丘陵地區(qū)免耕條播對油菜生長、根系和產(chǎn)量的影響

李心昊 李 俊 萬 林 劉麗欣 劉君權(quán) 馬 霓

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部油料作物生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430062，湖北武漢；2武穴市大法寺農(nóng)技服務(wù)中心，435400，湖北武穴）

油菜是我國第一大食用植物油源和第二大飼用蛋白源。2018年四川、湖南、江西和湖北4個(gè)省份油菜播種總面積約385萬hm2，約占全國油菜播種總面積的60%。自1980年以來，油菜種植從湖北省不斷南移[1]，種植面積有所下降。目前，油菜主產(chǎn)區(qū)域以丘陵地貌居多[2]，傳統(tǒng)油菜移栽生產(chǎn)方式用工量大、生產(chǎn)效率低，不適宜現(xiàn)代油菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。加上丘陵地區(qū)油菜種植機(jī)械化水平不高，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝技術(shù)不配套[2]，油菜耕、種、收成本高，綜合效益低，難以激發(fā)農(nóng)戶種植積極性[3-4]，導(dǎo)致產(chǎn)生大量冬閑田。

近年來，油菜輕簡化栽培技術(shù)發(fā)展迅速，直播方式已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)移栽方式[5]，結(jié)合有效的耕作措施，如免耕直播、谷林套播等種植技術(shù)，在一定程度上緩解了油菜和水稻季節(jié)矛盾[6-7]。稻田免耕與秸稈還田具有改變土壤容重，增加土壤通氣量、田間持水量和水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的功能，可改善土壤物理性狀，提高土壤保肥和保水能力[8-9]。同時(shí)，在免耕條件下土壤緊實(shí)度大，油菜根系生長和養(yǎng)分吸收受影響，導(dǎo)致油菜產(chǎn)量降低[10]。另也有研究[11]認(rèn)為，免耕+稻草覆蓋有利于保溫，抵抗凍害，提高油菜產(chǎn)量；多年連續(xù)免耕可增加表層土壤肥力，提高作物收獲產(chǎn)量[12-13]。在協(xié)調(diào)油菜植株個(gè)體和群體方面已有研究[10,14]，韓自行等[15]認(rèn)為，湖北地區(qū)油菜播種期應(yīng)在9月下旬至10月上旬，播種量宜控制在 3.0～3.8kg/hm2，與其配套的氮肥運(yùn)籌以基追比5:5效果較好。王翠翠等[6,16]認(rèn)為，采取免耕時(shí)應(yīng)重視氮肥與種植密度的雙重調(diào)節(jié)，最佳施氮量應(yīng)為270kg/hm2、種植密度為45萬～60萬株/hm2。但隨種植密度增加，油菜根頸變細(xì)，倒伏指數(shù)升高，增大了產(chǎn)量降低風(fēng)險(xiǎn)[17]。

然而，氣候變化帶來的季節(jié)性干旱發(fā)生頻繁[18]，針對丘陵地區(qū)的免耕條播對土壤物理性質(zhì)的改變，特別是秋旱季節(jié)條件下免耕條播油菜的可行性需要進(jìn)一步研究。本研究通過比較秋旱季節(jié)不同耕作方式的抗旱特性，分析條播油菜植株性狀和產(chǎn)量差異、根系構(gòu)型及土壤物理性質(zhì)變化，為丘陵地區(qū)油稻輪作雙免耕條播栽培提供理論依據(jù)，為減少冬閑田、擴(kuò)大油菜種植面積、保障我國油料安全提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于湖北省黃岡市武穴市大法寺鎮(zhèn)大屋雷村（115°29′ E，29°55′ N），該地地貌結(jié)構(gòu)以平原丘陵為主，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均日照時(shí)數(shù)1900h，全年多東風(fēng)和東南風(fēng)，植物生長期長。2019-2020年稻油生長季日均溫約18.4℃，周年降水量約1126.5mm（圖1）。試驗(yàn)地土壤堿解氮155.69mg/kg、有效磷 112.28mg/kg、速效鉀121.46mg/kg、有機(jī)質(zhì)25.67g/kg。

圖1 2019-2020年稻油種植季月均氣溫與降水量Fig.1 Monthly average temperature and precipitation of the rice and rape planting season in 2019-2020

