不同土壤耕作模式對雙季水稻生理特性與產量的影響

唐海明 肖小平 李 超 湯文光 郭立君 汪 柯 程凱凱 潘孝晨 孫 耿

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不同土壤耕作模式對雙季水稻生理特性與產量的影響

唐海明*肖小平 李 超 湯文光 郭立君 汪 柯 程凱凱 潘孝晨 孫 耿

湖南省土壤肥料研究所, 湖南長沙 410125

為探明雙季稻區不同土壤耕作模式下雙季水稻生理特性、干物質積累及產量的變化, 本文以雙季稻–紫云英大田定位試驗為平臺, 設雙季水稻翻耕+秸稈還田(CT)、雙季水稻旋耕+秸稈還田(RT)、雙季水稻免耕+秸稈還田(NT)、雙季水稻旋耕+秸稈不還田(RTO, 對照) 4種土壤耕作處理, 于2016—2017年取樣, 系統分析了不同處理對雙季水稻植株葉片保護性酶活性、光合特性、干物質積累及產量的影響。研究結果表明, 早、晚稻各個主要生育時期CT和RT處理植株葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性均顯著高于RTO處理(<0.05), 而葉片丙二醛(MDA)含量均顯著低于RTO處理(<0.05)。CT處理植株葉片的凈光合速率(n)、蒸騰速率(r)和葉片氣孔導度(Gs)均顯著高于RTO處理(<0.05), 均表現為CT>RT>NT>RTO。CT和RT處理水稻植株物質生產能力強, 干物質積累多, 而且在各器官間的分配合理。2個年份的早稻產量均以CT處理最高, 均顯著高于RTO處理(<0.05), 比RTO處理增加731.1~733.3 kghm–2; 晚稻產量均以CT處理為最高, 均顯著高于RTO處理(<0.05), 比RTO處理增加582.5~717.6 kghm–2?？傊? 土壤翻耕、旋耕結合秸稈還田處理有利于提高雙季水稻葉片保護性酶活性、光合特性和干物質積累量, 為水稻高產奠定了生理和生物學基礎。

水稻; 土壤耕作; 生理特性; 保護性酶; 產量

土壤耕作是農業生產過程中十分重要的農藝措施。合理的土壤耕作方式有利于改善農田土壤的物理(水、熱和氣動態及土壤結構)、化學(有機質礦化及養分有效性)和生物學(土壤微生物活性及多樣性)性狀, 促進作物的生長發育和產量提高[1-3]。同時, 不同的土壤耕作方式還影響農田生態系統部分服務功能(如土壤有機碳、水分和養分等), 從而影響農田生態系統的可持續發展[2,4]。

近年來, 我國農業機械化水平迅速發展, 但在生產過程中各種農機類型并存, 特別是一些小型機械耕作的大面積使用造成了我國農田的耕層變淺、物理結構變差, 降低了農田土壤的蓄水保肥能力, 從而影響作物生長和高產穩產[5]。不同的耕作方式對土壤的擾動和作用強度不同, 影響土壤理化與生物性狀, 進而影響作物生長發育和產量。湯軍等[6]和姚秀娟[7]試驗發現, 翻耕降低抽穗后劍葉葉綠素含量, 但對早、晚稻劍葉凈光合速率均無顯著影響; 旋耕與翻耕處理對早、晚稻產量的影響不明顯。然而另有研究表明, 翻耕處理的雙季稻產量高于旋耕處理[8]。全妙華等[9]、劉金花等[10]和朱利群等[11]研究均認為, 采取土壤耕作措施(壟作、旋耕和翻耕)可提高水稻植株葉片的保護性酶活性、光合速率和植株干物質重量, 有利于增加水稻產量。李華興等[12]研究發現免耕處理降低水稻產量, 但陳達剛等[13]認為免耕可改善產量構成因素和提高水稻產量。前人關于不同的土壤耕作方式對水稻生長發育和產量等方面影響的研究結果因試驗周期、研究對象和所在區域氣候條件等不同而不同。

