粉垄耕作对土壤理化性质和水稻生长及产量的影响
时间：2023-06-16 21:40:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
石伟业， 何文寿， 李惠霞， 何进宇， 陈彦云
(1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021；
2.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021；
3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川 750021；
4.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏银川750021；
5.宁夏大学生命科学学院，宁夏银川 750021)
宁夏引黄灌区是全国重要的水稻生产地之一，素有“塞上江南”的美誉[1]。该地区属于干旱半干旱地区，常年降水稀少，大部分降水集中于夏季，但年均蒸发量大，导致土壤板结和盐碱化问题严重，很大程度上制约了传统水稻的生产[2]。
近年来，由于分散管理，农户对大型耕作机械使用的频率和积极性一般，多采用浅翻耕等耕作措施，但长期翻耕会导致耕层变浅，犁底层上移，土壤紧实度增加，透水透气性能差，影响作物根系发育和对养分的吸收利用，降低了作物的产量，制约了农业经济的可持续发展[3-4]。因此，通过耕作措施改变土壤耕层的结构，调节土壤的紧实程度和三相比例，协调好土壤内部水、肥、气、热的关系，是改善土壤状况和作物生长的有效措施[5-6]。粉垄耕作不同于传统的耕作方式，通过利用专用机械垂直螺旋型钻头，按照作物种植需求将土壤旋磨粉碎并自然悬浮成垄，可以在尽可能少地打乱土层的情况下打破犁底层，一次作业即完成深松、深耕与整地[7]，简化了耕地作业的程序，为解决长期制约作物生长的问题和改善土壤耕层结构提供了一个新的思路和方法。
通过综述现有研究成果发现，一方面，前人研究多局限于不同耕作措施对土壤理化性质和作物生长的影响，对同一耕作措施下不同耕作深度对其影响的试验研究较少；
另一方面，粉垄耕作技术目前已在小麦[8]、玉米[9]和马铃薯[10]等作物上产生了较多研究成果，但涉及传统淹灌水稻的研究较少。本研究通过应用粉垄耕作技术在宁夏北部地区常年稻田开展试验，以传统旋耕为对照，设置不同粉垄耕作深度，重点探讨粉垄耕作前、水稻收获后土壤重要的物理性质、土壤养分以及水稻的生长特性和产量的变化，分析粉垄耕作对土壤理化性质的影响以及粉垄耕作深度与水稻生长的关系，为干旱半干旱地区推广粉垄耕作技术和改善农业土壤环境提供科学依据和理论支撑。
1.1 试验材料与概况
试验地位于宁夏平罗县前进农场(38°42′N、106°20′E，海拔1 105 m)，该地区年均降水173 mm，多集中于7、8月，日照充足，年均蒸发量 1 755 mm。试验地常年稻作，往年常用耕作方式为传统旋耕，土壤为潮灌淤土。供试水稻品种为长粒优，生育期130 d左右。试验地土壤初始理化性质如表1所示。
1.2 试验设计与实施
试验采用单因素随机区组设计，于2021年4月12日在耕作前取样，耕作前样品代号为BF(before treating)，13日开始耕作，以传统旋耕(耕作深度约15 cm)为对照(CK)，分别设置粉垄耕作(FL)深度30、40、50、60 cm，共5个试验处理，每个处理重复3次，处理小区的长度为44 m，宽度为12 m。边缘设置宽度50 m的保护行，以确保中心试验不受外因素影响。5月4日播种，采用催芽撒播技术，各处理一次性施入荣和大三元一次性控释肥(N、P2O5、K2O含量分别为32%、13%、6%)，施用量为 600 kg/hm2，9月20日测产并取样。试验其他田间管理措施均保持一致。
表1 试验区土壤初始理化性质
1.3 测定项目及方法
1.3.1 土壤容重和孔隙度 在试验地耕作前和收获后，各处理使用环刀取样法分别测定0～20、20～40、40～60 cm等3个层次的土壤容重和孔隙度。同时使用铝盒采集每个层次的土样。
1.3.2 土壤含水率 在试验地耕作前和收获后，采用铝盒烘干法分别测定0～20、20～40、40～60 cm等3个层次土壤的含水率。
