李衣菲,劉少東2,衣淑娟

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163319;2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 土木水利學(xué)院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

黑龍江省氣候寒冷但土質(zhì)肥沃,是我國(guó)優(yōu)質(zhì)的粳稻種植區(qū)。由于黑龍江省地處高緯度地區(qū),作物生長(zhǎng)期短,不利于水稻生長(zhǎng)發(fā)育,嚴(yán)重影響水稻產(chǎn)量及稻米質(zhì)量。在室內(nèi)適宜的人工環(huán)境條件下浸種、催芽和育秧,是延長(zhǎng)寒區(qū)水稻生長(zhǎng)期的重要生產(chǎn)措施[1]。優(yōu)質(zhì)秧苗有利于機(jī)械化插秧作業(yè),可促進(jìn)秧苗大田生長(zhǎng)發(fā)育。秧苗素質(zhì)與浸種催芽環(huán)節(jié)關(guān)系密切[2]。 浸種催芽是為稻種萌發(fā)提供適宜的水分、氧氣、溫度環(huán)境條件。

以黑龍江省農(nóng)墾建三江管理局為代表的黑龍江農(nóng)墾水稻種植區(qū),傳統(tǒng)水稻浸種催芽一般采用兩階段法。浸種階段將稻種浸泡于11～12 ℃低溫水中10 d左右,以滿(mǎn)足其吸水要求;催芽階段采用間歇浸泡、噴淋或蒸汽等措施將稻種溫度控制在25～28 ℃,以向其提供充足氧氣和水分。該方法實(shí)質(zhì)上是在不同階段分別向稻種提供水分、氧氣和溫度條件。其弊端在于,長(zhǎng)時(shí)間浸泡易導(dǎo)致稻種缺氧,最終降低整體發(fā)芽率并對(duì)芽種質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

浸種催芽方法在我國(guó)探討和實(shí)踐較早,浸種外部條件對(duì)稻種發(fā)芽率有較大影響,主要包括浸種時(shí)間、浸種水溫、氧氣條件等。劉維寶等[3]及錢(qián)春榮等[4]研究發(fā)現(xiàn),適當(dāng)?shù)慕N時(shí)間對(duì)種子萌發(fā)有明顯促進(jìn)作用。張玉屏等[5]分析了不同溫度條件下,浸種時(shí)間對(duì)稻種含水率及發(fā)芽率的影響規(guī)律。王玉龍等[6]分析了溫度對(duì)水稻浸種時(shí)間的影響,獲得了被試品種在不同溫度條件下的適宜浸種時(shí)間。陳麗等[7]的浸種試驗(yàn)表明,稻種萌發(fā)存在最佳溫度條件,在該溫度條件下可顯著提升萌發(fā)效果。孫小淋等[8]對(duì)比了連續(xù)浸種和不同時(shí)間間隔的浸種效果,結(jié)果表明間隔次數(shù)增加有助于提高發(fā)芽率。世界水稻種植區(qū)主要位于亞洲,浸種催芽相關(guān)研究工作也主要由亞洲學(xué)者完成。Junichi Kitano等[9]和 Akira Fukushima等[10]的試驗(yàn)表明低溫水浸泡會(huì)對(duì)稻種萌發(fā)產(chǎn)生不利影響。Akemi K.Horigane等[11]發(fā)現(xiàn)稻種萌發(fā)受溫度及水份等因素影響,這些因素協(xié)同發(fā)揮作用。Chandra Subhash等[12]試驗(yàn)研究了浸種時(shí)間對(duì)稻種發(fā)芽率的影響,明確了被試品種的最佳浸種時(shí)間。Shigeto Itayagoshi等[13]試驗(yàn)表明高溫浸種可激發(fā)稻種萌發(fā)活力,發(fā)芽率有顯著提高。上述研究,對(duì)稻種萌發(fā)過(guò)程中的水份、溫度條件的影響規(guī)律進(jìn)行了深入探討,但針對(duì)氧氣因素影響的相關(guān)研究開(kāi)展較少。近年來(lái),向稻種提供充分氧氣的新型浸種催芽方法已經(jīng)開(kāi)始研究并初步應(yīng)用于實(shí)踐[14]。采用曝氣增氧方法進(jìn)行水、氣、熱耦合供給,充分利用稻種可吸收溶解氧的特性,打破了浸種催芽過(guò)程中氣、水難以同時(shí)存在的天然限制,實(shí)現(xiàn)了水稻快速浸種催芽。

