關鹽堿地的性質、范圍、鹽堿化程度等方面的信息，及時采取應對措施，對治理鹽堿地、保護生態環境、促進經濟發展和進行農業可持續發展規劃至關重要。 2022 年中央一號文件《中共中央 國務院關于做好2022 年全面推進鄉村振興重點工作的意見》[2]中提出，積極挖掘潛力增加耕地， 支持將符合條件的鹽堿地等后備資源適度有序開發為耕地。

研究制定鹽堿地綜合利用規劃和實施方案。 分類改造鹽堿地， 推動由主要治理鹽堿地適應作物向更多選育耐鹽堿植物適應鹽堿地轉變。 因此，研究寒地鹽堿化土壤對水稻生長和產量的影響， 從而發掘和利用現有種質資源， 在鹽堿條件下進行試驗鑒定篩選，創制目標性狀突出、綜合性狀優良的育種新材料，開展耐鹽堿水稻種質資源創新及新品系選育，對鹽堿地的開發和利用具有一定的指導和借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究的觀察試驗于2022 年在國家耐鹽堿水稻技術創新中心東北分中心五常試驗站展開。 選擇10 個有代表性的水稻品系作為試驗材料， 由黑龍江省農業科學院生物技術研究所提供。 供試的土壤按照堿化度分為輕度（pH 8.97）、中度（pH 9.58）和重度（pH 9.94）3 個部分，土壤指標檢測值見表1。

表1 試驗地基礎土壤檢測指標值

1.2 試驗地概況

試驗地位于黑龍江省南部的五常市， 地處北緯44°4′、東經126°33′，屬中溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫為3.5℃， 7 月氣溫較高， 平均為23℃， 最高達35.6℃，1 月氣溫較低， 月平均為-19.1℃， 最低達-45.4℃。年日照時數2 629 h。年均降水量約625 mm，夏季降水量約占全年降水量的70%，≥10℃活動積溫為2 500℃·d，全年無霜期130 d。

經統計，2022 年4-9 月試驗地最高氣溫32℃，分別出現在7 月27 日和7 月28 日， 最低氣溫為0℃，出現在4 月28 日；白天晴天數33 d（占比22%）、雨天數75 d （占比50%）， 多云、 陰天數41 d （占比28%）；夜間晴天數29 d（占比19%）、雨天數49 d（占比33%）， 多云、陰天數71 d（占比48%）；風力1~2級有67 d（占比45%）、3~4 級有78 d（占比52%）、4~5 級有4 d （占比3%）；4－9 月各月日照時數分別為221.6 h、251.2 h、208.1 h、182.0 h、182.6 h 和175.5 h；≥10℃的積溫3 558℃。

1.3 試驗方法

采用小區試驗，分輕度（pH 8.97）、中度（pH 9.58）和重度（pH 9.94）3 個鹽堿度的小區進行處理，面積均為5 m×5 m， 每個處理3 次重復， 隨機區組排列，插秧規格為30.0 cm×13.3 cm，每穴插3 株。 10 個試驗品系均在4 月12 日浸種、4 月20 日播種 （規格為200 g/m2）、6 月1 日插秧。水肥管理措施完全相同，保證品系不受病蟲害和洪澇旱情影響。

1.4 指標測定

調查與觀測分別記錄10 個品系在3 種不同鹽堿化條件下的如下指標：關鍵生育時期指標，主要包括播種日期、插秧日期、返青期、分蘗期、始穗期（20%的植株抽穗）、 抽穗期 （50%的植株抽穗）、 齊穗期（80%的植株抽穗）和成熟期；農藝性狀生長期指標主要包括3 次以上的分蘗動態、 分蘗期和齊穗期（80%的植株抽穗）的株高及葉綠素（SPAD）；農藝性狀成熟期指標主要包括每平方米穗數、有效分蘗數、每穗粒數、穗長、千粒重、結實率及產量。

每個水稻品系在分蘗期過后，采用五點取樣法，每8 d 取1 次樣，每個小區取5 穴，用105℃烘箱法[3]，將試樣放入105℃烘箱內烘3 h 后取出，置于干燥器內冷卻至室溫，取出稱量后，再按以上方法進行復烘，烘至恒重，測地上部干重。 10 個品系相繼在8 月25 日至9 月15 日之間成熟， 成熟期每個小區取10穴在室內考種。

