不同淹水處理對寒地水稻生長規(guī)律及產(chǎn)量影響的研究

于艷梅， 李芳花， 姜麗霞， 孟 巖

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院， 黑龍江 哈爾濱 150080； 2.黑龍江省氣象科學(xué)研究所， 黑龍江 哈爾濱 150030)

1 研究背景

黑龍江省地處中高緯寒地地區(qū)，受西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)和副熱帶環(huán)流系統(tǒng)交替影響，降水存在復(fù)雜的時空分布特征和季節(jié)、年際變化明顯，夏季多雨，大雨、暴雨較為集中[1]。黑龍江省境內(nèi)水系交錯，河流縱橫，有黑龍江、松花江(含嫩江)、烏蘇里江、綏芬河四大水系[2]。黑龍江省各大流域分布著極其豐富的稻田，2017年全省水田面積達(dá)到410.47×104hm2，主要集中在三江和松嫩兩大平原。自然和地理條件相輔相承，導(dǎo)致黑龍江省相對易發(fā)洪澇災(zāi)害和嚴(yán)重內(nèi)澇，僅2013年特大洪水就造成了農(nóng)作物受災(zāi)面積265.4 ×104hm2、成災(zāi)面積185×104hm2、絕收面積81.5×104hm2[3-4]。洪澇災(zāi)害常常造成大幅度減產(chǎn)，水稻產(chǎn)量因洪澇平均受損10%以上[1]，對糧食生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

對于作物洪澇的影響開展了較多工作，王礦等[5-7]采用測桶移位受淹試驗，研究了淹水條件下水稻生理性狀與產(chǎn)量要素響應(yīng)特征。梅少華等[8]采用系統(tǒng)調(diào)査分析法，對超級稻和常規(guī)稻的洪澇災(zāi)害進(jìn)行影響分析，分別討論了根系、苗期、株高、生育進(jìn)程、產(chǎn)量構(gòu)成因素對澇害的反應(yīng)。謝彥等[9]通過對峽江縣贛江流域調(diào)查得出結(jié)論：洪澇導(dǎo)致的幼穗壞死、花粉破壞是早稻減產(chǎn)的主要原因，對中稻主要影響是分蘗推遲，生育期延長。徐鵬等[10]的研究結(jié)果表明處于分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期水稻的葉面積指數(shù)會隨淹水深度增加而降低。寧金花等[11-14]在湖南省長沙農(nóng)業(yè)氣象試驗站，開展了以雜交稻為試材淹水前后水稻綠葉數(shù)、氣生根、倒伏狀況、產(chǎn)量構(gòu)成等因素一系列研究。諸多研究基本明確了南方水稻受洪澇災(zāi)害影響后的生育性狀、產(chǎn)量狀況，但在洪澇致災(zāi)機制、致災(zāi)的臨界閾值、不同程度的災(zāi)損量化指標(biāo)以及綜合評估技術(shù)等問題上仍較模糊，而對于寒地水稻的相關(guān)研究基本未見。本文通過試驗觀測，研究不同淹水深度、不同淹水歷時、同一淹水深度不同淹水歷時以及不同淹水深度同一淹水歷時對寒地水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響，為建立寒地水稻洪澇致災(zāi)的閾值指標(biāo)提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而為洪澇災(zāi)害影響評估提供基本依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

水稻淹水試驗于2017年5-10月在慶安國家灌溉試驗重點站進(jìn)行，試驗站地處127°30′04″E，46°52′41″N，臨界于第二積溫帶和第三積溫帶之間。慶安國家灌溉試驗重點站多年平均氣溫為1.69 ℃，氣候變化幅度大，年極端最高氣溫出現(xiàn)在7月份，達(dá)36.7 ℃，極端最低氣溫出現(xiàn)在1月份，達(dá)-44.9 ℃。多年平均大于等于10 ℃的積溫為2 500～2 700 ℃。無霜期為128 d左右，受大陸性季風(fēng)的影響，春季西南風(fēng)居多，夏季南風(fēng)較多，秋季西風(fēng)為最多，冬季西北風(fēng)偏多。春季風(fēng)為最大，占全年風(fēng)日的70%，平均風(fēng)速4.6 m/s。最大凍土深度2.06 m，多年平均降水量為578.5 mm，多年平均蒸發(fā)量為764.5 mm。土壤基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)含量4.14 g/kg，pH值6.40，全氮15.06 g/kg，全磷15.23 g/kg，全鉀20.11 g/kg，堿解氮154.36 mg/kg，有效磷25.33 mg/kg和速效鉀157.25 mg/kg。

