不同渗漏强度下寒区节水灌溉水稻生长发育与产量特征研究

栾雅珺，于艳梅，徐俊增

(1.河海大学 农业工程学院，江苏 南京 210098；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

气候变化背景下，黑龙江省水稻种植面积大幅度增加，传统淹水灌溉水稻具有耗水量和灌水量大的特点[1-2]，这给当地水资源带来了巨大的压力。应用和推广水稻节水灌溉技术，对于缓解水资源供需矛盾，节约水资源、保障粮食安全均具有十分重要的意义[3-10]。适宜的稻田渗漏量可调节作物根区土壤的水肥气热状况、改善稻根环境，提高根系吸水吸肥能力，一定程度上促进水稻植株的生长[11-13]，适当的渗漏量是水稻生产过程中必要的生态用水。稻田节水过程中如何协调作物生理需水与稻田生态用水是科学合理的开展水稻节水灌溉的关键。黑龙江省广泛应用的水稻节水灌溉技术，要求在生育期间(返青以后)田面不建立灌溉水层，土壤大部分时间处于非饱和状态[14-15]。因此，合理调节稻田渗漏强度，提高稻田水分滞蓄能力，对于实现水稻节水高产具有重要意义[16-18]。

因此，针对黑龙江省寒区水稻，设置了3种典型的渗漏强度，开展不同渗漏强度下的寒地水稻控灌试验，分析不同渗漏强度对水稻生长发育及产量特征的影响，探讨渗漏强度对寒区水稻节水灌溉田间水分管理的影响，为寒区水稻节水灌溉技术的应用以及今后与控制排水技术联合开展节水减排的试验研究提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年在黑龙江省绥化市庆安国家灌溉试验重点站开展，该站位于庆安县和平镇，是典型的寒区黑土分布区，气候特征属寒温带大陆性季风气候。水稻生长期多年平均气温为2.5 ℃，多年平均降水量550 mm。土壤基本理化性质：pH值6.4、有机质41.4 g/kg、全氮15.06 g/kg、全磷15.23 g/kg、全钾20.11 g/kg、碱解氮154.36 mg/kg、有效磷25.33 mg/kg 和速效钾157.25 mg/kg。

1.2 试验设计

水稻灌溉方式采用控制灌溉技术[19]。控制灌溉模式除返青期田间保持10～30 mm的水层外，其他各生育阶段灌水后田面均不建立水层，各生育阶段以根层土壤水分作为控制指标确定灌水时间和灌溉定额。各生育期土壤水分调控指标见表1。试验设D1、D2、D3三种渗漏强度，对试验区水稻分别进行处理。各处理在返青期保持相同的渗漏强度3 mm/d，分蘖期开始以后对应的渗漏强度D1为1 mm/d、D2为2 mm/d、D3为3 mm/d，每个处理重复三次。供试水稻品种为龙庆稻3号，育秧、移栽、密度、施肥等技术相同，选择长势、大小相近的水稻移栽，每桶移栽4穴。5月20日移栽，9月27日收获，水稻本田生育期为 130 d。

为了能够实现渗漏量控制，本研究采用测桶试验，试验在9个直径50 cm、高70 cm的圆柱形铁桶内开展，桶身外部包裹保温棉防止桶壁温度变化对试验的影响，为了能够更好地模拟稻田生长环境，试验用桶两侧均布置为稻田。试验土壤取自周边水稻田，将土壤晒干压碎后过筛，剔除石子。按如下容重控制回填，0 ～10 cm土层为1.21 g/cm3，10～30 cm为1.42 g/cm3，30～50 cm为1.5 g/cm3。桶底预留5 cm砂石滤层，内部埋设十字型透水集水管。在桶壁距离底部5 cm处开小孔，通过连接件将内部十字型透水集水管与桶外的排水软管连接，实现渗漏排水的控制和浅层地下水位的人工复核。

表1 水稻各生育期灌水下限控制指标

注：θs为土壤饱和含水率。

1.3 测定项目及测定方法

每个桶内布设水位计自动记录地下水埋深变化；在距离土壤表面5 cm、15 cm、25 cm、35 cm处埋设TDR探头，用以观测土壤含水率变化。自分蘖期开始，每天按照设定渗漏强度(换算为排水重量)定期排水，即为日渗漏量。每次灌溉水量采用量筒精确计量，降雨等气象数据来自试验站内的自动气象站。在水稻生长期内，每隔5 d观测茎蘖、株高和叶面积(按长宽法测定，系数按0.75计)。在水稻收获时，测定各处理的有效穗数、穗粒数、结实率、千粒重等产量构成因素，最后测定产量。

2 结果与分析

2.1 不同渗漏强度下土壤水分动态变化特征

水稻的分蘖期到乳熟期，不同渗漏强度下土壤水分变化特征如图1。总体来看，渗漏强度越大的稻田土壤含水率下降越快。分蘖期水稻植株耗水较慢，不同处理间土壤水分变化差异较明显，此时土壤水分下降速率D3>D2>D1，分蘖期末晒田期间土壤含水率降低到一个较低水平。拔节孕穗期水稻生长耗水量大且快，土壤水分从饱和下降到水分下限时间较分蘖期短。抽穗开花期土壤水分下降速率D2>D3>D1，这可能是因为渗漏强度为2 mm/d的水稻后期长势较好，植株蒸腾量增大，使得D2处理水分下降速率快于D3处理。乳熟期不同处理间土壤水分下降速率差异较小。

