垄作免耕对水稻根系特性和氮磷钾养分累积的影响

万琪慧，马黎华，蒋先军

(西南大学资源环境学院，重庆 400715)

氮、磷、钾是水稻(Oryzasativa)生长发育过程中必不可少的3大营养元素，其丰缺程度直接影响水稻的生理特性、养分的吸收利用及产量的形成[1-3]。44个水稻品种(斯里兰卡)在正常肥力条件下，产量可达5000～10000 kg·hm-2，而在低肥力条件下，产量仅为2000～6000 kg·hm-2[4]。研究表明，水氮互作条件下水稻各生长时期氮、磷、钾的吸收存在显著协同效应，抽穗前期，氮、钾的累积对促进结实期各养分向籽粒转运和产量提高影响显著[5]。相较于农民习惯施肥，麦秆还田与实地氮肥管理均可提高水稻对氮、磷、钾的吸收效率[6]。水稻对氮、磷、钾的吸收利用能力受品种特性[7-8]、施肥条件[9-10]、水分管理措施[11-12]及环境条件等多种因素的综合影响。中国南方稻区存在大面积冬水田，仅四川就有160万hm2。在一季稻熟区，往往冬闲或者冬天蓄水。由于长期淹水，冬水田普遍存在结构差、养分转化率和产量低等问题。为了解决冬水田的诸多问题，水旱平作系统是冬水田的主要改造模式。在总结农民经验的基础上，我国著名土壤学家侯光炯[13]根据土壤肥力的生物热力学理论和农业生态系统理论，通过反复研究和实践证明，提出了稻田“垄作免耕”技术[14]。垄作在淹水稻中提供了干燥土壤的(垄)微环境，创造了水肥气热优势领域。垄埂土壤为毛管水浸润，出现气相，与传统平作重力水向下流动的入渗方式明显不同，改善了土壤团聚体的结构组成[13]和根际环境的通气性[15]。垄作免耕是将稻田平面地表形态转变为垄沟相间的一种半旱式免耕栽培法。垄作免耕土壤直接接受通风透光，热传导快、积温高、温差大，土壤温度随太阳辐射的增加而增加，土壤水分和养分活动增加。土壤水分运动方式改变后，养分在土壤中的扩散速率和质流发生变化[16-17]，可能导致根系吸收能力不同，从而影响植物对养分的吸收。Zhang等[18]发现与持续淹水相比较，交替湿润与适度干旱处理可以提高根氧化活性，增强根系生长有利于其他生理过程，并获得更高的粮食产量。

由于长期耕作模式(垄作免耕、冬水田和水旱平作处理)不同，水稻不同器官对养分的再利用和土壤缓冲能力存在差异，水稻主要生育期氮(nitrogen, N)、磷(phosphorus, P)、钾(potassium, K)的吸收积累以及根系特性方面的数据仍有所欠缺。为此，拟研究水稻整个生育期在不同耕作处理下对氮、磷、钾的吸收利用差异和根系特性，为稻米生产体系实现水分和养分高效管理实践，提供可持续发展的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究依托的长期定位试验始设于1990年，位于重庆市北碚区西南大学试验农场(30°26′ N，106°26′ E)，海拔230 m，年均温18.3 ℃，年日照1277 h，年均降水量1105 mm，无霜期约334 d。实验地点土壤为灰棕紫色沙泥岩母质上发育的中性紫色水稻土。

