株行距配置对超高产田水稻产量及根系形态生理特性的影响

董立强 杨铁鑫 李睿 商文奇 马亮 李跃东 隋国民

株行距配置对超高产田水稻产量及根系形态生理特性的影响

董立强 杨铁鑫 李睿 商文奇 马亮 李跃东*隋国民

(辽宁省水稻研究所, 沈阳 110101；*通信联系人，email: daozuosuo@126.com)

【目的】研究不同株行距配置对超高产田水稻产量的影响，明确增密栽培模式增产的机理。【方法】于2020－2021年以辽粳419为试材，以农户习惯栽培(LFM)、常规增密配置(CHMD)、窄行增密(NHDM)和两种宽窄行配置(WNHDM1和WNHDM2)共计5种模式为处理，以水稻根系形态和生理特性及产量为主要研究内容，探究株行距配置对超高产田水稻产量及根系形态生理特性的影响，阐明增密模式水稻根系分布与产量构成因素的关系，揭示水稻超高产田增密模式水稻增产的机理。【结果】同LFM相比，WNHDM1和WNHDM2分别提高有效分蘖数19.24%和18.16%，单穗成粒数、结实率等保持稳定；WNHDM1和WNHDM2行内(窄行)区域根系指标较其他模式并未降低，而行外(宽行)区域差异较大，总根长、总根径、总根表面积、总根体积及总根干质量在两个生长季平均增加21.07%和26.76%、10.71%和9.18%、21.13%和26.77%、21.15%和27.62%及23.48%和29.71%；齐穗期和灌浆期水稻根系形态指标与有效穗数和产量正相关。【结论】优化株行距配置增密模式，为水稻提供了根系行内、行外不对称生长空间，形成了根部边际效应，提高了水稻群体根干质量、根系表面积和根体积并保持了较强的根系氧化力，促进有效穗的形成，达到增产的目的。

水稻；超高产；根系形态生理特性；株行距配置

合理密植是实现水稻高产的重要措施之一，超高产田栽培的发展趋势是在稳定单穗重的前提下，适当提高移栽密度，合理增加群体数量，以实现水稻产量的突破[1-2]。根系是作物吸收水分和养分的主要器官，其生长状况直接影响作物地上部的生长发育。水稻根系与产量关系密切，受耕作模式、栽培措施和土壤环境等多因素调控[3-6]。其中，高移栽密度种植模式同时调整水稻地上部和地下部的生长及发育，协调群体结构配置与根系区域分布[7-9]。利用栽培技术建立科学合理的株行距配置，最大程度提高水稻群体质量和根系质量，是超高产田水稻产量突破的重要技术手段[10-12]。

水稻品种、种植方式、水分优化管理方案、肥料优化方案、耕作措施等方面的研究[4,8,13-16]均已证明，水稻抽穗期或者抽穗20 d后稻米产量随着不定根数、不定根总长度和根体积的增加而显著提高，且该时期水稻根系氧化力和籽粒灌浆速率的变化最为显著，但这些研究主要集中在根系形态和生理特性，对超高产田株行距配置下根系的区域分布研究较少。因此，本研究拟通过分析机插株行距配置增密栽植模式下水稻产量构成变化特征及其对水稻齐穗期、灌浆期的根系形态指标、氧化力的影响，以期从稻田根系区域分布角度揭示适宜超高产田水稻产量提升和根系生长发育的内在机制。这对进一步理解水稻超高产田增密栽植模式、根系分布适应机理和产量形成等均具有重要的理论和实践指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验品种与地点

供试品种为辽粳419，由辽宁省水稻研究所提供，属辽宁省中晚熟穗粒兼顾型品种，平均产量10 380 kg/hm2，具有13 500 kg/hm2产量潜力，每穗粒数128.7粒，千粒重24.5 g。

大田试验地点为辽宁省灯塔市柳条寨镇辽宁省水稻研究所试验基地(123.18°E,41.49°N)。该地属于北温带大陆性气候，常年平均气温8.8℃，年平均无霜期171 d。雨量充沛，主要集中在夏季，年总降水量平均为686.0 mm左右。为辽宁中部平原稻区，地区水稻种植面积和平均产量均处于辽宁省内较高水平。

试验区土壤初始pH值为6.2，有机质含量为2.63%，全氮含量为1.24 g/kg，全磷含量为0.41 g/kg，全钾含量为16.8 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为89.3 mg/kg、46.4 mg/kg、83.9 mg/kg。根据超高产田认定标准和全国第二次土壤普查数据及2018－2019年度预试验产量结果，该试点可作为该地区超高产田试验区域[17,18]。结合水稻超高产管理模式和供试品种特性，对施肥比例和施肥量调整为纯N施用量300.0 kg/hm2(缓释尿素+磷酸二铵，按基肥∶分蘖肥∶穗肥=6∶3∶1施用)；纯P(磷酸二铵)施用量69.0 kg/hm2，全部基肥施入；纯K(氯化钾)施用量75.0 kg/hm2，钾肥基肥和穗肥等量施入。

试验区采用井水灌溉，采用“薄水活棵，晾田(湿润)促蘖，灌跑马水，干湿交替”水分管理原则。采用秧苗带药移栽、生物诱捕器、关键生育期药剂飞防和抗逆免灾生物免疫剂喷施等方式，进行超高产田的管理[19, 20]。

1.2 试验设计

大田试验于2020和2021年进行，设置以下5种栽植模式处理(表1)，LFM(农户习惯栽培模式)、CHMD(常规增密配置模式)、NHDM(窄行增密模式)、WNHDM1(宽窄行配置模式1)、WNHDM2(宽窄行配置模式2)。5种模式机械化实际移栽面积不低于6670 m2，即移栽不低于200行，每行不低于100 m，移栽后在各模式随机区组单独划分3处200 m2作为试验调查区。

