2015, Vol. 36
2. 广西农业技术推广总站, 广西 南宁 530022
2. Guangxi Agricultural Technology Extension Station, Nanning 530022, China
水稻Oryza sativa L.是世界上最重要的粮食作物, 世界上近一半人口, 包括几乎整个东亚和南亚人口, 都以稻米为主食[1].在我国, 有65%以上的人口以稻米为主食[2].水稻生产耗水量巨大.在中国, 农业用水量占总用水量的70%以上, 其中水稻用水量占65% ~ 70% [3].与此同时, 中国是世界上灌溉水稻最密集的地区之一, 但却拥有亚洲最低的人均淡水量[4].因此, 水稻节水栽培的研究一直备受关注.事实上, 水稻具有水生和半水生甚至是旱生的生物学特性[5], 对淹水和旱地环境均有很强的适应性, 水稻生产节水潜力大[6-8].大量研究结果表明, 淹水并不是水稻获得高产所必需的[9-10].联合国粮农组织在水稻发展的长期战略中提出水稻旱作与灌溉同样可以获得高产[11].水稻轻度水分胁迫下, 减少水分的消耗的同时并没有减产[12-13].合理的土壤水分有利于控制地上部的无效生长和构建水稻适宜株型结构[14-15].张荣萍等[16]研究认为, 湿润灌溉的水稻株高显著高于旱种水稻, 而两者分蘖数与穗长差异不显著, 表明水稻生长对土壤水分变化反应敏感.免耕直播稻具有分蘖节位低, 有效分蘖穗多的特点[17].陈友荣等[18]和沈新平等[19]研究指出, 免耕水稻具有稳定的分蘖成穗特性, 成穗率高.基于免耕水稻不同于常耕水稻的生长特点, 不同土壤水分对免耕水稻生长的影响值得我们探讨.
国内外水稻节水栽培技术研究多建立在翻耕基础上[3-16], 免耕条件下的节水栽培研究较少.免耕水稻在中国的推广已经12年, 然而土壤水分对免耕水稻生长发育的影响并没有明确.为此, 本研究通过盆栽试验, 研究土壤含水量对免耕水稻生长和产量的影响, 以期为免耕水稻节水栽培土壤水分调控指标的优选提供依据.
1 材料与方法 1.1 材料与试验地概况水稻品种为三系杂交水稻“吉优716”.试验土壤采自免耕水稻田, 土壤为第四纪红土发育的潴育性水稻土, 其基本理化性状见表 1.2013年早、晚季分别在广西大学进行盆栽试验, 试验区属于亚热带季风气候区, 地处东经108°19′11″、北纬22°49′12″, 海拔75 m, 年平均气温21.7 ℃, 年平均降雨量1 300 mm, 无霜期约为345 ~ 360 d.
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表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physical-chemical characteristics of soils |
早季和晚季水稻播种前分别从免耕稻田中挖取原状免耕土壤.其方法是, 在免耕稻田中用钢板把土壤切成块状(厚23 cm), 倒置后套入试验桶中, 因此原状免耕土壤在桶中仍然保持耕作层在上、犁底层在下的状态.试验盆为24.3 cm × 19.5 cm × 28.0 cm的方形塑料盆.在挖取土壤的过程中, 严格控制土块的大小, 使每盆的土壤体积基本一致, 以减少试验误差.每盆土17 kg[含水量(w)为24%左右], 饱和含水量(w)为42%, 盆质量0.5 kg.
试验设3种土壤水分条件: 1) W100:水稻全生育期保持田间最大持水量的95% ~ 100% (移栽时15 ~ 30 mm土层, 下同); 2)W85:水稻全生育期保持田间最大持水量的80% ~ 85%; 3)W70:水稻全生育期保持田间最大持水量的65% ~ 70%.每处理设36盆, 共计108盆.以水量平衡法计算加水量[20], 利用量程30 kg、感量为1 g的电子秤在每天16: 0017: 00时测量并记录每桶内土壤因蒸腾蒸发所丢失的水分, 并作相应补充以保持各处理土壤水分含量.具体方法为先计算出土壤含水量为最大持水量(a)的b时土壤的质量(m2), 再用电子秤称量盆中装有土的桶的实际质量(m3), 计算加水量(m4).
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式中, m1为风干土的质量, m为桶质量.
