張作合,張忠學(xué)

1 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院, 哈爾濱 150030 2 綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院, 綏化 152061 3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150030

水稻是我國(guó)主要糧食作物,播種面積大,約占糧食作物總種植面積的26.7%[1]。稻田生態(tài)系統(tǒng)作為重要的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)之一,也是半自然的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)[2]。稻田生態(tài)系統(tǒng)是為了滿足人類社會(huì)生存和發(fā)展的需要,采取積極科學(xué)合理的人為干預(yù),利用稻田生物與非生物環(huán)境之間及稻田生物種群之間的關(guān)系進(jìn)行人類所需食物的生產(chǎn),具有社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)功能和自然、社會(huì)雙重屬性的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[3]。水分轉(zhuǎn)化循環(huán)是稻田生態(tài)系統(tǒng)一個(gè)重要過(guò)程。作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中吸收的水分,直接參與光合作用的不足1%,而99%以上的水分通過(guò)作物蒸騰和土壤蒸發(fā)而消耗(以蒸騰為主)。水分循環(huán)增加了稻田系統(tǒng)環(huán)境的濕度、降低了系統(tǒng)環(huán)境的氣溫、改善田間的小氣候,維持了作物的生長(zhǎng)和農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)。同時(shí),水分循環(huán)也帶動(dòng)養(yǎng)分循環(huán),增加水稻對(duì)養(yǎng)分的吸收利用。因此,研究稻田生態(tài)系統(tǒng)的水分消耗利用非常重要。

稻田生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)高度開(kāi)放的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),其物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換的強(qiáng)度顯著高于其他農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。由于稻田生態(tài)系統(tǒng)具有區(qū)別于其他農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水分消耗過(guò)程,在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究中受到極大關(guān)注[2]。有研究[4]表明,滴灌旱直播與漫灌旱直播處理的葉、鞘和莖的濕基含水率在全生育期均低于常規(guī)插秧淹灌處理,而根部濕基含水率從分蘗后期開(kāi)始均高于常規(guī)插秧淹灌處理。魏永霞等[5]研究寒地黑土區(qū)水稻耗水特性及其對(duì)水分利用效率的影響,發(fā)現(xiàn)拔節(jié)孕穗期各處理耗水量均值最高為77.25 mm,同時(shí)耗水模系數(shù)均值也達(dá)到最高為23.09%。進(jìn)一步研究黑土區(qū)水稻生長(zhǎng)的耗水規(guī)律,發(fā)現(xiàn)水稻生育期內(nèi)耗水強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在抽穗開(kāi)花期達(dá)到最大值,為5.66 mm/d；而耗水模系數(shù)在分蘗期達(dá)到最大,均值為43.98%[6]。以上研究對(duì)稻田生態(tài)系統(tǒng)的水分消耗全過(guò)程研究較為模糊,而較為系統(tǒng)完整地闡述分析稻田生態(tài)系統(tǒng)的水分消耗規(guī)律的研究較少。

本文以常規(guī)淹灌作為對(duì)比,采用蒸滲儀與田間小區(qū)結(jié)合的方法,在時(shí)間尺度上,分析了三種灌溉模式的濕基含水率、干物質(zhì)積累、耗水強(qiáng)度及組成和階段生物量水分利用效率的變化規(guī)律,系統(tǒng)地研究了不同灌溉模式下水稻植株生長(zhǎng)與水分消耗利用,以期為寒地黑土區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)水分消耗利用研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年在黑龍江省慶安縣和平灌區(qū)水稻灌溉試驗(yàn)站(127°40′45″E,46°57′28″N)進(jìn)行。試驗(yàn)站位于呼蘭河流域中上游,屬于寒地黑土區(qū)。寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,屬第三積溫帶,平均日照時(shí)數(shù)為2600 h,多年平均降水量500—600 mm,平均氣溫為2—3 ℃,全年無(wú)霜期約128 d,是黑龍江省典型的水稻生產(chǎn)區(qū)。供試土壤為黑土,其基本土壤理化性質(zhì)：pH值6.40,有機(jī)質(zhì)41.80 g/kg,全氮1.51 g/kg,全磷15.61 g/kg,全鉀19.86 g/kg,堿解氮148.27 mg/kg,速效磷24.22 mg/kg,速效鉀156.13 mg/kg。供試水稻品種為綏粳18(Oryzasativasubsp.Keng),在研究區(qū)已大面積推廣種植。2018年水稻生育期內(nèi)試驗(yàn)區(qū)最高溫度、最低溫度和降雨量變化如圖1所示。