本文試驗(yàn)分析水氣熱耦合作用下,氧氣及溫度變化對(duì)選定稻種吸收水分過(guò)程的影響規(guī)律,以期為寒區(qū)水稻浸種催芽方法改進(jìn)提供參考。

1 稻種萌發(fā)過(guò)程中的水、氣、熱條件

種子萌發(fā),始于吸水。一般認(rèn)為,當(dāng)含水量低于14%時(shí),水稻種子處于生理休眠狀態(tài)。在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下,種子開(kāi)始吸收水分,其內(nèi)部貯存物質(zhì)隨之分解代謝開(kāi)始萌發(fā),直到根芽突破種皮[15]。通常認(rèn)為水稻種子吸足自身重量25%～30%的水分,種胚才能萌動(dòng)[16]。

氧氣環(huán)境方面,有氧和無(wú)氧條件下,稻種內(nèi)部物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程分別如式(1)和式(2)所示

(1)

(2)

對(duì)照式(1)、式(2)可知,有氧條件下稻種萌發(fā)過(guò)程產(chǎn)生的物質(zhì)及釋放的能量存在顯著差異。缺氧條件下,稻種內(nèi)會(huì)產(chǎn)生對(duì)種子發(fā)芽有害的酒精并釋放出較少能量。因此,大多數(shù)水稻品種在低氧條件下浸種,發(fā)芽力表現(xiàn)較差[17]。

溫度條件方面,適宜的環(huán)境溫度對(duì)稻種萌發(fā)具有顯著促進(jìn)作用。通常,適于稻種萌發(fā)的溫度區(qū)間為11～40 ℃。低于11 ℃,種子生理活動(dòng)會(huì)受到抑制,高于40 ℃會(huì)導(dǎo)致種芽細(xì)胞質(zhì)停止流動(dòng),甚至燒壞種芽[16,18]。

事實(shí)上,水分、氧氣及溫度三者之間相互耦合,共同對(duì)稻種萌發(fā)產(chǎn)生影響[19-20]。厘清三者之間的相互影響規(guī)律,對(duì)于創(chuàng)新浸種催芽方法并改進(jìn)浸種催芽設(shè)備具有重要意義。

2 材料與方法

時(shí)間與地點(diǎn):試驗(yàn)于2023年4月在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院水稻生態(tài)育秧實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,室溫8～10 ℃。

供試稻種:綏粳27,稻種初始含水量8.2%。

儀器設(shè)備:1 000 mL玻璃燒杯、微孔曝氣增氧泵、恒溫水浴鍋、電子秤、烘箱。

試驗(yàn)方案:選擇水溫與增氧時(shí)距為試驗(yàn)因素,分別代表稻種萌發(fā)環(huán)境中的水分與氧氣條件。其中,增氧時(shí)距為兩次曝氣增氧的時(shí)間間隔,增氧時(shí)距越長(zhǎng)水中溶解氧含量越低[14]。水溫因素選擇20,25,30,35及40 ℃五個(gè)水平。增氧時(shí)距因素選擇0,6,12,18和24 h五個(gè)水平,其中0 h增氧時(shí)距為連續(xù)曝氣增氧狀態(tài)。試驗(yàn)采用全因子設(shè)計(jì)方法,試驗(yàn)分組方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素及水平表