目前, 在中國南方雙季稻主產區還少見不同土壤耕作條件(翻耕、旋耕和免耕)對雙季水稻生理生化特性及產量影響的研究報道[6,14], 特別是在雙季稻–紫云英種植模式及秸稈還田培肥土壤條件下, 不同土壤耕作方式對雙季水稻植株生理生化和生物學特性及產量影響缺乏系統的研究。因此, 本研究就此大田定位試驗以明確不同土壤耕作方式下雙季水稻產量的變化及保護性酶活性、光合特性和干物質積累等生理和生物學機制, 為南方雙季稻區水稻高產選擇合理的土壤耕作方式提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗田位于湖南省寧鄉市回龍鋪鎮回龍鋪村(28°07′ N, 112°18′ E), 為典型的雙季稻主產區。海拔36.1 m, 年均氣溫17.2℃, 年平均降雨量1553 mm, 年蒸發量1354 mm, 無霜期274 d。土壤為水稻土, 河沙泥土種。種植制度為紫云英–雙季稻。土壤肥力中等, 排灌條件良好。試驗前耕層土壤(0~20 cm)含有機碳22.07 g kg–1、全氮2.14 g kg–1、全磷0.82 g kg–1、全鉀13.21 g kg–1、堿解氮192.20 mg kg–1、有效磷13.49 mg kg–1、速效鉀81.91 mg kg–1, pH 5.79。

1.2 試驗設計及田間管理

試驗開始于2015年, 包括4個土壤耕作處理: (1)雙季水稻翻耕+秸稈還田(CT: conventional tillage with residue incorporation)早稻和晚稻移栽前用鏵式犁翻地1遍, 耕深約15~20 cm, 再用旋耕機旋地2遍以平整土地, 耕深約8~10 cm, 紫云英和稻草秸稈還田; (2)雙季水稻旋耕+秸稈還田(RT: rotary tillage with residue incorporation)早稻和晚稻移栽前用旋耕機旋地4遍, 耕深約8~10 cm, 紫云英和稻草秸稈還田; (3)雙季水稻免耕+秸稈還田(NT: no tillage with residue retention)不整地, 早稻和晚稻均采用免耕移栽, 紫云英和稻草秸稈還田; (4)雙季水稻旋耕+秸稈不還田為對照(RTO: rotary tillage with residue removed)早稻和晚稻移栽前用旋耕機旋地4遍, 耕深約8~10 cm, 紫云英和稻草秸稈均不還田。每個處理3次重復, 隨機區組排列, 小區面積56.0 m2(7 m × 8 m)。CT、RT和NT處理中紫云英還田量均為22,500 kg hm–2, 早稻和晚稻的稻草秸稈還田量均為2000 kg hm–2; RTO處理中紫云英和稻草秸稈均不還田。CT和RT處理的秸稈在土壤耕作時翻壓還田, NT處理的秸稈為地表覆蓋還田; 其中, 紫云英在4月上旬翻壓還田或地表覆蓋還田; 早稻和晚稻稻草秸稈分別在水稻移栽前結合土壤耕作翻壓還田或地表覆蓋還田。

保證早稻季和晚稻季各處理間一致的N、P2O5、K2O施用量(總施用量為化肥與紫云英、早稻、晚稻稻草秸稈養分含量之和), 早稻季各處理總施N 150.0 kg hm–2、P2O575.0 kg hm–2和K2O 120.0 kg hm–2, 晚稻季各施肥處理總施N 180.0 kg hm–2、P2O575.0 kg hm–2和K2O 120.0 kg hm–2。早稻和晚稻各施肥處理N和K2O作基肥和追肥2次施入, 基肥在耕地時施入, 追肥在移栽后7 d施用, 基肥∶追肥比例均為6∶4; P2O5均在耕地時作基肥一次性施入。2016年和2017年, 早稻供試品種均為湘早秈45, 4月下旬移栽, 7月中旬收獲; 晚稻供試品種均為湘晚秈13, 7月中、下旬移栽, 10月下旬收獲。早稻和晚稻均采用人工移栽, 各處理的基本苗數均為1.5×105株 hm–2。早、晚稻移栽前, 對CT、RT和RTO處理均噴灑除草劑(克無蹤, 青島利爾農化研制開發有限公司) 1.5 kg hm–2, 對NT處理均噴灑除草劑(克無蹤) 6.0 kg hm–2。其他管理措施同常規大田生產。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 樣品采集 2016年和2017年, 分別于早稻和晚稻的苗期(移栽后10 d)、分蘗盛期、孕穗期、齊穗期和成熟期, 于每一小區隨機選擇10蔸水稻采集植株樣品。水稻苗期和分蘗期采集水稻植株主莖最上展開葉; 孕穗期、齊穗期和成熟期采集水稻主莖劍葉; 每次樣品采集時, 以每穴植株為中心, 取長25 cm、寬20 cm、深20 cm的土塊, 先用清水沖洗干凈, 注意避免丟失根量, 用濾紙吸干附著水, 然后將植株按根、莖、葉和穗部位裝袋, 于105℃殺青30 min, 80℃烘至恒重, 測定干物質量; 根據公式(單葉葉面積= 葉片長×葉片寬×校正系數)計算單葉葉面積, 然后計算植株總葉面積, 求出葉面積指數。

