寒地盐碱化土壤对水稻生长和产量的影响

张效霏 郑妍妍 刘 凯 徐振华 于艳敏 张书利 张海峰 张有智 毕洪文 来永才

（1.黑龙江省农业科学院农业遥感与信息研究所 黑龙江哈尔滨 150086；2.黑龙江省农业科学院 黑龙江哈尔滨 150086；3.黑龙江省农业科学院生物技术研究所 黑龙江哈尔滨 150086）

土壤盐碱化是在特定气候、地形、水文、地质及土壤等自然因素综合作用下， 以及人为引水灌溉中的不当操作引起土壤盐化与碱化的土地质量退化过程。 盐碱地在世界范围内分布十分广泛，遍及除南极洲以外的五大洲[1]。 联合国粮农组织的资料表明，其总面积约9.5×108hm2， 占地球陆地面积的7.26%，其中我国约有9.9×107hm2。 值得关注的是，我国东北松嫩平原的盐碱土壤面积从1950 年的约2.4×106hm2已经变为2016 年的约3.9×106hm2，增长近62.5%。目前黑龙江省盐碱地约1.02×106hm2， 分布在大小共17 个县(市)，其中，盐碱耕地约占1.34×105hm2。

土壤盐碱化及次生盐碱化现象日趋加重， 已经成为严重的环境问题之一。 盐碱化又是一个动态现象和过程，因此如何及时掌握有关盐碱地的性质、范围、盐碱化程度等方面的信息，及时采取应对措施，对治理盐碱地、保护生态环境、促进经济发展和进行农业可持续发展规划至关重要。 2022 年中央一号文件《中共中央 国务院关于做好2022 年全面推进乡村振兴重点工作的意见》[2]中提出，积极挖掘潜力增加耕地， 支持将符合条件的盐碱地等后备资源适度有序开发为耕地。

研究制定盐碱地综合利用规划和实施方案。 分类改造盐碱地， 推动由主要治理盐碱地适应作物向更多选育耐盐碱植物适应盐碱地转变。 因此，研究寒地盐碱化土壤对水稻生长和产量的影响， 从而发掘和利用现有种质资源， 在盐碱条件下进行试验鉴定筛选，创制目标性状突出、综合性状优良的育种新材料，开展耐盐碱水稻种质资源创新及新品系选育，对盐碱地的开发和利用具有一定的指导和借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究的观察试验于2022 年在国家耐盐碱水稻技术创新中心东北分中心五常试验站展开。 选择10 个有代表性的水稻品系作为试验材料， 由黑龙江省农业科学院生物技术研究所提供。 供试的土壤按照碱化度分为轻度（pH 8.97）、中度（pH 9.58）和重度（pH 9.94）3 个部分，土壤指标检测值见表1。

表1 试验地基础土壤检测指标值

1.2 试验地概况

试验地位于黑龙江省南部的五常市， 地处北纬44°4′、东经126°33′，属中温带大陆性季风气候。年平均气温为3.5℃， 7 月气温较高， 平均为23℃， 最高达35.6℃，1 月气温较低， 月平均为-19.1℃， 最低达-45.4℃。年日照时数2 629 h。年均降水量约625 mm，夏季降水量约占全年降水量的70%，≥10℃活动积温为2 500℃·d，全年无霜期130 d。

经统计，2022 年4-9 月试验地最高气温32℃，分别出现在7 月27 日和7 月28 日， 最低气温为0℃，出现在4 月28 日；白天晴天数33 d（占比22%）、雨天数75 d （占比50%）， 多云、 阴天数41 d （占比28%）；夜间晴天数29 d（占比19%）、雨天数49 d（占比33%）， 多云、阴天数71 d（占比48%）；风力1~2级有67 d（占比45%）、3~4 级有78 d（占比52%）、4~5 级有4 d （占比3%）；4－9 月各月日照时数分别为221.6 h、251.2 h、208.1 h、182.0 h、182.6 h 和175.5 h；≥10℃的积温3 558℃。

1.3 试验方法

采用小区试验，分轻度（pH 8.97）、中度（pH 9.58）和重度（pH 9.94）3 个盐碱度的小区进行处理，面积均为5 m×5 m， 每个处理3 次重复， 随机区组排列，插秧规格为30.0 cm×13.3 cm，每穴插3 株。 10 个试验品系均在4 月12 日浸种、4 月20 日播种 （规格为200 g/m2）、6 月1 日插秧。水肥管理措施完全相同，保证品系不受病虫害和洪涝旱情影响。

1.4 指标测定

调查与观测分别记录10 个品系在3 种不同盐碱化条件下的如下指标：关键生育时期指标，主要包括播种日期、插秧日期、返青期、分蘖期、始穗期（20%的植株抽穗）、 抽穗期 （50%的植株抽穗）、 齐穗期（80%的植株抽穗）和成熟期；农艺性状生长期指标主要包括3 次以上的分蘖动态、 分蘖期和齐穗期（80%的植株抽穗）的株高及叶绿素（SPAD）；农艺性状成熟期指标主要包括每平方米穗数、有效分蘖数、每穗粒数、穗长、千粒重、结实率及产量。