圖1 水稻生育期最高溫度、最低溫度和降雨量變化情況Fig.1 Changes of maximum temperature, minimum temperature and rainfall during the growth period of rice

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)設(shè)置控制灌溉(C)、間歇灌溉(I)和常規(guī)淹灌(F)三種水分管理模式(見(jiàn)表1)。水稻控制灌溉模式各處理根據(jù)控制指標(biāo)來(lái)確定灌水時(shí)間和定額,當(dāng)田面無(wú)水層后,每天8:00和18:00,用土壤水分測(cè)定儀(TPIME-PICO64/32型)分別測(cè)定各小區(qū)的土壤含水率,當(dāng)土壤含水率接近或低于灌水下限時(shí),灌水至上限,并記錄各處理的灌水量；間歇灌溉和常規(guī)淹灌模式各處理的試驗(yàn)小區(qū)在田面無(wú)水層時(shí),由人工灌水至上限。共計(jì)3個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),共計(jì)9個(gè)試驗(yàn)小區(qū),方形小區(qū)面積100 m2采用隨機(jī)區(qū)組排列,同時(shí)對(duì)應(yīng)處理設(shè)置蒸滲儀測(cè)坑,蒸滲儀面積1m2,同一處理的試驗(yàn)小區(qū)和蒸滲儀田間管理方式相同。當(dāng)?shù)厥┑仕?10 kg/hm2,按基肥∶蘗肥∶促花肥∶保花肥比例為4.5∶2∶1.5∶2分施；K2O施入量為80 kg/hm2,基肥∶穗肥按1∶1分施；P2O5施入量為45 kg/hm2,作為基肥一次性施入。供試肥料選擇尿素(含N 46.4%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O512%)、硫酸鉀(含K2O 52%),并換算成實(shí)際化肥施入量。2018年5月19日移栽水稻幼苗,插秧密度為25穴/m2,每穴3株,9月21日收獲。水稻生長(zhǎng)期注意田間管理,嚴(yán)格控制病蟲(chóng)草害。

表1 不同灌溉模式水分管理表/mm

1.3 樣品的采集與測(cè)定

水稻各器官干物質(zhì)積累量和含水率的測(cè)定：在分蘗期(T)、拔節(jié)孕穗期(JB)、抽穗開(kāi)花期(HF)、乳熟期(M)和黃熟期(R)從每個(gè)小區(qū)和蒸滲儀中各隨機(jī)選取6穴植株,整株取樣時(shí),挖取40 cm帶根土塊,放入尼龍篩網(wǎng)袋(40目)里,浸泡半個(gè)小時(shí)后,用清水沖洗干凈,將植株的葉、莖鞘、穗和根分離后,分別稱量各器官鮮重并記錄,之后將各器官裝入信封放入烘箱105 ℃殺青30 min,然后調(diào)至80 ℃烘干后,用精度0.01 g的電子天平稱取植株各器官干質(zhì)量。

作物耗水量及耗水強(qiáng)度：每天08:00使用稱量式有底蒸滲儀獲取總體質(zhì)量(收集稱量滲漏水量),根據(jù)前后的質(zhì)量差(M1)計(jì)算水稻植株每天實(shí)際耗水量,試驗(yàn)在自動(dòng)感應(yīng)式遮雨棚內(nèi)進(jìn)行,因而不考慮生長(zhǎng)季內(nèi)降雨量和地下水補(bǔ)給量的影響。在各個(gè)生育時(shí)期的植株干物質(zhì)進(jìn)行取樣時(shí),記錄取樣前、后蒸滲儀的總體質(zhì)量,兩次質(zhì)量差值(M2)即為取樣引起蒸滲儀的質(zhì)量變化,各生育時(shí)期取樣當(dāng)天的耗水量為M1-M2的差值。

氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)站DZZ2 型自動(dòng)氣象站(天津氣象儀器廠)自動(dòng)記錄。

1.4 計(jì)算方法和數(shù)據(jù)分析

水稻植株各器官含水率計(jì)算公式：

Mc=(Fw-Dw)/Fw×100%

式中：Mc為植株各器官濕基含水率,%；Fw為植株各器官鮮質(zhì)量,g；Dw為植株各器官干質(zhì)量,g。

作物階段耗水量計(jì)算公式：

ETi=ΔWi+Ii

式中：ETi為生育期階段耗水量,mm；i為生育階段,i為1、2、3、4、5 分別代表分蘗期,拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期、乳熟期和黃熟期；ΔWi為生育期階段儲(chǔ)水量差值,mm；Ii為生育期階段灌水量,mm。

作物耗水強(qiáng)度計(jì)算公式：

CRi=ETi/di

式中：CRi為生育期階段耗水強(qiáng)度,mm/d；di為生育期階段持續(xù)時(shí)間,d；

作物耗水模系數(shù)計(jì)算公式：

Ri=ETi/ET×100%

式中：Ri為生育期階段耗水模系數(shù),%；ET為全生育期耗水總量,mm。

階段生物量水分利用效率：

SWUEi=Di/ETi

式中：Di為各生育期階干物質(zhì)增加量,生育階段,i為1、2、3、4、5分別代表分蘗期,拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期、乳熟期和黃熟期。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉模式對(duì)水稻各器官水分分布的影響

隨著水稻生長(zhǎng)發(fā)育植株體內(nèi)的水分會(huì)發(fā)生變化,并對(duì)稻田生態(tài)環(huán)境作出響應(yīng)。分析不同灌溉模式下水稻植株體內(nèi)水分的分布和變化規(guī)律,對(duì)研究稻田生態(tài)系統(tǒng)水分消耗利用具有重要意義。由圖2可知(圖中同組不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著,下同),不同灌溉模式水稻植株各器官濕基含水率隨生育期的推進(jìn)均大致呈下降趨勢(shì)。三種灌溉模式下水稻葉片的濕基含水率由分蘗期的68.91%、70.38%和71.34%降至黃熟期的57.34%、61.71%和63.57%,各生育期的葉片濕基含水率均以常規(guī)淹灌模式最大,控制灌溉模式最小,除拔節(jié)孕穗期外,控制灌溉模式和間歇灌溉模式與常規(guī)淹灌模式之間的差異顯著(P<0.05),分別降低1.51%—9.80%和0.48%—2.93%；各種灌溉模式下水稻莖鞘的濕基含水率與葉片的濕基含水率變化趨勢(shì)基本一致,均以常規(guī)淹灌模式最大,控制灌溉模式最小,除分蘗期外,控制灌溉模式和間歇灌溉模式與常規(guī)淹灌模式之間的差異顯著(P<0.05),分別降低2.36%—11.11%和0.64%—4.57%。水稻穗部的濕基含水率由拔節(jié)孕穗期的88.64%、72.67%和66.45%降至黃熟期的28.03%、25.27%和24.32%,在拔節(jié)孕穗期和抽穗開(kāi)花期,控制灌溉模式和間歇灌溉模式的穗部濕基含水率與常規(guī)淹灌模式之間的差異顯著(P<0.05),分別降低21.63%—33.39%和9.36%—12.33%,而在乳熟期和黃熟期,控制灌溉模式和間歇灌溉模式的穗部濕基含水率與常規(guī)淹灌模式之間的差異不顯著(P>0.05)；間歇灌溉模式和常規(guī)淹灌模式各生育期根的濕基含水率均呈逐漸減小的趨勢(shì),控制灌溉模式呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。從分蘗期到拔節(jié)孕穗期,間歇灌溉模式和常規(guī)淹灌模式根的濕基含水率與控制灌溉模式變化趨勢(shì)相反,這可能是由于間歇灌溉和常規(guī)淹灌模式水稻長(zhǎng)期處于有水層狀態(tài),分蘗末期曬田使水稻根部活力減小,吸水能力能下降,導(dǎo)致根部濕基含水率較控制灌溉模式顯著下降,對(duì)于控制灌溉模式來(lái)說(shuō),水稻長(zhǎng)期處于無(wú)水層狀態(tài),因而分蘗末期的水分虧缺對(duì)控制灌溉水稻的根部濕基含水率影響很小。在抽穗開(kāi)花期、乳熟期和黃熟期,間歇灌溉模式和常規(guī)淹灌模式水稻的根部濕基含水率顯著低于控制灌溉模式(P<0.05),其中乳熟期和黃熟期分別降低1.48%、2.11%和2.21%、3.98%,表明控制灌溉模式能夠有效地延緩水稻生育后期的根系衰老。