1.2 试验设计

本研究设3个田面处理，分别为：1)冬水田(flooded paddy field，FPF)，仅种植一季水稻。稻田终年处于淹水状态，保持水层深度为3 cm左右；2)水旱平作(conventional paddy-upland rotation tillage，CT)，水稻与油菜轮作。淹水平作种植水稻，水稻收获后，4边开沟排干稻田积水，翻耕将稻茬(50～60 cm，3850～3900 kg·hm-2)翻入土中，种油菜。油菜生长期间，尽可能地保持4边沟内无积水。油菜收获后，淹水，翻耕将油菜残茬(1750～2000 kg·hm-2·yr-1)和杂草(1850～2100 kg·hm-2)翻入土中，种水稻。3)垄作免耕(combining ridge with no-tillage，RNT)，水稻与油菜轮作。自稻田作垄后一直不翻不耕。作垄规格为：一垄一沟55 cm，垄顶宽25 cm，沟宽30 cm，沟深35 cm，每小区作5垄，每个垄种植两行。水稻水分管理分3个时期：前期(栽秧-分蘖期):水淹过垄、畦面3～5 cm；中期(分蘖-拔节期)：水位降至秧蔸；后期(拔节-成熟期)：沟内一直保持半沟水。水稻收获后排水降低水位，将沟内的稀泥扶到垄上，稻茬(50～60 cm，4700～4850 kg·hm-2)覆盖，种植油菜。油菜生长期间，沟内水位5～10 cm(即垄露出水面20～25 cm)，保持垄埂浸润，第二年油菜收获后将油菜残茬(1400～1750 kg·hm-2)和杂草(1650～1800 kg·hm-2)埋在沟底，灌水，水面与垄顶齐平，种植水稻。每个处理小区面积为4 m×5 m，4次重复，随机区组排列。每个小区种植350穴水稻。各处理小区施肥量均相同。各处理施肥量均为：尿素273.1 kg·hm-2；过磷酸钙500.3 kg·hm-2；氯化钾150.1 kg·hm-2。每年水稻都是过磷酸钙作底肥一次施用；尿素用量的2/3作底肥，1/3作追肥；氯化钾底肥和追肥各半。水稻追肥在5月下旬，播种、施肥、水分管理一致。2017年水稻品种是Y两优6号，籼型两系杂交水稻品种，长江中下游作中稻种植，全生育期138.4 d。土壤性质见表1。

表1 不同耕作模式土壤的基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties under different tillage methods

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Values followed by different small letters within the same column are significant differences at theP<0.05 level, the same bellow.

1.3 测定项目与方法

分别于2017年6月6日(分蘖期，tillering)、6月21日(拔节期，elongation)、7月5日(抽穗期，heading)、8月14日(成熟期，maturity)进行水稻全株采样，测定水稻不同器官的氮、磷、钾含量，并进行水稻的根系扫描。

1.3.1根系形态指标测定 每个小区取5株稻株，以每穴水稻根为中心，挖取20 cm×20 cm×15 cm的土块，先用流水冲洗，然后用农用压缩喷雾器将根冲洗干净，先用根系扫描仪EPSON (PERFECTIONV 700)进行图像扫描，后采用Win RHIZOPRO 2012软件进行分析和计算，获得总根长(cm)、总根表面积(cm2)、总根体积(cm3)和根系平均直径(mm)等指标参数，换算为比根长[m·g-1root DW(dry weight)]、根表面积(cm2·cm-3)和根长密度(cm·cm-3)。

比根长(m·g-1root DW)=根系长度/根系质量
根表面积(cm2·cm-3)=根系面积/根系采集体积
根长密度(cm·cm-3)=根系长度/根系采集体积

1.3.2氮、磷、钾含量的测定 分别于水稻分蘖盛期、拔节期、抽穗及成熟期，按各小区的平均分蘖数各取代表性稻株 5株, 分根、茎、叶和穗4部分，所有样品在105 ℃下杀青30 min，而后在70 ℃下烘干至恒重并粉碎。植株各器官粉碎样品用H2SO4-H2O2在42 ℃下消化1 h，采用半微量凯氏定氮法测定全氮含量，钒钼黄法比色法测定全磷含量，火焰光度计法测定K+含量[19]。氮、磷、钾比值是整株植株的加权平均数计算而得。

积累量(accumulation)=某生育期单位面积植株根茎叶穗氮(磷、钾)的积累量

养分累积速率(accumulation rate)以单个生育期每公顷植株干物质的氮(磷、钾)增加的kg数表示。

1.3.3计产和考种 收获成熟期于每个小区选5穴采样进行考种，考种测定项目：有效穗数、实粒数、总粒数，用百分之一天平称量并折算成千粒重。水稻成熟后，按小区收割脱粒后测定实际产量。

