秸秆还田下灌溉方式对水稻产量的影响

赵宏亮,王 麒 ,曾宪楠 ,宋秋来 ,孙 羽 ,张小明 ,王 萍,王曼力 ,赵雪涵 ,冯延江

(1.黑龙江省农业科学院 a.耕作栽培研究所;b.信息中心,哈尔滨 150086;2.东北农业大学 农学院,哈尔滨 150030)

0 引言

水稻是世界三大粮食作物之一,也是我国的主要粮食作物[1]。秸秆是农业生产过程中重要的有机肥源[2],随着秸秆还田技术的逐步发展与完善,对其在水稻生长发育、产量、品质等方面的影响开展了大量的科学研究[3-7],但在生产过程中灌溉方法多以传统淹水灌溉方式为主,耗水量巨大,水资源利用率低[8]。近年来,众多学者在秸秆还田和节水灌溉方式互作的条件下对水稻生长发育、产量及品质、温室气体排放等方面开展了科学研究。张武益等研究了不同灌溉方式和秸秆还田对水稻生长的影响,发现灌溉方式和秸秆还田方式互作对水稻生长的影响效果显著[9];王春歌等在连续3年实施大田定位麦秸秆还田处理的基础上,对机插水稻实施不同灌溉模式处理,发现轻干湿交替灌溉(土壤水势下限指标-15kPa)是麦秸秆全量还田下机插稻的适宜灌溉模式[10];杨士红等研究了秸秆还田对节水灌溉水稻群体生长指标及产量的影响,发现控制灌溉和秸秆还田的结合能够有效促进水稻生长、大幅降低灌溉水量[11];成臣等开展了秸秆还田条件下灌溉方式对双季稻产量的影响研究,发现间歇灌溉可以实现水稻高产[12];周龙艳开展了秸秆还田方式和灌溉模式对水稻产量及品质的影响研究,发现秸秆全量还田下采用干湿交替灌溉方式,其产量和品质均显著提高[13];江峰研究了秸秆还田与灌溉模式对超级粳稻产量形成及温室气体排放的影响,发现秸秆还田条件下干湿灌溉在保证有较高产量的同时显著降低了温室气体的排放[14]。这些研究结果对在秸秆还田下水稻节水灌溉方式的发展与推广应用起到了积极作用。

虽然在秸秆还田技术、灌溉方式对水稻生长发育、产量等方面研究取得巨大进步,但将二者相结合的研究报道较少。为此,在秸秆全量还田下,采取不同的灌溉方式探讨了水稻不同品种在不同灌溉方式下的表现差异,以期为水稻秸秆还田下采用节水灌溉方式适宜品种的选择提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为水稻品种9份,如表1所示。

表1 供试水稻品种名称及来源

1.2 试验设计

试验分别于2016年和2017年在黑龙江省农业科学院民主园区水田区进行。供试土壤基本理化性质为:有机质29.56g/kg,速效氮79.56mg/kg,速效磷55.84mg/kg,速效钾168.42mg/kg;土壤类型为黑土。

试验设1种常规灌溉方式,即传统灌溉(Traditional Irrigation,TI);3种节水灌溉方式,分别为间歇灌溉(Intermittent Irrigation,Ⅱ),控制灌溉I(Control of Irrigation,CI-I),控灌II(Control of Irrigation,CI-II)。具体方法如下:①插秧至返青期。4种灌溉方式均采用浅水层灌溉,田间水层深度为0～20 mm。②分蘖期。传统灌溉始终保持田间水层深度为100～150mm;间歇灌溉则每7～9天灌溉1次,每次灌溉后田间水层深度保持在20～40 mm,自然落干,反复交替;控制灌溉I和控制灌溉II实行定量灌溉,灌溉后田间水层深度分别保持在30 mm和15mm左右。③水稻生长发育中后期(拔节孕穗、抽穗开花、乳熟期)。控制灌溉I和控制灌溉II均采用间歇灌溉的方法,但定量灌溉,灌水量同上。④乳熟末期。4种灌溉方式均进行排水晒田及遇降雨深蓄不排水的管理措施。

试验于2016年4月15日播种,5月18日移栽,2017年4月18日播种,5月24日移栽。单本栽插的插秧规格30 cm×13 cm,每小区种植10行,3次重复,随机区组排列,单排单灌,秸秆还田方式为全量还田。施纯氮120 kg/hm2,纯磷80 kg/hm2,纯钾50 kg/hm2。其中,氮肥50%,磷肥100%,钾肥50%作基肥施入,其他同当地生产实际。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 灌溉水量测定

