垄作稻鱼鸡共生对水稻根系生长性状的影响

梁玉刚，陈奕沙，陈 璐，孟祥杰，陈 灿，黄 璜，余政军

(1.湖南农业大学 农学院，湖南 长沙 410128；2.农业农村部华中地区作物栽培科学观测试验站，湖南 长沙 410128； 3.湖南省稻田生态种养工程技术研究中心，湖南 长沙 410128；4.湖南农业大学 经济学院，湖南 长沙 410128)

我国水稻常年种植面积约0.3亿hm2，总产量约占全国粮食总产量的40%，约有 65%的人口以稻米为主食，保持水稻稳产与增产对国家粮食安全与社会稳定具有重要意义[1-2]。水稻稳产与高产很大程度上取决于植株根系保持良好的形态结构以及较高的生理活性，根系不仅是激素、氨基酸和有机酸等有机物质合成的重要部位，也是吸收水分和养分的重要器官[3]，同时根系保持良好的形态结构以及较高的生理活性有利于地上部的生长和产量的增加[4]。水稻根系形态主要是由一次不定根和各级分枝的侧根等在土壤空间的分布和构成所决定的[5]，其中根系干物质、根冠比、根数、根长、根体积、根直径等指标是根系形态的重要构成部分，根系形态能够影响根系有机物质合成、物质转运和生理活性等的强弱，进而影响作物地上部的生长发育和产量的形成[6]。水稻根系生理活性可以用根系氧化活力、根系伤流液、根系酶活性、根系分泌物等指标进行判断，其中根系氧化活力作为评判根系生理活性强弱的重要指标，其强弱与水稻根系酶活性和代谢强度密切相关，也是水稻地上部高生物量持续积累和生育后期保持叶片较高的光合速率，获得高产的保障[7]。前人研究表明，垄作栽培能增加作物根长密度、根表面积和比根长[8]，促进根系生长[9]，提高根系活力、根系生长量和根系脲酶与转化酶的活性[10]，根系更为发达且多分布在土壤表层[11]，有利于根系对土壤养分的吸收[12-13]。水稻根系形态结构的改善和生理活性的提高，利于减缓植株衰老，促进水稻籽粒灌浆结实，从而有利于产量的增加[14]。尤其是水稻生育后期，此时也正是根系活性走向衰老的时期，因此，采取适当的调控措施延缓水稻生育后期的根系衰老，对水稻产量形成和籽粒灌浆具有重要意义。

垄作栽培作为我国农业耕作上的两大体系之一[15]，现已广泛应用于多种农作物的生产，如小麦、玉米、马铃薯、水稻、大豆、油菜等，并获得了较好的增产效果[16]。众多学者研究表明，垄作栽培技术优势主要表现在：培肥土壤、提高肥料利用率、增温保湿、提高水分利用率、利于农田生态系统碳汇形成、提高光合能力、使作物的生长环境得到协调，促进作物生长，利于作物稳产及增产[16-20]。稻鱼共生模式在我国有着悠久的历史，几乎与稻作发展史一样悠久[21]，前人对稻鱼共生模式的基础理论、内在作用机理及技术研发、应用与推广等方面做了大量研究，领域涵盖水稻生长生育、经济效益、土壤结构与质量、生物多样性、抗病除草、水体环境质量和温室气体排放等[22-24]。目前，有关垄作栽培养鸡养鱼下根系形态结构和生理活性的研究甚少。为此，本研究通过垄作稻鱼鸡共生、垄作稻鸡共生、垄作稻鱼共生和常规水稻垄作栽培的田间对比试验，调查水稻分蘖期、孕穗期、齐穗期、乳熟期和成熟期的根系形态结构和生理活性等相关指标，探究垄作稻鱼鸡共生下水稻根系形态结构与生理活性的变化规律，从而为水稻垄作栽培养鸡养鱼模式提供一定理论科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验分别于2018,2019年5-10月在湖南省长沙县路口镇明月村(28°40′38″N， 113°29′48″E)科研示范基地进行。该地区属于亚热带季风湿润气候，雨水充沛，无霜期长，土壤相对肥沃，以种植双季稻为主。水稻品种为农香32，湖南省农业科学院水稻所选育；鱼的品种为工程鲫鱼，鸡的品种为湖南本地麻鸡；复合肥料的养分含量为N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15，总养分≥45%；尿素的养分含量为总氮含量≥46.40%。

