不同灌溉模式水稻耗水规律和生长特性研究

张 浩，张一丁，黄 彦，王 柏

（1.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150006；2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080；3.农业农村部东北节水农业重点实验室，哈尔滨150080）

0 引 言

2009-2018年间，中国水稻产量呈现缓慢的上升态势，水稻的种植面积大体上处于平稳状态[1]。黑龙江省是水稻商品粮输出大省，在保障国家安全中占有举足轻重的地位[2]。而三江平原是黑龙江省重要商品粮基地，水稻种植面积占全省60%以上，灌溉水源77%为地下水，造成了地表水利用率低、水资源承载力不足的水稻种植和农业发展问题，同时水稻又是半水生性粮食作物，较小麦、马铃薯等粮食作物的耗水量大30%以上[3]，因此提高水稻区用水效率，缓解区域地下水超采等问题迫在眉睫。传统水稻灌溉定额用水量大，田间灌溉水层较深，灌溉水分利用效率低。当前，农业节水是解决农业水资源的有力措施[4]，只有明确水稻本身耗水特征及灌溉水分利用率，才能估算水稻最佳耗水动态，使得水资源得到充分利用[5]。

国内在对于主要灌溉模式如常规灌溉、间歇灌溉、湿润灌溉、控制灌溉等条件下的水稻需耗水量变化规律研究成果较多[6-10]，这些学者主要采用适宜的灌溉方式，通过减少田间渗漏、提高降雨利用等途径降低水稻耗水量。魏邦记等[11]研究表明控制灌溉使水稻对水分养分的吸收更趋于合理有效；王树鹏等[12]研究表明与常规灌溉相比，浅湿灌溉更节水，其节水能力主要来自于提高降雨利用率，减少渗漏量；季飞[13]研究表明拔节孕穗期和抽穗开花期是水稻生育过程中需水强度最大的时期，也是水分亏缺最敏感的时期，分蘖期和乳熟期对水分亏缺不十分敏感；朱士江等[14]研究表明不同灌溉模式对水稻产量指标产生一定的影响，每种灌溉模式至少有一项指标占优，不同灌溉模式分蘖规律和株高增长幅度基本一致：分蘖呈现先增后减的特点，株高呈现“高-低-高-低-高-低”趋势。

作物耗水量是田间水分平衡的重要组成部分，也是制定灌溉计划和分析水分供应的前提[15]。水稻节水灌溉主要是指在水稻生长发育过程中，针对水稻不同时期对水分的敏感性进行调控，从而使水资源利用最大化[16]，有力缓解农业用水短缺问题。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

该试验于2021年在黑龙江省佳木斯市建三江分公司前进农场试验园区内进行。试验区位于三江平原东南（东经133°08'，北纬47°48'），属于寒温带大陆性太平洋季风气候，夏季温暖湿润，冬季寒冷干燥，年降雨量350～830 mm之间，60%的降雨集中在7-9月份，年平均气温在1.3 ℃左右，有效积温 2 200～2 500 ℃，年日照时数2 527 h，作物生育时数1 000～1 200 h，最高气温35 ℃，最低气温-38 ℃，年无霜期为125～130 d。供试土壤类型为白浆土，0～20 cm土壤层pH值5.93，容重为1.22 g∕cm3，重量饱和含水率为38.18%，土壤有机质量为40.73 g∕kg，碱解 氮含 量 为197.77 mg∕kg，有 效磷 含 量为38.61 mg∕kg，速效钾含量为176.78 mg∕kg。

1.2 试验设计

采用大田试验，设为3种不同灌溉模式处理，分别为常规灌溉（CG）模式、控制灌溉（KG）模式和浅湿灌溉（QS）模式。CG模式田间一直保持有水层且灌水上限50 mm；KG模式露田后晒田至田面出现裂缝即灌水，灌水上限30 mm；QS模式田面露田即可灌水，灌水上限30 mm。每个试验区面积为2 400 m2，每个处理3次重复，共计9个试验区，各试验区设置一处田间水位观测点。