圖2 不同處理水稻各器官濕基含水率變化曲線Fig.2 Variation curves of wet base water content of rice organs under different treatments圖中不同小寫(xiě)字母表示數(shù)據(jù)在P<0.05水平差異顯著

2.2 不同灌溉模式對(duì)水稻各器官干物質(zhì)積累的影響

水稻植株耗水過(guò)程和各器官濕基含水率都與干物質(zhì)積累過(guò)程有直接關(guān)系[6],因此分析不同灌溉模式水稻各器官干物質(zhì)變化規(guī)律對(duì)研究稻田生態(tài)系統(tǒng)十分重要。由圖3可知,不同灌溉模式水稻各器官干物質(zhì)在整個(gè)生育期的變化規(guī)律大致相同。各處理水稻植株葉片干物質(zhì)積累量隨著生育的推進(jìn)均呈單峰曲線變化規(guī)律,同時(shí)葉片的干物質(zhì)積累量最大值出現(xiàn)在拔節(jié)孕穗期。各處理水稻植株莖鞘干物質(zhì)積累量在抽穗開(kāi)花期達(dá)到最大,這樣有利于保障后期光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)移。通常情況下,水稻植株葉片和莖鞘的干物質(zhì)積累量達(dá)到最大值之后,開(kāi)始向穗部轉(zhuǎn)移,保證穗部干物質(zhì)積累量在后期迅速增加。各處理水稻植株根部干物質(zhì)積累量的變化規(guī)律與葉片和莖鞘大致相同,均呈倒“V”型曲線,同時(shí)最大值出現(xiàn)在抽穗開(kāi)花期。

圖3 不同生育期水稻各器官干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)曲線Fig.3 Dynamic curves of dry matter accumulation of rice various organs at different growth stages