1.2 试验设计

试验采取随机区组设计，设水稻垄作养鸡养鱼(RFC)、水稻垄作养鱼(RF)、水稻垄作养鸡(RC)和常规水稻垄作栽培(CK)4个处理，3次重复，共12个小区，小区长20 m，宽6 m，小区面积120 m2。水稻移栽前，4个处理均采用起垄机起垄，于起垄前基施复合肥料720 kg/hm2。起垄前1 d，稻田灌水，水层保持2 cm左右为宜。起垄规格 (图1) 为：垄肩与垄肩之间的距离120 cm，垄底与垄底之间的距离20 cm，垄顶距垄底的高度45 cm，单垄一侧宽50 cm。2018，2019年分别于6月16日和5月5日育秧，7月8日和5月30日移栽，水稻移栽于垄沟两侧(垄沟一侧肩上和中部各一行)，并保持株距为25 cm，行距为20 cm，每穴4株。CK处理采用化学除草剂控制田间杂草，RF、RC和RFC处理均不喷施除草剂。CK处理除草剂喷施48 h后，小区灌水(以不淹没水稻心叶为宜)，同时10 d内严防各小区串水。投放鸡鱼前7 d，每小区追施尿素，尿素用量为155 kg/hm2。水稻整个生育期内，肥料总用量为纯N 180 kg/hm2， P2O5108 kg/hm2和K2O 108 kg/hm2。水稻投放鱼苗前，沟中水位保持在15～20 cm左右；投放鱼苗后，沟中水位整体保持在30 cm以上，结合水稻分蘖实际情况适当增减水位；晒田及水稻收获前7 d沟中水位保持在10 cm左右。水稻插秧15 d，RFC和RF处理投放5～8 cm长的鲫鱼6 000尾/hm2，配养草鱼600尾/hm2。RFC和RC处理投放30日龄个体质量350 g左右的鸡苗900只/hm2。养鸡和养鱼处理采用尼龙网、竹竿、铁丝等构建防逃防敌害设施，且于小区合理位置搭建鸡棚以供鸡休息和投喂食料。投放前期采用人工投喂稻谷引导鸡在田中均匀作业，每天检查田间设施以及观察鸡、鱼活动和水质等情况，并严防鸡鱼外逃和天敌对鸡鱼的伤害。水稻收获前将鸡收回，稻鸡、稻鱼共育时间约为80 d。水稻收获后，将沟中水位加深至35 cm左右，使鱼继续养殖于垄沟中，11月中旬将鱼收回(大气平均温度低于15 ℃)。

图1 垄作稻鱼鸡共生示意图Fig.1 Diagram of rice-fish-chicken symbiosis pattern under ridge cultivation

1.3 测定项目与方法

1.3.1 根系形态调查 2018,2019年均于水稻分蘖期、孕穗期、齐穗期、乳熟期和成熟期进行取样，每小区分别取代表性植株5蔸和3蔸。每次取样前先用取样铲在稻田挖出水稻根系生长的剖面图，即在水稻根系周围挖长30 cm，坡宽25 cm，深45 cm，用以观察水稻根系在土壤中大致生长范围，以此在水稻取样时尽最大程度减少对水稻根系的损坏。取样完成后于田间做简单处理后带回实验室，用剪刀将水稻茎基部剪断(茎与根的连接处)，并将水稻茎秆、叶片和穗分离，并单独装袋，于105 ℃杀青30 min，80 ℃下烘干48 h，测定地上部茎、叶和穗干物质积累量。随后小心清除根系所带泥巴，并用清水快速将根系洗净，调查每蔸根系长度、根系体积、根系总数等，其中根系长度为最长根长(根基至根尖的长度)，根系总数采用人工数取，根系体积采用排水法测定，根系干物质采用105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量，称质量。水稻每蔸茎秆、叶片和穗的干物质量之和即为每蔸地上部总干物质量，每蔸地上部总干物质量与每蔸根系质量的比值即为根冠比。

