紅壤區(qū)夏玉米生長對(duì)土壤穿透阻力的響應(yīng)

羅 敏，鄧才富，陳家宙，高 躍，高冰可

(1.重慶市藥物種植研究所，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所重慶分所， 重慶 408435；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430070)

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與土壤科學(xué)的不斷發(fā)展，對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)、養(yǎng)分狀況與作物生長關(guān)系的研究日益豐富。土壤物理性質(zhì)作為土壤最基礎(chǔ)的性質(zhì)，與土壤化學(xué)性質(zhì)、土壤微生物活動(dòng)等密切相關(guān)，互作影響。土壤物理性質(zhì)制約土壤肥力水平，進(jìn)而影響植物生長，是制定合理耕作和灌排等農(nóng)田管理措施的重要依據(jù)。因此，在土壤養(yǎng)分狀況對(duì)作物生長關(guān)系豐富的研究背景下，不可忽視土壤物理性質(zhì)對(duì)作物生長的影響研究。

鄂南紅壤丘陵區(qū)在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中占有重要地位[1]，但該地區(qū)常發(fā)生的季節(jié)性干旱給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大影響。隨著土壤干旱的發(fā)生，土壤供水能力變差，土壤穿透阻力亦急劇增大[2]，嚴(yán)重影響作物的生長和產(chǎn)量形成。由第四紀(jì)紅色粘土發(fā)育而成的紅壤，粘粒含量高[3]，一旦含水量降低即會(huì)變得十分堅(jiān)硬。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，土壤穿透阻力與干旱對(duì)作物的影響存在交互作用，并且在紅壤季節(jié)性干旱過程中，阻力隨干旱發(fā)生而急劇增大。因此，作為嚴(yán)重遭受季節(jié)性干旱影響的南方紅壤，土壤穿透阻力在干旱脅迫過程中對(duì)作物生長具有怎樣的影響是本文重點(diǎn)探討的內(nèi)容。研究干旱引起的土壤穿透阻力對(duì)夏玉米生長的影響作用，旨在為進(jìn)一步尋求有效措施通過改善土壤阻力來緩解季節(jié)性干旱的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)于2014年6—9月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)紅壤綜合試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行。供試玉米品種為鄭單958，土壤是由第四紀(jì)紅色粘土發(fā)育而成的紅壤，土壤質(zhì)地為粘土(美國制)。試驗(yàn)包括兩部分：室內(nèi)桶栽試驗(yàn)研究紅壤阻力對(duì)玉米根系的影響，設(shè)置三個(gè)土壤容重，即1.1，1.3，1.5 g·cm-3，分別體現(xiàn)不同的初始紅壤阻力值，各處理5次重復(fù)，每桶播種3粒玉米。取試驗(yàn)站內(nèi)耕層0～20 cm的紅壤，風(fēng)干后過2 mm篩；選用內(nèi)徑為25 cm的PVC管自制高為15 cm的盆缽，根據(jù)設(shè)置容重稱取不同重量的風(fēng)干土，按田間持水量的75%加水進(jìn)行壓實(shí)。壓土?xí)r分少量多次加入盆缽，每次加土整平，再用噴壺均勻噴灑水后用木槌壓實(shí)，直至全部土壤壓入規(guī)定的體積內(nèi)；小容重不用壓實(shí)，只需每次加土后整平噴水，再加土，如此反復(fù)即可。從播種到發(fā)芽，每天按稱重法充分澆水(土壤含水量在田間持水量的65%)，以保證作物正常發(fā)芽及生長，出苗后用完全營養(yǎng)液代替自來水。玉米出現(xiàn)3片葉時(shí)開始連續(xù)干旱處理，模擬干旱過程中紅壤阻力的變化過程，并每日稱重掌握土壤含水量情況。

田間小區(qū)試驗(yàn)以耕作措施調(diào)控紅壤阻力，包括深耕D、常規(guī)耕作C、免耕N、機(jī)械壓實(shí)P，每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為2.7 m×1.2 m=3.24 m2。各處理小區(qū)施肥量相同，施氮(尿素，N≥46%)140 kg·hm-2，過磷酸鈣(含P2O512%)1 000 kg·hm-2和氯化鉀(含K2O 40%)240 kg·hm-2；所用肥料全部作為基肥一次施入。每小區(qū)定植18株，四周設(shè)保護(hù)行。2014年6月18日播種，9月29日收獲。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

