连续旋耕下深耕对寒地优质粳稻产量形成的影响

赵黎明，黄安琪，王亚新，蒋文鑫，周行，沈雪峰，冯乃杰，郑殿峰

连续旋耕下深耕对寒地优质粳稻产量形成的影响

赵黎明，黄安琪，王亚新，蒋文鑫，周行，沈雪峰，冯乃杰，郑殿峰

广东海洋大学滨海农业学院，广东湛江 524088

【目的】研究连续旋耕下深耕对不同优质粳稻生长动态、光合物质生产及产量形成过程的影响，为寒地优质粳稻高产高效栽培提供技术支撑。【方法】2018—2019年以绥粳18、垦稻12和三江6为供试材料，在秸秆还田条件下，前茬连续2年旋耕基础上，设置深耕和旋耕2种耕作方式，研究耕作方式对优质粳稻生长动态及花后物质生产特性的影响。【结果】年份间产量差异不显著，而耕作方式对寒地优质粳稻生长发育、花后光合物质生产特性及产量性状存在显著影响。与旋耕相比，深耕显著增加了每平方米分蘖数和有效穗数，剑叶展开时间晚且持续时间长，抽穗晚但持续时间无变化；增加了生物量和茎鞘干物质转运能力，其中齐穗期生物量和茎鞘干物质分别增加8.34%和5.36%；输出量、输出率及转化率增幅分别为13.19%、6.70%和9.17%，差异显著（＜0.05）；提高了齐穗期与成熟期叶面指数，延长了绿叶面积持续时间，增加了群体生长速率；促进了主茎倒3、4节位的节间长度、叶片长度和宽度，增加了株高和穗长；每穗粒数和粒重分别增加7.05%和3.37%，收获指数增加1.90%，实现产量平均增幅12.78%。同一耕作方式条件下，在茎蘖数、光合物质生产能力、茎鞘干物质积累量及转运能力、产量及其构成上均以垦稻12表现最佳，绥粳18次之；而三江6花后叶面积指数、成熟期每穗粒数和粒重虽然较高，但并不能弥补其干物质转运能力、有效穗数和千粒重低的不足。在互作效应上，深耕×垦稻12处理表现出较高的每平方米有效穗数，花后光合物质生产及转运能力强，粒叶比和群体生长速率高，千粒重与收获指数高，增产9.15%—27.47%。【结论】在连续旋耕稻田上搭配一次深耕的耕作方式是利于提高本区域优质粳稻产量的耕作制度。

旋耕；深耕；优质粳稻；产量；光合；物质生产特性

0 引言

【研究意义】黑龙江省作为我国最主要的粳稻生产基地之一，2021年水稻种植面积约4.0×106hm2，在我国粮食安全中起着重要作用。该稻作区受寒地气候影响，无霜期短，种植户为了缓解春季农忙，保证水稻在安全生育范围内适期早栽，稻田耕作多以秋耕为主。目前，黑龙江省水稻种植有三分之二面积分布在地方各市县，一方面受连续深耕成本增加影响，另一方面地方耕作机械较为落后，多为小型耕作机械，因此在实际生产中，种植户普遍采用旋耕耕作方式，且旋耕深度多在10—15 cm。然而，长期的旋耕虽然达到了降低成本的效果，却导致了耕层变浅和犁底层上移，严重影响了水稻生长发育和高产的形成[1]，同时旋耕过浅并不利于秸秆还田，且春季整地泡田后秸秆大量上浮，导致机插漂秧、倒秧，影响水稻机插效果，增加补苗成本，而深耕可以打破犁底层、改善土壤环境和提高产量[2-4]。因此，为解决稻田长期旋耕所带来的不利影响，必须建立科学合理的可持续耕作制度，创造适应本地区优质粳稻高产栽培的土壤生态条件，对保证优质水稻高效生产有重要意义。【前人研究进展】合理的土壤耕作方式为作物的生长提供优良环境，达到增产的目的[5-6]。前人对于耕作方式所展开的研究因土壤类型、栽培方式和区域环境因素不同，对水稻生长发育和产量形成方面的研究结果各异。相关研究表明，旋耕与翻耕对南方籼稻的生长特性和产量无显著影响，其中翻耕对生育后期剑叶光合特性产生不利影响[7-8]。刘金花等[9]研究表明，旋耕有利于促进双季稻前期单株干物质积累，但却降低了水稻生长后期的叶面积指数和籽粒产量。谷子寒等[10]、徐尚起等[11]和周群[12]研究认为，深耕能够提高水稻茎蘖成穗率，增加生育后期叶面积、叶片叶绿素含量与净光合速率，延长绿叶面积持续期，改善源库关系，增加籽粒产量。唐海明等[13]研究表明，深耕有利于移栽后水稻叶面积指数、光合势、有效穗数和结实率的增加，植株物质生产能力增强，干物质积累多且分配合理。凌启鸿等[14]研究表明，翻耕与旋耕相结合有利于促进植株生长发育，增强植株光合产物的制造，增加干物质积累，进而为水稻高产提供了物质保障。【本研究切入点】以往关于耕作的相关研究较多，但有些研究前茬耕作背景介绍不明确，且研究内容主要是针对几种单一耕作方式进行分析比较，明确某种耕作方式对产量形成的调控途径。近期相关研究也主要是基于不同轮作制度和施肥模式下的耕作研究，而在寒地连续旋耕稻田上进行深耕处理并适当增加耕深，同时配合种植多个寒地优质粳稻品种进行水稻生长发育、花后光合物质生产特性及产量变化的调控研究未见报道。【拟解决的关键问题】本研究以种植面积较大的优质粳稻品种绥粳18、垦稻12和三江6为试验材料，在连续旋耕稻田上，以深耕与旋耕为处理方式，研究深耕和旋耕对优质粳稻生长发育动态、干物质生产能力、茎鞘物质转运能力以及产量的作用规律和调控效果，为寒地稻区优质粳稻的高产栽培提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2019年在黑龙江省佳木斯市佳南实验农场（130.40°E，46.30°N）进行，该区域是适于光温钝感性早熟品种生育的生态区，代表面积大。2年试验地为同一地块，0—20 cm耕层土壤基础肥力相近，平均表现为碱解氮191.23 mg·kg-1、有效磷30.01 mg·kg-1、速效钾132.78 mg·kg-1、有机质51.19 g·kg-1、pH 6.59。试验降雨量与温度数据由InteliMet Advantage型气候监测气象站（Dynamax公司，美国）提供，2018—2019年生长期内总降水量分别为464.2 mm和481.9 mm，活动积温分别为2 723.9 ℃和2 641.2 ℃（图1）。

