深耕分畦栽培对土壤通气性及生姜幼苗生长的影响

贾 切，张天晓，李 港，3，朱永兴，蔡小东，刘奕清

（1. 长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025；2. 荆州农业科学院，湖北 荆州 434000；3. 重庆市幅沅农业生物技术研究院有限公司，重庆 402160）

生姜是植物姜（Zingiber officinaleRoscoe）的根状茎，具有活血、驱寒、抗氧化、降胆固醇等功效，是天然的食药同源保健蔬菜和中药材[1]。2019年全球生姜净贸易量为72 万t，而我国占52.5 万t，约占四分之三[2]。生姜是我国的特色蔬菜，其种植面积和产量居世界首位，已成为助力国家乡村振兴战略的特色高效产业。由于生姜为肉质膨大贮藏根茎，不耐土壤积水，因此，在多雨高湿地区种植容易造成生姜根系腐烂、生长缓慢、病害严重等危害，严重制约着我国生姜种植产业的高质量发展[3]。

目前，有关生姜高产栽培技术的研究主要集中在覆膜保墒、遮荫控光、平衡肥水以及套种增效等方面[4‐6]。何进等[7]研究发现，开沟种植能显著提高土壤含水率，促使冬小麦和夏玉米的水分利用效率分别提高7.4%和1.5%。深耕土壤及开沟促进小麦植株生长，其原因为能使根系保持较高的超氧化物歧化酶与硝酸还原酶活性，降低丙二醛和可溶性蛋白含量，进而提高根系在土壤中的活力[8]。烟草种植试验表明，深耕土壤可显著改善土壤的容重、孔隙度等特性，促进植株的根、茎、叶干物质积累，使上等烟叶的比例提高10%[9]。开沟分畦种植还能够有效改善土壤速效养分的吸收利用和调节土壤pH值，使烟草植株的有效叶片数和株高分别显著增加1.4片和11%[10]。上述相关研究表明，深耕及分畦的耕作措施不仅能够显著改善土壤的孔隙度、导水导气性，而且还能有效提高植株的根系活力和生长活性，进而促进植物地上茎叶及地下根系的健康生长。然而，有关生姜种植过程中土壤的深耕导气、分畦排水等方面的研究却少有报道。4—5 月春夏之际，正值生姜播种与多雨高湿的特殊生产季节，易引起土壤较长时间积水及生姜烂种，鉴于此，提出深耕分畦栽培方法，研究其对土壤孔隙度、通气性变化以及对生姜烂种率、根系构型、植株生长的影响，为高湿地区生姜高质量栽培提供理论依据与技术参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试品种为长姜1号。试验在湖北省生姜品种及绿色生产技术转化中试研究基地进行。供试土壤为荆州区江汉平原灰油砂土，有机质含量18.3 g/kg，全氮含量637 mg/kg，碱解氮含量45.3 mg/kg，速效磷含量30.2 mg/kg，速效钾含量260.5 mg/kg，pH值7.8。

1.2 试验设计

试验设深耕分畦栽培、中耕栽培（CK）2 个处理，如图1所示。深耕分畦栽培：试验田土壤用挖掘机按照70 cm 的深度标准翻耕1 遍，然后以拖拉机耕耙打碎土壤。试验田块四周按照宽×深为80 cm×100 cm 的标准挖排水沟（图1b），种植土壤每6 m 按照长×宽为42 m×6 m 的标准挖沟分畦，畦间沟标准为宽×深=40 cm×60 cm（图1a）。每畦内顺着长轴方向按照行距为80 cm、宽×深为25 cm×30 cm 的标准挖6 条种植沟。至此，试验田形成四周排水边沟深100 cm、畦间沟深60 cm、种植沟深30 cm 的三梯度分层排水沟网系统（图1c），以利于土壤通气导水和植株根系生长。中耕栽培：种植土壤耕作深20～30 cm，田块四周边沟深40～50 cm，种植沟与深耕分畦栽培相同，无畦间沟（图1d）。

图1 不同栽培方式试验田块Fig.1 Schematic diagram of experimental field by different cultivation

挑选质量为50～70 g/块、健壮无病虫害的姜种，于室内（25±2）℃条件下催芽20 d 左右，把芽粗1 cm以上、长1～3 cm 的姜种，按株距25 cm 播种定植于上述准备好的土壤种植沟中，盖细土5～6 cm 厚，浇透水1 次。试验于2021 年4 月27 日进行田间播种。2个处理均重复3次，每个重复小区面积252 m2，随机区组排列。其他田间管理措施相同。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤通气性 于姜种定植45 d 后在试验处理小区以环刀分别采集深度为0～10、10～20、20～30 cm的土壤样本，每个试验小区按5点取样法采集土样。参照杨杰瑞[11]的方法，测定土壤容重、含水率、总孔隙度和通气性。土壤容重=土样干质量/环刀体积，土壤含水率=（土样鲜质量-土样干质量）/土样干质量×100%，土壤总孔隙度=1-土样容重/土样比重，土壤通气性=土样总孔隙度-土样含水率×土样容重。