2.2 試驗設(shè)計

供試品種為龍稻18(黑審稻2014005)，在適應(yīng)區(qū)出苗至成熟生育日數(shù)140 d左右，需大于等于到10℃活動積溫2 600 ℃，該品種主莖13片葉，長粒型，株高98 cm左右，穗長22 cm左右，每穗粒數(shù)約140粒，千粒重約27 g。

在水稻拔節(jié)孕穗期初期(移栽后第57 d，7月14日)，采用淹水深度和淹水歷時來模擬洪澇脅迫強度，試驗采用隨機設(shè)計，以不淹水(CK)為對照處理，每個處理設(shè)3次重復(fù)，試驗處理情況見表1。其中，淹水深度設(shè)3個水平，分別為株高的1/3(1/3h，水深20 cm)、2/3(2/3h，水深40 cm)、3/3(3/3h，水深60 cm，全淹沒)。淹水歷時設(shè)2個水平，分別為3 d和7 d。試驗小區(qū)除淹水處理以外，其余均以大田種植方式管理。在小區(qū)四周開挖1 m深溝槽鋪設(shè)土工膜以防止側(cè)滲，地上部分預(yù)留1 m土工膜，進(jìn)行淹水試驗時，在小區(qū)上安裝加高擋水框架，將鋪設(shè)好的土工膜固定到框架頂端，以滿足淹水功能，示意圖如圖1所示。

圖1 淹水裝置剖面圖

3 結(jié)果分析

3.1 不同淹水處理條件下水稻分蘗的變化規(guī)律

圖2和圖3分別為淹水歷時3 d和7 d不同淹水深度水稻全生育期莖蘗動態(tài)變化及日增長量變化。不同淹水歷時、淹水深度處理的水稻分蘗數(shù)量的變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)出隨生育期延續(xù)先迅速增大后逐漸減小的變化規(guī)律。水稻在移栽后第47～52 d(7月4日-7月9日，分蘗末期)各處理分蘗數(shù)達(dá)到最大值。水稻在移栽后第57 d(7月14日，拔節(jié)孕穗期初期)進(jìn)行淹水處理后，當(dāng)淹水歷時為3 d時(圖2所示)，淹水深度為1/3h、2/3h和3/3h處理的水稻分蘗數(shù)分別降低22.94%、28.57%和30.60%。當(dāng)淹水歷時為7 d時(圖3所示)，淹水深度為1/3h、2/3h和3/3h處理的水稻分蘗數(shù)分別降低15.04%、35.66%和48.13%，對照處理的水稻分蘗數(shù)降低24.80%。以上數(shù)據(jù)分析表明，隨著淹水深度的增加，莖蘗消亡的幅度增大。其中，淹水深度為1/3h時，淹水歷時3 d和7 d處理的水稻莖蘗消亡幅度均小于對照處理，而且淹水歷時7 d的處理比淹水歷時3 d的莖蘗消亡幅度小，說明淹水深度為1/3h能夠降低莖蘗消亡。這可能是由于拔節(jié)期正處于小穗原始分化階段，對照植株已形成幼穗，而淹水抑制小穗分化，幼穗雖仍可伸長，但卻使幼穗發(fā)育失去平衡，最后不能抽穗，出現(xiàn)了高節(jié)位的分支現(xiàn)象[15]，陸魁東等[16]研究也表明拔節(jié)期淹澇脅迫的高位分蘗率最高。淹水深度為2/3h和3/3h時，隨著淹水歷時的延長，莖蘗消亡的幅度也逐漸增大，淹水深度為全淹沒、淹水歷時7 d的莖蘗消亡幅度最大。

表1 淹水試驗試驗處理

圖2 水稻莖蘗動態(tài)變化及日增長量變化(淹水歷時：3 d)

圖3 水稻莖蘗動態(tài)變化及日增長量變化(淹水歷時：7 d)

3.2 不同淹水處理條件下水稻株高的變化規(guī)律

淹水歷時3 d和7 d處理的水稻株高動態(tài)變化趨勢基本相同，均體現(xiàn)出水稻對淹水逆境有較強的適應(yīng)能力。淹水排水后(移栽后第65 d，7月22日)，淹水歷時3 d(圖4所示)，淹水深度為1/3h、2/3h和3/3h處理的水稻株高分別增加4.87%、9.35%和15.40%，淹水歷時7 d(圖5所示)，淹水深度為1/3h、2/3h和3/3h處理的水稻株高分別增加12.10%、13.90%和18.51%，隨著淹水深度增加，水稻株高增長幅度越大，淹水歷時越長，水稻株高增幅越明顯。其中，淹水歷時3 d，淹水深度為1/3和2/3h處理的株高增加幅度均小于對照組，而其他處理水稻株高平均增加13 cm。水稻在長時間沒頂淹沒情況下，葉鞘、葉片在水中仍可生長，以伸出水面維持呼吸作用，株高最大增加15.4 cm(3/3h、7 d處理)，比對照處理增高5.8 cm，這是由于淹水營造的缺氧誘導(dǎo)環(huán)境，使得植株體內(nèi)乙烯含量和赤霉素濃度的增加刺激了細(xì)胞的分裂和伸長[5-7]。隨淹水脅迫效應(yīng)的解除，水稻出水后植株葉片因重力作用漸漸下垂，水稻自然株高最終接近對照處理。

