南方丘陵季節(jié)性干旱區(qū)節(jié)水稻作綜合效應研究及效益評價.pdf

1、水資源與糧食生產發(fā)展的關系密切,如何提高農業(yè)生產中的水分生產力已成為21世紀人類面臨的巨大挑戰(zhàn)。我國是一個淡水資源嚴重短缺的國家,糧食安全始終是我國國家安全的重要內容。農業(yè)是用水大戶,水資源壓力與危機進一步加大,正成為制約我國農業(yè)發(fā)展的重要因素。 南方丘陵區(qū)是我國重要稻米產區(qū)之一,季節(jié)性干旱的出現(xiàn),致使水稻生產用水供給不足,嚴重阻礙水稻生產。而且水資源又具有區(qū)位固定性、不可替代性等特征,不像其它資源可以通過進口替代來緩解壓力。因

2、此,研究和開發(fā)節(jié)水農業(yè),特別是節(jié)水的稻作農業(yè),發(fā)展水稻節(jié)水生產,不但在很大程度上節(jié)約水資源,而且有利于增產穩(wěn)產,節(jié)約能源和減少環(huán)境污染,對水資源日益短缺、人口壓力巨大、又以稻米為主食的中國21世紀“稻米安全”具有特殊重要的戰(zhàn)略意義。 因此,探明節(jié)水稻作技術的生理生態(tài)特征和節(jié)水稻作模式的生態(tài)環(huán)境效應,建立適合于南方丘陵區(qū)季節(jié)性干旱地區(qū)的節(jié)水稻作技術與模式,旨在為該區(qū)稻作持續(xù)穩(wěn)產高產高效優(yōu)質生產和節(jié)約高效利用水資源提供理論依據(jù)。本研

3、究以不同節(jié)水稻作技術和節(jié)水稻作模式為研究對象,在大田和防雨棚池栽條件下系統(tǒng)開展了節(jié)水稻作條件下水稻生理生態(tài)效應及技術體系集成、節(jié)水高效新型稻作模式生態(tài)環(huán)境效應及稻作模式的綜合效益評價模型三方面研究。主要研究結果如下： 1.闡明了節(jié)水條件下不同水稻品種產量效應及水分利用效率及節(jié)水對水稻產量構成和稻米品質影響。結果表明在早稻、中稻、晚稻節(jié)約用水分別達10％、28％、26％條件下,與其對照相比,引種早稻品種中旱27、中稻品種武運粳7號

4、和兩優(yōu)培九、晚稻品種農香16和中香1號具有較高的經濟與生態(tài)效益,在該區(qū)具有廣闊的前景。節(jié)水灌溉對中稻與晚稻的生長和稻米品質的影響表現(xiàn)出一致性。與常規(guī)灌溉模式相比,節(jié)水灌溉下雖然水稻有效穗降低,有的甚至達到顯著差異,但是每穗穎花數(shù)、結實率和千粒重的增加,彌補有效穗降低不足,因此產量變化未達到顯著差異。節(jié)水灌溉條件下糙米率、精米率、整精米率、膠稠度、堿消值、直鏈淀粉等性狀提高,而堊白率、堊白度、蛋白含量降低和稻米粒型變小。 2.明確

5、了控制灌溉下水稻密度與氮肥互作對其光舍特性、稻谷產量及產量結構的影響。中稻試驗結果表明,隨著密度的增加,孕穗期前,控制灌溉水稻群體凈光合速率增加,但孕穗期后,高密度大群體凈光合速率衰退較快,與此同時,高密度大群體劍葉光合速率、穗粒數(shù)、結實率及千粒重較低；隨著施氮量的增加,水稻群體凈光合速率、劍葉光合速率、葉綠素含量、單位面積穗數(shù)及穗粒數(shù)增加,而結實率與千粒重降低。在本研究條件下,控制灌溉中稻水稻栽插密度為28.13萬穴/ha、施氮量22

6、5kg/ha時,其產量最高,達10299kg/ha;控制灌溉晚稻栽插密度為32.14萬穴/ha、施氮量225kg/ha時,其產量最高,達6537 kg/ha。 3.揭示了不同水分脅迫程度下水稻產量構成因子及葉片生理性狀指標相對值變化規(guī)律。大田試驗結果表明,在輕度水分脅迫下,雖然有效穗數(shù)降低,但每穗潁花數(shù)和結實率增加能夠彌補有效穗數(shù)降低不利因素,因此產量沒有顯著降低。在重度水分脅迫下,不僅有效穗數(shù)降低,而且每穗潁花數(shù)和結實率也降低

7、,產量則顯著下降。適當水分脅迫,能夠不降低水稻的產量,大大節(jié)約灌溉水量,提高水稻水分利用效率,試驗提出以-30kPa土水勢為該區(qū)水稻節(jié)水灌溉控制標準。防雨棚池栽試驗結果表明,在適宜土壤水分脅迫下,即土水勢高于-30kPa,丙二醛(MDA)含量、細胞質膜透性、可溶性糖含量和游離氨基酸含量、SOD、CAT、POD含量相對值有所升高,當土壤水分低于灌溉下限復水至土壤飽和時,有所恢復,隨著生育時期延長,變化趨勢平穩(wěn),這說明葉片本身存在一定對干旱

