耕作方式对机械直播冬油菜生长及产量的影响

Effects of tillage methods on growth and yield of the machinery-sowed winter rape

摘要

目的 明确耕作方式对长江流域水旱轮作旱作季冬油菜生长及产量的影响。 方法 以机械直播冬油菜为试验对象，设置深翻和浅旋2种耕作方式，研究其对冬油菜的根系、地上部生长（株高、茎粗、生物量）、产量和籽粒含油量的影响。 结果 较浅旋处理相比，深翻促进了冬油菜根系生长及根系下扎，根质量密度平均增加了2.0%；且深翻促进了冬油菜的生长发育，冬油菜株高、茎粗和地上部生物量均值分别增加了4.8%、3.1%和5.9%。此外，深翻处理冬油菜产量显著高于浅旋处理（P<0.05），增幅达到24.4%；这与产量构成要素（分支节点高度、分枝长度、单株角果数）显著增加密切相关。深翻较浅旋处理油菜籽粒含油量略有提升，但处理间差异不显著。 结论 综合考虑冬油菜的生长状况、产量以及籽粒含油量，机械化耕播作业时适当深翻会对冬油菜生长指标及产量构成因素产生正效应。该研究为冬油菜区机械化直播种植合理耕作提供理论和技术支撑。

Abstract

Objective The study aimed to clarify the effects of tillage methods on the growth and yield of winter rape in the dry season，which was grown by water/drought rotation in the Yangtze River Basin. Method This study took the machinery-directly-sowed winter rape as the experimental object，with two tillage methods of deep turning and shallow rotation，and studied their effects on the root system，aboveground growth （plant height，stem diameter，biomass），grain oil content and yield of winter rape. Result Compared with shallow rotation treatment，the deep rotation treatment promoted the root system growth and root rooting，with an increased root mass density by 2.0% on average.Also，the treatment promoted the growth and development of the winter rape seeding，and the plant height，stem diameter and aboveground biomass increased by 4.8%，3.1% and 5.9% respectively.In addition，the yield of deep turning treatment was significantly higher than that of the shallow rotation treatment （P<0.05），with an increase of 24.4%.This was closely associated with the significant increase of yield components，such as branch node height，branch length and the number of pods per plant.The deep rotation treatment could slightly improve the oil content of rape seeds in comparison with the shallow rotation treatment，while there was no significant difference between them. Conclusion Comprehensively considering the growth status，yield and grain oil content of winter rape，the proper deep turning during machinery tillage and sowing had a positive effect on the growth index and yield components of winter rape.The findings provided theoretical and technical support for the machinery tillage and planting of the winter rape.

Graphical abstract

关键词

耕作方式 / 油菜 / 根系 / 产量 / 机械化直播

Key words

tillage methods / rape / root system / yield / machinery-directly growing

Author summay

林澄，学士。E-mail： [e-mail]

油菜是中国最主要的油料作物之一，常年种植面积超过700万公顷，提供了45.0%以上国产植物油，对保障我国食用油安全供给具有重要战略意义^［1］。根据农业区划和种植特点，中国油菜种植区域分为冬油菜和春油菜两大产区；其中冬油菜产区集中分布于长江流域，该区域冬油菜种植面积占全国90.0%以上，产量占全国91.0%以上，以稻-油或稻-稻-油水旱轮作种植模式为主。长期以来，油菜播种受前茬水稻收获后土壤黏重、水稻留茬高、秸秆量大等影响，传统旋耕易出现作业耕层浅、秸秆埋覆率低等问题，影响油菜种床整理质量及油菜生长性状，制约着油菜产量的提高^［2］。针对传统旋耕耕作方式的不足，国内外不少学者提出了深翻耕作方式；其通过改变土壤结构，为作物生长发育提供良好的土壤环境，最终提高作物产量。例如，李景等^［3］指出，深翻提高了土壤团聚体中有机碳及全氮含量，尤其提高了团聚体中颗粒有机质的碳氮含量，有利于土壤碳氮的长效累积，从而提高了土壤肥力。张银平等^［4］表明，深翻可明显减小0~20 cm耕层的土壤容重，连续4年试验后，耕层平均容重比初始容重减小0.04 g/cm³，促进了植物根系对水分和养分的吸收。闫雷等^［5］研究发现，深翻较浅旋增加了土壤孔隙度，促进了玉米根系下扎，使得根系垂向分布深度平均增加17.6%。Dhaliwal等^［6］总结到，深翻对稻麦直播系统的作物根部生长、叶面积指数、根长密度等作物性能有着积极的影响，使得粮食产量在2016年和2017年分别增加了18.3%和12.6%。