移栽后在调查区内选择苗情长势均匀一致的连续20穴(相邻行各10穴)，避免取样后造成边际误差，取样时期分别在两端取样，按照每穴所占面积逐一安置相应体积大小尼龙网布，以相应尺寸硬板携尼龙网布垂直置入(图2)，深度40 cm，并用竹签固定各方位尼龙网布后，将硬板、竹签依次取出，以备齐穗期及齐穗期后20 d根系取样用，每个处理3次重复。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生长动态

茎蘖动态：水稻移栽后至齐穗期每7 d进行一次茎蘖数调查，根据分蘖动态得出最大分蘖数。

1.3.2 产量及其构成因素

水稻产量：完熟期后使用久保田988收割机进行机械化收获，剔除取样缺失产量后，折合14.5%含水量折算计产。

水稻产量构成因素：大面积收获前，每个小区选取长势均匀一致的10穴植株，用于室内考种，测定单位面积有效穗数、每穗粒数，结实率，千粒重等。

水稻成穗率：有效穗数与最大分蘖数百分比。

图1 2020和2021年试验区水稻生长季气象数据

表1 本研究中的株行距配置

1.3.3 根系指标

根系指标：分别于齐穗期与齐穗后 24 d(对应生育时期为灌浆中期)，在各调查区各取2穴(相邻行)水稻根系样品，每穴以移栽行向为中轴线，植株中心为中点划分行内(IN)、行外(OUT)对根系进行切割，以土壤表层为起点向下划分0－10 cm根层、10－20 cm根层(图2)，使用缓流清水冲洗干净后，使用根系扫描仪(EPSON1680，日本)扫描根系，再使用根系分析系统(WinRhizo Pro2004a)进行分析，计算根长、根直径、根体积、根表面积、根质量等根系形态学指标。测定根系总吸收表面积与根系活跃吸收表面积。取3穴根系用于测定根系氧化力，测定方法参考Chu等[21]。

1.4 数据统计与分析

应用Excel软件进行数据整理，利用SPSS 20.0软件进行数据单因素方差分析，使用Origin软件绘图。

2 结果与分析

2.1 株行距配置对超高产田水稻产量及其构成因素的影响

对超高产田水稻产量及其构成因素分析表明(表2)，2020年与2021年产量表现趋势一致，均以WNHDM2最高，WNHDM1次之，2种模式显著高于其他模式，LFM最低；有效穗数LFM最低，较增密模式减少60.2～76.0万/hm2，差异显著；每穗粒数LFM最高，除2020年WNHDM2外，显著高于其他处理；结实率LFM最高，2年分别为93.3%、91.9%，CHMD最低；千粒重各处理间差异不显著，为24.8～25.6 g。

图2 田间结构及隔根示意图

表2 株行距配置对超高产田水稻产量及其构成因素的影响

表中数据为平均数±标准差，样本数=3。同一年度同一列内不同字母表示在=0.05 水平上差异显著。

Data in the table are means ± standard deviation with three replicates. Different letters indicate significant difference at= 0.05 probability level within a column in a year. PP, Productive panicle number; PPR, Productive panicle rate; FG, Full grain number per panicle; SSR, Seed setting rate; TSW, 1000-grain weight; AY, Actual yield.

2.2 株行距配置对超高产田水稻茎蘖动态的影响

对超高产田水稻茎蘖动态分析可知(图3)，随着生育期的推进，各模式的茎蘖数均表现为先增加后降低，最终稳定在有效穗数的趋势。基本苗数CHMD、NHDM、WNHDM1相对较高，为80.6万～83.8万/hm2，LFM基本苗最低，2年分别为66.4万、66.2万/hm2，且茎蘖数最低一直保持到成熟期，2年有效穗数分别为359.4万/hm2、349.0万/hm2；拔节期、抽穗期NHDM茎蘖数最高；齐穗期CHMD茎蘖数最高。成熟期WNHDM1有效穗数最高，2020年为428.8万/hm2，成穗率为82.2%，NHDM次之，有效穗数为426.4万/hm2，成穗率为79.1%；2021年WNHDM1有效穗数为427.4万/hm2，成穗率分别为81.5%；WNHDM2次之，穗数为425.1万/hm2，成穗率为85.1%

2.3 株行距配置对超高产田水稻形态生理特性的影响

2.3.1 根长

对超高产田水稻齐穗期、灌浆期不同区域分布根系长度进行分析(图4)，年际间变化规律一致，2021年不同模式间差异较2020年度略大，且不同模式间差异灌浆期较齐穗期大，宽窄行增密模式较LFM模式变化大，OUT区域较IN区域变化大。根系多数分布于0－10 cm耕层，LFM、CHMD、NHDM模式行内外空间配置一致，总根长表现趋于相同；WNHDM1、WNHDM2由于宽窄行形成总根长差异，表现为宽行区总根长增加，齐穗期10－20 cm耕层和灌浆期0－10 cm耕层差异更明显。LFM模式在灌浆期总根长最小，2020年和2021年分别为37.79×106和37.62×106m/hm2，CHMD、NHDM、WNHDM1和WNHDM2模式分别提升11.76%和16.34%、16.23%和20.68%、19.91%和27.47%及22.22%和26.05%。

