無水層控制灌溉對水稻生長性狀及產量的影響

彭勁舟，孫書洪，2，薛 鑄，2，邱菁華，衣若晨，董建舒

（1.天津農學院 水利工程學院，天津300392;2.天津市農業水利技術工程中心，天津 300384）

水資源緊缺依舊是世界性難題[1]，目前中國水資源總量為2.81萬億m3，人均占比2 100 m3，僅占世界平均水平的28%，而農業用水是主要水資源消耗途徑，占總用水量85%以上[2]。天津作為水資源最為短缺城市之一，人均水資源僅100 m3，約占全國1/20，天津地區種植業發展迫切需要降低灌溉用水[3]，提高用水效率。

水稻作為我國主要糧食作物，占糧食總產量的40%[4]，2021年天津市水稻種植面積達到6.7萬hm2[5]。在所有糧食作物中，水稻種植耗水量巨大且浪費嚴重[6-7]。傳統水稻種植是全生育期建立淺水層，土壤基本處于飽和含水狀態，多余水分以滲漏、蒸發等形式流失[8-11]，加劇了水資源短缺和污染問題。

無水層控制灌溉技術是節水灌溉技術之一，指分蘗期開始進行無水層灌溉管理，以土壤飽和含水率作為灌溉上限，依據水稻對水分的敏感度，以飽和含水率的90%～60%為灌溉下限。張瑞喜等[12]指出，在節水控制灌溉模式下，穗數比常規高16.9穗，產量比常規灌溉高3.7%。Xu等[13]采用節水灌溉方式提高水稻籽粒的產量。其中，控制灌溉技術依據水稻對水分的需求敏感度，控制土壤水分的供應，使水稻對適度的水分虧缺具有適應和補償能力，可有效減少作物的棵間蒸發量、田間滲漏量，提高稻米品質、促進水稻增產，減少面源污染以及抑制鹽漬化稻田等，具有良好經濟效益和環境效益[10-11]。以往學者分別從控制灌溉對水稻節水效率、產量、水稻生長等角度展開研究。李博等[14]采用自動控制灌溉系統發現控制灌溉的灌水量較常規灌溉降低37.3%，水分生產率提高28.8%。孫雪梅等[15]設置3種節水灌溉方式和2栽培模式，結果發現較濕潤灌溉、淺濕灌溉相比，控制灌溉下水稻產量、耗水量均是最優，超出其他灌溉模式4.22%～28.53%。王向平等[16]表示，控制灌溉較常規節約9.4 m·hm-2水資源，達到15.5%節水效率同時糧食增產到372 kg·hm-2，促進產量增長達4.5%。丁國華等[17]表明，控灌節水46%～62%，提高灌溉水分利用效率52%～70%，其利用效率達1.8～3.0 kg·m-3。Zhang等[18]指出，控制灌溉與其他灌溉技術相比，節水率最高達到35.12%。毛心怡等[9]設置4種不同節水灌溉模式，結果發現控制灌溉超出常規灌溉產量達到9 922 kg·hm-2。柯傳勇[19]表明，控制灌溉可改善稻田土壤，增強水稻根系吸水能力。王青菊等[20]研究表明，控制灌溉節水增產的同時，可提高水稻抗倒伏、抗病能力和品質。多人研究發現[21-23]，控制灌溉下水稻有效分蘗數、水稻穗長、穗粒數、結實率和千粒質量均高于常規灌溉，水稻增產11%～4.14%。因此，在適宜灌溉處理下，水分脅迫促使作物優質高產，實現水分的高效利用。

目前，有關水稻節水灌溉的研究大多限于不同節水灌溉技術之間的比較研究，對適宜水稻生長的無水層控制灌溉的下限研究較少。本研究旨在通過4種無水層控制灌溉處理（分別以飽和含水率60%、70%、80%、90%為灌溉下限）與常規（淹灌）灌溉處理進行比較，從水稻生長性狀、產量、水分利用效率等方面，探究無水層控制灌溉對水稻的影響，并在此基礎上評估水稻的水分利用效率和產量，擬提出當地水稻適宜的控制灌溉技術。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2021年6—10月在天津農學院西校區實驗地（116°97″E，39°16″N）進行。該試驗地日照時數為2 029 h，夏季高溫，降雨集中在7月和8月，約占全年降雨量的86%，多年平均降雨量為573 mm。試驗土壤（0～30 cm)容重為1.54 g·cm-3，土壤飽和質量含水率為26.61%。試驗期間降雨量為442.3 mm，平均氣溫20.6℃，平均風速1.06 m·s-1。

