不同土壤耕作模式对双季稻植株生物学特性的影响

徐一兰，刘唐兴，付爱斌，李益锋，皮 俊，黄新杰

（湖南生物机电职业技术学院，湖南 长沙 410127）

土壤耕作是农业生产过程中一项重要的技术措施，它通过影响土壤理化与生物性状，进而影响作物生长发育和产量品质形成［1］。合理的土壤耕作方式能够改善土壤的物理、化学和生物学性状，促进作物的根系生长和提高作物产量［2-3］。近年来，由于农业生产要素发生改变，所采取的土壤耕作措施发生改变，进而影响到稻田土壤理特性和作物产量。

前人关于不同耕作方式对稻田土壤肥力和水稻产量的影响进行了相应的研究，主要包括不同土壤耕作条件下稻田耕层土壤性状、水稻植株的生物学特性和光合特性、产量及产量构成因素等方面。汤文光等［4］的研究结果表明，长期翻耕和旋耕提高了稻田土壤养分含量，降低了耕层深度，土壤养分库容降低；唐海明等［5］、兰全美等［6］研究认为，长期免耕增加了稻田表层土壤全氮、有效磷含量，翻耕和旋耕提高了稻田下层（5～20 cm）土壤全氮、有效磷含量；崔思远等［7］的研究结果表明，与土壤翻耕处理相比，免耕处理增加了稻田土壤的氮素淋失量；Roger-estrade等［8］研究表明，传统的土壤耕作措施降低了土壤微生物多样性。兰全美等［6］认为，与土壤翻耕相比，免耕降低了水稻叶面积指数、光合势、有效穗数和结实率；刘金花等［9］研究表明，土壤旋耕处理较深翻耕处理相比虽增加了水稻生育前期分蘖数和单株干物质重量，但降低了生育后期叶面积指数和成穗率，从而导致水稻产量下降；汤军等［10］进行了土壤深翻和旋耕对双季水稻产量影响的研究，结果表明土壤深翻措施对水稻干物质积累、产量构成因素和产量均无明显的影响；Vanden等［11］研究表明，免耕处理降低了作物的产量；Jiang等［12］的研究结果显示，土壤翻耕结合免耕的综合措施有利于提高水稻产量。Zhang等［13］研究认为，土壤耕作措施对水稻产量无明显的影响。由于各试验区域的气候、种植制度和田间管理措施不同，不同土壤耕作方式对水稻产量的影响所获得的结果各异。

湖南是我国主要的双季稻主产区，其粮食产量对于保障国家粮食生产安全具有十分重要的战略意义。但近年来，由于农村产业结构发生变化，在水稻生产过程中所采用的稻田土壤耕作措施发生了明显的改变，传统的土壤翻耕比例逐渐减少，而土壤旋耕和免耕的耕作措施逐渐被农民所接受采用。由于所选择的土壤耕作措施各异，影响了稻田土壤理化特性，进而影响水稻的生长发育和产量的高低［5，7，14］。因此，针对水稻生产过程中上述所存在的问题，本研究在双季稻主产区系统比较不同土壤耕作措施（翻耕、旋耕、免耕及其组合）对双季稻植株的生物学特性及产量形成的影响，探究不同土壤耕作措施下双季稻产量变化，以期为南方双季稻区水稻周年高产稳产选择合理的土壤耕作措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在湖南省醴陵市均楚镇（113°14′47″E，27°34′15″N）进行，为典型的双季稻主产区，属亚热带季风性湿润气候，年均气温16.0～18.0℃，年均降水量1 200～1 600 mm，≥10℃活动积温5 000 ～5 800℃，无霜期260～310 d。试验地土壤为第四纪红壤母质发育的红黄泥，试验前耕层土壤（0～20 cm）基础养分性状为：有机质58.6 g/kg，全氮3.47 g/kg，全磷0.80 g/kg，全钾 17.7 g/kg，碱解氮276.5 mg/kg，有效磷46.8 mg/kg，速效钾87.0 mg/kg，pH值5.20。

