于艷梅， 李芳花， 姜麗霞， 孟 巖

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院， 黑龍江 哈爾濱 150080； 2.黑龍江省氣象科學(xué)研究所， 黑龍江 哈爾濱 150030)

1 研究背景

黑龍江省地處中高緯寒地地區(qū)，受西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)和副熱帶環(huán)流系統(tǒng)交替影響，降水存在復(fù)雜的時(shí)空分布特征和季節(jié)、年際變化明顯，夏季多雨，大雨、暴雨較為集中[1]。黑龍江省境內(nèi)水系交錯(cuò)，河流縱橫，有黑龍江、松花江(含嫩江)、烏蘇里江、綏芬河四大水系[2]。黑龍江省各大流域分布著極其豐富的稻田，2017年全省水田面積達(dá)到410.47×104hm2，主要集中在三江和松嫩兩大平原。自然和地理?xiàng)l件相輔相承，導(dǎo)致黑龍江省相對(duì)易發(fā)洪澇災(zāi)害和嚴(yán)重內(nèi)澇，僅2013年特大洪水就造成了農(nóng)作物受災(zāi)面積265.4 ×104hm2、成災(zāi)面積185×104hm2、絕收面積81.5×104hm2[3-4]。洪澇災(zāi)害常常造成大幅度減產(chǎn)，水稻產(chǎn)量因洪澇平均受損10%以上[1]，對(duì)糧食生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

對(duì)于作物洪澇的影響開展了較多工作，王礦等[5-7]采用測(cè)桶移位受淹試驗(yàn)，研究了淹水條件下水稻生理性狀與產(chǎn)量要素響應(yīng)特征。梅少華等[8]采用系統(tǒng)調(diào)査分析法，對(duì)超級(jí)稻和常規(guī)稻的洪澇災(zāi)害進(jìn)行影響分析，分別討論了根系、苗期、株高、生育進(jìn)程、產(chǎn)量構(gòu)成因素對(duì)澇害的反應(yīng)。謝彥等[9]通過對(duì)峽江縣贛江流域調(diào)查得出結(jié)論：洪澇導(dǎo)致的幼穗壞死、花粉破壞是早稻減產(chǎn)的主要原因，對(duì)中稻主要影響是分蘗推遲，生育期延長(zhǎng)。徐鵬等[10]的研究結(jié)果表明處于分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期水稻的葉面積指數(shù)會(huì)隨淹水深度增加而降低。寧金花等[11-14]在湖南省長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，開展了以雜交稻為試材淹水前后水稻綠葉數(shù)、氣生根、倒伏狀況、產(chǎn)量構(gòu)成等因素一系列研究。諸多研究基本明確了南方水稻受洪澇災(zāi)害影響后的生育性狀、產(chǎn)量狀況，但在洪澇致災(zāi)機(jī)制、致災(zāi)的臨界閾值、不同程度的災(zāi)損量化指標(biāo)以及綜合評(píng)估技術(shù)等問題上仍較模糊，而對(duì)于寒地水稻的相關(guān)研究基本未見。本文通過試驗(yàn)觀測(cè)，研究不同淹水深度、不同淹水歷時(shí)、同一淹水深度不同淹水歷時(shí)以及不同淹水深度同一淹水歷時(shí)對(duì)寒地水稻生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響，為建立寒地水稻洪澇致災(zāi)的閾值指標(biāo)提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而為洪澇災(zāi)害影響評(píng)估提供基本依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

