不同耕作方式對機(jī)插雙季水稻產(chǎn)量的影響

湯 軍，黃 山，譚雪明，石慶華，潘曉華

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 雙季稻現(xiàn)代化生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心/作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點實驗室/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點實驗室，江西 南昌 330045)

土壤耕作是人類最古老的農(nóng)藝措施之一。合理的土壤耕作方式能夠改善土壤的物理(水、熱和氣動態(tài)及土壤結(jié)構(gòu))、化學(xué)(有機(jī)質(zhì)礦化及養(yǎng)分有效性)和生物學(xué)(土壤微生物和動物的活性)性狀，促進(jìn)根系生長和提高作物產(chǎn)量［1-3］。而且，耕作措施還能夠調(diào)控其他的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，如土壤有機(jī)碳固定、水分和養(yǎng)分保持等，從而影響整個農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展［2，4］。

我國實行家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制以來，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平得到了快速提高，但農(nóng)機(jī)小型化趨勢明顯，特別是土壤耕作機(jī)械［5］。長期連續(xù)采用小型機(jī)械耕作導(dǎo)致我國農(nóng)田的耕層普遍淺化、土壤緊實，嚴(yán)重阻礙了作物根系的生長和產(chǎn)量的提高，同時弱化了土壤的蓄水保肥能力，容易導(dǎo)致水土流失［6-7］。研究表明，適時加大土壤耕作的深度，例如翻耕和深松，能顯著改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤貯水量、促進(jìn)根系生長和提升作物產(chǎn)量［7-9］。但目前有關(guān)深耕的研究主要集中在北方旱地土壤，這可能是因為旱地作物生產(chǎn)受土壤水分的限制較大，而且耕層淺化問題更為嚴(yán)重。有關(guān)稻田土壤耕作的研究則主要集中在免耕的效應(yīng)上，對翻耕的研究較少，特別是在機(jī)械插秧的條件下則更少［1，10-11］。而水稻機(jī)插秧，特別是雙季稻，是制約我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提高的瓶頸之一。2012，全國耕種收綜合機(jī)械化水平達(dá)到57%，而水稻機(jī)械種植水平僅為30%［12］。因此，明確機(jī)插條件下不同土壤耕作方式對雙季水稻生產(chǎn)的影響對推進(jìn)水稻的全程機(jī)械化生產(chǎn)具有重要意義。本研究的目的即是在機(jī)插秧條件下，探明不同土壤耕作方式(旋耕和翻耕)對雙季水稻產(chǎn)量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2012 年和2013 年在江西省南昌縣廣福村進(jìn)行，供試土壤為潴育潮砂泥田。耕層厚度為13～15 cm。試驗前耕層土壤的基本理化性質(zhì)為:土壤有機(jī)碳15.4 g/kg、總氮1.7 g/kg、速效磷34.6 mg/kg、速效鉀78.3 mg/kg、pH 5.2。

試驗地的種植制度為雙季水稻-冬閑。設(shè)置兩種土壤耕作方式:深翻耕和淺旋耕。深翻耕處理使用大型拖拉機(jī)(福田雷沃M654，山東濰坊)牽引傳統(tǒng)的五鏵犁進(jìn)行翻耕，作業(yè)深度為20～25 cm;淺旋耕采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶普遍使用的江西贛發(fā)農(nóng)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的DF-151 型手扶拖拉機(jī)進(jìn)行旋耕，深度為13～15 cm。由于是耕作試驗，為便于機(jī)械作業(yè)，本研究采用大區(qū)對比方式，每個處理面積為1 300 m2，取樣時將每個大區(qū)等分為3 個取樣小區(qū)，形成大區(qū)內(nèi)重復(fù)。

