不同栽培措施對土壤微觀結構及水稻產量的影響

袁莉民，周天陽，陳良，顧駿飛，王志琴，楊建昌

江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學農學院，江蘇 揚州 225009

水稻是中國農業生產第一大作物，種植面積約占全球23%，稻谷產量占全球的30%以上（Cao et al.，2010）。長期以來，全國有超過60%的人口以大米為主食，稻米消費量穩居全國糧食消費量第一（余四斌等，2016）。水稻的生長發育離不開土壤，土壤通過根系供給植物生長發育所需要的水分、養分、空氣和熱量，是植株正常生長發育的基礎（Rampazzo et al.，1998；Pardo et al.，2000）。

自從1925年微結構的概念由太沙基（Terzaghi）提出以來，有關土壤微觀結構的研究已經走過了90多年的發展歷史。土壤微觀結構取決于礦物土壤顆粒（沙粒、粉粒和粘粒）與有機物之間的相互作用，最終形成了大小和穩定性不同的聚集體（Tisdall et al.，1982）。目前已有多種方法應用于土壤微觀結構的分析，例如電子顯微鏡、光學顯微鏡、偏光顯微鏡、X射線衍射、掃描CT等（Foster，1988），主要研究內容包括組成土的各單元體的結構聯結及排列組合、孔隙特征，土壤顆粒的組成、形狀、大小、表面特征、力學特征等。

土壤的微觀結構一般分為 3種類型：單粒結構、蜂窩結構和絮狀結構（Casagrande，1932；Terazaghi，1943；Lambe，1958）。土壤的微觀結構特征決定了土壤的物理、化學和生物學特性，并在土壤的保水性、保肥性、通氣性和透水性方面起著重要作用，進而影響土壤微觀結構穩定性和土壤的宏觀生產力（Six et al.，2000）。土壤團聚體既是土壤顆粒的聚合體也是組成土壤結構的基本單元，是土壤化學和生物過程的綜合反映（趙紅等，2011）。研究表明土壤團聚體的數量和大小與土壤保水保肥能力有顯著的正相關性，而當前高投入農業會對土壤團聚體產生不良的影響（Munyanziza et al.，1997；Lupwayi et al.，2001）。隨著人口的增加和城市化的發展，農業研究的重點是找到在保持環境質量的同時提高糧食產量的方法。Debosz et al.（2002）研究表明，可以通過栽培管理實踐（例如灌溉，作物覆蓋）來改變土壤團聚體分布與大小，最終改變土壤的溫度和水分以改善植株生長環境，免耕和腐殖質改良可以減緩干濕交替灌溉而引起的土壤分散或碎裂（Palm et al.，1997）。國內有關學者（楊如萍等，2010；劉威等，2015；王峻等，2018）研究同樣表明，免耕覆蓋處理和免耕處理、秸稈還田可明顯增加土壤中大團聚體的含量，增加土壤固碳固氮的能力。然而目前研究主要集中于單一的栽培方式如免耕、秸稈還田等，關于綜合栽培管理方式如前氮后移、增密減氮、干濕交替灌溉、施用有機肥、深翻栽培等對土壤微觀結構、植株根系生理性狀的影響及其相互關系的研究還不夠深入，因此本研究以超級稻品種武運粳24號為供試材料，設置8種栽培管理措施，研究其對稻田土壤微觀結構、水稻根系和水稻產量的影響，以期能通過栽培措施的調節，改善根系生態環境質量，提高根系生理活性和氮素吸收利用效率，促進水稻高產穩產，為保證中國農業生態環境健康和國家糧食安全提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料與栽培概況

實驗于2019年在揚州大學農學院實驗農場進行（119.42°E，32.39°N），該地屬于亞熱帶季風氣候。前茬作物均為小麥。土壤質地為沙壤土，含有機質24.4 g·kg-1、堿解氮 105 mg·kg-1、速效磷 34.3 mg·kg-1、速效鉀 68.2 mg·kg-1；供試品種為武運粳 24號（超級稻，由武進農科所培育而成）。人工模擬機插秧栽培設置育苗、移栽與栽插方案，5月18日浸種，5月23日播種，5月25日移至秧板田，6月13日移栽，每穴3苗，10月18日至20日收獲。按照當地高產實踐通過化學和人工方法控制病蟲草害。

