土壤壓實對水稻根系發(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(fā)育及產(chǎn)量的影響，給改進和設(shè)計新型水田田間管理機械的行走裝置提供理論依據(jù)，進行不同壓強下的水田土壤壓實試驗，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軟件對其進行單因素方差分析，計算回歸方程并設(shè)計試驗驗證回歸方程的準確性。方差分析結(jié)果表明，壓實對水稻根系發(fā)育及產(chǎn)量有顯著影響，且由驗證試驗可知，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分別對該試驗壓實載荷范圍內(nèi)具體壓強下的成根數(shù)量、主根長度、主根直徑、單穴產(chǎn)量進行預(yù)測。試驗得出，機械壓實會對成根數(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;根系發(fā)育;產(chǎn)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(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)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(nóng)業(yè)機械化。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78種，每年因病蟲害造成的損失高達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行針對性的防治，對促進我國水稻增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高經(jīng)濟效益具有十分重大的意義[4-5]。

隨著我國農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高，水田田間管理機械的應(yīng)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(dān)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(yīng)用植保車對水稻進行病蟲害防治還是應(yīng)用自走式水稻追肥施用機械進行施肥，在完成工作任務(wù)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(fā)時期[15]，也是病蟲害防治的最關(guān)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(nèi)外學(xué)者關(guān)于土壤壓實對作物根系發(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等研究了土壤壓實對大豆和玉米生長發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)土壤壓實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(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)于水田土壤壓實或水田田間管理機械的接地壓力對水稻生長發(fā)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(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，以盡量減少這類機械對土壤和作物發(fā)育的不良影響，本試驗進行了水田機械壓實對水稻根系發(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(shù)目、主根直徑和長度以及以單穴稻籽粒數(shù)計量的產(chǎn)量，并對結(jié)果進行了分析。由于本試驗中籽粒數(shù)也可準確地表達壓實對產(chǎn)量的影響，因而選用單穴稻籽粒數(shù)計量的產(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;千分尺1個;直尺1個;取土器、鋁盒及環(huán)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(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(nóng)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(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(nèi)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(shù)據(jù)處理時將4號箱的結(jié)果作為驗證數(shù)據(jù)。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(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穴中隨機選取5穴作為空白對照（對應(yīng)0 kPa處理）。對各穴樣品進行標號（X-1、X-2、X-3、X-4、X-5），數(shù)出各穴水稻籽粒數(shù)后，取根部運至實驗室，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，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)進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓實載荷對水稻成根數(shù)量的影響

不同壓實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，即壓實會減少成根數(shù)。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(shù)量減少了7.69%;受 20.0 kPa 壓實的水稻，成根數(shù)量減少了15.81%;受32.5 kPa壓實的水稻，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(nèi)，壓實載荷與水稻成根數(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(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(jié)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(nèi)，壓實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(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(jié)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(nèi)，壓實載荷與水稻主根直徑之間有顯著線性相關(guān)關(guān)系。

2.4 壓實載荷對水稻單穴產(chǎn)量的影響

不同壓實載荷下每穴水稻產(chǎn)量的試驗結(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，即壓實可顯著降低水稻產(chǎn)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(chǎn)量降低了 4.44%;受 20.0 kPa 壓實的水稻，單穴產(chǎn)量降低了10.37%;受32.5 kPa壓實的水稻，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(nèi)，壓實載荷與水稻產(chǎn)量之間有顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

3 回歸擬合程度驗證

根據(jù)以上試驗得到的壓實載荷與成根數(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)壓實載荷為25 kPa時（即4號箱處理方式），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，驗證結(jié)果有力地說明了擬合方程的準確性。

4 結(jié)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(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。隨著壓實載荷或壓實程度的增加，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。在試驗范圍內(nèi)，作用于土壤上的壓實載荷與水稻成根數(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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