1.3.3 土壤养分 在试验地耕作前和收获后，按五点取样法分别采集0～20、20～40、40～60 cm等3个层次的土壤，土样混合后按四分法留1 kg，经风干、除杂、研磨后用于养分测定。土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量分别使用碱解扩散法、0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法、乙酸铵浸提-火焰光度法和重铬酸钾容量法-硫酸氧化法进行测定。
1.3.4 水稻根系活力 播种50 d后，在每个小区选取10株具有代表性且长势一致的健壮植株，剪下根系冲洗干净，放入装有冰袋的保温样品收纳箱内，迅速带回实验室，取白根的根尖部位，使用TTC法测定根系活力[11]。
1.3.5 水稻的生长特性及产量 试验水稻成熟后，每个处理小区内分3个不同位置各采3组样品，自然晾干后，进行考种和产量测定，分别记录秸秆高度、茎粗、穗长、穗粒数、千粒质量等生长特性。
1.3.6 统计方法 所有数据采用Microsoft Office Excel 2021和SPSS 25软件进行数据处理及分析，采用最小显著差异法(least significant difference，LSD)进行差异显著性分析。
2.1 不同耕作方式和深度对土壤容重、总孔隙度和土壤含水率的影响
土壤容重和孔隙度综合反映了土壤颗粒和孔隙的状况，是反映土壤松紧程度的重要指标，它直接影响土壤的透水透气能力，间接影响作物根系的下扎和对土壤养分与水分的利用，对作物的生长发育起重要作用。通过表2可知，各处理土壤容重整体呈现随土层深度的增大而逐渐增加的趋势，且深层土壤的容重变化幅度趋于平缓。试验田在耕作处理前0～20、20～40、40～60 cm容重分别为1.52、1.55、1.56 g/cm2，经过耕作处理后，收获期FL50处理在0～20 cm层土壤容重最低，较耕作前和CK分别显著降低6.58%和7.19%，20～40 cm土层粉垄处理容重都比较低，较CK分别显著降低6.45%和5.84%；
40～60 cm，土层FL60最低，较耕作前、CK和FL30分别显著降低7.05%、7.05%、2.03%。
土壤总孔隙度与容重变化趋势相反，在0～20 cm 土层以FL50处理最高，较CK显著增加9.54%，20～40 cm土层仍以FL50最高，较CK显著增加8.12%，40～60 cm土层FL60最高，较CK显著增加9.45%。可见，FL50和FL60对试验田的土壤容重和孔隙度均有显著改善。
水分是制约旱地作物生长发育的重要因素[12]，面对近年来长期干旱、降水稀少的问题，土壤的蓄水能力显得尤为重要。通过表2可以看出，粉垄处理在0～20 cm处的土壤含水率均高于CK，FL40和FL50与CK相比差异显著，分别增加了5.51%、8.69%和16.86%。在20～40 cm处含水率差异不显著，在40～60 cm处表现为FL30与CK显著高于其他处理，分别为24.91%与24.59%。
表2 不同耕作方式和深度对0～60 cm土壤容重、孔隙度和含水率的影响
2.2 不同耕作方式和深度对土壤养分的影响
水稻的生长、高产及品质受多种因素的影响，除了土壤物理性质外，有研究指出，水稻根系的状况能够显著影响水稻的产量增长和品质提升[13]。也有研究认为，水稻受干物质积累及氮素养分的影响[14]。一个良好的土壤状态与合适的耕层结构可以为水稻的生长发育提供足够的养分供给。试验地在耕作前土壤紧实度较高，透水性能较差，不利于养分随水分的运移与活动，加之春天季风的影响，易造成水分蒸发过快，产生养分聚集于表层土壤的情况，因此，保持养分传输路径通畅，才能保证水稻根系较好地吸收养分，从而促进植株生长发育。
