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

1、水資源與糧食生產(chǎn)發(fā)展的關(guān)系密切,如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的水分生產(chǎn)力已成為21世紀(jì)人類面臨的巨大挑戰(zhàn)。我國是一個淡水資源嚴(yán)重短缺的國家,糧食安全始終是我國國家安全的重要內(nèi)容。農(nóng)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(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。 南方丘陵區(qū)是我國重要稻米產(chǎn)區(qū)之一,季節(jié)性干旱的出現(xiàn),致使水稻生產(chǎn)用水供給不足,嚴(yán)重阻礙水稻生產(chǎn)。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(nóng)業(yè),特別是節(jié)水的稻作農(nóng)業(yè),發(fā)展水稻節(jié)水生產(chǎn),不但在很大程度上節(jié)約水資源,而且有利于增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),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(jì)“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(shù)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(yīng),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(shù)與模式,旨在為該區(qū)稻作持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)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(shù)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(yīng)及技術(shù)體系集成、節(jié)水高效新型稻作模式生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及稻作模式的綜合效益評價模型三方面研究。主要研究結(jié)果如下： 1.闡明了節(jié)水條件下不同水稻品種產(chǎn)量效應(yīng)及水分利用效率及節(jié)水對水稻產(chǎn)量構(gòu)成和稻米品質(zhì)影響。結(jié)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(nóng)香16和中香1號具有較高的經(jīng)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(zhì)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(jié)實率和千粒重的增加,彌補有效穗降低不足,因此產(chǎn)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(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響。中稻試驗結(jié)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(jié)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)量最高,達6537 kg/ha。 3.揭示了不同水分脅迫程度下水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子及葉片生理性狀指標(biāo)相對值變化規(guī)律。大田試驗結(jié)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(jié)實率增加能夠彌補有效穗數(shù)降低不利因素,因此產(chǎn)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(jié)實率也降低

7、,產(chǎn)量則顯著下降。適當(dāng)水分脅迫,能夠不降低水稻的產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)。防雨棚池栽試驗結(jié)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(zhì)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(dāng)土壤水分低于灌溉下限復(fù)水至土壤飽和時,有所恢復(fù),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(yīng)與調(diào)節(jié)能力。當(dāng)水勢低于-30kPa時,丙二醛(MFDA)含量、細胞質(zhì)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(zhì)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?；ê?6天,細胞質(zhì)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(yīng)。結(jié)果表明,節(jié)水稻作模式的凈初級生產(chǎn)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(nóng)藥、人工等能量投入,增加系統(tǒng)能量的輸出,提高能量轉(zhuǎn)換效率、光能利用效率和稻田的經(jīng)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(zhuǎn)換效率下降,稻田的經(jīng)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(nóng)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(jīng)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(yīng)以及控制農(nóng)業(yè)面源污染效應(yīng)。 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(jié)果表明,節(jié)水稻作模式通過對水稻

11、和油菜等作物產(chǎn)生的生長調(diào)控作用和補償生效應(yīng),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(jié)果表明,與該區(qū)常規(guī)稻作模式相比,在試驗設(shè)計范圍內(nèi),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(zhuǎn)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(guān)分析表明,土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)顯著相關(guān),可以作為評價土壤肥力水平的指標(biāo),主成分分析能夠客觀地評價土壤肥力水平。 7.構(gòu)建了節(jié)水稻作模式綜合效益評價模型

14、與評價指標(biāo)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(xué)、實用及簡明的原則,構(gòu)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(jīng)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(biāo)。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(dāng)?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(jié)果表明