紅壤區夏玉米生長對土壤穿透阻力的響應

羅 敏，鄧才富，陳家宙，高 躍，高冰可

(1.重慶市藥物種植研究所，中國醫學科學院藥用植物研究所重慶分所， 重慶 408435；2.華中農業大學 農業部長江中下游耕地保育重點實驗室， 湖北 武漢 430070)

隨著農業生產與土壤科學的不斷發展，對土壤化學性質、養分狀況與作物生長關系的研究日益豐富。土壤物理性質作為土壤最基礎的性質，與土壤化學性質、土壤微生物活動等密切相關，互作影響。土壤物理性質制約土壤肥力水平，進而影響植物生長，是制定合理耕作和灌排等農田管理措施的重要依據。因此，在土壤養分狀況對作物生長關系豐富的研究背景下，不可忽視土壤物理性質對作物生長的影響研究。

鄂南紅壤丘陵區在我國農業發展中占有重要地位[1]，但該地區常發生的季節性干旱給農業生產帶來極大影響。隨著土壤干旱的發生，土壤供水能力變差，土壤穿透阻力亦急劇增大[2]，嚴重影響作物的生長和產量形成。由第四紀紅色粘土發育而成的紅壤，粘粒含量高[3]，一旦含水量降低即會變得十分堅硬。課題組前期研究發現，土壤穿透阻力與干旱對作物的影響存在交互作用，并且在紅壤季節性干旱過程中，阻力隨干旱發生而急劇增大。因此，作為嚴重遭受季節性干旱影響的南方紅壤，土壤穿透阻力在干旱脅迫過程中對作物生長具有怎樣的影響是本文重點探討的內容。研究干旱引起的土壤穿透阻力對夏玉米生長的影響作用，旨在為進一步尋求有效措施通過改善土壤阻力來緩解季節性干旱的影響提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗設置

試驗于2014年6—9月在華中農業大學紅壤綜合試驗站內進行。供試玉米品種為鄭單958，土壤是由第四紀紅色粘土發育而成的紅壤，土壤質地為粘土(美國制)。試驗包括兩部分：室內桶栽試驗研究紅壤阻力對玉米根系的影響，設置三個土壤容重，即1.1，1.3，1.5 g·cm-3，分別體現不同的初始紅壤阻力值，各處理5次重復，每桶播種3粒玉米。取試驗站內耕層0～20 cm的紅壤，風干后過2 mm篩；選用內徑為25 cm的PVC管自制高為15 cm的盆缽，根據設置容重稱取不同重量的風干土，按田間持水量的75%加水進行壓實。壓土時分少量多次加入盆缽，每次加土整平，再用噴壺均勻噴灑水后用木槌壓實，直至全部土壤壓入規定的體積內；小容重不用壓實，只需每次加土后整平噴水，再加土，如此反復即可。從播種到發芽，每天按稱重法充分澆水(土壤含水量在田間持水量的65%)，以保證作物正常發芽及生長，出苗后用完全營養液代替自來水。玉米出現3片葉時開始連續干旱處理，模擬干旱過程中紅壤阻力的變化過程，并每日稱重掌握土壤含水量情況。

田間小區試驗以耕作措施調控紅壤阻力，包括深耕D、常規耕作C、免耕N、機械壓實P，每處理3次重復，小區面積為2.7 m×1.2 m=3.24 m2。各處理小區施肥量相同，施氮(尿素，N≥46%)140 kg·hm-2，過磷酸鈣(含P2O512%)1 000 kg·hm-2和氯化鉀(含K2O 40%)240 kg·hm-2；所用肥料全部作為基肥一次施入。每小區定植18株，四周設保護行。2014年6月18日播種，9月29日收獲。

1.2 測定指標與方法

室內試驗用測目儀測定土壤阻力，干旱處理10 d后測定根系形態指標，采用Epson掃描儀掃描，結合根系分析系統(WinRHIZO Pro 2004c)測定。田間試驗采用SC900土壤硬度儀測定0～40 cm土壤紅壤穿透阻力，每個處理標記6株長勢一致植株，采用常規測定方法定期測定玉米地上部生長指標，以上指標同步測定。

1.3 數據分析

數據分析結合Excel 2007和SPSS 19.0軟件進行，作圖由Origin 9.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 紅壤穿透阻力對玉米根系的影響

紅壤穿透阻力對玉米苗期根系生長有明顯影響。由表1可知，不同土壤穿透阻力處理間玉米苗期單株根長和根徑差異顯著，其中單株總根長與總根徑表現最為明顯，在三種阻力處理間均存在顯著性差異。低阻力處理根長、表面積和根系體積均最大，而高阻力處理則明顯減小。根徑則與之相反，低阻力處理單株根徑最小，高阻力處理最大。

