衛(wèi)云飛 李猛 季新 劉娟 王付娟 劉秋員

（信陽市水稻遺傳改良與生理生態(tài)重點實驗室/信陽市優(yōu)質(zhì)稻米工程技術(shù)研究中心/信陽農(nóng)林學(xué)院農(nóng)學(xué)院，464000，河南信陽）

水稻是我國主要的糧食作物之一，稻谷產(chǎn)量占我國糧食總產(chǎn)量的30%以上[1]。持續(xù)的人口和消費增長表明，到2030 年我國將需要增加約20%的大米產(chǎn)量才能滿足國內(nèi)需求[2]。我國水稻種植主要為移栽和直播2 種方式。相較于移栽方式，直播方式因其可減少農(nóng)業(yè)用水量[3]、降低勞動力需求[4]和稻田碳排放低[5]等優(yōu)點而呈現(xiàn)面積逐步擴大之勢。其中，相較于水直播（需要灌水旋耕、整平、放水沉實和耙除堆積秸稈等過程），旱直播因其旱旋整地后直接播種上水的輕簡化特點更受農(nóng)民喜愛，其種植面積逐漸增加[6-7]。但在農(nóng)耗時間短、秸稈還田量大以及耕播天氣不佳等基本情況下[8-9]，免耕撒播、單軸旱旋條播等傳統(tǒng)的旱直播耕播方式均趨于半粗放化或粗放化，旱直播稻生長早期多處于逆境中，不僅不利于旱直播稻的早期生長，且往往導(dǎo)致旱直播稻產(chǎn)量不高且不穩(wěn)[10]。因此，改善并提高旱直播稻的耕播質(zhì)量，特別是耕整地質(zhì)量對旱直播的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)生產(chǎn)具有重要意義。

為改善并提高旱直播稻的耕播質(zhì)量，前人在播期、播量和耕整地方式等方面進行了大量研究。王文霞等[11]和姚義等[12]研究表明，適度早播能夠提高旱直播水稻的產(chǎn)量。吳培等[13]研究表明，旱直播稻在直播密度為180 萬株/hm2的條件下能夠獲得較好的產(chǎn)量。孫永健等[14]研究認為，通過調(diào)墑和2 次旋耕能夠較好地改善耕整地質(zhì)量和旱直播水稻產(chǎn)量。近年來，隨著直播機械的研制，以雙軸旋耕為代表的新型耕整地機械不斷發(fā)展[15]，前人對雙軸旋耕整地的特征特性進行了研究。李紹平等[16]研究認為，雙軸旋耕旱整地可通過提高旱直播稻穗粒數(shù)和群體穎花量來提高水稻庫容，并促進了旱直播灌漿期的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力，從而實現(xiàn)了較高的產(chǎn)量。趙凌天等[17]比較了不同耕播方式對小麥產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的影響，其結(jié)果表明雙軸分層旋耕條播模式作業(yè)效率較高，出苗率良好，小麥平均產(chǎn)量可達9.7t/hm2。但目前關(guān)于雙軸旋耕在水稻上的效果多基于水稻地上部生長方面，而在稻麥輪作系統(tǒng)秸稈全量還田條件下，基于土壤-根系-地上部生長的情況來比較不同耕播方式間的特征特性的研究較少。因此，本試驗系統(tǒng)比較了免耕撒播、單軸旱地旋耕條播和雙軸旱地旋耕條播3 種不同耕播方式下旱直播稻地上和地下特征特性差異，為旱直播實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)栽培選擇合適的耕播方式提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與供試材料

試驗于2020 和2021 年在河南省信陽市平橋區(qū)甘岸鎮(zhèn)二郎村進行。試驗田前茬為小麥（產(chǎn)量約6.8t/hm2），土壤類型為黏壤土，0～20cm 土壤含總氮0.45g/kg、有效磷23.23mg/kg、有效鉀74.32mg/kg。

供試水稻為遲熟中粳品種南粳9108。供試旋耕機具為旱地雙軸旋耕機（1GM-210）和旱地單軸旋耕機（1GQN-200ZG）。速效尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512.5%）和氯化鉀（K2O 60%）均在當?shù)鼗输N售點購買。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在同一田塊內(nèi)進行，在小麥秸稈全量還田條件下設(shè)計3 種耕播方式處理，分別為雙軸旱地旋耕條播處理（T1）、單軸旱地旋耕條播處理（T2）和免耕撒播處理（T3）。各處理水稻播種量一致，均為105kg/hm2，2 年播種日期均為6 月15 日。其中，T1 和T2 處理分別選用1GM-210 型單軸旋耕機械和1GQN-200ZG 型雙軸旋耕機械進行旋耕整地后，采用人工播種的形式進行旱條播，行距均為30cm；T3 處理在小麥收獲且秸稈還田后采用人工撒播的方式進行播種。各處理設(shè)3 個田間重復(fù)，各重復(fù)面積300m2（10m×30m），共計9 個小區(qū)。重復(fù)間起埂，并用黑色塑料薄膜覆蓋埂體，保證各小區(qū)獨立排灌。