1.3.2 生理生化指標測定 采用硫代巴比妥酸法測定葉片丙二醛(MDA)含量, 氮藍四唑光化還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性, 愈創木酚氧化比色法測定過氧化物酶(POD)活性, 紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性[15], 各指標重復測定3次, 取平均值。

1.3.3 植株光合特性測定 在上述早稻和晚稻的各個主要生育時期, 選擇晴天上午9:00—11:00, 用美國產LI-6400便攜式光合儀自動測定系統測定不同處理的光合指標, 人工控制條件為, CO2濃度400 μmol mol–1, 30℃, 流量500 mL s–1, 光照強度1200 μmol m–2s–1, 每個處理選擇5片具有代表性的葉片進行測定, 每葉重復測定3次, 苗期和分蘗期均測定水稻植株主莖最上展開葉, 孕穗期、齊穗期及成熟期均測定水稻主莖劍葉。測定的光合指標包括: 葉片凈光合速率(n)、氣孔導度(s)和蒸騰速率(r)。同時, 采用SPAD-502型葉綠素測定儀測定葉片上、中和下部3個點的SPAD值, 取其平均值, 苗期和分蘗期測定植株主莖頂部第一展開葉, 孕穗期、齊穗期和成熟期均測定植株主莖劍葉。

1.3.4 水稻產量和產量構成因素 分別于早稻和晚稻成熟期, 從每個處理隨機選擇生長一致的水稻3個點, 面積均為1 m2, 統計該面積內的有效穗數; 在各個處理的每一個點中隨機選擇5穴水稻帶回室內考種, 測定穗粒數、結實率和千粒重; 收獲期, 測定各處理水稻實際產量。收獲指數=單位面積籽粒產量/單位面積植物地上部生物量之和。

1.4 數據統計與分析

用Microsoft Excel 2003軟件處理數據, DPS 3.11 (Data Processing System for Practical Statistics)軟件進行不同處理間各測定指標的方差分析。

2 結果與分析

2.1 水稻植株葉片SPAD

由圖1可知, 各土壤耕作處理水稻葉片SPAD值均呈拋物線變化趨勢, 均于孕穗期達到最高值。早稻的苗期、分蘗期、孕穗期、齊穗期和成熟期, CT處理水稻葉片SPAD值均最高, 顯著高于RTO (<0.05)。苗期和分蘗期, RT處理水稻葉片SPAD值高于NT和RTO處理, 但無顯著性差異(>0.05); 孕穗期、齊穗期和成熟期, RT處理水稻葉片SPAD值顯著高于RTO (<0.05)。齊穗期和成熟期, NT處理水稻葉片SPAD值高于RTO處理, 但無顯著性差異(>0.05)。

晚稻各個主要生育時期, 各土壤耕作處理水稻葉片SPAD值均于齊穗期達到最高值。晚稻的苗期、分蘗期、孕穗期、齊穗期和成熟期, CT處理水稻葉片SPAD值均最高, 且顯著高于RTO (<0.05)。苗期和分蘗期, RT處理水稻葉片SPAD值均高于NT和RTO處理, 但無顯著性差異(>0.05); 孕穗期、齊穗期和成熟期, RT處理水稻葉片SPAD值均顯著高于RTO (<0.05)。成熟期, NT處理水稻葉片SPAD值顯著高于RTO (<0.05)。晚稻各個主要生育時期葉片SPAD值為CT>RT>NT>RTO。

圖1 不同土壤耕作方式對水稻葉片SPAD值的影響

CT: 雙季水稻翻耕+秸稈還田; RT: 雙季水稻旋耕+秸稈還田; NT: 雙季水稻免耕+秸稈還田; RTO: 雙季水稻旋耕+秸稈不還田。SS: 苗期; TS: 分蘗期; BS: 孕穗期; HS: 齊穗期; MS: 成熟期。標明不同小寫字母的柱值在不同處理之間差異達0.05顯著水平。

CT: conventional tillage with residue incorporation; RT: rotary tillage with residue incorporation; NT: no tillage with residue retention; RTO: rotary tillage with residue removed. SS: seedling stage; TS: tillering stage; BS: booting stage; HS: heading stage; MS: maturity stage. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

2.2 水稻植株葉片MDA含量與SOD、POD和CAT活性

早稻和晚稻各個主要生育時期, 各處理植株葉片MDA含量均隨著生育期的推進不斷增加。早稻和晚稻各個主要生育時期, 均以RTO和NT處理最高, 顯著高于CT處理(<0.05)(圖2)。早稻各個主要生育時期, NT和RTO處理植株葉片MDA含量均顯著高于CT和RT處理。晚稻的苗期和分蘗期, NT和RTO處理植株葉片MDA含量均顯著高于CT和RT處理(<0.05); 孕穗期、齊穗期和成熟期, CT處理均顯著低于其他處理(<0.05)。