進一步將不同阻力處理下的紅壤穿透阻力與玉米苗期根長和根徑進行相關性分析，結果表明，苗期玉米根長與紅壤穿透阻力具有顯著的負相關關系(P<0.05)，根系平均直徑與其具有顯著的正相關關系(P<0.05)，如圖1所示。隨著紅壤穿透阻力的增加，根系長度變短，平均直徑變粗，并且總根長的變化幅度大于種子根，而種子根根徑的增粗幅度大于總根。

2.2 紅壤穿透阻力對玉米地上部的影響

紅壤穿透阻力對夏玉米株高、莖粗和葉面積均具有一定影響。由表2可知，夏玉米株高在不同阻力調控措施下表現為D>C>P>N，莖粗和葉面積則為D>C>N>P；且各指標在措施間的變化差異不盡相同，株高表現為深耕與常規耕作顯著高于免耕和壓實，莖粗為深耕顯著高于免耕和壓實，葉面積則是深耕與常規耕作顯著高于壓實。

表1 紅壤穿透阻力對夏玉米根系的影響 Table 1 Effects of red soil penetration resistance on maize root

注：D1.1、D1.3、D1.5代表不同的容重(1.1、1.3、1.5 g·cm-3)設置，體現不同的初始土壤穿透阻力值；土壤阻力值為室內干旱處理結束時的耕層均值；同列小寫字母代表0.05顯著水平(P<0.05)；下同。

Note: D1.1, D1.3 and D1.5 indicate soil bulk densities(1.1、1.3、1.5 g·cm-3), they reflect initial PR; the soil resistances are the mean of arable layer at the end of drought treatment indoor; different lowercases of same column indicate significant difference at 5% level; the same below.

圖1 紅壤穿透阻力與玉米總根長及根平均直徑的關系 Fig.1 Maize root length and diameter in relation to soil penetration resistance表2 紅壤穿透阻力對夏玉米生長及產量的影響 Table 2 Effects of red soil penetration resistance on maize growth and yield

注：生長指標為夏玉米營養生長期結束后測定，土壤容重、土壤穿透阻力與含水量為營養生長階段干旱期0～20 cm土層均值。

Note: the growth indexes were determined after vegetative growth phase, and the soil bulk, PR and soil moisture were the mean of 0～20 cm depth of vegetative growth phase in drought period.

進一步將不同阻力調控措施下夏玉米營養生長完成時期的株高、莖粗和葉面積分別與耕層(0～20 cm土層)紅壤穿透阻力進行相關性分析，得出三者均與紅壤穿透阻力具有顯著的線性關系(P<0.05)。如圖2所示，夏玉米株高、莖粗、葉面積與紅壤穿透阻力呈顯著負相關關系，隨紅壤穿透阻力增大，株高降低，莖粗與葉面積減小。由此可知，紅壤穿透阻力嚴重影響了夏玉米植株的生長。

2.3 紅壤穿透阻力對玉米產量的影響

紅壤穿透阻力對夏玉米籽粒產量具有明顯影響。表2表明，不同阻力調控措施下玉米的籽粒產量表現為D>C>N>P。其中，深耕比常規耕作、免耕和壓實分別高25.8%、51.1%和60.5%，且深耕顯著高于免耕和壓實。紅壤穿透阻力對夏玉米生物學產量具有相似的影響，各阻力調控措施間的大小排序與籽粒產量相同，且深耕與免耕、壓實間有顯著性差異。進一步的相關性分析表明(圖3)，阻力調控措施下夏玉米籽粒產量與紅壤穿透阻力具有顯著負相關關系，紅壤阻力每增加1.0 MPa，籽粒產量將減少1 787.1 kg·hm-2。可見，紅壤穿透阻力不但在作物生長過程中對根系、地上部等產生顯著影響，而且最終會表現為嚴重影響其產量的形成。

圖2 紅壤穿透阻力與玉米地上部生長的關系 Fig.2 The ground growth indexes of maize in relation to soil penetration resistance

圖3 紅壤穿透阻力與夏玉米產量的關系

Fig.3 Yield of maize in relation to soil penetration resistance

3 討論與結論

土壤穿透阻力對植物生長的影響，首先表現為對根系生長的直接影響作用。當前多數研究者認為根系生長所遇到的土壤機械阻力普遍存在。玉米根系生長指標隨土壤容重增加而下降[4]；機械阻力會顯著降低玉米、水稻等4種不同作物的根伸長速率，且使其根徑變粗(水稻除外)[5]。本研究中，單獨分析因壓實不同容重而引起的土壤阻力對根系的影響結論，與以往研究土壤緊實度和容重對作物根系影響的結果相一致[6-10]，土壤緊實度阻礙了根的生長[11]，導致根系總長度、表面積等顯著下降，而根系平均直徑變粗。壓實導致的土壤容重的變化自然會改變土壤通氣狀況，增加土壤緊實度，土壤有效水分、氣體比例等隨之發生改變，因此必然會影響作物根系生長。但與此同時，水分降低所產生的土壤阻力對根系的影響卻也不可忽視。

