萬琪慧，馬黎華，蔣先軍

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715)

氮、磷、鉀是水稻(Oryzasativa)生長發(fā)育過程中必不可少的3大營養(yǎng)元素，其豐缺程度直接影響水稻的生理特性、養(yǎng)分的吸收利用及產(chǎn)量的形成[1-3]。44個水稻品種(斯里蘭卡)在正常肥力條件下，產(chǎn)量可達(dá)5000～10000 kg·hm-2，而在低肥力條件下，產(chǎn)量僅為2000～6000 kg·hm-2[4]。研究表明，水氮互作條件下水稻各生長時期氮、磷、鉀的吸收存在顯著協(xié)同效應(yīng)，抽穗前期，氮、鉀的累積對促進結(jié)實期各養(yǎng)分向籽粒轉(zhuǎn)運和產(chǎn)量提高影響顯著[5]。相較于農(nóng)民習(xí)慣施肥，麥稈還田與實地氮肥管理均可提高水稻對氮、磷、鉀的吸收效率[6]。水稻對氮、磷、鉀的吸收利用能力受品種特性[7-8]、施肥條件[9-10]、水分管理措施[11-12]及環(huán)境條件等多種因素的綜合影響。中國南方稻區(qū)存在大面積冬水田，僅四川就有160萬hm2。在一季稻熟區(qū)，往往冬閑或者冬天蓄水。由于長期淹水，冬水田普遍存在結(jié)構(gòu)差、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)量低等問題。為了解決冬水田的諸多問題，水旱平作系統(tǒng)是冬水田的主要改造模式。在總結(jié)農(nóng)民經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我國著名土壤學(xué)家侯光炯[13]根據(jù)土壤肥力的生物熱力學(xué)理論和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)理論，通過反復(fù)研究和實踐證明，提出了稻田“壟作免耕”技術(shù)[14]。壟作在淹水稻中提供了干燥土壤的(壟)微環(huán)境，創(chuàng)造了水肥氣熱優(yōu)勢領(lǐng)域。壟埂土壤為毛管水浸潤，出現(xiàn)氣相，與傳統(tǒng)平作重力水向下流動的入滲方式明顯不同，改善了土壤團聚體的結(jié)構(gòu)組成[13]和根際環(huán)境的通氣性[15]。壟作免耕是將稻田平面地表形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閴艤舷嚅g的一種半旱式免耕栽培法。壟作免耕土壤直接接受通風(fēng)透光，熱傳導(dǎo)快、積溫高、溫差大，土壤溫度隨太陽輻射的增加而增加，土壤水分和養(yǎng)分活動增加。土壤水分運動方式改變后，養(yǎng)分在土壤中的擴散速率和質(zhì)流發(fā)生變化[16-17]，可能導(dǎo)致根系吸收能力不同，從而影響植物對養(yǎng)分的吸收。Zhang等[18]發(fā)現(xiàn)與持續(xù)淹水相比較，交替濕潤與適度干旱處理可以提高根氧化活性，增強根系生長有利于其他生理過程，并獲得更高的糧食產(chǎn)量。

由于長期耕作模式(壟作免耕、冬水田和水旱平作處理)不同，水稻不同器官對養(yǎng)分的再利用和土壤緩沖能力存在差異，水稻主要生育期氮(nitrogen, N)、磷(phosphorus, P)、鉀(potassium, K)的吸收積累以及根系特性方面的數(shù)據(jù)仍有所欠缺。為此，擬研究水稻整個生育期在不同耕作處理下對氮、磷、鉀的吸收利用差異和根系特性，為稻米生產(chǎn)體系實現(xiàn)水分和養(yǎng)分高效管理實踐，提供可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究依托的長期定位試驗始設(shè)于1990年，位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)試驗農(nóng)場(30°26′ N，106°26′ E)，海拔230 m，年均溫18.3 ℃，年日照1277 h，年均降水量1105 mm，無霜期約334 d。實驗地點土壤為灰棕紫色沙泥巖母質(zhì)上發(fā)育的中性紫色水稻土。