图3 株行距配置对超高产田水稻茎蘖动态的影响

图4 株行距配置对超高产田水稻根长的影响

2.3.2 根直径

对超高产田水稻齐穗期、灌浆期不同区域分布根系直径进行分析(图3)，齐穗期LFM的根系直径在2个耕层行内外均为最大值；除2021年0－10 cm区域最大外，灌浆期WNHDM2的根直径最大；齐穗期、灌浆期在2个耕层行内外均为CHMD根直径最小，NHDM次之。同一模式下，0－10 cm与10－20 cm不同耕层、IN与OUT不同区域、齐穗期与灌浆期不同生育时期根直径差异不大。CHMD模式在灌浆期根直径最小，2020年和2021年分别为2.35和2.38 mm，LFM、NHDM、WNHDM1和WNHDM2模式分别提升8.84%和8.81%、3.73%和3.70%、8.79%和8.90%及12.62%和9.45%。

2.3.3 根表面积

对超高产田水稻齐穗期、灌浆期不同区域分布根系表面积进行分析(图6)，在0－10 cm与10－20 cm不同耕层、IN与OUT不同区域、齐穗期与灌浆期不同生育时期根表面积均为LFM模式最低，4种增密模式均可提高根系表面积。除2021年度WNHDM1、WNHDM2的OUT区域较IN区域增加外，其他模式齐穗期IN与OUT区域根系表面积趋于一致。灌浆期WNHDM1、WNHDM2模式的根系表面积较大，且10－20 cm耕层较其他模式增加显著。LFM模式在灌浆期根表面积最小，2020年和2021年分别为2372.46和2354.37 m2/hm2，CHMD、NHDM、WNHDM1和WNHDM2模式分别提升11.71%和16.16%、15.28%和19.70%、20.13%和26.55%及22.14%和26.99%。

图5 株行距配置对超高产田水稻根系直径的影响

2.3.4 根体积

对超高产田水稻齐穗期、灌浆期不同区域分布根系体积进行分析(图7)，0－10 cm耕层根体积大于10－20 cm耕层，同一模式、同一生育时期内IN区域和OUT区域变化趋势一致，不同模式各时期、区域均为LFM模式根体积最低。齐穗期4个增密模式差异不大，灌浆期模式间差异显著，WNHDM1、WNHDM2处于较高水平，CHMD、NHDM的IN与OUT区域变化一致，2021年WNHDM2的OUT区域均处于同一范围最高值。LFM模式在灌浆期根体积最小，2020年和2021年分别为28.04和27.91 m3/hm2，CHMD、NHDM、WNHDM1和WNHDM2模式分别提升11.71%和16.26%、15.83%和20.27%、20.05%和26.98%及22.24%和28.27%。

2.3.5 根干质量

对超高产田水稻齐穗期、灌浆期不同区域分布根系干质量分析(图8)，年际间变化规律一致，0－10 cm耕层根系干质量大于10－20 cm耕层。LFM模式为各时期、区域耕层均为最低值；各处理均表现为灌浆期较齐穗期的根系干质量降低的趋势，其中CHMD、NHDM降低较为显著，其中以0～10 cm耕层降低量较大，10－20 cm降幅较小。WNHDM1、WNHDM2的2个耕层的OUT区域较IN区域降幅较小，在宽行区域为植株保持了相对多的根量。LFM模式在灌浆期根体积最小，2020年和2021年分别为5.13和5.11 t/hm2，CHMD、NHDM、WNHDM1和WNHDM2模式分别提升12.07%和18.72%、15.62%和21.97%、22.48%和28.22%及24.48%和31.19%。

图7 株行距配置对超高产田水稻根系体积的影响

图8 株行距配置对超高产田水稻根系干质量的影响

2.3.6 根系氧化活力

对超高产田水稻齐穗期、灌浆期不同区域分布根系氧化力进行分析(图9)，根系氧化力随着生育进程降低，整体表现为灌浆期小于齐穗期，IN与OUT区域间、0－10 cm与10－20 cm耕层间变化规律一致，且根系氧化力值接近，其中LFM模式最高，CHMD模式最低。灌浆期CHMD模式依然保持最低，2个耕层LFM模式、NHDM模式较齐穗期下降显著；WNHDM1、WNHDM2保持较好的根系氧化力，相比其他模式降幅较小，其中OUT区域保持相对较好，这与宽窄行栽植为根系生长发育配置相对丰富的根层空间有关。2020年，LFM模式灌浆期根系活力IN和OUT分别为566.42和562.85μg/(g·h)，CHMD模式和NHDM模式降幅分别为8.33%和7.61%及5.01%和4.54%，WNHDM1和WNHDM2模式分别提高0.10%和6.74%、4.16%和11.19%；2021年，LFM模式灌浆期根系活力IN和OUT分别为592.18和591.67μg/(g·h)，CHMD模式和NHDM模式降低分别为9.26%和9.03%及5.83%和5.38%，WNHDM1模式IN降低2.58%，OUT提高6.08%，WNHDM2模式提高1.42%和7.97%。