1.2 試驗設計

試驗設置以下8種栽培措施，每處理重復3次，小區面積 30 m2，小區之間筑田埂并用塑料薄膜覆蓋，以防肥水串灌。具體栽培方式見表1。

0N：氮空白區（0N）。不施氮肥。施磷量（過磷酸鈣，P2O5質量分數為13.5%）90 kg·hm-2，于移栽前作基肥一次性施入。施鉀量（氯化鉀，K2O質量分數為63%）120 kg·hm-2，分基肥和拔節肥（促花肥）兩次使用，前后兩次的比例為6∶4。栽插株行距為13.3 cm×30 cm。除生育中期排水曬田外，其余時期保持水層至收獲前一周斷水。

表1 各栽培措施技術方式一覽表Table 1 List of various integrative crop managements

LFP：當地農民習慣（local farmers’ practice）?？偸┑浚兊韵峦?00 kg·hm-2，按基肥(移栽前)∶分蘗肥(移栽后 5—7 d)∶促花肥 (葉齡余數3.5)∶?；ǚ剩ㄈ~齡余數1.2）（簡稱全生育期氮肥配比，以下同）=5∶2∶2∶1，栽插株行距為13.3 cm×30 cm。磷、鉀肥的施用時間和施用量及水分管理方式同0N處理。

ICM1：綜合栽培管理 1（integrative crop management 1）?？偸┑浚兊?，以下同）較LFP處理減少10%，為270 kg·hm-2，關鍵栽培技術為前氮后移：全生育期肥料配比=4∶2∶2∶2施用。其他同0N處理。

ICM2：綜合栽培管理 2（integrative crop management 2）。關鍵栽培技術為：增密。栽插株行距為10.7 cm×30 cm。其他同ICM1。

ICM3：綜合栽培管理 3（integrative crop management 3）。關鍵栽培技術為精確灌溉：從移栽至返青建立淺水層；返青至有效分蘗臨界葉齡期（N-n）前2個葉齡期（N-n-2）進行間隙濕潤灌溉，低限土壤水勢為-10 kPa；（N-n-1）葉齡期至（N-n）葉齡期進行排水曬田，低限土壤水勢為20 kPa，并保持1個葉齡期；（N-n+1）葉齡期至二次枝梗分化期初（倒三葉開始抽出）進行干濕交替灌溉，低限土壤水勢為-10 kPa；二次枝梗分化期（倒三葉抽出期）至出穗后10 d進行間隙濕潤灌溉，低限土壤水勢為-10 kPa；抽穗后11 d至抽穗后45 d進行干濕交替灌溉，低限土壤水勢為-15 kPa。各生育期達到上述指標后，即灌2—3 cm淺層水，用水分張力計監測土壤水勢。其它同ICM2。

ICM4：綜合栽培管理 4（integrative crop management 4）。關鍵栽培技術為基肥增施菜籽餅肥（含N 5%）2250 kg·hm-2。其他同ICM3。

ICM5：綜合栽培管理 5（integrative crop management 5）。關鍵栽培技術為深翻20 cm（試驗地人工挖）。其它同ICM4。

ICM6：綜合栽培管理 6（integrative crop management 6）。關鍵栽培技術為基肥增施硅肥225 kg·hm-2，鋅肥 15 kg·hm-2。其他同 ICM5。

1.3 測量項目

1.3.1 土壤顆粒形貌觀察

于開花期（8月30日左右）用取土器取大田土壤樣品，取樣深度均為 0—10 cm，每個栽培措施3個重復。在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動，以免破壞團聚體。將土壤樣品晾于陰涼通風處自然風干，過200目網篩，將過篩后的土壤顆粒用雙面膠帶紙粘貼于樣品臺上，噴金后使用蔡司GerminiSEM G300型場發射掃描電鏡觀察其微觀形貌。

1.3.2 根系表面積與根系氧化力

于開花期（8月30日左右）在各栽培措施小區取樣3穴。參照Yang et al.（2002）方法用α-萘胺法測定根系氧化力，用甲烯藍法測定根系總表面積與根系活躍表面積。