1.2 試驗設(shè)計

本研究設(shè)3個田面處理，分別為：1)冬水田(flooded paddy field，F(xiàn)PF)，僅種植一季水稻。稻田終年處于淹水狀態(tài)，保持水層深度為3 cm左右；2)水旱平作(conventional paddy-upland rotation tillage，CT)，水稻與油菜輪作。淹水平作種植水稻，水稻收獲后，4邊開溝排干稻田積水，翻耕將稻茬(50～60 cm，3850～3900 kg·hm-2)翻入土中，種油菜。油菜生長期間，盡可能地保持4邊溝內(nèi)無積水。油菜收獲后，淹水，翻耕將油菜殘茬(1750～2000 kg·hm-2·yr-1)和雜草(1850～2100 kg·hm-2)翻入土中，種水稻。3)壟作免耕(combining ridge with no-tillage，RNT)，水稻與油菜輪作。自稻田作壟后一直不翻不耕。作壟規(guī)格為：一壟一溝55 cm，壟頂寬25 cm，溝寬30 cm，溝深35 cm，每小區(qū)作5壟，每個壟種植兩行。水稻水分管理分3個時期：前期(栽秧-分蘗期):水淹過壟、畦面3～5 cm；中期(分蘗-拔節(jié)期)：水位降至秧蔸；后期(拔節(jié)-成熟期)：溝內(nèi)一直保持半溝水。水稻收獲后排水降低水位，將溝內(nèi)的稀泥扶到壟上，稻茬(50～60 cm，4700～4850 kg·hm-2)覆蓋，種植油菜。油菜生長期間，溝內(nèi)水位5～10 cm(即壟露出水面20～25 cm)，保持壟埂浸潤，第二年油菜收獲后將油菜殘茬(1400～1750 kg·hm-2)和雜草(1650～1800 kg·hm-2)埋在溝底，灌水，水面與壟頂齊平，種植水稻。每個處理小區(qū)面積為4 m×5 m，4次重復(fù)，隨機區(qū)組排列。每個小區(qū)種植350穴水稻。各處理小區(qū)施肥量均相同。各處理施肥量均為：尿素273.1 kg·hm-2；過磷酸鈣500.3 kg·hm-2；氯化鉀150.1 kg·hm-2。每年水稻都是過磷酸鈣作底肥一次施用；尿素用量的2/3作底肥，1/3作追肥；氯化鉀底肥和追肥各半。水稻追肥在5月下旬，播種、施肥、水分管理一致。2017年水稻品種是Y兩優(yōu)6號，秈型兩系雜交水稻品種，長江中下游作中稻種植，全生育期138.4 d。土壤性質(zhì)見表1。

表1 不同耕作模式土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties under different tillage methods

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Values followed by different small letters within the same column are significant differences at theP<0.05 level, the same bellow.

1.3 測定項目與方法

分別于2017年6月6日(分蘗期，tillering)、6月21日(拔節(jié)期，elongation)、7月5日(抽穗期，heading)、8月14日(成熟期，maturity)進行水稻全株采樣，測定水稻不同器官的氮、磷、鉀含量，并進行水稻的根系掃描。

1.3.1根系形態(tài)指標(biāo)測定 每個小區(qū)取5株稻株，以每穴水稻根為中心，挖取20 cm×20 cm×15 cm的土塊，先用流水沖洗，然后用農(nóng)用壓縮噴霧器將根沖洗干凈，先用根系掃描儀EPSON (PERFECTIONV 700)進行圖像掃描，后采用Win RHIZOPRO 2012軟件進行分析和計算，獲得總根長(cm)、總根表面積(cm2)、總根體積(cm3)和根系平均直徑(mm)等指標(biāo)參數(shù)，換算為比根長[m·g-1root DW(dry weight)]、根表面積(cm2·cm-3)和根長密度(cm·cm-3)。

比根長(m·g-1root DW)=根系長度/根系質(zhì)量
根表面積(cm2·cm-3)=根系面積/根系采集體積
根長密度(cm·cm-3)=根系長度/根系采集體積

1.3.2氮、磷、鉀含量的測定 分別于水稻分蘗盛期、拔節(jié)期、抽穗及成熟期，按各小區(qū)的平均分蘗數(shù)各取代表性稻株 5株, 分根、莖、葉和穗4部分，所有樣品在105 ℃下殺青30 min，而后在70 ℃下烘干至恒重并粉碎。植株各器官粉碎樣品用H2SO4-H2O2在42 ℃下消化1 h，采用半微量凱氏定氮法測定全氮含量，釩鉬黃法比色法測定全磷含量，火焰光度計法測定K+含量[19]。氮、磷、鉀比值是整株植株的加權(quán)平均數(shù)計算而得。

積累量(accumulation)=某生育期單位面積植株根莖葉穗氮(磷、鉀)的積累量

養(yǎng)分累積速率(accumulation rate)以單個生育期每公頃植株干物質(zhì)的氮(磷、鉀)增加的kg數(shù)表示。

1.3.3計產(chǎn)和考種 收獲成熟期于每個小區(qū)選5穴采樣進行考種，考種測定項目：有效穗數(shù)、實粒數(shù)、總粒數(shù)，用百分之一天平稱量并折算成千粒重。水稻成熟后，按小區(qū)收割脫粒后測定實際產(chǎn)量。