然而，目前深翻对作物生长的影响研究主要集中在玉米、小麦、马铃薯等作物，而对油菜的影响研究不足。基于此，本文以长江流域机械直播冬油菜为试验对象，以传统旋耕耕作方式为对照，研究深翻对冬油菜生长、产量和籽粒含油量的影响，以期为冬油菜区机械化直播种植合理耕作提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概述

试验于2019年10月至2020年5月在湖北省监利县水稻-油菜（轮作）全程机械化生产基地进行，试验地位于长江中游，地势平坦，属亚热带季风气候区；地处E 113°01′14″，N 29°48′47″，海拔29 m，全年为水稻-油菜水旱轮作种植模式。该区域年均气温16.3 ℃左右，年无霜期255 d左右，年均降水量约1 226 mm。土壤种类为水稻土，试验前测得土壤pH为6.91，0~10 cm土层内土壤容重为1.13 g/cm³。气象数据从当地气象观测站获取，月累积降水量和月平均气温如图1所示。冬油菜生长季内，月累积降雨量在13.7~162.1 mm之间变化，月均最高气温、月均气温和月均最低气度分别在7.8~27.7 ℃、5.1~23.8 ℃和3.0~20.7 ℃之间变化。

1.2 试验材料与设计

供试油菜品种为优质双低的华油杂62，于2019年10月10日播种，每亩播种量为300 g。供试肥料为油菜专用缓释配方肥“宜施壮”；总养分含量≥40.0%，其中N、P₂O₅、K₂O和中微量元素（B、Ca、Mg、Zn、S）养分配比为25∶7∶8∶5。肥料在播种时一次性基施，施肥量为50 kg/667 m²，采用地表撒施方式，生育期内不再追肥。供试机械采用五铧犁和华中农业大学研制的2BFQ-6型油菜精量联合直播机，其中五铧犁耕翻深度为200 mm；直播机工作参数为：正、负气压组合式油菜精量排种器，工作幅宽2 000 mm，播种行数6行，行距280 mm，播种深度10~20 mm，旋耕深度平均120 mm，厢沟呈梯形，沟上口宽、沟底宽和沟深平均分别为300、220 mm和120 mm，用于田间水分侧渗^［1］。

试验设置深翻和浅旋2种耕作方式。深翻处理先通过铧式犁实现土壤翻耕，再通过直播机完成播种、覆土等作业；而浅旋处理则直接通过直播机一次性完成种床旋耕、播种、覆土等作业。本研究中，每种耕作方式设置3个重复；每一厢作为一个重复，每厢采集测试有效面积为60 m²，采用完全随机设计布设试验小区^［7］。油菜于2020年5月3日收获，生育期共206 d。

1.3 测量项目与方法

于2019年11月3日、2019年11月23日、2020年1月12日、2020年3月14日和2020年5月3日对油菜株高进行测量，于油菜收获时（2020年5月3日）对植株茎粗进行测量。具体方法为在各重复厢面上选择10株代表性植株，利用卷尺测量植株基部至主茎顶部的距离，即为株高；利用游标卡尺测定茎基部的直径，即为茎粗；取10株的平均值作为该重复的油菜株高和茎粗。

于2019年11月23日、2020年1月12日和2020年5月3日对油菜植株生物量进行测定。具体方法为在各重复厢面上选择5株代表性作物，将其分成地上部和地下部根系，放入烘箱在75 ℃烘至恒重，称其生物量。油菜收获时在各重复厢面上选择4个取样点，每个点面积56 cm×56 cm，取整个植株的地上部和地下部根系，根系部分层取样至土壤深度20 cm，以5 cm为间隔；先切除植株地上部，将每层土壤分别过筛、挑拣活根并清洗后，再将地上部和各部分根系放入烘箱中烘至恒质量，分别称其生物量并计算根质量密度。

采用五点取样法对油菜产量进行测定，每个点面积1 m×1 m。收集这5点的油菜冠层进行晒干、脱粒并称质量，得到每平方米菜籽质量；同时对油菜产量构成要素（单株分枝数、单株角果数、每角粒数、千粒质量等）进行记录；采用近红外光谱仪对油菜籽粒含油量进行测定。

1.4 数据处理与分析

试验数据使用Excel 2010 软件进行处理；采用OriginPro 8.5（OriginLab Corporation，Northampton，MA，USA）软件进行绘图，利用PASW Statistics 18.0（SPSS Inc.Chicago，IL，USA）系统软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对冬油菜根系的影响

根系是作物传输有机物和营养、合成多种必需生物碱和氨基酸的重要器官，具有储藏和调动养分和无机物、固着和支撑植物体等多种重要功能，常通过研究根质量密度及其在不同土层剖面的分布来反映根系生长性状。如图2所示，随着土层深度增加，油菜根质量密度在逐渐减小。油菜根系主要集中在0~10 cm土层，占整个土层的87.6%；其中0~5 cm和5~10 cm土层根系分别占整个土层的51.4%和36.2%。

