不同灌溉方式對香稻產量品質及水分利用率的影響

韋小珊,梁儉偉,張集勝,佟天一,黃穗華 ,莫釗文,田 華,潘圣剛,段美洋,唐湘如

(1.華南農業大學 農學院,廣東 廣州 510642；2.農業部華南地區作物栽培科學觀測實驗站,廣東 廣州 510642)

水稻是我國的主要糧食作物,同時也是用水量最多的作物[1]。水分管理方式對其產量和品質會產生重要影響[2],傳統的“大水大肥”粗放式管理, 灌溉決策主要依據生產經驗判斷, 主觀性強、隨意性大, 過量灌溉施肥現象較為普遍, 導致水、肥資源浪費, 土壤鹽漬化、酸化, 水體環境污染加重[3]。隨著社會經濟的發展,對水資源的需求進一步擴增,研究如何解決有限的農業水資源的合理利用以滿足農業生產需要的問題,從而提高水資源的利用率,是解決當前水資源供需矛盾的重要途徑[4]。近年來,為在一定程度上緩解農業用水緊張,國內外學者在灌溉方式對水稻生長發育的影響方面進行了大量研究[5]出現了濕潤灌溉、干濕交替灌溉以及旱種旱管等節水灌溉方式[2]。研究發現，在適宜的時期進行適度控水可有效改善水稻田間溫光條件[6-7],強壯稻株根系,提高養分的吸收和利用能力[8-9],從而激發植物潛能增產提質[10],實現降本增效,又能發揮社會帶動作用[11]。與淹水灌溉相比,干濕交替灌溉水分管理在維持和提高水稻產量的同時,可以節約用水量,顯著提高水分利用效率[12-13]。

香稻是稻中的珍品,香米因具有怡人香味而受到消費者的喜愛,具有很高的市場價值[14-15],隨著人口增長、人民生活水平的提高,人們對于水稻的風味及營養價值有了更高的追求[16]。香稻米的價格比一般優質大米高出很多,同時其銷量仍在逐年增長[17],香稻已經引起國內外植物學家和水稻育種學家的高度關注[18]。如何在穩產甚至增產的前提下提高香稻水分利用率是目前人們研究的重點和熱點,且鑒于香米高價值和日益增加的需求量,深入開展香稻增香的研究對提高種稻效益,并進一步促進香稻大面積推廣種植和專業化生產具有重要意義[19]。依據國內外眾多學者對稻田非充分灌溉技術的大量研究結果[20],本研究通過選用2個香稻品種,設置了5種不同的灌溉方式,與常規灌溉模式進行對比,分析了在不同灌溉模式下對香稻產量品質及其水分利用率的影響,皆在為提高香稻的高產優質栽培及水分利用率提供一定的理論依據和技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與栽培概況

試驗于2018年晚季在廣東省廣州市華南農業大學教學試驗農場進行。供試水稻品種為象牙香占和美香占2號2個常規香稻品種,自播種至收獲的生育期為113 d,采用盆栽土培(盆上內徑 30 cm,下內徑25 cm,高 25 cm),每盆裝干土12.5 kg。土壤理化性質：有機質 22.01 g/kg,全氮0.93 g/kg,全鉀23.26 g/kg,全磷 0.87 g/kg,pH值4.57。基質育秧,7月17日播種, 8月1日移栽3苗/穴,每盆5穴。基肥每盆施香稻專用肥(12.5% N，6% P2O5, 10%K2O和15%有機物)10 g,采用一次性全施肥法。移栽后至水稻返青開始進行水分處理于11月6日收獲。

