黃尚書 鐘義軍 黃欠如 葉川 何紹浪 張昆 成艷紅 吳艷

摘? 要：為明確紅壤坡耕地的合理耕層厚度。以紅壤坡耕地耕層土壤填充方式構(gòu)建10、20、30、40、50 cm 5個耕層厚度，模擬土壤理化性質(zhì)等相同條件下不同耕層厚度對根系生長特征和花生單株產(chǎn)量的影響，并分析作物產(chǎn)量與耕層厚度的相關(guān)性，探討增加耕層厚度下花生的增產(chǎn)潛力。結(jié)果表明：（1）不同耕層厚度對花生各生育期主根根長及開花下針期和成熟期根系生物量、根系活力影響顯著（P<0.05）;耕層厚度為30 cm可以保證花生根系生長和根系生物量形成所需的縱向空間，并維持根系活力在較高的水平。（2）不同耕層厚度對花生單株產(chǎn)量影響顯著（P<0.05），花生單株產(chǎn)量隨著耕層厚度的增加呈現(xiàn)先增長后穩(wěn)定的趨勢。（3）整個生育期主根根長與花生單株產(chǎn)量相關(guān)性呈極顯著線性關(guān)系（P<0.01）;開花下針期和成熟期花生根系活力、根系生物量與花生單株產(chǎn)量呈極顯著相關(guān)（P<0.01）;說明耕層厚度可以通過影響花生根系發(fā)育進而影響產(chǎn)量的形成。（4）米氏方程符合花生單株產(chǎn)量與耕層厚度的關(guān)系（P<0.01，R2=0.8097），30 cm的耕層厚度可以保證花生產(chǎn)量較高，進一步增加耕層厚花生的增產(chǎn)潛力較?。?5%）。

關(guān)鍵詞：根系生長特征;作物產(chǎn)量;紅壤坡耕地;耕層厚度;模擬

中圖分類號：S513????? 文獻標識碼：A

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

HUANG Shangshu1， ZHONG Yijun1， HUANG Qianru1， YE Chuan2， HE Shaolang1， ZHNAG Kun1，

CHENG Yanhong1， WU Yan1

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

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.

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

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.06.018

紅壤坡耕地占南方紅壤區(qū)旱地面積的70%，是重要的土地資源，也是山丘區(qū)群眾賴以生存的基本生產(chǎn)用地[1]。區(qū)域豐富的水熱資源使紅壤坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿薮?，在全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占有舉足輕重的地位。受自然條件和人為因素的影響，紅壤坡耕地耕層淺薄問題突出，加之降雨分配不均及伏秋干旱頻繁使紅壤坡耕地耕層在雨季水分難以保蓄、旱季下層水分上行運動不暢，造成農(nóng)作物根系對水分、養(yǎng)分的利用受限，使其生產(chǎn)潛力難以充分發(fā)揮。因此，探討紅壤坡耕地耕層厚度對作物生長發(fā)育的影響并明確合理的耕層厚度，對如何構(gòu)建紅坡耕地良好耕層、促進其高效持續(xù)利用具有重要的實際生產(chǎn)價值。相關(guān)學者模擬氣候[2]、土壤水熱狀況[3]等變化對作物生長發(fā)育的影響，對構(gòu)建作物良好生長環(huán)境提供了科學依據(jù)，而模擬耕層厚度對作物產(chǎn)量及生長的影響較少，一般通過調(diào)查建立耕層厚度與作物生長指標的關(guān)系進行研究[4-5]，受不同氣候及土壤類型等影響導致結(jié)論針對性不強。因此，更多的學者在耕地上進行不同耕作深度研究，研究涵蓋南方紅壤[6-8]、東北黑土[9]、西南紫色土[4]、砂姜黑土[10]等土壤類型，結(jié)果表明耕作深度過淺容易造成土壤理化性質(zhì)惡化、影響作物根系發(fā)育，進而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而耕作過深容易造成投入增加，這些研究結(jié)論對耕地進行合理耕作提供了重要的參考價值，具有很強的針對性和可操作性。然而，基于實際生產(chǎn)進行耕作深度研究不能代表耕層厚度對作物生長發(fā)育的影響。這是因為：（1）耕地各土層的土壤理化性質(zhì)并不一致，耕作帶來的養(yǎng)分重新分配、物理性質(zhì)和生物性質(zhì)的改變對作物生長發(fā)育造成的影響不能忽略[11-12];（2）耕作深度不能代表耕層厚度，因為耕層是長期耕作、施肥等管理條件所形成。顯然，以上相關(guān)研究在明確耕層厚度對作物生長的影響方面還存在可探討的空間，不能很好地為紅壤坡耕地合理耕層的構(gòu)建提供必要的參考。

因此，本研究以紅壤坡耕地耕層土壤填充方式構(gòu)建不同厚度耕層，模擬土壤理化性等相同條件下研究不同耕層厚度對花生根系生長特征和花生單株產(chǎn)量的影響，建立作物產(chǎn)量與耕層厚度的關(guān)系并分析花生增產(chǎn)潛力。進而明確土壤理化性質(zhì)等相同條件下紅壤坡耕地的合理耕層厚度，以期為良好耕層結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供科學依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 材料