图1 水稻生育期间日降雨量、日最高、日最低和平均气温

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主区为耕作方式，设置深耕和旋耕2个处理，副区为不同水稻品种，分别为绥粳18、垦稻12和三江6，品种特性见表1。耕作于上一年秋季水稻收获后2周（10月中旬）完成，其中深耕区翻深（28.0±1.8）cm，旋耕区旋深（15.0±1.6）cm。主区面积432 m2，小区间用50 cm高、埋深30 cm PVC板分隔，确保不串肥不串水，每品种种植24 m2（3 m×8 m），3次重复，单排单灌。2年试验为同一地块不同区域，该地块常年同等施肥强度，采用半喂入式收割机收割，留茬15 cm，秸秆粉碎全量还田，前茬连续2年耕作方式均为秋旋耕。日光温室育苗，4月18日播种，旱育中苗，每盘播芽谷100 g，5月20日移栽，移栽叶龄（3.6±0.2）叶，插秧规格30 cm×12 cm，每穴4株，人工模拟机械插秧。田间总施尿素（46%N）250 kg·hm-2，磷酸二铵（46% P2O5）100 kg·hm-2，氯化钾（60% K2O）150 kg·hm-2。纯氮按照基肥﹕蘖肥﹕调节肥﹕穗肥为4﹕3﹕1﹕2比例施入，氮肥移栽前基施40%（尿素+磷酸二铵）作基肥，追肥均为尿素，其中，4.1—5.1叶龄期分蘖肥30%，9.1—9.5叶龄期调节肥（接力肥）10%，10.5左右叶龄期施穗肥20%；磷肥100%作基肥，钾肥50%作基肥，50%作穗肥。有关灌溉、植保措施按高产要求统一管理。

表1 供试品种特性简介

*数据来源于国家水稻数据中心。https://www.ricedata.cn/variety/ The data come from the China Rice Data Center. https://www.ricedata.cn/variety/

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶龄与茎蘖动态 定位10穴，每5 d调查1次叶龄值和茎蘖数。

1.3.2 抽穗和剑叶展开动态 定位10穴，调查茎蘖剑叶展开和抽穗数量随时间的百分比。

1.3.3 干物质积累 齐穗期和成熟期每个重复小区随机3点进行每平方米茎蘖数调查，计算每穴平均有效穗数，按平均数选取长势一致的代表性植株5穴，用于植株各部位分析。将以上样品进行分样处理后，于105℃杀青30 min，75℃烘箱72 h烘至恒重后，分别测定各部位干质量。

