垄作栽培条件下作物生理特性研究进展

扈 婷，郑华斌，陈 杨，黄 璜

(湖南农业大学农学院，长沙410128)

当前，作物栽培研究的重点是节水节肥，降低成本，提高效益及保护环境，有利于农业的可持续发展。垄作栽培是一种相对于传统栽培(平作)的新型栽培方法，不仅克服了传统栽培的许多不利因素，有节水、保肥、增产等优点，而且还能在一定程度上改变土壤的光、热、水条件和微生物活动环境，较好地协调作物赖以生存的小气候条件，可产生节能、降耗、高效的良好生态效益和社会经济效益[1]，特别是对于需水量大的作物，如水稻，垄作栽培能显著提高稻田的水分利用率，缓解干旱缺水地区水稻生产的压力，减少稻田水资源的浪费。

国外在作物垄作栽培技术上的研究起步较早，40年代已有作物垄作技术的研究。近年来作物垄作技术已由原来雨量稀少而多暴雨的半干旱地区扩大到热带草原，由中耕作物扩大到麦类作物，由旱地农业扩展到灌溉农业[2]。当前，美国约有50%的耕地采用起垄、覆盖、少免耕的保护性耕作法，墨西哥90%的小麦区实行了垄作栽培[3]。

在我国，自20世纪80年代以来，垄作栽培技术也已在水稻、小麦、玉米、大豆、油菜等多种作物上取得了较为广泛的推广应用，并获得了相应的增产效果[4]，其中山东省成功研究出小麦垄作栽培方法。垄作栽培在我国南方稻区也得到广泛应用并取得了一系列成果[5]。笔者拟分别介绍垄作对水稻以及对旱地作物(小麦、玉米、大豆、棉花等作物)生理特性的影响。

1 垄作的田间小气候效应

1.1 对田间温度的影响

垄作增加了土壤表面积，因而受光受热面积增大，白天温度高，升温快，晚上由于土壤表面积大，含水量相对少而降温迅速，导致垄作栽培的昼夜温差变幅较大，对作物生长和干物质积累极为有利[6]。

马忠明[7]等连续17 d对春小麦垄作沟灌栽培进行调查，结果表明，与平作栽培相比，垄作栽培具有明显的增温效应，0～10 cm土壤日均温度较平作栽培提高0.65～1.25℃，平均提高1.41℃。随着气温升高，垄作与平作栽培土壤温度的差异逐渐增大，至16:00左右，差异最大，达1.73℃，之后随气温下降土壤温度差异减小。在春小麦拔节前，以0～5 cm土层土壤温度增幅最大，平均土壤温度较平作栽培高1.39℃。许多研究和生产实践证明，垄作比平作耕层温度提高1～3℃，是改善土壤温度状况的有效措施[8，9]。此外，在棉花研究中发现，垄作的增温作用可有效地克服麦套春棉普遍存在的迟发、晚熟、低产等问题，更有利于实现麦套春棉壮苗、早发、早熟、高产[10]。

应用半旱式栽培方式可以使稻田土壤处于湿润状态，有利于土体与空气交换，减少水中的有害物质，促进微生物活动，提高土壤养分转化。崔光辉等[11]发现，在水稻根密集、吸收水分作用较大的5～10 cm耕层，分蘖期和孕穗期温度均高于平作，这对加速水稻秧苗的返青和后期的生长发育有着重要的作用。另有研究发现，垄作与平作相比，由于受热受光面积大，稻田表层温度升高，日均温可增加0.5℃，水稻生育期有效积温增加，使分蘖高峰期比平作早10～15 d出现，同时有效分蘖增多，分蘖生长加快，成穗率提高，使水稻产量增加[6，12]。

1.2 对田间水分的影响

合理耕作，巧妙运筹水肥是植物健壮生长的良好基础，也是提高作物经济效益的有效技术措施。研究表明，垄作能减低作物生育期湿度和浅耕层含水量，有利于植株的生长发育，减少病虫害的发生，叶片披垂型的品种更能充分发挥垄作降低田间湿度的作用，利于群体健康发展[13]。

