土壤壓實(shí)對水稻根系發(fā)育及產(chǎn)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(chǎn)機(jī)械化水平的不斷提高，人們對于自走式水田田間管理機(jī)械的需求日益增加。研究機(jī)械壓實(shí)對水稻根系發(fā)育及產(chǎn)量的影響，給改進(jìn)和設(shè)計(jì)新型水田田間管理機(jī)械的行走裝置提供理論依據(jù)，進(jìn)行不同壓強(qiáng)下的水田土壤壓實(shí)試驗(yàn)，得到相應(yīng)的水稻成根數(shù)量、主根長度、主根直徑及單穴產(chǎn)量，利用SPSS軟件對其進(jìn)行單因素方差分析，計(jì)算回歸方程并設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證回歸方程的準(zhǔn)確性。方差分析結(jié)果表明，壓實(shí)對水稻根系發(fā)育及產(chǎn)量有顯著影響，且由驗(yàn)證試驗(yàn)可知，在誤差小于5%范圍內(nèi)，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(yàn)壓實(shí)載荷范圍內(nèi)具體壓強(qiáng)下的成根數(shù)量、主根長度、主根直徑、單穴產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測。試驗(yàn)得出，機(jī)械壓實(shí)會(huì)對成根數(shù)量、主根長度、主根直徑產(chǎn)生顯著影響，隨著壓實(shí)程度的增加，成根數(shù)量減少，主根長度減小，主根直徑增大，單穴產(chǎn)量下降。

關(guān)鍵詞：水稻;土壤壓實(shí);根系發(fā)育;產(chǎn)量

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

收稿日期：2019-04-15

基金項(xiàng)目：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（編號(hào)：1830B06）。

作者簡介：肖芬芳（1998—），女，湖南衡陽人，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化。E-mail：fenfx@qq.com。

通信作者：姬長英，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)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(chǎn)量約2億t，占全國糧食總產(chǎn)量的40%左右，平均產(chǎn)量大于6 t/hm2，是單產(chǎn)最高的糧食作物[3]。而在我國，水稻生產(chǎn)中的病害有61種，蟲害達(dá)78種，每年因病蟲害造成的損失高達(dá)400萬～500萬t，占總產(chǎn)量的2.0%～2.5%[4]。因此，開展水田田間管理作業(yè)，對水稻常見病蟲害進(jìn)行針對性的防治，對促進(jìn)我國水稻增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益具有十分重大的意義[4-5]。

隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提高，水田田間管理機(jī)械的應(yīng)用日益廣泛，如水稻追肥施用機(jī)械[6]、水稻植保機(jī)械[7]等，其中植保機(jī)械大體可分為植保車式[8]、擔(dān)架式[9]、飛機(jī)式[10]和背負(fù)式[11]4種。夏海榮等通過試驗(yàn)證明了植保車的綜合防治效果最好[12-13]。無論是應(yīng)用植保車對水稻進(jìn)行病蟲害防治還是應(yīng)用自走式水稻追肥施用機(jī)械進(jìn)行施肥，在完成工作任務(wù)的同時(shí)，均不可避免地會(huì)對土壤和作物生長帶來一些負(fù)面影響，而土壤壓實(shí)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(fā)時(shí)期[15]，也是病蟲害防治的最關(guān)鍵時(shí)期，也正是在這個(gè)時(shí)期，水田田間管理機(jī)械壓實(shí)土壤的問題最為嚴(yán)重。

目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于土壤壓實(shí)對作物根系發(fā)育的研究多集中在旱地作物[16-17]上，相關(guān)的成果也較多。例如，Dalvan等研究了土壤壓實(shí)對大豆和玉米生長發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)土壤壓實(shí)帶來的土壤容重和應(yīng)力增加、孔隙度降低將直接導(dǎo)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(shí)改變其分布[18-19]。李立成研究了土壤壓實(shí)對扦插植物根系生長的影響，指出因機(jī)械阻力增大和養(yǎng)分吸收受阻的雙重原因?qū)е碌闹参锔荡謮选?shù)量下降，都將導(dǎo)致根系獲取水肥的能力下降，最終導(dǎo)致植株產(chǎn)量降低[20]。但迄今為止，關(guān)于水田土壤壓實(shí)或水田田間管理機(jī)械的接地壓力對水稻生長發(fā)育影響的研究鮮有報(bào)道。

為了給自走式水田田間管理機(jī)械設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，以盡量減少這類機(jī)械對土壤和作物發(fā)育的不良影響，本試驗(yàn)進(jìn)行了水田機(jī)械壓實(shí)對水稻根系發(fā)育和水稻產(chǎn)量影響的初步研究。為了更好地控制試驗(yàn)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(shí)。獲得了不同壓實(shí)程度下水稻的根系數(shù)目、主根直徑和長度以及以單穴稻籽粒數(shù)計(jì)量的產(chǎn)量，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。由于本試驗(yàn)中籽粒數(shù)也可準(zhǔn)確地表達(dá)壓實(shí)對產(chǎn)量的影響，因而選用單穴稻籽粒數(shù)計(jì)量的產(chǎn)量。

1 材料和方法

1.1 儀器設(shè)備

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

1.2 試驗(yàn)方法

種植水稻用土壤為壤土，取自于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)浦口校區(qū)。在土壤裝入木箱前，用孔徑為5 mm的篩子進(jìn)行過篩，以除去土壤中的硬塊和石子等大顆粒物質(zhì)，避免其對試驗(yàn)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(shí)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(nóng)藥（18%殺蟲雙水劑0.51 g/箱）。

