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水稻是我国最主要的口粮作物,我国有60%以上的人口以稻米为主食,提高和稳定稻米总量对保障我国粮食安全十分重要^[1,2]。水稻是耗水量较大的作物,水稻生产用水占农作物用水的60%~70%。我国水资源短缺,近年旱灾频发,解决水稻产量需求和干旱缺水之间的矛盾是我国面临的最严重的粮食问题之一^{[1,2,3,4,5,6,7]}。解决这一问题,需改善农田环境,提高水分利用效率,更需培育和推广抗旱性强、农艺性状优良的水稻新品种。旱稻是适应旱地种植的栽培稻,是水稻的变异型^[3]。与水稻不同,旱稻是完全在旱田条件下栽培,只要土壤中保持一定的水分,就可以正常生长。旱稻旱种旱管的栽培模式省去了育秧、泡田和插秧等环节,可节约灌溉用水和人工投入,是一项省时、省工和省水的栽培方式^[8]。旱稻的开发和利用对保障国家粮食安全、改善农业生态环境、促进农业可持续发展具有重要意义。

目前对旱稻的研究多集中于水种和旱种条件下植株的生长变化方面,而针对在某一生育时期不同水分处理对旱稻生长影响的研究相对较少,尤其是对高纬度高寒地区旱稻的研究更少。因此,本研究对拔节孕穗期不同土壤水分处理对不同旱稻品种生长发育及产量的影响进行了分析,探索寒地旱稻拔节孕穗期最适土壤含水量,为旱稻灌溉方式的优化提供理论依据和技术支持。

供试旱稻品种为旱稻74和旱稻80。旱稻74生育期为128~130d,株高83cm左右,穗长16.5cm左右,穗粒数95粒左右,籽粒为长粒型,千粒重26.3g左右;旱稻80生育期为126~128d,株高88cm左右,穗长16.0cm左右,穗粒数90粒左右,籽粒为圆粒型,千粒重27.0g左右。

1.2.1 试验设计 试验于2017年在黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院抗旱棚内进行。在旱稻拔节孕穗期设置55%~65%（T1）、65%~75%（T2）、75%~85%（T3）、85%~95%（T4）和95%~100%（对照,CK）5个土壤水分梯度,其中CK处理土壤水分处于饱和状态。旱稻播种出苗期、分蘖期、抽穗期、乳熟期和黄熟期土壤含水量分别为75%~85%、65%~75%、85%~90%、75%~85%和75%~85%。灌溉水分用土壤相对含水量来表示。

试验为盆栽试验,人为控制土壤水分。试验盆钵上口直径30cm,下口直径20cm,盆高26cm,每盆装风干土10kg。土壤基础肥力：有机质26.8g/kg、碱解氮109.1mg/kg、速效磷26.4mg/kg、速效钾128.3mg/kg,pH值为7.0。于4月28日播种,每个处理重复3次,每个重复设3盆,每盆播30粒稻种,待立针后间苗,每盆留10株生长均匀一致的植株。在旱稻整个生育期内,通过土壤水分测定仪实时监测土壤含水量,并按照土壤含水量处理水平进行补灌。施肥总量同当地常规管理：N 133kg/hm²、P₂O₅ 46kg/hm²、K₂O 75kg/hm²;施氮比例按底肥:分蘖肥:穗肥=6:3:1施入,磷肥全部作底肥,钾肥50%作底肥,50%作穗肥。

1.2.2 测定项目 各处理从播种开始记载各关键生育时期。拔节孕穗期,各处理分别定点10株测定植株株高和单株茎蘖数,每7d测定1次。拔节孕穗期水分处理结束后,各处理分别取5株代表性植株,将植株按地上部与地下部分别于105℃杀青30min,经80℃烘干至恒重,称量单株干重。稻谷成熟时,各处理分别取5株带回室内考察株高、穗长、单株有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重。以上取样均是在各处理3次重复的不同盆钵中选取。

