土壤壓實對水稻根系發育及產量的影響

肖芬芳 潘霞 張智清 陳信信 姬長英

摘要：隨著水稻生產機械化水平的不斷提高，人們對于自走式水田田間管理機械的需求日益增加。研究機械壓實對水稻根系發育及產量的影響，給改進和設計新型水田田間管理機械的行走裝置提供理論依據，進行不同壓強下的水田土壤壓實試驗，得到相應的水稻成根數量、主根長度、主根直徑及單穴產量，利用SPSS軟件對其進行單因素方差分析，計算回歸方程并設計試驗驗證回歸方程的準確性。方差分析結果表明，壓實對水稻根系發育及產量有顯著影響，且由驗證試驗可知，在誤差小于5%范圍內，可用Y1=233.107-1.921X1、Y2=32.344-0.260X2、Y3=154.557+4.268X3、Y4=836.982-4.505X4分別對該試驗壓實載荷范圍內具體壓強下的成根數量、主根長度、主根直徑、單穴產量進行預測。試驗得出，機械壓實會對成根數量、主根長度、主根直徑產生顯著影響，隨著壓實程度的增加，成根數量減少，主根長度減小，主根直徑增大，單穴產量下降。

關鍵詞：水稻;土壤壓實;根系發育;產量

中圖分類號： S511.06 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）10-0098-04

收稿日期：2019-04-15

基金項目：南京農業大學大學生創新訓練計劃資助項目（編號：1830B06）。

作者簡介：肖芬芳（1998—），女，湖南衡陽人，研究方向為農業機械化。E-mail：fenfx@qq.com。

通信作者：姬長英，博士，教授，主要從事農業機械化研究。E-mail：chyji@njau.edu.cn。

作為我國主要糧食作物和重要口糧，在我國大陸，水稻遍布除青海省以外的所有省份[1]，尤以秦嶺淮河以南的中國南部以及東北平原最為集中[2]。其常年種植面積約為3 000萬hm2，占全國糧食種植面積的30%左右，稻谷產量約2億t，占全國糧食總產量的40%左右，平均產量大于6 t/hm2，是單產最高的糧食作物[3]。而在我國，水稻生產中的病害有61種，蟲害達78種，每年因病蟲害造成的損失高達400萬～500萬t，占總產量的2.0%～2.5%[4]。因此，開展水田田間管理作業，對水稻常見病蟲害進行針對性的防治，對促進我國水稻增產穩產，提高經濟效益具有十分重大的意義[4-5]。

隨著我國農業機械化水平的不斷提高，水田田間管理機械的應用日益廣泛，如水稻追肥施用機械[6]、水稻植保機械[7]等，其中植保機械大體可分為植保車式[8]、擔架式[9]、飛機式[10]和背負式[11]4種。夏海榮等通過試驗證明了植保車的綜合防治效果最好[12-13]。無論是應用植保車對水稻進行病蟲害防治還是應用自走式水稻追肥施用機械進行施肥，在完成工作任務的同時，均不可避免地會對土壤和作物生長帶來一些負面影響，而土壤壓實就是其中不可忽視的問題之一[14]。相比水稻生長前期，水稻生長的中后期是各種病蟲害的多發時期[15]，也是病蟲害防治的最關鍵時期，也正是在這個時期，水田田間管理機械壓實土壤的問題最為嚴重。

目前，國內外學者關于土壤壓實對作物根系發育的研究多集中在旱地作物[16-17]上，相關的成果也較多。例如，Dalvan等研究了土壤壓實對大豆和玉米生長發育的影響，發現土壤壓實帶來的土壤容重和應力增加、孔隙度降低將直接導致根系伸長所需克服的阻力增加，影響其正常伸長，而只能水平生長，從而在降低根長度的同時改變其分布[18-19]。李立成研究了土壤壓實對扦插植物根系生長的影響，指出因機械阻力增大和養分吸收受阻的雙重原因導致的植物根系粗壯、數量下降，都將導致根系獲取水肥的能力下降，最終導致植株產量降低[20]。但迄今為止，關于水田土壤壓實或水田田間管理機械的接地壓力對水稻生長發育影響的研究鮮有報道。

