趙宏亮,王 麒 ,曾憲楠 ,宋秋來 ,孫 羽 ,張小明 ,王 萍,王曼力 ,趙雪涵 ,馮延江

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 a.耕作栽培研究所;b.信息中心,哈爾濱 150086;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,哈爾濱 150030)

0 引言

水稻是世界三大糧食作物之一,也是我國的主要糧食作物[1]。秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中重要的有機(jī)肥源[2],隨著秸稈還田技術(shù)的逐步發(fā)展與完善,對其在水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)等方面的影響開展了大量的科學(xué)研究[3-7],但在生產(chǎn)過程中灌溉方法多以傳統(tǒng)淹水灌溉方式為主,耗水量巨大,水資源利用率低[8]。近年來,眾多學(xué)者在秸稈還田和節(jié)水灌溉方式互作的條件下對水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)、溫室氣體排放等方面開展了科學(xué)研究。張武益等研究了不同灌溉方式和秸稈還田對水稻生長的影響,發(fā)現(xiàn)灌溉方式和秸稈還田方式互作對水稻生長的影響效果顯著[9];王春歌等在連續(xù)3年實(shí)施大田定位麥秸稈還田處理的基礎(chǔ)上,對機(jī)插水稻實(shí)施不同灌溉模式處理,發(fā)現(xiàn)輕干濕交替灌溉(土壤水勢下限指標(biāo)-15kPa)是麥秸稈全量還田下機(jī)插稻的適宜灌溉模式[10];楊士紅等研究了秸稈還田對節(jié)水灌溉水稻群體生長指標(biāo)及產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)控制灌溉和秸稈還田的結(jié)合能夠有效促進(jìn)水稻生長、大幅降低灌溉水量[11];成臣等開展了秸稈還田條件下灌溉方式對雙季稻產(chǎn)量的影響研究,發(fā)現(xiàn)間歇灌溉可以實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)[12];周龍艷開展了秸稈還田方式和灌溉模式對水稻產(chǎn)量及品質(zhì)的影響研究,發(fā)現(xiàn)秸稈全量還田下采用干濕交替灌溉方式,其產(chǎn)量和品質(zhì)均顯著提高[13];江峰研究了秸稈還田與灌溉模式對超級粳稻產(chǎn)量形成及溫室氣體排放的影響,發(fā)現(xiàn)秸稈還田條件下干濕灌溉在保證有較高產(chǎn)量的同時顯著降低了溫室氣體的排放[14]。這些研究結(jié)果對在秸稈還田下水稻節(jié)水灌溉方式的發(fā)展與推廣應(yīng)用起到了積極作用。

雖然在秸稈還田技術(shù)、灌溉方式對水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量等方面研究取得巨大進(jìn)步,但將二者相結(jié)合的研究報道較少。為此,在秸稈全量還田下,采取不同的灌溉方式探討了水稻不同品種在不同灌溉方式下的表現(xiàn)差異,以期為水稻秸稈還田下采用節(jié)水灌溉方式適宜品種的選擇提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為水稻品種9份,如表1所示。

表1 供試水稻品種名稱及來源

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)分別于2016年和2017年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院民主園區(qū)水田區(qū)進(jìn)行。供試土壤基本理化性質(zhì)為:有機(jī)質(zhì)29.56g/kg,速效氮79.56mg/kg,速效磷55.84mg/kg,速效鉀168.42mg/kg;土壤類型為黑土。

試驗(yàn)設(shè)1種常規(guī)灌溉方式,即傳統(tǒng)灌溉(Traditional Irrigation,TI);3種節(jié)水灌溉方式,分別為間歇灌溉(Intermittent Irrigation,Ⅱ),控制灌溉I(Control of Irrigation,CI-I),控灌II(Control of Irrigation,CI-II)。具體方法如下:①插秧至返青期。4種灌溉方式均采用淺水層灌溉,田間水層深度為0～20 mm。②分蘗期。傳統(tǒng)灌溉始終保持田間水層深度為100～150mm;間歇灌溉則每7～9天灌溉1次,每次灌溉后田間水層深度保持在20～40 mm,自然落干,反復(fù)交替;控制灌溉I和控制灌溉II實(shí)行定量灌溉,灌溉后田間水層深度分別保持在30 mm和15mm左右。③水稻生長發(fā)育中后期(拔節(jié)孕穗、抽穗開花、乳熟期)。控制灌溉I和控制灌溉II均采用間歇灌溉的方法,但定量灌溉,灌水量同上。④乳熟末期。4種灌溉方式均進(jìn)行排水曬田及遇降雨深蓄不排水的管理措施。

試驗(yàn)于2016年4月15日播種,5月18日移栽,2017年4月18日播種,5月24日移栽。單本栽插的插秧規(guī)格30 cm×13 cm,每小區(qū)種植10行,3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,單排單灌,秸稈還田方式為全量還田。施純氮120 kg/hm2,純磷80 kg/hm2,純鉀50 kg/hm2。其中,氮肥50%,磷肥100%,鉀肥50%作基肥施入,其他同當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)際。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 灌溉水量測定

