壟作栽培條件下作物生理特性研究進(jìn)展

扈 婷，鄭華斌，陳 楊，黃 璜

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128)

當(dāng)前，作物栽培研究的重點(diǎn)是節(jié)水節(jié)肥，降低成本，提高效益及保護(hù)環(huán)境，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。壟作栽培是一種相對(duì)于傳統(tǒng)栽培(平作)的新型栽培方法，不僅克服了傳統(tǒng)栽培的許多不利因素，有節(jié)水、保肥、增產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而且還能在一定程度上改變土壤的光、熱、水條件和微生物活動(dòng)環(huán)境，較好地協(xié)調(diào)作物賴(lài)以生存的小氣候條件，可產(chǎn)生節(jié)能、降耗、高效的良好生態(tài)效益和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[1]，特別是對(duì)于需水量大的作物，如水稻，壟作栽培能顯著提高稻田的水分利用率，緩解干旱缺水地區(qū)水稻生產(chǎn)的壓力，減少稻田水資源的浪費(fèi)。

國(guó)外在作物壟作栽培技術(shù)上的研究起步較早，40年代已有作物壟作技術(shù)的研究。近年來(lái)作物壟作技術(shù)已由原來(lái)雨量稀少而多暴雨的半干旱地區(qū)擴(kuò)大到熱帶草原，由中耕作物擴(kuò)大到麥類(lèi)作物，由旱地農(nóng)業(yè)擴(kuò)展到灌溉農(nóng)業(yè)[2]。當(dāng)前，美國(guó)約有50%的耕地采用起壟、覆蓋、少免耕的保護(hù)性耕作法，墨西哥90%的小麥區(qū)實(shí)行了壟作栽培[3]。

在我國(guó)，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，壟作栽培技術(shù)也已在水稻、小麥、玉米、大豆、油菜等多種作物上取得了較為廣泛的推廣應(yīng)用，并獲得了相應(yīng)的增產(chǎn)效果[4]，其中山東省成功研究出小麥壟作栽培方法。壟作栽培在我國(guó)南方稻區(qū)也得到廣泛應(yīng)用并取得了一系列成果[5]。筆者擬分別介紹壟作對(duì)水稻以及對(duì)旱地作物(小麥、玉米、大豆、棉花等作物)生理特性的影響。

1 壟作的田間小氣候效應(yīng)

1.1 對(duì)田間溫度的影響

壟作增加了土壤表面積，因而受光受熱面積增大，白天溫度高，升溫快，晚上由于土壤表面積大，含水量相對(duì)少而降溫迅速，導(dǎo)致壟作栽培的晝夜溫差變幅較大，對(duì)作物生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累極為有利[6]。

馬忠明[7]等連續(xù)17 d對(duì)春小麥壟作溝灌栽培進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明，與平作栽培相比，壟作栽培具有明顯的增溫效應(yīng)，0～10 cm土壤日均溫度較平作栽培提高0.65～1.25℃，平均提高1.41℃。隨著氣溫升高，壟作與平作栽培土壤溫度的差異逐漸增大，至16:00左右，差異最大，達(dá)1.73℃，之后隨氣溫下降土壤溫度差異減小。在春小麥拔節(jié)前，以0～5 cm土層土壤溫度增幅最大，平均土壤溫度較平作栽培高1.39℃。許多研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明，壟作比平作耕層溫度提高1～3℃，是改善土壤溫度狀況的有效措施[8，9]。此外，在棉花研究中發(fā)現(xiàn)，壟作的增溫作用可有效地克服麥套春棉普遍存在的遲發(fā)、晚熟、低產(chǎn)等問(wèn)題，更有利于實(shí)現(xiàn)麥套春棉壯苗、早發(fā)、早熟、高產(chǎn)[10]。

應(yīng)用半旱式栽培方式可以使稻田土壤處于濕潤(rùn)狀態(tài)，有利于土體與空氣交換，減少水中的有害物質(zhì)，促進(jìn)微生物活動(dòng)，提高土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化。崔光輝等[11]發(fā)現(xiàn)，在水稻根密集、吸收水分作用較大的5～10 cm耕層，分蘗期和孕穗期溫度均高于平作，這對(duì)加速水稻秧苗的返青和后期的生長(zhǎng)發(fā)育有著重要的作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，壟作與平作相比，由于受熱受光面積大，稻田表層溫度升高，日均溫可增加0.5℃，水稻生育期有效積溫增加，使分蘗高峰期比平作早10～15 d出現(xiàn)，同時(shí)有效分蘗增多，分蘗生長(zhǎng)加快，成穗率提高，使水稻產(chǎn)量增加[6，12]。