2.4 超高产田水稻根系指标与产量及构成因素相关性

株行距调控从空间上为水稻根系生长提供了“内”和“外”两种小环境，直接对其“内”和“外”形态特征和生理特性产生影响。同传统模式(LMF)相比，各种优化模式(CNM、NHDM、WNHDM1、WNHDM2)提高了水稻群体的根系形态指标和生理特性，提高单位空间资源和养分的利用效率，为水稻高产奠定基础[22, 23]。水稻进入齐穗期之前，通过根系汲取更多养分是保障较高有效穗数的重要因素，而进入齐穗期后保持根系活力能提高物质转运效率并保障水稻籽粒的灌浆成熟度，有利于提高结实率[24, 25]。本研究中(图10)，齐穗期的根长、根系表面积、根体积、根干质量与有效穗数呈极显著正相关，与实际产量呈显著正相关，与穗粒数、结实率、千粒重呈负相关。根直径、根系氧化力与成穗率、穗粒数、结实率、千粒重呈显著正相关。随着生育进程的发展，灌浆期根长、根系表面积、根体积和根干质量与有效穗数和实际产量均呈极显著正相关，与每穗成粒数、结实率、千粒重仍呈负相关，但相关性减弱。根直径、根系氧化力与穗粒数、结实率、千粒重、产量均呈正相关，根直径与实际产量部分由齐穗期负相关转为正相关，根系氧化力与实际产量相关系数增加，其中0－10 cm的OUT区域达到显著相关，且表现为OUT区域相关性高于IN区域，这说明持续稳定的较高根系氧化力促进产量形成。本研究中WNHDM1、WNHDM2模式较LFM、CHMD、NHDM模式拥有较高的根长、根系表面积、根体积、根干质量，促进与其相关的有效穗数的形成，灌浆期持续稳定的根系氧化力又保障了穗粒数、结实率、千粒重处于相对中等偏上水平，为超高产田构建高有效穗数和稳定的穗粒数、结实率、千粒重的平衡点，促进了超高产田实际产量形成。

图9 株行距配置对超高产田水稻根系氧化力的影响

3 讨论

3.1 超高产田水稻产量和茎穗的变化

合理的行株距配置能调节水稻群体微环境，协调群体与个体的关系，可优化密植群体的冠层结构而获得高产[7,15-16]。本研究中4种增密模式产量均较当地农户习惯栽培模式增加，差异主要来源于有效穗数，说明改善栽培条件提升有效穗数有利于产量的形成。张春雨等[26]对错株种植的玉米株行距配置研究表明，错株种植可显著改善群体冠层结构，群体内个体植株间对光温资源的竞争，保证玉米个体发育潜力的充分发挥，使玉米群体与个体协调发展。水稻株行距配置优化群体的光照条件，增强其光合性能及物质生产能力，提高产量[27,28]。本研究通过优化株行距配置，形成宽窄行栽植方式，获得了较高的产量，且年际间均保持较高产量水平。尹彩侠等[23]研究表明，增加移栽密度，水稻基本苗虽然成穗数较多，但由于个体生长受抑，群体质量下降，易产生较多的小分蘖，穗型较小，水稻产量提高不明显。研究中传统增密模式、窄行增密模式虽然增加了基本苗和齐穗期茎蘖数，但成熟期穗粒数、结实率急剧下降，造成水稻植株个体劣势，影响了产量形成。

本研究中，栽植模式对千粒重影响不显著，农户习惯栽培模式虽具有较高的单穗质量，但其有效穗数较增密模式相差甚远，难以弥补最终产量差距。宽窄行通过增加有效分蘖数，在相对较高茎蘖数基础上，获得了高成穗率，避免过多的无效分蘖，保持相对平稳的成粒数、结实率等单穗质量因素，形成优良的个体穗和高质量的水稻群体，以形成高产。

图中a、b、c、d、e、f分别为产量及其构成因素与根长、根直径、根系氧化力、根表面积、根体积、根干质量的相关系数。

3.2 超高产田水稻根系形态生理变化与产量形成关系

优化水稻栽培技术，改变肥水管理方案，可以改善水稻根系形态与生理特征，提高地上部生理活性[30]。提高灌浆期水稻的根系氧化力，较高的根系氧化力可增强根系从土壤中吸收水分与养分的能力，为地上部的生长输送更多的养分，改善地上部的生长发育，进而提高产量[31-24]。唐志伟等[35]对水稻垄作栽培研究表明，垄作栽培促进了水稻根系的生长发育，适当增加垄上水稻的行数，充分发挥边际效应，提高单位面积有效穗数，增加水稻产量，这与本研究中宽窄行增密效应相似，研究中4种增密模式的根长、根系表面积、根系体积、根系干质量均较农户习惯栽培模式增加，这与各模式产量趋势表现一致，而农户习惯栽培模式的根直径和根系氧化力均为全时期、全取样区域最高，这与此模式下穗茎数较少有关，使得个体根系生长发育较强，但综合群体根系不发达。

农户习惯栽培模式、传统密植模式和窄行密植模式为等行栽植，行内行外表现一致、根系等量等空间区域生长，而宽窄行密植模式由于株行距配置形成行内、行外，形成了理论上行外区域生长优势和行内竞争劣势。任俊波等[37]对玉米、大豆间作生长共生期研究表明，除根平均直径外，套作玉米根长、根表面积、根体积、根干质量随种间距离增加呈先增后减趋势。本研究中宽窄行密植模式行内区域根系指标并未较其他模式降低，而行外区域根系体积、根系表面积、根干质量显著增加，这说明优化株行距配置，为水稻提供了根系偏向生长优势空间，为地上部提供良好的基础。此外，优化株行距配置的宽窄行密植模式，为生育前期稻田耕层表面带来更多的光照，同时供试品种辽粳419为半直立穗，随着分蘖的发生、叶片的伸展和穗部灌浆的弯曲使得宽窄行在生育期内出现“消现”现象，增加了耕层的通风，无形中促成了“浅-湿-干”水分管理方案，也进一步促进了根系的生长发育，这与陈云等[4]对水分管理研究中，复水后水稻根系形态(根质量、根数、根长、根表面积、根体积、根系通气组织面积)及根系活力(根系氧化力)均明显提高研究结论相吻合。