室內(nèi)試驗(yàn)用測(cè)目儀測(cè)定土壤阻力，干旱處理10 d后測(cè)定根系形態(tài)指標(biāo)，采用Epson掃描儀掃描，結(jié)合根系分析系統(tǒng)(WinRHIZO Pro 2004c)測(cè)定。田間試驗(yàn)采用SC900土壤硬度儀測(cè)定0～40 cm土壤紅壤穿透阻力，每個(gè)處理標(biāo)記6株長勢(shì)一致植株，采用常規(guī)測(cè)定方法定期測(cè)定玉米地上部生長指標(biāo)，以上指標(biāo)同步測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析結(jié)合Excel 2007和SPSS 19.0軟件進(jìn)行，作圖由Origin 9.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅壤穿透阻力對(duì)玉米根系的影響

紅壤穿透阻力對(duì)玉米苗期根系生長有明顯影響。由表1可知，不同土壤穿透阻力處理間玉米苗期單株根長和根徑差異顯著，其中單株總根長與總根徑表現(xiàn)最為明顯，在三種阻力處理間均存在顯著性差異。低阻力處理根長、表面積和根系體積均最大，而高阻力處理則明顯減小。根徑則與之相反，低阻力處理單株根徑最小，高阻力處理最大。

進(jìn)一步將不同阻力處理下的紅壤穿透阻力與玉米苗期根長和根徑進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，苗期玉米根長與紅壤穿透阻力具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，根系平均直徑與其具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，如圖1所示。隨著紅壤穿透阻力的增加，根系長度變短，平均直徑變粗，并且總根長的變化幅度大于種子根，而種子根根徑的增粗幅度大于總根。

2.2 紅壤穿透阻力對(duì)玉米地上部的影響

紅壤穿透阻力對(duì)夏玉米株高、莖粗和葉面積均具有一定影響。由表2可知，夏玉米株高在不同阻力調(diào)控措施下表現(xiàn)為D>C>P>N，莖粗和葉面積則為D>C>N>P；且各指標(biāo)在措施間的變化差異不盡相同，株高表現(xiàn)為深耕與常規(guī)耕作顯著高于免耕和壓實(shí)，莖粗為深耕顯著高于免耕和壓實(shí)，葉面積則是深耕與常規(guī)耕作顯著高于壓實(shí)。

表1 紅壤穿透阻力對(duì)夏玉米根系的影響 Table 1 Effects of red soil penetration resistance on maize root

注：D1.1、D1.3、D1.5代表不同的容重(1.1、1.3、1.5 g·cm-3)設(shè)置，體現(xiàn)不同的初始土壤穿透阻力值；土壤阻力值為室內(nèi)干旱處理結(jié)束時(shí)的耕層均值；同列小寫字母代表0.05顯著水平(P<0.05)；下同。

Note: D1.1, D1.3 and D1.5 indicate soil bulk densities(1.1、1.3、1.5 g·cm-3), they reflect initial PR; the soil resistances are the mean of arable layer at the end of drought treatment indoor; different lowercases of same column indicate significant difference at 5% level; the same below.

圖1 紅壤穿透阻力與玉米總根長及根平均直徑的關(guān)系 Fig.1 Maize root length and diameter in relation to soil penetration resistance表2 紅壤穿透阻力對(duì)夏玉米生長及產(chǎn)量的影響 Table 2 Effects of red soil penetration resistance on maize growth and yield

注：生長指標(biāo)為夏玉米營養(yǎng)生長期結(jié)束后測(cè)定，土壤容重、土壤穿透阻力與含水量為營養(yǎng)生長階段干旱期0～20 cm土層均值。

Note: the growth indexes were determined after vegetative growth phase, and the soil bulk, PR and soil moisture were the mean of 0～20 cm depth of vegetative growth phase in drought period.

進(jìn)一步將不同阻力調(diào)控措施下夏玉米營養(yǎng)生長完成時(shí)期的株高、莖粗和葉面積分別與耕層(0～20 cm土層)紅壤穿透阻力進(jìn)行相關(guān)性分析，得出三者均與紅壤穿透阻力具有顯著的線性關(guān)系(P<0.05)。如圖2所示，夏玉米株高、莖粗、葉面積與紅壤穿透阻力呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨紅壤穿透阻力增大，株高降低，莖粗與葉面積減小。由此可知，紅壤穿透阻力嚴(yán)重影響了夏玉米植株的生長。