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年9月在2018年9月開始油稻輪作的免耕示范田進(jìn)行試驗(yàn)。供試材料為常規(guī)油菜品種陽光2009和雜交油菜品種大地199，均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所提供。采用裂區(qū)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置常規(guī)翻耕（CT）、免耕（NT）和免耕+稻草覆蓋還田（NTR）3個(gè)處理。2個(gè)品種為主區(qū)，3個(gè)處理為副區(qū)，3次重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積40.5m2。2018年9月水稻收獲后開溝做廂，每小區(qū)2個(gè)廂，廂寬1.8m，長9m，溝寬0.4m，圍溝0.25m，做到溝溝相通（圖2）。每年油稻輪作，10月8日人工開條溝，每廂6行，條播油菜，播種量4.5kg/hm2，播種后水稻秸稈覆蓋還田量4166kg/hm2。

圖2 栽培方式示意圖Fig.2 A diagram of the plant method

各處理的施肥量相同。油菜季氮肥于播種前、苗期和蕾薹期分3次施用，總量為240kg/hm2，基肥:苗肥:蕾薹肥=5:3:2，基肥采用宜施壯復(fù)合肥（15:15:15），追肥采用尿素（含氮 46%）。磷肥（P2O5）為 120kg/hm2，鉀肥（K2O）120kg/hm2，硼肥15kg/hm2，于播種前一次性施入。水稻季按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥。油菜4～5葉期定苗，定苗密度45萬株/hm2，嚴(yán)格控制病蟲草害，按大田生產(chǎn)進(jìn)行常規(guī)管理。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量 于成熟期各小區(qū)選取一整廂（16.2m2）作為測產(chǎn)面積，另取10株作為考種樣品，考察農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量構(gòu)成因素和株型結(jié)構(gòu)性狀。測量指標(biāo)包括地上部干重、地下部干重（莖、葉、根）、株高、單位面積分枝數(shù)、分枝高度、主枝長、單位面積主枝和分枝的籽粒重，主枝和分枝的每角果粒數(shù)、單位面積角果數(shù)和千粒重。

1.3.2 根系構(gòu)型 在角果期每小區(qū)第3行選取長勢均勻的連續(xù)8株，地下部采用挖掘法[19]，深30cm，挖掘口位于株間與行間。根系取樣后，用流水小心清理干凈，采用根系掃描儀 Epson Expression 11000XL對根進(jìn)行掃描，用軟件 WinRHIZO Pro 2009分析根系構(gòu)型，獲得總根長、根系表面積和根體積，測量根頸粗和根干重。

1.3.3 土壤物理性質(zhì) 在苗期和成熟期，采用FieldScout SC 900土壤緊實(shí)度儀測量0～40cm土層土壤緊實(shí)度。采用環(huán)刀法（環(huán)刀體積為100cm3）和浸水法[20]測定土壤持水性能，在每小區(qū)取5個(gè)點(diǎn)，計(jì)算平均值。在苗期，利用WET-2土壤水分測量儀（英國Delta-t）測定0～20cm土層含水量、溫度和電導(dǎo)率（ECP）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用R4.6.1軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施對土壤物理性質(zhì)的影響

土壤容重影響土壤通透性和土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與利用，是衡量土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)[9]。由表1可知，在0～10cm土層，土壤容重和非毛管孔隙度表現(xiàn)為NT＞NTR＞CT，土壤飽和含水量、總孔隙度、毛管最大持水量和毛管孔隙度表現(xiàn)為 CT＞NTR＞NT。在10～20cm土層，土壤容重表現(xiàn)為NT＞NTR＞CT，其他指標(biāo)均表現(xiàn)為NTR＞CT＞NT。

表1 不同耕作措施對土壤物理性質(zhì)的影響Table 1 Effects of different tillage treatments on soil physical properties

不同耕作措施對土壤含水量和溫度有顯著影響（圖3），2個(gè)品種變化趨勢一致，土壤含水量表現(xiàn)為NTR＞NT＞CT；NTR處理土壤溫度顯著低于CT和NT處理，表現(xiàn)為CT＞NT＞NTR；與CT處理相比，免耕措施有降低土壤孔隙水電導(dǎo)率趨勢。

圖3 不同處理下土壤含水量、溫度和孔隙水電導(dǎo)率變化Fig.3 Changes of soil moisture, temperature and ECP under different treatments