不同灌溉模式在各生育期的控水標(biāo)準(zhǔn)不同,從而導(dǎo)致水稻植株各器官干物質(zhì)積累過(guò)程出現(xiàn)差異。除抽穗開(kāi)花期外,三種灌溉模式之間的水稻植株葉片干物質(zhì)積累量差異性均顯著(P<0.05)。在分蘗期,葉片干物質(zhì)積累量大小關(guān)系為常規(guī)淹灌模式>間歇灌溉模式>控制灌溉模式；在拔節(jié)孕穗期,葉片干物質(zhì)積累量大小關(guān)系為常規(guī)淹灌模式>控制灌溉模式>間歇灌溉模式；在抽穗開(kāi)花期和乳熟期,葉片干物質(zhì)積累量大小關(guān)系為控制灌溉模式>間歇灌溉模式>常規(guī)淹灌模式；在黃熟期,葉片干物質(zhì)積累量大小關(guān)系為間歇灌溉模式>控制灌溉模式>常規(guī)淹灌模式；從抽穗開(kāi)花期到黃熟期由葉片向穗轉(zhuǎn)運(yùn)的干物質(zhì)量分別為2.67 g/穴、1.90 g/穴、2.40 g/穴。不同灌溉模式之間的水稻植株莖鞘干物質(zhì)積累量差異性均顯著(P<0.05)。在分蘗期和拔節(jié)孕穗期,莖鞘干物質(zhì)積累量大小關(guān)系為常規(guī)淹灌模式>間歇灌溉模式>控制灌溉模式；在抽穗開(kāi)花期、乳熟期和黃熟期,莖鞘干物質(zhì)積累量大小關(guān)系為控制灌溉模式>間歇灌溉模式>常規(guī)淹灌模式；從抽穗開(kāi)花期到黃熟期由莖鞘向穗轉(zhuǎn)運(yùn)的干物質(zhì)量分別為4.68 g/穴、4.53 g/穴、4.08 g/穴?？偟膩?lái)看,控制灌溉模式下葉片和莖鞘的后期生長(zhǎng)補(bǔ)償效應(yīng)顯著。水稻植株穗部干物質(zhì)積累量隨著生育的推進(jìn)逐漸增加,在乳熟期和黃熟期,不同灌溉模式之間的水稻植株穗部干物質(zhì)積累量差異性均顯著(P<0.05),大小關(guān)系為控制灌溉模式>間歇灌溉模式>常規(guī)淹灌模式。從拔節(jié)孕穗期到黃熟期,三種灌溉模式的水稻植株根部干物質(zhì)積累量大小關(guān)系為控制灌溉模式>間歇灌溉模式>常規(guī)淹灌模式,且各處理之間差異性均顯著(P<0.05)。

2.3 不同灌溉模式對(duì)水稻階段耗水特征的影響

水稻耗水量是土壤與大氣界面、植株與大氣界面和土壤界面的系統(tǒng)水分轉(zhuǎn)化的結(jié)果,它對(duì)研究稻田生態(tài)系統(tǒng)和水稻生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由圖4可知,不同灌溉模式之間的水稻各階段耗水量差異性均顯著(P<0.05),大小關(guān)系均為常規(guī)淹灌模式>間歇灌溉模式>控制灌溉模式,各處理分蘗期的耗水量均值最大(172.19 mm),黃熟期的耗水量均值最小(64.29 mm)。在分蘗期,控制灌溉模式水稻耗水量較常規(guī)淹灌模式降幅最大,達(dá)49.27%；而間歇灌溉模式水稻耗水量較常規(guī)淹灌模式降低20.59%。在分蘗期,各灌溉模式之間的水稻各階段耗水模系數(shù)差異性顯著(P<0.05),大小關(guān)系為常規(guī)淹灌模式>間歇灌溉模式>控制灌溉模式,由于分蘗期是水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的重要階段,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(一般為45 d左右),各處理的耗水模系數(shù)均為最大值。從拔節(jié)孕穗期到黃熟期,水稻的耗水模系數(shù)大小關(guān)系為控制灌溉模式>間歇灌溉模式>常規(guī)淹灌模式。拔節(jié)孕穗期各灌溉模式耗水模系數(shù)大小僅低于分蘗期,主要是由于這個(gè)時(shí)期為穎花與枝梗發(fā)育的重要時(shí)期,充分的水分能夠?yàn)樗驹兴爰俺鏊胩峁┝己玫纳L(zhǎng)環(huán)境。隨著水稻生育期的推進(jìn),逐步進(jìn)入籽粒灌漿以及產(chǎn)量形成的關(guān)鍵階段,在乳熟期各灌溉模式耗水模系數(shù)仍然較高。

圖4 不同處理水稻階段耗水量及耗水模系數(shù)Fig.4 Water consumption and water consumption percentage of rice at different stages under different treatments