试验供试品种为水稻1703，主茎12片叶，出苗至成熟生育日数130 d左右，活动积温2 450 ℃左右。3种灌溉模式处理除试验设计因素不同外，其余施肥等农艺措施均相同。5月11日移栽，9月14日收获。水稻生长期间严格控制病虫草害，注意田间管理。3种灌溉模式水稻不同生育期水分管理如表1所示。

表1 3种灌溉模式水分管理表Tab.1 Water management table of three irrigation modes

1.3 样品采集、测定和计算

水稻田间水位、灌水量和降雨量测定：水稻生育期内每天采用电子游标卡尺测量田间水层深度，精度为1 mm；每次灌水前后加测，差值即为灌水量；降雨量、温度通过试验区内气象站测定（见图1）。

图1 降雨量和温度Fig.1 Rainfall and temperature

田间渗漏量测定：采用同心环测定，同心环内环30 cm，外环60 cm，内环安放精度1 mm固定水尺，环上盖保温板防止水面蒸发，水稻生育期内每日测量水位下降高度，取平均值视为试验区田间渗漏量。

实际蒸发蒸腾量计算：利用水量平衡方程计算水稻耗水量减去田间渗漏量。

水稻干物质测定：将水稻划分不同的生育期，每个生育期取小区固定点位附近长势均匀水稻3穴，放入尼龙纱网袋中用清水冲洗干净，将叶片、籽粒与茎杆分离，放置烘箱内杀青30 min，在75 ℃干燥至质量恒定后用精度0.01 g电子天平称量物质干重。

水稻田间生长指标测定：在不同水稻生育时期选取小区固定点位附近长势均匀5穴，将1.5 m直尺放置于植株中间，生育期内每隔5天观测植株高度，抽穗前为土面至每穴最高叶尖的高度，抽穗后为土面至最高穗顶的高度（不计麦芒）；水稻分蘖选取和株高测量相同的5穴，生育期内每隔5天与株高一同量每穴分蘖数。

1.2.4 饮食护理 在术后,告知患者吃一些流质的食物,之后再逐渐吃普通的食物。但需要注意的是,禁止让患者吃容易产生气体的食物,如牛奶、豆浆等,要吃多纤维的食物,可以使肠道通畅。

水稻测产：水稻成熟期每个小区选取1 m×1 m范围内水稻植株样品，测量平方米穗数、穗粒数、空瘪粒、千粒重等数据，计算水稻理论产量，生育期内取样一次。

水稻耗水量计算：水量平衡法是计算作物耗水量的方法，其原理是通过计算特定区域内水量的收入和支出的差值来推求蒸发蒸腾量，其公式如下：

式中：ETi为水稻阶段耗水量，mm；H1、H2为相邻时段内田间水层深度，mm；P为阶段有效降雨量，mm；M为阶段灌水量，mm；C为时段地面排水量，mm。

实际蒸发蒸腾量计算：

式中：ET为阶段实际蒸发蒸腾量，mm；ETi为为水稻阶段耗水量，mm；F为阶段田间渗漏量，mm。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉模式下对水稻生长指标及干物质的影响

水稻植株长势与水稻耗水过程和干物质的积累有直接关系。由图2～图4可以看出，水稻株高、茎秆干重在各生育期均为CG模式＞KG模式＞QS模式，叶片干重在抽穗开花期之前长势为CG模式＞KG模式＞QS模式，抽穗开花期时为QS模式＞KG模式＞CG模式，抽穗开花期之后依旧为CG模式＞KG模式＞QS模式；由图5可以看出3种灌溉模式下水稻分蘖的生长趋势均呈倒“√”式发展，在分蘖末期前，CG模式和KG模式分蘖数基本一致，QS模式分蘖数高于其余两种灌溉模式，分蘖顶峰分蘖数大小关系为KG模式＞QS模式＞CG模式，分蘖末期后，3种灌溉模式分蘖数持续降低，关系为KG模式＞QS模式＞CG模式。

