寒地水稻壟作雙深耕作栽培模式技術(shù)效果的評價

李紅宇, 張鞏亮, 鄭桂萍, 陳立強, 呂艷東

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學 農(nóng)學院, 黑龍江 大慶 163319;2.黑龍江八一農(nóng)墾大學 黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點實驗室, 黑龍江 大慶 163319)

中國水稻種植面積約3.0×107hm2，產(chǎn)量占到糧食作物總產(chǎn)的40%左右，提供了60%以上人口的主食[1]。黑龍江省水稻全部為粳稻，占中國水稻總面積的15%左右，歷來以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)而著稱，對保障國家糧食安全其重要作用。中國不同地區(qū)傳統(tǒng)稻田土壤耕作方式雖有不同，但總體框架基本相同，都要經(jīng)過翻耕(或旋耕、耙耕)、施用基肥、泡田、水整地的過程[2]。這種耕作方式主要存在以下問題：(1) 基肥一般直接撒施在土壤表面，泡田后通過水整地過程混入耕層，實現(xiàn)全層施肥[3]，其缺點是肥料淋洗、土壤固定、氨揮發(fā)和移栽前排水造成的徑流損失比較嚴重，并且肥料溶水過多，水體富營養(yǎng)化，藻類大量繁殖，肥料利用率低[4-5]。(2) 為緩解農(nóng)時緊張，移栽前30～40 d即開始灌水泡田，在非生長時段長時間保持水層，造成水資源浪費[6-7]。(3) 黑龍江省水稻生產(chǎn)中普遍推廣的高速打漿機，雖然作業(yè)效率高，起漿效果好，但是長期應用會導致土壤板結(jié)、通透性變差，還原性增強，阻礙根系的生長和功能發(fā)揮。因此，既可以確保優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，又能夠提高肥料利用率、恢復土壤結(jié)構(gòu)、水資源高效利用的水稻耕作栽培技術(shù)成為現(xiàn)階段的迫切需求。

近年在黑龍江墾區(qū)大面積推廣的側(cè)深施肥技術(shù)，雖然解決了肥料高效利用的問題，但是仍然需要攪漿平地，并且用水量與常規(guī)生產(chǎn)持平[8-9]。水稻育苗移栽模式下的壟作栽培法主要有壟畦栽培[10]、壟廂栽培[11]、壟作梯式栽培[12]、粉壟耕作[13]等，在提高肥料利用率、節(jié)水、恢復土壤結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)量等方面各具不同優(yōu)勢，但存在基肥施用仍為全層施肥或兩行以上秧苗共用一條肥帶，肥料利用率提高空間有限，起壟施肥或壟上插秧機不配套等全部或部分問題，從而未大面積推廣。為此，團隊設計了旱整地、旱起壟、壟體分層條狀集中施肥、免除水整地、泡田后機械插秧、移栽后濕潤管理的“壟作雙深”耕作栽培新模式，并為之開發(fā)了專用起壟施肥機械。實踐應用結(jié)果表明，該技術(shù)模式表現(xiàn)出水資源利用率和肥料利用率高，改善土壤結(jié)構(gòu)、減少作業(yè)環(huán)節(jié)、縮短作業(yè)時間及增產(chǎn)增效的特點。本研究在新華農(nóng)場、綏濱農(nóng)場和濃江農(nóng)場開展試驗，從產(chǎn)量、物質(zhì)生產(chǎn)、土壤部分物理性質(zhì)和氮肥利用率方面評價該技術(shù)模式的應用效果，以期為寒地水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效栽培提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和地點

2017年于黑龍江省綏濱農(nóng)場、濃江農(nóng)場和新華農(nóng)場進行試驗。參試品種為龍粳31，參試肥料為尿素(N 46.4%)、過磷酸鈣(P2O543%)和硫酸鉀(K2O 50%)。4月12日播種，5月23日移栽。供試土壤的養(yǎng)分含量見表1。

