基于根系生长特征及作物产量的红壤坡耕地合理耕层厚度模拟

黄尚书; 钟义军; 黄欠如; 叶川; 何绍浪; 张昆; 成艳红; 吴艳

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2021.06.018

热带作物学报 >

2021 , Vol. 42 >Issue 6: 1632 - 1638

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2021.06.018

作物栽培与生理生化

基于根系生长特征及作物产量的红壤坡耕地合理耕层厚度模拟

黄尚书 ¹ ,
钟义军 ¹ ,
黄欠如 ¹ ,
叶川 ² ,
何绍浪 ¹ ,
张昆 ¹ ,
成艳红 ¹ ,
吴艳 ^,¹^,^*

展开

1. 江西省红壤研究所,江西南昌 330046
2. 江西省蚕桑茶叶研究所,江西南昌 330043

^* 吴艳,E-mail： 980500577@qq.com。

黄尚书（1989—）,男,硕士,助理研究员,研究方向：土壤学。

Copy editor: 白净

收稿日期: 2020-06-23

修回日期: 2020-07-31

网络出版日期: 2021-07-19

基金资助

江西省重点研发计划项目(20161BBF60105)

江西省重点研发计划项目(20181BBF68009)

收起

Simulation of Reasonable Plough Lyer Thickness of Red Soil Sloping Land Based on Root Growth Characteristics and Crop Yield

HUANG Shangshu ¹ ,
ZHONG Yijun ¹ ,
HUANG Qianru ¹ ,
YE Chuan ² ,
HE Shaolang ¹ ,
ZHNAG Kun ¹ ,
CHENG Yanhong ¹ ,
WU Yan ^,¹^,^*

Expand

1. Red Soil Institute of Jiangxi Province, Nanchang, Jiangxi 330046, China
2. Jiangxi Sericulture and Tea Institute, Nanchang, Jiangxi 330043, China

^* WU Yan,E-mail： 980500577@qq.com。

Received date: 2020-06-23

Revised date: 2020-07-31

Online published: 2021-07-19

Fold

摘要

为明确红壤坡耕地的合理耕层厚度。以红壤坡耕地耕层土壤填充方式构建10、20、30、40、50 cm 5个耕层厚度,模拟土壤理化性质等相同条件下不同耕层厚度对根系生长特征和花生单株产量的影响,并分析作物产量与耕层厚度的相关性,探讨增加耕层厚度下花生的增产潜力。结果表明：（1）不同耕层厚度对花生各生育期主根根长及开花下针期和成熟期根系生物量、根系活力影响显著（P<0.05）;耕层厚度为30 cm可以保证花生根系生长和根系生物量形成所需的纵向空间,并维持根系活力在较高的水平。（2）不同耕层厚度对花生单株产量影响显著（P<0.05）,花生单株产量随着耕层厚度的增加呈现先增长后稳定的趋势。（3）整个生育期主根根长与花生单株产量相关性呈极显著线性关系（P<0.01）;开花下针期和成熟期花生根系活力、根系生物量与花生单株产量呈极显著相关（P<0.01）;说明耕层厚度可以通过影响花生根系发育进而影响产量的形成。（4）米氏方程符合花生单株产量与耕层厚度的关系（P<0.01,R²=0.8097）,30 cm的耕层厚度可以保证花生产量较高,进一步增加耕层厚花生的增产潜力较小（<5%）。

关键词： 根系生长特征; 作物产量; 红壤坡耕地; 耕层厚度; 模拟

本文引用格式

黄尚书 , 钟义军 , 黄欠如 , 叶川 , 何绍浪 , 张昆 , 成艳红 , 吴艳 . 基于根系生长特征及作物产量的红壤坡耕地合理耕层厚度模拟[J]. 热带作物学报, 2021 , 42(6) : 1632 -1638 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.06.018