结实率(%)=100饱粒数/总粒数
理论产量(kg·hm-2)=有效穗数×穗粒数×结实率×千粒重

1.4 数据处理

利用SPSS 18.0对不同灌溉处理下的水稻产量、根系特性、养分含量等进行方差分析(analysis of variance，ANOVA)及Duncan多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同耕作模式下水稻的产量

长期耕作模式的不同会显著影响水稻产量(表2)。垄作免耕的实际产量达8750.8 kg·hm-2，显著高于水旱平作与冬水田(P<0.05)。就理论产量和有效穗数而言，垄作免耕分别比冬水田和水旱平作高3.2%、7.2%和6.2%、6.4%。

表2 不同耕作方式对水稻产量及其构成因素的影响Table 2 Effects of different tillage treatments on yield and yield components of rice

2.2 不同耕作模式水稻不同生育期的根系发育差异

3种耕作模式下，水稻拔节至成熟期的比根长和根长密度均有逐渐降低的趋势；而水稻分蘖至抽穗期的根表面积和根平均直径均有逐渐增加的趋势(图1)。其中，拔节期垄作免耕的根长密度显著高于水旱平作(P<0.05)，分别为19.38和18.07 cm·cm-3，且拔节期的根长密度最高。在水稻生育期，除分蘖期，垄作免耕的根表面积均高于水旱平作和冬水田。在抽穗期，垄作免耕根表面积最高达1.74 cm2·cm-3，分别比冬季休闲处理和水旱平作增加了3.37%和6.71%。比根长在水稻整个生育时期，呈逐渐下降趋势。

2.3 水稻不同生育期不同器官N、P、K含量以及累积量差异

随着水稻生育期的推进，根茎叶的氮含量呈显著降低趋势(图2)。相较于根系和茎秆，水稻4个生育期的叶片氮含量均最高。水稻植株内磷含量与氮不同，整个生育期内含量变化较小。不同生育期磷含量表现为根系>茎秆>叶片。垄作免耕水稻分蘖期根系磷含量，分别比冬水田和水旱平作高了30.9%和5.6%。水稻4个生育期的茎秆中钾含量均显著高于叶片和根系，在水稻分蘖期和抽穗期均表现为垄作免耕显著高于冬水田和水旱平作(P<0.05)，拔节期垄作免耕水稻的钾浓度分别比冬水田和水旱平作处理高了1.3%和13.8%。

3种耕作模式中，水稻在生长前期的氮、磷主要集中在茎秆和叶片中(图3)。抽穗期至成熟期，穗部来源于根系、叶片和茎鞘氮、磷素的转运，在籽粒中累积量最高。水稻各个生育期的钾素均在茎秆中累积量最高。在抽穗期，垄作免耕水稻的茎叶中氮、磷、钾累积量显著高于水旱平作(P<0.05)，说明垄作免耕能显著提高抽穗期氮、磷、钾在茎叶中的累积。成熟期垄作免耕水稻籽粒中氮累积量分别比冬水田和水旱平作增加了24.8%和14.3%。在抽穗期，垄作免耕水稻根系、茎秆中的磷累积量最高，分别比冬水田和水旱平作增加了9.2%、11.0%和13.1%、33.2%。水稻拔节期和抽穗期茎秆中钾累积量，垄作免耕比水旱平作显著高了26.7%和59.7%(P<0.05)。

图1 不同耕作模式不同生育时期根长密度、根表面积、比根长和根平均直径Fig.1 Dynamics of root length density, surface area, specific root length and average diameter for rice in different tillage methods under different growing stages FPF：冬水田Flooded paddy field；RNT：垄作免耕Combing ridge with no-tillage；CT：水旱平作Conventional paddy-upland rotation tillage. 同一生育期内不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。Different small letters in the same stage mean significant differences among treatments (P<0.05), the same bellow.