水稻超高产田应具有表层足够的根系生长量和较深的根层分布的根系分布特征，且生育后期较强的根系活力以维持生育后期物质转运获得高产[37-39]。张宇杰等[40]研究表明优化栽培肥水管理模式显著加快了根系的生长发育，并提高根系活力，延缓了根系衰老。本研究中农户习惯栽培模式齐穗期根系活力最高，灌浆期迅速下降，传统密植模式和窄行密植模式两个时期均处于较低水平，说明同等条件下植株个体需在环境因子配置中协调个体与群体关系，形成根系空间资源利用最优。宽窄行增密模式以栽植中心为划分中心制造出不对等发育空间，为根系的旺盛生长提供了伸展空间，在保持较高的茎蘖数基础上，仍保持相对较高根系活力，且灌浆期根系氧化力较齐穗期降低最少，保持了相对较高的水平，形成了高标准的根系群体效应，为籽粒灌浆、产量形成提供了根系基础。

4 结论

优化株行距配置的宽窄行密植模式增加了基本苗数，减少了无效分蘖，提高了有效穗数，稳定了每穗粒数、结实率和粒重，可实现水稻超高产。优化株行距配置，为水稻提供了根系行内、行外不对称生长空间，形成了根部边际效应，提高了水稻根干质量、根系表面积和根体积并保持了较强的根系氧化力，为更多的有效穗数形成提供良好的基础，达到增加水稻产量的目的。

[1] 张洪程, 胡雅杰, 杨建昌, 戴其根, 霍中洋, 许轲, 魏海燕, 邢志鹏, 胡群. 中国特色水稻栽培学发展与展望[J]. 中国农业科学, 2021, 54(7): 1301-1321.

Zhang H C, Hu Y J, Yang J C, Dai Q G, Huo Z Y, Xu K, Wei H Y, Xing Z P, Hu Q. Development and prospect of rice cultivation in China[J]., 2021, 54(7): 1301-1321. (in Chinese with English abstract)

[2] 夏琼梅, 胡家权, 董林波, 钱文娟, 李贵勇, 龙瑞平, 朱海平, 杨从党. 水稻前控后促施氮技术增产机理研究[J]. 中国土壤与肥料, 2022, 59(5): 18-26.

Xia Q M, Hu J Q, Dong L B, Qian W J, Li G Y, Long R P, Zhu H P, Yang C D. Mechanism of reduced amount with late application of nitrogen on increasing yield of japonica rice[J]., 2022, 59(5): 18-26. (in Chinese with English abstract)

[3] 刘飞, 张新月, 赵步洪, 蒋天昊, 陆丹丹, 陈前, 张祖建. 高效丰产水稻品种的群体生产特性研究[J]. 扬州大学学报农业与生命科学版, 2021, 42(3): 74-81.

Liu F, Zhang X Y, Zhao B H, Jiang T H, Lu D D, Chen Q, Zhang Z J. Mass production characteristic of high-efficiency and high-yield rice[J].:, 2021, 42(3): 74-81. (in Chinese with English abstract)

[4] 陈云, 刘昆, 李婷婷, 李思宇, 李国明, 张伟杨, 顾骏飞, 刘立军, 杨建昌. 结实期干湿交替灌溉对水稻根系、产量和土壤的影响[J]. 中国水稻科学, 2022, 36(3): 269-277.

Chen Y, Liu K, Li T T, Li S Y, Li G M, Zhang W Y, Gu J F, Liu L J, Yang J C. Effects of alternate wetting and moderate soil drying irrigation on root traits, grain yield and soil properties in rice[J]., 2022, 36(3): 269-277. (in Chinese with English abstract)

[5] Geisler G. Interactive effects of CO2and O2in soil on root and top growth of barley and peas[J]., 1967, 42(3): 533-542.

[6] Liu Z, Zhu K L, Dong S T, Liu P, Zhao B, Zhang J W. Effects of integrated agronomic practices management on root growth and development of summer maize., 2017, 84(3): 140-151.

[7] 董立强, 高虹, 李跃东, 李睿, 商文奇, 姚继攀, 马亮, 隋国民. 行株距配置对水稻群体冠层结构及产量的影响[J]. 沈阳农业大学学报, 2021, 52(3): 265-271.

Dong L Q, Gao H, Li Y D, Li R, Shang W Q, Yao J P, Ma L, Sui G M. Effects of row and hill spacing on rice canopy structure and yield[J]., 2021, 52(3): 265-271. (in Chinese with English abstract)

[8] 褚光, 徐冉, 陈松, 徐春梅, 刘元辉, 章秀福, 王丹英. 优化栽培模式对水稻根-冠生长特性、水氮利用效率和产量的影响[J]. 中国水稻科学, 2021, 35(6): 586-594.

Chu G , Xu R, Chen S, Xu C M, Liu Y H, Zhang X F, Wang D Y. Effects of Improved Crop Management on growth characteristic of root and shoot, water and nitrogen use efficiency, and grain yield in rice[J]., 2021, 35(6): 586-594. (in Chinese with English abstract)

[9] 李敏, 罗德强, 蒋明金, 江学海, 姬广梅, 李立江, 周维佳. 不同减氮栽培模式对杂交籼稻氮素吸收利用及产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2022, 28(4): 598-610.

Li M, Luo D Q, Jiang M J, Jiang X H, Ji G M, Li L J, Zhou W J. Effects of nitrogen-reduction cultivation models on nitrogen accumulation and yield of hybrid indica rice[J]., 2022, 28(4): 598-610. (in Chinese with English abstract)

[10] 刘红江, 蒋银涛, 陈留根, 郑建初. 不同播栽方式对水稻根系生长及产量形成的影响[J]. 江苏农业学报, 2015, 31(2): 310-316.