結(jié)實率(%)=100飽粒數(shù)/總粒數(shù)
理論產(chǎn)量(kg·hm-2)=有效穗數(shù)×穗粒數(shù)×結(jié)實率×千粒重

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 18.0對不同灌溉處理下的水稻產(chǎn)量、根系特性、養(yǎng)分含量等進行方差分析(analysis of variance，ANOVA)及Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作模式下水稻的產(chǎn)量

長期耕作模式的不同會顯著影響水稻產(chǎn)量(表2)。壟作免耕的實際產(chǎn)量達(dá)8750.8 kg·hm-2，顯著高于水旱平作與冬水田(P<0.05)。就理論產(chǎn)量和有效穗數(shù)而言，壟作免耕分別比冬水田和水旱平作高3.2%、7.2%和6.2%、6.4%。

表2 不同耕作方式對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of different tillage treatments on yield and yield components of rice

2.2 不同耕作模式水稻不同生育期的根系發(fā)育差異

3種耕作模式下，水稻拔節(jié)至成熟期的比根長和根長密度均有逐漸降低的趨勢；而水稻分蘗至抽穗期的根表面積和根平均直徑均有逐漸增加的趨勢(圖1)。其中，拔節(jié)期壟作免耕的根長密度顯著高于水旱平作(P<0.05)，分別為19.38和18.07 cm·cm-3，且拔節(jié)期的根長密度最高。在水稻生育期，除分蘗期，壟作免耕的根表面積均高于水旱平作和冬水田。在抽穗期，壟作免耕根表面積最高達(dá)1.74 cm2·cm-3，分別比冬季休閑處理和水旱平作增加了3.37%和6.71%。比根長在水稻整個生育時期，呈逐漸下降趨勢。

2.3 水稻不同生育期不同器官N、P、K含量以及累積量差異

隨著水稻生育期的推進，根莖葉的氮含量呈顯著降低趨勢(圖2)。相較于根系和莖稈，水稻4個生育期的葉片氮含量均最高。水稻植株內(nèi)磷含量與氮不同，整個生育期內(nèi)含量變化較小。不同生育期磷含量表現(xiàn)為根系>莖稈>葉片。壟作免耕水稻分蘗期根系磷含量，分別比冬水田和水旱平作高了30.9%和5.6%。水稻4個生育期的莖稈中鉀含量均顯著高于葉片和根系，在水稻分蘗期和抽穗期均表現(xiàn)為壟作免耕顯著高于冬水田和水旱平作(P<0.05)，拔節(jié)期壟作免耕水稻的鉀濃度分別比冬水田和水旱平作處理高了1.3%和13.8%。

3種耕作模式中，水稻在生長前期的氮、磷主要集中在莖稈和葉片中(圖3)。抽穗期至成熟期，穗部來源于根系、葉片和莖鞘氮、磷素的轉(zhuǎn)運，在籽粒中累積量最高。水稻各個生育期的鉀素均在莖稈中累積量最高。在抽穗期，壟作免耕水稻的莖葉中氮、磷、鉀累積量顯著高于水旱平作(P<0.05)，說明壟作免耕能顯著提高抽穗期氮、磷、鉀在莖葉中的累積。成熟期壟作免耕水稻籽粒中氮累積量分別比冬水田和水旱平作增加了24.8%和14.3%。在抽穗期，壟作免耕水稻根系、莖稈中的磷累積量最高，分別比冬水田和水旱平作增加了9.2%、11.0%和13.1%、33.2%。水稻拔節(jié)期和抽穗期莖稈中鉀累積量，壟作免耕比水旱平作顯著高了26.7%和59.7%(P<0.05)。

圖1 不同耕作模式不同生育時期根長密度、根表面積、比根長和根平均直徑Fig.1 Dynamics of root length density, surface area, specific root length and average diameter for rice in different tillage methods under different growing stages FPF：冬水田Flooded paddy field；RNT：壟作免耕Combing ridge with no-tillage；CT：水旱平作Conventional paddy-upland rotation tillage. 同一生育期內(nèi)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。Different small letters in the same stage mean significant differences among treatments (P<0.05), the same bellow.

