水分調控對膜下滴灌水稻土壤水熱狀況及產量的影響

徐 強，呂廷波 *，馬曉鵬，莫 彥，白 蒙，張 波，喬 翔，馬志龍

(1.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.新疆農業科學院 土壤肥料與農業節水研究所，新疆 烏魯木齊 830000；3.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000；4.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京 100000)

【研究意義】水稻是生態適應性較強的作物，其生理需水量只占總需水量的30 %～40 %，生態需水卻占60 %～70 %[1]。只要保證一定的水分供應，水稻就可以進行旱作。目前傳統淹水栽培模式開始逐漸向直播節水栽培模式轉變[2-4]?！厩叭搜芯窟M展】稻田水分和溫度條件是稻田生態環境中最重要的因素，水稻的光合作用、呼吸作用、凈同化率、分蘗及養分吸收等均與其有關[5]。李景蕻等[6]研究表明土壤增溫可促進高寒生態區水稻早發和干物質積累，增加有效分蘗，優化群體質量，提高成穗率和產量?！颈狙芯壳腥朦c】水稻旱作稻田水熱狀況不同于水作稻田環境，而有關旱作條件下稻田土壤溫度、土壤水分、日溫差等土壤環境變化對水稻生長及產量的影響鮮有報道?！緮M解決的關鍵問題】本試驗對滴灌水稻分蘗期進行水分調控處理，分析不同土壤水熱狀況及產量，研究了滴灌水稻土壤的水溫狀況和生長特性，以期為滴灌水稻水分調控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本試驗于2018年5-10月在新疆石河子大學農試場二連現代節水灌溉兵團重點實驗室試驗基地(東經85°59′47′′，北緯 44°19′29′′，海拔 412 m)進行，該站區為溫帶大陸性干旱氣候，無霜期 171 d，平均地面坡度6 ‰，多年平均降水量在200 mm左右，多年平均蒸發量1600 mm，多年平均日照時間2700 h，年平均風速1.5 m·s-1。試驗田土壤屬于壤土，田間持水率為21.24 %，土壤干容重為1.56 g·cm-3。有機質質量15.69 g·kg-1、全氮質量比1.05 g·kg-1、全磷質量比0.93 g·kg-1、全鉀質量比24.17 g·kg-1、速效氮質量比 57.7 mg·kg-1、速效磷質量比21.80 mg·kg-1與速效鉀質量比424 mg·kg-1。

1.2 試驗設計與方法

本試驗采用測坑方式進行，每個處理對應一個測坑，測坑為2 m×3 m×2 m。試驗方案采用測坑試驗，于分蘗期設置不同水分下限為85 %、75 %、65 %共3個處理，每個處理3個重復。每個處理3個重復。模式為1膜2管4行(行距15+30+15+30 cm，株距為10 cm。)，每個測坑共有4根毛管，滴灌帶間距20 cm，流量1.8 L·h-1。由人工將稻種點播到孔中，毎穴點種8粒，深度2～3 cm，干播濕出，并且將膜孔用土壤封口，防止草害。出苗后及時放苗，毎穴保留8株，在苗期和分蘗初期分別中耕一次，全生育期人工拔草。各處理施肥管理一致，全生育期施肥總量為廄肥15 t·hm-2，水溶性有機肥120 kg·hm-2，純氮300 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2?；试谂R秋冬翻地時一次性施用廄肥15 t·hm-2、P2O590 kg·hm-2。苗期肥分3次隨水滴施純氮30 kg·hm-2，P2O515 kg·hm-2。分蘗肥分3次隨水滴施純氮110 kg·hm-2，K2O 15 kg·hm-2。拔節肥分3次隨水滴施純氮110 kg·hm-2，K2O 25 kg·hm-2，有機肥60 kg·hm-2。穗肥分四次隨水滴施純氮50 kg·hm-2，K2O 50 kg·hm-2，有機肥60 kg·hm-2。其他田間管理措施保持一致。選用新稻16號為試材，于2018年5月5日播種，2018年9月20日收割。

1.3 測定項目與方法

(1)土壤溫度的測定:使用北京東方潤澤生態科技股份有限公司生產的智墑(FDR頻域反射)每天00:00-24:00對各小區地表下0～30 cm處土壤溫度進行定點連續觀測。以每天的最高溫減去最低溫計算出日溫差。

(2)土壤水分的測定：使用北京東方潤澤生態科技股份有限公司生產的智墑(FDR時域反射)對土壤中0～1.0 m深度的水分測定，每2 h自動記錄1次。

(3)干物質量：于各生育期末將水稻植株沖洗干凈，在恒溫箱中105 ℃殺青30 min，70 ℃烘至恒重，使用萬分之一克感量電子天平稱量

(4)考種測產：水稻成熟時，每個小區取3穴測定水稻產量構成，包括單株有效穗數、每穗總粒數、每穗實粒數、每穗空粒數、成穗率和千粒重，后收割各處理測產。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2003進行整理，采用SPSS 19.0軟件進行統計分析，計算各處理性狀的平均值，并進行相關性分析，使用Origin 8.5作圖。