采用上海佑科儀器儀表有限公司生產(chǎn)的LXS-80水表進(jìn)行灌溉水量測定,計算每次灌溉用水量。

1.3.2 田間水層測定

每種灌溉方式分別放置5把直尺,于灌溉期間讀取水層深度,取5點(diǎn)平均值為該灌溉方式的水層深度。

1.3.3 降雨量

2016年利用田間農(nóng)業(yè)自動氣象站對水稻全生育期內(nèi)的降雨量進(jìn)行收集與統(tǒng)計;2017年降雨量數(shù)據(jù)來源于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)庫共享平臺。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定

成熟期每份材料選取長勢一致的植株5株進(jìn)行產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定,包括有效穗數(shù)、穗長、每穗總粒數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、每穗癟粒數(shù)和千粒質(zhì)量,并計算結(jié)實(shí)率及產(chǎn)量。

1.4 統(tǒng)計分析

利用2016年、2017年兩年試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計與分析,統(tǒng)計軟件為Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0。

2 結(jié)果分析

2.1 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的表現(xiàn)

變異系數(shù)是衡量性狀指標(biāo)中各觀測值差異程度和變異范圍的統(tǒng)計量[15]。4種灌溉方式下,9個水稻品種的8個性狀指標(biāo)的變異系數(shù)存在著明顯差異(見表2),變異系數(shù)最大為癟粒數(shù)。其中,中龍粳2、龍稻22、龍稻17變異系數(shù)較大,分別達(dá)30.54%、29.21%、27.67%;龍稻27變異系數(shù)最小,為9.32%;其次是有效穗數(shù)和產(chǎn)量,變異系數(shù)較小為結(jié)實(shí)率和穗長。由此說明,灌溉方式對不同水稻品種的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均產(chǎn)生影響,為進(jìn)一步分析奠定良好基礎(chǔ)。

2.2 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的相關(guān)分析

對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素進(jìn)行相關(guān)性分析,如表3所示。由表3可以看出:有效穗數(shù)與每穗實(shí)粒數(shù)、每穗癟粒數(shù)、每穗總粒數(shù)呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān),與千粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān);穗長與結(jié)實(shí)率呈顯著正相關(guān);每穗實(shí)粒數(shù)與每穗癟粒數(shù)、每穗總粒數(shù)、產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān),與千粒質(zhì)量呈極顯著負(fù)相關(guān);每穗癟粒數(shù)與每穗總粒數(shù)、產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān),與結(jié)實(shí)率呈極顯著負(fù)相關(guān);每穗總粒數(shù)與結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量呈極顯著負(fù)相關(guān),與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān);結(jié)實(shí)率與產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)。由此可知,水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素間存在著一定的相關(guān)性,存在著相互交叉或疊加效應(yīng);同時,各單項(xiàng)指標(biāo)對灌溉方式的反應(yīng)也不盡相同,不能準(zhǔn)確反應(yīng)灌溉方式對水稻品種產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響,可進(jìn)一步做主成分分析。

表2 不同水稻品種的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的表現(xiàn)

續(xù)表2

表3 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的相關(guān)分析

2.3 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的主成分分析

利用SPSS對4種灌溉方式下的9個水稻品種的8個性狀進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后,對其進(jìn)行主成分分析,結(jié)果如表4所示。由表4可知:第1主成分特征值為3.97,貢獻(xiàn)率為49.59%;第2主成分特征值為1.59,貢獻(xiàn)率為19.88%;第3主成分特征值為1.07,貢獻(xiàn)率為13.34%,前3個主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)82.81%,且3個主成分的特征值均>1,能夠有效地解釋原始變量的基本信息,符合主成分分析的要求。因此,可以用前3個主成分代替上述8個性狀對不同水稻品種在4種灌溉方式下的表現(xiàn)進(jìn)行綜合分析。

表4 水稻品種產(chǎn)量及其構(gòu)成因素特征向量及貢獻(xiàn)率

分別用Z1、Z2、Z3表示前3個主成分,水稻品種產(chǎn)量及其構(gòu)成因素主成分載荷矩陣如表5所示。由表5可知:在第1主成分Z1中,每穗總粒數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)的載荷值較大,分別為0.95、0.84;在第2主成分Z2中,結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量載荷值較大,分別為0.67、-0.52;在第3主成分Z3中,有效穗數(shù)、穗長的載荷值較大,分別為0.60、-0.54。綜上可知,提取的3個主成分涵蓋了大部分性狀指標(biāo),能夠反映原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息。因此,可利用這3個新變量代替原來的8個變量做進(jìn)一步分析。

表5 水稻品種產(chǎn)量及其構(gòu)成因素主成分載荷矩陣

2.4 基于主成分的綜合評價

利用各主成分的載荷值除以其相應(yīng)特征值的算術(shù)平方根,得到各主成分中每個性狀所對應(yīng)的特征向量(見表6),則3個主成分的得分表達(dá)式分別為