1.2 試驗設計

試驗設置了常規灌溉(對照)、干濕交替灌溉、輕度落干灌溉、自然補水灌溉、重度落干灌溉5種灌溉模式,分別用CK、W1、W2、W3、W4表示。CK:常規灌溉,按照傳統的灌溉模式對水稻進行淺水灌溉2～4 cm,中期曬田,淺水灌溉直至收獲的前7 d排水曬田； W1:干濕交替灌溉,移栽返青后保持土壤表面濕潤狀態,當土壤水勢達-15 kPa左右時進行淺水灌溉,待其自然落干,再淺水灌溉2～4 cm,依次循環；W2:輕度落干,齊穗期后進行輕度落干處理,待土壤自動落干至-15 kPa后進行灌溉2～4 cm,待其自然落干至指定土壤水勢后繼續灌溉,如此循環至收獲前7 d曬田； W3:自然補水灌溉,移栽返青后,在自然雨水灌溉的條件下,觀察水稻植株當達到萎蔫狀態(-50～-70 kPa)時對其進行淺水灌溉2～4 cm,待其自然落干水稻植株再次達到萎蔫狀態時再進行淺水灌溉2～4 cm,如此循環至收獲前7 d排水曬田； W4:重度落干,水稻前期按照傳統灌溉方式進行,待水稻生長至齊穗期后對水稻進行重度落干處理,即當土壤水勢達-30 kPa后進行灌溉2～4 cm,待其自然落干至-30 kPa后再灌溉,依次循環。每個處理安裝真空表式土壤負壓計(中國科學院南京土壤研究所生產),監測9～11 cm 深土壤水勢,每天8:30及18：00記錄水勢,當土壤水勢達到所指定指標值時,用容量瓶灌溉2～4 cm,每個處理18盆,共計216盆,整個生育期嚴格控制病蟲草害。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 考種 于水稻成熟期,各處理取9盆用于考種,每3盆作為一個重復,計有效穗數、穗粒數、結實率、千粒質量,另外將每3盆脫粒后稱質量計算每3盆收獲的籽粒質量。

1.3.2 稻米品質測定 將收獲的稻米風干儲藏3個月,用于品質性狀的測定。谷粒直鏈淀粉含量和蛋白質含量用FOSS-TECATOR公司生產的近紅外谷物分析儀(In-fratec1241 grain analyzer)測定。糙米率、整精米率、堊白粒率、堊白度、長寬比等的測定參照部頒標準《NY147-88米質測定方法》。

1.3.3 光合特性生理 于水稻分蘗盛期、孕穗期、齊穗期及成熟期選擇天氣晴朗有太陽的上午(9:00-11：00),隨機選取9株長勢一致的水稻植株用LI-6400便攜式光合測定儀(LI-COR公司,美國)測定最頂端完全展開葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Cond)以及水分利用率 (WUE) 等光合特性。

1.3.4 水分利用率 每盆實際灌溉水量(m3) 所生產的干物質(稻谷/kg) 量作為灌溉水的生產效率,按照公式計算灌溉水分利用效率(Water use efficiency,WUE):

WUE=單位面積產量/單位面積灌溉量。

1.4 數據處理

用Microsofit Excel和 Statistics 軟件進行數據整理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 產量及其構成因素

由表1可知,就象牙香占而言, 與CK相比,W1、W2處理下產量分別提高了8.23%和11.24%,差異未達到顯著性,而W3處理顯著降低了24.32%, W4處理降低了17.57%，未達到顯著性差異。產量提高的主要原因是在處理W2條件下,提高了象牙香占的每盆穗數、穗粒數及千粒質量,W1處理下提高了結實率和千粒質量；而在處理W3下,由于水分脅迫嚴重不僅導致其每盆穗數降低,其穗粒數和結實率均顯著下降,W4處理下由于齊穗后期重度落干處理,水稻受到水分脅迫,水分供應不足,阻礙籽粒灌漿結實,產生了很多空癟粒,這是其減產的主要因素。就美香占2號而言,與CK相比,W1、W2處理下產量分別提高了0.05%和6.99%,沒有達到顯著差異,而W3、W4處理下產量分別顯著降低了27.07%和17.61%。原因是W1處理下其每盆穗數、結實率得到提高,W2處理下有效穗數、穗粒數、千粒質量提高,從而提高了產量；而在W3處理下水稻自返青開始便受到了水分脅迫,從而導致其有效穗穗數和結實率均顯著降低,處理W4作用下盡管穗粒數較高,但其不僅有效穗數降低且結實率顯著降低,導致W3、W4處理下產量顯著降低。

