秸稈還田下灌溉方式對水稻產量的影響

趙宏亮,王 麒 ,曾憲楠 ,宋秋來 ,孫 羽 ,張小明 ,王 萍,王曼力 ,趙雪涵 ,馮延江

(1.黑龍江省農業科學院 a.耕作栽培研究所;b.信息中心,哈爾濱 150086;2.東北農業大學 農學院,哈爾濱 150030)

0 引言

水稻是世界三大糧食作物之一,也是我國的主要糧食作物[1]。秸稈是農業生產過程中重要的有機肥源[2],隨著秸稈還田技術的逐步發展與完善,對其在水稻生長發育、產量、品質等方面的影響開展了大量的科學研究[3-7],但在生產過程中灌溉方法多以傳統淹水灌溉方式為主,耗水量巨大,水資源利用率低[8]。近年來,眾多學者在秸稈還田和節水灌溉方式互作的條件下對水稻生長發育、產量及品質、溫室氣體排放等方面開展了科學研究。張武益等研究了不同灌溉方式和秸稈還田對水稻生長的影響,發現灌溉方式和秸稈還田方式互作對水稻生長的影響效果顯著[9];王春歌等在連續3年實施大田定位麥秸稈還田處理的基礎上,對機插水稻實施不同灌溉模式處理,發現輕干濕交替灌溉(土壤水勢下限指標-15kPa)是麥秸稈全量還田下機插稻的適宜灌溉模式[10];楊士紅等研究了秸稈還田對節水灌溉水稻群體生長指標及產量的影響,發現控制灌溉和秸稈還田的結合能夠有效促進水稻生長、大幅降低灌溉水量[11];成臣等開展了秸稈還田條件下灌溉方式對雙季稻產量的影響研究,發現間歇灌溉可以實現水稻高產[12];周龍艷開展了秸稈還田方式和灌溉模式對水稻產量及品質的影響研究,發現秸稈全量還田下采用干濕交替灌溉方式,其產量和品質均顯著提高[13];江峰研究了秸稈還田與灌溉模式對超級粳稻產量形成及溫室氣體排放的影響,發現秸稈還田條件下干濕灌溉在保證有較高產量的同時顯著降低了溫室氣體的排放[14]。這些研究結果對在秸稈還田下水稻節水灌溉方式的發展與推廣應用起到了積極作用。

雖然在秸稈還田技術、灌溉方式對水稻生長發育、產量等方面研究取得巨大進步,但將二者相結合的研究報道較少。為此,在秸稈全量還田下,采取不同的灌溉方式探討了水稻不同品種在不同灌溉方式下的表現差異,以期為水稻秸稈還田下采用節水灌溉方式適宜品種的選擇提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為水稻品種9份,如表1所示。

表1 供試水稻品種名稱及來源

1.2 試驗設計

試驗分別于2016年和2017年在黑龍江省農業科學院民主園區水田區進行。供試土壤基本理化性質為:有機質29.56g/kg,速效氮79.56mg/kg,速效磷55.84mg/kg,速效鉀168.42mg/kg;土壤類型為黑土。

試驗設1種常規灌溉方式,即傳統灌溉(Traditional Irrigation,TI);3種節水灌溉方式,分別為間歇灌溉(Intermittent Irrigation,Ⅱ),控制灌溉I(Control of Irrigation,CI-I),控灌II(Control of Irrigation,CI-II)。具體方法如下:①插秧至返青期。4種灌溉方式均采用淺水層灌溉,田間水層深度為0～20 mm。②分蘗期。傳統灌溉始終保持田間水層深度為100～150mm;間歇灌溉則每7～9天灌溉1次,每次灌溉后田間水層深度保持在20～40 mm,自然落干,反復交替;控制灌溉I和控制灌溉II實行定量灌溉,灌溉后田間水層深度分別保持在30 mm和15mm左右。③水稻生長發育中后期(拔節孕穗、抽穗開花、乳熟期)?？刂乒喔菼和控制灌溉II均采用間歇灌溉的方法,但定量灌溉,灌水量同上。④乳熟末期。4種灌溉方式均進行排水曬田及遇降雨深蓄不排水的管理措施。

試驗于2016年4月15日播種,5月18日移栽,2017年4月18日播種,5月24日移栽。單本栽插的插秧規格30 cm×13 cm,每小區種植10行,3次重復,隨機區組排列,單排單灌,秸稈還田方式為全量還田。施純氮120 kg/hm2,純磷80 kg/hm2,純鉀50 kg/hm2。其中,氮肥50%,磷肥100%,鉀肥50%作基肥施入,其他同當地生產實際。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 灌溉水量測定