Liu H J, Jiang Y T, Chen L G, Zheng J C. Influence of planting modes on root growth and yield ofL[J]., 2015, 31(2): 310-316. (in Chinese with English abstract)

[11] 罗德强, 江学海, 周维佳, 王学鸿, 徐丹, 李敏, 姬广海. 不同籼稻品种的籽粒灌浆特性及根系活力[J]. 贵州农业科学, 2013, 41(6): 49-51.

Luo D Q, Jiang X M, Zhou W J, Wang X H, Xu D, Li M, Ji G H. Grain-filling properties and root activity of different indica rice varieties[J]., 2013, 41(6): 49-51. (in Chinese with English abstract)

[12] 曹小闯, 刘晓霞, 马超, 田仓, 朱练峰, 吴龙龙, 张均华, 金千瑜, 朱春权, 孔亚丽, 虞轶俊. 干湿交替灌溉改善稻田根际氧环境进而促进氮素转化和水稻氮素吸收[J]. 植物营养与肥料学报, 2022, 28(1): 1-14.

Cao X C, Liu X X, Ma C, Tian C, Zhu L F, Wu L L, Zhang J H, Jin Q Y, Zhu C Q, Kong Y L, Yu Y J. Alternative dry-wet irrigation improves the rhizospheric oxygen environment and nitrogen transformation, and increases nitrogen absorption by rice plants[J]., 2022, 28(1): 1-14. (in Chinese with English abstract)

[13] 徐国伟, 吕强, 陆大克, 王贺正, 陈明灿. 干湿交替灌溉耦合施氮对水稻根系性状及籽粒库活性的影响[J]. 作物学报, 2016, 42(10): 1495-1505.

Xu G W, Lü Q, Lu D K, Lu D K, Wang H Z, Chen M C. Effect of wetting and drying alternative irrigation coupling with nitrogen application on root characteristic and grain-sink activity[J]., 2016, 42(10): 1495-1505. (in Chinese with English abstract)

[14] 徐国伟, 王贺正, 翟志华, 孙梦, 李友军. 不同水氮耦合对水稻根系形态生理、产量与氮素利用的影响[J]. 农业工程学报, 2015, 31(10): 132-141.

Xu G W, Wang H Z, Zhai Z H, Sun M, Li Y J. Effect of water and nitrogen coupling on root morphology and physiology, yield and nutrition utilization for rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(10): 132-141. (in Chinese with English abstract)

[15] 李敏, 张洪程, 杨雄, 葛梦婕, 马群, 魏海燕, 戴其根, 霍中洋, 许轲, 曹利强, 吴浩. 水稻高产氮高效型品种的根系形态生理特征[J]. 作物学报, 2012, 38(4): 648-656.

Li M, Zhang H C, Yang X, Ge M J, Ma Q, Wei H Y, Dai Q G, Huo Z Y, Xu K, Cao L Q, Wu H. Root morphological and physiological characteristics of rice cultivars with high yield and high nitrogen use efficiency[J]., 2012, 38(4): 648-656. (in Chinese with English abstract)

[16] 杨建昌. 水稻根系形态生理与产量、品质形成及养分吸收利用的关系[J]. 中国农业科学, 2011, 44(1): 36-46.

Yang J C. Relationships of rice root morphology and physiology with the formation of grain yield and quality and the nutrient absorption and utilization[J]., 2011, 44(1): 36-46. (in Chinese with English abstract)

[17] 王宜伦, 李慧, 韩燕来, 张辉, 谭金芳. 潮土区超高产田与高产田土壤肥力差异研究[J]. 华北农学报, 2012, 27(4): 197-201.

Wang Y L, Li H, Han Y L, Zhang H, Tan J F. Studies of difference of soil fertility between super-high-yield field and high-yield field in fluvo-aquic soil [J]., 2012, 27(4): 197-201. (in Chinese with English abstract)

[18] 中国科学院南京土壤研究所. 土壤科学数据库[DB/DL]. [2022-10-25]. http://vdb3.soil.csdb.cn/Soil Science Database. http://vdb3.soil.csdb.cn/.

Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences. Soil Science Database.[DB/DL]. [2022-10-25]. http://vdb3.soil.csdb.cn/Soil Science Database. http://vdb3.soil.csdb.cn/.

[19] 杨建昌, 杜永, 吴长付, 刘立军, 王志琴, 朱庆森.超高产粳型水稻生长发育特性的研究[J]. 中国农业科学, 2006, 39(7): 1336-1345.

Yang J C, Du Y, Wu C F, Liu L J, Wang Z Q, Zhu Q S. Growth and development characteristics of super-high- yielding mid-season japonica rice[J]., 2006, 39(7): 1336-1345. (in Chinese with English abstract)

[20] 何海兵, 杨茹, 廖江, 武立权, 孔令聪, 黄义德.水分和氮肥管理对灌溉水稻优质高产高效调控机制的研究进展[J]. 中国农业科学, 2016, 49(2): 305-318.

He H B, Yang R, Liao J, Wu L Q, Kong L C, Huang Y D. Research advance of high-yielding and high efficiency in resource use and improving grain quality of rice plants under water and nitrogen managements in an irrigated region[J]., 2016, 49(2): 305-318. (in Chinese with English abstract)

[21] Chu G, Chen T T, Wang Z Q, Yang J C, Zhang J H. Morphological and physiological traits of roots and their relationships with water productivity in water-saving and drought-resistant rice[J]., 2014, 162(8): 108-119.