Abstract

In order to make clear the reasonable cultivated layer thickness of red soil sloping land, a study was constructed on plough layer thickness of 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm and 50 cm by the method of filling plough layer soil of red soil sloping land, the effects of different plough layer thickness on root growth characteristics and peanut yield per plant were analyzed under the same conditions of soil physical and chemical properties, and the potential of peanut yield increase was discussed by establishing the relationship between crop yield and plough layer thickness. The effect of different thickness of plough layer on the root length of main root at different growth stages, root biomass and root activity of peanut at the period except seedling stage were significant (P<0.05). The plough layer thickness of 30 cm could ensure the vertical space for root growth and root biomass formation of peanut, and maintain the root activity of peanut at a higher level. The effect of different plough layer thickness on peanut yield per plant was significant (P<0.05), and the yield per plant of peanut increased first and then stabilized with the increase of the thickness of plough layer. There was a very significant linear relationship between the main root length and peanut yield per plant at different growth stages (P<0.01) and a very significant correlation between peanut root activity, root biomass and peanut yield per plant at the period except seedling stage (P<0.05), showing that the plough layer thickness could affect the root development of peanut and then affect the formation of yield. The relationship between peanut yield per plant and plough layer thickness was fitted by Michaelis equation (R²=0.8097, P<0.01). The plough layer thickness of 30 cm could ensure a higher peanut yield, and further increase of the layer thickness had a smaller yield potential (<5%). In this study, the reasonable plough layer thickness of red soil sloping land under the same conditions is defined, which has important guiding significance for the construction of reasonable plough layer.

Key words： root growth characteristics; crop yield; red soil sloping land; plough layer thickness; simulation

红壤坡耕地占南方红壤区旱地面积的70%,是重要的土地资源,也是山丘区群众赖以生存的基本生产用地^[1]。区域丰富的水热资源使红壤坡耕地农业生产和经济发展潜力巨大,在全国农业可持续发展战略中占有举足轻重的地位。受自然条件和人为因素的影响,红壤坡耕地耕层浅薄问题突出,加之降雨分配不均及伏秋干旱频繁使红壤坡耕地耕层在雨季水分难以保蓄、旱季下层水分上行运动不畅,造成农作物根系对水分、养分的利用受限,使其生产潜力难以充分发挥。因此,探讨红壤坡耕地耕层厚度对作物生长发育的影响并明确合理的耕层厚度,对如何构建红坡耕地良好耕层、促进其高效持续利用具有重要的实际生产价值。相关学者模拟气候^[2]、土壤水热状况^[3]等变化对作物生长发育的影响,对构建作物良好生长环境提供了科学依据,而模拟耕层厚度对作物产量及生长的影响较少,一般通过调查建立耕层厚度与作物生长指标的关系进行研究^[4-5],受不同气候及土壤类型等影响导致结论针对性不强。因此,更多的学者在耕地上进行不同耕作深度研究,研究涵盖南方红壤^[6⇓-8]、东北黑土^[9]、西南紫色土^[4]、砂姜黑土^[10]等土壤类型,结果表明耕作深度过浅容易造成土壤理化性质恶化、影响作物根系发育,进而影响作物的产量和品质,而耕作过深容易造成投入增加,这些研究结论对耕地进行合理耕作提供了重要的参考价值,具有很强的针对性和可操作性。然而,基于实际生产进行耕作深度研究不能代表耕层厚度对作物生长发育的影响。这是因为：（1）耕地各土层的土壤理化性质并不一致,耕作带来的养分重新分配、物理性质和生物性质的改变对作物生长发育造成的影响不能忽略^[11-12];（2）耕作深度不能代表耕层厚度,因为耕层是长期耕作、施肥等管理条件所形成。显然,以上相关研究在明确耕层厚度对作物生长的影响方面还存在可探讨的空间,不能很好地为红壤坡耕地合理耕层的构建提供必要的参考。