所有處理的肥料均統(tǒng)一施用，氮肥（N 270kg/hm2）按基肥（30%）、分蘗肥（30%）、促花肥（20%）和?；ǚ剩?0%）分次施用，基肥于旋耕整地前1d 施用，分蘗肥、促花肥和?；ǚ史謩e于播種后20、60 和75d 施用；磷（P2O5130kg/hm2）、鉀肥（K2O 270kg/hm2）均于播種前1d 一次性基施。水分和病蟲草害等田間管理按照當?shù)睾抵辈ジ弋a(chǎn)栽培要求實施。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤容重和孔隙度 在水稻分蘗中期（midtillering，MT）、拔節(jié)期（jointing stage，JT）、抽穗期（heading stage，HT）和成熟期（maturity，MA），采用環(huán)刀法[18]測定0～20cm 土層土壤容重，并取5 個土樣在烘箱中烘干至恒重，測定干基容重。土壤孔隙度（%）=93.947-32.995×D，式中，D為土壤容重（g/cm3）。

1.3.2 根系氧化力 在分蘗中期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期測定水稻根系氧化力（root oxidation activity，ROA）。用土壤取樣器挖出3 塊土壤（20cm×20cm×20cm），再使用液壓噴霧器小心地從根部去除土壤和碎屑后，按照Wang 等[19]描述的方法，通過測定1-萘胺的氧化程度測定根系氧化力。

1.3.3 莖蘗動態(tài)、葉面積和干物重 各小區(qū)選定3個觀察點，T1 和T2 處理選取連續(xù)1m 的雙行作為一個觀察點，T3 處理選取1m×1m 的面積作為一個觀察點。在分蘗中期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期調(diào)查莖蘗數(shù)，并按照各處理下每米長度的平均莖蘗數(shù)（T1 和T2 處理）和每平方米的平均莖蘗數(shù)（T3處理），分別取10cm 長度和30cm×30cm 的代表性植株，按照比葉重法[20]測定葉面積，并將各植株全株在75℃下烘干至恒重后測定整株干物重。根據(jù)吳培等[13]的方法計算光合勢和群體生長率。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 收獲前，各小區(qū)選取3個調(diào)查點調(diào)查有效穗數(shù)，T1 和T2 處理每點調(diào)查連續(xù)5 行，每行2m，T3 處理每點調(diào)查1m2（1m×1m）；各小區(qū)取5 個樣點，每個樣點20 株，調(diào)查穗粒數(shù)和結(jié)實率。以1000 粒樣本（干種子）稱質(zhì)量，重復(fù)3 次（誤差≤0.05g），計算千粒重。成熟期各小區(qū)收獲10m2，曬干后折算產(chǎn)量（含水率14.5%）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2013 進行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制，運用SPSS 18.0 進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕播方式對土壤容重與孔隙度的影響

如表1 所示，隨著水稻生育期的推進，稻田土壤容重逐漸增加，土壤孔隙度逐漸降低。相較于水稻拔節(jié)期、抽穗期和成熟期，分蘗中期的土壤容重最低，孔隙度最高。不同耕播方式對水稻不同生育時期的土壤容重和孔隙度影響極顯著。在水稻各主要生育時期，土壤容重均以T1 處理最低，T3 處理最高，而土壤孔隙度則以T1 處理最高，T3 處理最低，2 年規(guī)律一致。

表1 不同耕播方式對稻田土壤容重和孔隙度的影響Table 1 Effects of different tillage and sowing methods on bulk density and porosity of paddy soil

2.2 不同耕播方式對根系氧化力的影響

水稻各關(guān)鍵生育時期的根系氧化力如圖1 所示，隨著水稻生育時期的推進，水稻根系氧化力呈先增后降的趨勢，以拔節(jié)期的根系氧化力最高。在不同耕播方式下，水稻各生育時期的根系氧化力均以T1 處理最高，且在分蘗中期和拔節(jié)期均顯著高于T2 和T3 處理。相較于T3 處理，T2 處理在分蘗中期、拔節(jié)期和抽穗期的根系氧化力顯著增加，但這一顯著性差異并未體現(xiàn)于成熟期的根系氧化力中。

