不同耕播方式对秸秆全量还田下麦茬直播稻生长和产量的影响

卫云飞 李猛 季新 刘娟 王付娟 刘秋员

（信阳市水稻遗传改良与生理生态重点实验室/信阳市优质稻米工程技术研究中心/信阳农林学院农学院，464000，河南信阳）

水稻是我国主要的粮食作物之一，稻谷产量占我国粮食总产量的30%以上[1]。持续的人口和消费增长表明，到2030 年我国将需要增加约20%的大米产量才能满足国内需求[2]。我国水稻种植主要为移栽和直播2 种方式。相较于移栽方式，直播方式因其可减少农业用水量[3]、降低劳动力需求[4]和稻田碳排放低[5]等优点而呈现面积逐步扩大之势。其中，相较于水直播（需要灌水旋耕、整平、放水沉实和耙除堆积秸秆等过程），旱直播因其旱旋整地后直接播种上水的轻简化特点更受农民喜爱，其种植面积逐渐增加[6-7]。但在农耗时间短、秸秆还田量大以及耕播天气不佳等基本情况下[8-9]，免耕撒播、单轴旱旋条播等传统的旱直播耕播方式均趋于半粗放化或粗放化，旱直播稻生长早期多处于逆境中，不仅不利于旱直播稻的早期生长，且往往导致旱直播稻产量不高且不稳[10]。因此，改善并提高旱直播稻的耕播质量，特别是耕整地质量对旱直播的稳产高产生产具有重要意义。

为改善并提高旱直播稻的耕播质量，前人在播期、播量和耕整地方式等方面进行了大量研究。王文霞等[11]和姚义等[12]研究表明，适度早播能够提高旱直播水稻的产量。吴培等[13]研究表明，旱直播稻在直播密度为180 万株/hm2的条件下能够获得较好的产量。孙永健等[14]研究认为，通过调墒和2 次旋耕能够较好地改善耕整地质量和旱直播水稻产量。近年来，随着直播机械的研制，以双轴旋耕为代表的新型耕整地机械不断发展[15]，前人对双轴旋耕整地的特征特性进行了研究。李绍平等[16]研究认为，双轴旋耕旱整地可通过提高旱直播稻穗粒数和群体颖花量来提高水稻库容，并促进了旱直播灌浆期的光合物质生产能力，从而实现了较高的产量。赵凌天等[17]比较了不同耕播方式对小麦产量和经济效益的影响，其结果表明双轴分层旋耕条播模式作业效率较高，出苗率良好，小麦平均产量可达9.7t/hm2。但目前关于双轴旋耕在水稻上的效果多基于水稻地上部生长方面，而在稻麦轮作系统秸秆全量还田条件下，基于土壤-根系-地上部生长的情况来比较不同耕播方式间的特征特性的研究较少。因此，本试验系统比较了免耕撒播、单轴旱地旋耕条播和双轴旱地旋耕条播3 种不同耕播方式下旱直播稻地上和地下特征特性差异，为旱直播实现高产稳产栽培选择合适的耕播方式提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与供试材料

试验于2020 和2021 年在河南省信阳市平桥区甘岸镇二郎村进行。试验田前茬为小麦（产量约6.8t/hm2），土壤类型为黏壤土，0～20cm 土壤含总氮0.45g/kg、有效磷23.23mg/kg、有效钾74.32mg/kg。

供试水稻为迟熟中粳品种南粳9108。供试旋耕机具为旱地双轴旋耕机（1GM-210）和旱地单轴旋耕机（1GQN-200ZG）。速效尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512.5%）和氯化钾（K2O 60%）均在当地化肥销售点购买。

1.2 试验设计

试验在同一田块内进行，在小麦秸秆全量还田条件下设计3 种耕播方式处理，分别为双轴旱地旋耕条播处理（T1）、单轴旱地旋耕条播处理（T2）和免耕撒播处理（T3）。各处理水稻播种量一致，均为105kg/hm2，2 年播种日期均为6 月15 日。其中，T1 和T2 处理分别选用1GM-210 型单轴旋耕机械和1GQN-200ZG 型双轴旋耕机械进行旋耕整地后，采用人工播种的形式进行旱条播，行距均为30cm；T3 处理在小麦收获且秸秆还田后采用人工撒播的方式进行播种。各处理设3 个田间重复，各重复面积300m2（10m×30m），共计9 个小区。重复间起埂，并用黑色塑料薄膜覆盖埂体，保证各小区独立排灌。