采用上海佑科仪器仪表有限公司生产的LXS-80水表进行灌溉水量测定,计算每次灌溉用水量。

1.3.2 田间水层测定

每种灌溉方式分别放置5把直尺,于灌溉期间读取水层深度,取5点平均值为该灌溉方式的水层深度。

1.3.3 降雨量

2016年利用田间农业自动气象站对水稻全生育期内的降雨量进行收集与统计;2017年降雨量数据来源于黑龙江省农业科学院农业气象数据库共享平台。

1.3.4 产量及其构成因素测定

成熟期每份材料选取长势一致的植株5株进行产量及其构成因素测定,包括有效穗数、穗长、每穗总粒数、每穗实粒数、每穗瘪粒数和千粒质量,并计算结实率及产量。

1.4 统计分析

利用2016年、2017年两年试验数据的平均值进行相关统计与分析,统计软件为Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0。

2 结果分析

2.1 水稻产量及其构成因素的表现

变异系数是衡量性状指标中各观测值差异程度和变异范围的统计量[15]。4种灌溉方式下,9个水稻品种的8个性状指标的变异系数存在着明显差异(见表2),变异系数最大为瘪粒数。其中,中龙粳2、龙稻22、龙稻17变异系数较大,分别达30.54%、29.21%、27.67%;龙稻27变异系数最小,为9.32%;其次是有效穗数和产量,变异系数较小为结实率和穗长。由此说明,灌溉方式对不同水稻品种的产量及其构成因素均产生影响,为进一步分析奠定良好基础。

2.2 水稻产量及其构成因素的相关分析

对水稻产量及其构成因素进行相关性分析,如表3所示。由表3可以看出:有效穗数与每穗实粒数、每穗瘪粒数、每穗总粒数呈极显著或显著负相关,与千粒质量呈极显著正相关;穗长与结实率呈显著正相关;每穗实粒数与每穗瘪粒数、每穗总粒数、产量呈极显著正相关,与千粒质量呈极显著负相关;每穗瘪粒数与每穗总粒数、产量呈极显著正相关,与结实率呈极显著负相关;每穗总粒数与结实率、千粒质量呈极显著负相关,与产量呈极显著正相关;结实率与产量呈显著负相关。由此可知,水稻产量及其构成因素间存在着一定的相关性,存在着相互交叉或叠加效应;同时,各单项指标对灌溉方式的反应也不尽相同,不能准确反应灌溉方式对水稻品种产量及其构成因素的影响,可进一步做主成分分析。

表2 不同水稻品种的产量及其构成因素的表现

续表2

表3 水稻产量及其构成因素的相关分析

2.3 水稻产量及其构成因素的主成分分析

利用SPSS对4种灌溉方式下的9个水稻品种的8个性状进行数据标准化后,对其进行主成分分析,结果如表4所示。由表4可知:第1主成分特征值为3.97,贡献率为49.59%;第2主成分特征值为1.59,贡献率为19.88%;第3主成分特征值为1.07,贡献率为13.34%,前3个主成分的累积贡献率达82.81%,且3个主成分的特征值均>1,能够有效地解释原始变量的基本信息,符合主成分分析的要求。因此,可以用前3个主成分代替上述8个性状对不同水稻品种在4种灌溉方式下的表现进行综合分析。

表4 水稻品种产量及其构成因素特征向量及贡献率

分别用Z1、Z2、Z3表示前3个主成分,水稻品种产量及其构成因素主成分载荷矩阵如表5所示。由表5可知:在第1主成分Z1中,每穗总粒数、每穗实粒数的载荷值较大,分别为0.95、0.84;在第2主成分Z2中,结实率、千粒质量载荷值较大,分别为0.67、-0.52;在第3主成分Z3中,有效穗数、穗长的载荷值较大,分别为0.60、-0.54。综上可知,提取的3个主成分涵盖了大部分性状指标,能够反映原始数据的绝大部分信息。因此,可利用这3个新变量代替原来的8个变量做进一步分析。