表1 供試土壤養(yǎng)分含量

1.2 試驗設計

采用隨機區(qū)組試驗設計，兩水平，即壟作雙深栽培(簡稱壟作)和常規(guī)平作栽培(簡稱平作)，同時，兩種耕作方式分別設置無氮區(qū)，3次重復。水稻壟作雙深栽培模式的實施過程為：稻田翻耕或旋耕后旱整平，使用“水田旱起壟雙側(cè)雙深分類施肥機”實施起壟施肥作業(yè)。壟體規(guī)格為鎮(zhèn)壓后壟底寬60 cm，壟面寬40 cm，壟高10 cm左右。施肥和鎮(zhèn)壓作業(yè)與起壟作業(yè)同步進行。肥料在壟體內(nèi)分布為一深二淺共3條肥帶。深肥帶位于壟體中央，距壟面8 cm處，兩條淺肥帶位于壟體兩側(cè)，間距離18 cm，距壟面3 cm。當?shù)爻Ｒ?guī)施肥的基肥和分蘗全部作為基肥隨起壟作業(yè)施入，移栽后不再施用分蘗肥。移栽前10 d左右灌水泡田，水層沒過壟面5 cm以上，以便封閉除草。封閉除草藥劑施用5～7 d后開始插秧。采用機械插秧，插秧規(guī)格為行距30 cm，穴距12 cm。插秧后水分管理為除施用除草劑時水層淹沒壟面外，其他時間均保持壟溝有水，壟臺無水。其他管理措施同常規(guī)生產(chǎn)。常規(guī)平作插秧前的基本實施過程為：旋耕或翻耕(秋季或春季)、撒施基肥、泡田、水整地、機械插秧。各處理施肥及分配見表2。

表2 施肥種類及施用量 kg/hm2

1.3 測定項目及方法

1.3.1 干物質(zhì)積累量和葉面積指數(shù) 于分蘗期、齊穗期和灌漿期，每小區(qū)選長勢均勻處連續(xù)調(diào)查20穴莖數(shù)，按照平均莖數(shù)取樣3穴。帶回室內(nèi)，分蘗期分為根系、莖鞘和葉片，齊穗期和灌漿期分為根系、莖鞘、穗和葉片。采用長寬系數(shù)法測定葉面積，并計算葉面積指數(shù)。

分蘗期在長勢均勻的地段，按照平均莖數(shù)取植株4穴，每穴以植株基部為中心，使用自制根系取樣器，取12 cm(行向)×30 cm(垂直行向)×30 cm(深)的土塊，放入尼龍網(wǎng)袋，先用高壓水槍粗洗，再用電動噴霧器精細沖洗至干凈，沖洗過程中盡量保持根系完整。切下根系，采用根系形態(tài)掃描儀(Microtek ScanMaker i800)掃描根系形態(tài)特征，根系形態(tài)分析軟件(WinRHIZO_ProV2007d，Regent instrument Inc. Canada)分析總根長、總根面積、總根體積、平均根系直徑、根尖數(shù)。各部分分別包裝，在烘箱中105℃殺青，85℃烘干至恒重。

1.3.2 土壤物理性狀 6月1日—9月15日開始采用ARN-04型多點土壤溫度記錄儀逐日記錄距地表5，10，15，20，30 cm位置的溫度，計算旬平均溫度。水稻收獲后采用環(huán)刀法[14]測定土壤容重；篩分法[14]測定原狀土壤0—10 cm，10—20 cm土層各級團聚體組成。

1.3.3 氮肥利用率 水稻收獲前，每小區(qū)選取長勢均勻地段3點，按照20穴平均莖數(shù)取中等植株2株，風干后分為籽粒和莖稈兩部分分別粉碎，過0.18 mm孔徑篩，濃H2SO4-H2O2消煮，F(xiàn)OSS-8400凱氏定氮儀測定氮含量。

(1)

式中：CRN為氮肥貢獻率(%)；Y為施氮區(qū)作物產(chǎn)量(g)；Y0為無氮區(qū)作物產(chǎn)量(g)。

(2)

