水分调控对膜下滴灌水稻土壤水热状况及产量的影响

徐 强，吕廷波 *，马晓鹏，莫 彦，白 蒙，张 波，乔 翔，马志龙

(1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.新疆农业科学院 土壤肥料与农业节水研究所，新疆 乌鲁木齐 830000；3.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000；4.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100000)

【研究意义】水稻是生态适应性较强的作物，其生理需水量只占总需水量的30 %～40 %，生态需水却占60 %～70 %[1]。只要保证一定的水分供应，水稻就可以进行旱作。目前传统淹水栽培模式开始逐渐向直播节水栽培模式转变[2-4]。【前人研究进展】稻田水分和温度条件是稻田生态环境中最重要的因素，水稻的光合作用、呼吸作用、净同化率、分蘖及养分吸收等均与其有关[5]。李景蕻等[6]研究表明土壤增温可促进高寒生态区水稻早发和干物质积累，增加有效分蘖，优化群体质量，提高成穗率和产量。【本研究切入点】水稻旱作稻田水热状况不同于水作稻田环境，而有关旱作条件下稻田土壤温度、土壤水分、日温差等土壤环境变化对水稻生长及产量的影响鲜有报道。【拟解决的关键问题】本试验对滴灌水稻分蘖期进行水分调控处理，分析不同土壤水热状况及产量，研究了滴灌水稻土壤的水温状况和生长特性，以期为滴灌水稻水分调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验于2018年5-10月在新疆石河子大学农试场二连现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地(东经85°59′47′′，北纬 44°19′29′′，海拔 412 m)进行，该站区为温带大陆性干旱气候，无霜期 171 d，平均地面坡度6 ‰，多年平均降水量在200 mm左右，多年平均蒸发量1600 mm，多年平均日照时间2700 h，年平均风速1.5 m·s-1。试验田土壤属于壤土，田间持水率为21.24 %，土壤干容重为1.56 g·cm-3。有机质质量15.69 g·kg-1、全氮质量比1.05 g·kg-1、全磷质量比0.93 g·kg-1、全钾质量比24.17 g·kg-1、速效氮质量比 57.7 mg·kg-1、速效磷质量比21.80 mg·kg-1与速效钾质量比424 mg·kg-1。

1.2 试验设计与方法

本试验采用测坑方式进行，每个处理对应一个测坑，测坑为2 m×3 m×2 m。试验方案采用测坑试验，于分蘖期设置不同水分下限为85 %、75 %、65 %共3个处理，每个处理3个重复。每个处理3个重复。模式为1膜2管4行(行距15+30+15+30 cm，株距为10 cm。)，每个测坑共有4根毛管，滴灌带间距20 cm，流量1.8 L·h-1。由人工将稻种点播到孔中，毎穴点种8粒，深度2～3 cm，干播湿出，并且将膜孔用土壤封口，防止草害。出苗后及时放苗，毎穴保留8株，在苗期和分蘖初期分别中耕一次，全生育期人工拔草。各处理施肥管理一致，全生育期施肥总量为厩肥15 t·hm-2，水溶性有机肥120 kg·hm-2，纯氮300 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2。基肥在临秋冬翻地时一次性施用厩肥15 t·hm-2、P2O590 kg·hm-2。苗期肥分3次随水滴施纯氮30 kg·hm-2，P2O515 kg·hm-2。分蘖肥分3次随水滴施纯氮110 kg·hm-2，K2O 15 kg·hm-2。拔节肥分3次随水滴施纯氮110 kg·hm-2，K2O 25 kg·hm-2，有机肥60 kg·hm-2。穗肥分四次随水滴施纯氮50 kg·hm-2，K2O 50 kg·hm-2，有机肥60 kg·hm-2。其他田间管理措施保持一致。选用新稻16号为试材，于2018年5月5日播种，2018年9月20日收割。

1.3 测定项目与方法

(1)土壤温度的测定:使用北京东方润泽生态科技股份有限公司生产的智墒(FDR频域反射)每天00:00-24:00对各小区地表下0～30 cm处土壤温度进行定点连续观测。以每天的最高温减去最低温计算出日温差。

(2)土壤水分的测定：使用北京东方润泽生态科技股份有限公司生产的智墒(FDR时域反射)对土壤中0～1.0 m深度的水分测定，每2 h自动记录1次。

(3)干物质量：于各生育期末将水稻植株冲洗干净，在恒温箱中105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒重，使用万分之一克感量电子天平称量

(4)考种测产：水稻成熟时，每个小区取3穴测定水稻产量构成，包括单株有效穗数、每穗总粒数、每穗实粒数、每穗空粒数、成穗率和千粒重，后收割各处理测产。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2003进行整理，采用SPSS 19.0软件进行统计分析，计算各处理性状的平均值，并进行相关性分析，使用Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同水分调控覆膜滴灌水稻全生育期土壤含水率动态变化