1.3.4 叶面积指数 采用方格干重法测定植株叶面积，即在硬塑板上用铅笔画出100 mm×200 mm矩形面积，随机取1.3.3中对应的每穴绿色功能叶片平铺在矩形面积上，保持叶片长度与矩形宽度平行，用刀片切除矩形框架外叶片部分，框内叶片单独包装烘干后测定干质量，根据每穴绿色功能叶干重和密度计算出每平方米叶面积和叶面积指数。

1.3.5 SPAD值 采用SPAD-502型叶绿素测定仪（Minolta Camem 公司，日本）测定，于齐穗期（抽穗达80%）和蜡熟期（齐穗后28 d）每小区随机选取3点，每点主茎10株，测定距叶基部2/3处的所有绿叶片SPAD值，平均值表示测定结果。

1.3.6 农艺形态性状及产量性状 根据每穴平均有效穗数，每重复区随机3个点，每点选择长势一致的植株各3穴，共9穴，去掉根部多余泥土，做好标记后倒挂于网室中，阴干后敲掉根部泥土，测定株高后，每穴分出3个主茎，测定主茎各形态性状指标。每穴进行单独脱粒，采用CFY-Ⅱ型种子风选净度仪将实粒与空秕粒分开，采用SLY-C型微电脑自动数粒仪进行实粒数考查并称重，采用日本KETT型水分快速测定仪测定水分含量，折算成14.5%标准水分重量计算千粒重，人工完成空秕粒调查后，计算结实率，并根据每穴平均有效穗数计算每穗粒数和粒重。

1.3.7 产量测定 每小区实收4行，区头区尾各留1 m，实收面积7.2 m2，人工脱粒去杂后称重并折算成14.5%标准水分下的公顷产量进行数据分析。

1.4 数据计算和分析

粒/叶（mg·cm-2）=籽粒产量/齐穗期叶面积；茎鞘物质输出量（g·m-2）=齐穗期茎鞘干物质重-成熟期茎鞘干物质重；茎鞘物质输出率（%）=[(齐穗期茎鞘干物质重-成熟期茎鞘干物质重) /齐穗期茎鞘干物质重]×100；茎鞘物质转化率（%）=[(齐穗期茎鞘干物质重-成熟期茎鞘干物质重)/成熟期籽粒干物质重]×100；群体生长率（g·m-2·d-1）＝(W2–Wl)/(t2–t1)；净同化率（g·m-2·d-1）＝[(lnL2-lnL1)/(L2-L1)]×[(W2-W1)/ (t2-t1)]。式中，L1和 L2为前后两次测定的叶面积，t1和t2为前后两次测定的时间；W1和W2为前后两次测定的干物质量。

使用Microsoft Excel 2019进行数据处理，DPS7.05 软件进行统计分析，对2018年和2019年的多重比较进行SSR检验，方差分析线性统计模型包括重复数、年份（Y）、耕作方式（T）、品种（V），以及Y×T、Y×V、T×V和Y×T×V的交互作用。

2 结果

2.1 叶龄、茎蘖、剑叶展开及抽穗的动态特征

水稻主茎叶片的生长与叶、分蘖、茎秆以及穗等器官的生长发育之间关系密切。由图2可知，叶龄随生育进程呈直线上升趋势，整个叶龄进程受插秧时叶龄、年份间环境变化和品种的影响较大。从耕作方式上看，在插秧后15—50 d，旋耕处理主茎叶片生长速度和叶龄值均高于深耕，平均增幅1.97%；至剑叶全部展开时，深耕处理叶龄值表现为11.61，较旋耕增幅2.02%。品种间比较，三江6叶龄进程快于其他两个品种，剑叶展开时的叶龄终值表现为三江6（11.68）＞绥粳18（11.53）＞垦稻12（11.24）（＜0.05）（图2-a、b、c）。上述说明，耕作方式与年份间环境变化对水稻叶龄进程和叶龄终值产生影响，其中深耕处理较旋耕延长了主茎叶片的生长持续期，而品种间因生育期不同导致了叶片叶龄值差异较大。