1.3.2 根系生理性状调查 根系氧化活力：2018，2019年分别于齐穗期、齐穗+7 d和齐穗+15 d，每小区取样3蔸测定根系氧化活力，水稻根系氧化活力采用α-萘胺氧化法测定[25]。

根伤流液：水稻根系伤流液收集采用切断自然根压法进行收集[26]， 2018，2019年均于齐穗期、齐穗+7 d和齐穗+15 d，每小区选取3蔸具有平均茎蘖数的水稻植株，距离地面约15 cm处用剪刀剪去植株地上部分进行伤流液收集，收集时间为当日18:30-次日6:30，随后带回称质量，收集后质量和收集前质量的差值即为水稻根伤流液质量。

1.4 数据分析

数据处理和图表绘制分别在Microsoft Excel 2007和Microsoft Word 2007下进行，采用SPSS 22.0软件进行统计分析，采用最小显著差法(LSD)进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 垄作稻鱼鸡共生对水稻根系干物质量的影响

由表1可知，2 a中4个处理下水稻根系干物质量在分蘖期-齐穗期均增加，齐穗期-成熟期均减小。2 a中RFC处理下分蘖期-成熟期的水稻根系干物质与CK差异均未达到显著水平(P>0.05)；RC处理除2019年乳熟期显著高于CK外，其余时期与CK差异也均未达到显著水平(P>0.05)；RF处理下水稻根系干物质量在分蘖期-成熟期均较CK显著降低(P<0.05)，降幅24.62%～50.70%。2 a中RFC和RC处理间水稻平均干物质量在分蘖期-成熟期差异不显著。

表1 不同处理的水稻根系干物质量Tab.1 Rice root dry matter accumulation of different treatments g

2.2 垄作稻鱼鸡共生对水稻根冠比和根系体积的影响

由表2可知，2 a中水稻根系体积在除2019年RF和CK处理外的其他处理的分蘖期-齐穗期均呈增加趋势，而在所有处理的齐穗期-成熟期均呈减小趋势，其中水稻根系体积值以RFC处理下齐穗期最高(2018年64.34 cm3，2019年55.05 cm3)，以RF处理值最低(2018年42.12 cm3，2019年28.59 cm3)。2 a中RFC和RC处理下分蘖期-成熟期水稻根系体积差异均不显著，且除2018年分蘖期外均较CK有所增加，增幅分别为0.77%～14.05%和0.10%～13.88%，其中在2018年成熟期和2019年齐穗期与成熟期差异均达到显著水平(P<0.05)；RF处理较CK均呈降低趋势，减幅7.80%～47.45%，除2018年分蘖期外，其余时期均达到显著水平(P<0.05)。2 a中RFC、RC和CK处理水稻根冠比在分蘖期-成熟期均值较RF处理增加，且在2018年分蘖期-成熟期和2019年齐穗期-成熟期差异均达到显著水平(P<0.05)；2018年中RFC、RC和CK处理间的根冠比无显著性差异(P>0.05)，2019年中RFC和RC处理间两者无显著差异，但整体略优于CK处理。

表2 不同处理的水稻根系体积和根冠比Tab.2 Rice root volume and root shoot ratio of different treatments

2.3 垄作稻鱼鸡共生对水稻根数和最长根长的影响

由表3可知，2 a中RFC和RC处理下分蘖期-成熟期水稻根数较对照有增加趋势，但除2019年齐穗期RFC与CK处理达到显著差异 (P<0.05) 外，其余时期处理间差异均未达到显著水平(P>0.05)；RF处理水稻根数在分蘖期-成熟期均较RFC、RC和CK呈减少的趋势。2 a中4个处理下水稻最长根长在分蘖期-齐穗期均增加，齐穗期-成熟期均减小，以RFC处理在齐穗期最高(2018年35.67 cm，2019年35.72 cm)，RF处理最低(2018年33.45 cm，2019年30.73 cm)。水稻最长根长在2018年各时期及2019年分蘖期不同处理间差异均不显著(P>0.05)，在2019年孕穗期RC显著高于RF(P<0.05)，齐穗期RFC和RC显著高于RF(P<0.05)，乳熟期RFC显著高于RF(P<0.05)，成熟期RFC、RC和CK均显著高于RF(P<0.05)。