3.3 不同淹水處理條件下水稻產(chǎn)量的變化規(guī)律

水稻產(chǎn)量是由多方面因素綜合作用的結(jié)果，且水稻具有一定的生物學(xué)耐澇性，可以通過自身的適應(yīng)和調(diào)整，克服短期淹澇對其生物結(jié)構(gòu)和功能、產(chǎn)量性狀所構(gòu)成的脅迫[17-19]。如表2所示，相對于對照處理，1/3h(3 d)、2/3h(3 d)、3/3h(3 d)、1/3h(7 d)、2/3h(7 d)和3/3h(7 d)處理的水稻產(chǎn)量分別降低12.00%、6.62%、41.03%、15.75%、9.26%和46.63%。淹水深度是造成水稻在淹澇脅迫下產(chǎn)量降低的重要影響因素之一，隨著淹澇強度增大，其對水稻的危害也不斷加劇，無論是淹水歷時3 d還是7 d處理，隨著淹水深度增加，穗結(jié)實粒數(shù)不斷減少，結(jié)實率也逐漸降低。不同淹水深度對水稻產(chǎn)量的影響存在明顯差異，其中全淹沒(3/3h)對水稻產(chǎn)量危害最大，淺水淹澇危害則相對較小，這是因為全淹沒使水稻植株嚴(yán)重缺氧，其生理代謝受到嚴(yán)重阻礙，而淺水淹澇條件下水稻仍有部分葉片露出水面，根部可以通過其發(fā)達(dá)的通氣系統(tǒng)獲得部分氧氣，露出水面的葉片可以正常進(jìn)行光合作用，其積累的光合產(chǎn)物可以用作抵御短期淹澇的消耗[19-20]。水稻在淹澇脅迫下的產(chǎn)量損失還受淹水歷時的影響，同一淹水深度，淹水歷時7 d比3 d的水稻產(chǎn)量分別降低4.27%、2.83%和9.49%，由以上數(shù)據(jù)分析可知，淹水歷時時間越長，其減產(chǎn)幅度越大。

圖4 水稻株高及日增長量變化(淹水歷時：3 d)

圖5 水稻株高及日增長量變化(淹水歷時：7 d)

處理穗結(jié)實粒數(shù)結(jié)實率/%千粒重/g產(chǎn)量/(kg·hm-2)1/3 h、3 d938622.937731.332/3 h、3 d798226.198203.753/3 h、3 d606723.155180.961/3 h、7 d739123.527401.352/3 h、7 d729125.627971.513/3 h、7 d706522.624689.06CK(對照)967624.998785.16

4 結(jié)論與討論

(1)關(guān)于淹澇脅迫對水稻分蘗的影響研究多集中在分蘗期[6,19]，而本研究發(fā)現(xiàn)拔節(jié)期淹水對水稻分蘗具有顯著的影響，當(dāng)淹水深度為1/3h時，莖蘗消亡幅度小于對照處理，淹水歷時7 d比淹水歷時3 d的莖蘗消亡幅度小。淹水深度為2/3h和3/3h時，隨著淹水歷時的延長，莖蘗消亡幅度逐漸增大。

(2)水稻在受到淹澇脅迫時會出現(xiàn)節(jié)間伸長，株高增高的現(xiàn)象[21-22]。本研究結(jié)果表明，淹水深度逐漸增加，水稻株高增長幅度越大，淹水歷時越長，水稻株高增幅越明顯，株高最大增加15.4 cm，比對照處理增高5.8 cm。這與王礦等[5,7]采用測桶移位受淹試驗結(jié)果類似，沒頂淹水6 d高于對照組10 cm左右。

(3)水稻在淹澇脅迫下產(chǎn)量降低，隨著淹澇強度增大，其對水稻的危害也不斷加劇。長時間沒頂淹澇(3/3h、7 d處理)對水稻產(chǎn)量危害最大，產(chǎn)量降低46.63%。有研究報道表明生殖生長階段水稻受澇對產(chǎn)量的危害高于營養(yǎng)生長階段[19]，但這些差異可能與不同學(xué)者采用的研究材料、試驗方法和淹澇脅迫處理等條件不一致有關(guān)，但不同生育期之間淹澇脅迫對產(chǎn)量的影響，需要開展進(jìn)一步的研究。