1.2.3 数据分析 采用Excel 2010和DPS统计分析软件进行数据处理。

由表1可见,2个供试品种在拔节孕穗期经不同水分处理后,抽穗期和成熟期均有不同程度的延后。旱稻74 T1~T4处理的抽穗期较CK分别延迟5、3、2和2d,成熟期较CK分别延迟5、3、1和1d;旱稻80 T1~T4处理的抽穗期较CK分别延迟5、3、3和0d,成熟期较CK分别延迟5、4、4和1d;2个品种延迟天数均为T1>T2>T3>T4。旱稻74和旱稻80在拔节孕穗期水分胁迫条件下均表现为生长发育缓慢,生育进程推迟,且随着干旱胁迫的加重,生育期延后的天数越多。拔节孕穗期水分胁迫对旱稻80的影响程度大于旱稻74。

如图1所示,对比拔节孕穗期不同水分处理下2个旱稻品种的株高变化可知,旱稻74 T1~T4处理的株高较CK降低了2.4%~8.8%,旱稻80各水分处理较CK降低了6.4%~12.9%。2个旱稻品种在各水分处理下的株高降低幅度为T1>T2>T3>T4,说明随拔节孕穗期水分胁迫的加重,株高增长幅度逐渐降低。旱稻74的株高降低幅度小于旱稻80,可见水分胁迫对旱稻74影响相对较小。

如图2所示,对比拔节孕穗期不同水分处理2个旱稻品种的单株茎蘖数可知,旱稻74和旱稻80在T1~T4处理的单株茎蘖数分别较CK减少了7.9%~20.6%和4.7%~34.9%,降低幅度均为T1>T2>T3>T4,说明旱稻单株茎蘖数随拔节孕穗期水分胁迫的加重呈减少的趋势。在水分胁迫条件下,旱稻74的单株茎蘖数下降幅度小于旱稻80。

如表2所示,对比拔节孕穗期不同水分处理下2个旱稻品种的单株干重可知,旱稻74和旱稻80的单株干重均表现为CK>T4>T3>T2>T1,即随着水分胁迫的加重2个旱稻品种的单株干重均呈下降趋势。在CK条件下,旱稻74地上部和地下部干重分别为1.768和0.780g,旱稻80分别为1.955和0.479g,2个旱稻品种的地上部和地下部干重均与其他处理达到显著差异。在T1~T4处理下,旱稻74地上部和地下部干重分别较CK降低4.0%~35.1%和9.7%~49.5%,旱稻80分别较CK降低7.8%~37.6%和9.6%~19.6%,降低幅度均为T1>T2>T3>T4。旱稻74地上部干重的降低幅度小于旱稻80,而地下部干重的降低幅度大于旱稻80。

如表3所示,拔节孕穗期2个旱稻品种的产量性状受水分影响不同。单株有效穗数变化较小,穗粒数、结实率和千粒重随着水分的减少呈下降趋势。穗粒数受水分胁迫的影响显著,旱稻74和旱稻80 T1~T4处理的穗粒数分别比CK降低了29.5%、27.5%、23.9%、23.7%和15.5%、13.3%、10.8%、4.6%,各处理间均达到显著差异水平,其中,旱稻74各处理下穗粒数下降幅度均在20%以上,旱稻80的穗粒数下降幅度小于旱稻74,说明旱稻74对拔节孕穗期水分胁迫反应更为敏感。旱稻74的结实率和旱稻80的千粒重在各处理间均达到显著差异水平,旱稻74的千粒重在T2与T3、T4与CK处理间均无显著差异,旱稻80的结实率在T3、T4和CK处理间均无显著差异。

2个旱稻品种单株产量均随土壤水分的减少呈下降趋势,各处理间的产量差异均达到显著水平。旱稻74 T1~T4处理的单株产量较CK分别降低了47.5%、37.4%、30.2%和27.0%;旱稻80 T1~T4处理的单株产量较CK分别降低了29.6%、18.0%、13.2%和9.4%。旱稻74的减产幅度高于旱稻80。