图2 不同灌溉模式水稻植株高度变化Fig.2 Changes of rice plant height under different irrigation modes

图3 不同灌溉模式水稻叶片干重变化Fig.3 Changes of dry weight of rice leaves under different irrigation modes

图4 不同灌溉模式水稻茎秆干重变化Fig.4 Change of stem dry weight of rice under different irrigation modes

图5 不同灌溉模式水稻分蘖变化Fig.5 Changes of rice tiller under different irrigation modes

分蘖初期CG模式水层较深，植株长势良好，水稻株高始终高于QS、KG模式，虽前期分蘖数较多，但后期因光照不足、营养不足以及水淹造成分蘖生长弱，缺少竞争能力而死亡；而KG模式采取干湿交替的方式，形成优胜劣汰的环境筛选作用，保留优质分蘖，利于后期干物质形成。QS模式分蘖期水稻水层处于其余两种灌溉模式之间，受到水稻根部厌氧环境影响略差于KG模式，但水层深度低于CG模式，故其指标略优于CG模式。

2.2 不同灌溉模式下水稻耗水规律

在其他农艺措施同等条件下，不同的灌溉模式处理对水稻的耗水规律有着直接的影响。3种灌溉模式中，CG模式耗水量最多为578.12 mm，QS模式耗水次之为548.95 mm，KG模式耗水量最低为502.98 mm。图6为水稻不同灌溉模式下各生育期耗水量。由图6可以看出，水稻生育期耗水两次高峰期分别为分蘖中期和拔节孕穗期。返青期水稻秧苗较小，耗水量基本以棵间蒸发为主，CG模式水层较深，耗水量略高于其余两种模式；分蘖初期水稻耗水明显较返青期增加，QS模式此时期耗水最多为82.26 mm，较CG模式、KG模式耗水量增加5.15%、13.65%；分蘖中期水稻快速分蘖时期，进入第一次耗水高峰期，此时期水稻秧苗开始稳定生长，耗水量以棵间蒸发和深层渗漏为主，3种灌溉模式耗水量基本一致；分蘖末期水稻植株已基本覆盖田面，稻田进行一定的晒田管理，CG模式耗水量较QS模式、KG模式增加11.40%、18.96%；拔节孕穗期，水稻叶面积增大，光合作用和代谢作用旺盛，由于气温持续升高的和生育期的推进，这个时期是水稻生殖生长和营养生长并进阶段，水稻植株生长速度加快且冠层覆盖率较高，耗水量也随着水稻的整体植株快速增长而相应增加，因而出现了水稻第二次耗水高峰期，此时田间土壤已经沉实，田间渗漏趋于稳定，CG模式耗水量为130.62 mm，较QS模式、KG模式高出15.85%、9.66%，KG植株高度此时期总体高于QS模式，从而使KG度耗水量略高于QS模式；抽穗开花期阶段为水稻幼穗分化、干物质积累时期，光合作用较拔节孕穗期减弱，但呼吸作用增强，故而耗水量也较大，CG模式耗水量分别较QS模式、KG模式高出9.83%、55.49%，此时期KG模式耗水量明显低于其余两种灌溉模式，主要原因在于按照控灌模式水分管理下，田间水层处于较低状态并且经过适当的晒田管理，其余两种灌溉模式未进行晒田管理，故造成此种情况；乳熟期水稻生长基本成型，水稻对水分需求已经降至最低，3种模式耗水量基本一致。