误差线采用平均偏差，计算公式为∑|x-|/n。下同

从茎蘖动态来看（图2），在不同年份、不同耕作方式和不同品种下，每平方米茎蘖数随生育进程均呈现单峰曲线变化趋势，且最高分蘖茎数均出现在移栽后第35天。与2018年相比，2019年每平方米茎蘖数增幅1.75%（＞0.05，图2-d）。从耕作方式上看，移栽后10—55 d，深耕处理茎蘖数高于旋耕（图2-e），平均增幅9.14%（＜0.05），其中移栽后第15天，增幅达到最大值，表现为15.49%（＜0.01）。茎蘖数达到峰值后，分蘖茎数开始下降，且深耕处理下降幅度大于旋耕（图2-e）；至茎蘖数稳定后，深耕处理有效茎数显著高于旋耕（＜0.05）。品种间比较，移栽后10—55 d，茎蘖数均表现为垦稻12＞绥粳18＞三江6（＜0.05），至最高分蘖时，垦稻12较绥粳18和三江6分别增幅18.4%和33.8%（＜0.01）。从茎蘖成穗率上看，与深耕处理相比，旋耕处理在2018年和2019年平均分别增加2.19%和2.38%，其中2018年旋耕处理增幅最大的品种是三江6，增幅为5.42%（＜0.05），而2019年增幅最高的品种则是绥粳18（图3-a）。互作效应分析表明，茎蘖成穗率最高的是2019年旋耕×垦稻12处理，而每平方米有效穗数最多的是2018年深耕×垦稻12处理（图3-b）。上述说明，连续旋耕稻田上采用深耕处理有利于增加每平方米茎蘖数，而持续旋耕虽然提高了茎蘖成穗率，但每平方米茎蘖数降低明显；而种植垦稻12可同时实现有效穗数和茎蘖成穗率的增加，展现出该品种具有较强的适应性。

DT：深翻；RT：旋耕；Y：年份；T：耕作；V：品种。*和**分别表示方差在P＜0.05 和P＜0.01水平上显著，ns表示不显著。下同

不同品种和栽培水平下，水稻剑叶对生物产量、干物质生产及其运转产生的影响也有所不同。由表2可知，2018年剑叶初展时间整体晚于2019年，深耕处理剑叶初展时间晚于旋耕，垦稻12剑叶展开早于绥粳18和三江6。深耕处理剑叶全部展开平均需要9 d，而旋耕处理平均需要8.5 d，其中在旋耕作用下，2019年绥粳18和垦稻12剑叶初展时间最早，始于7月14日，全部展开平均需要8.7 d。从抽穗情况上看，深耕处理抽穗达100%所需时间与旋耕相同，均为7.3 d。两年间抽穗最早的处理为2019年旋耕×垦稻12处理，始于7月22日，抽穗达到100%仅需要7.0 d。品种间比较发现，垦稻12抽穗时间早于绥粳18和三江6，其中三江6剑叶展开时间较垦稻12和绥粳18推迟1—2 d。从整个剑叶展开和抽穗过程上看，绥粳18平均用时最多，这可能与茎蘖剑叶展开和抽穗快慢有关（表2）。上述说明，年份、耕作和品种对剑叶展开和抽穗的初始、结束时间节点产生影响，而对达到100%抽穗时所需天数无明显影响。

2.2 花后生物量及茎鞘物质转运特征

正常情况下，开花后叶片发育终止，持续增加的光合物质绝大部分将直接输向籽粒，对水稻而言，花后干物质才是真正的经济产量生产期。年份、耕作和品种对干物质生产及转运能力存在显著影响，年份×耕作与年份×品种对花后生物量有显著影响，耕作×品种对齐穗期与成熟期茎鞘物质积累及转运能力有显著的互作效应，年份×耕作×品种对干物质生产及转运影响不显著（表3）。两年间茎鞘物质转运能力表现为2018年高于2019年。从耕作方式上看，与旋耕相比，深耕增加了齐穗期与成熟期生物量和茎鞘干物质，其中齐穗期与成熟期生物量增幅分别为8.34%和4.54%，茎鞘干物质增幅分别为5.36%和2.87%，齐穗期增幅明显大于成熟期；深耕提高了茎鞘物质转运能力，其中输出量、输出率及转化率增幅分别为13.19%、6.70%和9.17%，增幅显著（＜0.05）。品种间比较发现，垦稻12茎鞘物质转运能力强于绥粳18（＞0.05）和三江6（＜0.05），与三江6相比，垦稻12输出量、输出率及转化率分别增幅49.53%、44.01%和33.17%，增幅极显著（＜0.01）。互作效应分析表明，2018年深耕×垦稻12处理生物量最高，其中齐穗期生物量较其他处理组合增幅6.13%—29.80%，而2018年旋耕×垦稻12处理输出能力最高，转化率最佳的处理组合为2018年深耕×绥粳18处理（表3）。

表2 耕作方式对水稻剑叶展开率和抽穗率的影响

SJ18：绥粳18；KD12：垦稻12；SJ6：三江6号。下同 SJ18: Suijing18; KD12: Kendao12; SJ6: Sanjiang6. The same as below

