不同节水灌溉模式对水稻生理生长和产量形成的影响

毛心怡，王为木，郭相平，卢昕宇,2

(1. 河海大学农业工程学院，南京 210098; 2. 福建农林大学园艺学院，福州 350000)

水稻的需水量是最大的粮食作物[1]，据统计，水稻用水量占农业用水量的70%，占全国总用水量近50%[2]。如何在水稻的种植、生育过程中最大程度地提高水资源的利用效率，需要进行长期的研究和探索。现阶段，我国农民大多依旧使用大水漫灌和土渠输水等传统的灌溉方式，水资源的利用方式较为粗放，耗水量极大，大部分灌溉水进入田间后都会通过渗漏或者蒸发损失，浪费极其严重。我国农业渠道水有效利用系数较低，仅为0.5 kg/m3左右，远低于发达国家的2.0 kg/m3的水平[3]。而欧洲等国，农田灌溉水有效利用系数约为0.8 kg/m3[4]。

鉴于我国目前稻田水资源利用的相关问题，水稻节水灌溉势在必行。目前，关于水稻节水灌溉模式的研究已有不少，如控制灌溉技术、间歇灌溉技术等[5-8]。尽管节水灌溉对水稻水分利用效率和产量等指标的影响不乏报道，但尚缺乏多种节水灌溉模式在水稻生理生长和产量形成方面作用效应的比较，这使得不同节水灌溉模式在水稻节水和保产方面的优劣缺乏一致结论。本研究设计4种不同节水灌溉模式(浅水勤灌、湿润灌溉、控制灌溉和蓄水控灌)，观测不同节水灌溉模式下水稻株高、叶绿素含量的动态变化，分析水稻总产量及其组成，旨在为科学制定水稻节水灌溉策略提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在江苏省南京市江宁区河海大学南方地区高效灌排与农业水土教育部重点实验室-河海大学节水园区(31°53′N，118°48′E)进行，试验地属于亚热带湿润气候，冬冷夏热、四季分明。年均降雨量在1 021.3 mm，多年均水面蒸发量为 900 mm 左右，年平均气温15.7 ℃。试验土壤取自试验稻田耕作土，土壤类型为黏壤土，田间质量持水率为30.9%，速效氮为47.4 mg/kg，速效磷为10.37 mg/kg，有机质质量分数为2.4%。

1.2 试验设计

本研究设计4种灌溉模式，各处理及其水分控制指标见表1所示。试验在多个长×宽=3.0 m×2.5 m的小区进行，每个处理重复3次，共12个小区，小区外设置保护区，防止侧渗水分干扰试验，各小区随机布置。待农田土壤中的水分降到灌水的下限时，即灌水到上限，用钢尺测量水层深度，在降雨时加测，假如水层的深度超过最大蓄雨的深度时，则及时排水至蓄雨上限，无水层时利用埋设在土壤中0～30 cm的TDR探头(Mini-Trase System-Soil Moisture Equipment Crop, Santa Barbara, CA, USA)进行土壤水分测定。

供试水稻为高产品种“南粳44”，于5月育秧。6月10日选择三叶一心大小基本一致的秧苗移栽，每区9穴，每穴3株，行株距为20 cm ×15 cm。6月5日施基肥(复合肥，N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%)300 kg/hm2，6月17日、7月7日和8月19日分别施用尿素(CO(NH2)2，含氮量≥46.2%)150、75和150 kg/hm2作为返青肥、分蘖肥和穗肥，各处理施肥量相同。水稻整个生育阶段除灌排措施外，其他农艺措施均保持一致。10月23日收获水稻。

表1 不同灌溉模式下的设计灌排指标

注：①分蘖期灌溉控制指标前高后低，拔节孕穗期灌溉控制指标前低后高；②“mm”表示田面水深，“%”表示表层 30 cm 土壤的含水率占土壤饱和含水率的百分比，“*”表示本行数据表示方式不同于同行其他数据。

1.3 指标测定

水稻株高：从水稻移栽后的第24 d开始测定植株株高，抽穗前测量从根茎部到叶顶的高度，抽穗后测量从根茎部到穗顶的高度。每三天测量一次至全生育期结束。

叶绿素含量：从水稻移栽后的第33 d开始，至移栽后135 d，用叶绿素计(SPAD-502, Minolta, Japan)测定水稻倒三叶叶绿素量，测定叶片中段的SPAD值，以平均值作为该小区叶片的SPAD值[9]。

产量：水稻完熟期(移栽后135 d)按小区面积单打单收换算实际产量，同时记录每穴有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒质量和每穴产量。