表1 不同灌溉方式對香稻產量及其構成因素的影響Tab.1 Effects of different irrigation methods on yield and composition factors of fragrant rice

2.2 稻米品質

由表2可知,不同的灌溉模式下對不同香稻品質影響各不相同。就象牙香占而言,與對照相比,各處理條件下的糙米率無顯著差異，除 W4處理顯著降低了其整精米率外,其余各處理的整精米率均顯著提高。就蛋白質含量而言，除W1處理顯著提高其蛋白質含量外，其余各處理均顯著降低。除W1處理顯著降低其直鏈淀粉外,其余各處理均無顯著差異； 就堊白粒率、堊白度而言，W3處理能夠顯著提高其堊白粒率、堊白度；W1、W2、W4處理其堊白粒率顯著降低,W1處理其堊白度無顯著性差異,W2、W4處理堊白度顯著性降低。

就美香占2號而言,與對照相比,除處理W4糙米率顯著降低外,W1、W2處理糙米率顯著提高,W3處理糙米率無顯著差異。W3、W4處理能夠顯著降低整精米率，其余各處理均顯著提高。W2處理下顯著提高其蛋白質含量。其余各處理均顯著降低其蛋白質含量。除W2處理顯著降低了其直鏈淀粉外,其余各處理均無顯著差異。除W1處理顯著提高了堊白粒率、堊白度外,其余各處理均顯著降低或無顯著差異。就長寬比而言，除W2、W4處理下顯著提高了其長寬比外,W1處理下其籽粒長寬比顯著降低,W3處理下無顯著差異。

表2 不同灌溉方式對香稻品質的影響Tab.2 Effects of different irrigation methods on composition factors of fragrant rice quality

2.3 不同灌溉方式對香稻光合特性的影響

2.3.1 氣孔導度 由圖1可知,就象牙香占而言,與CK相比,W1處理除分蘗盛期顯著性提高其氣孔導度外,其余各時期均無顯著差異；W2處理各時期氣孔導度均無顯著性差異；W3處理分蘗盛期、孕穗期氣孔導度顯著提高,齊穗期顯著降低,成熟期無顯著差異；W4處理各時期氣孔導度均無顯著差異。就美香占2號而言,與CK相比,W1處理下各時期氣孔導度均顯著提高；W2處理下除齊穗期顯著提高外,其余各時期氣孔導度均無顯著差異；W3處理下各時期氣孔導度均顯著提高；W4處理孕穗期顯著提高了氣孔導度,成熟期氣孔導度顯著降低,分蘗盛期、齊穗期其氣孔導度無顯著差異。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05,LSD 檢驗)。圖2-4同。Different lowercase means significant difference (P<0.05, LSD test).The same as Fig.2-4.

2.3.2 凈光合速率 由圖2可知,就象牙香占而言,與CK相比,W1處理分蘗盛期凈光合速率無顯著差異,孕穗期、齊穗期和成熟期凈光合速率均顯著提高；W2處理齊穗期凈光合速率顯著降低,分蘗盛期、孕穗期、成熟期凈光合速率均無顯著差異；W3、W4處理除分蘗盛期凈光合速率無顯著差異外,其余各時期凈光合速率均顯著提高。就美香占2號而言,與CK相比,W1處理除分蘗盛期凈光合速率顯著降低外,其余各時期凈光合速率均顯著提高；W2處理分蘗盛期、孕穗期凈光合速率無顯著差異,齊穗期、成熟期凈光合速率均顯著提高；W3處理分蘗盛期、成熟期凈光合速率均顯著降低,齊穗期顯著提高,孕穗期無顯著差異；W4處理分蘗盛期、孕穗期凈光合速率無顯著差異,齊穗期、成熟期凈光合速率均顯著提高。