2.3 紅壤穿透阻力對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

紅壤穿透阻力對(duì)夏玉米籽粒產(chǎn)量具有明顯影響。表2表明，不同阻力調(diào)控措施下玉米的籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為D>C>N>P。其中，深耕比常規(guī)耕作、免耕和壓實(shí)分別高25.8%、51.1%和60.5%，且深耕顯著高于免耕和壓實(shí)。紅壤穿透阻力對(duì)夏玉米生物學(xué)產(chǎn)量具有相似的影響，各阻力調(diào)控措施間的大小排序與籽粒產(chǎn)量相同，且深耕與免耕、壓實(shí)間有顯著性差異。進(jìn)一步的相關(guān)性分析表明(圖3)，阻力調(diào)控措施下夏玉米籽粒產(chǎn)量與紅壤穿透阻力具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，紅壤阻力每增加1.0 MPa，籽粒產(chǎn)量將減少1 787.1 kg·hm-2。可見，紅壤穿透阻力不但在作物生長過程中對(duì)根系、地上部等產(chǎn)生顯著影響，而且最終會(huì)表現(xiàn)為嚴(yán)重影響其產(chǎn)量的形成。

圖2 紅壤穿透阻力與玉米地上部生長的關(guān)系 Fig.2 The ground growth indexes of maize in relation to soil penetration resistance

圖3 紅壤穿透阻力與夏玉米產(chǎn)量的關(guān)系

Fig.3 Yield of maize in relation to soil penetration resistance

3 討論與結(jié)論

土壤穿透阻力對(duì)植物生長的影響，首先表現(xiàn)為對(duì)根系生長的直接影響作用。當(dāng)前多數(shù)研究者認(rèn)為根系生長所遇到的土壤機(jī)械阻力普遍存在。玉米根系生長指標(biāo)隨土壤容重增加而下降[4]；機(jī)械阻力會(huì)顯著降低玉米、水稻等4種不同作物的根伸長速率，且使其根徑變粗(水稻除外)[5]。本研究中，單獨(dú)分析因壓實(shí)不同容重而引起的土壤阻力對(duì)根系的影響結(jié)論，與以往研究土壤緊實(shí)度和容重對(duì)作物根系影響的結(jié)果相一致[6-10]，土壤緊實(shí)度阻礙了根的生長[11]，導(dǎo)致根系總長度、表面積等顯著下降，而根系平均直徑變粗。壓實(shí)導(dǎo)致的土壤容重的變化自然會(huì)改變土壤通氣狀況，增加土壤緊實(shí)度，土壤有效水分、氣體比例等隨之發(fā)生改變，因此必然會(huì)影響作物根系生長。但與此同時(shí)，水分降低所產(chǎn)生的土壤阻力對(duì)根系的影響卻也不可忽視。

前期研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在紅壤季節(jié)性干旱過程中，水分減少的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤穿透阻力急劇增大[12]。因此，在阻力脅迫與逐漸出現(xiàn)的干旱脅迫的綜合影響下，作物根系生長必將受到嚴(yán)重影響，而此一系列影響也將引起地上部的反應(yīng)，最終表現(xiàn)在作物產(chǎn)量上。多數(shù)研究表明較高土壤容重會(huì)抑制作物地上部生長[13-15]，但也有研究認(rèn)為該影響不顯著甚至沒有影響[16]。導(dǎo)致研究結(jié)果不一的原因一方面與作物種類有關(guān)，另外可能也與水分有關(guān)，這其中便有因水分變化導(dǎo)致的土壤穿透阻力的改變所帶來的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，在季節(jié)性干旱過程中，不同阻力調(diào)控措施下，紅壤穿透阻力對(duì)作物株高、莖粗及葉片生長具有顯著負(fù)效應(yīng)，且該負(fù)效應(yīng)最終對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，夏玉米籽粒產(chǎn)量和生物學(xué)產(chǎn)量均與紅壤穿透阻力具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著紅壤阻力的增加而減小。在本次試驗(yàn)期間，玉米營養(yǎng)生長期降雨相對(duì)豐富，未發(fā)生嚴(yán)重的干旱，僅有一次連續(xù)干旱5 d的輕度干旱，因此未出現(xiàn)干旱脅迫現(xiàn)象。所以，此時(shí)主要表現(xiàn)出的是對(duì)土壤阻力脅迫的反應(yīng)，即紅壤穿透阻力的影響先于干旱脅迫。

深耕能夠明顯降低土壤穿透阻力，宜于植株根系生長，從而促進(jìn)植株對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，有助于產(chǎn)量的增加。免耕的土壤阻力僅低于壓實(shí)處理，且此兩種措施下植株生長及產(chǎn)量最低，且二者之間均沒有顯著性差異。因此，在紅壤地區(qū)可以通過選擇適宜的耕作措施來調(diào)控土壤穿透阻力，從而改善因干旱而引起的土壤阻力增大對(duì)作物的影響，促進(jìn)作物生產(chǎn)；同時(shí)，作為保護(hù)性耕作措施的免耕卻不適宜于在紅壤地區(qū)推廣。

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