1.4 数据分析

显著性和相关性分析(Duncan's multiple range test)采用SPSS 17.0软件[10,11]。

2 结果与分析

2.1 不同节水灌溉模式对水稻株高的影响

水稻在不同生育阶段的生长状况将直接或间接地影响其产量形成，因此，研究节水灌溉对水稻生长指标的影响是理解节水灌溉对水稻籽粒灌浆、结实和产量组成机制的关键。图1所示为浅水勤灌、湿润灌溉、控制灌溉、蓄水控灌4种不同灌溉模式下水稻株高随移栽后天数的变化。从图中可看出，移栽后24～107 d，不同节水灌溉模式下水稻株高为37～108 cm，四种灌溉模式下水稻株高动态变化规律较为一致。株高变化呈现3个不同的阶段，包括快速增长期、缓慢增长期和平稳期。快速增长期、缓慢增长期和平稳期所处的3个时间段大约为移栽后24～85、85～100和100 d至生育期结束。这可能由于：0～85 d属于水稻生营养生长的关键时期，水稻在该阶段根系迅速扩张，吸收营养速度快，生长迅速；85～100 d，水稻从营养生长阶段进入生殖生长阶段，养分向生殖器官转移并累积，株高的增长有所放缓；100 d后，水稻进入结实的关键时期，籽粒大量形成，株高不再有明显的变化。从结果来看，不同节水灌溉模式水稻的株高随移栽后天数的动态变化规律较为一致，说明不同节水灌溉模式并没有明显影响水稻进入不同生育阶段的时间。王振昌[12]研究表明，旱涝交替胁迫对水稻株高后期生长具有补偿效应。本研究中，蓄水控灌模式下水稻黄熟期株高显著高于其他处理，这印证了王振昌的研究结论。

图1 不同节水灌溉模式下水稻株高随移栽后天数的变化

为了更好地了解水稻株高随移栽后天数的动态变化，本研究采用线性模型和指数模型对水稻株高和不同移栽后天数的关系进行模拟，结果如表2和表3所示(n=29)。从表2和表3可知，线性模型和指数模型均能较好地模拟不同节水灌溉模式下水稻株高随移栽后时间的动态变化，线性模型相关系数达到0.978 1～0.982 4，指数模型相关系数达到0.975 6～0.982 7。从模拟效果来看，线性模型的模拟效果略优于指数模型，但两者差别并不大。

表2 线性模型

表3 指数模型

2.2 不同节水灌溉模式对水稻产量组成及总产量的影响

图2所示为不同节水灌溉模式下水稻产量组成，不同节水灌溉模式下每穴有效穗数存在显著差异[图2(a)]，表现为控制灌溉模式显著高于其他处理，浅水勤灌模式显著低于其他处理，而湿润灌溉和蓄水控灌每穴有效穗数差异并不显著。从每穴有效穗数来看，控制灌溉处于较优水平，达到13.06。每穗粒数从高到低依次为浅水勤灌、蓄水控灌、湿润灌溉和控制灌溉[图2(b)]，这一规律与每穴有效穗数有所不同。控制灌溉处理每穗粒数显著低于其他处理，仅为123.0；而浅水勤灌处理显著高于其他处理，达到了131.7，这说明浅水勤灌处理更有利于水稻每穗粒数的提高。

图2 不同节水灌溉模式下水稻产量组成注：图中不同英文字母表示同一生育时期内各处理指标在0.05水平上差异显著。

图2(c)所示为不同节水灌溉模式下水稻的结实率情况。图中可看出，控制灌溉和蓄水控灌水稻结实率处于较优水平，两种模式之间结实率并无显著差异；湿润灌溉次之，为88.5%；而浅水勤灌处理结实率最低，仅为84.7%，且显著低于其他处理。这一结果说明水稻每穴穗数高的处理每穗粒数不一定高，每穗粒数较好地处理结实率并不一定高。从水稻结实率单一指标来看，蓄水控灌要优于其他处理。蓄水控灌水稻千粒质量处于最高水平[图2(d)]，但与控制灌溉之间差异并不显著，蓄水控灌和控制灌溉水稻千粒质量分别为26.17和25.53 g；湿润灌溉次之，为25.13 g，与控制灌溉之间差异并不显著；浅水勤灌处理水稻千粒质量最低，仅为24.67 g，显著低于控制灌溉和蓄水控灌处理。总体来看，蓄水控灌模式最有利于水稻千粒质量的提升。

