水气热耦合作用下寒区稻种吸水规律试验研究

李衣菲,刘少东2,衣淑娟

(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院,黑龙江 大庆 163319;2.黑龙江八一农垦大学 土木水利学院,黑龙江 大庆 163319)

0 引言

黑龙江省气候寒冷但土质肥沃,是我国优质的粳稻种植区。由于黑龙江省地处高纬度地区,作物生长期短,不利于水稻生长发育,严重影响水稻产量及稻米质量。在室内适宜的人工环境条件下浸种、催芽和育秧,是延长寒区水稻生长期的重要生产措施[1]。优质秧苗有利于机械化插秧作业,可促进秧苗大田生长发育。秧苗素质与浸种催芽环节关系密切[2]。 浸种催芽是为稻种萌发提供适宜的水分、氧气、温度环境条件。

以黑龙江省农垦建三江管理局为代表的黑龙江农垦水稻种植区,传统水稻浸种催芽一般采用两阶段法。浸种阶段将稻种浸泡于11～12 ℃低温水中10 d左右,以满足其吸水要求;催芽阶段采用间歇浸泡、喷淋或蒸汽等措施将稻种温度控制在25～28 ℃,以向其提供充足氧气和水分。该方法实质上是在不同阶段分别向稻种提供水分、氧气和温度条件。其弊端在于,长时间浸泡易导致稻种缺氧,最终降低整体发芽率并对芽种质量产生不利影响。

浸种催芽方法在我国探讨和实践较早,浸种外部条件对稻种发芽率有较大影响,主要包括浸种时间、浸种水温、氧气条件等。刘维宝等[3]及钱春荣等[4]研究发现,适当的浸种时间对种子萌发有明显促进作用。张玉屏等[5]分析了不同温度条件下,浸种时间对稻种含水率及发芽率的影响规律。王玉龙等[6]分析了温度对水稻浸种时间的影响,获得了被试品种在不同温度条件下的适宜浸种时间。陈丽等[7]的浸种试验表明,稻种萌发存在最佳温度条件,在该温度条件下可显著提升萌发效果。孙小淋等[8]对比了连续浸种和不同时间间隔的浸种效果,结果表明间隔次数增加有助于提高发芽率。世界水稻种植区主要位于亚洲,浸种催芽相关研究工作也主要由亚洲学者完成。Junichi Kitano等[9]和 Akira Fukushima等[10]的试验表明低温水浸泡会对稻种萌发产生不利影响。Akemi K.Horigane等[11]发现稻种萌发受温度及水份等因素影响,这些因素协同发挥作用。Chandra Subhash等[12]试验研究了浸种时间对稻种发芽率的影响,明确了被试品种的最佳浸种时间。Shigeto Itayagoshi等[13]试验表明高温浸种可激发稻种萌发活力,发芽率有显著提高。上述研究,对稻种萌发过程中的水份、温度条件的影响规律进行了深入探讨,但针对氧气因素影响的相关研究开展较少。近年来,向稻种提供充分氧气的新型浸种催芽方法已经开始研究并初步应用于实践[14]。采用曝气增氧方法进行水、气、热耦合供给,充分利用稻种可吸收溶解氧的特性,打破了浸种催芽过程中气、水难以同时存在的天然限制,实现了水稻快速浸种催芽。

本文试验分析水气热耦合作用下,氧气及温度变化对选定稻种吸收水分过程的影响规律,以期为寒区水稻浸种催芽方法改进提供参考。

1 稻种萌发过程中的水、气、热条件

种子萌发,始于吸水。一般认为,当含水量低于14%时,水稻种子处于生理休眠状态。在适当的环境下,种子开始吸收水分,其内部贮存物质随之分解代谢开始萌发,直到根芽突破种皮[15]。通常认为水稻种子吸足自身重量25%～30%的水分,种胚才能萌动[16]。

氧气环境方面,有氧和无氧条件下,稻种内部物质转化过程分别如式(1)和式(2)所示

(1)

(2)