由圖4可知，播種前和收獲后NT和CT處理土壤緊實(shí)度變化趨勢一致。播種前NTR處理在土層深度27.5cm達(dá)到最大值，在0～25cm，免耕試驗(yàn)田土壤緊實(shí)度大于常規(guī)翻耕試驗(yàn)田（圖4a）；收獲后NTR處理在土層22.5cm達(dá)到最大值，深度30cm以上免耕試驗(yàn)田土壤緊實(shí)度大于常規(guī)翻耕試驗(yàn)田（圖4b）。

圖4 油菜播種前和收獲后不同處理的土壤緊實(shí)度變化Fig.4 Changes of soil compaction under different treatments before sowing and after harvesting

2.2 不同耕作措施對油菜產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表2可知，2個(gè)品種油菜產(chǎn)量均表現(xiàn)為NT＞CT＞NTR，其中陽光2009的NT處理產(chǎn)量顯著大于NTR處理，大地199的3個(gè)處理之間沒有顯著差異。從產(chǎn)量構(gòu)成因素上看，不同耕作措施對油菜植株單位面積角果數(shù)有顯著影響，NTR處理的主枝和分枝的每平方米角果數(shù)最低，這是導(dǎo)致最終收獲產(chǎn)量較低的主要原因。不同耕作措施對油菜籽粒千粒重和每角果粒數(shù)沒有顯著影響。

表2 不同耕作措施對油菜產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of different tillage treatments on yield and yield components of rapeseed

2.3 不同耕作措施對油菜農(nóng)藝性狀的影響

由表3可知，與大地199相比，陽光2009植株每平方米分枝數(shù)、分枝長和干重均較高。CT處理油菜每平方米分枝數(shù)、分枝長、干重（角果皮、根、地上部）均顯著高于NTR處理；各處理間株高和主枝長沒有顯著差異。

表3 不同耕作措施下成熟期油菜農(nóng)藝性狀表現(xiàn)Table 3 Effects of different tillage treatments on agronomic traits performance of rapeseed

2.4 不同耕作措施對油菜根系構(gòu)型的影響

根系是作物吸收營養(yǎng)的重要器官，根系生長直接影響作物生長。如表4所示，大地199苗期3個(gè)處理的根系指標(biāo)存在顯著差異。除根頸粗外，整體呈現(xiàn)NT＞NTR＞CT趨勢。而油菜角果期根體積、總根表面積和根頸粗呈現(xiàn)CT＞NT＞NTR趨勢。這可能是由于前期降雨少，CT處理根系生長受到抑制，而后期生長加快，免耕處理受土壤緊實(shí)度影響導(dǎo)致根系生長受阻。

表4 不同耕作措施對苗期和角果期油菜單株根系生長的影響Table 4 Effects of different tillage treatments on root growth performance of single rapeseed at seedling and silique stages

3 討論

3.1 免耕對土壤物理性質(zhì)的影響

秋旱是影響長江流域油菜生產(chǎn)的主要因素，合理的耕作方式可通過影響土壤的持水能力和導(dǎo)水能力改變土壤的水力學(xué)特性[9,18]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤含水量表現(xiàn)為NTR＞NT＞CT，這主要是因?yàn)楸Ｗo(hù)性耕作減少了土壤擾動(dòng)，降低了土壤蒸發(fā)，與前人研究[21-22]結(jié)果一致。不同耕作方式可以通過改變土壤質(zhì)地、容重和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)而影響土壤溫度[23]。秸稈覆蓋可以平衡和改善耕層土壤溫度狀況，越冬前表現(xiàn)為降溫作用[21]。本試驗(yàn)結(jié)果與祿興麗等[22]研究結(jié)果相似，保護(hù)性耕作處理土壤溫度低于常規(guī)翻耕處理。宋振偉等[24]也發(fā)現(xiàn)晝夜土壤溫度存在差異，旋耕起壟后土壤顆粒表面積增大，在日間利于土壤增溫，而夜間降溫也較快。

