不同栽培措施对土壤微观结构及水稻产量的影响

2020-12-16袁莉民周天阳陈良顾骏飞王志琴杨建昌

生态环境学报 2020年10期

袁莉民，周天阳，陈良，顾骏飞，王志琴，杨建昌

江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学农学院，江苏扬州 225009

水稻是中国农业生产第一大作物，种植面积约占全球23%，稻谷产量占全球的30%以上（Cao et al.，2010）。长期以来，全国有超过60%的人口以大米为主食，稻米消费量稳居全国粮食消费量第一（余四斌等，2016）。水稻的生长发育离不开土壤，土壤通过根系供给植物生长发育所需要的水分、养分、空气和热量，是植株正常生长发育的基础（Rampazzo et al.，1998；Pardo et al.，2000）。

自从1925年微结构的概念由太沙基（Terzaghi）提出以来，有关土壤微观结构的研究已经走过了90多年的发展历史。土壤微观结构取决于矿物土壤颗粒（沙粒、粉粒和粘粒）与有机物之间的相互作用，最终形成了大小和稳定性不同的聚集体（Tisdall et al.，1982）。目前已有多种方法应用于土壤微观结构的分析，例如电子显微镜、光学显微镜、偏光显微镜、X射线衍射、扫描CT等（Foster，1988），主要研究内容包括组成土的各单元体的结构联结及排列组合、孔隙特征，土壤颗粒的组成、形状、大小、表面特征、力学特征等。

土壤的微观结构一般分为 3种类型：单粒结构、蜂窝结构和絮状结构（Casagrande，1932；Terazaghi，1943；Lambe，1958）。土壤的微观结构特征决定了土壤的物理、化学和生物学特性，并在土壤的保水性、保肥性、通气性和透水性方面起着重要作用，进而影响土壤微观结构稳定性和土壤的宏观生产力（Six et al.，2000）。土壤团聚体既是土壤颗粒的聚合体也是组成土壤结构的基本单元，是土壤化学和生物过程的综合反映（赵红等，2011）。研究表明土壤团聚体的数量和大小与土壤保水保肥能力有显著的正相关性，而当前高投入农业会对土壤团聚体产生不良的影响（Munyanziza et al.，1997；Lupwayi et al.，2001）。随着人口的增加和城市化的发展，农业研究的重点是找到在保持环境质量的同时提高粮食产量的方法。Debosz et al.（2002）研究表明，可以通过栽培管理实践（例如灌溉，作物覆盖）来改变土壤团聚体分布与大小，最终改变土壤的温度和水分以改善植株生长环境，免耕和腐殖质改良可以减缓干湿交替灌溉而引起的土壤分散或碎裂（Palm et al.，1997）。国内有关学者（杨如萍等，2010；刘威等，2015；王峻等，2018）研究同样表明，免耕覆盖处理和免耕处理、秸秆还田可明显增加土壤中大团聚体的含量，增加土壤固碳固氮的能力。然而目前研究主要集中于单一的栽培方式如免耕、秸秆还田等，关于综合栽培管理方式如前氮后移、增密减氮、干湿交替灌溉、施用有机肥、深翻栽培等对土壤微观结构、植株根系生理性状的影响及其相互关系的研究还不够深入，因此本研究以超级稻品种武运粳24号为供试材料，设置8种栽培管理措施，研究其对稻田土壤微观结构、水稻根系和水稻产量的影响，以期能通过栽培措施的调节，改善根系生态环境质量，提高根系生理活性和氮素吸收利用效率，促进水稻高产稳产，为保证中国农业生态环境健康和国家粮食安全提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与栽培概况

实验于2019年在扬州大学农学院实验农场进行（119.42°E，32.39°N），该地属于亚热带季风气候。前茬作物均为小麦。土壤质地为沙壤土，含有机质24.4 g·kg-1、碱解氮 105 mg·kg-1、速效磷 34.3 mg·kg-1、速效钾 68.2 mg·kg-1；供试品种为武运粳 24号（超级稻，由武进农科所培育而成）。人工模拟机插秧栽培设置育苗、移栽与栽插方案，5月18日浸种，5月23日播种，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日收获。按照当地高产实践通过化学和人工方法控制病虫草害。

