寒地水稻壟作雙深耕作栽培模式技術效果的評價

李紅宇, 張鞏亮, 鄭桂萍, 陳立強, 呂艷東

(1.黑龍江八一農墾大學 農學院, 黑龍江 大慶 163319;2.黑龍江八一農墾大學 黑龍江省現代農業栽培技術與作物種質改良重點實驗室, 黑龍江 大慶 163319)

中國水稻種植面積約3.0×107hm2，產量占到糧食作物總產的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，歷來以優質高產而著稱，對保障國家糧食安全其重要作用。中國不同地區傳統稻田土壤耕作方式雖有不同，但總體框架基本相同，都要經過翻耕(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，實現全層施肥[3]，其缺點是肥料淋洗、土壤固定、氨揮發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，水體富營養化，藻類大量繁殖，肥料利用率低[4-5]。(2) 為緩解農時緊張，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) 黑龍江省水稻生產中普遍推廣的高速打漿機，雖然作業效率高，起漿效果好，但是長期應用會導致土壤板結、通透性變差，還原性增強，阻礙根系的生長和功能發揮。因此，既可以確保優質、高產、穩產，又能夠提高肥料利用率、恢復土壤結構、水資源高效利用的水稻耕作栽培技術成為現階段的迫切需求。

近年在黑龍江墾區大面積推廣的側深施肥技術，雖然解決了肥料高效利用的問題，但是仍然需要攪漿平地，并且用水量與常規生產持平[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、節水、恢復土壤結構、提高產量等方面各具不同優勢，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，并為之開發了專用起壟施肥機械。實踐應用結果表明，該技術模式表現出水資源利用率和肥料利用率高，改善土壤結構、減少作業環節、縮短作業時間及增產增效的特點。本研究在新華農場、綏濱農場和濃江農場開展試驗，從產量、物質生產、土壤部分物理性質和氮肥利用率方面評價該技術模式的應用效果，以期為寒地水稻高產、優質、高效栽培提供技術支撐。

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場、濃江農場和新華農場進行試驗。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。供試土壤的養分含量見表1。

表1 供試土壤養分含量

1.2 試驗設計

采用隨機區組試驗設計，兩水平，即壟作雙深栽培(簡稱壟作)和常規平作栽培(簡稱平作)，同時，兩種耕作方式分別設置無氮區，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“水田旱起壟雙側雙深分類施肥機”實施起壟施肥作業。壟體規格為鎮壓后壟底寬60 cm，壟面寬40 cm，壟高10 cm左右。施肥和鎮壓作業與起壟作業同步進行。肥料在壟體內分布為一深二淺共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，間距離18 cm，距壟面3 cm。當地常規施肥的基肥和分蘗全部作為基肥隨起壟作業施入，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生產。常規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 干物質積累量和葉面積指數 于分蘗期、齊穗期和灌漿期，每小區選長勢均勻處連續調查20穴莖數，按照平均莖數取樣3穴。帶回室內，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。采用長寬系數法測定葉面積，并計算葉面積指數。

分蘗期在長勢均勻的地段，按照平均莖數取植株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，采用根系形態掃描儀(Microtek ScanMaker i800)掃描根系形態特征，根系形態分析軟件(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。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，每小區選取長勢均勻地段3點，按照20穴平均莖數取中等植株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，FOSS-8400凱氏定氮儀測定氮含量。

(1)

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

(2)

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

(3)

式中：AEN為氮肥農學利用率(g/g)；Y為施氮區作物產量(g)；Y0為無氮區作物產量(g)。

(4)

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

(5)

式中：PFPN為氮肥偏生產力(g/g)；Y為施氮區作物產量(g)；Y0為無氮區作物產量(g)；F為氮肥施用量(g)。

1.3.4 產量及其構成因素 成熟期每小區選長勢均勻地段3點，每點取代表性植株5株，風干后考察穗數、穗粒數、結實率和千粒重，計算理論產量。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量。

1.4 數據處理

數據整理和圖表制作采用Microsoft Excel 2003，方差分析采用DPS 9.01。

2 結果與分析

2.1 產量及其構成因素的比較

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

表3 產量及其構成因素的比較

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 干物質量的比較

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

2.3 根部性狀的比較

由表4可知，與分蘗期干物質積累量相反，壟作栽培顯著促進了水稻根系生長。濃江農場和新華農場壟作的根總長度、根表面積、根體積、根直徑和根尖數較平作平均增加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，新華農場齊穗期和灌漿期壟作根干重分別增加77.88%，128.13%，濃江農場分別增加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，新華農場分別較平作增加24.45%，43.77%，濃江農場分別較平作增加29.08%，78.81%。新華農場和濃江農場灌漿期根冠比分別高于平作13.02%，45.41%，其中濃江農場處理間差異顯著，新華農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 不同時期干物質量的比較

圖2 不同時期葉面積指數的比較

表4 分蘗期根部形態特征的比較

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構，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，新華農場分別下降9.35%，9.37%，濃江農場分別下降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。新華農場和濃江農場壟作0—10 cm土層團聚體分別增加14.07%，41.63%，其中濃江農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，同一旬內壟作和平作平均溫度構成一個配對，進行平均數成對數據t測驗。新華農場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、氮肥農學利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生產力均較平作有所提高。新華農場壟作土壤氮素依存率和氮肥農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力處理間差異不顯著。濃江農場壟作氮肥貢獻率、土壤氮素依存率、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力顯著高于平作，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，氣溫穩定通過13℃，地溫穩定通過14℃即開始移栽，5月10日—25日是黑龍江省公認的高產移栽期[16-17]，而實際生產中，由于生產規模、人工和機械力量等現實因素的限制，5月5日左右農戶即開始插秧。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定，時常出現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藝措施[18-19]。本試驗壟作雙深分蘗期的干物質積累量和葉面積指數分別低于常規平作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，該技術實施過程中應特別注意深水護苗的環節，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、根直徑和根尖數等明顯優于平作，為其后期快速恢復生長奠定了基礎，這也是齊穗期和灌漿期壟作雙深干物質積累量和葉面積指數，乃至最終產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的差值，t為成對數據假設測驗的t值。

表8 氮肥利用效率的比較

寒地水稻育苗移栽生產模式的技術框架中的攪漿平地易破壞土壤結構[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，省去水整地環節，避免土壤結構破壞，提高土壤溫度；將基肥全層施肥改為壟上側深施肥，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環節，減少分蘗肥表施的揮發損失；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，實現高光效利用。本研究在新華農場、濃江農場和綏濱農場3個試驗點對壟作雙深栽培與常規栽培進行了比較，結果表明在壟作雙深栽培模式的技術效果明顯優于常規栽培模式。土壤物理性質方面表現為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，為水稻健康生長創造了良好環境；農藝性狀方面表現為齊穗期和灌漿期的干物質量、葉面積指數，分蘗期根部形態特征，各時期根干重、根冠比顯著增加；肥料利用率方面表現為氮肥吸收利用率、生理利用率、農學利用率和氮肥偏生產力不同程度的提高；產量方面表現為增產7.92%～9.86%，穗數或穗粒數增加是增產的主要原因。關于增產的深層次機理及品質效應還有待于進一步研究。

4 結 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。對水稻生長發育的土壤環境的改善，使得水稻的分蘗期根系形態特征和各時期根干重均有明顯優勢。根系優勢與側深施肥效果相配合，促進了養分利用水平的提高，進而促進了干物質量和葉面積指數的增加。在此基礎上，壟作雙深栽培模式可增產7.92%～9.86%，穗數或穗粒數增加是增產的主要原因。