土壤压实对水稻根系发育及产量的影响

肖芬芳 潘霞 张智清 陈信信 姬长英

摘要：随着水稻生产机械化水平的不断提高，人们对于自走式水田田间管理机械的需求日益增加。研究机械压实对水稻根系发育及产量的影响，给改进和设计新型水田田间管理机械的行走装置提供理论依据，进行不同压强下的水田土壤压实试验，得到相应的水稻成根数量、主根长度、主根直径及单穴产量，利用SPSS软件对其进行单因素方差分析，计算回归方程并设计试验验证回归方程的准确性。方差分析结果表明，压实对水稻根系发育及产量有显著影响，且由验证试验可知，在误差小于5%范围内，可用Y1=233.107-1.921X1、Y2=32.344-0.260X2、Y3=154.557+4.268X3、Y4=836.982-4.505X4分别对该试验压实载荷范围内具体压强下的成根数量、主根长度、主根直径、单穴产量进行预测。试验得出，机械压实会对成根数量、主根长度、主根直径产生显著影响，随着压实程度的增加，成根数量减少，主根长度减小，主根直径增大，单穴产量下降。

关键词：水稻;土壤压实;根系发育;产量

中图分类号： S511.06  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）10-0098-04

收稿日期：2019-04-15

基金项目：南京农业大学大学生创新训练计划资助项目（编号：1830B06）。

作者简介：肖芬芳（1998—），女，湖南衡阳人，研究方向为农业机械化。E-mail：fenfx@qq.com。

通信作者：姬长英，博士，教授，主要从事农业机械化研究。E-mail：chyji@njau.edu.cn。

作为我国主要粮食作物和重要口粮，在我国大陆，水稻遍布除青海省以外的所有省份[1]，尤以秦岭淮河以南的中国南部以及东北平原最为集中[2]。其常年种植面积约为3 000万hm2，占全国粮食种植面积的30%左右，稻谷产量约2亿t，占全国粮食总产量的40%左右，平均产量大于6 t/hm2，是单产最高的粮食作物[3]。而在我国，水稻生产中的病害有61种，虫害达78种，每年因病虫害造成的损失高达400万～500万t，占总产量的2.0%～2.5%[4]。因此，开展水田田间管理作业，对水稻常见病虫害进行针对性的防治，对促进我国水稻增产稳产，提高经济效益具有十分重大的意义[4-5]。

随着我国农业机械化水平的不断提高，水田田间管理机械的应用日益广泛，如水稻追肥施用机械[6]、水稻植保机械[7]等，其中植保机械大体可分为植保车式[8]、担架式[9]、飞机式[10]和背负式[11]4种。夏海荣等通过试验证明了植保车的综合防治效果最好[12-13]。无论是应用植保车对水稻进行病虫害防治还是应用自走式水稻追肥施用机械进行施肥，在完成工作任务的同时，均不可避免地会对土壤和作物生长带来一些负面影响，而土壤压实就是其中不可忽视的问题之一[14]。相比水稻生长前期，水稻生长的中后期是各种病虫害的多发时期[15]，也是病虫害防治的最關键时期，也正是在这个时期，水田田间管理机械压实土壤的问题最为严重。

目前，国内外学者关于土壤压实对作物根系发育的研究多集中在旱地作物[16-17]上，相关的成果也较多。例如，Dalvan等研究了土壤压实对大豆和玉米生长发育的影响，发现土壤压实带来的土壤容重和应力增加、孔隙度降低将直接导致根系伸长所需克服的阻力增加，影响其正常伸长，而只能水平生长，从而在降低根长度的同时改变其分布[18-19]。李立成研究了土壤压实对扦插植物根系生长的影响，指出因机械阻力增大和养分吸收受阻的双重原因导致的植物根系粗壮、数量下降，都将导致根系获取水肥的能力下降，最终导致植株产量降低[20]。但迄今为止，关于水田土壤压实或水田田间管理机械的接地压力对水稻生长发育影响的研究鲜有报道。