图6 不同灌溉模式耗水量Fig.6 Water consumption under different irrigation modes

图7为不同灌溉模式水稻生育期田间耗水强度。由图7可以明显看出3种灌溉模式的耗水强度均呈“M”双峰趋势发展。返青期CG、KG、QS模式耗水强度基本一致，分别为4.10 mm∕d、3.78 mm∕d、3.97 mm∕d；3种灌溉模式耗水强度从移植秧苗开始就处于上升趋势，KG模式、CG模式和QS模式在分蘖中期到达第一次耗水强度顶峰，分别为6.99 mm∕d、7.02 mm∕d和7.14 mm∕d，而之后在分蘖中期到分蘖末期之间耗水强度均呈现下降趋势；分蘖末期水稻耗水强度逐渐减弱，田间耗水强度峰值大小关系为CG模式＞QS模式＞KG模式，耗水强度分别为5.84 mm∕d、5.24 mm∕d、4.91 mm∕d；拔节孕穗期耗水强度到达最大值，大小关系为CG模式＞KG模式＞QS模式，耗水强度分别为8.16 mm∕d、7.44 mm∕d、7.05 mm∕d；拔节孕穗期之后，KG模式和QS模式田间耗水强度均呈直线下降趋势，KG模式因后期晒田管理多于其余两种灌溉模式，故其抽穗开花期和乳熟期耗水强度均低于CG模式和QS模式，分别为4.44 mm∕d、3.75 mm∕d；CG模式整体水稻植株高大壮硕，抽穗开花期耗水强度明显高于QS模式和KG模式，为6.86 mm∕d，与拔节孕穗期耗水强度并无明显差别；乳熟期水稻生长基本定型，此时水稻耗水强度基本一致，CG、KG、QS模式耗水强度分别为3.87 mm∕d、3.75 mm∕d、4.32 mm∕d。

图7 不同灌溉模式田间耗水强度Fig.7 Field water consumption intensity under different irrigation modes

图8为不同灌溉模式下水稻每个生育期的蒸发蒸腾量（ET）和渗漏量对比。由图8可见，渗漏量在分蘖中期之前处于直线上升趋势，分蘖中期至拔节孕穗期处于直线下降趋势，之后至水稻乳熟期，渗漏量均处于平稳趋势。QS模式和KG模式水稻生育期ET值变化规律一致，CG模式水层建立充分，其ET值变化呈现先增加后减少趋势，返青期至分蘖期结束水稻ET主要以棵间蒸发为主，分蘖初期、中期、末期ET变化规律呈现直线趋势；拔节孕穗期为水稻耗水量最高时期，也是水稻ET值最高时期，而此时期田间土壤已经沉实，渗漏量开始进入平稳趋势，水稻植株叶面开始覆盖地面，主要以植株蒸腾为主，此时期CG模式ET最高为124.68 mm，相较于QS模式、KG模式分别高出13.64%、16.99%；拔节孕穗期之后3种模式水稻ET均为下降趋势，抽穗开花期CG模式和QS模式依旧建立水层，其ET值相较于拔节孕穗期并无明显差别，呈现缓慢下降趋势，KG模式抽穗开花期田间晒田充分，其ET值下降明显。

图8 不同灌溉模式水稻生育期蒸发蒸腾量和渗漏量Fig.8 Evapotranspiration and leakage of rice under different irrigation modes during growth period

2.3 不同灌溉模式下水稻产量及水分生产率

表2为不同灌溉模式产量及构成因素方差分析。3种灌溉模式穗长、穗粒无明显差别，穗长穗粒数大小关系均为QS模式＞CG模式＞KG模式，空瘪粒KG模式与CG、QS模式差异性显著，较CG和QS模式分别降低30.25%、19.71%；KG模式每平米有效穗数较CG模式、QS模式分别提高6.58%、4.81%；水稻千粒质量大小关系为KG模式＞QS模式＞CG模式；最终产量KG模式最多，较CG模式和QS模式分别增加5.28%、10.97%；CG模式和QS模式灌溉水分生产率相近，为1.56 kg∕m3和1.61 kg∕m3，两者仅相差3.21%，KG模式灌溉水分生产率为1.94 kg∕m3，相较于CG和QS模式分别提高20.50%、24.36%。

表2 不同灌溉模式产量及构成因素方差分析Tab.2 Analysis of variance of yield and component factors under different irrigation modes