1.2 對(duì)田間水分的影響

合理耕作，巧妙運(yùn)籌水肥是植物健壯生長(zhǎng)的良好基礎(chǔ)，也是提高作物經(jīng)濟(jì)效益的有效技術(shù)措施。研究表明，壟作能減低作物生育期濕度和淺耕層含水量，有利于植株的生長(zhǎng)發(fā)育，減少病蟲(chóng)害的發(fā)生，葉片披垂型的品種更能充分發(fā)揮壟作降低田間濕度的作用，利于群體健康發(fā)展[13]。

傳統(tǒng)平作一般采取大水漫灌方式，不僅浪費(fèi)大量水資源，而且容易使土壤板結(jié)，影響作物根系乃至整個(gè)植株的生長(zhǎng)發(fā)育。機(jī)械壟作栽培改地面灌水方式為小水溝內(nèi)滲灌，使水分利用率提高了30% ～40%，增加了土壤透氣性，消除了根際土壤的板結(jié)現(xiàn)象，為小麥根系的健康生長(zhǎng)及土壤微生物的活動(dòng)創(chuàng)造了條件[14]。王法宏等[15]研究證明，采用壟畦溝灌技術(shù)可有效協(xié)調(diào)節(jié)水與增產(chǎn)之間的矛盾，壟作麥田平均灌溉用水比平作少360 cm3/hm2，小麥平均增產(chǎn)7 200 kg/hm2。

1.3 對(duì)田間透光率的影響

壟作通過(guò)改變土壤和作物在田間的空間配置[3]，增大受光面積和光能截獲量，增加單位面積植株密度和緊湊度，改善了傳統(tǒng)平作因群體密度過(guò)大田間郁蔽而導(dǎo)致的通風(fēng)透光不良現(xiàn)象，為植株的健壯生長(zhǎng)打下良好的基礎(chǔ)[16]。

有研究表明，偏壟寬窄行種植模式下，無(wú)論行內(nèi)還是行間，玉米距地面不同高度的透光率均高于常規(guī)種植，且冠層下部改善明顯[6]。王旭清等人[16]總結(jié)了小麥壟作的優(yōu)勢(shì):由于增加了邊行受光和多層受光及直接光照面積，葉片的葉綠素含量增加，光合性能增強(qiáng)，因而光能利用率顯著提高，高產(chǎn)小麥的產(chǎn)量潛力充分發(fā)揮出來(lái)，使小麥生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均不同程度增加。

水稻平作栽培因基部長(zhǎng)期淹水，光照很弱，抑制了分蘗芽的萌發(fā)，壟作的斜面造型使水稻基部光照充足。劉建松觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在距田面10、20、30 cm處，晚稻幼穗分化期壟作田比平作田距田透光度分別增加 0.02%、0.113%、0.307%[17]，有利于延長(zhǎng)植株中下部葉片的功能期，降低呼吸消耗，為中后期分蘗和幼穗分化提供充足的養(yǎng)料，使早發(fā)分蘗成穗。

2 壟作栽培對(duì)作物光合作用的影響

2.1 壟作栽培對(duì)葉面積指數(shù)及SPAD值變化的影響

徐成忠[26]等認(rèn)為，壟作夏玉米全生育期葉面積系數(shù)比傳統(tǒng)平作增加2.3% ～36.4%，其中播后14 d葉面積指數(shù)增加36.4%，達(dá)到第一個(gè)峰值，表明苗期壟作比傳統(tǒng)平作長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)壯;抽雄期葉面積指數(shù)增加5.5%，為第2個(gè)峰值，表明壟作栽培在生長(zhǎng)最旺盛時(shí)比傳統(tǒng)平作栽培長(zhǎng)勢(shì)更好;灌漿期葉面積指數(shù)增加8.9%，為第3個(gè)峰值，表明壟作栽培灌漿期綠葉面積穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，更有利于灌漿成熟。

對(duì)小麥的研究也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律。壟作處理下小麥各時(shí)期SPAD值均高于平作，特別是開(kāi)花后，表明壟作栽培有利于提高小麥旗葉整個(gè)功能期以及灌漿中期的生理活性，有助于功能葉片保持長(zhǎng)久的高光合能力[27]。