水稻淹水試驗(yàn)于2017年5-10月在慶安國(guó)家灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站進(jìn)行，試驗(yàn)站地處127°30′04″E，46°52′41″N，臨界于第二積溫帶和第三積溫帶之間。慶安國(guó)家灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站多年平均氣溫為1.69 ℃，氣候變化幅度大，年極端最高氣溫出現(xiàn)在7月份，達(dá)36.7 ℃，極端最低氣溫出現(xiàn)在1月份，達(dá)-44.9 ℃。多年平均大于等于10 ℃的積溫為2 500～2 700 ℃。無(wú)霜期為128 d左右，受大陸性季風(fēng)的影響，春季西南風(fēng)居多，夏季南風(fēng)較多，秋季西風(fēng)為最多，冬季西北風(fēng)偏多。春季風(fēng)為最大，占全年風(fēng)日的70%，平均風(fēng)速4.6 m/s。最大凍土深度2.06 m，多年平均降水量為578.5 mm，多年平均蒸發(fā)量為764.5 mm。土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量4.14 g/kg，pH值6.40，全氮15.06 g/kg，全磷15.23 g/kg，全鉀20.11 g/kg，堿解氮154.36 mg/kg，有效磷25.33 mg/kg和速效鉀157.25 mg/kg。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為龍稻18(黑審稻2014005)，在適應(yīng)區(qū)出苗至成熟生育日數(shù)140 d左右，需大于等于到10℃活動(dòng)積溫2 600 ℃，該品種主莖13片葉，長(zhǎng)粒型，株高98 cm左右，穗長(zhǎng)22 cm左右，每穗粒數(shù)約140粒，千粒重約27 g。

在水稻拔節(jié)孕穗期初期(移栽后第57 d，7月14日)，采用淹水深度和淹水歷時(shí)來(lái)模擬洪澇脅迫強(qiáng)度，試驗(yàn)采用隨機(jī)設(shè)計(jì)，以不淹水(CK)為對(duì)照處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，試驗(yàn)處理情況見表1。其中，淹水深度設(shè)3個(gè)水平，分別為株高的1/3(1/3h，水深20 cm)、2/3(2/3h，水深40 cm)、3/3(3/3h，水深60 cm，全淹沒)。淹水歷時(shí)設(shè)2個(gè)水平，分別為3 d和7 d。試驗(yàn)小區(qū)除淹水處理以外，其余均以大田種植方式管理。在小區(qū)四周開挖1 m深溝槽鋪設(shè)土工膜以防止側(cè)滲，地上部分預(yù)留1 m土工膜，進(jìn)行淹水試驗(yàn)時(shí)，在小區(qū)上安裝加高擋水框架，將鋪設(shè)好的土工膜固定到框架頂端，以滿足淹水功能，示意圖如圖1所示。

圖1 淹水裝置剖面圖

3 結(jié)果分析

3.1 不同淹水處理?xiàng)l件下水稻分蘗的變化規(guī)律

圖2和圖3分別為淹水歷時(shí)3 d和7 d不同淹水深度水稻全生育期莖蘗動(dòng)態(tài)變化及日增長(zhǎng)量變化。不同淹水歷時(shí)、淹水深度處理的水稻分蘗數(shù)量的變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)出隨生育期延續(xù)先迅速增大后逐漸減小的變化規(guī)律。水稻在移栽后第47～52 d(7月4日-7月9日，分蘗末期)各處理分蘗數(shù)達(dá)到最大值。水稻在移栽后第57 d(7月14日，拔節(jié)孕穗期初期)進(jìn)行淹水處理后，當(dāng)淹水歷時(shí)為3 d時(shí)(圖2所示)，淹水深度為1/3h、2/3h和3/3h處理的水稻分蘗數(shù)分別降低22.94%、28.57%和30.60%。當(dāng)淹水歷時(shí)為7 d時(shí)(圖3所示)，淹水深度為1/3h、2/3h和3/3h處理的水稻分蘗數(shù)分別降低15.04%、35.66%和48.13%，對(duì)照處理的水稻分蘗數(shù)降低24.80%。以上數(shù)據(jù)分析表明，隨著淹水深度的增加，莖蘗消亡的幅度增大。其中，淹水深度為1/3h時(shí)，淹水歷時(shí)3 d和7 d處理的水稻莖蘗消亡幅度均小于對(duì)照處理，而且淹水歷時(shí)7 d的處理比淹水歷時(shí)3 d的莖蘗消亡幅度小，說(shuō)明淹水深度為1/3h能夠降低莖蘗消亡。這可能是由于拔節(jié)期正處于小穗原始分化階段，對(duì)照植株已形成幼穗，而淹水抑制小穗分化，幼穗雖仍可伸長(zhǎng)，但卻使幼穗發(fā)育失去平衡，最后不能抽穗，出現(xiàn)了高節(jié)位的分支現(xiàn)象[15]，陸魁東等[16]研究也表明拔節(jié)期淹澇脅迫的高位分蘗率最高。淹水深度為2/3h和3/3h時(shí)，隨著淹水歷時(shí)的延長(zhǎng)，莖蘗消亡的幅度也逐漸增大，淹水深度為全淹沒、淹水歷時(shí)7 d的莖蘗消亡幅度最大。