每个水稻品系在分蘖期过后，采用五点取样法，每8 d 取1 次样，每个小区取5 穴，用105℃烘箱法[3]，将试样放入105℃烘箱内烘3 h 后取出，置于干燥器内冷却至室温，取出称量后，再按以上方法进行复烘，烘至恒重，测地上部干重。 10 个品系相继在8 月25 日至9 月15 日之间成熟， 成熟期每个小区取10穴在室内考种。

1.5 数据分析

试验数据采用软件SAS 9.4 进行指标的数理统计和差异分析，图表用Excel 进行制作和分析。

2 结果与分析

同一品系水稻在土壤不同碱化度下及不同品系水稻在同一土壤碱化度下，由于耐盐碱特性不同，分蘖高峰期、分蘖数量、抽穗期、株高、叶绿素值、有效分蘖数、结实率和穗粒数等指标都会存在差异，从而影响水稻最终的产量[4-5]。

2.1 关键生育时期指标比较分析

通过10 个品系的播种日期和成熟期，分别统计出它们在3 种不同碱化度土壤下的生育期（表2）。从两个不同角度进行比较，品系6 和品系10 在3 个不同盐碱地的平均生育期相对短，约为130 d，品系2 的平均生育期最长，为148 d。在轻度盐碱地中的10 个品系的平均生育期最短，约为135 d；在重度盐碱地中的10 个品系的平均生育周期最长，约为139 d。

表2 10 个品系在3 种土壤碱化度下的生育期（单位：d）

按照黑龙江水稻品系熟期的划分， 生育周期在128 d 以下的为早熟品系；生育周期128~130 d 的为中早熟品系；生育周期130~133 d 的为中熟品系；生育周期133~135 d 的为中晚熟品系；生育周期在135 d以上的为晚熟品系。 由表2 可知，品系1、品系2、品系4 和品系8 在3 种盐碱度下均晚熟， 只有在轻度地中品系3、品系6 和品系10 才出现中早熟现象。

2.2 农艺性状生长期指标比较分析

将10 个品系的分蘖期株高、齐穗期株高、分蘖期叶绿素值及齐穗期叶绿素值分别在3 种不同土壤碱化度下比较可知，品系1、品系4、和品系8 在轻度和中度的盐碱条件下分蘖期株高相当（图1）；品系1、品系2、品系4 和品系9 在轻度和中度的盐碱条件下齐穗期株高相当（图2）；品系1、品系2 和品系3 在3 种不同土壤碱化度下分蘖期叶绿素值相当（图3）；品系3 和品系8 在3 种不同土壤碱化度下齐穗期（80%）叶绿素值相当（图4）。

图1 3 种土壤碱化度下10 个品系分蘖期株高对比

图2 3 种土壤碱化度下10 个品系齐穗期株高对比

图3 3 种土壤碱化度下10 个品系分蘖期叶绿素值（SPAD）对比

图4 3 种土壤碱化度下10 个品系齐穗期叶绿素值（SPAD）对比

2.3 农艺性状成熟期指标比较分析

10 个品系在3 个不同盐碱地中成熟期平均有效分蘖数随盐碱性增强而减少。 同样成熟期的平均结实率也随着盐碱性的增强而降低（表3、表4、图5、图6）。成熟期结实率本身受到物粒比的制约，对产量、收获指数的影响较大[6]。

图5 3 种不同土壤碱化度下成熟期平均有效分蘖数对比

图6 3 种不同土壤碱化度下成熟期平均结实率对比

表3 3 种土壤碱化度下10 个品系成熟期平均有效分蘖数（单位：个/m2）

表4 3 种土壤碱化度下10 个品系成熟期平均结实率（单位：%）

由成熟期产量的统计结果（表5）可知，成熟期的平均产量随着盐碱性的增强而降低，对比情况见图7，轻度盐碱化条件下的平均产量比重度盐碱化的高237.5%。 由图8 可知，品系3 在3 种不同土壤碱化度下，成熟期的产量变化幅度最小。

图7 3 种不同土壤碱化度下成熟期平均产量对比

图8 3 种不同土壤碱化度下10 个品系的成熟期产量对比

表5 3 种土壤碱化度下10 个品系成熟期产量（单位：kg/hm2）

在pH 8.97 的土壤碱化度下， 用统计软件求得10 个品系各成熟期指标间的相关矩阵， 得出有效分蘖数和对应的产量之间有较强的线性关系（图9），其相关系数r=0.811 8**， 所建立的线性回归关系模型为y=683.65x+1 623.2，决定系数R2=0.659，其中自变量x代表有效分蘖数，y代表成熟期水稻产量。