式中：SND為土壤氮素依存率(%)；Y為施氮區(qū)作物產(chǎn)量(g)；Y0為無氮區(qū)作物產(chǎn)量(g)。

(3)

式中：AEN為氮肥農(nóng)學利用率(g/g)；Y為施氮區(qū)作物產(chǎn)量(g)；Y0為無氮區(qū)作物產(chǎn)量(g)。

(4)

式中：PEN為氮肥生理利用率(g/g)；U為施氮區(qū)收獲時地上部的吸氮總量(g)；U0為無氮區(qū)收獲時地上部的吸氮總量(g)。

(5)

式中：PFPN為氮肥偏生產(chǎn)力(g/g)；Y為施氮區(qū)作物產(chǎn)量(g)；Y0為無氮區(qū)作物產(chǎn)量(g)；F為氮肥施用量(g)。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 成熟期每小區(qū)選長勢均勻地段3點，每點取代表性植株5株，風干后考察穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重，計算理論產(chǎn)量。同時，每點實收2 m2，單獨脫谷，測定稻谷水分，折算成14.5%標準水分含量的實測產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理和圖表制作采用Microsoft Excel 2003，方差分析采用DPS 9.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的比較

表3結(jié)果表明，新華農(nóng)場壟作處理穗數(shù)顯著高于平作，增幅為3.95%，其他試驗點穗數(shù)差異不顯著。綏濱農(nóng)場和濃江農(nóng)場壟作穗粒數(shù)顯著或極顯著高于平作，增幅分別為21.22%，13.49%，新華農(nóng)場壟作和平作差異不顯著。相較于平作，壟作栽培結(jié)實率呈降低趨勢，其中濃江農(nóng)場壟作結(jié)實率較平作降低7.85%，處理間差異達到顯著水平。千粒重處理間差異不顯著。壟作栽培產(chǎn)量較平作顯著或極顯著增產(chǎn)，產(chǎn)量增加7.92%～9.86%。

表3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的比較

注：不同大小寫字母分別代表5%和1%水平差異顯著性，下表同。

2.2 干物質(zhì)量的比較

各地點壟作分蘗期干物質(zhì)積累量均極顯著低于平作；齊穗期干物質(zhì)量均高于平作，但差異不顯著；灌漿期干物質(zhì)積累量均極顯著高于平作(圖1)。葉面積指數(shù)與干物質(zhì)積累表現(xiàn)出相同的變化趨勢，各地點壟作分蘗期葉面積指數(shù)均極顯著低于平作，齊穗期和灌漿期各處理葉面積指數(shù)均極顯著高于平作(圖2)。

2.3 根部性狀的比較

由表4可知，與分蘗期干物質(zhì)積累量相反，壟作栽培顯著促進了水稻根系生長。濃江農(nóng)場和新華農(nóng)場壟作的根總長度、根表面積、根體積、根直徑和根尖數(shù)較平作平均增加110.45%，63.84%，85.45%，66.29%，99.05%，除根體積外，其他指標處理間差異均達到極顯著水平。

分蘗期根干重處理間差異不顯著，而齊穗期和灌漿期壟作根干重極顯著高于平作，新華農(nóng)場齊穗期和灌漿期壟作根干重分別增加77.88%，128.13%，濃江農(nóng)場分別增加33.98%，70.54%(圖3)。壟作分蘗期和齊穗期根冠比顯著或極顯著高于平作，新華農(nóng)場分別較平作增加24.45%，43.77%，濃江農(nóng)場分別較平作增加29.08%，78.81%。新華農(nóng)場和濃江農(nóng)場灌漿期根冠比分別高于平作13.02%，45.41%，其中濃江農(nóng)場處理間差異顯著，新華農(nóng)場處理間差異不顯著(圖4)。