2.4 水稻不同生育期的N、P、K累积速率

水稻整株氮(0.11～0.32 kg·hm-2·d-1)、磷(0.03～0.10 kg·hm-2·d-1)、钾(0.04～0.73 kg·hm-2·d-1)累积吸收均持续至成熟期，钾累积速率最高，磷累积速率最低(图4)。在抽穗期，垄作免耕水稻氮、磷、钾的累积速率均高于冬水田，显著高于水旱平作(P<0.05)，分别比冬水田和水旱平作增加了33.6%、20.8%、31.8%和36.9%、42.7%、32.6%。在抽穗期，水稻氮、磷、钾的累积速率最高，而拔节期水稻氮、钾的累积速率均在0.30 kg·hm-2·d-1，说明水稻生长前期对氮、钾的累积相比磷更高。

2.5 不同耕作模式水稻不同生育期的N、P、K比例变化

水稻整株的N∶P和K∶P均随生育期推进，逐渐降低，成熟期最低(图5)。N∶P和K∶P均呈现垄作免耕最高(3.6～5.9和3.1～7.2)，水旱平作最低(2.8～5.8和3.1～5.5)，但两者差异不显著。在拔节期和成熟期，垄作免耕水稻的N∶P显著高于水旱平作(P<0.05)。水稻整株的N∶K在分蘖期到抽穗期显著降低，在抽穗期到成熟期呈上升趋势，垄作免耕的N∶K在分蘖期到抽穗期均最低，说明水稻生长前期，垄作免耕能提高K的吸收利用。

图2 不同生育时期不同器官氮、磷、钾的含量Fig.2 N, P, K contents of rice in different organs in different growing stages

图3 不同生育时期不同器官氮、磷、钾的积累量Fig.3 N, P, K accumulations of rice in different organs in different growing stages

3 讨论

垄作免耕将平面地表形态转变为垄沟相间后，土壤耕作层增厚5～15 cm，成为人工堆垒的根系活动层，可使作物根系远离冷浸层而少受危害[14]。本研究表明水稻的拔节期，垄作免耕的根长密度、根表面积和比根长均显著高于水旱平作。水稻根系生长的垄埂层中没有静水层，导致土壤曝气、氧化还原电位升高，土壤硫化物等还原性有害物质降低[20-21]。研究表明轻度降低土壤水分或交替湿润方式，能提高根系活跃吸收面积和根系α-萘胺氧化活力，促进根系快速生长[16,22]。垄耕土壤在干湿交替下，氧化还原反应最为频繁，有机质氧化和生物体活动增加，改善根系吸收、增加分蘖和有效穗数及提高光合速率，为增产提供有利条件[23]。

Roy等[10]最新研究表明，与持续灌溉相比，间歇灌溉水稻的成熟期不同器官P含量较低，而水稻对K的吸收一般较高。本研究中，抽穗-成熟期水稻根系以及成熟期茎秆和籽粒的P含量，垄作免耕较常规平作处理低，分蘖期-抽穗期垄作免耕水稻茎秆的K含量相较于常规平作处理显著增加。Somaweera等[12]设置了4种灌溉梯度(持续灌溉-表土干燥后灌溉等)，发现所有灌溉处理水稻对氮、钾的吸收持续至成熟期，而对磷的吸收仅持续到成熟期前2周，水分限制主要降低了组织中P的累积量，而不是P含量。也有研究表明干旱胁迫在短期内对植物磷的负面影响更大(<90 d)，而在干燥-再湿润循环中没有显著影响[24]。起垄后的垄埂土壤高于水面，相比淹水环境的适度湿润可能使得成熟期水稻中茎秆和籽粒的P含量降低。本研究中随着水稻生育期的推进，水稻N、K含量呈现显著降低的趋势，而P含量总体上在分蘖盛期最高，这与前人研究结果基本一致[7]。

图4 不同耕作模式不同生育期氮、磷、钾的累积速率Fig.4 N, P, K accumulation rates of rice in different tillage methods under different growing stages

图5 不同耕作模式水稻不同生育期的N、P、K比例变化Fig.5 N, P, K content ratios of rice in different tillage methods under different growing stages