图9 pH 8.97 的土壤碱化度下有效分蘖数和对应产量的线性回归关系

在pH 9.58 的土壤碱化度下， 对10 个品系的有效分蘖数和对应的产量进行统计分析， 得出二者有较强的线性关系（图10），其相关系数r= 0.76**，所建立的线性回归关系模型为y= 485.25x+ 1928.9，决定系数R2= 0.574， 其中自变量x代表有效分蘖数，y代表成熟期水稻产量。

图10 pH 9.58 的土壤碱化度下有效分蘖数和对应产量的线性回归关系

在pH 9.94 的土壤碱化度下， 对10 个品系的有效分蘖数和对应的产量进行统计分析， 得出二者有较强的线性关系，其相关系数r= 0.86**。 建立三次多项式回归关系模型为y=-196.19x3+1 726.7x2-3 869.7x+3 529.2，决定系数R2= 0.692 9，其中自变量x代表有效分蘖数，y代表成熟期水稻产量（图11）。

图11 pH 9.94 的土壤碱化度下有效分蘖数和对应产量的三次多项式回归关系

3 讨论与结论

对关键生育时期指标进行分析，计算10 个品系分别在3 种不同碱化度土壤条件下的生育期， 比较发现，盐碱度对不同品系生育期的影响不同。 其中品系6 在轻度、 中度和重度盐碱化地中的生育期均最短，天数分别是128 d、129 d 和133 d，属于中早熟品种；品系2 在轻度、中度和重度盐碱化地中的生育期均最长，天数分别为146 d、148 d 和149 d，属于晚熟品种。 有研究表明[7-8]盐碱地能够减少产量及生物量，早熟品种容易发生早衰，不适宜在盐碱地种植。 但是本研究的10 个品系并未出现较早熟现象。

对农艺性状生长期指标进行分析。 有些品系在3 种不同盐碱度条件下，各时期的株高或者叶绿素值变化幅度很小，而有些变化幅度特别大，这种现象与盐碱胁迫有关。 在10 个品系中，有90%在分蘖期和齐穗期的株高随着碱化度升高而降低； 有40%在分蘖期的叶绿素值随着碱化度升高而降低； 对于齐穗期的叶绿素值，有50%在重度盐碱地最高，另50%在中度盐碱地最高。 在齐穗期的叶绿素值比分蘖期的略低， 这可能是因为盐碱胁迫导致叶绿素合成相关基因提前表达或表达量降低[9]，也与品系的本身特性有关系，有的品系抗盐碱性比较好，那么在3 种不同盐碱度下指标值变化幅度就小， 而有的抗盐碱性相对比较弱，就可能在某些指标值上变化较大，甚至出现数值异常。

对农艺性状成熟期指标进行分析， 分蘖数的整体趋势是盐碱性越强分蘖数越少。 其原因是盐碱度越强， 对水稻生长的抑制越强， 那么分蘖数就比较少，进而它的产量性状会受到明显的影响[10]。 数据分析显示， 成熟期的平均产量随着盐碱度的增强而下降， 这个趋势与平均有效分蘖数和平均结实率的结果相一致。即在pH 逐渐增加（盐碱度增高）的情况下分蘖数降低，成熟期的有效分蘖数也自然会降低，导致平均产量降低。 10 个品系中有8 个品系的成熟期产量都是随着盐碱度增高而降低， 仅有品系1 和品系6 在中度盐碱土壤中的产量比在轻度里的高，可能跟遗传因素有关。

在轻、中、重3 个不同的盐碱度下，水稻的每平方米穗数与对应产量的相关系数r值分别为0.42、0.76 和0.44，相关性总体较好。另外，水稻的有效分蘖数和对应产量的相关系数r值分别为0.81、0.76 和0.44，线性相关性总体较显著。 当土壤碱化度pH 分别为8.97、9.58 时，10 个品系的有效分蘖数和对应产量之间有较好的线性拟合关系， 可以建立决定系数R2较高的线性回归模型。 当土壤碱化度pH 为9.94时，10 个品系的有效分蘖数和对应产量之间有较好的3 次多项式拟合关系， 可以建立决定系数R2较高的三次多项式回归模型。 对于这10 个品系来说，在相似的环境和管理条件下， 所得的回归模型可作为不同品系成熟期产量估算的依据。

在10 个水稻品系中，品系2、品系10 分别属于晚熟、偏中早熟品种，且产量较低；品系3 和品系5 在重度碱化度下产量排在前2 位，耐盐碱性较强。 研究表明，水稻随着土壤碱化度的增强，会出现分蘖高峰期延迟、分蘖数量减少、抽穗期延长、株高降低、有效分蘖数减少等一系列变化， 最终导致水稻产量严重下降。 本研究结果可对寒地不同品系盐碱地水稻的产量估算提供研究基础，同时，为筛选和选育适合盐碱地土壤种植的水稻品系提供方法和依据。