表1 淹水試驗(yàn)試驗(yàn)處理

圖2 水稻莖蘗動(dòng)態(tài)變化及日增長(zhǎng)量變化(淹水歷時(shí)：3 d)

圖3 水稻莖蘗動(dòng)態(tài)變化及日增長(zhǎng)量變化(淹水歷時(shí)：7 d)

3.2 不同淹水處理?xiàng)l件下水稻株高的變化規(guī)律

淹水歷時(shí)3 d和7 d處理的水稻株高動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本相同，均體現(xiàn)出水稻對(duì)淹水逆境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。淹水排水后(移栽后第65 d，7月22日)，淹水歷時(shí)3 d(圖4所示)，淹水深度為1/3h、2/3h和3/3h處理的水稻株高分別增加4.87%、9.35%和15.40%，淹水歷時(shí)7 d(圖5所示)，淹水深度為1/3h、2/3h和3/3h處理的水稻株高分別增加12.10%、13.90%和18.51%，隨著淹水深度增加，水稻株高增長(zhǎng)幅度越大，淹水歷時(shí)越長(zhǎng)，水稻株高增幅越明顯。其中，淹水歷時(shí)3 d，淹水深度為1/3和2/3h處理的株高增加幅度均小于對(duì)照組，而其他處理水稻株高平均增加13 cm。水稻在長(zhǎng)時(shí)間沒頂淹沒情況下，葉鞘、葉片在水中仍可生長(zhǎng)，以伸出水面維持呼吸作用，株高最大增加15.4 cm(3/3h、7 d處理)，比對(duì)照處理增高5.8 cm，這是由于淹水營(yíng)造的缺氧誘導(dǎo)環(huán)境，使得植株體內(nèi)乙烯含量和赤霉素濃度的增加刺激了細(xì)胞的分裂和伸長(zhǎng)[5-7]。隨淹水脅迫效應(yīng)的解除，水稻出水后植株葉片因重力作用漸漸下垂，水稻自然株高最終接近對(duì)照處理。