圖1 水稻生育期氣象條件

1.2 試驗設計

水是影響水稻生長的重要因素之一，試驗以土壤飽和含水率60%(I)、70%(II)、80%(III)、90%(IV)為下限的控制灌溉處理，每個處理進行3次重復，共15處試驗小區。試驗小區均為有底測坑，尺寸為2 m×2 m×1.5 m（長×寬×高）。每小區栽種6行、每行9穴、共54穴，每穴插3苗，行距30 cm、株距20 cm。6月21日插秧到測坑，10月21日收割。試驗選擇復合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）600 kg·hm-2為基肥。尿素（含氮量≥46%）為追肥，返青期施追肥37.5 kg·hm-2；分蘗期施加追肥45 kg·hm-2；孕穗期施加追肥45 kg·hm-2；抽穗期施加追肥45 kg·hm-2。試驗期間除灌溉措施以外，其他農藝措施一致。具體試驗設計見表1。

表1 試驗設計

1.3 觀測指標及測定方法

1.3.1 株高 在每個生育期后期定株測定株高，抽穗前測量水稻地面至葉尖處高度，抽穗后測量地面至穗頂處高度。

1.3.2 葉面積指數

式中，k為修正系數取0.75；L為最大葉片長度；W為最大葉片寬度。

式中，LAI為葉面積指數；S為單穴葉面積；N為單位面積穴數；A為單位土地面積。

1.3.3 生物量 在水稻返青期后的每個生育期，進行生物量樣本采集。每個處理取3穴水稻地上和地下部分，放入105℃烘箱中殺青30 min殺青處理，后調至75℃烘干8 h后（干物質量至恒質量）測定干物質質量。

1.3.4 考種 穗長：黃熟期每個測坑測定5穴水稻的穗長。cm

結實率：每個測坑隨機取5穴，將水稻樣本進行脫粒，將其放入清水中，分離實穗粒與不飽和穗粒。烘干穗粒后分別記錄實粒數與不飽和粒數，計算得到結實率。

千粒質量：每穴取1 000粒實粒數，進行稱質量（精確到0.01 g），重復3次取均值。

產量：水稻樣本測定到的千粒質量、每穗實粒數、有效穗、結實率等計算其理論產量[24]。

1.3.5 耗水量

式中，ETc為作物耗水量，mm；P為生育期降雨量，mm；I為生育期作物灌溉量，mm；U為地下水補給量，mm；D為深層滲漏量，mm；R為地表徑流，mm；ΔW為試驗初期和試驗末期0~30 cm土層土壤水分變化量，mm。本研究中試驗小區在有底測坑進行，不形成地下水補給量、深層滲漏量，所以忽略不計。

1.3.6 水分利用效率

式中，WUE為作物水分利用效率（kg·m-3）；Y為產量（kg·hm-2）；ETc為作物耗水量（m3·hm-2)。

1.4 數據處理

單因素方差分析使用SPSS26.0軟件分析不同處理之間各項指標均值顯著性，結合origin軟件對數據進行圖形分析。運用SPSSpro進行灰色關聯度分析和TOPSIS綜合評價找到最優控制灌溉處理。

2 結果與分析

2.1 無水層控制灌溉對水稻生長性狀的影響

2.1.1 株高 株高是表達作物莖稈形態的農藝性狀組成，過高過矮都會影響作物產量的形成。無水層控制灌溉下，水分脅迫狀態對水稻株高的影響由圖2所示。

由圖2可知，無水層控制灌溉株高增長趨勢大體一致，為分蘗至抽穗增長迅速期、抽穗至乳熟的增長緩慢期和乳熟至黃熟增長平穩期。分蘗至抽穗期株高漲幅率最大處理I為68.04%，處理IV次之，為63.95%；抽穗至乳熟期株高漲幅率最大處理III為7.34%，其次為處理IV；乳熟至黃熟期株高漲幅率最大處理III為3.09%，處理II次之。