1.3.3 氮素吸收與利用

參照彭少兵等（2002）計算方法，通過以下公式計算：

氮肥農學利用效率（Agronomic use efficiency N）：

氮肥生理利用率（N Physiological efficiency）

氮肥吸收利用效率（Recovery efficiency）：

氮肥偏生產力（Partial factor productivity）

氮素稻谷生產率（Internal N use efficiencies）：

式中，N為施氮量；Y為水稻產量；Y1為不施氮區稻谷產量；Y2為施氮區稻谷產量；N1為施氮區氮肥用量；N2為施氮區地上部吸氮量；N3為空白區地上部分吸氮量；N4為成熟期水稻植株吸氮量。

1.3.4 考種與記產

取成熟期（10月19日左右）各小區2個10穴用于理論產量的測量，并分別考察每穗粒數、穗數、結實率和千粒質量分析其產量構成因素。另實收各個小區2個1 m2用于實際產量的測量。

1.4 計算方法與數據統計

本試驗所有數據用SPSS statistics 19.0軟件進行LSD多重比較（P＜0.05），使用Origin軟件分析計算土壤顆粒粒徑分布，用Microsoft Excel 2013計算平均值和標準差并繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤顆粒形貌

顆粒形態的定量分析包含顆粒大小、顆粒形狀以及顆粒表面起伏情況 3個方面。按照粒徑的大小將土體顆粒分為四類：＞20 μm的大顆粒、5—20 μm的中顆粒、2—5 μm的小顆粒和小于2 μm的微顆粒。將粒徑處于20—50 μm之間顆粒稱為粉粒，粒徑處于2—20 μm的顆粒稱為黏粒，平均粒徑小于2 μm的顆粒稱為膠粒（Bronick et al.，2005；Tisdall et al.，1982）。本研究SEM低倍觀察（見圖1）可知，大部分的土壤顆粒處于40—50 μm之間的分布；與LFP栽培措施相比，ICM2、ICM3、ICM4、ICM5和 ICM6等 5種栽培措施下土壤顆粒的數量變多、體積變大。測量不同栽培措施下土壤顆粒直徑并統計其粒度分布（結果見表2），結果表明所有栽培方式下的土壤顆粒大小均主要分布在20—50 μm之間即粉粒的含量最多。與LFP栽培措施相比，ICM2、ICM3、ICM4、ICM5 和 ICM6等5種栽培措施提高了20—50 μm和＞50 μm土壤顆粒的分布，減少了2—5 μm和5—20 μm土壤顆粒數量。

本研究 SEM 觀察到土壤顆粒多以團聚體形式存在，但不同栽培措施下團聚體的微觀結構有變化，呈現出一定的規律性（見圖2、3）：LFP、ICM1、ICM2下，團聚體微觀結構較對照有變化，主要是團聚體的數目和體積有所變大，與0N相比，團聚體的微觀結構變化主要是附著在土壤單體上的片狀或塊狀顆粒有所增加，但蜂窩結構增加不甚明顯；ICM3下，團聚體的微觀結構與0N相比，主要是附著在土壤單體上的片狀或塊狀顆粒明顯增多，且蜂窩結構也明顯增加；ICM4下，蜂窩結構明顯增加，團聚體蜂窩凹陷處明顯出現了菌絲體（圖3A）；ICM5下，蜂窩結構比ICM4下的更為豐富，且單個小顆粒上可見若干小孔洞（圖3B）；ICM6下，蜂窩結構明顯增加；不僅觀察到單個小顆粒上的若干小孔洞（圖3D），還觀察到土壤表面出現有規律的像礦石樣的隴狀結構，其表面也有很小的孔洞（圖3C）。土壤團聚體蜂窩狀結構變多，凹陷的蜂窩變寬變深且其微觀上出現菌絲體和小顆粒蜂窩化結構，可以改善土壤的保水保肥能力。因此，綜合栽培措施通過對土壤團聚體體積和微觀結構的改變，為水稻的高產提供了堅實的基礎。

2.2 根系表面積與根系氧化力

圖1 不同栽培措施下土壤顆粒200倍鏡下微觀結構Fig. 1 Effects of different integrative crop managements on soil particle microstructure under 200×

表2 不同栽培措施下土壤顆粒直徑Table 2 Effects of different integrative crop managements on soil particle diameter

圖2 不同栽培措施下土壤顆粒600倍鏡下微觀結構Fig. 2 Effects of different integrative crop managements on soil particle microstructure under 600×