表5 水稻品种产量及其构成因素主成分载荷矩阵

2.4 基于主成分的综合评价

利用各主成分的载荷值除以其相应特征值的算术平方根,得到各主成分中每个性状所对应的特征向量(见表6),则3个主成分的得分表达式分别为

Z1=-0.26x1-0.16x2+0.42x3+0.41x4+0.48x5-

0.32x6-0.29x7+0.39x8

Z2=-0.37x1+0.36x2+0.33x3-0.374+0.15x5+

0.53x6-0.41x7-0.11x8

Z3=0.58x1-0.52x2+0.15x3-0.28x4+0.05x5+

0.35x6-0.23x7+0.35x8

以每个主成分所对应的的特征值占所提取主成分的特征值之和的比例作为权重,构建主成分综合评价模型,即

Z=0.60Z1+0.24Z2+0.16Z3

表6 水稻品种产量及其构成因素主成分特征向量

根据3个主成分的线性组合及综合得分公式,获得各水稻品种在4种灌溉方式下的主成分得分和综合得分,如表7所示。9个水稻品种中,主成分综合得分越高,该品种在相应的灌溉方式下表现越好。由表7可知:在秸秆还田条件下,龙稻14(排名9)、龙稻17(排名16)、龙香稻2(排名17)在传统灌溉方式下的综合得分最高,其次是间歇灌溉和控制灌溉I,说明这3个水稻品种在保证水分供给充足的条件下才能够获得较高的产量;中龙粳2(排名1)、龙稻27(排名2)、中龙粳3(排名11)、龙稻7(排名18)、龙稻26(排名20)、龙稻22(排名27)在间歇灌溉下的综合得分最高,其次是传统灌溉和控制灌溉I,说明这6个水稻品种可适当地减少水分供给,同时采取干湿反复交替的灌溉方法,有利于获得较高的产量;9个水稻品种在控制灌溉II灌溉方式下的综合得分均最低,说明在水分供给减少到一定程度时不利于水稻的生长发育及产量形成。

表 7 不同灌溉方式下水稻品种主成分及综合得分

3 结论与讨论

相关分析表明,秸秆还田条件下4种灌溉方式9个水稻品种的产量及其构成因素间存在着显著或极显著的相关性,即各因素间传递的信息有一定的重叠性,利用单个因素不能对其进行准确的分析。主成分分析是利用降维的思想,从原始指标中提取出更少的几个不相关的新指标,可用于解释原始指标里所包含的信息[16-17],使结果更客观、可靠[18],目前已在水稻农艺性状、产量、品质等方面分析中得到了广泛应用[19-23]。本研究通过主成分分析,将9份水稻品种的8个性状简化为3个彼此不相关的综合指标,且其累计方差贡献率达82.81%,并依据这 3个主成分的特征值及其载荷矩阵建立了各主成分的得分表达式,获得了9个水稻品种在4种灌溉方式下的综合得分及排名。由主成分分析结果可知:龙稻14、龙稻17、龙香稻2在传统灌溉方式下的表现最好,其次是间歇灌溉和控制灌溉I;中龙粳2、龙稻27、中龙粳3、龙稻7、龙稻26、龙稻22在间歇灌溉方式下表现最好,其次是传统灌溉和控制灌溉I。实际生产中,应选择穗粒数多(第1主成分)、结实率高(第2主成分)、千粒质量大(第2主成分)、有效穗数多(第3主成分)的品种,以保证在秸秆还田下采用节水灌溉方式获得高产。

近年来,众多科研工作者在灌溉方式对水稻生长发育、产量及其构成因素、品质等方面的影响进行了大量研究。褚光利用武运粳24、扬两优6号和甬优2640研究了干湿交替灌溉对水稻产量的影响,发现干湿交替灌溉显著提高3个水稻品种的产量[24];吕银斐等以中优849为供试材料,研究了常规淹水灌溉、干湿交替灌溉和湿润灌溉 3 种灌溉方式对水稻生长、产量的影响,发现干湿交替灌溉能增加产量 12.63%,而湿润灌溉产量降低[25];刘江彪等以29个水稻品种为材料,开展了节水灌溉与常规灌溉对水稻生育动态及产量的影响研究,发现节水灌溉下水稻穗粒数、结实率、千粒质量、产量均高于常规灌溉[26]。本研究结果表明:秸秆还田下9个供试水稻品种在3种节水灌溉方式下,大多数品种表现较好,个别品种表现相对较差,但整体上节水灌溉能够有效促进水稻产量的提高,这与前人研究结果相一致。虽然这些研究所用水稻品种不尽相同,采用的节水灌溉方式不同,其研究结果也存在着一定的差异,但大多研究结果表明节水灌溉方式均能促进多数水稻品种的生长发育及产量提高。