所有处理的肥料均统一施用，氮肥（N 270kg/hm2）按基肥（30%）、分蘖肥（30%）、促花肥（20%）和保花肥（20%）分次施用，基肥于旋耕整地前1d 施用，分蘖肥、促花肥和保花肥分别于播种后20、60 和75d 施用；磷（P2O5130kg/hm2）、钾肥（K2O 270kg/hm2）均于播种前1d 一次性基施。水分和病虫草害等田间管理按照当地旱直播高产栽培要求实施。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤容重和孔隙度 在水稻分蘖中期（midtillering，MT）、拔节期（jointing stage，JT）、抽穗期（heading stage，HT）和成熟期（maturity，MA），采用环刀法[18]测定0～20cm 土层土壤容重，并取5 个土样在烘箱中烘干至恒重，测定干基容重。土壤孔隙度（%）=93.947-32.995×D，式中，D为土壤容重（g/cm3）。

1.3.2 根系氧化力 在分蘖中期、拔节期、抽穗期和成熟期测定水稻根系氧化力（root oxidation activity，ROA）。用土壤取样器挖出3 块土壤（20cm×20cm×20cm），再使用液压喷雾器小心地从根部去除土壤和碎屑后，按照Wang 等[19]描述的方法，通过测定1-萘胺的氧化程度测定根系氧化力。

1.3.3 茎蘖动态、叶面积和干物重 各小区选定3个观察点，T1 和T2 处理选取连续1m 的双行作为一个观察点，T3 处理选取1m×1m 的面积作为一个观察点。在分蘖中期、拔节期、抽穗期和成熟期调查茎蘖数，并按照各处理下每米长度的平均茎蘖数（T1 和T2 处理）和每平方米的平均茎蘖数（T3处理），分别取10cm 长度和30cm×30cm 的代表性植株，按照比叶重法[20]测定叶面积，并将各植株全株在75℃下烘干至恒重后测定整株干物重。根据吴培等[13]的方法计算光合势和群体生长率。

1.3.4 产量及其构成因素 收获前，各小区选取3个调查点调查有效穗数，T1 和T2 处理每点调查连续5 行，每行2m，T3 处理每点调查1m2（1m×1m）；各小区取5 个样点，每个样点20 株，调查穗粒数和结实率。以1000 粒样本（干种子）称质量，重复3 次（误差≤0.05g），计算千粒重。成熟期各小区收获10m2，晒干后折算产量（含水率14.5%）。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2013 进行数据整理和图表绘制，运用SPSS 18.0 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕播方式对土壤容重与孔隙度的影响

如表1 所示，随着水稻生育期的推进，稻田土壤容重逐渐增加，土壤孔隙度逐渐降低。相较于水稻拔节期、抽穗期和成熟期，分蘖中期的土壤容重最低，孔隙度最高。不同耕播方式对水稻不同生育时期的土壤容重和孔隙度影响极显著。在水稻各主要生育时期，土壤容重均以T1 处理最低，T3 处理最高，而土壤孔隙度则以T1 处理最高，T3 处理最低，2 年规律一致。

表1 不同耕播方式对稻田土壤容重和孔隙度的影响Table 1 Effects of different tillage and sowing methods on bulk density and porosity of paddy soil

2.2 不同耕播方式对根系氧化力的影响

水稻各关键生育时期的根系氧化力如图1 所示，随着水稻生育时期的推进，水稻根系氧化力呈先增后降的趋势，以拔节期的根系氧化力最高。在不同耕播方式下，水稻各生育时期的根系氧化力均以T1 处理最高，且在分蘖中期和拔节期均显著高于T2 和T3 处理。相较于T3 处理，T2 处理在分蘖中期、拔节期和抽穗期的根系氧化力显著增加，但这一显著性差异并未体现于成熟期的根系氧化力中。

图1 不同耕播方式对水稻根系氧化力的影响Fig.1 Effects of different tillage and sowing methods on root oxidation activity of rice