通过表3和表4可知，粉垄处理土壤碱解氮含量显著低于CK，其中，40～60cm土层差异显著，FL30、FL40、FL50、FL60处理与CK相比分别降低21.17%、39.74%、40.95%、39.08%，平均含量分别降低了30.33%、23.54%、26.10%、22.97%。速效磷含量同碱解氮相似，FL40与FL50处理在 20～40 cm 与40～60 cm的含量均显著低于CK，它们在0～60 cm的平均速效磷含量较CK降低40.51%～36.64%。速效钾含量在0～20 cm土层以FL30含量最高，FL60与CK紧随其后，与其他处理相比差异显著，在20～40 cm分布较均匀且差异不显著，在 40～60 cm层次以FL30、FL40较高，与CK相比分别提升15.66%和16.51%。有机质含量在0～20 cm土层以FL30、FL40处理和CK显著高于FL50、FL60处理，在20～40 cm 分布均匀，各处理间差异不显著，在40～ 60 cm 以FL60与CK较高，FL40、FL30与FL50依次降低。其中CK平均含量最高，为26.16 g/kg。
表3 不同耕作方式和深度对0～60 cm土壤养分的影响
2.3 不同耕作方式和深度对水稻根系活力的影响
根系活力是评价作物根系吸收水分与营养物质强度的特征之一，对作物地上部的养分供应和产量具有重要的影响。通过图1可知，播种50 d后，粉垄耕作处理的根系活力均大于CK，分别为87.24、96.50、122.23、120.51、62.22 mg/(g·h)，较CK分别提高40.21%、55.09%、96.45%、93.68%。
2.4 不同耕作方式和深度对水稻生长特性和产量的影响
通过表5可以看出，粉垄处理的株高高于CK，但差异不显著，与CK相比分别增加4.4、4.5、7.4、6.4 cm，茎粗、穗粒数之间差异不显著，粉垄处理的千粒质量均高于CK，与CK相比分别增加5.50%、4.80%、9.15%、5.37%。FL50产量最高，平均达到668.22 kg/666.7 m2，与CK相比提高25.45%。
表5 不同耕作方式和深度下水稻生长特性和产量的影响
2.5 不同耕作方式和深度对水稻偏生产力的影响
肥料偏生产力 (partial factor productivity， PFP)是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的重要指标[21]。根据施肥量与产量计算水稻的偏生产力，结果如图2所示。FL40、FL50、FL60的氮肥偏生产力(N，PFP)分别为51.09、52.20、50.44 kg/kg，均显著高于CK；
磷肥偏生产力(P2O5，PFP)分别为125.77、128.50、124.17 kg/kg，也显著高于CK；
钾肥偏生产力(K2O，PFP)分别为272.49、278.43、269.03 kg/kg。水稻氮、磷、钾的偏生产力均以FL50处理最高，分别为52.20、128.50、278.43 kg/kg，与CK相比均提升25.45%。
2.6 作物产量与耕作深度的效应函数特征
对水稻产量进行拟合(图3)，水稻产量随耕作深度的增加呈现先增高后降低的变化趋势。通过方程拟合，水稻产量拟合方程为：
y=-0.108 3x2+10.796+391.97，r2=0.985 1。
当耕作深度为49.8 cm时，水稻产量最高，为661.0 kg/666.7 m2。因此，该试验区粉垄耕作深度为49.8 cm时，水稻可获得高产。
土壤容重影响着土壤水分与养分的含量、分布，是评价土壤质量的重要物理性质[15]，通过传统旋耕为对照，设置不同粉垄深度处理对试验水稻田进行耕作后发现，粉垄耕作可以显著降低土壤容重，增加土壤总孔隙度，这与前人多项研究结果[16-18]一致，说明粉垄耕作可以有效改善土壤的耕层结构，降低土壤的紧实程度，有利于水分的运输与作物根系的发育[19]。但同时也应该注意，过大的耕作深度在依赖水分供给和对土壤温度比较敏感的水田栽植水稻上应结合具体情况谨慎应用[20]，虽然深耕与粉垄在一定程度上可以促进水分的下渗和贮存，以应对长期干旱，但在需水量较大的生育时期需要一定的水分维持作物生长。