每盆总施氮量为30 g·m-2, 基肥、分蘖肥、穗肥按质量比5: 2: 3施用.基肥在抛秧前1 d施用, 分蘖肥在立苗后施用, 穗肥在幼穗发育初期施用.过磷酸钙5.923 g·盆-1, 作为基肥一次施入.氯化钾1.895 g·盆-1, 按基肥60%、分蘖肥40%的比例施用.每盆移栽2蔸(4株苗).早稻3月12播种、4月2日移栽, 晚稻7月16播种、8月2日移栽, 育秧方式为秧盘育秧, 移栽秧龄分别为21和17 d.
1.3 测定指标与方法在移栽后15 d开始, 每隔5 d进行1次分蘖数和株高的记录.在水稻拔节期、抽穗期和成熟期进行取样, 每次取样36盆(每处理12盆).用CI203激光叶面积仪(美国CID公司)测定叶面积、叶长和叶宽.地上部于105 ℃杀青30 min后, 于75 ℃烘干至恒质量, 称质量, 粉碎.成熟期样品穗部先进行考种再进行烘干粉碎, 产量由烘干后籽粒质量按13%水分换算而得.
收获指数(Dry matter harvest index, DMHI):成熟期每盆植株穗部干物质的质量占植株干物质总质量的比值.
成穗率(Percentage of earbearing tiller):每盆植株最高分蘖数与成熟期有效穗数的比值.
1.4 数据处理采用Excel软件进行常规数据处理、SPSS18.0软件进行统计分析.
2 结果与分析 2.1 土壤水分对免耕水稻分蘖生长的影响由图 1和图 2可知, 早稻在移栽后38 ~ 45 d分蘖数增加较快(平均气温23 ~ 30 ℃), 晚稻在移栽后15 ~ 20 d分蘖数增加较快.两季水稻分蘖数随着土壤水分的降低而降低, 分蘖盛期(移栽后25 d)3个处理分蘖数的差异达到显著水平, 但最高分蘖数和成穗率各处理间差异不显著.
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图 1 不同土壤水分下早、晚季免耕水稻分蘖动态 Figure 1 The tiller dunamic of no-tillage rice in the early and late seasons under different soil moisture condition |
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图 2 不同土壤水分下早、晚季免耕水稻成穗率 Figure 2 The percentage of earbearing tiller of no-tillage rice in the early and late seasons under different soil moisture condition 图中相同处理不同柱子上凡是有一个相同小写字母者, 表示差异不显著(P＞0.05, Duncan's法). |
由图 3可知, 早、晚季水稻株高均随着土壤水分的降低而降低, 早稻移栽40 d后、晚稻移栽25 d后, W70处理株高显著低于其他2个处理, 表明土壤水分对免耕水稻株高影响较大.
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图 3 不同土壤水分下早、晚季免耕水稻株高变化 Figure 3 The plant height dynamic of no-tillage rice in the early and late seasons under different soil moisture condition |
由表 2可知, 在早季免耕水稻拔节期, 上一叶叶宽随着土壤含水量的降低而降低; 早、晚季W70处理的叶宽显著低于W100处理, 而上一叶叶长各处理间差异不显著.上二叶和上三叶早季的叶长、叶宽和叶面积均随着土壤含水量的降低而降低; 早、晚季W70处理叶面积、叶宽和叶长均显著低于W100处理, 早季W85与W70处理间叶宽差异不显著(P＞0.01), 晚季W85与W100处理间差异均不显著(P＞0.01).以上分析表明, 拔节期水稻上部全展三片叶的叶面积、叶长和叶宽均随着土壤含水量的降低而降低; 当土壤水分低至饱和含水量的85%时, 叶宽下降达到显著水平, 当土壤水分低至饱和含水量的70%时, 叶面积和叶长下降达到显著水平.
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表 2 土壤水分对早、晚季免耕水稻拔节期上部全展三片叶生长的影响1) Table 2 Effects of different levels of soil moisture on leaf growth at the rice elongation stage in the early and late seasons |
在晚季免耕水稻拔节期, W70处理上三叶叶面积、叶长和叶宽均显著低于W85与W100处理, W85与W100处理间差异不显著.上一叶和上二叶叶面积、叶长和叶宽及上三叶叶宽均以W85处理最高(表 2).
2.4 土壤水分对免耕水稻干物质生产的影响由表 3可知, 在水稻拔节期和成熟期, W70处理干物质积累量极显著低于W100和W85处理(P＜0.01), W100和W85处理间差异不显著.W70处理抽穗期干物质积累量显著低于W100处理(P＜0.05).W70处理收获指数极显著低于W100和W85处理(P＜0.01), W100和W85处理间差异不显著; 收获指数的下降反映出植株干物质转运受到抑制.分析表明, W70处理各生育时期干物质积累和物质转运受土壤水分影响较大.