圖2 無水層控制灌溉對水稻株高的影響

無水層控制灌溉對水稻株高的生長具有差異性。無水層條件下，分蘗期處理IV最高，為59.5 cm，處理III次之，為58.33 cm，表現為CK＞IV＞III=II＞I；拔節期處理IV最高，為72.70 cm，處理III次之，為67.25 cm，與常規相比，控灌株高降幅為5%~14%，表現為CK＞IV＞III=II=I。孕穗期處理II最高為85.67 cm，處理III次之；抽穗期、灌漿期、乳熟期、黃熟期常規灌溉均高于控制灌溉2.62~6.07 cm、3~4.33 cm、0.57~4.73 cm、0.67~4.33 cm，表明土壤水分虧缺會影響水稻株高的增長。

2.1.2 葉面積 葉面積指數對作物長勢具有一定參照作用，水稻葉面積指數的增加，促進單位面積下水稻葉的光合作用，從而促進其生長。無水層控制灌溉處理下水稻葉面積指數變化如圖3所示。

由圖3看出，無水層控制灌溉下葉面積指數從分蘗期到灌漿期呈現遞增變化，灌漿末期到黃熟期呈現降低趨勢。處理CK分蘗至灌漿期LAI漲幅最大，為76.66%；其次處理I為75.87%；灌漿至黃熟期降幅最大處理CK為58.44%，處理II次之為45.87%。其中，抽穗期處理IV最高，為6.39，比CK高出3.81%，處理III次之為6.24，比CK高出1.41%；乳熟期處理IV最高，為5.96，比CK高出4.92%，處理III次之，為5.83，比CK高出2.57%；黃熟期控灌組均優于對照組6.53%~12.35%。

圖3 無水層控制灌溉水稻葉面積指數的變化

對無水層控制灌溉水稻葉面積指數用顯著水平P=0.05做方差分析，水分脅迫對其在孕穗期、抽穗期、乳熟期、黃熟期有顯著影響。在適宜水分脅迫環境下，水稻葉面積指數隨土壤飽和含水率的增加而增加，當灌溉量達到土壤飽和含水率90%時，繼續增加灌溉水量，葉面積指數的生長反而下降。因此，在適宜控灌處理下，水稻葉面積的生長優于對照處理。其中，在土壤飽和含水率90%的條件下，葉面積指數明顯優于其他灌溉處理。

2.1.3 生物量 水稻干物質積累是產量形成的基礎，無水層控制灌溉下水稻生物量的累計如圖4所示。由于不同處理間設置的土壤灌溉下限不同，導致水稻生物量也存在不同程度的差異。進一步觀測筆者發現，控制灌溉處理下水稻生物量均值增長處理II最高，達14.36 t·hm-2，處理I次之，為13.24 t·hm-2，處理超出對照3%~26%。各處理生物量最小值均超出對照1.53%~3.8%。這表明在適當水分脅迫條件下能促進作物生物量的增加。

圖4 無水層控制灌溉水稻生物量變化

2.2 無水層控制灌溉對水稻產量及產量構成的影響

無水層控制灌溉的研究基于提高水分利用，同時達到高產效果。無水層控制灌溉下，水稻產量如表2所示。無水層控制灌溉下穗長較對照高3.76%~1.52%，千粒質量較對照高5.66%~1%，結實率較對照高1.1%。從穗數上看，處理III最高，達351.33穗·m-2，其次為處理IV，高出對照2.83%、2.63%；從穗粒數上看，控制灌溉處理均高于對照8.98%~1.68%，其中處理II最高，為112粒·穗-1，各灌溉處理存在顯著差異：處理II＞處理III＞處理IV＞處理I＞CK（P＜0.05）；龐桂斌等[25]同樣發現，控制灌溉相比對照可促進水稻有效穗數、穗粒數的增加。從產量上看，除處理I外，其他控制灌溉處理較對照高9.5%~7.24%，處理IV最高達9 884.95 kg·hm-2。上述結果表明，無水層控制灌溉對穗數和穗粒數的增長具有一定促進作用，當控制灌溉的下限高于土壤飽和含水率60%時，控制灌溉處理對水稻產量具有促進作用。

