位于中国西南部的贵州、云南、广西等地是喀斯特地貌的典型区域,由于喀斯特地貌的地理地质特征不利于调蓄水源^[1],加之降雨时空分布不均,形成了该地区特有的季节性干旱^[2]。特别是近年来,这些地区连发春旱、伏旱和秋旱^{[3, 4]},造成当地主要种植作物杂交籼稻大面积减产,因此,开展不同生育阶段干旱对杂交籼稻产量影响的研究,有利于加深分析水稻对各生育阶段干旱敏感程度与产量损失差异的原因。

不同生育阶段干旱处理与胁迫程度对水稻产量影响存在差异^{[5, 6]}。有研究表明,分蘖盛期轻度干旱,可增加地上部分干物质积累量,提高产量^[7];也有研究认为分蘖期干旱导致有效穗数降低过多而显著降低产量^[8]。在抽穗扬花期轻度干旱造成的减产不显著,但是重度则减产显著^[9]。朱庆森等^[10]以钵栽试验对水稻进行干旱胁迫,抽穗前各生育期持续10 d水势低于-0.025 MPa即引起显著减产,以分蘖盛期最为敏感,其次是生殖细胞形成期、枝梗分化期、分蘖末期和花粉充实期;而分蘖末期进行水分胁迫,当水势低于-0.039 MPa时,引起减产,反之则增产,减数分裂期水势为0~-0.07 MPa,随土壤水势降低产量呈线性减少,结实期则以灌浆初期水分胁迫对产量影响较大。Boonjung等^[11]指出,营养生长期的干旱胁迫对水稻产量影响小,主要减少了单位面积上的穗数与穗粒数;在幼穗分化期的干旱胁迫减产幅度最大,穗粒数降低是主要原因;灌浆期干旱引起减产则是由于结实率的降低。有关不同生育阶段水分胁迫对水稻产量影响的研究,由于地点、材料、水分处理(干旱历期、处理方式和程度)的不同而在结论上有所差异。本研究以喀斯特地区发生季节性干旱的实际为基础,选用杂交籼稻品种,以叶龄进程指标^[12]确定土壤水分处理的生育历期,通过2年池栽水分处理试验,探讨不同生育阶段干旱胁迫对杂交籼稻产量形成的影响,以期为水稻抗旱研究与实践提供依据。

2012年供试杂交籼稻品种为‘两优585’(多穗型,主茎总叶龄16叶,节间数5个)和‘紫优93’(大穗型,主茎总叶龄17叶,节间数5个),2013杂交籼稻品种为‘金优785’(中间型,主茎总叶龄16叶,节间数5个)。供试品种由贵州金农科技有限公司提供。

试验于2012和2013年在贵州省贵阳市小河区贵州省水稻研究所试验场(26°30′45″N,106°39′27″E,海拔1 150 m)进行,试验田土壤类型为黄壤性水稻土,黏壤,0~20 cm耕作层含有机质29.5 g · kg^-1、全氮1.48 g · kg^-1、有效氮114.9 mg · kg^-1、速效磷22.67 mg · kg^-1、速效钾100.5 mg · kg^-1,田间最大持水量(质量湿度)23.28%,2013年降雨量略高于2012年(图 1)。

	图 1 2012和2013年试验地的月降雨量 Fig. 1 The monthly precipitation at experimented site in 2012 and 2013
图选项