為了給自走式水田田間管理機械設計提供科學依據，以盡量減少這類機械對土壤和作物發育的不良影響，本試驗進行了水田機械壓實對水稻根系發育和水稻產量影響的初步研究。為了更好地控制試驗條件，也為了工作的方便，水稻移栽在木制容器中，以加載板模擬車輪對土壤壓實。獲得了不同壓實程度下水稻的根系數目、主根直徑和長度以及以單穴稻籽粒數計量的產量，并對結果進行了分析。由于本試驗中籽粒數也可準確地表達壓實對產量的影響，因而選用單穴稻籽粒數計量的產量。

1 材料和方法

1.1 儀器設備

水稻種植用木箱（2.5 m×0.6 m×0.6 m）4個;千分尺1個;直尺1個;取土器、鋁盒及環刀若干個。自制的土壤壓實裝置（圖1）1個。土壤壓實裝置上面的平板用于加載，下面的平板用于壓實土壤，其尺寸為100 mm×200 mm。

1.2 試驗方法

種植水稻用土壤為壤土，取自于南京農業大學浦口校區。在土壤裝入木箱前，用孔徑為5 mm的篩子進行過篩，以除去土壤中的硬塊和石子等大顆粒物質，避免其對試驗造成影響。將土壤與基肥（尿素 5.6 kg/箱）混合裝入木箱并平整，土層厚約為 40 cm。然后灌水并使水深一直保持在8～10 cm之間。所用水稻品種為南粳46，移栽時間為2018年7月2日，秧齡為20 d，行距為30 cm，穴距為 15 cm，插秧深度為 2～3 cm，每穴3株。每2周人工除草1次，8月初撒施追肥（硫酸銨0.056 kg/箱）、噴灑農藥（18%殺蟲雙水劑0.51 g/箱）。

2018年8月30日進行壓實處理。為了得到土壤機械阻力均勻的壓實土壤，壓實時采用準靜態（緩慢均勻）加載方式，加載后保持2 s，然后卸載（將加載板抬起）。加載區域為種植箱中部 100 mm×200 mm，兩端作為空白對照。對1～4號種植箱內土壤施加的壓實載荷分別為8.0、20.0、32.5、25.0 kPa。這樣安排的目的是在數據處理時將4號箱的結果作為驗證數據。圖2為移栽后35 d 1號箱水稻的生長情況。

在2018年10月8日水稻收獲時，隨機在1、2、3、4號箱的壓實區域中各取水稻5穴;未壓區域中各取水稻2穴，然后再從這8穴中隨機選取5穴作為空白對照（對應0 kPa處理）。對各穴樣品進行標號（X-1、X-2、X-3、X-4、X-5），數出各穴水稻籽粒數后，取根部運至實驗室，慢慢去土、測量。記錄各穴根的數量，利用直尺測出各穴主根長度，利用千分尺測出各穴主根直徑。取平均值時，按四舍六入尾留雙取整。

1.3 數據處理與分析

采用IBM SPSS Statistics 25對數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 壓實載荷對水稻成根數量的影響

不同壓實載荷下每穴水稻最終發育成根的數量具體如表1所示。

從表1可以看出，在不同壓力載荷作用下，水稻成根數目組間差異性明顯，即壓實會減少成根數。具體來說，相比受0 kPa壓實的水稻或空白對照，受8.0 kPa壓實的水稻，成根數量減少了7.69%;受 20.0 kPa 壓實的水稻，成根數量減少了15.81%;受32.5 kPa壓實的水稻，成根數量減少了27.35%。

為分析水稻成根數組間差異的顯著性，用SPSS軟件對其進行方差分析并求回歸方程，結果如表2所示。

由方差分析結果可知，壓實載荷對水稻的成根數量有顯著影響，其線性回歸方程為Y1=233.107-1.921X1（X1表示壓實載荷，Y1表示成根數）。從表2可以看出，模型的F值為198.366，遠大于F0.01（1，18），模型的擬合度為0.917，校正R2為0.912，表明在試驗條件范圍內，壓實載荷與水稻成根數量之間有顯著線性相關關系。