除耕作方式不同外，其他措施保持一致。具體施肥方案:每季水稻施純氮150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2。氮肥按m(基肥)∶m(分蘗肥)∶m(穗肥)=5∶2∶3 施用;磷肥做基肥一次性施用;鉀肥按m(基肥)∶m(穗肥)=7∶3 施用。水稻采用聯(lián)合收割機(jī)收獲后，稻草全量還田。采用東洋PF-455S 型插秧機(jī)進(jìn)行雙季機(jī)插秧，株行距為13 cm×30 cm。供試的早、晚稻品種(組合)分別為中嘉早17 號和五豐優(yōu)T025。采用硬盤濕潤育秧，早稻每667 m2播種量為4 kg，晚稻為2.5 kg，每667 m230 片秧盤。耕作后土壤沉實2 d 后進(jìn)行機(jī)插。2012 年和2013 年早稻分別于3 月24 日和3 月26 日播種，4 月20 日和4 月21 日機(jī)插，7 月10 日和7 月11 日收獲;晚稻于6 月25 日和6 月30 日播種，7 月18 日和7 月19 日機(jī)插，10 月26 日和10 月21 日收獲。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 葉綠素含量及光合速率 抽穗后每5～7 d 用葉綠素儀(SPAD-502，日本)測定劍葉的葉綠素含量(以SPAD 值表示)。視天氣狀況，抽穗后每10 d 左右測定1 次劍葉的凈光合速率(CI-340 光合測定系統(tǒng)，美國)。

1.2.2 干物質(zhì)及氮素含量 于抽穗期和成熟期按平均莖蘗數(shù)每小區(qū)5 點取樣，每點取樣1 穴，將莖鞘、葉片、穗分開置于烘箱中105 ℃殺青30 min，然后80 ℃烘干至恒質(zhì)量。采用全自動凱氏定氮儀(FOSS-2300，美國)測定植株的氮素含量。

1.2.3 根系分布 于成熟期地上部植株取樣的同時，每穴稻株以基部為中心，挖取長20 cm，寬15 cm，深20 cm 的土柱，自上而下將土柱分成0～10 cm 和10～20 cm 兩層分別裝入網(wǎng)袋，用流水沖洗干凈后烘干稱質(zhì)量。

1.2.4 考種測產(chǎn) 成熟期每小區(qū)調(diào)查100 穴有效穗，按平均數(shù)法5 點取樣，每點1 穴，考察穗粒結(jié)構(gòu)。每個小區(qū)實割10 m2植株后脫粒測定實際產(chǎn)量。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析 統(tǒng)計分析采用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行，于P＜0.05 水平上進(jìn)行統(tǒng)計顯著性檢驗。2012年和2013 年兩年結(jié)果的趨勢基本一致。因此文中除產(chǎn)量及其構(gòu)成外，其他數(shù)據(jù)以2012 年的為主。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物量、產(chǎn)量及其構(gòu)成

2012 年早稻，翻耕處理在抽穗期和成熟期的地上部生物量均有大于旋耕處理的趨勢，但統(tǒng)計分析不顯著，晚稻既無顯著差異亦無明顯的趨勢(圖1)。與生物量趨勢一致，2012 年早稻季，翻耕處理水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成各因子有高于旋耕處理的趨勢，但均未達(dá)到顯著差異，晚稻既無顯著差異也無明顯的趨勢(表1)。2013 年不同耕作方式對早稻和晚稻的產(chǎn)量及其構(gòu)成均無顯著影響，也未表現(xiàn)出明顯的趨勢。

圖1 不同耕作方式對水稻地上部生物量的影響Fig.1 Effect of different tillage regimes on aboveground biomass

表1 不同耕作方式對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Tab.1 Effect of different tillage regimes on rice yield and yield components

2.2 劍葉SPAD 值及光合速率

不同耕作方式對抽穗后劍葉SPAD 值具有顯著影響(圖2)。除抽穗當(dāng)天無顯著差異外，早稻翻耕處理劍葉SPAD 值一直顯著低于旋耕處理。與早稻趨勢一致，晚稻翻耕處理劍葉SPAD 值一直低于旋耕處理，但統(tǒng)計分析未達(dá)到顯著水平。不同耕作方式對抽穗后劍葉凈光合速率無顯著影響，亦無明顯的趨勢(圖3)。

圖2 不同耕作方式對抽穗后劍葉SPAD 值的影響Fig.2 Effect of different tillage regimes on the SPAD value of flag leaves

圖3 不同耕作方式對抽穗后劍葉凈光合速率的影響Fig.3 Effect of different tillage regimes on the net photosynthesis of flag leaves

圖4 不同耕作方式對水稻根系生物量的影響Fig.4 Effect of different tillage regimes on root biomass

2.3 根系分布

不同耕作方式對水稻根系的生長及分布具有顯著影響(圖4)。與旋耕處理相比，翻耕有提高早稻和晚稻上層根系(0～10 cm)重量的趨勢，但均未達(dá)到顯著差異。翻耕處理晚稻下層根系(10～20 cm)的質(zhì)量顯著高于旋耕處理，早稻也接近達(dá)到顯著性差異水平(P=0.056)。翻耕處理顯著提高了水稻下層根系所占的比例。與旋耕相比，早稻翻耕處理水稻下層根系所占的比例從14.4%提高到26.6%，晚稻從8.0%提高到11.8%。