圖5為三種灌溉模式下水稻各生育時(shí)期的耗水強(qiáng)度及組成。從全生育期來(lái)看,水稻各處理生育期的葉面蒸騰強(qiáng)度、作物需水強(qiáng)度及田間耗水強(qiáng)度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。水稻分蘗期歷時(shí)較長(zhǎng),且處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段,后期田間耗水由棵間蒸發(fā)為主轉(zhuǎn)向植株蒸騰為主。由于氣溫持續(xù)升高的和生育期的推進(jìn),抽穗開(kāi)花期耗水強(qiáng)度增至5.64 mm/d、6.59 mm/d和7.71 mm/d,這個(gè)時(shí)期是水稻生殖生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)并進(jìn)階段,水稻植株生長(zhǎng)速度加快且冠層覆蓋率較高,使水稻的需水量急劇增大。各灌溉模式水稻進(jìn)入乳熟期后耗水強(qiáng)度迅速降低,至黃熟期耗水強(qiáng)度降低為2.66 mm/d、3.19 mm/d和3.80 mm/d。通過(guò)分析水稻田間耗水強(qiáng)度的組成要素與田間耗水強(qiáng)度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)控制灌溉模式下,棵間蒸發(fā)強(qiáng)度、葉面蒸騰強(qiáng)度、滲漏強(qiáng)度和作物需水量分別占田間耗水強(qiáng)度的16.31%—48.62%、33.20%—60.46%、18.18%—27.44%和72.56%—81.82%；間歇灌溉模式下,棵間蒸發(fā)強(qiáng)度、葉面蒸騰強(qiáng)度、滲漏強(qiáng)度和作物需水量分別占田間耗水強(qiáng)度的17.75%—44.70%、27.27%—62.37%、19.88%—33.23%和66.77%—80.12%；常規(guī)淹灌模式下,棵間蒸發(fā)強(qiáng)度、葉面蒸騰強(qiáng)度、滲漏強(qiáng)度和作物需水量分別占田間耗水強(qiáng)度的19.46%—49.70%、26.85%—59.40%、20.46%—29.47%和70.53%—79.54%。

圖5 不同處理水稻階段耗水強(qiáng)度Fig.5 Water consumption Intensity of rice at different stages under different treatments

2.4 不同灌溉模式對(duì)稻作水分利用效率的影響

在時(shí)間尺度上,SWUEi反映了不同階段單位耗水量提高水稻植株干物質(zhì)積累量的能力。由圖6可知,控制灌溉模式和間歇灌溉模式在整個(gè)生育期SWUEi的曲線出現(xiàn)多峰,其中分蘗期、抽穗開(kāi)花期和黃熟期出現(xiàn)三個(gè)峰值,而常規(guī)淹灌模式在整個(gè)生育期SWUEi曲線先下降后上升,且不同灌溉模式之間的水稻SWUEi差異性均顯著(P<0.05)。在水稻分蘗期,控制灌溉模式和間歇灌溉模式的SWUEi較常規(guī)淹灌模式分別提高了73.71%、15.82%；在水稻拔節(jié)孕穗期,與常規(guī)淹灌模式相比,控制灌溉模式和間歇灌溉模式的SWUEi分別提高了62.80%、24.31%；在水稻拔抽穗開(kāi)花期,控制灌溉模式和間歇灌溉模式的SWUEi較常規(guī)淹灌模式分別提高了144.35%、79.70%；在水稻乳熟期,與常規(guī)淹灌模式相比,控制灌溉模式和間歇灌溉模式的SWUEi分別提高了257.10%、90.94%；在水稻黃熟期,控制灌溉模式和間歇灌溉模式的SWUEi較常規(guī)淹灌模式分別提高了39.84%、22.77%。研究結(jié)果表明,灌溉模式對(duì)水稻的SWUEi影響顯著(P<0.05),其中控制灌溉模式能夠有效地提高水稻各生育期的SWUEi值,改變稻田生態(tài)系統(tǒng)的階段生物量水分利用效率。

圖6 不同處理水稻階段生物量水分利用效率 Fig.6 Biomass water use efficiency of rice for different treatments at different stages