因此,本研究以红壤坡耕地耕层土壤填充方式构建不同厚度耕层,模拟土壤理化性等相同条件下研究不同耕层厚度对花生根系生长特征和花生单株产量的影响,建立作物产量与耕层厚度的关系并分析花生增产潜力。进而明确土壤理化性质等相同条件下红壤坡耕地的合理耕层厚度,以期为良好耕层结构的构建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验区位于江西省进贤县温圳镇东岗村（28° 19° 29.7 N,116° 08° 4.8 E）,该区属亚热带季风湿润气候,雨量充沛,四季分明;年平均降雨量1537 mm,年蒸发量1100~1200 mm;年平均气温17.7~18.5 ℃,最冷月（1月）平均气温4.6 ℃;最热月（7月）平均气温28.0~29.8 ℃。典型低丘地形,海拔25~30 m,坡度5°左右,土壤类型为第四纪红黏土母质发育的红壤。

1.2 方法

1.2.1 试验设计本试验采取盆栽方法,设置5个耕层厚度：10 cm（T10）、20 cm（T20）、30 cm（T30）、40 cm（T40）、50 cm（T50）,各处理设置6盆。具体操作方法为：将内径为30 cm的PVC管分别截成长度12、22、32、42、52 cm,PVC管的上、下均不密封。截断后将PVC管埋入田间,并控制PVC管上部高出地面2 cm,其中12、22、32、42 cm规格的PVC管需将同一地块50~60 cm土层混合土壤压实作为下部垫层,52 cm规格的PVC管则以对应埋深底部土壤进行压实后作为垫层（图1）。

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图1 试验操作方法

Fig. 1 Test operation method

上述步骤完成后,将采集典型红壤坡耕地耕层（0~20 cm）土壤充分混匀后,风干过2 mm筛,均匀填满各PVC管,经过一段时间的自然沉降后,管内土体基本与田间土体齐平,土壤容重约为1.20 g/cm³,填充土壤养分情况为：pH 5、有机质（OM）20.8 g/kg、碱解氮（AN）95 mg/kg、有效磷（AP）24.9 mg/kg、速效钾（AK）200 mg/kg、全氮（TN）1.67 g/kg、全磷（TP）0.83 g/kg、全钾（TK）15.5 g/kg。

1.2.2 指标观测供试花生品种为‘粤油933’。试验于2017年4月12日开始播种,每个塑料管播种6粒,出苗后留3株长势均匀花生苗用于相关数据的观测。各处理化肥施用量均为当地常规施肥水平（N 118.3 kg/hm²、P₂O₅ 45 kg/hm²、K₂O 180 kg/hm²）,并按基肥:追肥=7:3施肥,追肥在花生苗期始花前进行。花生植株样分苗期（5月11日）、开花下针期（6月21日）、成熟期（8月5日）进行破坏性取样,每个生育期取2盆花生的完整根系样品,用于主根长、根系生物量、根系活力指标、单株产量的观测。其中：花生主根长采用直接测量法,根系活力采用TTC法测定^[13],根系生物量及单株产量分别采用烘干称重法和晒干称重法^[14]。

1.3 数据处理

利用Excel 2007软件对试验数据进行初步统计分析,并用Origin 8.1软件作图、SPSS 18.0软件进行Pearson方差分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕层厚度对花生根系生长特征的影响

如表1所示,花生苗期、开花下针期、荚果成熟期花生根长分别为4.80~6.50 cm、7.43~ 12.20 cm、10.05~17.90 cm,花生主根长表现随着耕层厚度的增加而呈一定增加趋势（苗期根长除外）。方差分析表明,不同耕层厚度下苗期主根长表现为T50处理显著高于T10和T20处理（P<0.05）,其他处理间差异不显著（P>0.05）;开花下针期和成熟期花生根长均表现为T10处理显著小于其他处理（P<0.05）。从各生育期花不同耕层厚度对主根长的影响来看,耕层厚度为30 cm可满足花生根系生长所需的纵向伸长空间。

表1 不同处理下花生主根长

Tab. 1 Main root length of peanut under different treatments cm

处理 Treatment	苗期 Seedling stage	开花下针期 Flowering and needling stage	成熟期 Mature stage
T10	4.80±0.47^b	7.43±0.39^b	10.05±0.26^b
T20	5.48±0.13^b	11.39±0.44^a	16.55±0.48^a
T30	5.60±0.22^ab	11.04±0.68^a	16.23±0.77^a
T40	5.85±0.53^ab	11.54±0.97^a	17.23±1.74^a
T50	6.50±0.24^a	12.20±0.60^a	17.90±1.22^a

	注：数据为平均值±标准差,同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。
	Note: Data in the table indicate mean±SD, Different lowercase letters after the same column of data in the table indicate significant difference (P<0.05).