2.4 水稻不同生育期的N、P、K累積速率

水稻整株氮(0.11～0.32 kg·hm-2·d-1)、磷(0.03～0.10 kg·hm-2·d-1)、鉀(0.04～0.73 kg·hm-2·d-1)累積吸收均持續(xù)至成熟期，鉀累積速率最高，磷累積速率最低(圖4)。在抽穗期，壟作免耕水稻氮、磷、鉀的累積速率均高于冬水田，顯著高于水旱平作(P<0.05)，分別比冬水田和水旱平作增加了33.6%、20.8%、31.8%和36.9%、42.7%、32.6%。在抽穗期，水稻氮、磷、鉀的累積速率最高，而拔節(jié)期水稻氮、鉀的累積速率均在0.30 kg·hm-2·d-1，說明水稻生長前期對氮、鉀的累積相比磷更高。

2.5 不同耕作模式水稻不同生育期的N、P、K比例變化

水稻整株的N∶P和K∶P均隨生育期推進，逐漸降低，成熟期最低(圖5)。N∶P和K∶P均呈現(xiàn)壟作免耕最高(3.6～5.9和3.1～7.2)，水旱平作最低(2.8～5.8和3.1～5.5)，但兩者差異不顯著。在拔節(jié)期和成熟期，壟作免耕水稻的N∶P顯著高于水旱平作(P<0.05)。水稻整株的N∶K在分蘗期到抽穗期顯著降低，在抽穗期到成熟期呈上升趨勢，壟作免耕的N∶K在分蘗期到抽穗期均最低，說明水稻生長前期，壟作免耕能提高K的吸收利用。

圖2 不同生育時期不同器官氮、磷、鉀的含量Fig.2 N, P, K contents of rice in different organs in different growing stages

圖3 不同生育時期不同器官氮、磷、鉀的積累量Fig.3 N, P, K accumulations of rice in different organs in different growing stages

3 討論

壟作免耕將平面地表形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閴艤舷嚅g后，土壤耕作層增厚5～15 cm，成為人工堆壘的根系活動層，可使作物根系遠(yuǎn)離冷浸層而少受危害[14]。本研究表明水稻的拔節(jié)期，壟作免耕的根長密度、根表面積和比根長均顯著高于水旱平作。水稻根系生長的壟埂層中沒有靜水層，導(dǎo)致土壤曝氣、氧化還原電位升高，土壤硫化物等還原性有害物質(zhì)降低[20-21]。研究表明輕度降低土壤水分或交替濕潤方式，能提高根系活躍吸收面積和根系α-萘胺氧化活力，促進根系快速生長[16,22]。壟耕土壤在干濕交替下，氧化還原反應(yīng)最為頻繁，有機質(zhì)氧化和生物體活動增加，改善根系吸收、增加分蘗和有效穗數(shù)及提高光合速率，為增產(chǎn)提供有利條件[23]。

Roy等[10]最新研究表明，與持續(xù)灌溉相比，間歇灌溉水稻的成熟期不同器官P含量較低，而水稻對K的吸收一般較高。本研究中，抽穗-成熟期水稻根系以及成熟期莖稈和籽粒的P含量，壟作免耕較常規(guī)平作處理低，分蘗期-抽穗期壟作免耕水稻莖稈的K含量相較于常規(guī)平作處理顯著增加。Somaweera等[12]設(shè)置了4種灌溉梯度(持續(xù)灌溉-表土干燥后灌溉等)，發(fā)現(xiàn)所有灌溉處理水稻對氮、鉀的吸收持續(xù)至成熟期，而對磷的吸收僅持續(xù)到成熟期前2周，水分限制主要降低了組織中P的累積量，而不是P含量。也有研究表明干旱脅迫在短期內(nèi)對植物磷的負(fù)面影響更大(<90 d)，而在干燥-再濕潤循環(huán)中沒有顯著影響[24]。起壟后的壟埂土壤高于水面，相比淹水環(huán)境的適度濕潤可能使得成熟期水稻中莖稈和籽粒的P含量降低。本研究中隨著水稻生育期的推進，水稻N、K含量呈現(xiàn)顯著降低的趨勢，而P含量總體上在分蘗盛期最高，這與前人研究結(jié)果基本一致[7]。

圖4 不同耕作模式不同生育期氮、磷、鉀的累積速率Fig.4 N, P, K accumulation rates of rice in different tillage methods under different growing stages

圖5 不同耕作模式水稻不同生育期的N、P、K比例變化Fig.5 N, P, K content ratios of rice in different tillage methods under different growing stages