1.2 试验方法

试验设5个土壤耕作处理：双季水稻免耕（NT），双季水稻翻耕（MP），双季水稻旋耕（RT），早稻旋耕-晚稻免耕（RT–NT），早稻旋耕-晚稻翻耕（RT–MP）。土壤旋耕耕作深度为10 cm，翻耕耕作深度为20 cm。每个处理3次重复，随机区组排列，处理间起垄覆膜隔开，单灌单排。

早稻供试品种为湘早籼45号，于2016年4月5日播种育苗，5月1日移栽，7月20日收获；晚稻供试品种为丰源优299，于6月20日播种育苗，7月20日移栽，10月29日收获。早晚稻均采用人工移栽，行株距20.0 cm×30.0 cm，二本栽插。早稻各处理施用总N 150.0 kg/hm2、P2O575.0 kg/hm2、K2O 90.0 kg/hm2，晚稻各处理施用总 N 180.0 kg/hm2、P2O560.0 kg/hm2、K2O 120.0 kg/hm2；N和K2O作基肥和追肥2次施入，基肥在耕地时施入，追肥在移栽后7 d施用，基、追肥比例均按7∶3施用；P2O5均在耕地时作基肥一次性施入。其他管理措施同常规大田生产。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 水稻分蘖动态 水稻移栽后，每小区定位选择5穴，每隔5～7 d观察记录单穴茎蘖消长动态。

1.3.2 水稻植株叶面积指数 分别在早稻和晚稻的苗期、分蘖期、孕穗期、齐穗期、成熟期，每个小区随机选择5蔸水稻植株，用美国CID公司生产的CI-203便携式激光叶面积仪测定单株叶面积，计算叶面积指数（LAI）。

1.3.3 干物质积累量 分别在早稻和晚稻的分蘖期、孕穗期、齐穗期、成熟期采集植株样品，每次取样时，以每株植株为中心，取长25 cm、宽25 cm、深20 cm的土块，先用清水将根系冲洗干净，注意避免丢失根量，用滤纸吸干附着水，然后将植株按根、茎、叶、穗分别装袋，于105℃杀青30 min，80℃烘至恒重，测定各部位的干物质量。

1.3.4 产量与产量性状 分别于早稻和晚稻成熟期，从每个小区选择长势均匀的水稻1个点（面积1 m2），计算单位面积内的有效穗数；从每小区中随机选取5穴进行考种，测定水稻植株的每穗粒数、结实率和千粒重等指标，计算平均值；同时，测定各小区的水稻实际产量。

试验数据采用Microsoft Excel 2003软件进行处理，采用DPS 3.11软件进行方差分析。

图1 不同土壤耕作模式水稻分蘖动态变化

2 结果与分析

2.1 水稻分蘖动态变化

图1A表明，早稻生长进程中，从分蘖始期至最高分蘖期，各处理分蘖数不断增加，在5月下旬达到峰值，此后，均呈现不同程度的下降，MP、RT-MP处理下降幅度较大，RT、RTNT处理次之，NT处理下降幅度较平缓，分蘖数均表现为双季水稻翻耕（MP）＞早稻旋耕-晚稻翻耕（RT-MP）＞双季水稻旋耕（RT）＞早稻旋耕-晚稻免耕（RT-NT）＞双季水稻免耕（NT）；晚稻各处理的分蘖数在8月下旬达到峰值，此后，分蘖数均呈现不同程度的下降，分蘖数均表现为 MP＞RT-MP＞RT＞RT-NT＞NT（图1B）。早稻和晚稻生育期，MP、RT-MP、RT处理分蘖数下降幅度较大，说明翻耕和旋耕处理分蘖数虽多，但成穗率较低。

2.2 水稻植株叶面积指数动态变化

早稻植株LAI变化规律见图2A，各处理植株LAI均随着生育期的推进不断增加，在孕穗期达到最大值；MP、RT、RT-NT和RT-MP处理植株LAI分别比NT高19.46%、13.59%、7.89%和4.87%。早稻各个主要生育时期，各处理植株LAI均表现为 MP＞RT＞RT-NT＞RT-MP＞NT。

