浅析水稻节水灌溉高产优质机理

李蔚然，于小彭，展广军，王康健，于艳青

（辽宁省盐碱地利用研究所，辽宁 盘锦 124010）

水稻是我国最主要的粮食作物， 播种面积约占粮食种植总面积的30%，产量占全国粮食总产量的1/2。 同时水稻也是需水量最多的粮食作物，对于气候和灌溉条件方式等因素要求很大。 我国农业用水量约占全社会用水量的60%，农田灌溉的传统方式为淹水灌溉， 但是由于传统的淹水灌溉方式不合理，大约30%的灌溉水量通过地表径流、田间渗透、棵间蒸发等方式被消耗，灌溉用水利用率极低。 我国农业的缺水量占全国缺水量的3/4，在水资源日益紧张的同时，农业用水上却存在着大量的水资源浪费， 目前我国的农业灌溉水利用效率只有1.0 kg/m3， 低于国际上发达水平的2.0 kg/m3， 从这一数据当中我们也可以看出农业用水在我国存在严重的浪费问题[1]。水资源的匮乏严重影响了我国水稻粮食安全， 国民经济也会遭受严重影响。研究水稻的需水特性，依据水稻需水特性以及自身机能采取不同的节水灌水方式（主要有控制灌溉、胁迫灌溉、间歇灌溉、浅湿晒灌溉、浅水灌溉等，均在土壤饱和含水率情况下），既可以最大程度上满足水稻用水， 也可以降低无效蒸腾，提高水肥利用率，达到节水增产的目的。

1 水稻需水特性

水稻是喜水作物，对水的依赖性较大，充足的水分也是水稻生长的必要条件之一。 水稻产量高低有诸多影响因素，以水、肥、气候等为主，其中水是最活跃的因子， 人们可以根据水稻的需水特性与规律来更好地制定灌溉制度，进行合理灌溉，充分发挥水对水稻生长的有利作用。

1.1 水稻体内水分的生理作用

水分既是细胞原生质的主要成分， 也是水稻新陈代谢的不可替代的反应物质。 水稻体内含有大量的水分，含水量占其鲜重的70%～80%。 水分是水稻生理代谢过程中的重要参与者， 在光合作用、呼吸作用、有机物质的合成和分解过程中，都有大量的水分子参与[2]。

水分是否充足对水稻的各个器官以及光合作用等生理作用有很大影响。 当水稻体内水分充足时，细胞会变得膨胀从而使各个器官保持应有的紧张度，使水稻叶片的气孔开放，提高光合作用速率。

1.2 水稻根系对水分的吸收

水稻的叶片虽然也能吸收水分， 但是对整体来说作用有限， 主要还是依靠水稻的根系从土壤中吸收；水稻根系也不是全部都能吸水，吸水作用主要是在根尖部分进行， 所以水稻根部的发育是否茁壮对于水稻整个生长周期是至关重要的。

蒸腾拉力是水稻根系吸水的主要动力之一，叶片产生蒸腾作用时产生的细胞水势压力会导致根部主动从土壤中吸收水分， 根系周围可以利用吸收的水分耗尽后， 水稻会通过根系的生长外延去追踪新的水分从而用于一些生理作用， 同时也促进了根系发育。

1.3 土壤通气性对水稻根系吸水的影响

水稻根系吸水需要氧气来供应与维持。 大量实验证明： 如果长时间淹水灌溉导致土壤通气性不好，根系缺乏氧气，不仅是水稻，小麦和玉米的根系吸水量也会降低10%～20%；如果让土壤接触氧气，增加通气性，则吸水性增加。 因为土壤二氧化碳浓度过高或者缺氧会导致水稻根系的细胞呼吸减弱，影响根压，从而导致吸水效果减慢[3]。

2 水稻节水灌溉可以提高产量

传统的水稻淹水灌溉并不能保证水稻高产，反而会使根系受损， 长时间的缺氧状态会产生有机酸、硫化氢、亚铁等还原物质，阻止水稻根系吸收养分。 因此，必须改进灌水技术、根据水稻自身的需水特性和需水规律来调节和控制灌水， 既可以大大降低无效灌水并且达到节水目的， 也可以适应水稻作物生长需求达到高产的目的。

2.1 节水灌溉可以降低无效蒸腾实现高产

蒸腾是水稻不可缺少的重要的生理作用，只有通过蒸腾作用水稻才可以获得生长需要的二氧化碳，提高水稻的耐高温的特性；通过蒸腾作用，水稻可以吸收和运输水分， 叶片部分失水从而产生水势作用需要从相邻细胞吸收水分， 产生蒸腾拉力， 达到由叶片蒸腾作用产生的作用力传到根部继续吸收水分和养分， 水稻自身也会通过蒸腾拉力把从根系吸收的养分分配到各个器官中去。