2012年4月7日播种,旱育秧,5月15日移栽于水泥池内,池高1.5 m,底部与本土相接,移栽时叶龄5.5叶(两优585)、5.9叶(紫优93),移栽10 d返青后,分别于有效分蘖期(PTS,移栽后10 d)、无效分蘖期(NPTS,移栽后30 d)、幼穗分化前期(EPDS,倒3.5叶)、幼穗分化后期(LPDS,花粉细胞形成期,倒1叶露尖)、抽穗开花期(ESS,稻穗破口)、灌浆结实期(GFS,齐穗后10 d)进行干旱处理,各生育阶段干旱处理20 d后复水,在水分处理期间保持0~20 cm耕作层土壤相对湿度约70%,以全生育期淹水作对照(水层3 cm左右)。在干旱处理前小区排水落干,至目标生育期时达到预设土壤水分条件,之后每2~3 d于当日10:00左右取各处理小区耕作层20 cm土壤测定其含水量,并按处理要求通过喷洒水控制干旱处理期内土壤相对湿度为65%~70%,试验田顶部设塑料膜收放支撑架,平时将膜卷放在一侧,降雨时通过张开塑料膜遮雨。以水分处理为主区、品种为副区,小区面积10 m²,各小区可进行独立排灌。完全随机区组设计,3次重复。移栽规格20 cm×20 cm(24.9万穴 · hm^-2),单本栽插。施纯氮150 kg · hm^-2(尿素,基肥、蘖肥、穗肥的质量比为2 ∶ 4 ∶ 4),磷肥(过磷酸钙,P₂O₅ 120 kg · hm^-2)全做底肥。

2013年4月18日播种,旱育秧,5月30日移栽,移栽时叶龄6.0叶(金优785),单本移栽,移栽规格29.7 cm×16.5 cm(19.9万株 · hm^-2),小区面积10 m²,完全随机区组设计,3次重复。水分处理与2012年相同,施纯氮120 kg · hm^-2(尿素,基肥、蘖肥的质量比为6 ∶ 4),磷肥施用同2012年试验。

2012和2013年各处理胁迫期土壤相对湿度的平均值分别为67.3%、66.9%、67.5%、68.4%、67.8%和70.1%(图 2)。

	图 2 2012和2013年干旱胁迫处理期内试验田土壤相对湿度 Fig. 2 The dynamic of relative soil moisture at stages of drought stress treatment in 2012 and 2013 PTS:有效分蘖期Productive tillering stage;NPTS:无效分蘖期Unproductive tillering stage;EPDS:幼穗分化前期Early stage of panicle initiation;LPDS:幼穗分化后期Late stage of panicle initiation;ESS:抽穗开花期Ear sprouting stage;GFS:灌浆结实期Grain filling stage. The same as follows.
图选项

成熟期各小区取调查平均穗数的正常生长植株2穴,人工脱粒,考察穗粒数,用水漂法考察实粒数与空瘪粒数,计算结实率;晒干后,以500粒称质量计算千粒质量。成熟时各小区按60穴收割,晒干后按含水率13.5%折算实际产量。移栽后,每小区定点20穴,调查茎蘖消长动态,每5 d调查1次,直至茎蘖数稳定。成熟期每小区调查30穴植株穗数,计算有效穗和成穗率。各处理在干旱20 d与复水后20 d内,每5 d各小区取等于平均茎蘖数的植株3穴,样品按器官(叶、茎鞘、穗)分装后于105 ℃下杀青2 h,70 ℃烘干至恒质量,测定地上部分干物质质量。各处理在干旱20 d与复水后20 d内,每5 d各小区取等于平均茎蘖数的植株3穴,用便携式激光叶面积仪CI-203(CID,美国)测量叶面积,计算叶面积指数(LAI)。

数据整理与计算用Microsoft Excel 2007软件,用SPSS 16.0统计分析软件进行数据方差分析与差异显著性检验。

2年试验中,不同生育阶段干旱对产量构成因子的影响存在差异(表 1)。有效分蘖期干旱,3个品种的有效穗数显著降低,而穗粒数、结实率、千粒质量与对照相比差异不显著,有效穗数的损失率最大(平均值为26.2%);无效分蘖期干旱,除有效穗数略有降低外,穗粒数(2013年试验略有降低)、结实率、千粒质量与对照的差异均不显著;幼穗分化前期干旱,3个品种表现最突出的是穗粒数显著低于对照,其损失率在所有因子中较高(平均值为22.3%),有效穗数略低于对照;幼穗分化后期干旱主要引起结实率降低,穗粒数、有效穗数与千粒质量也有小幅度降低;抽穗开花期干旱显著降低了结实率(损失率平均值为10.4%)和千粒质量;灌浆结实期干旱显著降低了千粒质量(损失率平均值为8.7%),‘金优785’的结实率也略有降低。