圖2 不同灌溉方式對香稻葉片凈光合速率的影響Fig.2 Effects of different irrigation methods on net photosynthetic rate of fragrant rice

2.3.3 蒸騰速率 由圖3可知,對象牙香占而言,與CK相比,W1處理除成熟期顯著提高蒸騰速率外,其余各時期蒸騰速率無顯著差異；W2處理各時期蒸騰速率均無顯著差異；W3處理除齊穗期和成熟期無顯著差異外,其余各時期均顯著提高了蒸騰速率；W4處理除齊穗期蒸騰速率無顯著差異外,其余各時期蒸騰速率均顯著降低。就美香占2號而言,與CK相比,W1處理各時期蒸騰速率均顯著提高,W2處理除分蘗盛期、齊穗期蒸騰速率顯著降低外,其余各時期其蒸騰速率均無顯著差異；W3處理孕穗期、齊穗期蒸騰速率顯著提高,分蘗盛期、成熟期均無顯著差異；W4處理齊穗期、成熟期蒸騰速率顯著提高,孕穗期顯著降低,分蘗盛期蒸騰速率無顯著差異。

圖3 不同灌溉方式對香稻葉片蒸騰速率的影響Fig.3 Effects of different irrigation methods on the transpiration rate of fragrant rice leaves

2.4 不同灌溉方式對香稻水分利用率的影響

由圖4可知,兩香稻品種在各處理下其灌水量均顯著低于常規灌溉處理。在輕度灌溉和干濕交替灌溉處理的條件下均能夠有效提高兩香稻品種的水分利用率,其次過度的水分脅迫不僅不能提高香稻的產量反而降低香稻的水分利用率。就象牙香占而言,與CK相比,在W1、W2處理下其水分利用率分別提高了24.35%和19.94%,而在W4處理下其水分利用率降低了3.22%。就美香占2號而言,與CK相比,W1、W2、W4處理下水分利用率分別提高了20.47%,28.01%,5.65%。象牙香占在齊穗后期重度落干處理下水分利用率降低的原因可能是由于土壤過度干燥導致開裂,水稻受到的干旱脅迫過渡導致產量降低。

圖4 不同灌溉方式對香稻水分利用率的影響Fig.4 Effects of different irrigation methods on water use efficiency of fragrant rice

3 討論與結論

隨著水資源供需矛盾日益激烈,近年來關于節水稻作、旱作水稻及土壤水分脅迫對水稻生長、發育及產量影響的研究較多[21],但研究結果不一,有研究認為節水灌溉比保持水層灌溉可提高產量[22-25],也有研究認為節水灌溉將降低產量[26-28]。本研究結果表明,與傳統漫灌的水稻栽培方式(CK)相比,全生育期干濕交替灌溉(W1)和齊穗后期輕度落干灌溉(W2)處理均能夠提高2個香稻品種的產量,自然補水灌溉(W3)、齊穗后期重度落干灌溉(W4)處理下香稻品種象牙香占產量降低但沒有達到顯著差異,美香占2號的產量顯著降低,這與裴崗、傅志強等[29-30]研究結果較一致。從產量構成因素上來看,可以發現W1、W2產量的提高與產量構成因素的提高密切相關,而W3和W4產量的顯著降低是由于在高強度的水分脅迫下產量的構成因素有效穗數、穗粒數降低或無顯著差異加上結實率顯著降低而導致的減產。這可能是由于輕度的節水灌溉和干濕交替灌溉,有利于根系的生長并提高了根系活力,使水稻吸收更多的水分和養分,提高了水稻的凈光合速率、蒸騰速率,利于“源”的積累和“庫”的形成,從而有利于同化物向庫的運輸,促進籽粒灌漿結實[21],從而獲得增產,而自然補水灌溉和齊穗后期重度落干灌溉處理下水稻受水分脅迫嚴重處于水分虧缺狀態,使“源”不足,阻礙籽粒灌漿結實,導致有效穗數、穗粒數、結實率和千粒質量低,是造成產量低的主要原因[30]。