圖3 不同栽培措施下土壤顆粒微觀結構Fig. 3 Effects of different integrative crop managements on soil particle microstructure

根系活力與根系吸收表面積是水稻根系生理的重要指標，研究表明高產水稻品種一般具有較強的根系活力與較大的根系吸收表面積（Yang et al.，2012）。由圖4可知在開花期與LFP栽培措施相比，ICM2、ICM3、ICM4、ICM5和ICM6等5種栽培措施下的根系氧化力顯著提高，除ICM2栽培措施外根系表面積與根系活躍表面積表現出一致的規律，表明栽培措施的改進能夠提高水稻植株根系生理活性。

2.3 吸氮量與氮素利用效率

由表 3可知，與 LFP相比，武運粳 24號在ICM2、ICM3、ICM4、ICM5和ICM6等5種栽培措施下水稻植株吸氮量、氮肥農學利用效率（AEN）、氮肥生理利用效率（PEN）、氮肥吸收利用率（REN）、氮肥偏生產力（PEPN）和氮素谷物生產率（IEN）均顯著增加，與LFP相比，上述5種栽培措施下的吸氮量提高了3.86%—24.27%，AEN提高了26.97%—112.17%，PEN提高了7.34%—45.51%，REN提高了18.34%—45.82%，PEPN提高了 18.56%—51.51%，IEN提高了1.75%—14.73%。以上結果表明隨著各栽培措施優化（除ICM1），能較LFP處理顯著增加植株氮肥吸收量，提高氮素利用效率，增加經濟效益。

表3 不同栽培措施下水稻吸氮量及氮素利用效率Table 3 Effects of different integrative crop managements on nitrogen absorption and nitrogen use efficiency

表4 不同栽培措施下水稻產量及其構成因素Table 4 Effects of different integrative crop managements on yield and yield components

2.4 產量及構成因素

由表4可知武運粳24號在ICM2、ICM3、ICM4、ICM5和ICM6栽培措施下的產量均較LFP有顯著提高。具體表現為與 LFP 相比，ICM2、ICM3、ICM4、ICM5和ICM6的產量分別提高了8.51%、13.55%、21.85%、26.05%和36.03%。分析其產量與構成因素可知上述各栽培措施下總穎花量均顯著提高，千粒質量與結實率的改變較小，因而總穎花量的提高是增產的主要因素。而通過總穎花量的計算發現ICM2、ICM3、ICM4、ICM5和 ICM6栽培措施下每穗粒數顯著降低，而穗數顯著上升，并最終導致了總穎花量的顯著提高。

3 討論

3.1 栽培措施對于土壤顆粒微觀結構的影響

土壤團聚體是土壤的“養分庫”，是形成土壤結構的基礎，大團聚體能夠保護土壤有機C。土壤團聚體通過與微生物、植物根、真菌菌絲、多糖和腐殖質物質的相互作用而形成不同大小和穩定性的團聚體。許多研究表明，與中大團聚體（＞0.25 μm）相比微團聚體（＜0.25 μm）更容易被分解。團聚體的分解會導致存留在團聚體中有機氮、有機碳暴露在空氣中進而導致礦化作用，最終導致土壤氮素、碳素的流失（Mikha et al.，2004；Ashagrie et al.，2007；Curtin et al.，2014）。研究土壤團聚體結構與分布是研究土壤微觀結構的核心內容，其在很大程度上反映了土壤結構的穩定性與抗蝕性。栽培措施調控包括秸稈還田、施肥方式等土壤改良措施均影響土壤團聚體的組成及其穩定性（高建華等，2010；陳曉芬等，2013；張翰林等，2016）。前人的研究結果表明秸稈還田結合免耕措施、結合生育期施肥等能顯著提高土壤水團聚體含量及其穩定性，促進大團聚體形成，提高土壤大團聚體中有機碳的氧化穩定性及全氮含量（孫漢印等，2012；田慎重等，2013）。然而對于干濕交替灌溉、施硅鋅肥、深翻栽培等綜合栽培管理方式對于土壤團聚體微觀結構的影響研究較少。在本研究中運用掃描電鏡能夠清晰地觀察到土壤顆粒微觀結構。本研究表明，綜合栽培措施尤其是前氮后移、增密減氮、干濕交替灌溉、增施有機肥、深翻栽培、施硅鋅肥提高了土壤顆粒中團聚體的數量和體積，土壤團聚體蜂窩狀結構變多，凹陷的蜂窩變寬變深且其微觀上出現菌絲體和小顆粒蜂窩化結構，增強了土壤保水保肥能力，為水稻高產提供了物質基礎。