表3 耕作方式对水稻干物质生产及运转的影响

BY：生物产量；DAS：茎鞘干物质积累量；ET：转化量；ER：输出率；TR：转化率。同列数据后不同字母表示不同处理之间差异显著（＜0.05）。下同

BY: Biological yield; DAS: Dry matter accumulation of stem and sheath; ET: Exportation; ER: Export rate; TR: Translocation rate. Different letters within the same column indicate statistical significance at＜0.05. The same as below

2.3 花后叶面积指数、群体生长速率、净同化率、粒叶比及叶绿素变化

群体生长速率和净同化率反映的是单位叶面积单位时间内生产和积累的干物质量，而合理的叶面积动态和数值大小是实现水稻高产的重要保证。在本研究中，年份、耕作和品种对花后光合特性存在显著影响，其中年份×耕作对叶面积指数和净同化率互作效应显著，年份×品种对粒叶比和净同化率互作效应显著，耕作×品种对叶面积指数和粒叶比产生显著互作效应，年份×耕作×品种对粒叶比有显著互作效应（表4）。同一年份间，深耕处理的齐穗期与成熟期叶面指数高于旋耕，而粒叶比、群体生长速率和净同化率因品种不同而表现出较大差异；不同年份间比较，与2019年相比，2018年增加了齐穗期叶面积指数，降低了粒叶比和净同化率。从耕作方式上看，与旋耕相比，深耕显著增加了齐穗期叶面积指数，至成熟期仍表现出较高叶面积指数，其中齐穗期叶面积指数增幅3.47%；增加了群体生长速率，但差异不显著，降低了粒叶比和净同化率，其中净同化率降幅显著。品种间比较，垦稻12较三江6提高了群体生长速率，显著增加了粒叶比和净同化率。互作效应分析表明，齐穗期叶面积指数和群体生长速率最佳互作组合均为2018年深耕×三江6处理，分别表现为4.75 g·m-2·d-1和13.43 g·m-2·d-1；而净同化率最佳互作组合为2019年旋耕×垦稻12处理，表现为5.47 g·m-2·d-1（表4）。上述说明，深耕处理能够增加齐穗后叶面积指数和群体生长速率，并延长绿叶面积持续时间。

表4 耕作方式对水稻叶面积指数、粒叶比、群体生长速率和净同化率的影响

叶片SPAD能够反映水稻花后功能叶片的光合能力和衰老过程，其值与叶绿素含量密切相关，对保证群体光合潜力、提高水稻产量具有重要意义。由图4可知，年份、耕作和品种对齐穗期和蜡熟期SPAD存在显著影响，但互作不显著。齐穗期至蜡熟期，叶片SPAD开始呈下降趋势，其中深耕降幅高于旋耕，2019年降幅高于2018年，两个时期SPAD均表现为2018年＞2019年（＜0.01）。从耕作方式上看，深耕的叶片SPAD极显著高于旋耕（＜0.01），齐穗期与蜡熟期分别增幅1.81%和1.31%；品种间比较，齐穗期和蜡熟期均表现为三江6＞绥粳18＞垦稻12（图4）。上述说明，深耕有利于增加齐穗期至蜡熟期叶绿素含量，花后绿叶面积持续期长于旋耕。

FH：齐穗期；WR：蜡熟期。下同 FH: Full heading stage; WR: Waxy ripe stage. The same as below

2.4 农艺性状

2.4.1 农艺形态性状 从表5可以看出，年份对株高、穗长、节间长及叶片长度影响不显著，对倒3、4叶宽影响显著。同一年份间，除倒1节间长外，其余农艺形态性状均以深耕最佳。从耕作方式上看，与旋耕相比，深耕能够增加株高（＜0.05）和穗长（＜0.01），增幅分别为2.18%和6.60%；促进节间伸长（＜0.05），倒1至倒4节间长增幅依次增加，分别为3.76%、16.76%、19.71%和54.31%；增加倒2、3、4叶片长度与宽度。互作分析表明，年份×品种对倒1叶片（＜0.01）、倒2叶片（＜0.05）长度产生显著影响，耕作×品种对倒1节间长（＜0.01）、倒3节间长（＜0.01）、倒4节间长（＜0.01）和倒1叶片长度（＜0.05）存在显著互作效应，其余互作不显著。上述说明，在连续旋耕稻田上采用深耕较持续旋耕更有利于提高株高、促进穗长增加和节间长度伸长，增加倒3、4叶长度和宽度，其中深耕株高的增加主要得益于倒3、4节间长的增加。