圖1 不同耕播方式對水稻根系氧化力的影響Fig.1 Effects of different tillage and sowing methods on root oxidation activity of rice

2.3 不同耕播方式對莖蘗動態(tài)的影響

與水稻的根系氧化力相似，拔節(jié)期的水稻莖蘗數(shù)最高，在水稻各生育時期均以T1 處理的莖蘗數(shù)最高（圖2）。相較于其他處理，在拔節(jié)期，T1 的莖蘗數(shù)顯著增加5.3%～20.1%；在成熟期，T1 的莖蘗數(shù)顯著增加12.2%～17.5%。T2 和T3 處理相比，盡管T2 處理在分蘗中期和拔節(jié)期的莖蘗數(shù)顯著高于T3 處理，但抽穗期和成熟期的莖蘗數(shù)在2 個處理間無顯著差異。

圖2 不同耕播方式對水稻莖蘗數(shù)的影響Fig.2 Effects of different tillage and sowing methods on the number of tillers in rice

2.4 不同耕播方式對葉面積與光合勢的影響

不同耕播方式對水稻葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）和光合勢影響極顯著（表2）。在水稻生長的各主要時期，均以T1 處理的LAI 和光合勢最高，T3 處理的LAI 和光合勢最低，且T1 和T3 處理間差異顯著。相較于T3 處理，T1 處理在成熟期的LAI 顯著提高19.4%～28.6%，抽穗期-成熟期的光合勢顯著提高15.2%～16.7%。在水稻生長的各主要時期和各主要階段，盡管T2 處理的LAI和光合勢顯著低于T1 處理，但相較于T3 處理，T2 處理的LAI 和光合勢呈增加趨勢，且差異顯著。

表2 不同耕播方式對水稻葉面積指數(shù)和光合勢的影響Table 2 Effects of different tillage and sowing methods on leaf area index and photosynthetic potential of rice

2.5 不同耕播方式對干物質(zhì)與群體生長率的影響

不同耕播方式對水稻地上部干重和群體生長率影響顯著（表3）。在相同的水稻生育時期，各處理的地上部干重均表現(xiàn)為T1＞T2＞T3，且T1和T3 處理間差異顯著。相較于T3 處理，T1 處理在水稻成熟期的地上部干重顯著提高16.5%～18.8%。各處理的群體生長率在水稻播種-分蘗中期、分蘗中期-拔節(jié)期和抽穗期-成熟期均表現(xiàn)為T1＞T2＞T3，且T1 和T3 處理間差異顯著。

表3 不同耕播方式對水稻地上干重和群體生長率的影響Table 3 Effects of different tillage and sowing methods on shoot dry weight and crop growth rate of rice

2.6 不同耕播方式對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

不同耕播方式對水稻產(chǎn)量影響顯著（表4）。在T1、T2 和T3 處理間，水稻產(chǎn)量呈現(xiàn)T1＞T2＞T3 的趨勢，且各處理間差異顯著。相較于T3 處理，T1 和T2 處理的產(chǎn)量分別顯著提高24.6%～31.5%和10.1%～15.4%。在有效穗數(shù)、群體穎花量和穗粒數(shù)方面，均以T1 處理最高，T3 處理最低。相較于T3 處理，T1 處理的有效穗數(shù)和群體穎花量分別提高12.2%～17.5%和26.0%～32.5%，而穗粒數(shù)則提高12.3%～12.8%。不同耕播方式對水稻結(jié)實率和千粒重?zé)o顯著影響。

表4 不同耕播方式對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 4 Effects of different tillage and sowing methods on rice yield and its components

3 討論

3.1 不同耕播方式對水稻生長的影響

不同耕作方式通過影響秸稈還田的效果從而影響了水稻生長[21]。本試驗中，在水稻莖蘗數(shù)方面，3 種耕播方式在不同生育時期均呈現(xiàn)T1＞T2＞T3 的趨勢。T3 處理下免耕處理增加了地表的秸稈覆蓋，撒播條件下部分種子落于麥秸稈或地面突起處，且T3 處理下土壤容重較高，造成灌水后種子難以發(fā)芽或扎根[22]，從而影響了旱直播稻幼苗的出苗率及其生長早期的莖蘗數(shù)。此外，由于水稻生長早期根系多分布于地表淺層[23]，而T3 處理下田表較多的秸稈覆蓋不僅加劇了秸稈腐解與植株養(yǎng)分競爭[24]，且秸稈腐解增強了稻田土壤的厭氧環(huán)境[25]，降低了土壤氧化還原電位[26]，從而抑制了水稻的根系活力和地上部的生長。因此，免耕撒播方式雖極大地簡化了耕播環(huán)節(jié)的農(nóng)藝措施，并降低了勞動力的需求和耕播成本，但其顯著地限制了水稻的生長，不利于旱直播稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