[22] Yao Y Z. Effects of ridge tillage on photosynthesis and root characters of rice [J]., 2015, 75(1), 35-41.

[23] Guan X J, Chen J, Chen X M, Xie J, Deng G Q, Hu L Z, Li Y, Qian Y F, Qiu C F, Peng C R. Root characteristics and yield of rice as affected by the cultivation pattern of strong seedlings with increased planting density and reduced nitrogen application [J]., 2022, 21(5), 1278-1298.

[24] Du M, Zhang W Z, Gao J P, Liu M Q, Zhou Y, He D W, Zhao Y Z, Liu S M. Improvement of root characteristics due to nitrogen, phosphorus, and potassium interactions increases rice (L.) yield and nitrogen use efficiency [J]., 2022, 12(1): 23.

[25] Suralta R R, Julaton M C N, Rebong D B. Functional roles of constitutive root system development in maintaining higher water use and grain yield under post flowering drought stress in hybrid rice [J]., 2015, 98(1): 81-88.

[26] 张春雨, 白晶, 丁相鹏, 张吉旺, 刘鹏, 任佰朝, 赵斌. 错株增密种植对夏玉米光合特性及产量的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(19): 3928-3941.

Zhang C Y, Bai J, Ding X P, Zhang J W, Liu P, Ren B C, Zhao B. Effects of staggered planting with increased density on the photosynthetic characteristics and yield of summer maize[J]., 2020, 53(19): 3928-3941. (in Chinese with English abstract)

[27] 李杰, 张洪程, 常勇, 龚金龙, 胡雅杰, 龙厚元, 戴其根, 霍中洋, 许轲, 魏海燕, 高辉. 高产栽培条件下种植方式对超级稻根系形态生理特征的影响[J]. 作物学报, 2011, 37(12): 2208-2220.

Li J, Zhang H C, Chang Y, Gong J L, Hu Y J, Long H Y, Dai Q G, Huo Z Y, Xu K, Wei H Y, Gao H. Influence of planting methods on root system morphological and physiological characteristics of super rice under high-yielding cultivation condition[J]., 2011, 37(12): 2208-2220. (in Chinese with English abstract)

[28] 戴含, 王小卉, 邓莹萍, 李绪孟. 供氮水平对水稻抽穗期植株根系形态及养分吸收的影响[J]. 排灌机械工程学报, 2021, 39(7): 727-732.

Dai H, Wang X H, Deng Y P, Li X M. Effect of nitrogen supply levels on root morphology and nutrient absorption of rice plants at heading stage[J]., 2021, 39(7): 727-732. (in Chinese with English abstract)

[29] 尹彩侠, 刘志全, 孔丽丽, 李前, 张磊, 侯云鹏, 郝彩环. 减氮增密提高寒地水稻产量与氮素吸收利用[J/OL]. 农业资源与环境学报. https://doi.org/10.13254/j.jare.2022.0110.

Yin C X, Liu Z Q, Kong L L, Li Q, Zhang L, Hou Y P, Hao C H. Reducing nitrogen and increasing rice transplanting density in a cold region of China can improve rice yield, nitrogen absorption, and nitrogen utilization[J/OL]., https://doi.org/10.13254/j.jare.2022.0110 (in Chinese with English abstract)

[30] 褚光, 刘洁, 张耗, 杨建昌. 超级稻根系形态生理特征及其与产量形成的关系[J]. 作物学报, 2014, 40(5): 850-858.

Chu G, Liu J, Zhang H, Yang J C. Morphology and physiology of roots and their relationships with yield formation in super rice[J]., 2014, 40(5): 850-858. (in Chinese with English abstract)

[31] 魏海燕, 张洪程, 张胜飞, 杭杰, 戴其根, 霍中洋, 许轲, 马群, 张庆, 刘艳阳. 不同氮利用效率水稻基因型的根系形态与生理指标的研究[J]. 作物学报, 2008, 34(3): 429-436.

Wei H Y, Zhang H C, Zhang S F, Hang J, Dai Q G, Huo Z Y, Xu K, Ma Q, Zhang Q, Liu Y Y. Root morphological and physiological characteristics in rice genotypes with different N use efficiencies [J]., 2008, 34(3): 429-436. (in Chinese with English abstract)

[32] 褚光, 展明飞, 朱宽宇, 王志琴, 杨建昌. 干湿交替灌溉对水稻产量与水分利用效率的影响[J]. 作物学报, 2016, 42(7): 1026-103.

Chu G, Zhan M F, Zhu K Y, Wang Z Q, Yang J C. Effects of alternate wetting and drying irrigation on yield and water use efficiency of rice[J]., 2016, 42(7): 1026-103. (in Chinese with English abstract)

[33] 董立强, 李睿, 商文奇, 王铮, 李跃东. 东北稻区肥料施用现状、存在的问题与应对策略[J]. 作物杂志, 2017, 33(6): 17-22.

Dong L Q, Li R, Shang W Q, Wang Z, Li Y D. Fertilizer application status and forecast in northeast rice product region[J]., 2017, 33(6): 17-22. (in Chinese with English abstract)

[34] 郑华斌, 姚林, 刘建霞, 贺慧, 陈阳, 黄璜. 种植方式对水稻产量及根系性状的影响[J]. 作物学报, 2014, 40(4): 667-677.

Zheng H B, Yao L, Liu J X, He H, Chen Y, Huang H. Effect of ridge & terraced cultivation on rice yield and root trait [J]., 2014, 40(4): 667-677. (in Chinese with English abstract)

[35] 唐志伟, 周文涛, 王勃然, 钟康裕, 熊瑞, 龙攀, 徐莹, 傅志强. 垄厢栽培对水稻根系特性与土壤物理性质的影响[J]. 生态学杂志, 2021, 40(12): 3961-3969.