从图 3可见:2012年,‘两优585’有效分蘖期和无效分蘖期干旱处理的高峰苗数分别比对照降低36.4%和18.1%,有效穗数比对照分别降低24.2%和4.2%;‘紫优93’有效分蘖期和无效分蘖期干旱处理的高峰苗数分别比对照降低52.4%和21.0%,有效穗数降低24.3%和2.0%;2013年试验,‘金优785’有效分蘖期和无效分蘖期干旱处理的高峰苗数分别比对照降低了28.9%和10.3%,有效穗数降低29.3%和3.9%。这一结果表明:有效分蘖期干旱处理(在N-n期有效分蘖临界期之前)的分蘖发生受限,复水之后茎蘖增长较对照慢,高峰苗数降到最低,有效穗数显著降低;而无效分蘖期干旱处理,高峰苗数显著降低,而有效穗数降低不明显。幼穗分化前期、幼穗分化后期、抽穗开花期、灌浆结实期干旱处理有加快无效茎蘖消亡的趋势,但不明显。

	图 3 不同生育阶段干旱处理对3个水稻品种茎蘖动态的影响 Fig. 3 Effects of drought stress at different growth stages on tillering dynamic in three rice cultivars< 图中线段表示各干旱胁迫处理的历期20 d。The line segment represents drought of 20 days in different treatment.
图选项

不同生育阶段干旱处理的成穗率存在显著差异(图4)。2012年试验,有效分蘖期、无效分蘖期干旱处理的成穗率显著高于对照和其他处理,其他处理的成穗率与对照差异不显著。2013年试验,无效分蘖期干旱处理的成穗率显著高于其他处理与对照,有效分蘖期、灌浆结实期干旱处理的成穗率与对照相当,而其他处理的成穗率略低于对照。

	图 4 不同生育阶段干旱处理对3个水稻品种成穗率的影响 Fig. 4 Effects of drought stress at different growth stages on panicle bearing tiller rate in 3 rice cultivars 柱上不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。Bars superscripted by different lowercase letters are significantly different at 0.05 level.
图选项

从图 5看出:3个品种于有效分蘖期、无效分蘖期、幼穗分化前期、幼穗分化后期、抽穗开花期、灌浆结实期处理在干旱胁迫结束时,叶面积指数(LAI)比对照平均依次降低38.8%、30.6%、18.6%、9.6%、4.2%和6.3%。剑叶全展前,叶面积增加受到抑制,有效分蘖期、无效分蘖期、幼穗分化前期干旱处理期内LAI增长缓慢,复水后,有效分蘖期、无效分蘖期处理LAI增长加快,而幼穗分化前期复水后LAI增加不明显。剑叶全展后,幼穗分化后期、抽穗开花期、灌浆结实期处理随干旱进程,LAI呈现降低趋势,说明干旱处理加快叶片衰亡。至成熟期,3个品种于有效分蘖期、无效分蘖期、幼穗分化前期、幼穗分化后期、抽穗开花期、灌浆结实期处理LAI比对照平均依次降低18.7%、12.7%、31.8%、24.9%、21.3%和14.5%。

	图 5 不同生育阶段干旱处理对3个水稻品种叶面积指数动态的影响 Fig. 5 Effects of drought stress at different growth stages on LAI dynamic in three rice cultivars
图选项