由图2B可知，不同处理晚稻植株LAI变化规律与早稻不同，其中土壤免耕处理（RT-NT和NT）植株LAI均在分蘖期达到高峰，而MP、RT和RT-MP处理植株LAI则在孕穗期达高峰。晚稻各个主要生育时期，各处理植株LAI均表现为 MP＞RT-MP＞RT＞RT-NT＞NT。

图2 不同土壤耕作模式水稻植株叶面积指数动态变化

2.3 水稻植株干物质积累特性

2.3.1 早稻 不同土壤耕作模式早稻植株各部位干物质积累变化特性见表1。分蘖期至成熟期，MP处理植株的根系、茎、叶干重均高于其他处理，与NT处理差异显著，各处理植株根系干重均表现为MP＞RT＞RT-NT＞RTMP＞NT，茎干重均表现为MP＞RT＞RT-NT＞RT-MP＞NT，叶干重均表现为MP＞RT＞RTNT＞RT-MP＞NT；齐穗期和成熟期，以MP处理穗干重为最高，均显著高于NT处理，均表现为MP＞RT＞RT-NT＞RT-MP＞NT。

2.3.2 晚稻 分蘖期至成熟期，MP和RTMP处理晚稻植株的根系干重均显著高于NT、RT和RT-NT处理，均表现为MP＞RT-MP＞RT-NT＞RT＞NT；MP和RT-MP处理植株的茎干重均显著高于NT处理，均表现为MP＞RTMP＞RT-NT＞RT＞NT；MP和RT-MP处理植株的叶干重均显著高于RT-NT、RT、NT处理，成熟期MP和RT-MP处理水稻植株的叶干重均显著高于NT处理。齐穗期和成熟期，MP和RT-MP处理植株的穗干重均显著高于NT处理，均表现为MP＞RT-MP＞RT-NT＞RT＞NT（表2）。

2.4 水稻产量及其构成因素动态变化

不同土壤耕作模式对早稻产量及产量构成因素的影响见表3。MP、RT、RT-NT和RT-MP处理的有效穗数均高于NT处理，分别比NT处理增加25.09、20.52、15.41和7.24万条/hm2；MP处理植株的穗长显著高于NT处理；MP、RT、RT-NT和RT-MP处理植株的每穗总粒数均高于NT处理，分别比NT处理增加11.3、8.4、6.3和3.5粒，且MP处理显著高于NT处理；各处理间的结实率和千粒重均无显著差异；MP、RT、RT-NT和RT-MP处理产量均明显高于NT处理，分别比NT处理增加681.3、395.9、248.1和 210.0 kg/hm2，表现为 MP＞RT＞RTNT＞RT-MP＞NT。

表1 不同土壤耕作模式早稻植株干物质积累动态变化（g/株）

表2 不同土壤耕作模式晚稻植株干物质积累动态变化（g/株）

表3 不同土壤耕作模式早稻产量及其构成因素动态变化

从表4可以看出，MP、RT、RT-NT和RTMP处理晚稻的有效穗数均明显高于NT处理，分别比NT处理增加26.69、7.32、1.71和14.99万条/hm2；各处理间的穗长、结实率和千粒重均无显著差异；MP、RT、RT-NT和RT-MP处理的每穗总粒数均高于NT处理，分别比NT处理增加16.32、8.45、2.54和14.30粒，其中MP和RT-MP处理均显著高于NT处理。MP、RT、RTNT和RT-MP处理的产量均明显高于NT处理，分别比NT处理增加880.3、495.5、99.1和710.1 kg/hm2，表现为 MP＞RT-MP＞RT＞RT-NT＞NT。