2.2 壓實載荷對水稻主根長度的影響

不同壓實載荷下每穴水稻最終發育成的主根長度具體如表3所示。

為分析水稻主根長度組間差異的顯著性，用SPSS軟件對其進行方差分析并求回歸方程，結果如表4所示。

從表3、表4可以看出，在不同壓實載荷作用下，主根長組間差異性明顯，即壓實可顯著減小主根長度。具體來說，相比受0 kPa壓實的水稻或空白對照，受8.0 kPa壓實的水稻，其主根長減少了 6.30%;受20.0 kPa壓實的水稻，主根長減少了 16.56%;受32.5 kPa壓實的水稻，主根長減少了25.90%。

由方差分析結果可知，壓實載荷對水稻主根長度有顯著影響，其線性回歸方程為Y2=32.344-0.260X2（X2表示壓實載荷，Y2表示主根長度）。另外可以看出，模型的F值為219.197，遠大于F0.01（1，18），模型的擬合度為0.924，校正R2為0.920，表明在試驗條件范圍內，壓實載荷與水稻主根長度之間有顯著的線性相關關系。

2.3 壓實載荷對水稻主根直徑的影響

不同壓實載荷下每穴水稻最終發育成的主根直徑如表5所示。

為分析水稻主根直徑組間差異的顯著性，用SPSS軟件對其進行方差分析并求回歸方程，結果如表6所示。

從表5、表6可以看出，不同壓力作用下，主根直徑組間差異明顯，即壓實可顯著增加主根直徑。具體來說，相比于受0 kPa壓實的水稻或空白對照，受8.0 kPa壓實的水稻，其主根直徑增大了 25.94%;受20.0 kPa壓實的水稻，主根直徑增大了53.13%;受32.5 kPa壓實的水稻，主根直徑增大了92.71%。

由方差分析結果可知，壓實載荷對水稻主根直徑有顯著影響，其線性回歸方程為Y3=154.557+4.268X3（X3表示壓實載荷，Y3表示主根直徑）。另外從表6可以看出，模型的F值為257.371，遠大于F0.01（1，18），模型的擬合度為0.935，校正R2為0931，表明在試驗條件范圍內，壓實載荷與水稻主根直徑之間有顯著線性相關關系。

2.4 壓實載荷對水稻單穴產量的影響

不同壓實載荷下每穴水稻產量的試驗結果如表7所示。

從表7可以看出，在不同壓力載荷作用下，水稻產量組間差異性明顯，即壓實可顯著降低水稻產量。具體來說，相比于0 kPa的壓實強度或空白對照，受 8.0 kPa 壓實的水稻，其單穴產量降低了 4.44%;受 20.0 kPa 壓實的水稻，單穴產量降低了10.37%;受32.5 kPa壓實的水稻，單穴產量降低了17.66%。

為分析水稻產量組間差異的顯著性，用SPSS軟件對其進行方差分析并求回歸方程，結果如表8所示。

由方差分析結果可知，壓實載荷對水稻產量有顯著影響，線性回歸方程為Y4=836.982-4.505X4（X4表示壓實載荷，Y4表示單穴產量）。另外從表8中可以看出，模型的F值為768.455，遠大于F0.01（1，18），模型的擬合度為0.977，校正R2為 0.976，表明在試驗條件范圍內，壓實載荷與水稻產量之間有顯著的線性相關關系。

3 回歸擬合程度驗證

根據以上試驗得到的壓實載荷與成根數、主根長度、主根直徑、單穴產量之間的回歸方程，可以得到，當壓實載荷為25 kPa時（即4號箱處理方式），成根數應為185根，主根長應為 25.844 cm，主根直徑應為261.257 μm，單穴產量應為724粒。

由表9可知，根數目、主根長度、主根直徑、單穴粒數的試驗結果和預測結果的相對誤差分別為 1.4%、3.3%、4.1%、1.97%，誤差小，驗證結果有力地說明了擬合方程的準確性。

4 結論

通過試驗研究了在水稻生長中后期水田土壤壓實對水稻成根數、主根長度、主根直徑及單穴產量的影響。結果表明，土壤壓實對水稻成根數、主根長度、主根直徑及單穴產量影響顯著。隨著壓實載荷或壓實程度的增加，水稻成根數減少，主根長度降低，主根直徑增加，水稻產量減少。在試驗范圍內，作用于土壤上的壓實載荷與水稻成根數、主根長度、主根直徑及單穴產量可用線性關系描述。

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