試驗(yàn)步驟:①選種。從待測(cè)稻種中,挑選飽滿(mǎn)顆粒。②種子分組。每1 000粒種子裝入紗布袋作為一個(gè)測(cè)試種包,按每2 h取1個(gè)種包測(cè)試稻種含水率為標(biāo)準(zhǔn)確定種包數(shù)量。③水溫控制。在燒杯內(nèi)裝入1 000 mL清水,放入恒溫水浴內(nèi)加熱至試驗(yàn)方案設(shè)定溫度,放入滿(mǎn)足試驗(yàn)數(shù)量的測(cè)試種包并保持溫度恒定。④曝氣增氧。按試驗(yàn)方案所設(shè)增氧時(shí)距在燒杯內(nèi)用微孔增氧泵實(shí)施增氧,單次曝氣增氧時(shí)長(zhǎng)5 min。⑤稻種含水量測(cè)定。每2 h從燒杯內(nèi)取出1個(gè)種包,用烘干法測(cè)定種子含水量。⑥每組試驗(yàn)重復(fù)三次用于分析。

為便于對(duì)比,本試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行了常規(guī)浸種方法的含水量試驗(yàn)。具體操作過(guò)程是:按上文方法準(zhǔn)備測(cè)試種包,放入10 ℃清水中。每2 h取出一袋,用烘干法測(cè)定稻種含水量。試驗(yàn)重復(fù)3次(圖1)。

圖1 稻種吸水規(guī)律試驗(yàn)過(guò)程圖

稻種含水率ω如式(3)所示

(3)

式中,m1為稻種烘干前質(zhì)量,kg;m2為稻種烘干后質(zhì)量,kg。

3 結(jié)果與分析

圖2為綏粳27稻種分別在20 ℃(圖2a),25 ℃(圖2b),30 ℃(圖2c),35 ℃(圖2d)和40 ℃(圖2e)水溫條件下含水量隨時(shí)間變化規(guī)律曲線(xiàn)。從圖中可以看出,在不同溫度條件下,稻種含水量隨著浸種時(shí)間增加呈現(xiàn)類(lèi)似的變化規(guī)律:浸種早期一定時(shí)間范圍內(nèi),稻種含水量增長(zhǎng)速度較快,然后含水量增長(zhǎng)幅度開(kāi)始變緩。綜合對(duì)比各圖數(shù)據(jù),稻種含水量增加較快階段均在浸種0～6 h時(shí)間范圍內(nèi),稻種含水量由初始含水量8.2%快速增長(zhǎng)至20%左右,其后種子含水率開(kāi)始沿一定斜率緩慢、持續(xù)增長(zhǎng)。

圖2 綏粳27稻種含水量變化規(guī)律曲線(xiàn)

在圖2a～e各圖中,還可以看到:當(dāng)水溫相同時(shí),不同增氧時(shí)距條件下的稻種含水量呈現(xiàn)纏繞上升形態(tài),這表明增氧時(shí)距對(duì)稻種含水量增長(zhǎng)速度無(wú)明顯影響。稻種浸種6 h后逐漸開(kāi)始吸收水中溶解氧并萌發(fā),水中氧氣含量狀態(tài)與增氧時(shí)距直接相關(guān),增氧時(shí)距越大,水中含氧量越低[15]。反之,水中含氧量越高。綜合分析可知,稻種吸收水分速度與水中氧氣含量無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。

由于氧氣條件對(duì)稻種吸水無(wú)明顯影響,為便于比較不同溫度條件對(duì)稻種吸收水分速度的影響,將相同水溫條件、不同增氧時(shí)距的稻種含水量取均值分析,可獲得稻種含水量隨水溫和浸種時(shí)長(zhǎng)的變化規(guī)律,結(jié)果如圖3所示。

圖3 稻種平均含水量曲線(xiàn)

此外,還將采用常規(guī)浸種催芽方法的稻種含水量變化規(guī)律曲線(xiàn)同時(shí)繪制于圖3中作為對(duì)照。

由圖3可知,不同溫度下稻種含水量增長(zhǎng)曲線(xiàn)均呈現(xiàn)出先快后慢的變化規(guī)律。實(shí)際上,圖3中稻種含水量曲線(xiàn)的斜率代表著種子吸水速度,曲線(xiàn)陡峭表示吸水速度快,曲線(xiàn)平緩表示吸水速度慢。因此可知,稻種浸水后,早期吸水快速,后期吸水緩慢。