3.2 土壤顆粒微觀結構對水稻植株根系的影響

根系是水稻植株的重要組成部分，根系不僅能夠從土壤中吸收養分和水分，同時也可合成許多重要的生理活性物質，在水稻生長發育中起著十分重要的作用（Wang et al.，2006；Zhang et al.，2009）。栽培措施對于水稻根系生理有顯著的調控作用。已有研究表明氮肥、有機肥可以促進水稻根系生長發育，提高根系活力，根中酶活性和有機酸含量，從而提高產量與稻米品質（Zhang et al.，2019）。而 Yang et al.（2012）研究表明適度干濕交替灌溉可以顯著提高相關根系分泌物、根系活力、根系形態生理水平，促進水稻植株整體發育提高產量。以上研究均從栽培方式對于水稻根系形態、生理指標等方面影響為切入點，而有關土壤顆粒微觀結構對水稻植株根系影響研究較少。本研究結果表明，綜合栽培管理如干濕交替灌溉和深耕等不僅通過增加土壤團聚體之間的間隙來增加土壤的透氣性，還通過增加土壤團聚體的蜂窩結構，直接改善了植株地下部的微生態，根系生長、根系氧化力、根系總吸收表面積與活躍吸收表面積均顯著提高，促進了根部對水分、無機鹽和肥料的吸收與利用。因此，干濕交替灌溉和深耕等綜合栽培管理措施對土壤微觀結構的改變為水稻高產提供了生態學基礎。

同時根系作為水稻的重要組成部分，不僅是接收與輸送養分、水分的基本通道，還可以通過交錯、穿插、網絡固結、根土黏結等作用，改善土壤理化特性，促進土壤團聚體的形成和穩定，在水土保持中發揮著不可替代的作用。眾多對植物根系在土壤團聚體形成與穩定過程中的作用機制開展了大量研究表明根系主要通過網絡串連作用、根土黏結作用及根系生物化學作用等 3種方式纏繞、固結土壤，促進土壤團聚體形成和穩定（Gale et al.，2000；Fattet et al.，2011）。土壤大團聚體是通過植物根系、菌絲和微生物分泌物通過物理和化學作用膠結起來的。本研究采用的綜合栽培措施為何能提高土壤顆粒中團聚體的數量和體積、增加土壤的蜂窩結構？推測干濕交替灌溉和深耕等栽培措施使得水稻根系生長良好，根系分泌物增加，而有機肥的施用則使得土壤中的厭氧菌和真菌等微生物活躍，微生物分泌物增加，這些措施均讓土壤單體粘結更多的片層狀和顆粒狀的微顆粒，使得土壤顆粒中團聚體的數量和體積增加，研究中我們也確實觀察到干濕交替灌溉和有機肥的施用使得微生物菌絲體明顯增多。

3.3 栽培措施綜合管理對于產量和氮肥利用效率的影響

目前生產上推廣的栽培技術如干濕交替灌溉、花后土壤落干、無水覆蓋栽培、實地氮肥管理技術、增加密度減少氮肥技術等能夠增強植株碳氮代謝、轉運和積累的能力，從而大大提高谷物的產量和氮素利用效率（Yang et al.，2003；Yang et al.，2010）。而在本研究中，栽培措施的綜合管理包括前氮后移、增密減氮、干濕交替灌溉、增施有機肥、深翻栽培、施硅鋅肥與當地農民習慣和對照相比，顯著提高了水稻的氮素利用效率，最終提高了產量與經濟效益。

4 結論

栽培方式的綜合管理包括前氮后移、增密減氮、干濕交替灌溉、增施有機肥、深翻栽培、施硅鋅肥等措施，增加了土壤顆粒中團聚體的數量和體積，也增加了土壤的蜂窩結構，從而增強了土壤保水保肥能力；同時也提高了水稻植株根系活力與根系氧化力，最終增加了水稻的氮肥利用效率和產量。