3 討論

稻株含水量對(duì)作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)及生理生化過(guò)程具有重要影響,植株體內(nèi)的水分狀況會(huì)直接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量。當(dāng)然,稻株的含水量受制于稻田生態(tài)系統(tǒng)的水分狀態(tài)。所以在不同灌溉模式下,隨著稻田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的變化,水分在作物體內(nèi)各器官會(huì)重新分配,這是水稻對(duì)外界條件作出的調(diào)整和適應(yīng)[7]。分析本試驗(yàn)中葉片濕基含水率下降的根本原因可以發(fā)現(xiàn),在抽穗開(kāi)花期之前可能是由于隨著葉片的生長(zhǎng)光合速率增加[4],氣孔開(kāi)度增大,蒸騰水分散失增加,導(dǎo)致濕基含水率的下降[8]。而抽穗開(kāi)花期之后主要是由于葉片衰老引起的,葉片衰老時(shí)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒,這個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程導(dǎo)致葉片的濕基含水率不斷下降[9]?？刂乒喔饶Ｊ胶笃诘娜~片濕基含水率下降速率顯著高于常規(guī)淹灌模式的原因主要是由于水稻長(zhǎng)期在水分脅迫下葉片生長(zhǎng)受抑制,后期衰老的較快[10]。作為水稻吸收水分的重要器官,分析根系的濕基含水率的變化規(guī)律十分重要。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明,常規(guī)淹灌模式和間歇灌溉模式水稻根系長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài),導(dǎo)致后期根系活力下降,光合速率和蒸騰速率下降,同時(shí)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和運(yùn)輸受到影響,而控制灌溉模式水稻的生育后期濕基含水率增大,提高了根系活力和吸水能力[11- 12]。

光合作用是稻田生態(tài)系統(tǒng)組成的一個(gè)重要環(huán)節(jié),光合產(chǎn)物在不同器官中積累與分配構(gòu)成水稻干物質(zhì)。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明：分蘗期耗水量增加能夠促進(jìn)葉片的快速發(fā)育,而拔節(jié)孕穗期葉片生長(zhǎng)發(fā)育是基于分蘗后期葉片良好的發(fā)育。在抽穗開(kāi)花期保證莖鞘的干質(zhì)量積累,有利于后期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)。適當(dāng)?shù)乃终{(diào)控改善土壤的通氣性,加速有機(jī)質(zhì)的分解,從而提高土壤肥力、促進(jìn)根系的發(fā)育[13],然而太過(guò)于追求水稻植株根部干物質(zhì)的積累會(huì)抑制葉片和莖鞘的干物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)移,對(duì)籽粒的干物質(zhì)積累產(chǎn)生負(fù)效應(yīng),這與吳岳軒等[14]的研究結(jié)果一致。控制灌溉模式下,水稻分蘗期水分虧缺有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)優(yōu)先供給根系,促進(jìn)根系的生長(zhǎng)和干物質(zhì)的積累[15],可以促進(jìn)根系對(duì)水分及營(yíng)養(yǎng)的吸收,提高根系活力,有利于延緩葉片衰老,激發(fā)作物生產(chǎn)潛能[16]。

分析作物耗水過(guò)程對(duì)研究水稻自身水分調(diào)節(jié)能力及適應(yīng)干旱環(huán)境的能力具有重要作用[17- 18]。本研究發(fā)現(xiàn),水稻生育期的階段耗水量呈逐漸降低的趨勢(shì),其中分蘗期耗水量占全生育期耗水量的26%—33%,這可能是由于分蘗期的歷時(shí)較長(zhǎng),葉片的覆蓋率較低,棵間蒸發(fā)強(qiáng)度增大所致,而棵間蒸發(fā)與表層土壤含水率的高低密切相關(guān)。本試驗(yàn)中水稻的耗水強(qiáng)度在抽穗開(kāi)花期達(dá)到最大,但也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)水稻在乳熟期的耗水強(qiáng)度最大[19],這可能是由于不同品種、氣候特征、土壤類型和田間管理方式所引起的。水稻是高耗水作物之一,研究其耗水量規(guī)律對(duì)提高水分利用效率和水資源優(yōu)化配置具有重大意義[20]。當(dāng)水稻植株的生理活動(dòng)減弱時(shí),葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均會(huì)明顯降低[21]。而葉片在受到高溫和輻射時(shí)氣孔會(huì)主動(dòng)降低或關(guān)閉,高溫過(guò)后葉片氣孔導(dǎo)度不能很快地恢復(fù)初始狀態(tài),而是存在一定的滯后性[22]。控制灌溉模式產(chǎn)生的水分脅迫使得水稻植物通過(guò)關(guān)閉部分氣孔來(lái)調(diào)節(jié)自身的耗水量,從而導(dǎo)致氣象因子對(duì)植株耗水量的影響減弱[5],植株通過(guò)水分的自我調(diào)解來(lái)適應(yīng)稻田生態(tài)系統(tǒng)變化。