为了给自走式水田田间管理机械设计提供科学依据，以尽量减少这类机械对土壤和作物发育的不良影响，本试验进行了水田机械压实对水稻根系发育和水稻产量影响的初步研究。为了更好地控制试验条件，也为了工作的方便，水稻移栽在木制容器中，以加载板模拟车轮对土壤压实。获得了不同压实程度下水稻的根系数目、主根直径和长度以及以单穴稻籽粒数计量的产量，并对结果进行了分析。由于本试验中籽粒数也可准确地表达压实对产量的影响，因而选用单穴稻籽粒数计量的产量。

1 材料和方法

1.1 仪器设备

水稻种植用木箱（2.5 m×0.6 m×0.6 m）4个;千分尺1个;直尺1个;取土器、铝盒及环刀若干个。自制的土壤压实装置（图1）1个。土壤压实装置上面的平板用于加载，下面的平板用于压实土壤，其尺寸为100 mm×200 mm。

1.2 试验方法

种植水稻用土壤为壤土，取自于南京农业大学浦口校区。在土壤装入木箱前，用孔径为5 mm的筛子进行过筛，以除去土壤中的硬块和石子等大颗粒物质，避免其对试验造成影响。将土壤与基肥（尿素 5.6 kg/箱）混合装入木箱并平整，土层厚约为 40 cm。然后灌水并使水深一直保持在8～10 cm之间。所用水稻品种为南粳46，移栽时间为2018年7月2日，秧龄为20 d，行距为30 cm，穴距为 15 cm，插秧深度为 2～3 cm，每穴3株。每2周人工除草1次，8月初撒施追肥（硫酸铵0.056 kg/箱）、喷洒农药（18%杀虫双水剂0.51 g/箱）。

2018年8月30日进行压实处理。为了得到土壤机械阻力均匀的压实土壤，压实时采用准静态（缓慢均匀）加载方式，加载后保持2 s，然后卸载（将加载板抬起）。加载区域为种植箱中部 100 mm×200 mm，两端作为空白对照。对1～4号种植箱内土壤施加的压实载荷分别为8.0、20.0、32.5、25.0 kPa。这样安排的目的是在数据处理时将4号箱的结果作为验证数据。图2为移栽后35 d 1号箱水稻的生长情况。

在2018年10月8日水稻收获时，随机在1、2、3、4号箱的压实区域中各取水稻5穴;未压区域中各取水稻2穴，然后再从这8穴中随机选取5穴作为空白对照（对应0 kPa处理）。对各穴样品进行标号（X-1、X-2、X-3、X-4、X-5），数出各穴水稻籽粒数后，取根部运至实验室，慢慢去土、测量。记录各穴根的数量，利用直尺测出各穴主根长度，利用千分尺测出各穴主根直径。取平均值时，按四舍六入尾留双取整。

1.3 数据处理与分析

采用IBM SPSS Statistics 25对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 压实载荷对水稻成根数量的影响

不同压实载荷下每穴水稻最终发育成根的数量具体如表1所示。

从表1可以看出，在不同压力载荷作用下，水稻成根数目组间差异性明显，即压实会减少成根数。具体来说，相比受0 kPa压实的水稻或空白对照，受8.0 kPa压实的水稻，成根数量减少了7.69%;受 20.0 kPa 压实的水稻，成根数量减少了15.81%;受32.5 kPa压实的水稻，成根数量减少了27.35%。

为分析水稻成根数组间差异的显著性，用SPSS软件对其进行方差分析并求回归方程，结果如表2所示。

由方差分析结果可知，压实载荷对水稻的成根数量有显著影响，其线性回归方程为Y1=233.107-1.921X1（X1表示压实载荷，Y1表示成根数）。从表2可以看出，模型的F值为198.366，远大于F0.01（1，18），模型的拟合度为0.917，校正R2为0.912，表明在试验条件范围内，压实载荷与水稻成根数量之间有显著线性相关关系。