2.3 不同耕播方式对茎蘖动态的影响

与水稻的根系氧化力相似，拔节期的水稻茎蘖数最高，在水稻各生育时期均以T1 处理的茎蘖数最高（图2）。相较于其他处理，在拔节期，T1 的茎蘖数显著增加5.3%～20.1%；在成熟期，T1 的茎蘖数显著增加12.2%～17.5%。T2 和T3 处理相比，尽管T2 处理在分蘖中期和拔节期的茎蘖数显著高于T3 处理，但抽穗期和成熟期的茎蘖数在2 个处理间无显著差异。

图2 不同耕播方式对水稻茎蘖数的影响Fig.2 Effects of different tillage and sowing methods on the number of tillers in rice

2.4 不同耕播方式对叶面积与光合势的影响

不同耕播方式对水稻叶面积指数（leaf area index，LAI）和光合势影响极显著（表2）。在水稻生长的各主要时期，均以T1 处理的LAI 和光合势最高，T3 处理的LAI 和光合势最低，且T1 和T3 处理间差异显著。相较于T3 处理，T1 处理在成熟期的LAI 显著提高19.4%～28.6%，抽穗期-成熟期的光合势显著提高15.2%～16.7%。在水稻生长的各主要时期和各主要阶段，尽管T2 处理的LAI和光合势显著低于T1 处理，但相较于T3 处理，T2 处理的LAI 和光合势呈增加趋势，且差异显著。

表2 不同耕播方式对水稻叶面积指数和光合势的影响Table 2 Effects of different tillage and sowing methods on leaf area index and photosynthetic potential of rice

2.5 不同耕播方式对干物质与群体生长率的影响

不同耕播方式对水稻地上部干重和群体生长率影响显著（表3）。在相同的水稻生育时期，各处理的地上部干重均表现为T1＞T2＞T3，且T1和T3 处理间差异显著。相较于T3 处理，T1 处理在水稻成熟期的地上部干重显著提高16.5%～18.8%。各处理的群体生长率在水稻播种-分蘖中期、分蘖中期-拔节期和抽穗期-成熟期均表现为T1＞T2＞T3，且T1 和T3 处理间差异显著。

表3 不同耕播方式对水稻地上干重和群体生长率的影响Table 3 Effects of different tillage and sowing methods on shoot dry weight and crop growth rate of rice

2.6 不同耕播方式对产量及其构成因素的影响

不同耕播方式对水稻产量影响显著（表4）。在T1、T2 和T3 处理间，水稻产量呈现T1＞T2＞T3 的趋势，且各处理间差异显著。相较于T3 处理，T1 和T2 处理的产量分别显著提高24.6%～31.5%和10.1%～15.4%。在有效穗数、群体颖花量和穗粒数方面，均以T1 处理最高，T3 处理最低。相较于T3 处理，T1 处理的有效穗数和群体颖花量分别提高12.2%～17.5%和26.0%～32.5%，而穗粒数则提高12.3%～12.8%。不同耕播方式对水稻结实率和千粒重无显著影响。

表4 不同耕播方式对水稻产量及其构成因素的影响Table 4 Effects of different tillage and sowing methods on rice yield and its components

3 讨论

3.1 不同耕播方式对水稻生长的影响

不同耕作方式通过影响秸秆还田的效果从而影响了水稻生长[21]。本试验中，在水稻茎蘖数方面，3 种耕播方式在不同生育时期均呈现T1＞T2＞T3 的趋势。T3 处理下免耕处理增加了地表的秸秆覆盖，撒播条件下部分种子落于麦秸秆或地面突起处，且T3 处理下土壤容重较高，造成灌水后种子难以发芽或扎根[22]，从而影响了旱直播稻幼苗的出苗率及其生长早期的茎蘖数。此外，由于水稻生长早期根系多分布于地表浅层[23]，而T3 处理下田表较多的秸秆覆盖不仅加剧了秸秆腐解与植株养分竞争[24]，且秸秆腐解增强了稻田土壤的厌氧环境[25]，降低了土壤氧化还原电位[26]，从而抑制了水稻的根系活力和地上部的生长。因此，免耕撒播方式虽极大地简化了耕播环节的农艺措施，并降低了劳动力的需求和耕播成本，但其显著地限制了水稻的生长，不利于旱直播稻的高产稳产。