表2 無水層控制灌溉水稻產量對比

針對5個產量指標（穗長、結實率、千粒質量、實穗粒數、穗數）和5組灌溉處理進行灰色關聯度分析，以產量作為參考值，研究5個產量指標與產量關聯關系。由表3可知，穗數與產量關聯度最大達0.758，其次為穗粒數。綜合以上數據分析，無水層控制處理條件下，水稻產量指標有效穗數對產量貢獻最大，控制灌溉促進穗數、穗粒數的增長并直接影響產量變化，這與王君等[26]的結論一致。

表3 產量與構成因素之間的關聯度

2.3 無水層控制灌溉對水稻水分利用效率的影響

無水層控制灌溉研究基于不減產的前提下，提高水分利用效率。由表4可知，淹水灌溉水稻耗水量較無水層控制灌溉超出50%~67%。根據產量及各處理間耗水量，可以得到各處理下水分利用效率（表4）。由表4可知，控制灌溉組水分利用率均高出0.9~1.56 kg·m-3。結果表明，采取控制灌溉技術可以提高水分利用效率，這與梁乾平等[27]的研究結果一致，水分脅迫促進水稻生長從而提高水稻的產量。

表4 無水層控制灌溉水稻水分利用效率

從表5可知，針對2個指標（產量、水分利用效率）進行TOPSIS評價，最終計算得出各評價對象與最優灌溉處理接近程度（C值），并進行排序。其中，處理II最優，達0.94，其次為處理III。綜合數據表明，處理II是更為適宜的灌溉處理。

3 討論與結論

水分利用效率是衡量灌溉水量科學性合理性重要指標。大量試驗表明，合理、科學的灌溉方式及灌溉水量能有效提高稻田的水分利用效率。前人研究認為，水稻傳統淹水灌溉流失絕大部分養分，長期泡田處理危害根系呼吸、加快根系衰老，導致減產[21]。適度水分脅迫有利于作物生育過程中根系吸收養分能力的提高，促進作物各部分生長，減少過度水分流失，有效提高水分利用效率。本研究通過田間無水層控制灌溉試驗對水稻株高、葉面積指數、生物量、產量及水分利用效率等方面影響的研究。研究結果表明，不同灌溉處理下水稻株高具有顯著性差異，水分虧缺不利于水稻株高生長，但適度水分脅迫對水稻干物質累積、葉面積生長有促進作用，分別較對照處理高出3%~26%、6.53%~12.35%。張忠學等[28]發現，水分調控能有效促進肥料在稻田土層的積累，有利于水稻根系吸收利用營養物質，增加土壤根系含氧度，提高根系生長力[29]。馬丙菊[30]發現，水稻增產得益于穗數以及穗粒數的增加。試驗中不同灌溉處理下水稻的穗長、千粒質量、結實率、穗數、穗粒數分別較常規灌溉3.76%~1.52%、5.66%~1%、1.1%、2.83%~2.63%、8.98%~1.68%，穗數、穗粒數存在顯著差異，與馬丙菊[30]的研究結論相似。除處理I外，其他灌溉處理產量較對照組高9.5%~7.24%。前人研究發現，水稻處于土壤飽和含水率60%以下將影響水稻的正常生長發育，從而降低水稻產量[21]。不同灌溉處理下，水分利用效率均高于對照組0.9~1.56 kg·m-3。控制灌溉可顯著提高水分利用效率，孫雪梅等[15]設置多種節水灌溉模式進行對照試驗，耗水量和產量控制灌溉均優于其他節水灌溉模式。黃玲等[31]也表明，耗水量增加的主要因素是灌溉水量的增加，無水層控制灌溉基于土壤飽和含水率百分數的下限進行水分調控，直接降低作物灌溉水量，顯著提高水分利用效率。

綜合考慮水稻產量、水分利用效率，無水層控制灌溉處理II（土壤飽和含水率70%）產量較高，為9 680.19 kg·hm-2，水分利用效率為2.33 kg·m-3，且水稻葉面積指數、生物量分別為4.46和28.23 t·hm-2。可將控制土壤飽和含水率70%作為天津地區水稻適宜生長的灌水下限。