3.3 不同淹水處理?xiàng)l件下水稻產(chǎn)量的變化規(guī)律

水稻產(chǎn)量是由多方面因素綜合作用的結(jié)果，且水稻具有一定的生物學(xué)耐澇性，可以通過自身的適應(yīng)和調(diào)整，克服短期淹澇對(duì)其生物結(jié)構(gòu)和功能、產(chǎn)量性狀所構(gòu)成的脅迫[17-19]。如表2所示，相對(duì)于對(duì)照處理，1/3h(3 d)、2/3h(3 d)、3/3h(3 d)、1/3h(7 d)、2/3h(7 d)和3/3h(7 d)處理的水稻產(chǎn)量分別降低12.00%、6.62%、41.03%、15.75%、9.26%和46.63%。淹水深度是造成水稻在淹澇脅迫下產(chǎn)量降低的重要影響因素之一，隨著淹澇強(qiáng)度增大，其對(duì)水稻的危害也不斷加劇，無(wú)論是淹水歷時(shí)3 d還是7 d處理，隨著淹水深度增加，穗結(jié)實(shí)粒數(shù)不斷減少，結(jié)實(shí)率也逐漸降低。不同淹水深度對(duì)水稻產(chǎn)量的影響存在明顯差異，其中全淹沒(3/3h)對(duì)水稻產(chǎn)量危害最大，淺水淹澇危害則相對(duì)較小，這是因?yàn)槿蜎]使水稻植株嚴(yán)重缺氧，其生理代謝受到嚴(yán)重阻礙，而淺水淹澇條件下水稻仍有部分葉片露出水面，根部可以通過其發(fā)達(dá)的通氣系統(tǒng)獲得部分氧氣，露出水面的葉片可以正常進(jìn)行光合作用，其積累的光合產(chǎn)物可以用作抵御短期淹澇的消耗[19-20]。水稻在淹澇脅迫下的產(chǎn)量損失還受淹水歷時(shí)的影響，同一淹水深度，淹水歷時(shí)7 d比3 d的水稻產(chǎn)量分別降低4.27%、2.83%和9.49%，由以上數(shù)據(jù)分析可知，淹水歷時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)，其減產(chǎn)幅度越大。

圖4 水稻株高及日增長(zhǎng)量變化(淹水歷時(shí)：3 d)

圖5 水稻株高及日增長(zhǎng)量變化(淹水歷時(shí)：7 d)

處理穗結(jié)實(shí)粒數(shù)結(jié)實(shí)率/%千粒重/g產(chǎn)量/(kg·hm-2)1/3 h、3 d938622.937731.332/3 h、3 d798226.198203.753/3 h、3 d606723.155180.961/3 h、7 d739123.527401.352/3 h、7 d729125.627971.513/3 h、7 d706522.624689.06CK(對(duì)照)967624.998785.16

4 結(jié)論與討論

(1)關(guān)于淹澇脅迫對(duì)水稻分蘗的影響研究多集中在分蘗期[6,19]，而本研究發(fā)現(xiàn)拔節(jié)期淹水對(duì)水稻分蘗具有顯著的影響，當(dāng)淹水深度為1/3h時(shí)，莖蘗消亡幅度小于對(duì)照處理，淹水歷時(shí)7 d比淹水歷時(shí)3 d的莖蘗消亡幅度小。淹水深度為2/3h和3/3h時(shí)，隨著淹水歷時(shí)的延長(zhǎng)，莖蘗消亡幅度逐漸增大。

(2)水稻在受到淹澇脅迫時(shí)會(huì)出現(xiàn)節(jié)間伸長(zhǎng)，株高增高的現(xiàn)象[21-22]。本研究結(jié)果表明，淹水深度逐漸增加，水稻株高增長(zhǎng)幅度越大，淹水歷時(shí)越長(zhǎng)，水稻株高增幅越明顯，株高最大增加15.4 cm，比對(duì)照處理增高5.8 cm。這與王礦等[5,7]采用測(cè)桶移位受淹試驗(yàn)結(jié)果類似，沒頂淹水6 d高于對(duì)照組10 cm左右。

(3)水稻在淹澇脅迫下產(chǎn)量降低，隨著淹澇強(qiáng)度增大，其對(duì)水稻的危害也不斷加劇。長(zhǎng)時(shí)間沒頂淹澇(3/3h、7 d處理)對(duì)水稻產(chǎn)量危害最大，產(chǎn)量降低46.63%。有研究報(bào)道表明生殖生長(zhǎng)階段水稻受澇對(duì)產(chǎn)量的危害高于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段[19]，但這些差異可能與不同學(xué)者采用的研究材料、試驗(yàn)方法和淹澇脅迫處理等條件不一致有關(guān)，但不同生育期之間淹澇脅迫對(duì)產(chǎn)量的影響，需要開展進(jìn)一步的研究。