传统平作一般采取大水漫灌方式，不仅浪费大量水资源，而且容易使土壤板结，影响作物根系乃至整个植株的生长发育。机械垄作栽培改地面灌水方式为小水沟内渗灌，使水分利用率提高了30% ～40%，增加了土壤透气性，消除了根际土壤的板结现象，为小麦根系的健康生长及土壤微生物的活动创造了条件[14]。王法宏等[15]研究证明，采用垄畦沟灌技术可有效协调节水与增产之间的矛盾，垄作麦田平均灌溉用水比平作少360 cm3/hm2，小麦平均增产7 200 kg/hm2。

1.3 对田间透光率的影响

垄作通过改变土壤和作物在田间的空间配置[3]，增大受光面积和光能截获量，增加单位面积植株密度和紧凑度，改善了传统平作因群体密度过大田间郁蔽而导致的通风透光不良现象，为植株的健壮生长打下良好的基础[16]。

有研究表明，偏垄宽窄行种植模式下，无论行内还是行间，玉米距地面不同高度的透光率均高于常规种植，且冠层下部改善明显[6]。王旭清等人[16]总结了小麦垄作的优势:由于增加了边行受光和多层受光及直接光照面积，叶片的叶绿素含量增加，光合性能增强，因而光能利用率显著提高，高产小麦的产量潜力充分发挥出来，使小麦生物产量和经济产量均不同程度增加。

水稻平作栽培因基部长期淹水，光照很弱，抑制了分蘖芽的萌发，垄作的斜面造型使水稻基部光照充足。刘建松观测发现，在距田面10、20、30 cm处，晚稻幼穗分化期垄作田比平作田距田透光度分别增加 0.02%、0.113%、0.307%[17]，有利于延长植株中下部叶片的功能期，降低呼吸消耗，为中后期分蘖和幼穗分化提供充足的养料，使早发分蘖成穗。

2 垄作栽培对作物光合作用的影响

2.1 垄作栽培对叶面积指数及SPAD值变化的影响

徐成忠[26]等认为，垄作夏玉米全生育期叶面积系数比传统平作增加2.3% ～36.4%，其中播后14 d叶面积指数增加36.4%，达到第一个峰值，表明苗期垄作比传统平作长势强壮;抽雄期叶面积指数增加5.5%，为第2个峰值，表明垄作栽培在生长最旺盛时比传统平作栽培长势更好;灌浆期叶面积指数增加8.9%，为第3个峰值，表明垄作栽培灌浆期绿叶面积稳定时间长，更有利于灌浆成熟。

对小麦的研究也发现了相似的规律。垄作处理下小麦各时期SPAD值均高于平作，特别是开花后，表明垄作栽培有利于提高小麦旗叶整个功能期以及灌浆中期的生理活性，有助于功能叶片保持长久的高光合能力[27]。

章秀福等人[28]研究发现，垄畦栽培对水稻叶片的长、宽有影响。在分蘖期，垄畦栽培的叶面积较大，协优9308叶片长度和宽度比常规栽培增加9.4%和5.6%，叶片宽度差异显著;在齐穗期，上部3叶的长度和宽度均是常规栽培大于垄畦栽培;在抽穗后10～15 d，不同栽培方法的叶绿素含量相近，但到灌浆后期，垄畦栽培明显高于常规栽培，且在抽穗后35 d叶绿素含量差别最大，秀水110和协优9308分别比常规栽培高414%和713%。

2.2 垄作栽培对叶片光合速率、蒸腾速率及气孔导度的影响

马丽等人[4]对夏玉米在吐丝期和拔节期的观测结果表明，平作和垄作相比，从拔节期开始，垄作光合速率明显高于平作，表现出较高的光合优势。一天之内，在12∶00之前差异较小，12∶00之后差距加大，到18∶00左右二者差异又减小。垄作处理的叶片蒸腾速率(Tr)高于平作。不同生育时期处理间Tr的差异表现一致，但吐丝期Tr值要高于拔节期，在吐丝期，垄作的Tr最高值比平作的最高值高0.37 mmol H2O/m2·s。在两个生育时期内，夏玉米不同处理叶片气孔导度日变化均表现为垄作高于平作，这说明夏玉米实行垄作栽培，通风透光良好，田间空气湿度降低，蒸腾速率增加，有利于气体交换。

分析垄作小麦不同叶位叶片光合速率的变化，发现在垄作和平作栽培方式下，除大穗型的旗叶到倒二叶无明显差异外，从旗叶到倒五叶的光合速率均存在显著性差异，说明垄作通过改善群体内部的光分布状况，能够提高各叶位叶片的光合速率[29]。