随着全球水资源的日益贫乏和旱灾的日趋严重,研究栽培稻在生长发育过程中对水分的需求,合理优化灌溉条件愈来愈重要。许多学者研究了水稻和旱稻农艺性状与生态适应性之间的关系,结果表明,水稻和旱稻在水分胁迫下生育期推迟,株高降低,有效分蘖数减少,分蘖成穗率降低^{[9,10,11,12,13,14]}。Chauhan等^[15]指出,拔节期水分胁迫会降低水稻株高、总干重以及穗重。本研究表明,在拔节孕穗期受到水分胁迫的2个旱稻品种均表现为生育期延后,且水分越少表现越明显,即使在后期减轻水分胁迫,2个旱稻品种的生育期仍比正常处理延后1~5d;株高、茎蘖数和单株干重也随着水分的减少呈下降趋势,与前人研究结果一致。同时发现,旱稻74的生育期、株高、茎蘖数和单株干重降低幅度小于旱稻80,说明旱稻74在水分胁迫下具有较强的适应能力。

旱稻单株产量由单株有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重4个因素构成,每个因素都会导致产量的变化。国内外学者对水分胁迫下造成旱稻产量下降的原因进行了大量研究,有学者认为,拔节期水分胁迫使旱稻吐穗延迟且不完全,导致小穗高度不育,产量的下降主要是由于穗数、单粒重和结实率下降导致^[15]。另有学者认为,水分胁迫下水稻、旱稻产量的下降主要是由于每穗总粒数、结实率和千粒重的下降^{[16,17,18,19]}。陈斌^[13]研究表明,随着土壤含水量的递增,每穗总粒数（实粒数）和结实率均表现出递增的趋势,不同灌溉处理间产量、每穗实粒数均有着显著差异。本试验表明,拔节孕穗期土壤相对含水量低于95%时,随着水分的减少,2个旱稻的单株有效穗数变化较小,穗粒数、结实率和千粒重降低,尤其是穗粒数降低幅度最大,进而导致旱稻的最终产量显著降低,这与陈斌^[13]研究结果相近。

各生育期水分胁迫都会影响水稻和旱稻的产量。程建峰等^[19]研究发现,旱稻不同时期灌溉,产量间达差异显著,并指出孕穗期是旱稻对水分胁迫最为敏感的时期。张军等^[20]研究认为,旱稻抗旱能力虽强,但在孕穗期对水分胁迫仍较为敏感。邵玺文等^[21]也得出,在拔节孕穗期缺水使水稻减产严重。本研究得出,旱稻在拔节孕穗期的土壤相对含水量应保持在95%以上,否则会影响旱稻最终产量,与上述结论基本一致。本研究结果还表明,在拔节孕穗期受到水分胁迫,旱稻74比旱稻80减产幅度大,这可能与旱稻74穗粒数降低幅度显著低于旱稻80有关;旱稻74的产量性状对水分胁迫变化更加敏感,在水分胁迫条件下旱稻80具有更好的稳产性。

在拔节孕穗期,旱稻74的农艺性状受水分胁迫的影响小于旱稻80,但其产量及产量性状受水分胁迫影响却明显高于旱稻80,这应与不同旱稻品种地上部和地下部干重的分配有关。旱稻80地上部干重及所占分配比例较旱稻74高,更利于获得较高的产量。

旱稻作为旱地直播栽培的稻类作物,具有较强的抗旱能力,发展旱稻来满足稻米需要,是缓解水资源紧张,保证稻米安全的途径之一,尤其适合水资源贫乏的半干旱地区。本试验中,为保证试验结果的准确性进行了精准补灌,使土壤水分始终保持在试验设计要求控制范围内,本试验是通过盆栽方式对2个旱稻品种在拔节孕穗期进行水分胁迫处理,但这与大田实际生产中土壤耕层水分动态变化不同,因此试验结果还需要在大田试验中进行进一步验证。

拔节孕穗期不同土壤水分处理对旱稻生长发育及产量的影响不仅与水分胁迫强度有关,而且旱稻不同品种间不同性状对水分胁迫的反应也不尽相同。在土壤相对含水量低于95%时,2个品种表现生长发育缓慢,生育进程推迟,各农艺性状指标及产量指标显著降低,且土壤相对含水量的越低,对旱稻影响越严重。旱稻在拔节孕穗期的土壤相对含水量应保持在95%以上,否则将会影响旱稻最终产量。旱稻74各农艺性状指标降低幅度小于旱稻80,但其减产幅度高于旱稻80。水分胁迫下旱稻80稳产性相对较好。