1.5 數據分析

試驗數據采用軟件SAS 9.4 進行指標的數理統計和差異分析，圖表用Excel 進行制作和分析。

2 結果與分析

同一品系水稻在土壤不同堿化度下及不同品系水稻在同一土壤堿化度下，由于耐鹽堿特性不同，分蘗高峰期、分蘗數量、抽穗期、株高、葉綠素值、有效分蘗數、結實率和穗粒數等指標都會存在差異，從而影響水稻最終的產量[4-5]。

2.1 關鍵生育時期指標比較分析

通過10 個品系的播種日期和成熟期，分別統計出它們在3 種不同堿化度土壤下的生育期（表2）。從兩個不同角度進行比較，品系6 和品系10 在3 個不同鹽堿地的平均生育期相對短，約為130 d，品系2 的平均生育期最長，為148 d。在輕度鹽堿地中的10 個品系的平均生育期最短，約為135 d；在重度鹽堿地中的10 個品系的平均生育周期最長，約為139 d。

表2 10 個品系在3 種土壤堿化度下的生育期（單位：d）

按照黑龍江水稻品系熟期的劃分， 生育周期在128 d 以下的為早熟品系；生育周期128~130 d 的為中早熟品系；生育周期130~133 d 的為中熟品系；生育周期133~135 d 的為中晚熟品系；生育周期在135 d以上的為晚熟品系。 由表2 可知，品系1、品系2、品系4 和品系8 在3 種鹽堿度下均晚熟， 只有在輕度地中品系3、品系6 和品系10 才出現中早熟現象。

2.2 農藝性狀生長期指標比較分析

將10 個品系的分蘗期株高、齊穗期株高、分蘗期葉綠素值及齊穗期葉綠素值分別在3 種不同土壤堿化度下比較可知，品系1、品系4、和品系8 在輕度和中度的鹽堿條件下分蘗期株高相當（圖1）；品系1、品系2、品系4 和品系9 在輕度和中度的鹽堿條件下齊穗期株高相當（圖2）；品系1、品系2 和品系3 在3 種不同土壤堿化度下分蘗期葉綠素值相當（圖3）；品系3 和品系8 在3 種不同土壤堿化度下齊穗期（80%）葉綠素值相當（圖4）。

圖1 3 種土壤堿化度下10 個品系分蘗期株高對比

圖2 3 種土壤堿化度下10 個品系齊穗期株高對比

圖3 3 種土壤堿化度下10 個品系分蘗期葉綠素值（SPAD）對比

圖4 3 種土壤堿化度下10 個品系齊穗期葉綠素值（SPAD）對比

2.3 農藝性狀成熟期指標比較分析

10 個品系在3 個不同鹽堿地中成熟期平均有效分蘗數隨鹽堿性增強而減少。 同樣成熟期的平均結實率也隨著鹽堿性的增強而降低（表3、表4、圖5、圖6）。成熟期結實率本身受到物粒比的制約，對產量、收獲指數的影響較大[6]。

圖5 3 種不同土壤堿化度下成熟期平均有效分蘗數對比

圖6 3 種不同土壤堿化度下成熟期平均結實率對比

表3 3 種土壤堿化度下10 個品系成熟期平均有效分蘗數（單位：個/m2）

表4 3 種土壤堿化度下10 個品系成熟期平均結實率（單位：%）

由成熟期產量的統計結果（表5）可知，成熟期的平均產量隨著鹽堿性的增強而降低，對比情況見圖7，輕度鹽堿化條件下的平均產量比重度鹽堿化的高237.5%。 由圖8 可知，品系3 在3 種不同土壤堿化度下，成熟期的產量變化幅度最小。

圖7 3 種不同土壤堿化度下成熟期平均產量對比

圖8 3 種不同土壤堿化度下10 個品系的成熟期產量對比

表5 3 種土壤堿化度下10 個品系成熟期產量（單位：kg/hm2）

在pH 8.97 的土壤堿化度下， 用統計軟件求得10 個品系各成熟期指標間的相關矩陣， 得出有效分蘗數和對應的產量之間有較強的線性關系（圖9），其相關系數r=0.811 8**， 所建立的線性回歸關系模型為y=683.65x+1 623.2，決定系數R2=0.659，其中自變量x代表有效分蘗數，y代表成熟期水稻產量。

圖9 pH 8.97 的土壤堿化度下有效分蘗數和對應產量的線性回歸關系

在pH 9.58 的土壤堿化度下， 對10 個品系的有效分蘗數和對應的產量進行統計分析， 得出二者有較強的線性關系（圖10），其相關系數r= 0.76**，所建立的線性回歸關系模型為y= 485.25x+ 1928.9，決定系數R2= 0.574， 其中自變量x代表有效分蘗數，y代表成熟期水稻產量。