采用上海佑科儀器儀表有限公司生產的LXS-80水表進行灌溉水量測定,計算每次灌溉用水量。

1.3.2 田間水層測定

每種灌溉方式分別放置5把直尺,于灌溉期間讀取水層深度,取5點平均值為該灌溉方式的水層深度。

1.3.3 降雨量

2016年利用田間農業自動氣象站對水稻全生育期內的降雨量進行收集與統計;2017年降雨量數據來源于黑龍江省農業科學院農業氣象數據庫共享平臺。

1.3.4 產量及其構成因素測定

成熟期每份材料選取長勢一致的植株5株進行產量及其構成因素測定,包括有效穗數、穗長、每穗總粒數、每穗實粒數、每穗癟粒數和千粒質量,并計算結實率及產量。

1.4 統計分析

利用2016年、2017年兩年試驗數據的平均值進行相關統計與分析,統計軟件為Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0。

2 結果分析

2.1 水稻產量及其構成因素的表現

變異系數是衡量性狀指標中各觀測值差異程度和變異范圍的統計量[15]。4種灌溉方式下,9個水稻品種的8個性狀指標的變異系數存在著明顯差異(見表2),變異系數最大為癟粒數。其中,中龍粳2、龍稻22、龍稻17變異系數較大,分別達30.54%、29.21%、27.67%;龍稻27變異系數最小,為9.32%;其次是有效穗數和產量,變異系數較小為結實率和穗長。由此說明,灌溉方式對不同水稻品種的產量及其構成因素均產生影響,為進一步分析奠定良好基礎。

2.2 水稻產量及其構成因素的相關分析

對水稻產量及其構成因素進行相關性分析,如表3所示。由表3可以看出:有效穗數與每穗實粒數、每穗癟粒數、每穗總粒數呈極顯著或顯著負相關,與千粒質量呈極顯著正相關;穗長與結實率呈顯著正相關;每穗實粒數與每穗癟粒數、每穗總粒數、產量呈極顯著正相關,與千粒質量呈極顯著負相關;每穗癟粒數與每穗總粒數、產量呈極顯著正相關,與結實率呈極顯著負相關;每穗總粒數與結實率、千粒質量呈極顯著負相關,與產量呈極顯著正相關;結實率與產量呈顯著負相關。由此可知,水稻產量及其構成因素間存在著一定的相關性,存在著相互交叉或疊加效應;同時,各單項指標對灌溉方式的反應也不盡相同,不能準確反應灌溉方式對水稻品種產量及其構成因素的影響,可進一步做主成分分析。

表2 不同水稻品種的產量及其構成因素的表現

續表2

表3 水稻產量及其構成因素的相關分析

2.3 水稻產量及其構成因素的主成分分析

利用SPSS對4種灌溉方式下的9個水稻品種的8個性狀進行數據標準化后,對其進行主成分分析,結果如表4所示。由表4可知:第1主成分特征值為3.97,貢獻率為49.59%;第2主成分特征值為1.59,貢獻率為19.88%;第3主成分特征值為1.07,貢獻率為13.34%,前3個主成分的累積貢獻率達82.81%,且3個主成分的特征值均>1,能夠有效地解釋原始變量的基本信息,符合主成分分析的要求。因此,可以用前3個主成分代替上述8個性狀對不同水稻品種在4種灌溉方式下的表現進行綜合分析。

表4 水稻品種產量及其構成因素特征向量及貢獻率

分別用Z1、Z2、Z3表示前3個主成分,水稻品種產量及其構成因素主成分載荷矩陣如表5所示。由表5可知:在第1主成分Z1中,每穗總粒數、每穗實粒數的載荷值較大,分別為0.95、0.84;在第2主成分Z2中,結實率、千粒質量載荷值較大,分別為0.67、-0.52;在第3主成分Z3中,有效穗數、穗長的載荷值較大,分別為0.60、-0.54。綜上可知,提取的3個主成分涵蓋了大部分性狀指標,能夠反映原始數據的絕大部分信息。因此,可利用這3個新變量代替原來的8個變量做進一步分析。

