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《石河子大学》 2014年
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水分调控对膜下滴灌水稻生长发育及产量形成的影响

何海兵  
【摘要】:随着淡水资源的减少以及工业用水和城市生活用水逐年增加,农业用水总量及其所占淡水资源比例呈现逐年降低的趋势。与此同时,人们对水稻需求量不断增加。这一现状使得水稻当前生产面临的最大挑战是如何在有限的淡水资源内生产出更多的谷物。特别对干旱区域而言,由于生育期内耗水量巨大(以中国新疆为例,水稻生育期内的蒸散量为1200mm,降雨量不足170mm,水稻的总耗水量高达3000mm,水分利用效率仅为0.2~0.3kg m-3),水稻生产将面临淡水资源亏缺带来的极大压力。因此,在干旱区开展水稻高产节水栽培研究,对缓解水资源危机、粮食安全危机以及走农业可持续化发展道路都具有重要意义。 膜下滴灌水稻作为一种新型的水稻旱作栽培技术,其产量水平以及节水能力尚不清楚。本研究假设膜下滴灌水稻是当前生态区域较优越的水稻旱作栽培系统,通过开展为期3年的小区试验并结合大田调查,与当前主要的水稻旱作栽培系统(水分供应基于漫灌或喷灌技术)如覆膜旱作栽培系统以及裸地旱作栽培系统(aerobic rice)作对比研究。旨在探明膜下滴灌水稻在当前生态条件下的生产潜力以及旱作水稻(膜下滴灌、覆膜漫灌以及裸地漫灌)在干旱区的生长发育特性和适应机制;同时,设置了膜下滴灌水稻阶段性控制灌溉处理,旨在探明膜下滴灌水稻实现高产高效的水分需求特性及群体结构特征。主要结果如下: (1)群体整齐度以1膜4管8行配置(R1)最优,其次是1膜2管8行配置(R2),1膜1管8行配置(R3)最差。R2模式通过促进近滴灌带行位株穴的生长发育来弥补远滴灌带行位株穴生长发育的轻微降低。最终产量、水分利用效率及经济效益与R1差异不显著。由于R3模式下距滴灌带第3行位和第4行位的株穴生长严重受限,进而导致R3模式的产量、水分利用效率及经济效益显著低于R1和R2模式。综上所述,在沙壤土质条件下,膜下滴灌水稻为获得较高的谷物产量,毛管间距维持在40~80cm为宜,即每条滴灌带在水平方向的湿润距离应控制在20~40cm范围内。 (2)膜下滴灌水稻(R2模式)开花期根系分布量在行位间存在差异,距滴灌带远行处的根系分布量明显低于近行位处,差异随灌量的增加而明显降低。膜下滴灌水稻根长密度和根重密度均显著低于淹灌处理,主要与0~20cm土层根系生长发育受限有关。相关分析表明:促进0~20cm土层内以穴位为中心直径为10cm范围内的根系分布是提高膜下滴灌水稻产量的重要保障。 (3)传统淹灌(CF)处理的产量水平较膜下(覆膜)滴灌(DI)、覆膜漫灌(FIM)及裸地漫灌(FIN)处理分别高出31.76~52.19%、57.16~61.02%、74.4~75.73%,旱作水稻产量的大幅降低主要受“源”限制的影响,特别是与花后光合生产能力降低所引起的地上部生物量累积受限有关。水分利用效率以DI处理最大,较FIM、CF及FIN处理依次高出1.35~1.89倍、1.52~2.12倍、2.37~3.78倍。在CF栽培条件下,分蘖穗对产量的贡献度为50.65~68.57%,而旱作栽培处理仅为12.07~20.62%,旱作水稻分蘖穗对产量较低的贡献度主要归因于分蘖成穗能力显著降低以及有效分蘖穗的收获指数大幅下降。在旱作栽培条件下,DI处理较FIM和FIN处理更有利于构建适宜于水稻生长发育的微生态环境(如地温、冠层温湿度),最终DI处理的水分利用效率、产量水平及经济效益均显著高于FIM和FIN处理。 (4)对于旱作水稻而言,花后(灌浆期)光合受限因叶片新陈代谢受阻(即非气孔因素限制)所致,其中叶片全氮含量降低是光合生产能力降低的主要原因。在非饱和土壤含水量条件下,旱作水稻叶片在灌浆期间遭受不同程度的水分胁迫和光抑制,其中DI处理受胁迫程度较FIM和FIN处理轻,且DI处理发生光抑制现象时所对应的土壤水势明显低于FIM和FIN处理。