其次不同灌溉方式對不同香稻品種的稻米品質影響也不一樣,就象牙香占而言,干濕交替灌溉和齊穗后期輕度落干灌溉處理下香稻整精米率顯著提高,堊白粒率、堊白度顯著降低，長寬比顯著提高,顯著提高了稻米品質；自然補水灌溉下整精米率顯著提高,蛋白質含量顯著降低,堊白粒穗率、堊白度顯著提高,顯著降低了稻米外觀品質；齊穗后重度落干灌溉處理下香米整精米率、蛋白質含量顯著降低,碾磨品質顯著降低,外觀品質顯著提高。就美香占2號而言,干濕交替灌溉處理下顯著提高了糙米率、整精米率,碾磨品質顯著提高,堊白粒率、堊白度顯著提高,顯著降低了稻米的外觀品質；齊穗后輕度落干灌溉處理下糙米率、整精米率、蛋白質含量顯著提高,堊白粒率、堊白度顯著降低，長寬比顯著提高,顯著提高了稻米品質。自然補水灌溉處理下,整精米率、蛋白質含量顯著降低,外觀品質無顯著性差異,稻米品質顯著降低；齊穗后重度落干灌溉處理下香米糙米率、整精米率、蛋白質含量顯著降低,顯著降低了稻米的碾磨品質,但外觀品質顯著提高。本研究結果表明,干濕交替灌溉能夠改善稻米品質,齊穗后輕度落干能夠顯著提高稻米品質,這可能是干濕交替灌溉和齊穗后輕度落干灌溉處理下顯著增強了籽粒中的蔗糖合成酶等酶的活性,提高了淀粉積累速率和數量[31],這與劉立軍等[32]、柯傳勇[33]結果一致。自然灌溉條件下稻米品質顯著降低,齊穗后重度落干灌溉處理雖然外觀品質顯著提高,但其碾米品質和蛋白質含量顯著降低,對稻米品質產生了一定影響。這與楊建昌等[31]、王秋菊等[34]、徐國偉等[35]的研究結果較一致。此外本研究結果表明,各處理除了齊穗后期重度落干灌溉處理下降低了象牙香占的水分利用率外,其余各處理均能夠提高香稻的水分利用率,這與楊生龍等[36]研究結果不太一致,造成研究結果不一致的原因可能與試驗地所處的生態環境、栽培方式、品種類型及水分處理的時間及干旱程度的不同等內外在因素有關。

在農藝技術條件和氣候因素相同的條件下,與常規灌溉相比,干濕交替灌溉、齊穗后輕度落干灌溉、自然補水灌溉以及齊穗后重度落干灌溉方式下,象牙香占產量分別增產8.23%,11.24%,減產24.32%,17.57%；美香占2號產量增產0.05%,6.99%,減產 27.07%,17.61%。

與常規灌溉相比,干濕交替灌溉、齊穗后輕度落干灌溉、齊穗后重度落干灌溉方式下象牙香占水分利用率分別提高24.35%，19.94%，降低3.22%；美香占2號水分利用率分別提高了20.47%,28.01%,5.65%。

不同灌溉方式對稻米品質影響不同,與常規灌溉相比,齊穗后期輕度落干能夠顯著提高稻米品質,干濕交替灌溉能夠有效改善稻米品質,自然補水灌溉處理顯著降低了稻米品質,齊穗后期重度落干雖然能夠顯著提高稻米的外觀品質,但其研磨品質顯著降低,影響了稻米品質。