表5 水稻品種產量及其構成因素主成分載荷矩陣

2.4 基于主成分的綜合評價

利用各主成分的載荷值除以其相應特征值的算術平方根,得到各主成分中每個性狀所對應的特征向量(見表6),則3個主成分的得分表達式分別為

Z1=-0.26x1-0.16x2+0.42x3+0.41x4+0.48x5-

0.32x6-0.29x7+0.39x8

Z2=-0.37x1+0.36x2+0.33x3-0.374+0.15x5+

0.53x6-0.41x7-0.11x8

Z3=0.58x1-0.52x2+0.15x3-0.28x4+0.05x5+

0.35x6-0.23x7+0.35x8

以每個主成分所對應的的特征值占所提取主成分的特征值之和的比例作為權重,構建主成分綜合評價模型,即

Z=0.60Z1+0.24Z2+0.16Z3

表6 水稻品種產量及其構成因素主成分特征向量

根據3個主成分的線性組合及綜合得分公式,獲得各水稻品種在4種灌溉方式下的主成分得分和綜合得分,如表7所示。9個水稻品種中,主成分綜合得分越高,該品種在相應的灌溉方式下表現越好。由表7可知:在秸稈還田條件下,龍稻14(排名9)、龍稻17(排名16)、龍香稻2(排名17)在傳統灌溉方式下的綜合得分最高,其次是間歇灌溉和控制灌溉I,說明這3個水稻品種在保證水分供給充足的條件下才能夠獲得較高的產量;中龍粳2(排名1)、龍稻27(排名2)、中龍粳3(排名11)、龍稻7(排名18)、龍稻26(排名20)、龍稻22(排名27)在間歇灌溉下的綜合得分最高,其次是傳統灌溉和控制灌溉I,說明這6個水稻品種可適當地減少水分供給,同時采取干濕反復交替的灌溉方法,有利于獲得較高的產量;9個水稻品種在控制灌溉II灌溉方式下的綜合得分均最低,說明在水分供給減少到一定程度時不利于水稻的生長發育及產量形成。

表 7 不同灌溉方式下水稻品種主成分及綜合得分

3 結論與討論

相關分析表明,秸稈還田條件下4種灌溉方式9個水稻品種的產量及其構成因素間存在著顯著或極顯著的相關性,即各因素間傳遞的信息有一定的重疊性,利用單個因素不能對其進行準確的分析。主成分分析是利用降維的思想,從原始指標中提取出更少的幾個不相關的新指標,可用于解釋原始指標里所包含的信息[16-17],使結果更客觀、可靠[18],目前已在水稻農藝性狀、產量、品質等方面分析中得到了廣泛應用[19-23]。本研究通過主成分分析,將9份水稻品種的8個性狀簡化為3個彼此不相關的綜合指標,且其累計方差貢獻率達82.81%,并依據這 3個主成分的特征值及其載荷矩陣建立了各主成分的得分表達式,獲得了9個水稻品種在4種灌溉方式下的綜合得分及排名。由主成分分析結果可知:龍稻14、龍稻17、龍香稻2在傳統灌溉方式下的表現最好,其次是間歇灌溉和控制灌溉I;中龍粳2、龍稻27、中龍粳3、龍稻7、龍稻26、龍稻22在間歇灌溉方式下表現最好,其次是傳統灌溉和控制灌溉I。實際生產中,應選擇穗粒數多(第1主成分)、結實率高(第2主成分)、千粒質量大(第2主成分)、有效穗數多(第3主成分)的品種,以保證在秸稈還田下采用節水灌溉方式獲得高產。

近年來,眾多科研工作者在灌溉方式對水稻生長發育、產量及其構成因素、品質等方面的影響進行了大量研究。褚光利用武運粳24、揚兩優6號和甬優2640研究了干濕交替灌溉對水稻產量的影響,發現干濕交替灌溉顯著提高3個水稻品種的產量[24];呂銀斐等以中優849為供試材料,研究了常規淹水灌溉、干濕交替灌溉和濕潤灌溉 3 種灌溉方式對水稻生長、產量的影響,發現干濕交替灌溉能增加產量 12.63%,而濕潤灌溉產量降低[25];劉江彪等以29個水稻品種為材料,開展了節水灌溉與常規灌溉對水稻生育動態及產量的影響研究,發現節水灌溉下水稻穗粒數、結實率、千粒質量、產量均高于常規灌溉[26]。本研究結果表明:秸稈還田下9個供試水稻品種在3種節水灌溉方式下,大多數品種表現較好,個別品種表現相對較差,但整體上節水灌溉能夠有效促進水稻產量的提高,這與前人研究結果相一致。雖然這些研究所用水稻品種不盡相同,采用的節水灌溉方式不同,其研究結果也存在著一定的差異,但大多研究結果表明節水灌溉方式均能促進多數水稻品種的生長發育及產量提高。