階段生物量水分利用效率是評(píng)價(jià)作物生長(zhǎng)適宜程度的綜合生理生態(tài)指標(biāo)[23],它能夠反映作物各階段耗水量與干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關(guān)系。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明,水稻的SWUEi分別在分蘗期和、抽穗開(kāi)花期和成熟期達(dá)到高峰,表明植株在這三階段對(duì)水分利用能力較強(qiáng),其中抽穗開(kāi)花期是水稻植株是對(duì)水分最敏感階段,也是生殖生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期,這個(gè)時(shí)期水稻光合作用及新陳代謝最旺盛,適宜的水分環(huán)境有利于水稻植株莖鞘和穗部生長(zhǎng),促進(jìn)抽穗揚(yáng)花,也是成熟期獲得高產(chǎn)的必要條件。這與張亞琦等[24]研究結(jié)果存在一定的差異,可能是由于作物種類、土壤類型及氣候特征不同所引起的。綜合來(lái)看,稻田生態(tài)系統(tǒng)水分消耗利用過(guò)程較為復(fù)雜需要長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究。

針對(duì)東北寒地黑土區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn),本試驗(yàn)采用蒸滲儀與田間小區(qū)結(jié)合的方法,研究了不同灌溉模式下水稻植株生長(zhǎng)與水分消耗利用,但考慮多方面因素,稻田生態(tài)系統(tǒng)水分消耗利用機(jī)理還有待進(jìn)一步驗(yàn)證,并根據(jù)各灌溉模式結(jié)合實(shí)際降雨量,來(lái)調(diào)控稻田灌溉水量,能夠有效地維持SPAC稻田生態(tài)系統(tǒng)平衡,保證農(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)不同灌溉模式水稻植株各器官濕基含水率隨生育期的推進(jìn)均大致呈下降趨勢(shì)。與間歇灌溉模式和常規(guī)淹灌模式相比,控制灌溉模式能夠有效地延緩水稻生育后期的根系衰老。

(2)各灌溉模式的水稻植株葉片、莖鞘和根部干物質(zhì)積累量的變化規(guī)律大致相同,均呈倒“V”型曲線,且最大值出現(xiàn)在抽穗開(kāi)花期。從抽穗開(kāi)花期到黃熟期,由葉片和莖鞘向穗轉(zhuǎn)運(yùn)的干物質(zhì)量分別為2.40 g/穴、4.08 g/穴,遠(yuǎn)高于間歇灌溉模式和常規(guī)淹灌模式。

(3)不同灌溉模式之間的水稻各階段耗水量差異性均顯著(P<0.05),大小關(guān)系均為常規(guī)淹灌模式>間歇灌溉模式>控制灌溉模式,從拔節(jié)孕穗期到黃熟期,水稻的耗水模系數(shù)大小關(guān)系為控制灌溉模式>間歇灌溉模式>常規(guī)淹灌模式。從全生育期來(lái)看,水稻各處理生育期的葉面蒸騰強(qiáng)度、作物需水強(qiáng)度及田間耗水強(qiáng)度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),從拔節(jié)孕穗期開(kāi)始,葉面蒸騰強(qiáng)度在水稻總耗水量中占比最大。