Z1=-0.26x1-0.16x2+0.42x3+0.41x4+0.48x5-

0.32x6-0.29x7+0.39x8

Z2=-0.37x1+0.36x2+0.33x3-0.374+0.15x5+

0.53x6-0.41x7-0.11x8

Z3=0.58x1-0.52x2+0.15x3-0.28x4+0.05x5+

0.35x6-0.23x7+0.35x8

以每個主成分所對應(yīng)的的特征值占所提取主成分的特征值之和的比例作為權(quán)重,構(gòu)建主成分綜合評價模型,即

Z=0.60Z1+0.24Z2+0.16Z3

表6 水稻品種產(chǎn)量及其構(gòu)成因素主成分特征向量

根據(jù)3個主成分的線性組合及綜合得分公式,獲得各水稻品種在4種灌溉方式下的主成分得分和綜合得分,如表7所示。9個水稻品種中,主成分綜合得分越高,該品種在相應(yīng)的灌溉方式下表現(xiàn)越好。由表7可知:在秸稈還田條件下,龍稻14(排名9)、龍稻17(排名16)、龍香稻2(排名17)在傳統(tǒng)灌溉方式下的綜合得分最高,其次是間歇灌溉和控制灌溉I,說明這3個水稻品種在保證水分供給充足的條件下才能夠獲得較高的產(chǎn)量;中龍粳2(排名1)、龍稻27(排名2)、中龍粳3(排名11)、龍稻7(排名18)、龍稻26(排名20)、龍稻22(排名27)在間歇灌溉下的綜合得分最高,其次是傳統(tǒng)灌溉和控制灌溉I,說明這6個水稻品種可適當(dāng)?shù)販p少水分供給,同時采取干濕反復(fù)交替的灌溉方法,有利于獲得較高的產(chǎn)量;9個水稻品種在控制灌溉II灌溉方式下的綜合得分均最低,說明在水分供給減少到一定程度時不利于水稻的生長發(fā)育及產(chǎn)量形成。

表 7 不同灌溉方式下水稻品種主成分及綜合得分

3 結(jié)論與討論

相關(guān)分析表明,秸稈還田條件下4種灌溉方式9個水稻品種的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素間存在著顯著或極顯著的相關(guān)性,即各因素間傳遞的信息有一定的重疊性,利用單個因素不能對其進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。主成分分析是利用降維的思想,從原始指標(biāo)中提取出更少的幾個不相關(guān)的新指標(biāo),可用于解釋原始指標(biāo)里所包含的信息[16-17],使結(jié)果更客觀、可靠[18],目前已在水稻農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量、品質(zhì)等方面分析中得到了廣泛應(yīng)用[19-23]。本研究通過主成分分析,將9份水稻品種的8個性狀簡化為3個彼此不相關(guān)的綜合指標(biāo),且其累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)82.81%,并依據(jù)這 3個主成分的特征值及其載荷矩陣建立了各主成分的得分表達(dá)式,獲得了9個水稻品種在4種灌溉方式下的綜合得分及排名。由主成分分析結(jié)果可知:龍稻14、龍稻17、龍香稻2在傳統(tǒng)灌溉方式下的表現(xiàn)最好,其次是間歇灌溉和控制灌溉I;中龍粳2、龍稻27、中龍粳3、龍稻7、龍稻26、龍稻22在間歇灌溉方式下表現(xiàn)最好,其次是傳統(tǒng)灌溉和控制灌溉I。實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)選擇穗粒數(shù)多(第1主成分)、結(jié)實(shí)率高(第2主成分)、千粒質(zhì)量大(第2主成分)、有效穗數(shù)多(第3主成分)的品種,以保證在秸稈還田下采用節(jié)水灌溉方式獲得高產(chǎn)。

近年來,眾多科研工作者在灌溉方式對水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、品質(zhì)等方面的影響進(jìn)行了大量研究。褚光利用武運(yùn)粳24、揚(yáng)兩優(yōu)6號和甬優(yōu)2640研究了干濕交替灌溉對水稻產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)干濕交替灌溉顯著提高3個水稻品種的產(chǎn)量[24];呂銀斐等以中優(yōu)849為供試材料,研究了常規(guī)淹水灌溉、干濕交替灌溉和濕潤灌溉 3 種灌溉方式對水稻生長、產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)干濕交替灌溉能增加產(chǎn)量 12.63%,而濕潤灌溉產(chǎn)量降低[25];劉江彪等以29個水稻品種為材料,開展了節(jié)水灌溉與常規(guī)灌溉對水稻生育動態(tài)及產(chǎn)量的影響研究,發(fā)現(xiàn)節(jié)水灌溉下水稻穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量均高于常規(guī)灌溉[26]。本研究結(jié)果表明:秸稈還田下9個供試水稻品種在3種節(jié)水灌溉方式下,大多數(shù)品種表現(xiàn)較好,個別品種表現(xiàn)相對較差,但整體上節(jié)水灌溉能夠有效促進(jìn)水稻產(chǎn)量的提高,這與前人研究結(jié)果相一致。雖然這些研究所用水稻品種不盡相同,采用的節(jié)水灌溉方式不同,其研究結(jié)果也存在著一定的差異,但大多研究結(jié)果表明節(jié)水灌溉方式均能促進(jìn)多數(shù)水稻品種的生長發(fā)育及產(chǎn)量提高。