注：不同大小寫字母分別代表5%和1%水平差異顯著性，下圖同。

圖1 不同時期干物質(zhì)量的比較

圖2 不同時期葉面積指數(shù)的比較

表4 分蘗期根部形態(tài)特征的比較

2.4 土壤容重、團聚體及溫度的比較

壟作栽培由于是免除了水整地的過程，旱整地、旱起壟有效地保護了土壤的物理結(jié)構(gòu)，土壤容重下降，團聚體增加。由表5可知，壟作栽培0—5 cm和5—10 cm土層容重顯著或極顯著下降，新華農(nóng)場分別下降9.35%，9.37%，濃江農(nóng)場分別下降11.45%，11.15%，10—15 cm土層土壤容重處理間差異不顯著。由表6可知，壟作處理土壤團聚體明顯增加。新華農(nóng)場和濃江農(nóng)場壟作0—10 cm土層團聚體分別增加14.07%，41.63%，其中濃江農(nóng)場處理間差異達到顯著水平；10—20 cm土層團聚體分別增加19.47%，8.89%，處理間差異顯著。

表5 土壤容重的比較 g/cm3

為明確壟作處理的增溫效果，測定了距地表5，10，15，20,30 cm位置的溫度(表7)。計算旬平均溫度，同一旬內(nèi)壟作和平作平均溫度構(gòu)成一個配對，進行平均數(shù)成對數(shù)據(jù)t測驗。新華農(nóng)場5，10，15，20 cm旬平均溫度顯著或極顯著高于平作，6月上旬—9月上旬分別高于平作3.68，0.89，0.83，2.35℃，30 cm位置差異不顯著。濃江農(nóng)場土層5，10，15 cm位置旬平均溫度極顯著高于平作，6月上旬—9月上旬分別高于平作0.83，0.27，1.40℃，20 cm和30 cm位置差異不顯著。

表6 土壤團聚體的比較 %

圖3 根干重的比較

圖4 根冠比的比較

2.5 氮肥利用率的比較

由表8可知，壟作處理氮肥貢獻率、土壤氮素依存率、氮肥農(nóng)學利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生產(chǎn)力均較平作有所提高。新華農(nóng)場壟作土壤氮素依存率和氮肥農(nóng)學利用率顯著高于平作，分別提高17.26%，12.61%，氮肥貢獻率、氮肥生理利用率和氮肥偏生產(chǎn)力處理間差異不顯著。濃江農(nóng)場壟作氮肥貢獻率、土壤氮素依存率、氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于平作，分別提高19.86%，13.62%，32.66%，10.68%，氮肥生理利用率處理間差異不顯著。

3 討 論

寒地水稻的生長季在每年4—9月期間，其特點是前期升溫慢、中期高溫時間短、后期降溫快，生育日數(shù)短、活動積溫少、無霜期短是其重要特征[15]。因此，寒地水稻生產(chǎn)中為延長生育期、保障水稻安全成熟，普遍采用塑料大棚保溫育苗。秧苗在大棚中生長至3葉1心至4葉1心，氣溫穩(wěn)定通過13℃，地溫穩(wěn)定通過14℃即開始移栽，5月10日—25日是黑龍江省公認的高產(chǎn)移栽期[16-17]，而實際生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)規(guī)模、人工和機械力量等現(xiàn)實因素的限制，5月5日左右農(nóng)戶即開始插秧。此時，一方面毯式育苗移栽時植傷嚴重，秧苗抗冷能力顯著下降；另一方面氣溫尚不穩(wěn)定，時常出現(xiàn)5℃以下，甚至0℃以下低溫，造成弱苗、僵苗、死苗。因此，水稻移栽后灌5～6 cm深護苗水，是防止水稻苗期冷害的重要農(nóng)藝措施[18-19]。本試驗壟作雙深分蘗期的干物質(zhì)積累量和葉面積指數(shù)分別低于常規(guī)平作30.85%，30.3%。這是由于移栽后壟作雙深處理水層未沒過壟臺，秧苗地上部分受到冷害造成的。因此，該技術(shù)實施過程中應特別注意深水護苗的環(huán)節(jié)，即水稻移栽后灌深水，以沒過壟臺5～6 cm，不沒心葉為宜。秧苗返青后，撤去水層，除非除草需要，至成熟期一直保持壟溝有水，壟臺無水。另外，盡管壟作雙深栽培分蘗期地上部分干物質(zhì)量低于平作，但是壟作雙深分蘗期根干重、根冠比、根總長度、根表面積、根直徑和根尖數(shù)等明顯優(yōu)于平作，為其后期快速恢復生長奠定了基礎(chǔ)，這也是齊穗期和灌漿期壟作雙深干物質(zhì)積累量和葉面積指數(shù)，乃至最終產(chǎn)量高于平作的重要原因之一。