相關(guān)研究指出,種子吸水可以分為物理吸脹階段和萌動(dòng)吸水階段[21]。物理吸脹階段種子吸水方式為吸脹吸水,其機(jī)理是種子內(nèi)部親水膠體物質(zhì)吸附水分子,吸水速度較快。當(dāng)種子吸水量達(dá)到萌發(fā)要求后,便轉(zhuǎn)入萌動(dòng)吸水階段。該階段由萌發(fā)過(guò)程中的生化反應(yīng)速度決定種子吸水速度。圖3所示稻種含水量變化規(guī)律印證了這一規(guī)律。各溫度條件下的含水量曲線(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)在6～8 h處。表明本試驗(yàn)選定的溫度條件下,種子吸水6～8 h均可達(dá)到萌發(fā)所需的水分條件。與文獻(xiàn)21所述吸水階段相對(duì)應(yīng),稻種浸水后6～8 h處于物理吸脹階段,然后進(jìn)入萌動(dòng)吸水階段。從種子萌發(fā)所需含水量角度看,稻種綏粳27含水量超過(guò)20%后,即開(kāi)始萌發(fā)。

比較圖3中各溫度條件下的稻種含水量曲線(xiàn)可知,稻種含水量曲線(xiàn)變化均受到溫度影響。從圖3中可以看出,稻種含水量曲線(xiàn)隨水溫升高而漸次升高,這表明稻種吸水速度與溫度呈正相關(guān)關(guān)系,水溫越高則稻種吸水速度越快。同時(shí),對(duì)比圖2a～e各圖中浸種6 h后的含水量曲線(xiàn)斜率可知,水溫越高,含水量曲線(xiàn)斜率也越大。這表明進(jìn)入萌發(fā)階段后,溫度對(duì)稻種吸水速度存在正向影響:浸種水溫越高,稻種吸水速度也越快。其原因可能是,較高的溫度可促進(jìn)種子內(nèi)部的生化反應(yīng),加速了種子萌發(fā),因此種子吸水速度更快。

圖3中,常規(guī)浸種方法稻種含水量曲線(xiàn)位于曲線(xiàn)簇最下部,其對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)水溫為10 ℃,可以看出,該水溫條件下稻種含水量總體呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)形態(tài),沒(méi)有出現(xiàn)上述各水溫條件下的“先快后慢”增長(zhǎng)規(guī)律。這表明,低水溫對(duì)稻種吸水有明顯的抑制作用,甚至能夠減緩其在物理吸脹階段的吸脹吸水。從含水量數(shù)值上看,綏粳27稻種在10 ℃水中浸泡80 h后,種子含水量尚未達(dá)到20%,仍不具備萌發(fā)所需含水量條件。20 ℃水溫下,浸泡8 h即可達(dá)到該含水量,而在40 ℃水溫條件下,僅需6 h即可達(dá)到。可知,前文中提及的常規(guī)浸種方法確實(shí)需要較長(zhǎng)的浸種時(shí)間。可以得出結(jié)論,提高浸種水溫是提高稻種吸水速度、縮短浸種時(shí)間的有效措施。

4 結(jié)論

稻種萌發(fā)是種子吸水后開(kāi)始營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的連續(xù)生理過(guò)程,該過(guò)程需要水分、溫度和氧氣三項(xiàng)要素的同步全程參與。在耦合供給條件下,三者對(duì)稻種萌發(fā)的影響并非完全獨(dú)立,本文研究表明:

1)在水、氣、熱耦合作用條件下,綏粳27稻種吸收水分速度與主要受溫度條件影響,而與環(huán)境中的氧氣條件無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。溫度對(duì)稻種吸水速度產(chǎn)生正向影響,溫度越高則稻種吸水速度越快。

2)在本文選定的溫度條件下,稻種吸水速度呈現(xiàn)“先快后慢”的變化規(guī)律。物理吸脹階段,稻種吸水速度較快;萌動(dòng)吸水階段,稻種吸水速度較慢。轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)含水量即為稻種萌發(fā)所需含水量,綏粳27萌發(fā)含水量約為20%。

3)含水量是種子萌發(fā)的重要前提,低溫條件會(huì)抑制稻種吸水,提高水溫可加快吸水速度,進(jìn)而縮短浸種耗時(shí)。