2.4.2 农艺产量性状 水稻产量形成取决于单位面积有效穗数、每穗粒数、千粒重和结实率。由表6可知，年份、耕作和品种对水稻每穗粒数、每穗粒重、千粒重、结实率、收获指数及籽粒产量存在显著影响。年份×耕作在每穗粒数和每穗粒重上存在显著互作效应，年份×品种对每穗粒数、千粒重、结实率和收获指数的互作效应达显著水平；耕作×品种对千粒重和籽粒产量产生显著影响，年份×耕作×品种对结实率、收获指数及籽粒产量产生显著互作效应。同一年份间，与旋耕相比，深耕虽然显著降低了结实率，但每穗粒数、每穗粒重和收获指数显著高于旋耕，最终实现产量极显著高于旋耕，产量增幅分别为14.43%（2018年）和11.14%（2019年），说明在深耕下，每穗粒数、每穗粒重和收获指数的增加弥补了结实率低的不足。不同年份间产量构成因素差异较大，但并未超出各因素间协同互补的界限范围，因此，产量差异不明显。从耕作方式上看，与旋耕相比，深耕增加了每穗粒数和每穗粒重（＜0.05），两年平均增幅分别为7.05%和3.37%；提高了收获指数和籽粒产量，两年平均增幅分别为1.90%和12.78%。品种间比较，三江6每穗粒数显著高于绥粳18和垦稻12（＜0.01），而垦稻12的千粒重、结实率、收获指数和籽粒产量均高于绥粳18和三江6，其中产量增幅分别为6.13%和12.16%（＜0.05，表6）。互作效应分析表明，每穗粒数、每穗粒重最佳组合为2018年深耕×三江6处理，千粒重和结实率最佳组合分别为2018年深耕×垦稻12处理和2019年深耕×三江6处理（表6）。

表5 耕作方式对水稻植株形态性状的影响

FI：倒1节间；SI：倒2节间；TI：倒3节间；FTI：倒4节间；FL：倒1叶；SL：倒2叶；TL：倒3叶；FTL：倒4叶

FI: First internode from top; SI: Second internode from top; TI: Third internode from top; FTI: Fourth internode from top; FL: First leaf from top; SL: Second leaf from top; TL: Third leaf from top; FTL: Fourth leaf from top

表6 耕作方式对水稻产量及其构成的影响

3 讨论

3.1 耕作方式对优质粳稻生长动态及农艺形态特征的影响

水稻优良株型和高产群体的调节是通过促进和控制各器官的生长来实现的，通过调查主茎叶龄可以正确判断水稻花前生育各期各部器官的生育进程及建成情况，实现花前和花后管理上的有效对接。前人研究表明，合理的农艺形态性状配置有助于提高群体光合能力和发挥产量潜力，其中株高作为重要的农艺形态性状，适当增加植株高度可以增加水稻生物量和产量[15-17]。在本研究中，参试品种主茎总叶片数旋耕少于深耕，且深耕可以通过增加倒3、4节间长度来增加植株高度，而倒3、4节位叶片长度和宽度的增加，对于提高植株底层光合作用又可以起到一定促进作用。

分蘖是影响产量的重要农艺形态性状之一，其多少显著影响单位面积穗数、茎蘖成穗率和籽粒产量，但过多的无效分蘖会导致成穗率降低，结实率差，穗小，最终导致产量降低[18-20]。有学者研究表明，促进有效分蘖、控制无效分蘖、提高群体茎蘖成穗率是最佳有效叶面积指数形成的基础[21]。茎蘖成穗率作为群体质量中最核心指标，直接影响水稻高产群体形成，因此，在适宜穗数基础上提高茎蘖成穗率有利于水稻群体素质提高[22]。与耕作相关的研究表明，深耕能够增加水稻生长后期分蘖数和总有效穗数[8,23]，而旋耕虽然能够提高水稻生长前期分蘖数，但却降低了茎蘖成穗率[9]。本研究表明，深耕能够增加每平方米茎蘖数，而旋耕茎蘖数虽少，但成穗率高于深耕，这与前人研究有所不同。产生差异的原因可能有两个：一方面可能是试验研究的前茬耕作背景和耕作深度不同所致，如在南方稻作中，有研究认为翻耕能够增加分蘖数和有效穗数[8,10]，也有研究认为翻耕对晚稻有效穗数影响不明显[7]，还有研究认为，深耕能够增加成穗率，降低生长前期的分蘖数[9]；另一方面，在寒地稻作中，水稻主茎与分蘖是否成穗与叶龄发育进程度密切相关，在本研究中，由于深耕的叶龄生长期、剑叶展开期和抽穗持续时间均较长，致使分蘖与主茎的抽穗期及持续期差异较大，分蘖后期产生大量无效分蘖，从而导致其茎蘖成穗率低于旋耕。