1.2 试验设计

试验设置以下8种栽培措施，每处理重复3次，小区面积 30 m2，小区之间筑田埂并用塑料薄膜覆盖，以防肥水串灌。具体栽培方式见表1。

0N：氮空白区（0N）。不施氮肥。施磷量（过磷酸钙，P2O5质量分数为13.5%）90 kg·hm-2，于移栽前作基肥一次性施入。施钾量（氯化钾，K2O质量分数为63%）120 kg·hm-2，分基肥和拔节肥（促花肥）两次使用，前后两次的比例为6∶4。栽插株行距为13.3 cm×30 cm。除生育中期排水晒田外，其余时期保持水层至收获前一周断水。

表1 各栽培措施技术方式一览表Table 1 List of various integrative crop managements

LFP：当地农民习惯（local farmers’ practice）。总施氮量（纯氮，以下同）为300 kg·hm-2，按基肥(移栽前)∶分蘖肥(移栽后 5—7 d)∶促花肥 (叶龄余数3.5)∶保花肥（叶龄余数1.2）（简称全生育期氮肥配比，以下同）=5∶2∶2∶1，栽插株行距为13.3 cm×30 cm。磷、钾肥的施用时间和施用量及水分管理方式同0N处理。

ICM1：综合栽培管理 1（integrative crop management 1）。总施氮量（纯氮，以下同）较LFP处理减少10%，为270 kg·hm-2，关键栽培技术为前氮后移：全生育期肥料配比=4∶2∶2∶2施用。其他同0N处理。

ICM2：综合栽培管理 2（integrative crop management 2）。关键栽培技术为：增密。栽插株行距为10.7 cm×30 cm。其他同ICM1。

ICM3：综合栽培管理 3（integrative crop management 3）。关键栽培技术为精确灌溉：从移栽至返青建立浅水层；返青至有效分蘖临界叶龄期（N-n）前2个叶龄期（N-n-2）进行间隙湿润灌溉，低限土壤水势为-10 kPa；（N-n-1）叶龄期至（N-n）叶龄期进行排水晒田，低限土壤水势为20 kPa，并保持1个叶龄期；（N-n+1）叶龄期至二次枝梗分化期初（倒三叶开始抽出）进行干湿交替灌溉，低限土壤水势为-10 kPa；二次枝梗分化期（倒三叶抽出期）至出穗后10 d进行间隙湿润灌溉，低限土壤水势为-10 kPa；抽穗后11 d至抽穗后45 d进行干湿交替灌溉，低限土壤水势为-15 kPa。各生育期达到上述指标后，即灌2—3 cm浅层水，用水分张力计监测土壤水势。其它同ICM2。

ICM4：综合栽培管理 4（integrative crop management 4）。关键栽培技术为基肥增施菜籽饼肥（含N 5%）2250 kg·hm-2。其他同ICM3。

ICM5：综合栽培管理 5（integrative crop management 5）。关键栽培技术为深翻20 cm（试验地人工挖）。其它同ICM4。

ICM6：综合栽培管理 6（integrative crop management 6）。关键栽培技术为基肥增施硅肥225 kg·hm-2，锌肥 15 kg·hm-2。其他同 ICM5。

1.3 测量项目

1.3.1 土壤颗粒形貌观察

于开花期（8月30日左右）用取土器取大田土壤样品，取样深度均为 0—10 cm，每个栽培措施3个重复。在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动，以免破坏团聚体。将土壤样品晾于阴凉通风处自然风干，过200目网筛，将过筛后的土壤颗粒用双面胶带纸粘贴于样品台上，喷金后使用蔡司GerminiSEM G300型场发射扫描电镜观察其微观形貌。