早稻和晚稻各個主要生育時期, 各處理葉片SOD活性均于齊穗期達到最大值, 且分別以CT和RT處理最高, 均顯著高于RTO處理(<0.05)(圖3)。

早稻各個主要生育時期, CT、RT和NT處理葉片SOD活性均顯著高于RTO處理(<0.05)。晚稻各個主要生育時期, CT和RT處理葉片SOD活性均顯著高于RTO處理(<0.05); 苗期、分蘗期和孕穗期, NT處理植株葉片SOD活性均高于RTO處理, 但兩者之間均無顯著差異(>0.05); 齊穗期和成熟期, NT處理植株葉片SOD活性均顯著高于RTO處理(<0.05)。

早稻和晚稻各個主要生育時期, 各處理葉片POD活性均于齊穗期達到最大值; CT、RT和NT處理葉片POD活性均顯著高于RTO處理(<0.05)(圖4)。早稻的分蘗期和孕穗期, RT處理葉片POD活性均顯著高于NT處理(<0.05)。晚稻各主要生育時期, RF處理葉片POD活性均顯著高于NT處理(<0.05)。

早稻和晚稻各個主要生育時期, 各處理葉片CAT活性均于分蘗期達到最大值, 且以CT和RT處理最高, 均顯著高于NT和RTO處理(<0.05); CT、RT和NT處理葉片CAT活性均顯著高于RTO處理(<0.05)(圖5)。

早稻各個主要生育時期, CT處理葉片CAT活性均最高, 且顯著高于其他處理(<0.05)。晚稻各個主要生育時期, CT和RT處理葉片CAT活性均最高, 且顯著高于NT和RTO處理(<0.05)。

圖2 不同土壤耕作方式對水稻葉片MDA含量的影響

處理同圖1。圖中不同小寫字母表示不同處理之間差異達0.05顯著水平。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Fig. 1. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

圖3 不同土壤耕作方式對水稻葉片SOD活性的影響

處理同圖1。圖中不同小寫字母表示不同處理之間差異達0.05顯著水平。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Fig. 1. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

圖4 不同土壤耕作方式對水稻葉片POD活性的影響

處理同圖1。圖中不同小寫字母表示不同處理之間差異達0.05顯著水平。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Fig. 1. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

圖5 不同土壤耕作方式對水稻葉片CAT活性的影響

處理同圖1。圖中不同小寫字母表示不同處理之間差異達0.05顯著水平。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Fig. 1. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

2.3 水稻植株葉片光合參數

早稻和晚稻各個主要生育時期, 各處理葉片凈光合速率(n)表現為先升后降的變化趨勢, 于齊穗期達到最大值; 表現為CT>RT>NT>RTO (圖6)。

早稻各個主要生育時期, CT處理葉片n均最高, 且顯著高于NT和RTO處理(<0.05); RT和NT處理葉片n顯著高于RTO處理(<0.05)。晚稻各主要生育時期, CT處理葉片n均最高, 且顯著高于NT和RTO處理(<0.05); RT和NT處理葉片n顯著高于RTO處理(<0.05)。

早稻和晚稻各個主要生育時期, 各處理葉片氣孔導度(s)表現為拋物線的變化趨勢, 均于分蘗期達到最大值; 均表現為CT>RT>NT>RTO (圖7)。早稻和晚稻各主要生育時期, CT處理葉片s均最高, 顯著高于其他處理(<0.05); RT和NT處理葉片s均顯著高于RTO處理(<0.05)。

早稻和晚稻各個主要生育時期, 各處理植株葉片蒸騰速率(r)均于齊穗期達到最大值; 均表現為CT>RT>NT>RTO, 且均以CT處理最高, 均顯著高于RTO處理(<0.05); RT和NT處理植株葉片r均高于RTO處理, 但無顯著差異(>0.05)(圖8)。

2.4 水稻葉面積指數

圖9中顯示, 各處理水稻植株葉面積指數(LAI)呈拋物線變化趨勢, 在齊穗期達最高值, CT、RT和NT處理分別比RTO處理增加1.48、1.29、0.98 (2016年)和1.51、1.27、1.09 (2017年); 在早稻苗期、分蘗期和孕穗期, 不同處理間水稻植株LAI均呈顯著差異(<0.05); 齊穗期和成熟期, CT和RT處理均最高, 顯著高于其他處理(<0.05); 早稻各個主要生育時期, 各處理植株水稻LAI大小順序表現CT>RT>NT> RTO, 即采取土壤翻耕和旋耕結合秸稈還田的綜合措施具有更大的早稻植株葉面積指數。