图1 不同渗漏调控下土壤水分变化特征(自移栽18 d后开始的小时数)

2.2 水稻茎蘖与株高动态

由于盆栽试验受边缘效应影响较大，因此每穴茎蘖数总体偏大。不同处理的水稻茎蘖数消长动态基本一致(见图2)，均呈现随生育期推进先增大后逐渐减小的变化规律。分蘖前期(移栽后15～30 d)，渗漏强度越大，茎蘖数增长速率越慢，此时茎蘖数增长速率呈现D1>D2>D3;分蘖中后期(移栽后31～38 d)，D3分蘖加快，D1分蘖变缓，分蘖期最终茎蘖数呈D2>D3>D1。拔节孕穗期水稻茎蘖数达到最大值，D3茎蘖数达到峰值时间要早于其余处理，说明渗漏强度越大，水稻分蘖越早地进入茎蘖消退期。抽穗开花期-乳熟期(移栽后73～97 d)无效茎蘖消亡占主导地位，各处理茎蘖数逐渐减少直至趋于稳定。不同处理最高茎蘖数呈D1>D2>D3，且D1较D2、D3分别高2.78%、5.56%；最终茎蘖数呈D1>D2>D3，且D1较D2、D3分别高3.70%、3.71%。因此，渗漏强度越大，土壤水分下降越快，在一定程度上抑制了水稻茎蘖数的增加。

不同渗漏强度下水稻株高变化显示(见图2)：分蘖期-拔节孕穗期，各处理生育前期株高增长迅速，且处理间非常接近；进入抽穗开花期，株高增长速率变缓直至趋于平稳，此时株高呈D3>D2>D1；乳熟期后水稻株高变化较小并趋于平稳，最终水稻株高呈D3>D2>D1。不同处理之间水稻株高差异极小。

图2 水稻茎蘖数、株高变化

2.3 水稻叶面积指数

由于盆栽试验边缘效应影响较大，因此叶面积指数LAI总体较大。分析不同渗漏强度下水稻叶面积指数变化规律可以发现(见图3)，LAI变化趋势与茎蘖消长动态较为相似。分蘖前期LAI较低，进入分蘖高峰期后，随着茎蘖的增加和叶片的生长，LAI快速增大，在拔节孕穗后期-抽穗开花期达到了全生育期的最大值，乳熟期后因为无效茎蘖消亡、叶片衰败等原因而下降。全生育期内，D1处理LAI最大值为12.56，分别较D2、D3高15.45%、23.32%；D1处理LAI平均值为6.14，分别较D2、D3高18.49%、20.91%；D1处理LAI最终值为8.37，分别较D2、D3高12.84%、18.58%。因此，渗漏强度大抑制了水稻茎蘖数及叶片数的增加，从而降低了水稻叶面积指数。从最大叶面积指数与最终叶面积指数在处理间的对比显示，低渗漏强度下过大的最大叶面积指数也伴随着较大的后期叶面积消亡，表明冗余生长比较多，应适当的降低稻田水分(通过减少灌溉或者增大渗漏)控制和减少部分冗余生长。

图3 水稻叶面积指数变化

2.4 水稻产量及其构成

田间地下水位调控对水稻产量及其构成的影响结果显示(见表2)，渗漏强度越大，土壤水分下降越快，抑制茎蘖数的增加，导致有效穗数的降低。D2、D3有效穗数较D1分别降低5.71%、14.01%。此外，D1、D2、D3处理间每穗粒数差异不显著。结实率方面，随着日渗漏强度的增加，结实率有所增大。千粒重体现了谷粒的大小，与后期灌浆密切相关，还与稻米品质密切相关[20]。与D1相比，D2、D3千粒重分别下降2.08%、2.13%。最终，水稻产量随着渗漏强度的增加而下降，与D1相比，D2、D3产量分别降低了3.00%、7.61%，D3处理的产量显著降低。这可能是因为渗漏强度越大、土壤水分下降越快，促进了水稻根系的生长，作物吸收养分能力较强，使得渗漏强度对每穗粒数影响较小，并且渗漏强度越大，有效地提高了结实率。但千粒重的下降表明：水稻灌浆期(开花期和乳熟期)水分应适当提高。

综上所述，生育前期稻田日渗漏强度大能够促进水稻成熟，抑制无效分蘖，但会造成单位面积有效穗数不足而影响产量。开花期后渗漏强度大能够促进作物根系生长，帮助穗粒数的生长和提高结实率。从水稻产量来看，最终产量随着日渗漏强度的增大而降低。因此，渗漏强度越大的稻田应该在土壤水分到达下限时及时进行灌溉，否则难以保证高产。且为了能够保障较高的千粒重，需要在开花和乳熟期适当提高灌水下限。

表2 水稻产量及其构成因素

3 结 论

(1)稻田日渗漏强度越大，土壤水分下降越快，一定程度上降低控灌水稻茎蘖数、株高及叶面积。

(2)从产量及其构成要素来看，日渗漏强度越大，会造成有效穗数、千粒重的降低，但能够获得较高的结实率，对穗粒数影响很小。产量方面随着日渗漏强度越大，水稻最终产量越低，主要原因在于有效穗数和千粒重的降低。

(3)为了能保障较高的千粒重，需要在抽穗开花期到乳熟期适当提高灌水下限。在渗漏强度比较大的地区，节水灌溉水稻对灌溉及时度的要求更高，即在土壤含水率达到下限时应及时进行灌溉，否则难以保证高产。