前期研究已經發現，在紅壤季節性干旱過程中，水分減少的同時會導致土壤穿透阻力急劇增大[12]。因此，在阻力脅迫與逐漸出現的干旱脅迫的綜合影響下，作物根系生長必將受到嚴重影響，而此一系列影響也將引起地上部的反應，最終表現在作物產量上。多數研究表明較高土壤容重會抑制作物地上部生長[13-15]，但也有研究認為該影響不顯著甚至沒有影響[16]。導致研究結果不一的原因一方面與作物種類有關，另外可能也與水分有關，這其中便有因水分變化導致的土壤穿透阻力的改變所帶來的影響。本研究發現，在季節性干旱過程中，不同阻力調控措施下，紅壤穿透阻力對作物株高、莖粗及葉片生長具有顯著負效應，且該負效應最終對產量產生嚴重影響，夏玉米籽粒產量和生物學產量均與紅壤穿透阻力具有顯著的負相關關系，隨著紅壤阻力的增加而減小。在本次試驗期間，玉米營養生長期降雨相對豐富，未發生嚴重的干旱，僅有一次連續干旱5 d的輕度干旱，因此未出現干旱脅迫現象。所以，此時主要表現出的是對土壤阻力脅迫的反應，即紅壤穿透阻力的影響先于干旱脅迫。

深耕能夠明顯降低土壤穿透阻力，宜于植株根系生長，從而促進植株對水分和養分的吸收，有助于產量的增加。免耕的土壤阻力僅低于壓實處理，且此兩種措施下植株生長及產量最低，且二者之間均沒有顯著性差異。因此，在紅壤地區可以通過選擇適宜的耕作措施來調控土壤穿透阻力，從而改善因干旱而引起的土壤阻力增大對作物的影響，促進作物生產；同時，作為保護性耕作措施的免耕卻不適宜于在紅壤地區推廣。

[1] 孫 波,董元華,徐明崗,等.加強紅壤退化分區治理，促進東南紅壤丘陵區現代高效生態農業發展[J].土壤,2015,47(2):204-209.

[2] Whalley W, Leeds-Harrison P, Clark L, et al. Use of effective stress to predict the penetrometer resistance of unsaturated agricultural soils[J]. Soil & Tillage research, 2005,84(1):18-27.

[3] 李成亮,何園球,熊又升,等.四種不同母質發育的紅壤水分狀況研究[J].土壤,2004,36(3):310-317.

[4] 鄭存德,依艷麗,張大庚,等.土壤容重對高產玉米根系生長的影響及調控研究[J].華北農學報,2012,27(3):142-149.

[5] Iijima M, Kato J. Combined soil physical stress of soil drying, anaerobiosis and mechanical impedance to seedling root growth of four crop species[J]. Plant Prod Sci, 2007,(10):451-459.

[6] Haling R, Simpson R, Culvenor R, et al. Effect of soil acidity, soil strength and macropores on root growth and morphology of perennial grass species differing in acid-soil resistance[J]. Plant Cell Environ, 2011,34(3):444-456.

[7] 馮福學,黃高寶,柴 強,等.不同耕作措施對冬小麥根系時空分布和產量的影響[J].生態學報，2009,29(5):2499-2506.

[8] 宋 日,劉 利,吳春勝,等.根系生長空間對玉米生長和養分吸收的影響[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2009,37(6):58-64.

[9] 劉晚茍,李良賢,謝海容,等.土壤容重對野生香根草幼苗根系形態及其生物量的影響[J].草業學報,2015,24(4):214-220.

[10] 閆 娟,徐程揚,魏紅旭.土壤緊實度對三倍體毛白楊細根形態的影響[J].東北林業大學學報,2013,47(2):47-50.

[11] Whitmore A P, Whalley W R, Bird R A, et al. Estimating soil strength in the rooting zone of wheat[J]. Plant Soil, 2011,339(7):363-375.

[12] 羅 敏,鄧才富,陳家宙,等.鄂南紅壤穿透阻力的時空變化研究[J].土壤,2016,48(5):1055-1061.

[13] 張向東,鄧寒霜,華智銳.土壤緊實脅迫對桔梗生長、產量及品質的影響[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2013,41(7):177-182.

[14] 王 卉,李清蓮,曹玉英.不同耕作方法與土壤容重對玉米生育和產量的影響研究[J].中國農業信息,2013,(3):102.

[15] 王 群,張學林,李全忠,等.緊實脅迫對不同土壤類型玉米養分吸收、分配及產量的影響[J].中國農業科學,2010,43(21):4356-4366.

[16] Goodman A, Ennos A. The effects of soil bulk density on the morphology and anchorage mechanics of the root systems of sunflower and maize[J]. Ann Bot-London, 1999,83(8):293-302.