1.3.2 根系表面积与根系氧化力

于开花期（8月30日左右）在各栽培措施小区取样3穴。参照Yang et al.（2002）方法用α-萘胺法测定根系氧化力，用甲烯蓝法测定根系总表面积与根系活跃表面积。

1.3.3 氮素吸收与利用

参照彭少兵等（2002）计算方法，通过以下公式计算：

氮肥农学利用效率（Agronomic use efficiency N）：

氮肥生理利用率（N Physiological efficiency）

氮肥吸收利用效率（Recovery efficiency）：

氮肥偏生产力（Partial factor productivity）

氮素稻谷生产率（Internal N use efficiencies）：

式中，N为施氮量；Y为水稻产量；Y1为不施氮区稻谷产量；Y2为施氮区稻谷产量；N1为施氮区氮肥用量；N2为施氮区地上部吸氮量；N3为空白区地上部分吸氮量；N4为成熟期水稻植株吸氮量。

1.3.4 考种与记产

取成熟期（10月19日左右）各小区2个10穴用于理论产量的测量，并分别考察每穗粒数、穗数、结实率和千粒质量分析其产量构成因素。另实收各个小区2个1 m2用于实际产量的测量。

1.4 计算方法与数据统计

本试验所有数据用SPSS statistics 19.0软件进行LSD多重比较（P＜0.05），使用Origin软件分析计算土壤颗粒粒径分布，用Microsoft Excel 2013计算平均值和标准差并绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤颗粒形貌

颗粒形态的定量分析包含颗粒大小、颗粒形状以及颗粒表面起伏情况 3个方面。按照粒径的大小将土体颗粒分为四类：＞20 µm的大颗粒、5—20 µm的中颗粒、2—5 µm的小颗粒和小于2 µm的微颗粒。将粒径处于20—50 µm之间颗粒称为粉粒，粒径处于2—20 µm的颗粒称为黏粒，平均粒径小于2 µm的颗粒称为胶粒（Bronick et al.，2005；Tisdall et al.，1982）。本研究SEM低倍观察（见图1）可知，大部分的土壤颗粒处于40—50 μm之间的分布；与LFP栽培措施相比，ICM2、ICM3、ICM4、ICM5和 ICM6等 5种栽培措施下土壤颗粒的数量变多、体积变大。测量不同栽培措施下土壤颗粒直径并统计其粒度分布（结果见表2），结果表明所有栽培方式下的土壤颗粒大小均主要分布在20—50 µm之间即粉粒的含量最多。与LFP栽培措施相比，ICM2、ICM3、ICM4、ICM5 和 ICM6等5种栽培措施提高了20—50 µm和＞50 μm土壤颗粒的分布，减少了2—5 μm和5—20 μm土壤颗粒数量。

本研究 SEM 观察到土壤颗粒多以团聚体形式存在，但不同栽培措施下团聚体的微观结构有变化，呈现出一定的规律性（见图2、3）：LFP、ICM1、ICM2下，团聚体微观结构较对照有变化，主要是团聚体的数目和体积有所变大，与0N相比，团聚体的微观结构变化主要是附着在土壤单体上的片状或块状颗粒有所增加，但蜂窝结构增加不甚明显；ICM3下，团聚体的微观结构与0N相比，主要是附着在土壤单体上的片状或块状颗粒明显增多，且蜂窝结构也明显增加；ICM4下，蜂窝结构明显增加，团聚体蜂窝凹陷处明显出现了菌丝体（图3A）；ICM5下，蜂窝结构比ICM4下的更为丰富，且单个小颗粒上可见若干小孔洞（图3B）；ICM6下，蜂窝结构明显增加；不仅观察到单个小颗粒上的若干小孔洞（图3D），还观察到土壤表面出现有规律的像矿石样的陇状结构，其表面也有很小的孔洞（图3C）。土壤团聚体蜂窝状结构变多，凹陷的蜂窝变宽变深且其微观上出现菌丝体和小颗粒蜂窝化结构，可以改善土壤的保水保肥能力。因此，综合栽培措施通过对土壤团聚体体积和微观结构的改变，为水稻的高产提供了坚实的基础。