在对水稻的研究过程中，发现在垄作方式下的光合速率都高于同一时期同一光强下传统耕作方式下的光合速率[30]。在不同生育时期，垄作方式的光合速率和气孔导度率均显著或极显著高于传统耕作方式，而蒸腾速率差异不显著，表明垄作促进了水稻光合速率的提高。

3 垄作栽培对作物生理酶活性的影响

研究表明，垄作与传统平作相比，小麦籽粒灌浆后期旗叶超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)及可溶性蛋白质含量等各项衰老指标均有显著改善，表明垄作有利于延缓旗叶衰老，延长绿叶功能期[27]。

水稻在畦沟(垄作)栽培条件下，土壤干湿交替灌溉复水后，即土壤水势为0 kPa时，水稻剑叶中的POD活性较传统平作无显著差异，但在落干期即土壤水势小于0 kPa时，畦沟灌溉条件下POD活性显著增加，且CAT、SOD活性变化趋势与POD活性变化趋势一致，表明在畦沟条件下，水稻能及时适应环境，使剑叶的保护酶活力维持在一个较高水平，有利于植株生长。在畦沟(垄作)栽培和传统平作下，丙二醛含量均无显著差异，说明两种栽培方式对膜脂损伤程度无太大差别[33]。

4 垄作栽培对作物产量的影响

研究发现，垄作栽培可以使作物不同程度地增产。由于开沟起垄改变了土壤的微地形，提高了土壤氧化还原电位，有效地增强了作物根系活力，扩大了田面受光总面积，提高了土壤温度，促进了有益微生物活动，增加了有效养分，土体内水、肥、气、热协调，作物抗逆性提高，病虫危害减轻，同时靠近垄沟或者较宽空间的边行产生较大的边际效应，产量贡献率大[34，35]。垄作玉米籽粒灌浆速率增大，千粒重增加26.79%，空秆率和倒伏率明显降低，收获指数提高，比平作增产 11.7%[36]。

有研究表明，与传统平作相比，垄作栽培技术更有利于分蘖成穗率较高的多穗型品种发挥其产量潜力[29]。垄作栽培能够显著增加多穗型小麦的穗粒数和千粒重，进而提高产量，而大穗型小麦则不能完全发挥出垄作栽培的优势。垄作小麦边际效益高，使小麦产量较平作增产10% ～30.9%[15，16]。另有数据表明，在相同播量条件下，某些小麦品种垄作的成穗率不高，最终产量也不高，也说明垄作受品种影响[37，38]。

多年水稻垄作的试验报道表明，垄栽能不同程度地增产，主要表现在有效穗的增加和结实率提高[39]。1994年，黄庆裕对比标准垄作的水稻经济性状及实际产量发现，标准垄作实际产量比平作增产14.6%，差异极显著，明显比其它处理好[34]。垄作的理论产量比传统耕作方式增加32.86%，但是半旱式栽培厢作的产量随厢宽的增加而下降[6，30]。此外，在垄作稻田养鱼成功的基础上，将种植业与养殖业结合，推行垄作稻田养鸡鸭的生态种养，增加了单位面积利润和产投比，水稻产量提高了9.04%，水稻的经济效益、社会效益和生态效益也显著提高[40，41]。

5 问题及展望

垄作栽培技术虽然早已存在并广泛应用，但还存在一些亟待解决的问题。在垄作栽培技术上，应因地制宜地选择配套技术类型;在作物品种的选择上，筛选培育叶片披散型品种，以充分利用空间资源，截获尽可能多的光能，可最大限度地发挥作物的边行优势[38]。此外，由于垄沟栽培起垄费工费时，农民投入大，生产积极性不高。为了解决这一矛盾，应探索出更切实可行的栽培方法，提高垄厢规格质量，加快起垄插秧机的机械研发，实现农机农艺的配套结合，为大面积推广创造条件。

垄作栽培技术在干旱半干旱地区应用较多，但是由于垄作土壤保墒能力较平作差，土壤水分蒸发较快，应提倡垄作与免耕覆盖相结合。在了解不同地区秸秆覆盖方式、时期和数量产生的水温效应不同，解决土壤水分和土壤增温之间的矛盾等的前提下[3]，充分利用农田生产的大量秸秆，不仅可以减少焚烧秸秆带来的污染问题，同时还能够弥补旱作区垄作栽培前期垄体土壤水分散失快的不足，热带区还可防止夏季高温对作物的危害。

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