晚稻各個主要生育時期, 各處理間水稻植株LAI均呈顯著差異(<0.05); 苗期至成熟期, LAI均以CT和RT處理最高, 顯著高于NT和RTO處理(<0.05); 晚稻各個主要生育時期, 各處理間水稻植株LAI大小順序均表現為CT>RT>NT>RTO。

圖6 不同土壤耕作方式下水稻植株葉片凈光合速率的變化

處理同圖1。圖中不同小寫字母表示不同處理之間差異達0.05顯著水平。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Fig. 1. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

圖7 不同土壤耕作方式下水稻植株葉片氣孔導度的變化

處理同圖1。圖中不同小寫字母表示不同處理之間差異達0.05顯著水平。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Fig. 1. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

圖8 不同土壤耕作方式下水稻植株葉片蒸騰速率的變化

處理同圖1。圖中不同小寫字母表示不同處理之間差異達0.05顯著水平。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Fig. 1. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

圖9 不同土壤耕作方式下水稻植株葉面積指數的變化特征

處理同圖1。圖中不同小寫字母表示不同處理之間差異達0.05顯著水平。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Fig. 1. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

2.5 水稻干物質生產特征

早稻各個主要生育時期, 植株群體根系干重大小順序均表現為CT>RT>NT>RTO (表1); 于齊穗期達最大值, CT、RT和NT處理水稻植株群體根系干重分別比RTO處理平均增加325.60、138.98和89.55 kg hm–2; 植株群體地上部干重(莖、葉和穗總和)于成熟期達最高值, CT、RT和NT處理植株群體地上部干重分別比RTO處理平均增加1938.00、1308.15和507.45 kg hm–2。晚稻植株群體根系干重大小順序均表現為CT>RT>NT>RTO; 于齊穗期達最大值, 2個不同年份CT、RT和NT處理水稻植株分別比RTO處理平均增加337.44、145.59和89.93 kg hm–2; 植株群體地上部干重于成熟期達最高值, 2個不同年份CT、RT和NT處理植株群體地上部干重分別比RTO處理平均增加2377.76、1885.28和933.66 kg hm–2。

早稻各個主要生育時期, CT處理水稻植株的莖和葉群體干物重均為最高, RT和NT處理次之, RTO處理為最低。早稻各個主要生育時期, CT處理植株莖、葉群體干物重均顯著高于RTO處理(<0.05); 齊穗和成熟期, CT和RT處理植株穗群體干物重均顯著高于RTO處理(<0.05)。在晚稻各個主要生育時期, 水稻植株莖和葉群體干物重均以CT處理水稻最高, 均顯著高于NT和RTO處理(<0.05); 孕穗期、齊穗期和成熟期, RT和NT處理水稻植株莖群體干物重均顯著高于RTO處理(<0.05); 孕穗期、齊穗期和成熟期, RT處理水稻植株葉群體干物重均為最高值, 與RTO處理均達顯著差異水平(<0.05); 齊穗期和成熟期, CT和RT處理水稻植株的穗群體干物重均顯著高于NT和RTO處理(<0.05)(表2)。

2.6 水稻產量及產量構成因素

表3表明, 在2個年份中CT、RT、NT和RTO處理間早稻有效穗、每穗粒數和千粒重均無顯著差異(>0.05); CT處理結實率均顯著高于RTO處理(<0.05), 分別比RTO處理增加11.83%和11.81%, RT和NT結實率均高于RTO處理, 但均無顯著性差異(>0.05); CT、RT和NT處理早稻產量均高于RTO處理, 分別高733.3、534.1、300.5 kg hm–2和731.1、556.9、276.2 kg hm–2。

表3 不同土壤耕作方式對水稻產量及構成因素的影響

處理同表1。表中同列內小寫字母不同表示顯著差異(< 0.05)。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Table 1. Values followed by different small letters within a column are significantly different at< 0.05.