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表 3 不同土壤水分下免耕水稻干物质积累量和收获指数1) Table 3 The biomass and harvest index of no-tillage rice under different soil moisture condition |
由表 4可知, 免耕水稻产量、每穗粒数、结实率和穗长随着土壤水分的降低而降低, 其中W70处理产量、每穗粒数和穗长的下降达极显著水平(P＜0.01).与W100处理相比, W70处理产量、每穗粒数、结实率和穗长分别降低了36% ~ 50%、35 % ~ 40%、11% ~ 14%和12% ~ 14%, W100与W85处理之间差异不显著.有效穗数和千粒质量受土壤水分影响较小, 各处理间差异不显著.分析表明, W70处理产量降低的原因主要是穗变小和结实率下降.
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表 4 不同土壤水分下免耕水稻产量及产量结构1) Table 4 Grain yields and yield components of no-tillage rice under different soil moisture condtion |
在3种土壤水分条件下, 比较了免耕水稻的生长状况与产量.研究表明, 当土壤含水量处于饱和时, 免耕水稻产量最高; 随着土壤水分含量的下降, 免耕水稻生长开始受到抑制, 产量开始下降; 当土壤含水量为最大持水量的80% ~ 85%时, 免耕水稻生长受到的影响较小, 产量下降不显著; 当土壤含水量降低至最大持水量的70%以下时, 免耕水稻的生长受到明显的抑制, 其干物质积累量、收获指数、株高、穗长、每穗粒数、结实率显著下降, 最终导致产量的显著下降.免耕水稻高产节水栽培的土壤含水量以保持最大持水量的80% ~ 85%为宜.这与常耕条件下, 彭世彰等[13]从叶片水分利用效率分析和路兴花等[21]从产量、水分生产率分析所得结果基本一致.
土壤含水量的变化首先影响植株各器官的生长.本研究表明, 免耕水稻植株上部三片叶的宽度和长度随土壤含水量的下降而下降, 当土壤含水量下降至最大持水量的80% ~ 85%时, 上三叶的宽度显著下降, 当土壤含水量下降至最大持水量的70%时, 上三叶的长度显著下降.上三叶宽度和长度的显著下降最终导致了上三叶叶面积的显著下降.上三叶是水稻各生育期最主要的功能叶, 其叶面积的下降会直接降低其群体的光合生产能力.这是W70处理水稻干物质产量显著下降的一个重要原因.
值得特别注意的是, 在免耕水稻分蘖盛期, 各水分处理分蘖数的差异达到了显著水平, 但各水分处理有效穗数的差异和成穗率并不显著, 与王唯逍等[22]结论不一致.表明W70处理显著抑制了水稻分蘖的发生, 但是已经发生的分蘖的生长受土壤水分的影响比分蘖发生受土壤水分的影响小得多.成熟期免耕水稻单株干质量, W70处理较W100和W85处理分别下降了21.7% ~ 27.7%和17.3% ~ 20.9%.
W70处理的水稻产量显著下降最直接的原因是穗变小(穗长和每穗粒数均降低)和结实率降低. W70处理拔节至孕穗期叶面积的下降直接降低了其群体的光合生产能力, 以致干物质积累量显著降低, 从而使拔节受到影响, 导致株高下降, 且孕穗所需干物质不足导致穗长和粒数降低, 这是穗变小的重要原因之一.邵玺文等[23]认为在拔节至孕穗期进行水分胁迫对水稻株高有较大影响, 也可使穗缩短.试验中我们还观察到W70处理水稻抽穗延迟了5 ~ 7 d, 表明水分胁迫使幼穗分化进程变缓.陈彩虹等[24]也有类似发现, 并认为随干旱加剧, 穗分化变缓直至停止.因此, 土壤含水量的下降使穗分化变缓也可能是穗变小的原因之一.土壤含水量为饱和含水量的70%时, 收获指数显著下降, 表明物质运转受抑制.后期干物质转运量和转运率较W100处理分别下降了28.7% ~ 53.4%和14.8% ~ 43.2% (数据未列出), 从而导致空秕粒增多、结实率降低.千粒质量受土壤水分影响较小, 可能是千粒质量主要由品种决定, 而且穗变小及每穗粒数减少对保障千粒质量起到一定作用.
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