对照式(1)、式(2)可知,有氧条件下稻种萌发过程产生的物质及释放的能量存在显著差异。缺氧条件下,稻种内会产生对种子发芽有害的酒精并释放出较少能量。因此,大多数水稻品种在低氧条件下浸种,发芽力表现较差[17]。

温度条件方面,适宜的环境温度对稻种萌发具有显著促进作用。通常,适于稻种萌发的温度区间为11～40 ℃。低于11 ℃,种子生理活动会受到抑制,高于40 ℃会导致种芽细胞质停止流动,甚至烧坏种芽[16,18]。

事实上,水分、氧气及温度三者之间相互耦合,共同对稻种萌发产生影响[19-20]。厘清三者之间的相互影响规律,对于创新浸种催芽方法并改进浸种催芽设备具有重要意义。

2 材料与方法

时间与地点:试验于2023年4月在黑龙江八一农垦大学工程学院水稻生态育秧实验室进行,室温8～10 ℃。

供试稻种:绥粳27,稻种初始含水量8.2%。

仪器设备:1 000 mL玻璃烧杯、微孔曝气增氧泵、恒温水浴锅、电子秤、烘箱。

试验方案:选择水温与增氧时距为试验因素,分别代表稻种萌发环境中的水分与氧气条件。其中,增氧时距为两次曝气增氧的时间间隔,增氧时距越长水中溶解氧含量越低[14]。水温因素选择20,25,30,35及40 ℃五个水平。增氧时距因素选择0,6,12,18和24 h五个水平,其中0 h增氧时距为连续曝气增氧状态。试验采用全因子设计方法,试验分组方案如表1所示。

表1 试验因素及水平表

试验步骤:①选种。从待测稻种中,挑选饱满颗粒。②种子分组。每1 000粒种子装入纱布袋作为一个测试种包,按每2 h取1个种包测试稻种含水率为标准确定种包数量。③水温控制。在烧杯内装入1 000 mL清水,放入恒温水浴内加热至试验方案设定温度,放入满足试验数量的测试种包并保持温度恒定。④曝气增氧。按试验方案所设增氧时距在烧杯内用微孔增氧泵实施增氧,单次曝气增氧时长5 min。⑤稻种含水量测定。每2 h从烧杯内取出1个种包,用烘干法测定种子含水量。⑥每组试验重复三次用于分析。

为便于对比,本试验同时进行了常规浸种方法的含水量试验。具体操作过程是:按上文方法准备测试种包,放入10 ℃清水中。每2 h取出一袋,用烘干法测定稻种含水量。试验重复3次(图1)。

图1 稻种吸水规律试验过程图

稻种含水率ω如式(3)所示

(3)

式中,m1为稻种烘干前质量,kg;m2为稻种烘干后质量,kg。

3 结果与分析

图2为绥粳27稻种分别在20 ℃(图2a),25 ℃(图2b),30 ℃(图2c),35 ℃(图2d)和40 ℃(图2e)水温条件下含水量随时间变化规律曲线。从图中可以看出,在不同温度条件下,稻种含水量随着浸种时间增加呈现类似的变化规律:浸种早期一定时间范围内,稻种含水量增长速度较快,然后含水量增长幅度开始变缓。综合对比各图数据,稻种含水量增加较快阶段均在浸种0～6 h时间范围内,稻种含水量由初始含水量8.2%快速增长至20%左右,其后种子含水率开始沿一定斜率缓慢、持续增长。

图2 绥粳27稻种含水量变化规律曲线

在图2a～e各图中,还可以看到:当水温相同时,不同增氧时距条件下的稻种含水量呈现缠绕上升形态,这表明增氧时距对稻种含水量增长速度无明显影响。稻种浸种6 h后逐渐开始吸收水中溶解氧并萌发,水中氧气含量状态与增氧时距直接相关,增氧时距越大,水中含氧量越低[15]。反之,水中含氧量越高。综合分析可知,稻种吸收水分速度与水中氧气含量无明显相关关系。