水稻是水分生态幅度较宽的作物，只要保证一定的土壤含水率，就可以保持较好的生长状态。作物的生长状态与土壤水分状况息息相关，只有作物的生长需求与水分条件相适应，才能表现出良好的生长状态[7]。图1-a、c、e显示滴灌水稻水分调控条件下的全生育期0～30 cm土层平均含水率动态变化，整体上土壤含水率变化趋势一致，呈下降趋势。不同水分调控处理下全生育期土壤水分存在差异，苗期(播后0～40 d)各处理土壤质量含水率均保持在田间持水量的85 %～100 %之间，苗期保持较高的水分含量有利于提高出苗率以及水稻苗期抗病害能力；分蘖期水分调控W1处理为田间持水量的85 %～100 %之间；W2处理为田间持水量的75 %～100 %之间；W3处理为田间持水量的65 %～100 %之间。拔节期与灌浆期各处理土壤含水率均保持在田间持水量的85 %～100 %之间。成熟期则减少灌溉水量，土壤含水率保持在田间持水量的70 %～80 %左右。

由图1-b、d、f可以看出，各处理40～100 cm土层水分变化，不同土层质量含水率变化趋势一致，土壤质量含水率随着土层深度的加深开始逐渐变大；苗期40～100 cm土层的土壤质量含水率没有变化，水稻在苗期根系分布在浅土层，根系主要吸收0～30 cm土壤水分，且能够满足蒸发蒸腾需水。分蘖期之后40 cm土层含水率开始变化，说明在分蘖期之后0～30 cm土壤水分已经不能满足水稻的耗水需求。本试验通过分析全生育期不同深度土壤含水率变化趋势，来确定土壤计划湿润层。从图中可以看出，水稻在分蘖期之前耗水在0～30 cm土层，分蘖期之后在40～100 cm土层。

图1 滴灌水稻不同水分调控全生育期土壤质量含水率变化Fig.1 Changes of soil quality and water content during the whole growth period under different moisture regulation of drip irrigation rice

2.2 不同水分调控滴灌水稻土壤温度变化

土壤温度的变化是土壤随着太阳辐射和大气温度的变化进行吸收或释放能量的过程[8]，适宜的土壤温度对作物生长发育及产量的形成具有密切的关系[9]。图3显示不同水分调控条件下滴灌水稻土壤温度日变化，各处理土壤温度日变化趋势相同，不同水分处理土壤日最高温度差异较大，而最低温度差异较小。高水分处理由于土壤含水量较高，水的高比热使白天最高温低于土壤含水量低的水分处理，晚上则降温较慢，最低温度较高。

0 cm地表变化幅度较大，地面最高温度表现为W3>W2>W1，W3处理最高温度与W1、W2处理相比较分别高出2.12、1.00 ℃。而最低温度低表现为W1>W2>W3，各处理最低温度差异较小。各处理地温全天平均值分别为27.23 ℃(W1)、27.32 ℃(W2)、27.67 ℃(W3)；10 cm土层为水稻根系主要分布区，各处理土壤温度日最高温度表现为W3>W2>W1，W3处理最高温度与W1、W2处理相比较分别高出2.12、0.75 ℃。而最低温度低表现为W1>W2>W3，W3处理最低温度与W1、W2处理相比较分别低0.69、0.63 ℃。各处理地温全天平均值分别为26.87 ℃(W1)、27.19 ℃(W2)、26.61 ℃(W3)；20 cm土层地温变化较小，各处理土壤温度日最高温度表现为W2>W1>W3，W2处理最高温度与W1、W3处理相比较分别高出0.32、0.88 ℃。而最低温度低表现为W2>W1>W3，W2处理最低温度与W1、W3处理相比较分别低0.31、0.63 ℃。各处理地温全天平均值分别为,26.64 ℃(W1)、26.99 ℃(W2)、26.22 ℃(W3)。

0 cm各处理地表达到日最高温度时刻分别为14：00(W3)、14：00(W2)和16：00(W1)，土壤温度达到全天最大值，而土壤最低温度均出现在06：00；10 cm土层各处理土层最高温度与最低温度出现时间点与0 cm土层相比延迟2 h，日最高温度时刻均为18：00，土壤温度达到全天最大值，而土壤最低温度均出现在08：00；20 cm土层各处理土层最高温度与最低温度出现时刻0 cm土层相比延迟4 h，日最高温度时刻均为20：00，土壤温度达到全天最大值，而土壤最低温度均出现在10：00。