2018年8月30日進(jìn)行壓實(shí)處理。為了得到土壤機(jī)械阻力均勻的壓實(shí)土壤，壓實(shí)時(shí)采用準(zhǔn)靜態(tài)（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(qū)域?yàn)榉N植箱中部 100 mm×200 mm，兩端作為空白對照。對1～4號(hào)種植箱內(nèi)土壤施加的壓實(shí)載荷分別為8.0、20.0、32.5、25.0 kPa。這樣安排的目的是在數(shù)據(jù)處理時(shí)將4號(hào)箱的結(jié)果作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)。圖2為移栽后35 d 1號(hào)箱水稻的生長情況。

在2018年10月8日水稻收獲時(shí)，隨機(jī)在1、2、3、4號(hào)箱的壓實(shí)區(qū)域中各取水稻5穴;未壓區(qū)域中各取水稻2穴，然后再從這8穴中隨機(jī)選取5穴作為空白對照（對應(yīng)0 kPa處理）。對各穴樣品進(jìn)行標(biāo)號(hào)（X-1、X-2、X-3、X-4、X-5），數(shù)出各穴水稻籽粒數(shù)后，取根部運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，慢慢去土、測量。記錄各穴根的數(shù)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(shí)，按四舍六入尾留雙取整。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用IBM SPSS Statistics 25對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓實(shí)載荷對水稻成根數(shù)量的影響

不同壓實(shí)載荷下每穴水稻最終發(fā)育成根的數(shù)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(shù)目組間差異性明顯，即壓實(shí)會(huì)減少成根數(shù)。具體來說，相比受0 kPa壓實(shí)的水稻或空白對照，受8.0 kPa壓實(shí)的水稻，成根數(shù)量減少了7.69%;受 20.0 kPa 壓實(shí)的水稻，成根數(shù)量減少了15.81%;受32.5 kPa壓實(shí)的水稻，成根數(shù)量減少了27.35%。

為分析水稻成根數(shù)組間差異的顯著性，用SPSS軟件對其進(jìn)行方差分析并求回歸方程，結(jié)果如表2所示。

由方差分析結(jié)果可知，壓實(shí)載荷對水稻的成根數(shù)量有顯著影響，其線性回歸方程為Y1=233.107-1.921X1（X1表示壓實(shí)載荷，Y1表示成根數(shù)）。從表2可以看出，模型的F值為198.366，遠(yuǎn)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(yàn)條件范圍內(nèi)，壓實(shí)載荷與水稻成根數(shù)量之間有顯著線性相關(guān)關(guān)系。

2.2 壓實(shí)載荷對水稻主根長度的影響

不同壓實(shí)載荷下每穴水稻最終發(fā)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(jìn)行方差分析并求回歸方程，結(jié)果如表4所示。

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

由方差分析結(jié)果可知，壓實(shí)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(shí)載荷，Y2表示主根長度）。另外可以看出，模型的F值為219.197，遠(yuǎn)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(yàn)條件范圍內(nèi)，壓實(shí)載荷與水稻主根長度之間有顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

2.3 壓實(shí)載荷對水稻主根直徑的影響

不同壓實(shí)載荷下每穴水稻最終發(fā)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(jìn)行方差分析并求回歸方程，結(jié)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(shí)可顯著增加主根直徑。具體來說，相比于受0 kPa壓實(shí)的水稻或空白對照，受8.0 kPa壓實(shí)的水稻，其主根直徑增大了 25.94%;受20.0 kPa壓實(shí)的水稻，主根直徑增大了53.13%;受32.5 kPa壓實(shí)的水稻，主根直徑增大了92.71%。

由方差分析結(jié)果可知，壓實(shí)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(shí)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(yuǎn)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(yàn)條件范圍內(nèi)，壓實(shí)載荷與水稻主根直徑之間有顯著線性相關(guān)關(guān)系。

2.4 壓實(shí)載荷對水稻單穴產(chǎn)量的影響

不同壓實(shí)載荷下每穴水稻產(chǎn)量的試驗(yàn)結(jié)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(chǎn)量組間差異性明顯，即壓實(shí)可顯著降低水稻產(chǎn)量。具體來說，相比于0 kPa的壓實(shí)強(qiáng)度或空白對照，受 8.0 kPa 壓實(shí)的水稻，其單穴產(chǎn)量降低了 4.44%;受 20.0 kPa 壓實(shí)的水稻，單穴產(chǎn)量降低了10.37%;受32.5 kPa壓實(shí)的水稻，單穴產(chǎn)量降低了17.66%。

為分析水稻產(chǎn)量組間差異的顯著性，用SPSS軟件對其進(jìn)行方差分析并求回歸方程，結(jié)果如表8所示。

由方差分析結(jié)果可知，壓實(shí)載荷對水稻產(chǎn)量有顯著影響，線性回歸方程為Y4=836.982-4.505X4（X4表示壓實(shí)載荷，Y4表示單穴產(chǎn)量）。另外從表8中可以看出，模型的F值為768.455，遠(yuǎn)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(yàn)條件范圍內(nèi)，壓實(shí)載荷與水稻產(chǎn)量之間有顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

3 回歸擬合程度驗(yàn)證

根據(jù)以上試驗(yàn)得到的壓實(shí)載荷與成根數(shù)、主根長度、主根直徑、單穴產(chǎn)量之間的回歸方程，可以得到，當(dāng)壓實(shí)載荷為25 kPa時(shí)（即4號(hào)箱處理方式），成根數(shù)應(yīng)為185根，主根長應(yīng)為 25.844 cm，主根直徑應(yīng)為261.257 μm，單穴產(chǎn)量應(yīng)為724粒。

由表9可知，根數(shù)目、主根長度、主根直徑、單穴粒數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測結(jié)果的相對誤差分別為 1.4%、3.3%、4.1%、1.97%，誤差小，驗(yàn)證結(jié)果有力地說明了擬合方程的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

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

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