由于氧气条件对稻种吸水无明显影响,为便于比较不同温度条件对稻种吸收水分速度的影响,将相同水温条件、不同增氧时距的稻种含水量取均值分析,可获得稻种含水量随水温和浸种时长的变化规律,结果如图3所示。

图3 稻种平均含水量曲线

此外,还将采用常规浸种催芽方法的稻种含水量变化规律曲线同时绘制于图3中作为对照。

由图3可知,不同温度下稻种含水量增长曲线均呈现出先快后慢的变化规律。实际上,图3中稻种含水量曲线的斜率代表着种子吸水速度,曲线陡峭表示吸水速度快,曲线平缓表示吸水速度慢。因此可知,稻种浸水后,早期吸水快速,后期吸水缓慢。

相关研究指出,种子吸水可以分为物理吸胀阶段和萌动吸水阶段[21]。物理吸胀阶段种子吸水方式为吸胀吸水,其机理是种子内部亲水胶体物质吸附水分子,吸水速度较快。当种子吸水量达到萌发要求后,便转入萌动吸水阶段。该阶段由萌发过程中的生化反应速度决定种子吸水速度。图3所示稻种含水量变化规律印证了这一规律。各温度条件下的含水量曲线转折点在6～8 h处。表明本试验选定的温度条件下,种子吸水6～8 h均可达到萌发所需的水分条件。与文献21所述吸水阶段相对应,稻种浸水后6～8 h处于物理吸胀阶段,然后进入萌动吸水阶段。从种子萌发所需含水量角度看,稻种绥粳27含水量超过20%后,即开始萌发。

比较图3中各温度条件下的稻种含水量曲线可知,稻种含水量曲线变化均受到温度影响。从图3中可以看出,稻种含水量曲线随水温升高而渐次升高,这表明稻种吸水速度与温度呈正相关关系,水温越高则稻种吸水速度越快。同时,对比图2a～e各图中浸种6 h后的含水量曲线斜率可知,水温越高,含水量曲线斜率也越大。这表明进入萌发阶段后,温度对稻种吸水速度存在正向影响:浸种水温越高,稻种吸水速度也越快。其原因可能是,较高的温度可促进种子内部的生化反应,加速了种子萌发,因此种子吸水速度更快。

图3中,常规浸种方法稻种含水量曲线位于曲线簇最下部,其对应的试验水温为10 ℃,可以看出,该水温条件下稻种含水量总体呈现缓慢增长形态,没有出现上述各水温条件下的“先快后慢”增长规律。这表明,低水温对稻种吸水有明显的抑制作用,甚至能够减缓其在物理吸胀阶段的吸胀吸水。从含水量数值上看,绥粳27稻种在10 ℃水中浸泡80 h后,种子含水量尚未达到20%,仍不具备萌发所需含水量条件。20 ℃水温下,浸泡8 h即可达到该含水量,而在40 ℃水温条件下,仅需6 h即可达到。可知,前文中提及的常规浸种方法确实需要较长的浸种时间。可以得出结论,提高浸种水温是提高稻种吸水速度、缩短浸种时间的有效措施。

4 结论

稻种萌发是种子吸水后开始营养物质转化的连续生理过程,该过程需要水分、温度和氧气三项要素的同步全程参与。在耦合供给条件下,三者对稻种萌发的影响并非完全独立,本文研究表明:

1)在水、气、热耦合作用条件下,绥粳27稻种吸收水分速度与主要受温度条件影响,而与环境中的氧气条件无显著相关关系。温度对稻种吸水速度产生正向影响,温度越高则稻种吸水速度越快。

2)在本文选定的温度条件下,稻种吸水速度呈现“先快后慢”的变化规律。物理吸胀阶段,稻种吸水速度较快;萌动吸水阶段,稻种吸水速度较慢。转折点对应含水量即为稻种萌发所需含水量,绥粳27萌发含水量约为20%。

3)含水量是种子萌发的重要前提,低温条件会抑制稻种吸水,提高水温可加快吸水速度,进而缩短浸种耗时。