各处理的干物质积累量均随着生育进程增加,各生育阶段干旱处理期内,干物质积累量显著低于对照,干物质积累速度明显减缓,复水后虽有增加,但不能恢复补偿(图 6)。随着生育进程,干旱胁迫对干物质积累量的影响有逐渐减弱的趋势,有效分蘖期干旱处理对干物质积累影响最大,在干旱处理结束时,3个品种平均干物质积累量比对照降低38.0%,其次是无效分蘖期、幼穗分化前期、幼穗分化后期、抽穗开花期和灌浆结实期,分别比对照降低32.2%、30.8%、22.1%、14.2%和9.3%;复水后20 d,有效分蘖期干旱处理的干物质积累量比对照降低47.3%,与对照差距加大;无效分蘖期处理在复水后20 d干物质积累回升幅度最高,与对照差距缩小到20.7%;其他处理复水后干旱积累量增加不明显。除有效分蘖期外,在干旱处理期间与复水后各处理的干物质积累量以‘紫优93’最高、其次是‘金优785’和‘两优585’。‘紫优93’的有效分蘖期、无效分蘖期、幼穗分化前期干旱处理在胁迫结束与复水后20 d,干物质积累量较对照降低幅度最大。

	图 6 不同生育阶段干旱处理对3个水稻品种干物质积累动态的影响 Fig. 6 Effects of drought stress at different growth stages on dry matter accumulation dynamic in three rice cultivars
图选项

不同生育阶段干旱处理在成熟期干物质积累量的差异极显著(图 7),除无效分蘖期干旱处理与对照不显著外,其他处理均显著低于对照。有效分蘖期、幼穗分化前期、幼穗分化后期干旱处理干物质积累量较低,3个品种在有效分蘖期、无效分蘖期、幼穗分化前期、幼穗分化后期、抽穗开花期、灌浆结实期的干旱处理比对照分别降低24.7%、3.6%、23.5%、16.5%、14.0%和8.7%。‘紫优93’各处理在成熟期的干物质积累量比对照的降低幅度小于‘两优585’和‘金优785’,后两者则相近。

	图 7 不同生育阶段干旱处理对3个品种成熟期干物质积累量的影响 Fig. 7 Effects of drought stress at different growth stages on dry matter accumulation at maturity stage in three rice cultivars 柱上不同大写字母表示在0.01水平上差异极显著。Bars superscripted by different capital letters are significantly different at 0.01 level.
图选项

与旱作物相比,水稻对水分胁迫更加敏感,土壤相对湿度60%~70%时,就被认为达到特旱等级^[13],并且水分胁迫强度由土壤水分含量与持续时间决定^[14]。本研究依据喀斯特地理环境下干旱发生与杂交籼稻生长的同步特征,分别在有效分蘖期至灌浆结实期设置6个连续生育阶段,以土壤相对湿度70%进行水分亏缺处理,阐明在此条件下杂交籼稻的产量表现特征。

水分供给与水稻产量关系存在两种观点,一是认为各生育时期水分亏缺(甚至轻微的胁迫)均会引起水稻减产^{[5, 6, 15]},另一观点认为一些生育阶段适量水分胁迫后通过补偿效应可增加产量^[16]。本试验在各生育阶段干旱处理均出现不同程度减产,说明土壤水分胁迫强度超过补偿阈值,减产程度因干旱胁迫所处生育阶段的不同而有所差异。无效分蘖期处理的产量比对照略有减产,产量降低幅度在各处理中最小。然而,在无效分蘖期进行搁田控苗作为提高成穗率的主要增产技术被广泛应用^[17],以多次轻搁复水达到控蘖效果,土壤水分控制指标范围较宽为-30~-10 kPa^{[17, 18]}。本试验由于无效分蘖期干旱处理历时过长,抑制无效新蘖发生,同时也对已发生的有效蘖叶片生长、根系活力造成轻微伤害^[9]。在幼穗分化期较长的干旱胁迫则影响幼穗分化的正常进行,致有效穗数、穗粒数略有降低而减产。因此,在生产中应依据土壤类型对应的土壤水分指标来确定搁田程度。