如表2所示,花生苗期根系生物量为1.00~ 1.12 g/株,开花下针期为1.87~2.47 g/株,成熟期为3.02~3.48 g/株。方差分析结果表明,不同耕层厚度下苗期根系生物量差异不显著（P>0.05）;开花下针期花生根系活力表现为T10处理显著低于其他处理（P<0.05）;成熟期花生根系生物量差异显著,以T10、T20处理较低。说明耕层厚度为30 cm可以为花生根系生物量形成提供必要的空间。

表2 不同处理下花生根系生物量

Tab. 2 Root biomass of peanut under different treatments g/plant

处理 Treatment	苗期 Seedling stage	开花下针期 Flowering and needling stage	成熟期 Mature stage
T10	1.12±0.11^a	1.87±0.09^b	3.02±0.19^c
T20	1.00±0.05^a	2.32±0.04^a	3.28±0.03^b
T30	1.03±0.06^a	2.41±0.06^a	3.46±0.08^a
T40	1.06±0.05^a	2.43±0.11^a	3.48±0.25^ab
T50	1.11±0.12^a	2.47±0.14^a	3.47±0.10^a

	注：数据为平均值±标准差,同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。
	Note: Data in the table indicate mean±SD, Different lowercase letters after the same column of data in the table indicate significant difference (P<0.05).

如表3所示,随着花生生育期的推进,花生根系活力呈下降趋势;其中苗期根系活力最高,为85.86~90.34 μg/(g·h),分别比开花下针期、成熟期高93.27%、386.78%。不同耕层厚度下苗期根系活力差异不显著（ P>0.05）,开花下针期、成熟期花生根系差异显著（P<0.05）,并表现为随着耕层厚度的增加而呈增加的趋势。

表3 不同处理下花生根系活力

Tab. 3 Root activity of peanut under different treatments μg/(g·h)

处理 Treatment	苗期 Seedling stage	开花下针期 Flowering and needling stage	成熟期 Mature stage
T10	85.86±7.96^a	39.77±1.06^c	16.32±0.89^b
T20	86.80±7.71^a	42.01±4.61^bc	16.79±1.54^b
T30	90.34±2.55^a	42.72±5.72^bc	17.14±0.71^b
T40	88.69±7.22^a	51.44±4.95^ab	18.44±1.08^b
T50	88.45±9.09^a	51.79±0.35^a	21.74±1.62^a

	注：数据为平均值±标准差,同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。
	Note: Data in the table indicate mean±SD, Different lowercase letters after the same column of data in the table indicate significant difference ( P<0.05).

2.2 不同耕层厚度对花生产量的影响

如表4所示,不同耕层厚度下花生单株产量为13.23~18.02 g/株,随着耕层厚度的增加呈现先增长后稳定的趋势。方差分析结果表明,不同耕层厚度对花生单株产量影响显著（P<0.05）,以T10处理最低,分别比T20、T30、T40、T50处理低10.81%、21.29%、26.24%、26.19%。

表4 不同处理下花生单株产量

Tab. 4 Peanut yield per plant under different treatments

处理 Treatment	花生单株产量 Peanut yield per plant/g
T10	13.25±0.80^d
T20	14.86±0.77^c
T30	16.84±0.96^b
T40	17.97±1.11^ab
T50	17.96±0.34^a

	注：数据为平均值±标准差,同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。
	Note: Data in the table indicate mean±SD, Different lowercase letters after the same column of data in the table indicate significant difference (P<0.05).