相較于單軸旱地旋耕條播方式（T2），雙軸旱地旋耕條播方式（T1）下水稻的總體生長均較好，如根系氧化力、葉片光合勢和群體生長率等。這可能是由于，相較于T2 方式，T1 方式下雙軸旋耕有利于秸稈深埋，這不僅減少了地表的秸稈覆蓋，能夠使種子與土壤形成良好的接觸，促進種子萌發(fā)，而且秸稈的深埋還有利于通過減少秸稈與空氣的接觸，從而抑制其腐解時與水稻生長前期爭氮，為水稻前期的生長提供充足的養(yǎng)分。此外，良好的土壤容重與孔隙度有利于水稻生長中后期根系的下扎，有助于根系保持較高的活力[27]。前人研究表明，采用雙軸旋耕和秸稈還田有利于提高土壤中大團聚體的數(shù)量[28]，降低土壤的容重，增加土壤的孔隙度，改善土壤氧化還原性狀[29]，抑制還原性物質(zhì)的產(chǎn)生及其對水稻根系的毒害作用[30]。本試驗研究結(jié)果也有一致的發(fā)現(xiàn)，T1 方式下的土壤容重最低，土壤孔隙度最高，說明采用雙軸旱旋耕條播方式為水稻根系的生長創(chuàng)造了良好的生長條件。而良好的根系不僅有助于葉面積的提高和干物質(zhì)的積累[31]，且有利于促進抽穗后莖稈中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物向籽粒的轉(zhuǎn)運以及提高葉片的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力[32]，從而實現(xiàn)高產(chǎn)。

3.2 不同耕播方式對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

一些研究[26,33]結(jié)果表明，秸稈還田實現(xiàn)水稻增產(chǎn)的主要原因在于秸稈還田對水稻生育后期生長的促進作用大于其對水稻生育前期秧苗的毒害作用。在本試驗中，秸稈全量還田下雙軸旱地旋耕條播方式（T1）、單軸旱旋耕條播（T2）和免耕撒播方式（T3）下2 年平均產(chǎn)量分別為10.8、9.55 和8.45t/hm2。這一結(jié)果說明在秸稈全量還田條件下，耕播方式對旱直播稻產(chǎn)量具有顯著影響。選擇適宜的耕播方式有助于實現(xiàn)秸稈全量還田條件下旱直播稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，而僅僅通過秸稈腐解對水稻生長后期的正向作用并不能實現(xiàn)旱直播稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。在產(chǎn)量構(gòu)成因素方面，相較于T2 和T3 處理，T1處理在通過較高有效穗數(shù)和穗粒數(shù)實現(xiàn)較高群體穎花數(shù)的基礎(chǔ)上，獲得了較高的結(jié)實率和千粒重。這一結(jié)果說明雙軸旱地旋耕條播方式不僅通過改善水稻生長前期的逆境促進了分蘗和有效穗數(shù)的顯著增加，且在水稻生育后期保持了較高的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力。因此，通過適宜的方式緩解水稻生長前期的逆境，促進水稻前期生長才能更好實現(xiàn)秸稈還田條件下旱直播稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。水稻直播由于省了育秧和插秧2 大環(huán)節(jié)，具有省工、節(jié)水、易機械化種植等優(yōu)點，是未來水稻輕簡化栽培的主要方向之一[34]。綜合本研究結(jié)果，在耕播環(huán)節(jié)選擇雙軸旱地旋耕條播方式，可以緩解還田秸稈的前期不利影響，改善土壤性狀，提高根系活力，促進水稻生長，從而實現(xiàn)旱直播稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，這對促進水稻直播、實現(xiàn)輕簡化栽培具有積極的作用。但值得注意的是，雙軸旱地旋耕條播在生產(chǎn)實踐中會出現(xiàn)播種過深或過淺、播種量時大時小的狀況，這在一定程度上影響了直播稻的耕播質(zhì)量。因此，進一步改善雙軸旱地旋耕條播的播種深度控制和應(yīng)用智能化精確播種系統(tǒng)將有利于雙軸旱地旋耕條播質(zhì)量的改善，進而為直播稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

在本試驗條件下，相較于免耕撒播和單軸旱地旋耕條播方式，雙軸旱地旋耕條播方式能夠顯著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，為旱直播水稻根系生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境，增加其根系氧化力，并促進水稻葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累的增加，進而獲得較高的產(chǎn)量。因此，在旱直播稻生產(chǎn)中，選擇雙軸旱地雙軸旋耕條播方式是實現(xiàn)旱直播高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效耕作方式之一。