CT、RT和NT處理晚稻有效穗、每穗粒數和千粒重均高于RTO處理, 但無顯著差異(>0.05); CT處理結實率均顯著高于RTO處理(<0.05), 分別高3.59%和2.87%, RT和NT結實率均高于RTO處理, 但均無顯著差異(>0.05); CT、RT和NT處理晚稻產量均高于RTO處理, 分別高582.5、399.8、282.9 kg hm–2和717.6、558.9、345.1 kg hm–2; 其中以CT處理最高, 顯著高于RTO處理(<0.05)。2016年與2017年早稻和晚稻收獲指數的變化趨勢一致, 與RTO處理相比, CT、RT和NT處理均降低了早稻和晚稻的收獲指數, 但均無顯著差異(>0.05)。

3 討論

3.1 土壤耕作方式與水稻植株干物質積累及產量

不同的土壤耕作措施對土壤理化特性、養分供應、水稻植株干物質積累和產量等方面具有明顯的影響。姚秀娟[7]研究表明翻耕處理第1年的水稻產量低于旋耕處理, 第2、3年則無明顯差異。劉金花等[10]研究認為, 旋耕處理增加雙季稻生育前期植株分蘗數和單株干物質重量, 但降低了水稻生育后期葉面積指數和水稻產量。李華興等[12]研究發現免耕處理降低水稻產量, 但陳達剛等[13]認為免耕可提高水稻產量和產量構成因素。目前, 有關稻田不同土壤耕作措施對水稻植株干物質積累特性、產量構成因素和產量的影響效應結果各異。

本試驗不同土壤耕作方式對水稻產量具有明顯的影響, 以CT處理最高, RT處理次之, NT處理最低。其可能原因是CT處理在土壤耕作過程中適當加大翻耕深度有利于降低土壤容重與緊實度、改善土壤結構、顯著提高土壤的蓄水保肥能力、培肥耕層土壤[1], 翻耕顯著促進了10~20 cm土壤有機質、有效氮、磷、鉀等養分含量的積累, 同時也促進了耕層下層水稻根系的生長和生理活性[16], 從而增強了水稻植株對營養物質的吸收利用、植株葉片的保護性酶活性和光合特性, 為水稻植株的生長和物質積累提供了光合物質來源, 提高植株干物質積累能力, 有利于促進植株根系、地上部(莖、葉和穗總和)群體干物質積累量(表1和表2), 為水稻高產奠定了物質基礎。這與前人研究結果一致[14,16-17]。采取土壤旋耕的耕作措施(RT), 其土壤耕作的深度約8~10 cm, 連續旋耕明顯增加了耕作層下層土壤(10~20 cm)的容重和緊實度, 降低了下層土壤的通氣性(總孔隙度和通氣孔隙度)和土壤的持水保肥能力[16], 不利于耕層10~20 cm下層土壤有機質、全氮、有效氮、磷、鉀等養分含量的積累, 對水稻植株的生長、營養物質的吸收利用、植株葉片保護性酶活性和光合特性等均有一定的影響, 進而影響植株各部位的干物質積累和產量[16], 使水稻產量低于土壤翻耕處理。而NT處理水稻產量最低, 是由于土壤免耕措施, 其養分均富集于表層土壤, 連續免耕降低了5~20 cm耕層水稻根系的生長和生理活性, 減少了下層土壤的硬度、總孔隙度、非毛管孔隙度、土壤微生物活性和有效磷、鉀等養分含量的積累[12], 對水稻的生長、營養物質的吸收利用等方面均有一定的不利影響, 降低了植株的部分生理特性、光合產物來源, 影響植株干物質積累和產量構成因素。這與谷子寒等[14]和黃小洋等[18]的研究結果相一致。在本試驗中, 各處理水稻產量的大小順序與其植株群體干物重變化趨勢總體相一致, 研究結果表明秸稈還田結合土壤旋耕、翻耕措施增強植株的干物質積累量, 是水稻獲得較高產量的生物學機制之一。

本研究結果表明, 與秸稈不還田措施(RTO)相比, 秸稈還田(紫云英和稻草秸稈)結合土壤耕作措施(CT和RT)明顯增加了水稻產量, 其可能原因是紫云英和稻草秸稈翻壓還田的互作效應下, 改善土壤結構(降低土壤容重, 增加土壤總孔隙度、毛管孔隙度), 增加土壤有機質、全氮、全磷含量和有機質活性[19], 培肥土壤[20], 為水稻生長提供緩效養分, 所配合施用的化肥能為植株生長發育提供速效養分, 為水稻植株的生長發育及生理活動提供均衡營養來源, 有利于協調水稻植株個體與群體關系, 增加葉片光合面積(圖9)、形成高光效群體, 促進植株葉片保護性酶活性和提高光合性能, 為植株干物質積累提供光合產物來源, 有利于增加植株干物質積累和改善干物質在各個部位分配, 促進干物質向水稻“庫”的轉移, 為水稻高產奠定了物質基礎(表1和表2), 這與前人研究結果一致[11]。因此, 秸稈還田結合土壤旋耕、翻耕措施條件下水稻能獲得高產的原因是由于水稻植株具有較高的物質生產能力和群體干物質積累量。但在各個秸稈還田處理間(CT、RT和NT)水稻產量和收獲指數均無顯著差異, 其原因可能是本試驗條件下CT、RT和NT處理紫云英和稻草秸稈的還田量均一致, 通過不同的土壤耕作方式與秸稈還田的互作效應, 在短期試驗的基礎上對土壤不同層次養分含量、水稻產量等均無明顯的影響, 而在長期定位試驗的條件下對土壤不同層次養分含量、水稻產量等方面的影響還有待進一步開展研究。