复水到饱和土壤含水量后,DI和FIM处理水分胁迫因子和光抑制效应消除,而FIN处理则遭受永久性环境胁迫的威胁。在整个观测期间,DI处理的光合生产能力显著高于FIM和FIN处理。当旱作水稻遭受环境胁迫后,PSII光系统通过加强热耗散途径来缓解环境胁迫对叶片光合器官的损伤。 (5)旱作水稻各器官生长发育自拔节后均受限,在各处理间,DI处理(特别是宁粳28品种)各器官生长发育受限程度最轻,而FIN处理受限程度最严重。对FIM和FIN处理,根长密度和叶干重较根干重和茎鞘干重对环境的变化更敏感;对DI处理,根长密度和茎鞘干重较根干重和叶干重对环境的变化更敏感。当旱作水稻生长发育受限时,增加根冠比和20~40cm土壤的根系分布量以及降低0~20cm土层内根系的比根长是旱作水稻适应外界环境胁迫的重要机制。宁粳28品种较新稻17品种更适宜于旱作栽培环境。 (6)在开花期前,旱作水稻的根长密度(RLD)决定着地上部各器官的生长发育;而开花后,0~20cm土层内RLD(RLD20)直接影响着叶片的衰老进程及穗部的增重过程。从各农艺参数对产量的影响程度来看,根系活力,分蘖期RLD20和RLD40;拔节期RLD20;开花期RLD20以及拔节期和灌浆期的叶干重均显著影响产量形成,其中根系活力,拔节期和灌浆期的叶干重及开花期RLD20是决定旱作水稻产量的主要因素。表明旱作水稻RLD20及根系活力对地上部生长发育及产量形成(特别是开花期至成熟期RLD20及根系活力)起着重要的调控作用。 (7)在旱作栽培条件下,结实率降低主要与空粒大量形成有关。灌浆期间光合生产能力降低和(或)开花后第15天起(特别是15~21天)储存于茎鞘器官的物质朝籽粒的转运能力受限是导致旱作水稻灌浆势较CF处理降低的主要原因。旱作栽培强弱灌浆时间较CF处理延长,且灌浆速率不及CF处理。其中,强势粒灌浆时间的延迟以及灌浆速率的降低是引起旱作水稻籽粒重和结实率明显下降的主要制约因子。在适宜的品种条件下(如宁粳28品种),膜下滴灌水稻在适宜的水分管理制度下通过促进茎鞘物质的转运能力弥补灌浆期光合生产力不足,从而灌浆势仅轻微的低于传统淹灌水稻。 (8)为进一步提高膜下滴灌水稻的产量和水分利用效率,幼穗分化前,土壤水势降低到-30KPa时进行补充灌溉较-10KPa进行补充灌溉和CF处理皆有利于根系和地上部各器官的生长发育,分蘖及有效穗数的形成;而幼穗分化之后,当土壤水势降低到-10KPa时进行补充灌溉较-30KPa时进行补充灌溉更有利于促进穗粒数,结实率及千粒重的形成,但各参数较CF处理轻微降低。最终膜下滴灌水稻(-30KPa~-10KPa:幼穗分化前,土壤水势降低到-30KPa时进行补充灌溉;幼穗分化后,土壤水势降低到-10KPa时进行补充灌溉)产量与传统淹灌处理持平或更高,水分利用效率是CF处理的2.5倍。在适宜的品种条件下,膜下滴灌水稻在-30KPa~-10KPa的水分管理制度下通过增加单位面积内的有效穗数以促进群体生产力来弥补个体性状(穗粒数、结实率、千粒重)不足。 (9)对于膜下滴灌水稻而言,幼穗分化前对地温较土壤水分含量敏感,而幼穗分化后,膜下滴灌水稻对土壤水分较地温敏感。膜下滴灌水稻实现高产高效的群体结构特征主要表现为:1、0~20cm土层内RLD大且根系活力强;2、较高的粒叶比(颖花数,实粒数与最大叶面积时期之比为0.9,粒重与最大叶面积时期之比为0.02);3、分蘖成穗能力强及分蘖穗较高的收获指数。 上述结果表明:在当前生态条件下(干旱区),DI处理较FIM和FIN处理表现出更高的生产潜力及节水空间;其最高产量可达9000kg ha-1,较CF处理高出2%,且水分利用效率是CF处理的2.5倍。膜下滴灌水稻为干旱区水稻旱作栽培提供了重要的参考依据。
【学位授予单位】:石河子大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:S511

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