表4 不同土壤耕作模式晚稻产量及其构成因素动态变化

3 讨论

3.1 不同土壤耕作模式对水稻干物质生产、分配的影响

水稻产量是其群体前期与后期相互影响的结果，后期群体的物质积累以前期群体生长为基础，当前期群体生长较小时，会影响到后期群体的生长，最终影响到水稻产量。前人研究认为，水稻产量的60%以上来源于抽穗后的光合生产和物质积累，穗后水稻的光合生产能力与干物质积累量是判断水稻群体质量的核心指标［15］。水稻植株干物质积累量受较多因素的影响，其中不同土壤耕作方式对水稻根际养分状态的影响较大，进而影响稻田土壤的理化特性和水稻植株干物质积累量［16］。有研究表明，免耕水稻根际碱解氮含量低于常规土壤耕作，而速效钾和有效磷含量高于常规土壤耕作［17］。同时，Fuentes等［18］经过14年的试验研究认为，免耕能够提高土壤质量并增加作物产量。本研究中，综合早稻和晚稻生长情况可知，土壤翻耕处理有利于提高水稻各部位干物质积累量，旋耕次之，免耕处理为最小，其原因一方面可能是采取土壤耕翻措施有利于改善土壤结构和根系的生长环境，促进了植株地下和地上部分的生长，增加了水稻植株的叶面积指数，增大了植株的光合面积，增强了植株光合产物的制造与积累量，从而有利于增加干物质积累，为水稻高产提供了物质保障；另一方面土壤耕翻措施改善了水稻根际的养分状态，增加了土壤有效养分供应，为水稻植株生长发育提供充足的物质来源，促进水稻植株的生长发育；这与前人研究认为适时加大土壤耕作的深度能显著提高土壤的蓄水能力、降低土壤容重与紧实度、改善土壤结构，从而促进作物根系生长和提高作物产量的研究结果一致［2-3，19］。而采用土壤免耕措施，水稻移栽后，植株根系主要分布于稻田的表土层，难以向下生长，其地下部根量较少、根系分布范围小，降低了植株对土壤中各营养物质的吸收，影响水稻植株的生长发育，减少了植株各部位干物质的积累量，从而最终影响水稻的产量。

3.2 不同土壤耕作模式对水稻产量的影响

近年来，保护性耕作技术等轻简栽培技术在国内外已有大面积应用。但是，关于不同土壤耕作措施对水稻产量的影响，前人的研究结果各异。有研究认为，与翻耕相比，免耕降低了水稻有效穗数、结实率和叶面积指数，从而降低了水稻产量［6，20］；也有研究表明，免耕可提高水稻叶面积指数、有效穗数、每穗粒数、千粒重和结实率等，从而增加水稻产量［21-22］。但也有研究认为，与土壤免耕、旋耕措施相比，土壤翻耕措施能促进水稻产量的提高［23］。因此，不同的土壤耕作措施对水稻产量效应与当地的气候和土壤条件（耕层土壤状况）关系密切。本研究分析了不同土壤耕作模式对水稻产量的影响，结果表明，早稻产量以双季翻耕处理为最高，晚稻产量以双季翻耕和早稻旋耕晚稻翻耕处理为最高；周年双季水稻总产以双季翻耕和早稻旋耕晚稻翻耕处理为最高，双季旋耕和双季免耕处理次之，早稻旋耕晚稻免耕处理为最低。翻耕处理水稻能获得最高产量的原因在于采用土壤翻耕措施有利于促进水稻植株的生长发育，植株叶面积指数较高，增强了植株的光合作用面积，有利于增加其光合产物，促进植株各部位干物质的积累，为水稻高产奠定了物质基础［24］；同时，土壤翻耕措施改善了土壤理化特性［5］，能为水稻生长发育提供良好的土壤生长环境和相应的营养物质，促进了水稻植株地下和地上部生长，水稻分蘖较多，增加了单位面积的有效穗数，改善了产量构成因素，有利于水稻获得高产。本研究结果与前人的研究结果不一致［21］，这可能与试验所选择的种植模式、土壤类型和土壤理化特性不同密切相关。与免耕措施相比，在双季稻区采取土壤旋耕措施也有利于改善土壤结构和理化特性，促进水稻的生长发育，增加水稻的叶面积指数和单株干物质重量，提高分蘖数和成穗率，从而增加了水稻产量，这与刘金花等［9］的研究结果相似。

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