鄒長明等[25]對8個兩系雜交稻品種進行研究時，發(fā)現(xiàn)抽穗期水稻氮積累量與稻谷產(chǎn)量的相關(guān)性最強，中后期的磷鉀素吸收與稻谷產(chǎn)量無相關(guān)性。本研究中，在水稻抽穗期莖稈中氮、磷、鉀累積量，壟作免耕較水旱平作分別顯著增加了49.3%、33.2%和59.7%，整株氮、磷、鉀的累積速率也顯著提高。抽穗期是水稻干物質(zhì)和氮、磷、鉀的快速積累期，相較于水旱平作，壟作免耕水稻根莖葉的P含量并沒有顯著變化，而P累積量顯著增加。研究表明，水氮互作條件下，抽穗期氮、磷、鉀的累積與各養(yǎng)分結(jié)實期轉(zhuǎn)運總量及各養(yǎng)分轉(zhuǎn)運間均有極顯著正相關(guān)性(r=0.86**～0.97**)[11]，也就是說在養(yǎng)分吸收的關(guān)鍵時期，壟作免耕以水調(diào)肥的耕作模式相較于水旱平作和冬水田，有顯著的氮、磷、鉀吸收累積優(yōu)勢，而各養(yǎng)分有效累積為產(chǎn)量的提高提供了保證。水稻較強的營養(yǎng)吸收對葉片生長至關(guān)重要，營養(yǎng)積累和再移動的比例較高，能增加葉片光合速率，延遲葉片衰老，從而提高地上生物量的累積和籽粒產(chǎn)量[26-28]。在本研究中成熟期壟作免耕水稻籽粒氮累積量，分別比冬水田和水旱平作增加了24.8%和14.3%，壟作免耕的水稻實際產(chǎn)量達(dá)8750.8 kg·hm-2，顯著高于水旱平作與冬水田，水稻產(chǎn)量與籽粒氮鉀累積量均在壟作免耕中最高。綜上，氮、磷、鉀的吸收和轉(zhuǎn)運效率較高的原因主要是，相較于傳統(tǒng)的冬水田和水旱平作，壟作與免耕相結(jié)合的模式更有優(yōu)勢[13]：壟作以改變水田地表形態(tài)為起點，創(chuàng)造了壟溝相間的微地形，使土壤依靠毛管水的浸潤，由于毛管力和吸引力，不斷供給壟埂作物充足的養(yǎng)分[29]。而免耕不僅能夠保持水土，減少養(yǎng)分流失；還能穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，利用生物代耕降低能耗，在保證不斷提高土壤肥力[15]的同時，促進水稻生長，進而提高產(chǎn)量。

N∶P和N∶K在水稻生長初期最高，且隨著生育期的延長逐漸降低，表明在水稻生長初期，氮對水稻生長有重要作用。壟作免耕水稻不同生育期的N∶K最低，而K∶P則最高，表明K的重要性增加(相比水旱平作和冬水田，壟作免耕水稻對鉀的吸收利用增加)。水稻拔節(jié)和抽穗期莖稈中鉀累積量，壟作免耕比水旱平作分別高了26.7%和59.7%。一方面鉀在土壤中很少吸附，壟作免耕稻田的水分運移形式改變后，鉀隨毛管上升水源源不斷地輸送到壟埂土壤，即使在水稻吸收鉀的高峰期，自然免耕土壤的速效鉀仍保持較高的濃度[15,29]，促進了有機質(zhì)和礦質(zhì)養(yǎng)分的增加[14,30]。另一方面壟作免耕擴大了土體界面，使得一部分土壤與大氣和太陽輻射直接接觸[31]，增加了土壤微生物數(shù)量和酶活性，加速殘茬腐解[32]。壟作免耕對土壤可溶性K+的影響顯著，進而提升氮、磷、鉀的分配和利用，為水稻高產(chǎn)提供保證。在南方稻區(qū)，推廣此種耕作模式，不僅減少了勞動力，而且可以提高經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

壟作免耕的實際產(chǎn)量達(dá)8750.8 kg·hm-2，顯著高于水旱平作與冬水田(P<0.05)。在拔節(jié)期，水稻的根長密度、根表面積和比根長，壟作免耕均顯著高于水旱平作(P<0.05)。分蘗-抽穗期，壟作免耕水稻莖稈的K含量相較于水旱平作與冬水田處理均顯著增加(P<0.05)。在抽穗期，壟作免耕顯著提高了水稻對氮、磷、鉀的累積速率(P<0.05)，使得抽穗期根莖葉與成熟期籽粒的氮、磷、鉀累積量較水旱平作均顯著增加(P<0.05)。水稻在分蘗-抽穗后期，壟作免耕水稻的N∶K最低、K∶P最高，表明壟作免耕能有效地增加水稻對K的綜合吸收利用。綜上，壟作免耕能增強根系特性，顯著增加水稻對氮、磷、鉀的吸收和累積，從而實現(xiàn)稻田的高產(chǎn)高效。