3.2 土壤耕作方式與水稻植株生理特性

保護酶系統是植物體內高效的活性氧清除系統, 對防止膜脂過氧化、減輕外界環境變化所造成的膜傷害和延緩作物衰老均有重要作用[21]; 而丙二醛(MDA)含量是植物體內滲透調節物質, 其含量是衡量植株受滲透脅迫程度的一個重要指標[21-22]。光合作用是影響水稻產量形成的重要因素, 其產物占作物干物質的90%以上[14]。近年來, 前人就不同土壤耕作方式對作物光合特性影響開展了一些研究。蘭全美等[23]認為, 與翻耕處理相比, 免耕處理降低了水稻有效穗數、結實率、葉面積指數和光合勢。谷子寒等[14]研究表明, 翻耕處理有利于增加雙季稻植株生育后期葉面積、葉片葉綠素含量與凈光合速率, 增加水稻產量。湯軍等[6]研究認為, 翻耕降低了雙季機插水稻抽穗后劍葉的葉綠素含量, 但對早、晚稻劍葉的凈光合速率并無顯著影響。劉武仁等[24]研究表明, 翻耕20 cm能促進根系生長, 有效提高玉米凈光合速率。

在本試驗條件下, 不同土壤耕作措施對水稻植株葉片保護酶活性和光合特性均具有明顯的影響; 不同的土壤耕作處理間, 與免耕處理相比, 土壤旋耕和翻耕處理(RT和CT)均有利于提高植株葉片保護酶(SOD、POD和CAT)活性、降低葉片MDA含量, 增強植株葉片的光合特性(凈光合速率)和光合生產能力。其主要原因是土壤旋耕、翻耕將大量的外源秸稈物質翻壓還田, 降低了土壤容重、增加土壤孔隙度, 有利于改善土壤結構, 促進耕層下層水稻根系的生長和生理活性[16], 增強了水稻對土壤中營養物質的吸收利用; 同時, 增強了耕層土壤蓄水保肥能力和土壤有機質、有效氮、磷、鉀等養分含量, 培肥土壤[16], 為植株的生長和生理活動提供了營養, 從而提高了植株葉片的保護酶活性和光合特性[9], 為水稻高產奠定物質基礎(表1和表2)。免耕處理植株葉片保護酶活性和光合性能均低于土壤翻耕和旋耕處理, 其原因可能是土壤免耕影響了土壤結構、養分和植株根系在耕層中的分布, 其養分均富集于表層土壤、減少了下層土壤的總孔隙度、非毛管孔隙度、土壤微生物活性和有效磷、鉀等養分含量[12,19], 降低了耕層下層水稻根系的生長和生理活性、水稻對營養物質的吸收利用, 降低了植株葉片保護酶活性、光合特性和干物質積累量, 進而影響水稻的產量。

在本試驗條件下, 與秸稈不還田措施(RTO)相比, 采用秸稈還田(紫云英和稻草秸稈)措施(CT和RT)均不同程度地提高了雙季稻植株葉片保護酶(SOD、POD和CAT)活性、降低MDA含量, 增強植株葉片光合性能(凈光合速率), 其原因可能是秸稈還田與土壤耕作措施的互作效應有利于改善稻田土壤結構(降低土壤容重, 增加土壤總孔隙度、毛管孔隙度), 增加土壤有機質、全氮、全磷含量和有機質活性[19], 培肥土壤[25], 且所配合施用的化肥能及時滿足水稻生長發育對養分的需求, 為植株生理活動提供了充足能源, 增強了植株葉片保護酶系統活性, 加快自由基的清除、減輕膜脂過氧化, 降低了體內MDA含量; 同時, 秸稈還田配施化肥結合土壤耕作的條件促進土壤微生物活動和增強土壤供肥性能[25], 為水稻生長發育提供了充足的物質來源, 個體與群體關系發展協調, 增加植株葉面積指數(圖9), 有利于形成高光效、高質量群體, 從而提高葉片光合特性和光合生產能力, 促進植株光合產物和各部位干物質積累量(表1和表2), 有利于獲得較高的產量。這與朱利群等[11]和黃國勤等[20]研究結果相一致?？梢? 秸稈還田結合土壤旋耕、翻耕措施增強植株葉片保護酶(SOD、POD和CAT)活性和光合性能改善(葉面積增加和凈光合速率提高), 是水稻獲得較高產量的生理機制之一。