表3 不同处理的水稻根数和最长根长Tab.3 Rice root number and maximum root length of different treatments

2.4 垄作稻鱼鸡共生对水稻根系氧化活力的影响

由表4可知，2 a中4个处理在齐穗期-齐穗+15 d的水稻平均根系氧化活力均呈降低趋势。2 a中RFC和RC处理较CK的水稻根系氧化活力在齐穗期-齐穗+15 d均有所增加，增幅分别为2.15%～13.48%和0.64%～10.05%，其中在2018年齐穗期和齐穗+7 d差异均达到显著水平(P<0.05)；RF处理水稻根系氧化活力均较CK显著降低(P<0.05)，降幅为10.49%～21.68%；RFC与RC处理间水稻根系氧化活力差异均不显著(P>0.05)，但均显著高于RF处理(P<0.05)。

表4 不同处理的水稻根系氧化活力Tab.4 Rice root antioxidant activity of different treatments μg/(g·h)

2.5 垄作稻鱼鸡共生对水稻根系伤流液的影响

由表5可知，2 a中4个处理在齐穗期-齐穗+15 d的水稻平均根系伤流液均呈降低趋势，其中RFC处理由齐穗期的37.64 g/株降至齐穗+15 d的28.84 g/株，RC处理由37.21 g/株降至28.58 g/株，RF处理由26.18 g/株降至17.14 g/株，CK处理由35.83 g/株降至27.39 g/株。2 a中RFC和RC较CK处理在齐穗期-齐穗+15 d水稻根系伤流液有所增加，除2019年齐穗期RFC和CK处理差异达到显著水平(P<0.05)外，其余时期均未达到显著水平(P>0.05)；RF处理下水稻根系伤流液均较CK显著降低(P<0.05)，降幅为24.39%～39.25%；2 a中水稻根系伤流液在RFC和RC处理间差异不显著(P>0.05)。

表5 不同处理的水稻根系伤流液Tab.5 Rice root bleeding sap of different treatments g/株

3 讨论与结论

3.1 垄作稻鱼鸡共生对水稻根系形态结构的影响

水稻根系形态结构的形成除受自身品种影响外，还受栽培措施(耕作方式、栽培密度等)、管理方式(水分调控、施肥水平等)和外界环境因素(光照、温度、氧气、土壤质地等)等多重因素的影响。水稻能否形成良好的根系形态结构决定着作物地上部干物质积累量、产量形成和品质改良。已有研究证实，垄作栽培[27]和稻鱼共生[28]对水稻根系形态结构的形成均有一定的促进作用，同时干湿交替灌溉的环境也使水稻根系干物质量、深层根系(10～20 cm)的干物质量、根冠比、根表面积和根数等显著增加[29]，利于根系形态结构的形成。蔡昆争等[30]研究表明，表层根系的比重适当降低，深层根系的比重适当增加有利于提高水稻产量。本试验研究发现，与CK处理相比，2 a中水稻垄作养鱼(RF)处理在水稻根数、最长根长、根系体积、根冠比和根系干物质在分蘖期-成熟期均减小；水稻垄作养鸡养鱼(RFC)和水稻垄作养鸡(RC)处理水稻根数、最长根长、根系体积和根系干物质在分蘖期-成熟期均有所增加(部分指标差异显著)，一方面可能是水稻与鸡在田间共作期间，通过鸡不断排泄的粪便，粪便中含有丰富的碳、氮等营养物质且结构简单，易被微生物分解[31]，对土壤结构和肥力起到调控、缓冲和促进作用，且通过改善土壤孔隙，增加土壤溶液滞留时间，减少土壤养分的流失[32]，土壤结构的改善和养分的增加，有利于促进根系的生长；另一方面是鸡在田间捕食、穿梭等活动，有利于水稻群体通风透光和田间小气候环境的改善，以及垄上保持湿润的土壤微环境利于水肥气热更好地发挥优势，更有利于垄作稻鱼鸡共生模式下根系的生长及形态结构的形成。本研究还发现，除RC处理于2019年分蘖期和孕穗期外，RFC、RC和CK处理水稻根冠比均显著高于RF处理，适当提高根冠比能够控制和协调地下部和地上部生长，也是地上部和地下部协同生长的重要体现[33]。