邹长明等[25]对8个两系杂交稻品种进行研究时，发现抽穗期水稻氮积累量与稻谷产量的相关性最强，中后期的磷钾素吸收与稻谷产量无相关性。本研究中，在水稻抽穗期茎秆中氮、磷、钾累积量，垄作免耕较水旱平作分别显著增加了49.3%、33.2%和59.7%，整株氮、磷、钾的累积速率也显著提高。抽穗期是水稻干物质和氮、磷、钾的快速积累期，相较于水旱平作，垄作免耕水稻根茎叶的P含量并没有显著变化，而P累积量显著增加。研究表明，水氮互作条件下，抽穗期氮、磷、钾的累积与各养分结实期转运总量及各养分转运间均有极显著正相关性(r=0.86**～0.97**)[11]，也就是说在养分吸收的关键时期，垄作免耕以水调肥的耕作模式相较于水旱平作和冬水田，有显著的氮、磷、钾吸收累积优势，而各养分有效累积为产量的提高提供了保证。水稻较强的营养吸收对叶片生长至关重要，营养积累和再移动的比例较高，能增加叶片光合速率，延迟叶片衰老，从而提高地上生物量的累积和籽粒产量[26-28]。在本研究中成熟期垄作免耕水稻籽粒氮累积量，分别比冬水田和水旱平作增加了24.8%和14.3%，垄作免耕的水稻实际产量达8750.8 kg·hm-2，显著高于水旱平作与冬水田，水稻产量与籽粒氮钾累积量均在垄作免耕中最高。综上，氮、磷、钾的吸收和转运效率较高的原因主要是，相较于传统的冬水田和水旱平作，垄作与免耕相结合的模式更有优势[13]：垄作以改变水田地表形态为起点，创造了垄沟相间的微地形，使土壤依靠毛管水的浸润，由于毛管力和吸引力，不断供给垄埂作物充足的养分[29]。而免耕不仅能够保持水土，减少养分流失；还能稳定土壤结构，利用生物代耕降低能耗，在保证不断提高土壤肥力[15]的同时，促进水稻生长，进而提高产量。

N∶P和N∶K在水稻生长初期最高，且随着生育期的延长逐渐降低，表明在水稻生长初期，氮对水稻生长有重要作用。垄作免耕水稻不同生育期的N∶K最低，而K∶P则最高，表明K的重要性增加(相比水旱平作和冬水田，垄作免耕水稻对钾的吸收利用增加)。水稻拔节和抽穗期茎秆中钾累积量，垄作免耕比水旱平作分别高了26.7%和59.7%。一方面钾在土壤中很少吸附，垄作免耕稻田的水分运移形式改变后，钾随毛管上升水源源不断地输送到垄埂土壤，即使在水稻吸收钾的高峰期，自然免耕土壤的速效钾仍保持较高的浓度[15,29]，促进了有机质和矿质养分的增加[14,30]。另一方面垄作免耕扩大了土体界面，使得一部分土壤与大气和太阳辐射直接接触[31]，增加了土壤微生物数量和酶活性，加速残茬腐解[32]。垄作免耕对土壤可溶性K+的影响显著，进而提升氮、磷、钾的分配和利用，为水稻高产提供保证。在南方稻区，推广此种耕作模式，不仅减少了劳动力，而且可以提高经济效益。

4 结论

垄作免耕的实际产量达8750.8 kg·hm-2，显著高于水旱平作与冬水田(P<0.05)。在拔节期，水稻的根长密度、根表面积和比根长，垄作免耕均显著高于水旱平作(P<0.05)。分蘖-抽穗期，垄作免耕水稻茎秆的K含量相较于水旱平作与冬水田处理均显著增加(P<0.05)。在抽穗期，垄作免耕显著提高了水稻对氮、磷、钾的累积速率(P<0.05)，使得抽穗期根茎叶与成熟期籽粒的氮、磷、钾累积量较水旱平作均显著增加(P<0.05)。水稻在分蘖-抽穗后期，垄作免耕水稻的N∶K最低、K∶P最高，表明垄作免耕能有效地增加水稻对K的综合吸收利用。综上，垄作免耕能增强根系特性，显著增加水稻对氮、磷、钾的吸收和累积，从而实现稻田的高产高效。