本试验以昼间温度最高值和夜间温度最低值来表示调控期间各处理不同深度土壤日温差的变化差异。图2显示各处理日温差变化，随气温的升高，土壤日温差差异增大，W2处理和W3处理在此期间的稻田地表下10 cm 处土温最高日温差分别比W1处理高0.31和1.00 ℃。W2处理、W3处理在此期间的日平均温差是9.22和10.29 ℃，比W1处理的日平均温差分别高1.43和2.50 ℃。整个分蘖期各处理的日平均温差表现为W3>W2>W1处理，晴天表现得更为明显，这主要是由于水分含量较土壤白天升温迅速，夜间降温也快，较大的日温差为干物质生产和积累提供了良好的条件[10]。

图2 不同水分调控滴灌水稻土壤温度变化Fig.2 Changes of soil temperature of rice under drip irrigation controlled by different water contents

2.3 不同水分调控处理对干物质积累的影响

图3显示不同处理的干物质积累量。随着生育进程的推进各处理干物质量逐渐提高，不同水分调控处理使得各处理干物质量差异显著。苗期各处理无显著差异，分蘖期时水分调控使得各处理干物质量差异不显著；拔节期时由于各处理分蘖量不同，导致各处理干物质量差异显著，表现为W1>W2>W3；灌浆期各处理干物质量差异不显著，黄熟期各处理干物质量差异显著表现为W2>W1>W3。水分调控使各处理拔节期之后干物质积累量及其占总干质量的比值提高，拔节期W2处理积累的干物质量占全生育期的比例与W1、W3处理相比较分别提高了13.66 %、4.52 %，优化干物质量积累动态使得W2处理干物质总量较W1、W3处理有所增加，分别提高了4.09 %、9.43 %。

同时期不同小写字母者表示差异达到0.05显著水平

2.4 不同水分调控对滴灌水稻产量的影响

水分胁迫对水稻生长产生的各种影响最终会通过水稻产量体现出来，水稻的产量是水分胁迫条件下水稻生理机制的特殊反映[12]。分蘖期水分调控使W2、W3处理分蘖数减少，有效分蘖率显著提高。各处理分蘖成穗表现为W2>W3>W1，W2处理分蘖成穗率分别为W3、W1处理的120 %和1.12 %；由于W3处理分蘖总数较少，在成穗率显著提高后有效穗数仍然不高仅为11.61个/穴，W2处理由于成穗率最高，有效穗数与W1、W3处理相比较分别提高20.08 %、46.25 %；产量表现为W2>W1>W3，W2处理产量与W1、W3处理相比分别增加7.14 %、16.37 %，千粒重各处理间无显著差异。

3 讨 论

滴灌水稻根系吸水主要是0～40 cm 处的土壤水分，从苗期到分蘖期这一阶段主耗水主要集中在0～30 cm的土层中，这与滴灌水稻根系垂直分布相适应，滴灌水稻苗期根系分布情况表现为前期水稻根系集中在 0～5 cm 土层中，后期根系开始逐渐分布于0～20 cm土层[7]。随植株根系生长、伸长，到分蘖期之后耗水层主要以0～40 cm为主。李丽等[13]对滴灌条件下水稻根系形态研究表明分蘖期之后土表下40 cm，膜下滴灌对水稻根系形态影响不具有统计学意义。而40～100 cm土层受根系长度影响，土壤含水率变化幅度不大。

表1 各处理产量及产量构成

日温差的大小是影响产量的一个非常关键的环境因素[8]。Nagarajan 等[14]认为夜间最低温比白天最高温对水稻干物质积累影响更大。本试验表明水分调控对土壤温度产生了一定的影响，降低了10 cm土层土壤夜间最低温，扩大了10 cm土层的土壤温差，扩大的土壤日温差有利于水稻根系在营养生长期间的发育条件，旺盛的根系为稻株生长后期吸收水分与营养造就了良好的环境条件。

土壤水分是养分迁移的重要载体，只有水分分布适宜，土壤中的水、气才能协调，养分才可以被作物吸收利用[15]。 本研究表明滴灌水稻分蘖期水分调控以田间持水量的75 %～100 %较为合适，此水分条件下增大日温差，有利于干物质积累，提高产量。这与汤广民等[16]结果一致。即分蘖期适当的水分亏缺反而有利于旱作水稻的协调发育和产量提高。满足水稻在水分临界期的水分需求，充分利用作物水分亏缺的补偿效应，应用一些生理活性物质，分蘖期进行适度的干旱胁迫完全可能取得高产[17]。

4 结 论

本试验表明分蘖期控制灌水下限在75 %左右，对成穗率具有显著的影响，有利于增加有效分蘖，减少无效分蘖发生，增大10 cm深度土壤日温差，促进根系生长的同时优化干物质积累动态，从而提高成穗率，进而影响产量形成。从滴灌水稻节水栽培的角度考虑，控制0～30 cm土层平均土壤含水率为田间持水量的75 %，能够达到节水高效栽培的目的。