1.3.2 生姜幼苗生长指标 于姜种定植45 d 后调查姜种出苗率、腐烂率、姜苗生长情况。用卷尺测量株高（茎基部至最高生长点），用游标卡尺测量茎基部的茎粗，观测叶片数、地上部鲜质量和干质量。采集生姜幼苗完整根系，用清水洗净擦干，以根系扫描仪（LD-WinRHIZO，莱恩德智能科技）扫描根系，并利用WinRHIZO professional software 2007 version（Regent Instruments Inc，Quebec，Canada）软件统计总根长、根表面积、根体积、根直径、根尖数。参照邓永兴等[12]的TTC法测定根系活力。

1.3.3 生姜幼苗叶片光合参数 利用便携式光合仪（LI-6400，美国Li-COR 公司）在晴朗天气9：00—11：00 测定生姜幼苗叶片的光合参数。每2～3 min自动采集心叶以下第2～3 片叶的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度。测定时采用LED红蓝光源，光强设置为1 000µmol/（m2·s）。

1.4 数据处理

以Excel 软件计算数据平均值和标准误差，用DPS（version15.10，杭州睿丰信息技术有限公司）软件进行数据差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 深耕分畦栽培对土壤通气性的影响

如表1 所示，在0～30 cm 深的土层中，深耕分畦栽培的土壤容重为1.42～1.49 g/cm3，与对照无显著差异。在0～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm 的3 个土层中，深耕分畦栽培的土壤总孔隙度分别为39.6%、38.7%、37.1%，均显著高于对照；深耕分畦栽培土壤含水率分别是13.5%、16.0%、16.3%，均显著低于对照；深耕分畦栽培土壤通气性分别为20.4%、15.8%、13.7%，分别比对照提高316.3%、558.3%、585.0%，差异均达到极显著水平。因此，在2021 年5 月份持续多雨少晴天的特殊气候条件下，土壤深耕70 cm，开挖排水沟（100 cm 深）、畦间沟（60 cm深）和种植沟（30 cm 深）所形成的三梯度分层排水系统，能够有效地提高土壤的总孔隙度、通气性，降低田间土壤含水量。

表1 深耕分畦栽培对土壤通气性的影响Tab.1 Effects of deep tillage and border dividing cultivation on soil air permeability

2.2 深耕分畦栽培对生姜幼苗根系的影响

从田间生长45 d 的生姜幼苗根系扫描结果看，深耕分畦栽培的根系生长状况明显优于对照（图2）。根系构型分析（表2）结果表明，深耕分畦栽培田间生长45 d 生姜幼苗的总根长、根表面积、根体积、根直径、根尖数分别为302.8 cm、312.4 cm2、65.3 cm3、1.6 mm、843.6 个，均高于对照。其中，总根长、根表面积和根尖数均极显著高于对照，分别比对照提高88.5%、96.1%和62.7%；根体积与对照之间存在显著差异；而根直径与对照之间无明显差异。此外，深耕分畦栽培的生姜幼苗根系活力为0.069 mg/（g·h），与对照之间存在显著差异，比对照提高46.8%。由此表明，土壤深耕分畦栽培，不仅提高了土壤的总孔隙度、改善了土壤导水透气性，而且还能促进生姜幼苗根系的健壮生长并增强根系活力。

图2 不同栽培方式定植45 d的姜苗根系Fig.2 Scanning diagram of ginger root colonized for 45 d by different cultivation

表2 深耕分畦栽培对生姜幼苗根系构型和活力的影响（田间生长45 d）Tab.2 Effects of deep tillage and border dividing cultivation on growth and activity of ginger root（field growth for 45 d）

2.3 深耕分畦栽培对生姜幼苗生长的影响

从田间生长45 d 的生姜幼苗形态看，深耕分畦栽培的姜苗植株生长情况明显优于对照（图3）。由表3 可知，深耕分畦栽培的生姜烂种率为4.4%，比对照极显著降低35.7 个百分点；田间姜种出苗率为94.4%，比对照提高102.1%，差异极显著。深耕分畦栽培生姜幼苗的株高、茎粗、叶片数、鲜质量和干质量分别为52.5 cm、10.8 mm、9.2 片、48.5 g、3.2 g，5 个指标均显著高于对照，分别比对照提高90.9%、80.0%、70.4%、54.5%、52.4%。由此表明，土壤深耕分畦栽培，不仅促进了生姜幼苗根系的生长，而且还能够解决土壤积水引起的生姜烂种和姜苗沤根烂根的问题，进而促进田间姜种出苗率提高，且姜苗生长健壮整齐。