3.2 垄作稻鱼鸡共生对水稻根系氧化活力的影响

水稻生长后期根系氧化活力越强，越有利于促进根系对营养物质的吸收和转运，延缓叶片衰老，提高光合效率，利于植株地上部干物质的积累，从而有利于水稻籽粒灌浆与产量的形成[34-35]。本试验研究发现，2 a中RFC较CK处理水稻根系氧化活力在齐穗期-齐穗期+15 d均有所增加，而RF较CK处理均显著降低。从RFC和RC处理的结果来看，这与前人的研究较为一致，而从RF处理来看，又与前人的研究结果有所不同[28]。分析其主要原因，一方面是RF处理采用垄作栽培方法，水稻移栽后，垄沟水位保持在15 cm左右，使得垄肩区域无法覆盖灌溉用水而保持半干旱半湿润的状态，以及复合肥料采用基施，进而导致杂草出土且快速生长[36]；水稻移栽15 d后，投放的鸡苗和鱼苗后，为保障鸡在田间的活动空间，垄肩区域还是保持湿润无水状态，致使鱼无法有效防控垄肩区域杂草的发生，加上水稻生长前期植株无法形成有效的遮蔽作用，利于杂草出土且快速生长，致使水稻生长后期形成严重的草害，并与水稻争夺光照、养分供应和生长空间，成为限制水稻生长的关键因子之一[37]，影响水稻后期根系的生长，加速根系的衰老；而RFC和RC处理通过鸡的活动，对杂草形成有效防控，加上鸡排泄的粪便和田间小气候的形成，有利于水稻细根、嫩根的产生和生长，使得水稻根系保持较高的活力。另一方面是以往的稻鱼共生模式多采用水稻平作栽培下开挖沟渠蓄水养鱼，水稻移栽后田间保持水层，以控制田间杂草的出土与生长，待鱼无法取食水稻苗后，加深田间水位，将鱼放入稻田，对杂草起到进一步防控作用，杂草控制率可达85%以上，进而控制杂草种类和数量，使其无法形成草害[38-39]，鱼活动于稻田，对土壤起到疏松作用，其排泄的粪便利于培肥土壤，进而促进水稻根系的生长和根系氧化活力的提高[28]。

3.3 垄作稻鱼鸡共生对水稻根伤流液的影响

根系伤流液的强度不仅能够衡量根系整体机能状况，也是衡量根系生理活性的重要指标[40]，并且根系伤流液中的蛋白质、可溶性糖、激素、氨基酸等物质，对植株的生长及信号调控具有重要的作用[41]。前人研究表明，轻度干湿交替灌溉能够促进根系向深层土壤生长，提高根系生理活性，进而促进养分的吸收及同化，增加根系合成有机物质[42]。本研究发现，与RF处理相比，RFC、RC和CK处理的根系伤流液均显著增加，其中RFC和RC处理增幅大于CK。主要基于稻田由平作改成垄作后，增加了土壤表面积和作物的生长空间[27]，垄埂土壤为毛管水浸润，出现气相，利于水肥气热等环境因子的协同，改善土壤团粒结构[8]和根际环境的通气性[43]；同时垄肩区域保持干湿交替，土壤处于还原、氧化交替变化过程，有利于提高根系的碳氮代谢和养分的吸收利用[38]，促进强健根系形态的建成和地上部的生长。

水稻垄作栽培养鸡养鱼作为稻田综合种养的新型模式，其中水稻垄作养鸡和水稻垄作养鸡养鱼处理植株根系形态构成指标略优于常规水稻垄作栽培(其中部分指标达显著水平)，且在水稻生长后期保持较高的生理活性，利于减缓根系衰老进程，为水稻地上部良好的生长发育和产量的形成奠定基础；水稻垄作养鱼的根系形态构成和生理活性的各项指标均劣于常规水稻垄作栽培，加快了水稻衰老进程，需采取合理的调控措施防控田间杂草和虫害的发生，进而保证水稻正常的生长发育。