土壤緊實(shí)度是表征土壤質(zhì)量的指標(biāo)之一，對作物生長有重要影響，受多種因素的影響，尤其是受農(nóng)業(yè)耕作措施的影響，合理的耕作管理是調(diào)控土壤緊實(shí)度的有效手段[25]。免耕對農(nóng)田土壤容重和緊實(shí)度影響存在區(qū)域性差異。本試驗(yàn)中，NT和NTR處理的土壤容重較 CT處理增加，NT和 NTR處理0～25cm土層土壤緊實(shí)度較CT處理增加。Hu等[26]認(rèn)為免耕增加了土壤緊實(shí)度，隨土層深度增加土壤緊實(shí)度呈“S”型曲線變化，本試驗(yàn)結(jié)果與其一致。龔冬琴等[27]研究認(rèn)為，壤質(zhì)水稻土對免耕的適宜性要優(yōu)于黏質(zhì)土壤，應(yīng)根據(jù)土壤質(zhì)地的不同，選擇性地實(shí)施免耕技術(shù)，結(jié)合秸稈覆蓋，實(shí)現(xiàn)免耕稻田土壤的可持續(xù)性利用。

3.2 免耕對油菜根系構(gòu)型的影響

根系是作物水分吸收和營養(yǎng)吸收的主要器官，植物根系特性與作物產(chǎn)量密切相關(guān)[28]。本研究結(jié)果顯示，苗期油菜根體積、總根長、總根表面積和根干重受干旱影響較大，研究結(jié)果與前人[29-30]結(jié)果相似。油菜播種后降雨較少，可能導(dǎo)致油菜苗期受干旱脅迫，而免耕措施一定程度上減少了油菜苗期干旱脅迫，油菜生長后期隨降雨量增長，常規(guī)翻耕種植的植株逐漸恢復(fù)，植株生長加快。CT處理下大地199和陽光2009在角果期的根體積、總根表面積和根頸粗均顯著大于NT和NTR處理，可能是根系生長受到土壤緊實(shí)度的影響，導(dǎo)致根系生長和營養(yǎng)吸收受阻[10]。NT和NTR處理在油菜生長前期植株根系與水稻根系相互纏繞或貫穿秸稈，阻礙根系與土壤接觸及營養(yǎng)吸收，并且秸稈分解過程中存在爭肥、釋放毒性物質(zhì)等現(xiàn)象[31]。

3.3 免耕對油菜產(chǎn)量的影響

長期免耕覆蓋的耕作方式可提高水分利用效率、干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)，協(xié)調(diào)產(chǎn)量構(gòu)成因素之間的關(guān)系，提高作物產(chǎn)量[32]。免耕和稻草還田能明顯提高稻田免耕土壤表層（0～5cm）有機(jī)質(zhì)、全氮和速效氮等養(yǎng)分含量，從而提高作物產(chǎn)量[8,12]。關(guān)于免耕直播油菜產(chǎn)量的研究結(jié)果不同，王翠翠等[16]研究表明，耕作方式存在油菜品種性差異，應(yīng)選擇與栽培模式相適宜的品種來提高油菜產(chǎn)量。也有研究[10]認(rèn)為，在免耕條件下會(huì)出現(xiàn)土壤緊實(shí)度大、油菜根系生長和養(yǎng)分吸收受抑制以及雜草過多競爭養(yǎng)分的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致產(chǎn)量降低，而適當(dāng)增加種植密度是提高油菜產(chǎn)量的有效途徑。本試驗(yàn)在2019年秋季苗期干旱條件下，NT處理的油菜產(chǎn)量高于CT處理，可能是因?yàn)橛筒松L前期降雨少，油菜苗期受到干旱脅迫，而免耕處理可以保水保墑，緩解了苗期干旱；NTR處理油菜產(chǎn)量稍低于CT處理，這可能與稻草覆蓋量、油菜播期等因素有關(guān)，稻草覆蓋后油菜幼苗得不到充足光照，導(dǎo)致幼苗個(gè)體素質(zhì)差，單位面積角果數(shù)減少[33]。

4 結(jié)論

免耕措施增加了土壤容重和緊實(shí)度，降低了飽和含水量和總孔隙度，從而抑制了植株生長后期根系生長。但在秋旱季節(jié)，免耕措施能有效降低干旱脅迫對油菜幼苗的損傷，保障油菜產(chǎn)量。常規(guī)翻耕油菜在苗期受干旱脅迫后，根系生長受阻，盡管后期生長充足，也不能彌補(bǔ)產(chǎn)量損失，產(chǎn)量低于免耕措施。丘陵地區(qū)秋旱頻發(fā)，稻油茬口矛盾突出，導(dǎo)致油菜播種、出苗困難，合理的耕作措施與抗性品種相結(jié)合，是提高丘陵地區(qū)油菜產(chǎn)量的有效措施，對增加冬閑田油菜種植、保障食用油生產(chǎn)具有積極作用。