传统淹水稻作种植体系耗水量大、水分利用效率低下,发展节水稻作生产体系已成为当务之急。作为重要的节水稻作生产技术之一,水稻覆膜栽培(GCRPS)因具有显著的节水稳产效果,使其自问世以来即广受关注。目前有关水稻覆膜栽培的研究主要集中在覆膜栽培对水稻地上部生长、产量、需水耗水规律及氮肥利用率的影响,而关于其节水增产的生理过程与机理尚不清楚,有关覆膜稻田水分利用效率的评估也鲜见报道。本研究以传统水稻淹水栽培为对照,通过室内水培试验、土柱试验及在湖北十堰房县开展的2年田间试验,综合分析了覆膜栽培(覆膜湿润和覆膜旱作)对水稻根系生长、形态、分布及吸收功能的影响,以及覆膜栽培条件下水稻冠层的水分生理特征、水氮吸收利用状况及其相互关系,探讨了覆膜水稻节水增产的生理过程和机理,建立了覆膜旱作稻田的水分生产函数和基于水量平衡的土壤水分分布模拟模型及作物蒸散估算模型,在此基础上,应用情景模拟方法,评估了不同灌溉情景下覆膜栽培水稻的耗水规律与水分利用效率。全文主要研究结果如下:1.覆膜栽培水稻节水增产的生理过程及机理生育前期(田间试验分蘖中期前和温室土柱试验分蘖初期前),各处理根系层土壤均维持饱和,水分供应充分,但覆膜增温效应显著促进了覆膜栽培水稻的根系生长和分枝,而单位根长吸水系数(包括实际和潜在吸水系数)则较淹水处理(TPRPS)显著减小。之后,覆膜增温效应逐渐减弱直至消失,而根区土壤含水量则显著降低,从而使得覆膜栽培水稻根系生长与分枝受到抑制,但单位根长吸水系数则与TPRPS处理持平甚至显著提高,变化趋势与生育前期正好相反,尤其是覆膜旱作栽培处理,这种趋势更为明显。在全生育期内,虽然土壤温度和水分对根长密度分布产生显著影响,但无论传统淹水还是覆膜栽培水稻,其相对根长密度分布规律仍然基本一致,可统一描述为一个具有一定物理意义的指数函数。生育前期,各栽培条件下水稻的蒸腾速率无显著差异,但覆膜增温效应使得GCRPS处理水稻的光合速率显著高于TPRPS处理。之后,覆膜栽培水稻的蒸腾及光合速率随根区含水量的降低均显著下降,但蒸腾速率受限制的程度显著高于光合速率。其原因可能与植株含氮量有关:研究结果表明水稻最新展开叶的光合速率与其比叶氮呈线性正比关系(R2 = 0.39**),而覆膜栽培水稻的比叶氮均显著高于TPRPS处理,因而覆膜栽培水稻光合作用受到较小程度的抑制,这种趋势随植株生长有所衰减。与TPRPS处理相比,覆膜增温效应导致GCRPS处理叶面积显著增大、生育前期蒸腾增加,而生育中后期根系层土壤含水量的减少则使其蒸腾速率显著减小,就整个生长季而言,覆膜水稻的蒸腾量相对于淹水栽培平均下降了 7.9%;在根系吸氮方面,与上述光合速率和比叶氮间的关系类似,水稻根系吸水、吸氮能力与比根氮同样也呈较好的线性正比关系(R2 = 0.76**和R2 = 0.69**),且不受氮素形态、氮素浓度及作物生育期的影响,覆膜旱作等措施使得GCRPS处理稻田中的深层渗漏大大减少、N淋失大大降低,其结果便是根系层土壤可供氮总量显著增多,而生育前期的覆膜增温效应则加速了N的转化和根系吸收,因此,GCRPS的吸氮量较TPRPS平均升高达96.3%,故覆膜栽培水稻能够拥有更强的水分利用效率及光合效率,从而有效缓解生育后期的水分胁迫对光合作用的抑制,保持在生育前期建立的生长优势并最终实现节水增产。2.覆膜栽培稻田水分利用效率评估构建并校验了基于Jensen模型的覆膜旱作稻田水分生产函数,该模型可较好地用于描述覆膜旱作水稻各生育期蒸散与产量的关系,在分蘖期、拔节孕穗期、抽穗扬花期和乳熟期的水分敏感系数分别为0.108, 0.110, 0.114和0.099,对产量模拟的相对误差仅为1.1%。基于水量平衡法构建的土壤水分分布模拟模型可较好地模拟覆膜旱作稻田的水分运动规律并据此可靠地估算其蒸散量,使含水量实测值与模拟值的均方根差和相对均方根差分别不高于0.039 cm3 cm-3和14.7%。基于上述模型,设定覆膜湿润、覆膜100%旱作(控制根区土壤含水量不低于田间持水量的100%,下同)、覆膜90%旱作、覆膜80%旱作和覆膜70%旱作等5种灌溉制度,情景模拟结果显示覆膜旱作水稻产量均显著高于淹水处理,覆膜栽培条件下,稻田的蒸发、蒸腾、深层渗漏、径流和产量均随灌溉量的减少而减小,水分利用效率却随之而升高,其中覆膜湿润栽培的水稻产量最高,较传统淹水提高了 13.8%,覆膜70%旱作处理水稻的总水分利用效率最高,较传统淹水和覆膜湿润分别提高了 121.4%和27.8%。