表3 深耕分畦栽培对生姜幼苗生长的影响（田间生长45 d）Tab.3 Effects of deep tillage and border dividing cultivation on growth of ginger seedling（field growth for 45 d）

图3 不同栽培方式定植45 d的姜苗形态Fig.3 Morphology of ginger seedling colonized for 45 d by different cultivation

2.4 深耕分畦栽培对生姜幼苗叶片光合作用的影响

从表4 可以看出，深耕分畦栽培姜苗的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度及胞间CO2浓度分别为14.78µmol/（m2·s）、6.87 mmol/（m2·s）、289.6 mmol/（m2·s）、370.5 µmol/mol，分别比对照极显著提高158.8%、210.9%、558.2%、73.1%。由此表明，深耕分畦栽培能够通过提高生姜幼苗的光合效率促进其健康生长。

表4 深耕分畦栽培对生姜幼苗叶片光合作用的影响（田间生长45 d）Tab.4 Effects of deep tillage and border dividing cultivation on photosynthesis of ginger seedling（field growth for 45 d）

3 结论与讨论

随着人们对农业生态环境的要求越来越高，国家提倡实行一系列的保护性耕作制度，如免耕、少耕、休闲耕作等[13]。然而，在实际生产过程中，特别是在高湿地区浅耕甚至免耕容易使土壤排水不畅，导致生姜种植出现烂种沤根、长势缓慢和病害频发等问题[14]。因此，系统研究深耕分畦的栽培方式对于我国高湿地区种植生姜等肉质根茎类作物具有重要的实践意义。

深耕能够改善土壤疏松透气性，在加速地面径流和水分下渗，提高土壤保水能力的同时，还能使作物根系更易向下生长，提高其对土壤水分、养分的吸收利用效率[15‐16]。在本研究中，深耕分畦的栽培方式能增加生姜田间土壤的总孔隙度，显著提高土壤的通气性和导水性。好的土壤环境是种子快速萌发和根系健康生长的必要条件。谢明惠等[17]发现，适宜的土壤湿度（60% RH）和土壤深度（4～6 cm）条件具有良好的透气导水特性，有利于花生种子的萌发和生长。本研究结果表明，深耕分畦栽培方式不仅大幅降低生姜烂种率（仅为4.4%），提高姜种的出苗率（94.4%），而且还能有效促进幼苗根系生长，其总根长和根尖数比对照提高88.5%和62.7%，根表面积和根体积比对照提高96.1%和64.1%，生姜幼苗的根系活力也进一步增强，进而促进生姜幼苗根系健康生长。

疏松透气、适度保水的土壤环境还能促进植株地上部分的生长。尚庆文等[18]研究发现，容重较小的土壤，其孔隙度较大，最大持水量较高，有利于生姜植株生长和产量提高。本研究也得到了类似的结果，深耕分畦栽培生姜株高比对照提高90.9%，茎粗也比对照增加80.0%，主茎叶片数比对照多3.8片，植株的鲜质量和干质量均比对照提高50%以上。合适的栽培方式利于植株的光合作用。起垄栽培方式能使油菜苗期叶片的净光合速率提高9.8%，气孔导度增加40.5%，蒸腾速率增加63.7%，胞间CO2浓度降低10.3%[19‐20]。本研究显示，深耕分畦栽培生姜幼苗的光合参数也表现出类似的结果，如净光合速率比对照提高158.8%，蒸腾速率比对照提高210.9%，气孔导度比对照提高558.2%，胞间CO2浓度比对照提高73.1%。

耕作是农事生产过程中的重要农艺措施之一，它不仅关系到所种植作物的品质和产量，而且还会对农田有效利用、土壤肥水保持、病虫草害防治及生态环境保护等产生深远的影响[21‐28]。本研究中，深耕分畦栽培方法既可减小土壤的容重，增大其孔隙度，为植株生长创造疏松透气的有利环境；又可在田间形成三梯度分层排水的沟网系统，在一定程度上降低土壤含水率，提高土壤导水透气性。该方法对于北方干旱或半干旱地区可能不宜，但是对我国长江中上游高湿地区的作物栽培却具有渗水排渍透气的优越性，能及时排出土壤多余水分，避免田间土壤积水引起烂种沤根的普遍危害发生。因此，深耕分畦栽培方法可为多雨高湿地区肉质根类作物的高质量栽培提供有益参考。