圖10 pH 9.58 的土壤堿化度下有效分蘗數和對應產量的線性回歸關系

在pH 9.94 的土壤堿化度下， 對10 個品系的有效分蘗數和對應的產量進行統計分析， 得出二者有較強的線性關系，其相關系數r= 0.86**。 建立三次多項式回歸關系模型為y=-196.19x3+1 726.7x2-3 869.7x+3 529.2，決定系數R2= 0.692 9，其中自變量x代表有效分蘗數，y代表成熟期水稻產量（圖11）。

圖11 pH 9.94 的土壤堿化度下有效分蘗數和對應產量的三次多項式回歸關系

3 討論與結論

對關鍵生育時期指標進行分析，計算10 個品系分別在3 種不同堿化度土壤條件下的生育期， 比較發現，鹽堿度對不同品系生育期的影響不同。 其中品系6 在輕度、 中度和重度鹽堿化地中的生育期均最短，天數分別是128 d、129 d 和133 d，屬于中早熟品種；品系2 在輕度、中度和重度鹽堿化地中的生育期均最長，天數分別為146 d、148 d 和149 d，屬于晚熟品種。 有研究表明[7-8]鹽堿地能夠減少產量及生物量，早熟品種容易發生早衰，不適宜在鹽堿地種植。 但是本研究的10 個品系并未出現較早熟現象。

對農藝性狀生長期指標進行分析。 有些品系在3 種不同鹽堿度條件下，各時期的株高或者葉綠素值變化幅度很小，而有些變化幅度特別大，這種現象與鹽堿脅迫有關。 在10 個品系中，有90%在分蘗期和齊穗期的株高隨著堿化度升高而降低； 有40%在分蘗期的葉綠素值隨著堿化度升高而降低； 對于齊穗期的葉綠素值，有50%在重度鹽堿地最高，另50%在中度鹽堿地最高。 在齊穗期的葉綠素值比分蘗期的略低， 這可能是因為鹽堿脅迫導致葉綠素合成相關基因提前表達或表達量降低[9]，也與品系的本身特性有關系，有的品系抗鹽堿性比較好，那么在3 種不同鹽堿度下指標值變化幅度就小， 而有的抗鹽堿性相對比較弱，就可能在某些指標值上變化較大，甚至出現數值異常。

對農藝性狀成熟期指標進行分析， 分蘗數的整體趨勢是鹽堿性越強分蘗數越少。 其原因是鹽堿度越強， 對水稻生長的抑制越強， 那么分蘗數就比較少，進而它的產量性狀會受到明顯的影響[10]。 數據分析顯示， 成熟期的平均產量隨著鹽堿度的增強而下降， 這個趨勢與平均有效分蘗數和平均結實率的結果相一致。即在pH 逐漸增加（鹽堿度增高）的情況下分蘗數降低，成熟期的有效分蘗數也自然會降低，導致平均產量降低。 10 個品系中有8 個品系的成熟期產量都是隨著鹽堿度增高而降低， 僅有品系1 和品系6 在中度鹽堿土壤中的產量比在輕度里的高，可能跟遺傳因素有關。

在輕、中、重3 個不同的鹽堿度下，水稻的每平方米穗數與對應產量的相關系數r值分別為0.42、0.76 和0.44，相關性總體較好。另外，水稻的有效分蘗數和對應產量的相關系數r值分別為0.81、0.76 和0.44，線性相關性總體較顯著。 當土壤堿化度pH 分別為8.97、9.58 時，10 個品系的有效分蘗數和對應產量之間有較好的線性擬合關系， 可以建立決定系數R2較高的線性回歸模型。 當土壤堿化度pH 為9.94時，10 個品系的有效分蘗數和對應產量之間有較好的3 次多項式擬合關系， 可以建立決定系數R2較高的三次多項式回歸模型。 對于這10 個品系來說，在相似的環境和管理條件下， 所得的回歸模型可作為不同品系成熟期產量估算的依據。

在10 個水稻品系中，品系2、品系10 分別屬于晚熟、偏中早熟品種，且產量較低；品系3 和品系5 在重度堿化度下產量排在前2 位，耐鹽堿性較強。 研究表明，水稻隨著土壤堿化度的增強，會出現分蘗高峰期延遲、分蘗數量減少、抽穗期延長、株高降低、有效分蘗數減少等一系列變化， 最終導致水稻產量嚴重下降。 本研究結果可對寒地不同品系鹽堿地水稻的產量估算提供研究基礎，同時，為篩選和選育適合鹽堿地土壤種植的水稻品系提供方法和依據。