本试验中，在管理措施、施肥方式和用量一致的条件下，粉垄耕作处理与传统耕作处理相比，其水稻产量更高，分析其原因，主要为以下2个方面：首先，粉垄可以通过深松、深耕并将土粒打磨切割细碎，营造了适宜的土壤紧实度、孔隙度和土粒结构，有利于水分的入渗、运移和贮存，加速了养分随水分的运移与淋溶，在一定程度上增加了土壤养分的活动性。另一方面，由于土壤耕层状态的改变和孔隙度的提高，有利于水稻根系的生长与下扎，根系作为作物吸收水分与营养物质的重要器官，在疏松的土壤环境中可以更高效地吸收土壤中的养分，粉垄耕作营造的疏松适宜的土壤环境、充足的水分与“活化”的养分造就了供试水稻发达的根系和高效的养分吸收效率，从表4中粉垄处理耕层碱解氮、速效磷含量低于CK，图1粉垄耕作处理根系活力显著高于传统耕作，以及图2粉垄处理养分偏生产力高于CK等试验结果印证了这一点，这与聂胜委等的研究结果[21-22]相似，说明在改变物理性质的同时，粉垄耕作可以促进作物根系对养分的吸收和利用[23]。
对于粉垄耕作表层土壤碱解氮、速效磷含量低于传统耕作，且相较于耕作前土壤下层出现富集等现象，分析其原因，可能为以下3个方面：首先，有研究表明，氮素养分容易因淋溶，导致作物生育初期没有被利用的氮素随水分下渗至更深层次的土壤[24]。稻田在粉垄耕作后表层土壤的疏松致使固相含量相对减少、水分增加，促进了养分随水分下渗到深层次的土壤；
其次，因为水稻根系下扎的所在耕层主要为0～20 cm，所以粉垄对水稻根系发育和吸收能力的促进会减少表层土壤的养分；
最后，CK深层次养分含量较高则是由于常年稻作和单一重复施用含氮量较高的复合肥，造成CK深层次土壤碱解氮等养分多年的积累和富集，而传统耕作深度较低，深层次土壤没有任何搅动，其土壤的耕层状态与水分分布特征相较于粉垄耕作没有发生本质和巨大的变化，因此耕层之间的养分分布较粉垄处理含量更多，且分布稳定和均匀。
氮素养分作为水稻生长所需的重要养分之一，对氮素养分的吸收是水稻增产的关键[25-27]，有研究表明，增施氮肥可以提高水稻的有效穗数和穗粒数等水稻的产量构成因素[28]，还可以增加水稻的株高、根数等生长特性[29]，但过量的氮肥会使氮肥的农学利用效率(ANUE)降低，在高浓度氮素的环境中水稻的穗粒数和结实率明显下降，导致减产[30]。除此之外，过量氮肥在土壤的积累会导致土壤板结，不利于水稻秧苗的发育和排盐，也可能造成土壤环境的污染[31]。因此，通过粉垄耕作减缓因常年施用氮肥产生的表层土壤氮肥的积累，也是提升试验地耕地质量、降低污染，减少制约水稻增产因素的一个途径。
李美玲等研究发现，在深旋耕的条件下，某些品种的水稻增加种植密度后即使减少氮素的施用时，产量也不会显著下降，因此，可以通过深耕减少氮肥的施用量，提高水稻氮肥偏生产力，达到节本增收的效果[32]。也有研究表明，在施用相同氮比例的情况下，粉垄耕作的氮肥偏生产力高于免耕和深耕[33]。粉垄耕作可以减少氮肥的施用，既可以减少成本，也可以防止氮肥的浪费和过量积累对土壤的污染。同时，可尝试在收获后实行一段时间的秸秆还田配合粉垄耕作，有利于养分的积累与贮存，对水稻来年的养分供给具有重要作用。
粉垄耕作可以提高水稻的穗粒数、千粒质量等产量构成因素，进而达到增产效果，与以往相关的作物粉垄试验结果[34]一致。说明粉垄耕作可以通过改善土壤的耕层状态，促进水稻根系下扎，促进水稻对养分的吸收利用，从而达到增产的目的。所有试验处理的水稻产量较传统淹灌插秧水稻的平均水平略低，是因为本试验区域所处农场均采用更适宜于干旱、半干旱地区的水稻节水灌溉种植方式——催芽撒播技术，该技术的播种密度较传统插秧水稻略低，致使最终产量略低。
本试验结果表明，相较于传统的耕作方式，粉垄耕作可显著降低土壤的容重，降幅为7%左右，增加土壤总孔隙度，实现对土壤深松与深耕的目的，促进水分的下渗与贮存以及补给流通，为水稻生长发育提供一个适宜的土壤环境。
粉垄耕作可以提高水稻根系活力，促进水稻对土壤养分的吸收利用，提高水稻的养分偏生产力。缓解浅层次土壤氮肥聚集和多年积累的状况。
粉垄耕作可以促进水稻的生产结实，增加水稻的籽粒产量，其中以粉垄深度50 cm最佳，平均达到668.22 kg/666.7 m2，高于传统耕作处理。通过耕作深度与水稻产量的方程拟合测算出49.8 cm的耕作深度可获得高产，但也需结合当地的生产状况、耕作机械的动力以及燃料成本综合考量后选择适宜的耕作深度，所以粉垄耕作是值得进一步在传统淹灌水稻进行研究的耕作方式。
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