2.4 氮素含量

總體上，不同耕作方式對水稻植株的氮素含量無顯著影響(圖5)。但是，2012 年翻耕處理的早稻在抽穗期地上部各器官的氮素濃度均低于旋耕處理，特別是葉和穗中的氮素濃度，二者之間接近達(dá)到顯著性差異水平(P=0.084 和P=0.072)，其他時期則無明顯趨勢。

圖5 不同耕作方式對水稻植株氮素含量的影響Fig.5 Effect of different tillage regimes on the nitrogen content of rice plants

3 討論

本試驗表明，與小型農(nóng)戶普遍采用的淺旋耕方式相比，深翻耕對機(jī)插秧條件下雙季水稻產(chǎn)量并無顯著影響，說明水田土壤翻耕的效應(yīng)可能與旱地存在明顯差異。因為大量在旱地作物上的試驗結(jié)果顯示，適時加大土壤耕作的深度能顯著提高土壤的蓄水能力、降低土壤容重與緊實度、改善土壤結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)作物根系生長和提高作物產(chǎn)量［6-8］。水田和旱地差異的原因可能是，一方面，與旱地作物不同，水稻生長一般不受水分條件的制約;另一方面，水田耕整地往往是帶水作業(yè)，田間觀測也表明，即使是農(nóng)戶模式中的小型旋耕機(jī)在搗漿的過程中也能達(dá)到一定的深度(15 cm 左右)。因此，筆者推測水田土壤耕層淺化問題可能不如旱地般嚴(yán)重，但目前缺少區(qū)域尺度的調(diào)查數(shù)據(jù)支撐。目前有關(guān)稻田土壤翻耕效應(yīng)的研究結(jié)果也不一致。姚秀娟對比了翻耕與旋耕作業(yè)對東北單季水稻生產(chǎn)的影響，發(fā)現(xiàn)翻耕處理第1 年的水稻產(chǎn)量甚至低于旋耕處理，第2 和第3 年則基本持平［13］。劉金花等［14］對雙季稻的研究表明，與深翻耕相比，淺旋耕處理增加了水稻生長前期的分蘗數(shù)和單株干質(zhì)量，但降低了水稻生長后期葉面積指數(shù)，并降低了成穗率，從而導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降。因此，翻耕對水稻產(chǎn)量的效應(yīng)可能隨氣候和土壤條件(特別是試驗地的耕層土壤狀況)的變化而變化。

與旱地作物表現(xiàn)相同的是，翻耕顯著促進(jìn)了水稻根系的生長，特別是下層的根系［8］。但是，由于水稻大部分的根系集中在上層土壤(本研究平均達(dá)到85%)，雖然翻耕顯著提高了水稻下層根系的質(zhì)量及比例，但這種對根系生長的促進(jìn)作用并未帶來產(chǎn)量的增加。本研究表明，與旋耕相比，翻耕降低了抽穗后劍葉的SPAD 值，但并未影響葉片的凈光合速率，主要是因為各處理在抽穗期的劍葉SPAD 值已經(jīng)很高，均在39 以上，特別是早稻，抽穗后20 d，劍葉SPAD 值依然高于40，說明氮素供應(yīng)較為充足，不會制約葉片的光合作用［15］。另外，2012 年早稻翻耕處理葉片較低的SPAD 值以及地上部器官較低的氮素濃度表明，在耕作方式轉(zhuǎn)變的初期，土壤翻耕可能會降低水稻的氮素吸收，也可能是深翻耕打破了犁底層，加劇了氮素的滲漏損失［16］。需要指出的是，在實際生產(chǎn)中，由于機(jī)械翻耕的成本較高，一般很少進(jìn)行連續(xù)多季的深翻耕作業(yè)。從本研究來看，如果稻田的耕層淺化和土壤緊實問題不太嚴(yán)重，可能并不需要土壤翻耕。目前農(nóng)戶普遍采用的小型旋耕機(jī)械即可滿足水稻生長的要求。而對土壤耕層較淺的田塊，建立合理的輪耕制度可能是更為經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的耕作措施［17］。

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