图2(e)所示为不同节水灌溉模式对每穴产量的影响。蓄水控灌处理每穴产量最高，达到37.7 g；控制灌溉处理次之，为36.8 g，略低于蓄水控灌处理，与蓄水控灌处理之间没有显著差异；湿润灌溉处理每穴产量为35.2 g，显著低于控制灌溉和蓄水控灌；浅水勤灌每穴产量最低，仅为32.4 g，显著低于其他3个处理。

水稻总产量是评价节水灌溉模式优劣的重要指标[13,14]。图中可看出，不同节水灌溉模式下产量最高的处理为蓄水控灌处理，达到10 172 kg/hm2(图3)，并显著高于湿润灌溉和浅水勤灌处理；控制灌溉处理次之，产量达到9 922 kg/hm2；而浅水勤灌处理显著低于其他处理，产量最低，仅为8 735 kg/hm2，充分说明相比其他处理，蓄水控灌模式更有利于水稻产量的提高。这可能是因为蓄水控灌模式下，水稻土壤干湿交替，土壤透气性良好，在稻田水层较薄的情况下，有益于好氧微生物的生长，促进了肥料的分解与吸收[15,16]。陈朱叶[17]研究结果表明，蓄水控灌模式下的产量相对于常规灌溉有了提高，本研究充分印证了其研究结论。

图3 不同节水灌溉模式对水稻产量的影响注：图中不同英文字母表示同一生育时期内各处理指标在0.05水平上差异显著。

2.3 不同节水灌溉模式对水稻叶绿素含量动态变化的影响

图4所示为不同节水灌溉模式下移栽后33～137 d水稻叶片叶绿素含量的动态变化。水稻叶绿素变化分为3个阶段，移栽后33～45 d为缓慢增长期，各处理水稻叶绿素含量变化较为平稳；移栽后45～76 d水稻叶绿素进入相对较快的增长阶段；移栽后76～137 d水稻叶绿素含量进入衰退期，各节水灌溉模式下水稻叶片叶绿素含量逐渐下降。

从不同移栽时间来看，移栽后33和39 d不同处理水稻叶绿素含量差异并不大。移栽后45 d，蓄水控灌处理叶绿素含量总体要优于其他3个处理。移栽后56 d，不同处理水稻叶绿素含量存在一定的差异，具体表现为蓄水控灌>控制灌溉>浅水勤灌>湿润灌溉，其中蓄水灌溉处理水稻叶片叶绿素含量达到47.7。移栽后66 d不同处理叶绿素含量的差异与移栽后56 d的规律相似。移栽后76 d，不同节水灌溉模式水稻叶绿素含量达到峰值，其中蓄水控灌最高，达到49.3；控制灌溉处理次之，为47.9；浅水勤灌处理为47.4；湿润灌溉最低，仅为46.7。移栽后87 d，叶绿素含量较移栽后76 d略有降低，各处理降低幅度较为一致，其中仍以蓄水控灌处理叶绿素含量最高，为47.6；控制灌溉次之；而浅水勤灌最低，仅为44.8。移栽后108～118 d，叶绿素含量又有所下降，蓄水控灌与控制灌溉总体高于其他处理。移栽后118～137 d，叶绿素含量出现较大幅度下降，下降幅度达到28.7%～34.5%，蓄水控灌处理最高，为23.8；控制灌溉处理次之，为21.3；浅水勤灌最低，为20.1。

图4 不同节水灌溉模式对水稻叶绿素含量的影响

3 结 论

通过对不同节水灌溉模式下水稻株高、产量形成和叶绿素含量等指标的研究和分析，可得以下结论。

(1)不同节水灌溉模式下水稻株高变化规律的差异并不明显。水稻收获时的株高以蓄水控灌最高(103.4 cm)，控制灌溉处理次之，浅水勤灌最小。线性模型和指数模型均能较好地模拟不同节水灌溉模式下水稻株高随移栽后时间的动态变化，相关系数分别为0.978 1～ 0.982 4和0.975 6～0.982 7。

(2)不同节水灌溉模式对水稻每穴有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒质量和每穴产量都有一定影响。不同节水灌溉模式中，蓄水控灌处理水稻产量最高，达到10 172 kg/hm2，而浅水勤灌处理最低，仅为8 735 kg/hm2。

(3)水稻叶绿素含量于移栽后76 d达到峰值，移栽76 d后进入衰退期，叶绿素含量逐渐下降。不同节水灌溉模式中，蓄水控灌处理水稻生长中后期叶绿素含量总体高于其他处理。