相较于单轴旱地旋耕条播方式（T2），双轴旱地旋耕条播方式（T1）下水稻的总体生长均较好，如根系氧化力、叶片光合势和群体生长率等。这可能是由于，相较于T2 方式，T1 方式下双轴旋耕有利于秸秆深埋，这不仅减少了地表的秸秆覆盖，能够使种子与土壤形成良好的接触，促进种子萌发，而且秸秆的深埋还有利于通过减少秸秆与空气的接触，从而抑制其腐解时与水稻生长前期争氮，为水稻前期的生长提供充足的养分。此外，良好的土壤容重与孔隙度有利于水稻生长中后期根系的下扎，有助于根系保持较高的活力[27]。前人研究表明，采用双轴旋耕和秸秆还田有利于提高土壤中大团聚体的数量[28]，降低土壤的容重，增加土壤的孔隙度，改善土壤氧化还原性状[29]，抑制还原性物质的产生及其对水稻根系的毒害作用[30]。本试验研究结果也有一致的发现，T1 方式下的土壤容重最低，土壤孔隙度最高，说明采用双轴旱旋耕条播方式为水稻根系的生长创造了良好的生长条件。而良好的根系不仅有助于叶面积的提高和干物质的积累[31]，且有利于促进抽穗后茎秆中非结构性碳水化合物向籽粒的转运以及提高叶片的光合物质生产能力[32]，从而实现高产。

3.2 不同耕播方式对水稻产量及其构成因素的影响

一些研究[26,33]结果表明，秸秆还田实现水稻增产的主要原因在于秸秆还田对水稻生育后期生长的促进作用大于其对水稻生育前期秧苗的毒害作用。在本试验中，秸秆全量还田下双轴旱地旋耕条播方式（T1）、单轴旱旋耕条播（T2）和免耕撒播方式（T3）下2 年平均产量分别为10.8、9.55 和8.45t/hm2。这一结果说明在秸秆全量还田条件下，耕播方式对旱直播稻产量具有显著影响。选择适宜的耕播方式有助于实现秸秆全量还田条件下旱直播稻的高产稳产，而仅仅通过秸秆腐解对水稻生长后期的正向作用并不能实现旱直播稻的高产稳产。在产量构成因素方面，相较于T2 和T3 处理，T1处理在通过较高有效穗数和穗粒数实现较高群体颖花数的基础上，获得了较高的结实率和千粒重。这一结果说明双轴旱地旋耕条播方式不仅通过改善水稻生长前期的逆境促进了分蘖和有效穗数的显著增加，且在水稻生育后期保持了较高的光合物质生产能力。因此，通过适宜的方式缓解水稻生长前期的逆境，促进水稻前期生长才能更好实现秸秆还田条件下旱直播稻的高产稳产。水稻直播由于省了育秧和插秧2 大环节，具有省工、节水、易机械化种植等优点，是未来水稻轻简化栽培的主要方向之一[34]。综合本研究结果，在耕播环节选择双轴旱地旋耕条播方式，可以缓解还田秸秆的前期不利影响，改善土壤性状，提高根系活力，促进水稻生长，从而实现旱直播稻高产稳产，这对促进水稻直播、实现轻简化栽培具有积极的作用。但值得注意的是，双轴旱地旋耕条播在生产实践中会出现播种过深或过浅、播种量时大时小的状况，这在一定程度上影响了直播稻的耕播质量。因此，进一步改善双轴旱地旋耕条播的播种深度控制和应用智能化精确播种系统将有利于双轴旱地旋耕条播质量的改善，进而为直播稻的高产稳产奠定基础。

4 结论

在本试验条件下，相较于免耕撒播和单轴旱地旋耕条播方式，双轴旱地旋耕条播方式能够显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，为旱直播水稻根系生长创造良好的土壤环境，增加其根系氧化力，并促进水稻叶面积指数和干物质积累的增加，进而获得较高的产量。因此，在旱直播稻生产中，选择双轴旱地双轴旋耕条播方式是实现旱直播高产稳产的有效耕作方式之一。