表7 土壤溫度的比較 ℃

注：*和**代表t測驗的5%和1%顯著水平，±Δ為壟作與平作土壤溫度平均數(shù)的差值，t為成對數(shù)據(jù)假設測驗的t值。

表8 氮肥利用效率的比較

寒地水稻育苗移栽生產(chǎn)模式的技術(shù)框架中的攪漿平地易破壞土壤結(jié)構(gòu)[20-21]，全層施肥肥料造成利用率低[22-23]，插秧前長時間保持水層導致水資源浪費。本研究設計的壟作雙深栽培模式將高速打漿機攪漿平地改為旱整地、旱起壟，省去水整地環(huán)節(jié)，避免土壤結(jié)構(gòu)破壞，提高土壤溫度；將基肥全層施肥改為壟上側(cè)深施肥，壟體兩條淺肥帶、一條深肥帶，局部氮肥濃度高，土壤固定和揮發(fā)損失少，提高肥料利用；將基肥和分蘗肥分次施用改為基蘗肥一次性基施，省去施用分蘗肥的作業(yè)環(huán)節(jié)，減少分蘗肥表施的揮發(fā)損失；水稻移栽前7～8 d灌水泡田，減少移栽前水層保持時間20 d以上，節(jié)省灌溉水，并減少肥料的淋洗損失；將均行機械移栽改為壟上寬窄行機械移栽，實現(xiàn)高光效利用。本研究在新華農(nóng)場、濃江農(nóng)場和綏濱農(nóng)場3個試驗點對壟作雙深栽培與常規(guī)栽培進行了比較，結(jié)果表明在壟作雙深栽培模式的技術(shù)效果明顯優(yōu)于常規(guī)栽培模式。土壤物理性質(zhì)方面表現(xiàn)為0—15 cm土壤容重呈下降趨勢，土壤團聚體和土壤溫度呈增加趨勢，為水稻健康生長創(chuàng)造了良好環(huán)境；農(nóng)藝性狀方面表現(xiàn)為齊穗期和灌漿期的干物質(zhì)量、葉面積指數(shù)，分蘗期根部形態(tài)特征，各時期根干重、根冠比顯著增加；肥料利用率方面表現(xiàn)為氮肥吸收利用率、生理利用率、農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力不同程度的提高；產(chǎn)量方面表現(xiàn)為增產(chǎn)7.92%～9.86%，穗數(shù)或穗粒數(shù)增加是增產(chǎn)的主要原因。關(guān)于增產(chǎn)的深層次機理及品質(zhì)效應還有待于進一步研究。

4 結(jié) 論

壟作雙深栽培模式土壤容重降低，土壤溫度和團聚體增加。對水稻生長發(fā)育的土壤環(huán)境的改善，使得水稻的分蘗期根系形態(tài)特征和各時期根干重均有明顯優(yōu)勢。根系優(yōu)勢與側(cè)深施肥效果相配合，促進了養(yǎng)分利用水平的提高，進而促進了干物質(zhì)量和葉面積指數(shù)的增加。在此基礎(chǔ)上，壟作雙深栽培模式可增產(chǎn)7.92%～9.86%，穗數(shù)或穗粒數(shù)增加是增產(chǎn)的主要原因。