章秀福等人[28]研究發(fā)現(xiàn)，壟畦栽培對(duì)水稻葉片的長(zhǎng)、寬有影響。在分蘗期，壟畦栽培的葉面積較大，協(xié)優(yōu)9308葉片長(zhǎng)度和寬度比常規(guī)栽培增加9.4%和5.6%，葉片寬度差異顯著;在齊穗期，上部3葉的長(zhǎng)度和寬度均是常規(guī)栽培大于壟畦栽培;在抽穗后10～15 d，不同栽培方法的葉綠素含量相近，但到灌漿后期，壟畦栽培明顯高于常規(guī)栽培，且在抽穗后35 d葉綠素含量差別最大，秀水110和協(xié)優(yōu)9308分別比常規(guī)栽培高414%和713%。

2.2 壟作栽培對(duì)葉片光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度的影響

馬麗等人[4]對(duì)夏玉米在吐絲期和拔節(jié)期的觀測(cè)結(jié)果表明，平作和壟作相比，從拔節(jié)期開(kāi)始，壟作光合速率明顯高于平作，表現(xiàn)出較高的光合優(yōu)勢(shì)。一天之內(nèi)，在12∶00之前差異較小，12∶00之后差距加大，到18∶00左右二者差異又減小。壟作處理的葉片蒸騰速率(Tr)高于平作。不同生育時(shí)期處理間Tr的差異表現(xiàn)一致，但吐絲期Tr值要高于拔節(jié)期，在吐絲期，壟作的Tr最高值比平作的最高值高0.37 mmol H2O/m2·s。在兩個(gè)生育時(shí)期內(nèi)，夏玉米不同處理葉片氣孔導(dǎo)度日變化均表現(xiàn)為壟作高于平作，這說(shuō)明夏玉米實(shí)行壟作栽培，通風(fēng)透光良好，田間空氣濕度降低，蒸騰速率增加，有利于氣體交換。

分析壟作小麥不同葉位葉片光合速率的變化，發(fā)現(xiàn)在壟作和平作栽培方式下，除大穗型的旗葉到倒二葉無(wú)明顯差異外，從旗葉到倒五葉的光合速率均存在顯著性差異，說(shuō)明壟作通過(guò)改善群體內(nèi)部的光分布狀況，能夠提高各葉位葉片的光合速率[29]。

在對(duì)水稻的研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在壟作方式下的光合速率都高于同一時(shí)期同一光強(qiáng)下傳統(tǒng)耕作方式下的光合速率[30]。在不同生育時(shí)期，壟作方式的光合速率和氣孔導(dǎo)度率均顯著或極顯著高于傳統(tǒng)耕作方式，而蒸騰速率差異不顯著，表明壟作促進(jìn)了水稻光合速率的提高。

3 壟作栽培對(duì)作物生理酶活性的影響

研究表明，壟作與傳統(tǒng)平作相比，小麥籽粒灌漿后期旗葉超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)及可溶性蛋白質(zhì)含量等各項(xiàng)衰老指標(biāo)均有顯著改善，表明壟作有利于延緩旗葉衰老，延長(zhǎng)綠葉功能期[27]。

水稻在畦溝(壟作)栽培條件下，土壤干濕交替灌溉復(fù)水后，即土壤水勢(shì)為0 kPa時(shí)，水稻劍葉中的POD活性較傳統(tǒng)平作無(wú)顯著差異，但在落干期即土壤水勢(shì)小于0 kPa時(shí)，畦溝灌溉條件下POD活性顯著增加，且CAT、SOD活性變化趨勢(shì)與POD活性變化趨勢(shì)一致，表明在畦溝條件下，水稻能及時(shí)適應(yīng)環(huán)境，使劍葉的保護(hù)酶活力維持在一個(gè)較高水平，有利于植株生長(zhǎng)。在畦溝(壟作)栽培和傳統(tǒng)平作下，丙二醛含量均無(wú)顯著差異，說(shuō)明兩種栽培方式對(duì)膜脂損傷程度無(wú)太大差別[33]。