8、脅迫適應與調節(jié)能力。當水勢低于-30kPa時,丙二醛(MFDA)含量、細胞質膜透性、可溶性糖含量和游離氨基酸含量、SOD、CAT、POD含量相對值顯著升高,抗旱性強品種的丙二醛(MDA)含量、細胞質膜透性增加或升高幅度小,抗旱性強品種可溶性糖含量和游離氨基酸含量、SOD、CAT、POD含量增加或升高幅度大。花后16天,細胞質膜透性、可溶性糖含量和游離氨基酸含量、SOD、CAT、POD含量相對值降低。 4.闡明了節(jié)水稻作模式生態(tài)系

9、統(tǒng)的物流、能流、價值流及生態(tài)環(huán)境效應。結果表明,節(jié)水稻作模式的凈初級生產力為3.10×105-3.78×105MJ/(ha·yr),以化肥為主的輔助能投入為0.59×105-0.97×105MJ/(ba·yr),純收入為484-1166美元/(ha·yr)。不同節(jié)水稻作模式所表現(xiàn)出的變化特征為：采用節(jié)水灌溉雙季稻模式,有利于減少系統(tǒng)化肥、農藥、人工等能量投入,增加系統(tǒng)能量的輸出,提高能量轉換效率、光能利用效率和稻田的經濟效益；采用水旱輪

10、作雙季稻節(jié)水稻作模式,有機肥的投入增加,能流循環(huán)指數(shù)提高,系統(tǒng)穩(wěn)定性增強,但能量轉換效率下降,稻田的經濟效益有所降低；采用稻油輪作節(jié)水稻作模式,在減少系統(tǒng)化肥、農藥、人工等能量投入同時,充分利作物生長期間太陽輻射,光能利用效率提高,稻田的經濟效益增加。與常規(guī)稻作模式相比,節(jié)水稻作模式的綜合效益較高,具有較好節(jié)肥、省藥效應以及控制農業(yè)面源污染效應。 5.揭示了節(jié)水稻作模式需水規(guī)律和稻田水分利用效率。結果表明,節(jié)水稻作模式通過對水稻

11、和油菜等作物產生的生長調控作用和補償生效應,使植株蒸騰量、棵間蒸發(fā)量及稻田滲漏量大幅降低,各階段的需水量、需水強度和需水模系數(shù)均發(fā)生顯著變化,形成了稻作模式新的需水規(guī)律.與常規(guī)雙季模式相比,節(jié)水灌溉雙季稻模式、水旱輪作雙季稻模式、稻油輪作模式的需水強度分別減少了0.76mm/d、1.15mm/d、0.32mm/d,滲漏強度分別減少了0.12mm/d、0.16mm/d、0.19mm/d,水分利用效率提高了30％、48％、18％,作物需水與

12、降雨耦合度分別提高了14％、33％、6％。 6.闡明了節(jié)水稻作模式下土壤理化性狀、土壤微生物特性及土壤酶活性變化規(guī)律。結果表明,與該區(qū)常規(guī)稻作模式相比,在試驗設計范圍內,節(jié)水稻作模式下稻田的土壤理化性狀明顯改善,隨著耕種年限增加,土壤容重下降,而孔隙度增加,土壤通透性增強,有效阻止土壤次生潛育化和土壤酸化,提高了土壤pH值；采用節(jié)水稻作模式實現(xiàn)了土壤水分輕度虧缺,這種輕度水分虧缺不僅可以提供生命所必需的水分,而且可以有效地改善土

13、壤的通氣狀況,為微生物的生命活動提供了良好環(huán)境,因此土壤微生物菌落總數(shù)的顯著增加,其中以水旱輪作雙季稻模式最佳；就土壤酶活性而言,節(jié)水稻作模式處理酶活性常規(guī)稻作模式相比,除轉化酶外,其它酶活性均有不同程度的增加,尤其對磷酸酶與脲酶影響最大；主成分分析和相關分析表明,土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性與土壤化學性質顯著相關,可以作為評價土壤肥力水平的指標,主成分分析能夠客觀地評價土壤肥力水平。 7.構建了節(jié)水稻作模式綜合效益評價模型

14、與評價指標體系。針對南方丘陵區(qū)季節(jié)性干旱狀況和稻作發(fā)展的基本特點,以節(jié)水稻作模式為研究對象,借鑒層次分析法(AHP)的基本原理,遵循科學、實用及簡明的原則,構建了南方丘陵區(qū)節(jié)水稻作模式綜合效益評價模型,提出了綜合效益評價的經濟效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益三方面共16項評價指標。并以國家“863”項目推廣示范的節(jié)水灌溉雙季稻模式、水旱輪作雙季稻模式、稻油輪作模式三種節(jié)水稻作模式和當?shù)爻Ｒ?guī)雙季稻模式為例,利用所建模型進行了綜合評價。結果表明