本试验观察到,对土壤水分响应最为敏感的时期为有效分蘖期和幼穗分化期,此结果与前人研究一致^{[19, 20, 21]}。N-n期的茎蘖数影响成穗数,与高产群体形成的关系紧密^[22]。本试验发现有效分蘖期干旱处理导致减产主要缘于前期分蘖受到显著抑制,在N-n期茎蘖数比对照降低14.2%~25.2%,等穗期叶龄提前,复水后,茎蘖数并未增长,成穗率高,在小群体下形成较高的穗粒数、结实率、千粒质量,但不足以减轻穗数不足的负效应,所以有效穗数低是有效分蘖期干旱减产的主要因子。幼穗分化前期、花粉细胞形成期处于营养、生殖生长并进时期,由于干旱处理引起反映“源”“库”大小的LAI与穗粒数、结实率显著降低是减产的重要原因,花粉细胞形成期和抽穗开花期干旱处理引起颖花不孕,结实率低的重要生理原因是水分胁迫使颖花中ABA浓度增加^[23],致使花粉育性降低^[24]。郑桂萍等^[19]研究表明,在-30 kPa水分胁迫下,灌浆期干旱处理产量高于对照淹水处理,而本试验中,产量显著低于对照,可能与干旱处理时间长短的差异有关。在灌浆结实期干旱处理的1~10 d,光合速率降低主要是由于气孔限制引起,10~20 d则是因为光合器官受损引起光合速率的下降幅度增大^[25],灌浆初始值低^[26],使得产量构成中千粒质量显著降低。

叶片是干物质积累的输出源,干旱胁迫下水稻叶面积减小^[27]。本试验再次证实了前人的研究结果,在抽穗期之前的各干旱处理LAI比对照减小幅度大,抽穗之后的干旱处理因叶片衰亡加快致LAI减小。幼穗分化期干旱,影响了此期高效功能叶的生长,LAI降低,与分蘖期的叶面积不足相比,此阶段LAI过小对产量影响更大^[28],枝梗分化受到抑制,穗粒数不足,不能形成足够的库容,后期功能叶面积较对照降低,故减产幅度较大。抽穗开花期干旱,叶片有加快衰老的趋势,抑制了后期干物质合成,“库”“源”比例失调是这一时期减产的重要原因。干物质积累是产量形成的基础,干旱处理致作物地上部分干物质积累量降低^[29]。本试验发现,成熟期除无效分蘖期干旱处理外,其他处理的地上部分干物质积累量均显著低于对照,因成熟期干物质积累与产量呈正相关^[30],过低的干物质积累量不利于高产。Zhang等^[31]认为灌浆期干旱处理引发叶片早衰,缩短了灌浆过程,而在本试验中,灌浆结实期干旱处理的LAI仅比对照略有降低,但持续时间增长,籽粒占干物质积累总量的比例比对照降低,干物质转移分配受限是产量显著降低的主要原因^[32]。

季节性干旱可通过栽培措施与品种选育加以应对,缺水条件下,适当增施氮肥可减少干旱对产量带来的损失^[33]。根据常年季节性干旱发生规律,调整播种期,避免水稻在有效分蘖期与幼穗分化期遭遇长时期的干旱;不同类型品种因“源”“库”关系特征,在干旱胁迫下,干物质转运能力差异形成不同的抗旱能力^[34]。本试验因品种数量和水分胁迫强度设置有限,因此,适宜高原山区抗旱杂交稻品种选择及其抗旱机制需要进一步研究。

不同生育阶段遭受长期(20 d)中度水分胁迫对高原山区杂交籼稻产量的影响存在差异,有效分蘖期与幼穗分化前期干旱引起的减产最为严重,抽穗开花期、穗分化后期、灌浆结实期干旱的影响次之,无效分蘖期干旱影响最小。复水对不同阶段干旱有一定的缓解,但其效果因干旱时期不同而不同,与对照相比不能完全恢复,各处理不同程度减产可能与贵州特殊的温光条件有关。干旱不利于杂交籼稻形成合理的群体质量,因干旱所处生育时期的不同,群体质量指标的减幅存在差异,对茎蘖生长、叶面积指数、干物质积累的抑制作用是减产的重要原因。