2.2 根系表面积与根系氧化力

图1 不同栽培措施下土壤颗粒200倍镜下微观结构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颗粒直径Table 2 Effects of different integrative crop managements on soil particle diameter

图2 不同栽培措施下土壤颗粒600倍镜下微观结构Fig. 2 Effects of different integrative crop managements on soil particle microstructure under 600×

图3 不同栽培措施下土壤颗粒微观结构Fig. 3 Effects of different integrative crop managements on soil particle microstructure

根系活力与根系吸收表面积是水稻根系生理的重要指标，研究表明高产水稻品种一般具有较强的根系活力与较大的根系吸收表面积（Yang et al.，2012）。由图4可知在开花期与LFP栽培措施相比，ICM2、ICM3、ICM4、ICM5和ICM6等5种栽培措施下的根系氧化力显著提高，除ICM2栽培措施外根系表面积与根系活跃表面积表现出一致的规律，表明栽培措施的改进能够提高水稻植株根系生理活性。

2.3 吸氮量与氮素利用效率

由表 3可知，与 LFP相比，武运粳 24号在ICM2、ICM3、ICM4、ICM5和ICM6等5种栽培措施下水稻植株吸氮量、氮肥农学利用效率（AEN）、氮肥生理利用效率（PEN）、氮肥吸收利用率（REN）、氮肥偏生产力（PEPN）和氮素谷物生产率（IEN）均显著增加，与LFP相比，上述5种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%。以上结果表明随着各栽培措施优化（除ICM1），能较LFP处理显著增加植株氮肥吸收量，提高氮素利用效率，增加经济效益。

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产量及其构成因素Table 4 Effects of different integrative crop managements on yield and yield components

2.4 产量及构成因素

由表4可知武运粳24号在ICM2、ICM3、ICM4、ICM5和ICM6栽培措施下的产量均较LFP有显著提高。具体表现为与 LFP 相比，ICM2、ICM3、ICM4、ICM5和ICM6的产量分别提高了8.51%、13.55%、21.85%、26.05%和36.03%。分析其产量与构成因素可知上述各栽培措施下总颖花量均显著提高，千粒质量与结实率的改变较小，因而总颖花量的提高是增产的主要因素。而通过总颖花量的计算发现ICM2、ICM3、ICM4、ICM5和 ICM6栽培措施下每穗粒数显著降低，而穗数显著上升，并最终导致了总颖花量的显著提高。

3 讨论

3.1 栽培措施对于土壤颗粒微观结构的影响

土壤团聚体是土壤的“养分库”，是形成土壤结构的基础，大团聚体能够保护土壤有机C。土壤团聚体通过与微生物、植物根、真菌菌丝、多糖和腐殖质物质的相互作用而形成不同大小和稳定性的团聚体。许多研究表明，与中大团聚体（＞0.25 μm）相比微团聚体（＜0.25 μm）更容易被分解。团聚体的分解会导致存留在团聚体中有机氮、有机碳暴露在空气中进而导致矿化作用，最终导致土壤氮素、碳素的流失（Mikha et al.，2004；Ashagrie et al.，2007；Curtin et al.，2014）。研究土壤团聚体结构与分布是研究土壤微观结构的核心内容，其在很大程度上反映了土壤结构的稳定性与抗蚀性。栽培措施调控包括秸秆还田、施肥方式等土壤改良措施均影响土壤团聚体的组成及其稳定性（高建华等，2010；陈晓芬等，2013；张翰林等，2016）。前人的研究结果表明秸秆还田结合免耕措施、结合生育期施肥等能显著提高土壤水团聚体含量及其稳定性，促进大团聚体形成，提高土壤大团聚体中有机碳的氧化稳定性及全氮含量（孙汉印等，2012；田慎重等，2013）。然而对于干湿交替灌溉、施硅锌肥、深翻栽培等综合栽培管理方式对于土壤团聚体微观结构的影响研究较少。在本研究中运用扫描电镜能够清晰地观察到土壤颗粒微观结构。本研究表明，综合栽培措施尤其是前氮后移、增密减氮、干湿交替灌溉、增施有机肥、深翻栽培、施硅锌肥提高了土壤颗粒中团聚体的数量和体积，土壤团聚体蜂窝状结构变多，凹陷的蜂窝变宽变深且其微观上出现菌丝体和小颗粒蜂窝化结构，增强了土壤保水保肥能力，为水稻高产提供了物质基础。