試驗區(qū)位于江西省進賢縣溫圳鎮(zhèn)東崗村（28° 19 29.7 N，116 08 4.8 E），該區(qū)屬亞熱帶季風濕潤氣候，雨量充沛，四季分明;年平均降雨量1537 mm，年蒸發(fā)量1100～1200 mm;年平均氣溫17.7～18.5 ℃，最冷月（1月）平均氣溫4.6 ℃;最熱月（7月）平均氣溫28.0～29.8 ℃。典型低丘地形，海拔25～30 m，坡度5°左右，土壤類型為第四紀紅黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤。

1.2? 方法

1.2.1? 試驗設計? 本試驗采取盆栽方法，設置5個耕層厚度：10 cm（T10）、20 cm（T20）、30 cm（T30）、40 cm（T40）、50 cm（T50），各處理設置6盆。具體操作方法為：將內(nèi)徑為30 cm的PVC管分別截成長度12、22、32、42、52 cm，PVC管的上、下均不密封。截斷后將PVC管埋入田間，并控制PVC管上部高出地面2 cm，其中12、22、32、42 cm規(guī)格的PVC管需將同一地塊50～60 cm土層混合土壤壓實作為下部墊層，52 cm規(guī)格的PVC管則以對應埋深底部土壤進行壓實后作為墊層（圖1）。

上述步驟完成后，將采集典型紅壤坡耕地耕層（0～20 cm）土壤充分混勻后，風干過2 mm篩，均勻填滿各PVC管，經(jīng)過一段時間的自然沉降后，管內(nèi)土體基本與田間土體齊平，土壤容重約為1.20 g/cm3，填充土壤養(yǎng)分情況為：pH 5、有機質(zhì)（OM）20.8 g/kg、堿解氮（AN）95 mg/kg、有效磷（AP）24.9 mg/kg、速效鉀（AK）200 mg/kg、全氮（TN）1.67 g/kg、全磷（TP）0.83 g/kg、全鉀（TK）15.5 g/kg。

1.2.2? 指標觀測? 供試花生品種為‘粵油933。試驗于2017年4月12日開始播種，每個塑料管播種6粒，出苗后留3株長勢均勻花生苗用于相關(guān)數(shù)據(jù)的觀測。各處理化肥施用量均為當?shù)爻Ｒ?guī)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進行?；ㄉ仓陿臃置缙冢?月11日）、開花下針期（6月21日）、成熟期（8月5日）進行破壞性取樣，每個生育期取2盆花生的完整根系樣品，用于主根長、根系生物量、根系活力指標、單株產(chǎn)量的觀測。其中：花生主根長采用直接測量法，根系活力采用TTC法測定[13]，根系生物量及單株產(chǎn)量分別采用烘干稱重法和曬干稱重法[14]。

1.3? 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007軟件對試驗數(shù)據(jù)進行初步統(tǒng)計分析，并用Origin 8.1軟件作圖、SPSS 18.0軟件進行Pearson方差分析及相關(guān)性分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同耕層厚度對花生根系生長特征的影響

如表1所示，花生苗期、開花下針期、莢果成熟期花生根長分別為4.80～6.50 cm、7.43～ 12.20 cm、10.05～17.90 cm，花生主根長表現(xiàn)隨著耕層厚度的增加而呈一定增加趨勢（苗期根長除外）。方差分析表明，不同耕層厚度下苗期主根長表現(xiàn)為T50處理顯著高于T10和T20處理（P<0.05），其他處理間差異不顯著（P>0.05）;開花下針期和成熟期花生根長均表現(xiàn)為T10處理顯著小于其他處理（P<0.05）。從各生育期花不同耕層厚度對主根長的影響來看，耕層厚度為30 cm可滿足花生根系生長所需的縱向伸長空間。

如表2所示，花生苗期根系生物量為1.00～ 1.12 g/株，開花下針期為1.87～2.47 g/株，成熟期為3.02～3.48 g/株。方差分析結(jié)果表明，不同耕層厚度下苗期根系生物量差異不顯著（P>0.05）;開花下針期花生根系活力表現(xiàn)為T10處理顯著低于其他處理（P<0.05）;成熟期花生根系生物量差異顯著，以T10、T20處理較低。說明耕層厚度為30 cm可以為花生根系生物量形成提供必要的空間。

如表3所示，隨著花生生育期的推進，花生根系活力呈下降趨勢;其中苗期根系活力最高，為85.86～90.34 g/（g·h），分別比開花下針期、成熟期高93.27%、386.78%。不同耕層厚度下苗期根系活力差異不顯著（P>0.05），開花下針期、成熟期花生根系差異顯著（P<0.05），并表現(xiàn)為隨著耕層厚度的增加而呈增加的趨勢。

2.2? 不同耕層厚度對花生產(chǎn)量的影響

如表4所示，不同耕層厚度下花生單株產(chǎn)量為13.23～18.02 g/株，隨著耕層厚度的增加呈現(xiàn)先增長后穩(wěn)定的趨勢。方差分析結(jié)果表明，不同耕層厚度對花生單株產(chǎn)量影響顯著（P<0.05），以