2.3 花生单株产量与根系生长特征的相关性分析

进一步分析花生单株产量与各生育期根系生长特征的相关性发现（图2、图3、图4）,各生育期主根长与花生单株产量相关性呈极显著线性关系,说明主根的生长发育对花生产量的形成具有重要作用,并可以反映产量大小;除苗期外,开花下针期和成熟期花生根系活力、根系生物量与花生单株产量呈极显著相关,以开花下针期的相关性最好。

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图2 花生单株产量与主根根长的相关性

Fig. 2 Correlation between peanut yield per plant and root length of main root

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图3 花生单株产量与根系活力的相关性

Fig. 3 Correlation between peanut yield per plant and root activity

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图4 花生单株产量与根系生物量的相关性

Fig. 4 Correlation between peanut yield per plant and root biomass

2.4 花生单株产量与耕作厚度的米氏方程拟合及增产潜力分析

米氏方程是作物产量和生态环境因子定量关系的经典公式,广泛用于确定合适的生态环境因子和预测作物产量等。以耕层厚度为自变量（x）、花生单株产量为变量（y）作散点图并进行米氏方程拟合（图5）。由图5可知,y=19.5695x/(5.0528+x)（米氏方程）的相关系数较高（R²=0.8097,P<0.01）,可以较好地反映花生单株产量与耕层厚度的关系。为进一步明确增加耕层厚度花生的增产潜力,应用米氏方程进一步模拟耕层厚度每增加10 cm的花生单株产量,结果发现,耕层厚度为20、30、40、50、60、70、80 cm时,花生单株产量分别比前一耕层厚度增产20.17%、7.21%、3.74%、2.29%、1.55%、1.12%、0.85%。因此,本研究认为,耕层厚度大于30 cm时,进一步增加耕层厚度,花生的增产潜力较小（<5%）。

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图5 米氏方程拟合及增产潜力分析

Fig. 5 Michaelis equation fitting and analysis of production potential

3 讨论

本研究结果表明,一定的耕层厚度基本可以保证花生根系生长和根系生物量的形成,这与花生根系主要分布在0~20 cm土层有关^[15]。根系活力随耕层厚度的增加而增加,与相关研究结论大致相同^[16-17],这是因为随着厚度增加,耕层保肥保水能力更强,有利于提高花生根系活力。对单株产量分析表明,随着耕层厚度的增加呈现先增长后稳定的趋势,说明作物根系发育所需耕层厚度的具有范围性^[18-19],体现确定合理耕层厚度在避免耕层厚度过浅或过度培育深厚耕层不利影响方面的重要性^[5,20]。分析花生单株产量与根系生长特征发现,整个生育期主根长与花生单株产量相关性呈极显著线性关系;开花下针期和成熟期花生根系活力、根系生物量与单株产量呈极显著相关,说明本研究中耕层厚度可以通过影响花生根系发育进而影响产量的形成,这与相关研究结果一致^[21]。另外,本研究中,开花下针期花生根系活力及根系生物量与花生单株产量相关,这与开花下针期是花生产量形成的重要时期有关。花生单株产量与耕作厚度表现出“先增后稳”的关系,经米氏方程曲线拟合为y=19.5695x/(5.0528+x)（P<0.01）,和肥料增产效应类似^[22],这与耕层达到一定厚度时,耕层厚度降为次要限制因子,而其他生态因子（如光照、温度等）成为主要限制因子有关。通过耕作或栽培等措施使作物增产5%以下,一般认为增产潜力较小^[23],本研究基于米氏方程对花生的增产潜力分析表明,30 cm的耕层厚度可以保证花生产量较高,随着耕层厚度进一步增加,花生的增产潜力较小（增产小于5%）,因而认为红壤坡耕地耕层厚度30 cm,可以保证花生高产所需的纵向空间。

当然,本研究还存在一些局限：一是对作物根系的空间分布缺乏研究,难以明确根系分布范围及状况在产量形成过程中的影响;二是设置的耕层厚度梯度过大,只能明确合理耕层厚度大体范围。三是根据观测数据,初步分析发现花生地上生物量与产量不存在显著相关性。因此,本研究主要从根系发育的角度来考虑对花生产量的影响,但作物生物量形成过程对产量形成的影响始终不能忽略,有待于后期进一步系统地研究耕层厚度对相关作物农艺性状的影响。

参考文献

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