4 壟作栽培對(duì)作物產(chǎn)量的影響

研究發(fā)現(xiàn)，壟作栽培可以使作物不同程度地增產(chǎn)。由于開(kāi)溝起壟改變了土壤的微地形，提高了土壤氧化還原電位，有效地增強(qiáng)了作物根系活力，擴(kuò)大了田面受光總面積，提高了土壤溫度，促進(jìn)了有益微生物活動(dòng)，增加了有效養(yǎng)分，土體內(nèi)水、肥、氣、熱協(xié)調(diào)，作物抗逆性提高，病蟲(chóng)危害減輕，同時(shí)靠近壟溝或者較寬空間的邊行產(chǎn)生較大的邊際效應(yīng)，產(chǎn)量貢獻(xiàn)率大[34，35]。壟作玉米籽粒灌漿速率增大，千粒重增加26.79%，空稈率和倒伏率明顯降低，收獲指數(shù)提高，比平作增產(chǎn) 11.7%[36]。

有研究表明，與傳統(tǒng)平作相比，壟作栽培技術(shù)更有利于分蘗成穗率較高的多穗型品種發(fā)揮其產(chǎn)量潛力[29]。壟作栽培能夠顯著增加多穗型小麥的穗粒數(shù)和千粒重，進(jìn)而提高產(chǎn)量，而大穗型小麥則不能完全發(fā)揮出壟作栽培的優(yōu)勢(shì)。壟作小麥邊際效益高，使小麥產(chǎn)量較平作增產(chǎn)10% ～30.9%[15，16]。另有數(shù)據(jù)表明，在相同播量條件下，某些小麥品種壟作的成穗率不高，最終產(chǎn)量也不高，也說(shuō)明壟作受品種影響[37，38]。

多年水稻壟作的試驗(yàn)報(bào)道表明，壟栽能不同程度地增產(chǎn)，主要表現(xiàn)在有效穗的增加和結(jié)實(shí)率提高[39]。1994年，黃慶裕對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)壟作的水稻經(jīng)濟(jì)性狀及實(shí)際產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)壟作實(shí)際產(chǎn)量比平作增產(chǎn)14.6%，差異極顯著，明顯比其它處理好[34]。壟作的理論產(chǎn)量比傳統(tǒng)耕作方式增加32.86%，但是半旱式栽培廂作的產(chǎn)量隨廂寬的增加而下降[6，30]。此外，在壟作稻田養(yǎng)魚(yú)成功的基礎(chǔ)上，將種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)結(jié)合，推行壟作稻田養(yǎng)雞鴨的生態(tài)種養(yǎng)，增加了單位面積利潤(rùn)和產(chǎn)投比，水稻產(chǎn)量提高了9.04%，水稻的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益也顯著提高[40，41]。

5 問(wèn)題及展望

壟作栽培技術(shù)雖然早已存在并廣泛應(yīng)用，但還存在一些亟待解決的問(wèn)題。在壟作栽培技術(shù)上，應(yīng)因地制宜地選擇配套技術(shù)類(lèi)型;在作物品種的選擇上，篩選培育葉片披散型品種，以充分利用空間資源，截獲盡可能多的光能，可最大限度地發(fā)揮作物的邊行優(yōu)勢(shì)[38]。此外，由于壟溝栽培起壟費(fèi)工費(fèi)時(shí)，農(nóng)民投入大，生產(chǎn)積極性不高。為了解決這一矛盾，應(yīng)探索出更切實(shí)可行的栽培方法，提高壟廂規(guī)格質(zhì)量，加快起壟插秧機(jī)的機(jī)械研發(fā)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的配套結(jié)合，為大面積推廣創(chuàng)造條件。

壟作栽培技術(shù)在干旱半干旱地區(qū)應(yīng)用較多，但是由于壟作土壤保墑能力較平作差，土壤水分蒸發(fā)較快，應(yīng)提倡壟作與免耕覆蓋相結(jié)合。在了解不同地區(qū)秸稈覆蓋方式、時(shí)期和數(shù)量產(chǎn)生的水溫效應(yīng)不同，解決土壤水分和土壤增溫之間的矛盾等的前提下[3]，充分利用農(nóng)田生產(chǎn)的大量秸稈，不僅可以減少焚燒秸稈帶來(lái)的污染問(wèn)題，同時(shí)還能夠彌補(bǔ)旱作區(qū)壟作栽培前期壟體土壤水分散失快的不足，熱帶區(qū)還可防止夏季高溫對(duì)作物的危害。

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