T10處理最低，分別比T20、T30、T40、T50處理低10.81%、21.29%、26.24%、26.19%。

2.3 ?花生單株產(chǎn)量與根系生長特征的相關(guān)性分析

進一步分析花生單株產(chǎn)量與各生育期根系生長特征的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)（圖2、圖3、圖4），各生育期主根長與花生單株產(chǎn)量相關(guān)性呈極顯著線性關(guān)系，說明主根的生長發(fā)育對花生產(chǎn)量的形成具有重要作用，并可以反映產(chǎn)量大小;除苗期外，開花下針期和成熟期花生根系活力、根系生物量與花生單株產(chǎn)量呈極顯著相關(guān)，以開花下針期的相關(guān)性最好。

2.4? 花生單株產(chǎn)量與耕作厚度的米氏方程擬合及增產(chǎn)潛力分析

米氏方程是作物產(chǎn)量和生態(tài)環(huán)境因子定量關(guān)系的經(jīng)典公式，廣泛用于確定合適的生態(tài)環(huán)境因子和預測作物產(chǎn)量等。以耕層厚度為自變量（x）、花生單株產(chǎn)量為變量（y）作散點圖并進行米氏方程擬合（圖5）。由圖5可知，y=19.5695x/（5.0528+x）（米氏方程）的相關(guān)系數(shù)較高（R2=0.8097，P<0.01），可以較好地反映花生單株產(chǎn)量與耕層厚度的關(guān)系。為進一步明確增加耕層厚度花生的增產(chǎn)潛力，應用米氏方程進一步模擬耕層厚度每增加10 cm的花生單株產(chǎn)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，耕層厚度為20、30、40、50、60、70、80 cm時，花生單株產(chǎn)量分別比前一耕層厚度增產(chǎn)20.17%、7.21%、3.74%、2.29%、1.55%、1.12%、0.85%。因此，本研究認為，耕層厚度大于30 cm時，進一步增加耕層厚度，花生的增產(chǎn)潛力較?。?5%）。

3? 討論

本研究結(jié)果表明，一定的耕層厚度基本可以保證花生根系生長和根系生物量的形成，這與花生根系主要分布在0～20 cm土層有關(guān)[15]。根系活力隨耕層厚度的增加而增加，與相關(guān)研究結(jié)論大致相同[16-17]，這是因為隨著厚度增加，耕層保肥保水能力更強，有利于提高花生根系活力。對單株產(chǎn)量分析表明，隨著耕層厚度的增加呈現(xiàn)先增長后穩(wěn)定的趨勢，說明作物根系發(fā)育所需耕層厚度的具有范圍性[18-19]，體現(xiàn)確定合理耕層厚度在避免耕層厚度過淺或過度培育深厚耕層不利影響方面的重要性[5， 20]。分析花生單株產(chǎn)量與根系生長特征發(fā)現(xiàn)，整個生育期主根長與花生單株產(chǎn)量相關(guān)性呈極顯著線性關(guān)系;開花下針期和成熟期花生根系活力、根系生物量與單株產(chǎn)量呈極顯著相關(guān)，說明本研究中耕層厚度可以通過影響花生根系發(fā)育進而影響產(chǎn)量的形成，這與相關(guān)研究結(jié)果一致[21]。另外，本研究中，開花下針期花生根系活力及根系生物量與花生單株產(chǎn)量相關(guān)，這與開花下針期是花生產(chǎn)量形成的重要時期有關(guān)?；ㄉ鷨沃戤a(chǎn)量與耕作厚度表現(xiàn)出“先增后穩(wěn)”的關(guān)系，經(jīng)米氏方程曲線擬合為y=19.5695x/（5.0528+x）（P<0.01），和肥料增產(chǎn)效應類似[22]，這與耕層達到一定厚度時，耕層厚度降為次要限制因子，而其他生態(tài)因子（如光照、溫度等）成為主要限制因子有關(guān)。通過耕作或栽培等措施使作物增產(chǎn)5%以下，一般認為增產(chǎn)潛力較小[23]，本研究基于米氏方程對花生的增產(chǎn)潛力分析表明，30 cm的耕層厚度可以保證花生產(chǎn)量較高，隨著耕層厚度進一步增加，花生的增產(chǎn)潛力較小（增產(chǎn)小于5%），因而認為紅壤坡耕地耕層厚度30 cm，可以保證花生高產(chǎn)所需的縱向空間。

當然，本研究還存在一些局限：一是對作物根系的空間分布缺乏研究，難以明確根系分布范圍及狀況在產(chǎn)量形成過程中的影響;二是設置的耕層厚度梯度過大，只能明確合理耕層厚度大體范圍。三是根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，初步分析發(fā)現(xiàn)花生地上生物量與產(chǎn)量不存在顯著相關(guān)性。因此，本研究主要從根系發(fā)育的角度來考慮對花生產(chǎn)量的影響，但作物生物量形成過程對產(chǎn)量形成的影響始終不能忽略，有待于后期進一步系統(tǒng)地研究耕層厚度對相關(guān)作物農(nóng)藝性狀的影響。

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