但是相关研究表明，水稻通过叶片、根系等方式吸收的水分总量仅有约1%左右能被自身利用， 其余均通过蒸腾作用等一些生理方式排到外界。 可见，降低无效蒸腾作用尤为重要，既能提高自身水分利用率，也可以提高自身养分利用率[3]。

先进的水稻节水灌溉技术，例如控制灌溉、胁迫灌溉、间歇灌溉、浅湿晒灌溉、浅水灌溉等，其主要原理都是针对水稻生理需水和生态需水规律，可以给水稻创造更好更利于生长的水分养分环境，充分发挥出水稻自身的生理机能，降低无效蒸腾作用进而实现高产[4]。

2.2 节水灌溉可以降低养分流失实现高产

水稻除了蒸腾作用等生理性需水外， 还有棵间蒸发、田间渗透等生态性需水。 其中，田间渗透量约占水稻总需水的70%[5]。 棵间蒸发量和田间渗透量的变化不仅受自然气候等影响， 也受田间的水层深度和土壤含水率的影响。采用节水灌溉，在土壤含水率100%的情况下， 水稻整个生育期的水层较低甚至不建立水层， 可以很大程度上减少棵间蒸发量，转而被土壤蒸发所代替；水稻根系不断吸收水分， 同时保持土壤含水率在80%～100%，可以加强根系对土壤中水分的吸收，促进根系发育，吸收无机物效率提高，水稻通过根系运输水分和养分也相应效率提高[6]。

相关资料显示， 田间渗透量与田面的水层深度呈正相关，随着水层深度越大渗透量越大。淹水灌溉过程中， 需要保持一定量的田间渗透量来带走土壤中的有毒还原物质， 并且需要地表径流等方式淋洗土壤，同时也带走了大量的肥料养分，造成大量水分、养分流失，对地下水环境也带来巨大压力。 采用节水灌溉，降低田间水层深度，灌溉时土壤含水量也达到了饱和含水量。 大气与土壤的直接接触和交换， 改变了水田土壤的长期处于还原的被动局面，减少了土壤有害还原物质的形成，也有利于减缓水稻田间土壤的退化速度[7]。

2019 年在辽宁省盐碱地利用研究所实验基地农田测坑进行了节水灌溉初步试验， 实际面积为336 m2，淹水灌溉为对照，控制灌溉为处理，不同灌溉方式水稻生育期各项指标对比见表1。 从表1 中可以看出， 控制灌溉水稻的根系比淹水灌溉水稻的根系长度高了10.3 个百分点，穗长高了3.2 个百分点，有效穗数（理论换算）多了0.85 万穗/667 m2，产量（理论换算）提高6.8 个百分点，进一步验证节水灌溉理论的可行性。

表1 不同灌溉方式水稻生育期各项指标对比

采用因地制宜、先进的节水灌溉技术，不仅可以实现水稻田间保水保肥，提高水肥的利用率，把水稻的棵间蒸发和田间渗透等生态需水合理降低， 也可以发挥水稻自身机能的调节机制和对水分生理需求的适应性， 为水稻生产的节水增产打下坚实的基础。

3 水稻节水灌溉可以提高稻米品质

稻米品质的重要指标之一就是蛋白质的含量，普通稻米的蛋白质含量为7%～9%。 李寿声等在河海大学等灌溉试验站对水稻的需水规律等方面的研究过程中，采用控制灌溉技术，大米中粗蛋白含量高达10.05%， 已经达到了优质大米的标准，比淹水灌溉提高了4.8%[8]。

传统的淹水灌溉方式，土壤通气性不好，缺少氧气，有机质分解效果不好，根系发展缓慢，吸收氮素情况也欠佳。 节水灌溉由于在水田建立浅水层，返青期后若条件允许甚至可以在土壤饱和含水率情况下不建立水层，土壤通透性大大提升，土壤含氧程度也有所改善， 土壤中的好氧微生物含量上升，有机质被迅速分解，肥料中更多的氮转变为有效氮；同时水稻根系发达，可以吸收更多的氮素为自身利用，输送到籽粒当中合成更多的蛋白质。

4 结语与建议

节水灌溉技术可以减少作物的无效蒸腾量、棵间蒸发量、田间渗透量等，因此也减少了作物需水量，提高水肥利用率，避免水肥大量流失，甚至可以达到水稻“最佳生态状态”的高产水稻和优质米要求。 发展并推广先进的节水灌溉技术是我国现代农业的必然选择， 并且都有着不错的试验成果，但是目前我国的节水灌溉推广效果并不显著，大多数只是在试验田内进行， 农户们对于节水灌溉的原理、 对水稻的需水特性和需水规律也不够了解。 应拿出有力的实验成果、配套的科普手册，结合当地的水利工作站和农业推广站， 建立示范基地，让农户们可以更加直观地了解节水灌溉，真正做到节水高产，显示出农业科技的力量，为社会为百姓造福。