3.2 耕作方式对优质粳稻花后光合物质积累及转运特性的影响

产量的高低取决于生物产量的多少，而提高花后光合物质生产及其转运能力是增加生物产量的有效途径，因此，产量的形成取决于植株干物质积累、分配与转运能力[24-28]。相关研究表明，超高产水稻产量随中后期群体生长率、干物质净积累量和干物质输出量的增加而提高[29-31]；也有研究认为大穗型和超高产水稻品种干物质生产优势在抽穗前，干物质积累量显著增加且能有效运转至籽粒是增加产量的前提[32-34]。关于耕作方式的研究，前人研究表明，土壤耕作是水稻生产中最早的环节，其中旋耕有利于促进生长前期单株干物质积累[9]，而深耕能够增强植株干物质生产能力，提高齐穗期与成熟期干物质比例，干物质积累多且分配合理[13]。在本研究中，深耕通过增加生物量，提高齐穗至成熟期的茎鞘干物质积累与转化能力，品种产量潜力得到充分发挥，进而获得较高产量，这与前人在丰产穗重型水稻上的研究结果基本一致[31-32]。

叶片是水稻最重要的光合器官，更是合成干物质的源和获得高产的基础，为生长发育提供了光合同化产物与能量物质，其中叶面积指数、群体生长率和净同化率是表征群体光合生产能力的重要指标。相关研究表明，适宜的群体叶面积指数是高产群体质量的基础指标，更是实现高产的重要保证[33]。粒叶比是协调群体源库的重要指标，提高粒叶比有助于光合物质积累，形成高质量群体[21]。关于耕作的相关研究表明，深耕能够增加生育后期叶面积、叶片叶绿素含量与净光合速率，延长叶面积持续期，优化群体光合性能[10, 13]。在本研究中，深耕在增加有效穗数、叶面积指数和群体生长速率的同时，降低了粒叶比和净同化率，但最终产量仍显著高于旋耕，究其原因很可能是由于深耕较强的干物质转运能力弥补了粒叶比和净同化率低的不足。叶片SPAD能够反映水稻生育后期功能叶光合能力和衰老进程，与叶绿素含量呈现正相关[34]，而叶绿素含量又常用来评估作物光合作用强弱和生长发育状况。本研究认为深耕增加了叶片叶绿素含量，延长了齐穗后绿叶面积持续期，为籽粒灌浆提供了持久的光合源泉。

3.3 耕作方式对优质粳稻农艺产量性状的影响

产量形成取决于单位面积有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒重。相关研究表明，关于产量构成因素中哪个是影响产量的主控因素，前人研究结果不一。其中有研究认为增加每平方米有效穗数是提高产量的主要途径[35-36]；也有研究认为单位面积穗数和粒数是增加产量的主要因素[37-38]；还有研究认为成穗率和结实率是影响产量的主要因子[39]。另外，水稻产量受控于群体数量和个体生产力两个方面，在单位面积穗数增加情况下，每穗粒重随穗粒数降低而降低，因此，有学者提出在增加单位面积有效穗数的同时尽可能降低单穗粒重的降低幅度是获得高产的前提[40-41]。关于耕作的相关研究认为深耕可以增加分蘖数、有效穗数、每穗总粒数、结实率和千粒重，籽粒产量高于旋耕[8,13]，而旋耕虽然不利于籽粒产量的增加，但与深耕的产量差异不显著[7,9]。在本研究中，深耕在较高穗数的前提下，粒重、穗粒数和收获指数均有不同程度的良性增加，弥补了成穗率和结实率低的不足，最终实现了产量增加。试验中我们发现两年间的结实率差异较大，产生的原因很可能是由于环境因素变化而导致的无效分蘖情况、穗部雌雄器官协调性与灌浆同步性以及光合同化物积累能力发生改变所致。品种方面，在深耕作用下，配合种植垦稻12能够获得最佳的每平方米有效穗数、千粒重和收获指数，进而增加籽粒产量，而三江6虽然每穗粒数和粒重高于绥粳18和垦稻12，但其单位面积穗数较少，限制了其产量的提高，这说明垦稻12单位面积穗数和每穗粒数之间存在很强的补偿关系，更说明了两者很难实现同时增加[42-43]。因此，在生产上应用科学合理的耕作制度并搭配优良品种是能够提高优质粳稻产量。

总之，本研究证实了在连续旋耕稻田上进行深耕可以促进叶龄生长，同时因其分蘖基数较大，虽然茎蘖成穗率低于持续旋耕，但最终每平方米有效穗数是增加的。深耕通过调控抽穗后群体干物质生产及转运能力和生育中后期光合特性，增加了水稻生物产量和籽粒产量。然而，受前茬耕作背景和耕深的影响，本研究在分蘖、叶片光合特性、茎鞘干物质转运能力及产量构成上与其他学者的相关研究产生差异，为此，我们下一步针对该耕作制度下的土壤理化性质、氮肥利用率变化及秸秆还田效应方面进行深入研究，为寒地优质水稻“两旋一深”耕作制度的推广提供理论支持。