Tang Z W, Zhou W T, Wang B R, Zhong K Y, Xiong R, Long P, Xu Y, Fu Z Q. Effects of ridge-bed cultivation on rice root characteristics and soil physical properties[J]., 2021, 40(12): 3961-3969. (in Chinese with English abstract)

[36] 任俊波, 杨雪丽, 陈平, 杜青, 彭西红, 郑本川, 雍太文, 杨文钰. 种间距离对玉米-大豆带状套作土壤理化性状及根系空间分布的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(10): 1903-1916.

Ren J B, Yang X L, Chen P, Du Q, Peng X H, Zheng B C, Yong T W, Yang W Y. Effects of interspecific distances on soil physicochemical properties and root spatial distribution of maize-Soybean relay strip intercropping system[J]., 2022, 55(10): 1903-1916. (in Chinese with English abstract)

[37] 许明, 贾德涛, 马殿荣, 王嘉宇, 苗微, 陈温福. 北方超级粳稻根系生理、叶片光合性能特点及其相互关系[J]. 作物学报, 2010, 36(6): 1030-1036.

Xu M, Jia D T, Ma D R, Wang J Y, Miao W, Chen W F. Correlation of root physiology and leaf photosynthesis characteristics in northern Chinese japonica super rice [J]., 2010, 36(6): 1030-1036. (in Chinese with English abstract)

[38] 郭保卫, 许轲, 张洪程, 戴其根, 霍中洋, 魏海燕, 陈厚存. 有序摆抛栽超高产栽培对水稻根系形态生理特征的影响[J]. 中国水稻科学, 2016, 30(6): 611-625.

Guo B W, Xu K, Zhang H C, Dai Q G, Huo Z Y, Wei H Y, Chen H C. Effect of ordered transplanting and optimized broadcasting on rice root system morphological and physiological characteristics under super high-yielding cultivation [J]., 2016, 30(6): 611-625. (in Chinese with English abstract)

[39] 许轲, 张军, 张洪程, 花劲, 霍中洋, 郭保卫, 戴其根, 魏海燕, 高辉. 双季晚粳稻不同栽培方式生产力及其群体质量差异研究[J]. 中国水稻科学, 2014, 28(5): 503-513.

Xu K, Zhang J, Zhang H C, HuA J, Huo Z Y, Guo B W, Dai Q G, Wei H Y, Gao H. Difference in grain productivity and population quality of double-cropping late japonica rice under different cultivation methods [J]., 2014, 28(5): 503-513. (in Chinese with English abstract)

[40] 张宇杰, 马鹏, 王志强, 杨志远, 孙永健, 马均. 麦秆还田下水氮耦合对水稻根际环境及根系形态的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2022, 30(6): 924-936.

Zhang Y J, Ma P, Wang Z Q, Yang Z Y, Sun Y J, Ma J. Effects of water-nitrogen coupling on rhizosphere environment and root morphology of rice under wheat straw returning[J]., 2022, 30(6): 924-936. (in Chinese with English abstract

Effect of Plant-row Spacing on Rice Yield and Root Morphological and Physiological Characteristics in Super High Yield Field

DONG Liqiang, YANG Tiexin, LI Rui, SHANG Wenqi, MA Liang, LI Yuedong*, SUI Guomin

(Corresponding author, email:)

【Objective】It is very crucial to investigate the effects of plant-row spacing on rice yield in super-high-yield field and clarify the mechanism behind high yield of rice in high-density mode.【Method】In 2020 and 2021, Liaojing 419 was grown under five cultivation modes including local farmers' mode (LFM), conventional high-density mode (CHMD), narrow-row high-density mode (NHDM) and two wide and narrow row modes (WNHDM1and WNHDM2). We measured the root morphological and physiological indexes and the composition factors of rice yield to explore the effects of plant and row spacing on rice yield and root morphological and physiological characteristics in super high-yield fields, clarify the relationship between root distribution and yield composition factors of rice in high-density mode, and reveal the mechanism of high yield of rice in super-high-yield fields in high-density mode.【Result】Compared with LFM, the productive panicle number under WNHDM1and WNHDM2increased by 19.24% and 18.16%, respectively, and grain number per panicle and seed setting rate remained stable. The root indexes of IN(narrow row) area in WNHDM1and WNHDM2were not lower than those of other modes, but the difference was greater in OUT(wide row) area, total root length, total root diameter, total root surface area, total root volume and total root dry weight increased by 21.07% and 26.76%, 10.71% and 9.18%, 21.13% and 26.77%, 21.15% and 27.62% and 23.48% and 29.71% in two growing seasons. The root morphological indices in WNHDM1and WNHDM2had a positive correlation with panicle number and yield at heading stage and filling stage.【Conclusion】The high-density mode with optimized plant and row spacing provides rice with asymmetric growth space inside and outside the row, exerts root marginal effect, improves root dry weight, root surface area and root volume, maintains strong root oxidation activity, lays a good basis for the formation of more productive panicles, and achieves the purpose of increasing rice yield.

rice; super high yield; root morphological and physiological characteristics; plant-row spacing

10.16819/j.1001-7216.2023.221007

2022-10-25；

2023-01-17。

国家重点研发计划资助项目（2017YFD0300700）；辽宁省农业农村厅水稻种植结构调整专项（5002029）；辽宁省农业科学院院长基金青年基金资助项目（2022QN2302）。