本文僅針對雙季稻–紫云英種植模式下不同土壤耕作方式對雙季稻植株葉片保護性酶活性、光合特性干物質積累及產量的影響開展了初步研究, 不同土壤耕作方式對早、晚稻養分吸收特性、肥料利用率的影響還需進一步探討。

4 結論

南方雙季稻區, 在雙季稻–紫云英三熟制種植模式條件下, 不同土壤耕作結合秸稈還田措施對雙季水稻植株葉片生理生化特性、干物質積累和產量均具有明顯的影響。早稻和晚稻各個主要生育時期, 土壤翻耕、旋耕結合秸稈還田處理(CT和RT)均有利于顯著提高植株葉片超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性, 降低葉片丙二醛含量; 增加植株葉面積指數和葉片葉綠素含量, 增強葉片凈光合速率和蒸騰速率, 改善植株葉片的光合生產能力。物質生產方面, 土壤翻耕和旋耕結合秸稈還田處理(CT和RT)水稻植株物質生產能力強, 干物質積累多, 而且在各器官間的分配合理。早稻和晚稻產量均表現為CT>RT>NT>RTO。本試驗條件下, 土壤翻耕、旋耕結合秸稈還田有利于增強水稻植株葉片抗氧化酶活性、光合特性和植株干物質積累量, 是水稻獲得高產的生理和生物學機制。

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Effects of different soil tillage systems on physiological characteristics and yield of double-cropping rice

TANG Hai-Ming*, XIAO Xiao-Ping, LI Chao, TANG Wen-Guang, GUO Li-Jun, WANG Ke, CHENG Kai-Kai, PAN Xiao-Chen, and SUN Gen

Hunan Soil and Fertilizer Institute, Changsha 410125, Hunan, China

In order to explore the effects of different soil tillage systems on physiological characteristics, dry matter accumulation and grain yield, a fixed location field experiment was conducted using early and late double-cropping rice and Chinese milk vetch (L.) system with four soil tillage treatments including conventional tillage with residue incorporation (CT), rotary tillage with residue incorporation (RT), no-tillage with residue retention (NT), and rotary tillage with residue removed as control (RTO) from 2016 to 2017. The activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), and catalase (CAT) in leaves of CT, RT treatments were increased as compared with those of RTO treatment at different main growth stages of early and late rice. Meanwhile, malondialdehyde (MDA) contents in leaves of CT and RT treatments were decreased. At different main growth stages of early and late rice, the activities of SOD, POD, and CAT in leaves of CT and RT treatments were significantly higher than those of RTO treatment (<0.05), while MDA contents of CT and RT treatments were significantly lower than those of RTO treatment (<0.05). Meanwhile, the net photosynthetic rate (n), transpiration rate (r), stomatal conductance (Gs) in leaves of CT treatment were significantly higher than those of RTO treatment (< 0.05), showing an order of CT > RT > NT > RTO. The results also indicated that the total dry matter accumulation of early and late rice were increased, and its reasonable distribution of rice plant in CT and RT treatments. In 2016 and 2017, the grain yield of early and late rice in CT treatment was significantly higher than that in RTO treatment (<0.05), with an increase of 731.1–733.3 kgha–1and 582.5–717.6 kgha–1, respectively. As a result, it is an effective way for improving protective enzyme activities and photosynthetic characteristics in leaves, dry matter accumulation of rice by conventional tillage and rotational tillage combined with residue incorporation practices, which results in higher grain yield of rice.

rice; soil tillage; physiological characteristics; protective enzyme; rice yield

2018-05-26;

2019-01-12;

2019-02-26.

10.3724/SP.J.1006.2019.82030

唐海明, E-mail: tanghaiming66@163.com

本研究由湖南省自然科學基金杰出青年基金項目(2017JJ1018), 國家公益性行業(農業)科研專項(201503123), 國家自然科學基金項目(31872851)和國家重點研發計劃項目(2018YFD0301004)資助。

This study was supported by the Hunan Provincial Natural Science Foundation of China (2017JJ1018), the Public Research Funds Projects of Agriculture, Ministry of Agriculture of the China (201503123), the National Natural Science Foundation of China (31872851), and the National Key Research and Development Project (2018YFD0301004).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190222.1357.004.html