2 結果與分析

2.1 不同水分調控覆膜滴灌水稻全生育期土壤含水率動態變化

水稻是水分生態幅度較寬的作物，只要保證一定的土壤含水率，就可以保持較好的生長狀態。作物的生長狀態與土壤水分狀況息息相關，只有作物的生長需求與水分條件相適應，才能表現出良好的生長狀態[7]。圖1-a、c、e顯示滴灌水稻水分調控條件下的全生育期0～30 cm土層平均含水率動態變化，整體上土壤含水率變化趨勢一致，呈下降趨勢。不同水分調控處理下全生育期土壤水分存在差異，苗期(播后0～40 d)各處理土壤質量含水率均保持在田間持水量的85 %～100 %之間，苗期保持較高的水分含量有利于提高出苗率以及水稻苗期抗病害能力；分蘗期水分調控W1處理為田間持水量的85 %～100 %之間；W2處理為田間持水量的75 %～100 %之間；W3處理為田間持水量的65 %～100 %之間。拔節期與灌漿期各處理土壤含水率均保持在田間持水量的85 %～100 %之間。成熟期則減少灌溉水量，土壤含水率保持在田間持水量的70 %～80 %左右。

由圖1-b、d、f可以看出，各處理40～100 cm土層水分變化，不同土層質量含水率變化趨勢一致，土壤質量含水率隨著土層深度的加深開始逐漸變大；苗期40～100 cm土層的土壤質量含水率沒有變化，水稻在苗期根系分布在淺土層，根系主要吸收0～30 cm土壤水分，且能夠滿足蒸發蒸騰需水。分蘗期之后40 cm土層含水率開始變化，說明在分蘗期之后0～30 cm土壤水分已經不能滿足水稻的耗水需求。本試驗通過分析全生育期不同深度土壤含水率變化趨勢，來確定土壤計劃濕潤層。從圖中可以看出，水稻在分蘗期之前耗水在0～30 cm土層，分蘗期之后在40～100 cm土層。

圖1 滴灌水稻不同水分調控全生育期土壤質量含水率變化Fig.1 Changes of soil quality and water content during the whole growth period under different moisture regulation of drip irrigation rice

2.2 不同水分調控滴灌水稻土壤溫度變化

土壤溫度的變化是土壤隨著太陽輻射和大氣溫度的變化進行吸收或釋放能量的過程[8]，適宜的土壤溫度對作物生長發育及產量的形成具有密切的關系[9]。圖3顯示不同水分調控條件下滴灌水稻土壤溫度日變化，各處理土壤溫度日變化趨勢相同，不同水分處理土壤日最高溫度差異較大，而最低溫度差異較小。高水分處理由于土壤含水量較高，水的高比熱使白天最高溫低于土壤含水量低的水分處理，晚上則降溫較慢，最低溫度較高。

0 cm地表變化幅度較大，地面最高溫度表現為W3>W2>W1，W3處理最高溫度與W1、W2處理相比較分別高出2.12、1.00 ℃。而最低溫度低表現為W1>W2>W3，各處理最低溫度差異較小。各處理地溫全天平均值分別為27.23 ℃(W1)、27.32 ℃(W2)、27.67 ℃(W3)；10 cm土層為水稻根系主要分布區，各處理土壤溫度日最高溫度表現為W3>W2>W1，W3處理最高溫度與W1、W2處理相比較分別高出2.12、0.75 ℃。而最低溫度低表現為W1>W2>W3，W3處理最低溫度與W1、W2處理相比較分別低0.69、0.63 ℃。各處理地溫全天平均值分別為26.87 ℃(W1)、27.19 ℃(W2)、26.61 ℃(W3)；20 cm土層地溫變化較小，各處理土壤溫度日最高溫度表現為W2>W1>W3，W2處理最高溫度與W1、W3處理相比較分別高出0.32、0.88 ℃。而最低溫度低表現為W2>W1>W3，W2處理最低溫度與W1、W3處理相比較分別低0.31、0.63 ℃。各處理地溫全天平均值分別為,26.64 ℃(W1)、26.99 ℃(W2)、26.22 ℃(W3)。

0 cm各處理地表達到日最高溫度時刻分別為14：00(W3)、14：00(W2)和16：00(W1)，土壤溫度達到全天最大值，而土壤最低溫度均出現在06：00；10 cm土層各處理土層最高溫度與最低溫度出現時間點與0 cm土層相比延遲2 h，日最高溫度時刻均為18：00，土壤溫度達到全天最大值，而土壤最低溫度均出現在08：00；20 cm土層各處理土層最高溫度與最低溫度出現時刻0 cm土層相比延遲4 h，日最高溫度時刻均為20：00，土壤溫度達到全天最大值，而土壤最低溫度均出現在10：00。