4 结论

在连续两年旋耕稻田上，深耕对水稻生长动态、花后物质转运、产量及其构成的整体作用效果优于常年旋耕处理，有效促进了水稻生长和产量形成。该耕作制度（2年旋耕1年深耕）的增产途径是齐穗期叶面积指数、生物量和叶绿素含量高，绿叶面积持续时间长，茎鞘干物质转运能力强，可确保高光合效率和获得高生物产量；同时主茎叶片数量与形态、株高与节间长上的变化改变和优化了冠层群体结构配置，促进了光合作用，每穗粒数、粒重及收获指数在较高穗数前提下得到显著提高，产量性状间能够有效协同互补，最终实现了产量的增加。因此，综合深耕条件下3个品种的多方面表现，认为2年旋耕1年深耕并配合种植垦稻12更有利于实现本地区寒地优质粳稻的高产高效。

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Effect of Deep Tillage under Continuous Rotary Tillage on Yield Formation of High-Quality Japonica Rice in Cold Regions

ZHAO LiMing, HUANG AnQi, WANG YaXin, JIANG WenXin, ZHOU Hang, SHEN XueFeng, FENG NaiJie, ZHENG DianFeng

College of Coastal Agricultural Sciences, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, Guangdong

【Objective】The effects of deep tillage under continuous rotary tillage on growth dynamics, photosynthetic matter production and yield formation of different japonica rice were studied in order to provide the technical support for high yield and high efficiency cultivation of high quality japonica rice in cold regions. 【Method】A field experiment was conducted in 2018-2019, under the condition of straw returning to the field, on the basis of rotary tillage in the previous stubble for two consecutive years. Here, two tillage practices, namely, deep tillage and rotary tillage, were adopted during the growth stages of three modern japonica varieties Suijing18, Kendao12, and Sanjiang6. The effects of deep tillage and rotary tillage on the growth dynamics and post-anthesis production characteristics of high-quality japonica rice were studied. 【Result】There was no significant difference in yield between years, but tillage methods had significant effects on the growth and development, photosynthetic dry matter production characteristics and yield characters of high-quality japonica rice in cold regions. Compared with rotary tillage, the deep tillage significantly increased the number of tillers per square meter and the number of effective panicles, the flag leaf unfolded later and lasted longer, and the heading stage was late but the duration did not change; The biomass and dry matter transport capacity of stem and sheath under deep tillage increased, and the biomass and stem-sheath dry matter transport capacity were increased by 8.34% and 5.36% respectively at full heading stage; The output, output rate and transformation rate of stem-sheath matter under deep tillage increased by 13.19%, 6.70% and 9.17%, respectively (<0.05); The deep tillage increased the leaf area index at full heading and mature stage, prolonged the duration of green leaf area and increased the population growth rate; The internode length, leaf length and width of the third and fourth nodes of the main stem under deep tillage were increased, and the plant height and ear length were increased too; The number of grains per ear and grain weight per ear under deep tillage increased by 7.05% and 3.37%, respectively, the harvest index increased by 1.90%, and the average yield increased by 12.78%. Under the same tillage method, Kendao12 was the best in tiller number, photosynthetic matter production capacity, stem and sheath dry matter accumulation and transport capacity, yield and its composition, followed by Suijing18; However, Sanjiang6 had higher leaf area index after anthesis, grain number per panicle and grain weight at mature stage, but which could not make up for its low dry matter transport capacity, effective panicle number and 1000-grain weight. In terms of interaction effect, the combination of deep tillage × Kendao12 treatment showed higher effective panicles per square meter, strong production and transport capacity of photosynthetic matter after anthesis, high grain-leaf ratio and population growth rate, high 1000-grain weight and harvest index, reasonable allocation of plant agronomic morphological characters and coordination of yield traits, which could achieve a yield increase of 9.15%-27.47%.【Conclusion】Continuous rotary tillage combined with one-year deep tillage was the most effective and sustainable rice tillage system to improve the yield of high-quality japonica rice in this region.

rotary tillage; deep tillage; high-quality japonica rice; yield; photosynthesis; characteristics of material production

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.22.018

2022-03-14；

2022-09-05

广东海洋大学科研启动经费资助项目（060302052010）、湛江市创新创业团队引育领航计划（2020LHJH01）、国家重点研发计划（2019YFD1002205）

赵黎明，E-mail：nkzlm@126.com。通信作者郑殿峰，E-mail：gdouzdffnj@163.com

（责任编辑 杨鑫浩）