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水稻水分生产函数及水氮耦合模型试验研究

陈伟  
【摘要】:我国农业已进入一个作物产量、品质和环境保护并重的多目标时期,在“十二五”期间,东北商品粮基地大面积农业污染控制关键技术和水资源保障关键技术成为水利科技的重点研究方向,而农业氮素损失是引起面源污染的重要原因,因此,研究水稻水氮耦合的经济效益和环境效应意义重大。本文在适宜土壤水分能量调控试验、水分胁迫试验,氮素控制试验及水氮耦合正交试验的基础上研究了辽宁中部地区水稻的适宜土壤水分能量标准、需水规律、水分生产函数及其敏感指数累计曲线、干物质积累规律、氮素积累规律、品质变化、水氮耦合方式、水氮模型等内容,以求为水稻栽培的水、肥管理提供理论依据。主要结果如下: (1)于2010年分别在水稻分蘖前期、分蘖后期、拔节孕穗、抽穗开花、乳熟五个生育阶段进行高产土壤水分能量调控试验,结果表明各生育阶段土壤水分亏缺均有增产效果,得到的高产土壤水分标准为:分蘖前期5~10kPa,分蘖后期不超过35kPa,拔节孕穗期和抽穗开花期均为5-10kPa,乳熟期低于20kPa;分蘖前期5~10kPa的水分胁迫能使水稻产生明显的生长补偿效应,表现为复水后分蘖数、最终根干重、叶干重及产量显著超过对照;在适宜土壤水分能量调控试验基础上对水稻腾发量ET进行研究,结果表明各处理控制时期的ET与充分供水处理ET相比均有不同程度的减少,拔节孕穗和抽穗开花控水ET减少比例最小,但对产量影响最大,是水稻的需水关键期,尽量不要在这两个时期控水;分蘖后期最不敏感,可以重控。对ET典型日变化的研究表明,各处理日均腾发量主要随当日的气象因子而变化;在气象因子相同的情况下,腾发量的大小由各处理的土壤水分能量大小决定,土壤水吸力越大,腾发量就越小。ET强度的逐步回归方程表明总辐射强度、相对湿度和风速是影响腾发强度和水面蒸发强度的主要气象因子,可以解释腾发量的绝大部分变化,其他气象因子可以通过影响影响这三个主要气象因子来间接影响ET。 (2)分别在2011及2012年对水稻分蘖期、拔节孕穗、抽穗开花、乳熟四个生育阶段进行土壤水分能量胁迫试验,对水分胁迫及复水后水稻各生育阶段腾发量ET变化规律进行探索,ET分析结果表明:单一生育阶段土壤水分能量胁迫对水稻胁迫生育阶段ET有显著影响,并可以持续到复水后若干生育阶段,距离胁迫生育阶段越近,所受影响越大;其影响时间和程度要视胁迫阶段而定,分蘖受旱对ET影响持续时间最长,拔节孕穗受旱对ET影响最严重;对于ET来讲,前期受旱(分蘖和拔节孕穗)要比后期(抽穗开花和乳熟)受旱对水稻腾发量影响大;各生育阶段的划分时间不同,可能对后续生育阶段ET的影响程度不同。本研究在此试验基础上探求不同水分胁迫程度对最终产量的影响,并讨论了五种常用水分生产函数(Jensen、Minhas、Blank、Stewart、 Singh)在辽宁中部地区的适用性,结果表明分蘖、拔节受控减产最严重,抽穗、乳熟可以受轻旱,但不能受重控;对辽宁中部地区水稻来讲,Jensen模型和Minhas模型均属合理,但最优的静态水稻水分生产函数模型为Jensen模型;重度控水程度下的水分生产率增加率可以评价产量对各生育阶段缺水的敏感程度,并解释各模型中敏感系数的排序;生长曲线式的Jensen模型敏感系数累计曲线可以用于辽宁省中部地区水稻产量的预测,并求得任意时段的水分敏感系数。 (3)不同施氮量下的控氮试验(2012)表明:氮肥用量的增加,会增加水稻根、茎、叶、穗各器官的生物量;对不同施氮水平下水稻干物质量积累过程的分析表明,正常施氮(N1)、低氮(N0.5、N0)处理的根干重在拔节期达到峰值,但高氮(N2.5、N2、N1.5)处理在抽穗期达到峰值,说明增施氮肥可以延长根干物质积累时间;茎干重在抽穗期达到峰值;叶片对于氮肥用量的敏感性最高,在拔节期末达到峰值;穗干重由拔节期末至乳熟期末一直处于增长过程;各处理植株总干重在各时期均不断增加,至乳熟期末趋于稳定;根、茎、叶等营养器官的减少和总干物质的不断增加,表明生物量由根、茎、叶转移到了穗部。产量分析表明,施氮量对产量有极显著影响,在一定范围内,施氮量越高,产量越大;产量同最终干物质积累量之间的相关系数为0.996(P=0.001);增施氮肥促进了水稻的分蘖,进而增加了水稻产量,产量与最终分蘖数的相关系数高达0.979(P=0.001);在不同施氮水平下,各处理的分蘖峰值和出现时间均不同,N2.5、N2、N1.5峰现时间要比N1、N0.5、N0峰现时间延迟一周,且各处理峰值差异显著。不同施氮水平对水稻最终氮素吸收量也有显著影响,施氮量越多,氮素吸收量就越大;在各器官中,穗部的氮素含量最高,所对应的吸氮量也越大,且产量与穗部氮素吸收量和植株氮素吸收量呈极显著正相关关系。氮肥农学利用率与植株吸氮量、有效穗数呈显著负相关关系,而氮素谷物生产效率、偏生产率及氮素依存率均与水稻产量、干物质重量、吸氮量、有效穗数均呈极显著负相关。控氮试验(2012)品质变化表明,在低氮条下,增施氮肥可以明显提高糙米率和精米率,改善水稻碾米品质;随着施氮量的增加,蛋白质含量显著增加,但水稻的食味值明显的下降;糙米率和精米率均与蛋白含量显著正相关,与直链淀粉含量极显著负相关,与游离脂肪酸含量显著负相关;食味品质较好的稻米RVA特征指标特点为:最高粘度、崩解值高;冷胶粘度、消减值、回复值低。主成份分析表明,随着施氮量的增加,稻米综合品质成下降趋势,不施氮处理得分最高,而施2.5倍氮肥处理得分最低。 (4)水氮耦合多因素正交试验(2012)结果表明,水稻腾发量随着各生育阶段土壤水分的降低而减小,随着施氮量的增加而增加;将氮肥的农学利用率作为氮肥生产效率的评价指标,其最优的组合方式为A2B1CxN1-2;将氮肥的表观利用率,作为水稻对氮肥回收的环境效益指标,其最优组合方式为A1B1C1N1-2;水稻产量最高的最优组合方式为A181C2N3;品质最优水氮组合方式为AxBxCxN1;评价节水灌溉方式优劣的指标是水分生产率,其较优组合为A1-2B1C2-3N3。选用以上五个指标组成综合指标,在各指标权值相同(均为0.2)的情况下,能够提高综合指标的最优组合方式为A1B1C2N2。在2012年的水分胁迫试验、氮肥控制试验及水氮耦合正交试验基础上对已用于小麦的三种水氮耦合模型进行移用修正,并对其适用性及优缺点进行比较,结果表明:水氮最终产量模型、分生育阶段模型(水氮Jensen模型)及其敏感系数累计曲线、BP神经网络模型拟合度较高,均可用于水稻产量的估算;BP神经网络模型的预测精度最高,全生育阶段模型需要资料最少,但适用性最强的是水氮Jensen模型及其水分敏感指数累计曲线。


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