3.2 土壤颗粒微观结构对水稻植株根系的影响

根系是水稻植株的重要组成部分，根系不仅能够从土壤中吸收养分和水分，同时也可合成许多重要的生理活性物质，在水稻生长发育中起着十分重要的作用（Wang et al.，2006；Zhang et al.，2009）。栽培措施对于水稻根系生理有显著的调控作用。已有研究表明氮肥、有机肥可以促进水稻根系生长发育，提高根系活力，根中酶活性和有机酸含量，从而提高产量与稻米品质（Zhang et al.，2019）。而 Yang et al.（2012）研究表明适度干湿交替灌溉可以显著提高相关根系分泌物、根系活力、根系形态生理水平，促进水稻植株整体发育提高产量。以上研究均从栽培方式对于水稻根系形态、生理指标等方面影响为切入点，而有关土壤颗粒微观结构对水稻植株根系影响研究较少。本研究结果表明，综合栽培管理如干湿交替灌溉和深耕等不仅通过增加土壤团聚体之间的间隙来增加土壤的透气性，还通过增加土壤团聚体的蜂窝结构，直接改善了植株地下部的微生态，根系生长、根系氧化力、根系总吸收表面积与活跃吸收表面积均显著提高，促进了根部对水分、无机盐和肥料的吸收与利用。因此，干湿交替灌溉和深耕等综合栽培管理措施对土壤微观结构的改变为水稻高产提供了生态学基础。

同时根系作为水稻的重要组成部分，不仅是接收与输送养分、水分的基本通道，还可以通过交错、穿插、网络固结、根土黏结等作用，改善土壤理化特性，促进土壤团聚体的形成和稳定，在水土保持中发挥着不可替代的作用。众多对植物根系在土壤团聚体形成与稳定过程中的作用机制开展了大量研究表明根系主要通过网络串连作用、根土黏结作用及根系生物化学作用等 3种方式缠绕、固结土壤，促进土壤团聚体形成和稳定（Gale et al.，2000；Fattet et al.，2011）。土壤大团聚体是通过植物根系、菌丝和微生物分泌物通过物理和化学作用胶结起来的。本研究采用的综合栽培措施为何能提高土壤颗粒中团聚体的数量和体积、增加土壤的蜂窝结构？推测干湿交替灌溉和深耕等栽培措施使得水稻根系生长良好，根系分泌物增加，而有机肥的施用则使得土壤中的厌氧菌和真菌等微生物活跃，微生物分泌物增加，这些措施均让土壤单体粘结更多的片层状和颗粒状的微颗粒，使得土壤颗粒中团聚体的数量和体积增加，研究中我们也确实观察到干湿交替灌溉和有机肥的施用使得微生物菌丝体明显增多。

3.3 栽培措施综合管理对于产量和氮肥利用效率的影响

目前生产上推广的栽培技术如干湿交替灌溉、花后土壤落干、无水覆盖栽培、实地氮肥管理技术、增加密度减少氮肥技术等能够增强植株碳氮代谢、转运和积累的能力，从而大大提高谷物的产量和氮素利用效率（Yang et al.，2003；Yang et al.，2010）。而在本研究中，栽培措施的综合管理包括前氮后移、增密减氮、干湿交替灌溉、增施有机肥、深翻栽培、施硅锌肥与当地农民习惯和对照相比，显著提高了水稻的氮素利用效率，最终提高了产量与经济效益。