本試驗以晝間溫度最高值和夜間溫度最低值來表示調控期間各處理不同深度土壤日溫差的變化差異。圖2顯示各處理日溫差變化，隨氣溫的升高，土壤日溫差差異增大，W2處理和W3處理在此期間的稻田地表下10 cm 處土溫最高日溫差分別比W1處理高0.31和1.00 ℃。W2處理、W3處理在此期間的日平均溫差是9.22和10.29 ℃，比W1處理的日平均溫差分別高1.43和2.50 ℃。整個分蘗期各處理的日平均溫差表現為W3>W2>W1處理，晴天表現得更為明顯，這主要是由于水分含量較土壤白天升溫迅速，夜間降溫也快，較大的日溫差為干物質生產和積累提供了良好的條件[10]。

圖2 不同水分調控滴灌水稻土壤溫度變化Fig.2 Changes of soil temperature of rice under drip irrigation controlled by different water contents

2.3 不同水分調控處理對干物質積累的影響

圖3顯示不同處理的干物質積累量。隨著生育進程的推進各處理干物質量逐漸提高，不同水分調控處理使得各處理干物質量差異顯著。苗期各處理無顯著差異，分蘗期時水分調控使得各處理干物質量差異不顯著；拔節期時由于各處理分蘗量不同，導致各處理干物質量差異顯著，表現為W1>W2>W3；灌漿期各處理干物質量差異不顯著，黃熟期各處理干物質量差異顯著表現為W2>W1>W3。水分調控使各處理拔節期之后干物質積累量及其占總干質量的比值提高，拔節期W2處理積累的干物質量占全生育期的比例與W1、W3處理相比較分別提高了13.66 %、4.52 %，優化干物質量積累動態使得W2處理干物質總量較W1、W3處理有所增加，分別提高了4.09 %、9.43 %。

同時期不同小寫字母者表示差異達到0.05顯著水平

2.4 不同水分調控對滴灌水稻產量的影響

水分脅迫對水稻生長產生的各種影響最終會通過水稻產量體現出來，水稻的產量是水分脅迫條件下水稻生理機制的特殊反映[12]。分蘗期水分調控使W2、W3處理分蘗數減少，有效分蘗率顯著提高。各處理分蘗成穗表現為W2>W3>W1，W2處理分蘗成穗率分別為W3、W1處理的120 %和1.12 %；由于W3處理分蘗總數較少，在成穗率顯著提高后有效穗數仍然不高僅為11.61個/穴，W2處理由于成穗率最高，有效穗數與W1、W3處理相比較分別提高20.08 %、46.25 %；產量表現為W2>W1>W3，W2處理產量與W1、W3處理相比分別增加7.14 %、16.37 %，千粒重各處理間無顯著差異。

3 討 論

滴灌水稻根系吸水主要是0～40 cm 處的土壤水分，從苗期到分蘗期這一階段主耗水主要集中在0～30 cm的土層中，這與滴灌水稻根系垂直分布相適應，滴灌水稻苗期根系分布情況表現為前期水稻根系集中在 0～5 cm 土層中，后期根系開始逐漸分布于0～20 cm土層[7]。隨植株根系生長、伸長，到分蘗期之后耗水層主要以0～40 cm為主。李麗等[13]對滴灌條件下水稻根系形態研究表明分蘗期之后土表下40 cm，膜下滴灌對水稻根系形態影響不具有統計學意義。而40～100 cm土層受根系長度影響，土壤含水率變化幅度不大。

表1 各處理產量及產量構成

日溫差的大小是影響產量的一個非常關鍵的環境因素[8]。Nagarajan 等[14]認為夜間最低溫比白天最高溫對水稻干物質積累影響更大。本試驗表明水分調控對土壤溫度產生了一定的影響，降低了10 cm土層土壤夜間最低溫，擴大了10 cm土層的土壤溫差，擴大的土壤日溫差有利于水稻根系在營養生長期間的發育條件，旺盛的根系為稻株生長后期吸收水分與營養造就了良好的環境條件。

土壤水分是養分遷移的重要載體，只有水分分布適宜，土壤中的水、氣才能協調，養分才可以被作物吸收利用[15]。 本研究表明滴灌水稻分蘗期水分調控以田間持水量的75 %～100 %較為合適，此水分條件下增大日溫差，有利于干物質積累，提高產量。這與湯廣民等[16]結果一致。即分蘗期適當的水分虧缺反而有利于旱作水稻的協調發育和產量提高。滿足水稻在水分臨界期的水分需求，充分利用作物水分虧缺的補償效應，應用一些生理活性物質，分蘗期進行適度的干旱脅迫完全可能取得高產[17]。

4 結 論

本試驗表明分蘗期控制灌水下限在75 %左右，對成穗率具有顯著的影響，有利于增加有效分蘗，減少無效分蘗發生，增大10 cm深度土壤日溫差，促進根系生長的同時優化干物質積累動態，從而提高成穗率，進而影響產量形成。從滴灌水稻節水栽培的角度考慮，控制0～30 cm土層平均土壤含水率為田間持水量的75 %，能夠達到節水高效栽培的目的。