3 讨 论

本研究3种灌溉模式水稻均于5月11日插秧，9月14日收获。本试验中通过叶龄来判断生育期，此项生理指标主要影响因素为天气、温度、土壤肥力，与田间水层深度无直接关系。CG模式水层建立较深可能在一定程度上抑制水稻生长发育，造成1～2 d的生育期延后，但生育期推进以试验小区内80%植株达到为准，个别植株造成的影响已被消除，因此本试验将不同灌溉模式水稻生育期进行了统一划分。本研究结果表明水稻在KG模式下植株生长高度最低，有效分蘖数最高。KG模式水层建立浅，对水稻的干旱胁迫高于其余两种灌溉模式，这与李贤勇等[17]的认为干旱胁迫下使水稻植株降低结果一致，韩孝顺等[18]认为水稻分蘖主要通过水肥管理实现，晒田能起到先抑后促的作用，本研究成果与已有成果一致。

单从不同灌溉模式耗水量分析，本研究CG模式耗水量最高，无效耗水较多，QS模式无效分蘖较多，这与孙雪梅等[19]的研究结果一致；水稻分蘖期时期历时较长，株间间距过大，叶片覆盖率低，株间蒸散发强度大[20]，此外田间渗漏也以分蘖期为主，故而3种灌溉模式均在水稻分蘖期耗水最多，占到水稻整个生育期的41%～53%之间，以分蘖前期、分蘖中期耗水占比最高；拔节孕穗期是水稻本研究第二次耗水高峰期，有学者[21,22]研究表明此时期是水稻营养生长与生殖生长并进时期，孕穗期水稻对干旱抵抗能力弱，缺水会阻碍幼穗发育，因此拔节孕穗期水稻对水分需求量较大，与本研究结果一致；此后水稻进入乳熟期，此时期水稻穗粒结构基本形成，植株开始对水分亏缺表现出一定的忍耐力[23]，田间可以作适当的受旱处理。

水稻产量构成因素之间是相互联系、相互制约的，主要生长于拔节孕穗期，较深的水层发生淹涝胁迫可能促使水稻把有限的碳同化物更多地用于叶、茎的生长发育，导致水稻结实率、穗粒数、总粒数的减少，进而导致减产[24]。CG模式水层建立较深，地温会低，长期深水层不利于水稻根系土壤通透性，虽然水稻植株高于QS、KG模式，但其最后的产量并不理想，表明水稻株高过高会导致水稻减产，这与何双红[25]等研究结果一致；QS模式水层建立低于CG模式，相较于CG模式受到相同抑制整体会减轻，但是在未施加水分胁迫情况下，其产量属于中游；KG模式晒田会增加土壤通透性，增加根系发展，提供充足氧气排出有毒有害气体，有利于水稻的生长，其产量最高，此研究结果与毛心怡等学者[26,27]研究一致。

4 结 论

本研究在三江平原采用之前学者少有的大田实验，精准度虽不如小区、盆栽实验，但可以反映三江平原水稻不同灌溉模式下整个育期生长过程和水稻生育过程耗水量。通过本研究可得出以下结论：

（1）3种灌溉模式下CG模式植株长势、干物质重均高于QS模式和KG模式，水稻产量最低，KG模式产量最高，较QS模式和CG模式分别提高5.28%、10.98%。

（2）水稻在各生育期耗水规律变化呈现“M”双峰趋势，且不同灌溉模式下水稻耗水变化规律一致，KG模式较CG模式和QS模式分别减少12.99%、8.37%，水稻分蘖中期之前田间渗漏量较大，在分蘖中期之前和抽穗开花期须确保水稻水分供求充足。

（3）水稻KG模式下产量和水分生产率均明显高于其余两种模式，结合耗水量，KG模式提高了降雨利用率，降低了渗漏量和蒸发蒸腾量，降低了水稻的无效耗水，因此水稻采用控制灌溉管理方式能节约水资源提高产量，可以“由点及面”在三江平原进行节水技术推广。