2.2 压实载荷对水稻主根长度的影响

不同压实载荷下每穴水稻最终发育成的主根长度具体如表3所示。

为分析水稻主根长度组间差异的显著性，用SPSS软件对其进行方差分析并求回归方程，结果如表4所示。

从表3、表4可以看出，在不同压实载荷作用下，主根长组间差异性明显，即压实可显著减小主根长度。具体来说，相比受0 kPa压实的水稻或空白对照，受8.0 kPa压实的水稻，其主根长减少了 6.30%;受20.0 kPa压实的水稻，主根长减少了 16.56%;受32.5 kPa压实的水稻，主根长减少了25.90%。

由方差分析结果可知，压实载荷对水稻主根长度有显著影响，其线性回归方程为Y2=32.344-0.260X2（X2表示压实载荷，Y2表示主根长度）。另外可以看出，模型的F值为219.197，远大于F0.01（1，18），模型的拟合度为0.924，校正R2为0.920，表明在试验条件范围内，压实载荷与水稻主根长度之间有显著的线性相关关系。

2.3 压实载荷对水稻主根直径的影响

不同压实载荷下每穴水稻最终发育成的主根直径如表5所示。

为分析水稻主根直径组间差异的显著性，用SPSS软件对其进行方差分析并求回归方程，結果如表6所示。

从表5、表6可以看出，不同压力作用下，主根直径组间差异明显，即压实可显著增加主根直径。具体来说，相比于受0 kPa压实的水稻或空白对照，受8.0 kPa压实的水稻，其主根直径增大了 25.94%;受20.0 kPa压实的水稻，主根直径增大了53.13%;受32.5 kPa压实的水稻，主根直径增大了92.71%。

由方差分析结果可知，压实载荷对水稻主根直径有显著影响，其线性回归方程为Y3=154.557+4.268X3（X3表示压实载荷，Y3表示主根直径）。另外从表6可以看出，模型的F值为257.371，远大于F0.01（1，18），模型的拟合度为0.935，校正R2为0931，表明在试验条件范围内，压实载荷与水稻主根直径之间有显著线性相关关系。

2.4 压实载荷对水稻单穴产量的影响

不同压实载荷下每穴水稻产量的试验结果如表7所示。

从表7可以看出，在不同压力载荷作用下，水稻产量组间差异性明显，即压实可显著降低水稻产量。具体来说，相比于0 kPa的压实强度或空白对照，受 8.0 kPa 压实的水稻，其单穴产量降低了 4.44%;受 20.0 kPa 压实的水稻，单穴产量降低了10.37%;受32.5 kPa压实的水稻，单穴产量降低了17.66%。

为分析水稻产量组间差异的显著性，用SPSS软件对其进行方差分析并求回归方程，结果如表8所示。

由方差分析结果可知，压实载荷对水稻产量有显著影响，线性回归方程为Y4=836.982-4.505X4（X4表示压实载荷，Y4表示单穴产量）。另外从表8中可以看出，模型的F值为768.455，远大于F0.01（1，18），模型的拟合度为0.977，校正R2为 0.976，表明在试验条件范围内，压实载荷与水稻产量之间有显著的线性相关关系。

3 回归拟合程度验证

根据以上试验得到的压实载荷与成根数、主根长度、主根直径、单穴产量之间的回归方程，可以得到，当压实载荷为25 kPa时（即4号箱处理方式），成根数应为185根，主根长应为 25.844 cm，主根直径应为261.257 μm，单穴产量应为724粒。

由表9可知，根数目、主根长度、主根直径、单穴粒数的试验结果和预测结果的相对误差分别为 1.4%、3.3%、4.1%、1.97%，误差小，验证结果有力地说明了拟合方程的准确性。

4 结论

通过试验研究了在水稻生长中后期水田土壤压实对水稻成根数、主根长度、主根直径及单穴产量的影响。结果表明，土壤压实对水稻成根数、主根长度、主根直径及单穴产量影响显著。随着压实载荷或压实程度的增加，水稻成根数减少，主根长度降低，主根直径增加，水稻产量减少。在试验范围内，作用于土壤上的压实载荷与水稻成根数、主根长度、主根直径及单穴产量可用线性关系描述。

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