作物根系生长发育受土层结构、土壤水分和养分等因素的多重影响，不同耕作方式对油菜根质量密度的影响随着土层的不同而有所差异（图2）。在0~5 cm和10~15 cm土层中，深翻较浅旋处理根质量密度分别增加了4.6%和5.7%；而在5~10 cm土层中，深翻较浅旋根质量密度减少了4.9%；在15~20 cm土层中，深翻耕作方式下根质量密度为34.44 g/m³，而浅旋耕作方式下已经没有了油菜根系。可见，深翻对促进油菜根系下扎有着明显优势。就整个取样深度土层而言，深翻较浅旋处理油菜根质量密度平均增加了2.0%。

2.2 耕作方式对油菜地上部生长的影响

油菜生长季中，不同耕作方式下油菜株高的变化如图3所示。可见，播种后前94 d内，油菜株高的变化不大，但深翻处理油菜株高显著高于浅旋处理（P<0.05），平均增加了20.3%。而播种第94天后，油菜生长较快，但两种耕作方式下油菜株高变化不大（P>0.05），深翻较浅旋处理油菜株高平均增加了4.6%。就收获期而言，深翻较浅旋处理相比油菜株高和茎粗均有所增加；株高增加了4.8%（图3），茎粗增加了3.1%（表1）。

较浅旋处理相比，深翻有利于油菜干物质积累（表1）。苗期（2019年11月23日、2020年1月12日），深翻较浅旋处理油菜增加了3.5%。而收获期（2020年5月3日），深翻较浅旋处理油菜地上部生物量增加了6.2%。就整个生育期油菜生物量均值而言，深翻较浅旋处理油菜地上部生物量增加了5.9%。深翻较浅旋处理相比促进了油菜地上部生长，但方差分析表明，两者间未表现出明显差异（表1）。

2.3 耕作方式对冬油菜产量及籽粒含油量的影响

不同耕作方式下油菜的籽粒产量以及籽粒含油量如图4所示。深翻处理的油菜产量为2 577.49 kg/hm²，较浅旋处理增加了24.4%，且处理间差异显著（P<0.05），故在产量上深翻较浅旋来说有着明显的优势。深翻增加油菜产量，这与单株分枝数、单株角果数、每角粒数、千粒重等产量构成要素增加密切相关（表2）；深翻较浅旋处理油菜单株分枝数、分枝节点高度、分枝长度、单株角果数、每角粒数和千粒重分别增加了9.1%、18.0%、49.0%、12.3%、9.0%和4.1%。在油菜的籽粒含油量上，深翻处理油菜籽粒含油量为50.1%，较浅旋增加了0.8%；故在油菜籽的含油量上深翻略微高于浅旋，但两者差异并不明显（P>0.05）。

3 讨论

植株根系的生长发育情况不仅影响着植株获取养分、水分的能力，还还可以合成多种生理活性物质，最终影响产量^［8］，而根质量密度是作物根系生长发育情况的重要体现。随着土层深度增加，冬油菜根质量密度在逐渐减小，0~5 cm和5~10 cm土层根系分别占整个土层的51.4%和36.2%（图2）；这与不少研究学者的结果相似。例如，谷晓博等^［8］指出，0~5 cm和5~10 cm土层的根系分别占整个土层的55.1%和27.2%。Su等^［9］总结到，集中在0~10 cm土层的根质量密度占整个土层的83.2%。袁金展等^［10］研究表明，油菜根系主要集中在0~10 cm土层，在苗期和花期分别占到整个土层的79.8%和73.1%。随着土层深度的增加，作物的根系越来越不发达，其充斥周围土壤的能力不断降低，且根长、根表面积和根系质量密度的大小随油菜的根系生长位置的不同而发生波动，随着土层的加深，其波动幅度减小；因此，随着土层深度增加，油菜根质量密度在逐渐减小。此外，深翻促进油菜植株根系生长（图2），这与不少研究学者的结论一致。例如，张万锋等^［11］研究发现，深翻较浅旋作物根系平均增加了23.8%。苏伟等^［12］指出，浅旋处理下的油菜主根受到了明显的抑制，主根长及主根干物质积累量均显著低于深翻处理，平均分别减小了1.6%和29.4%。展文洁等^［13］表明，在作物生理成熟期，深翻较浅旋作物根系表面积和总根干重分别增加了7.0%和2.8%。深翻促进了作物根系生长，可能是由于深翻使10~20 cm深度的紧实土层疏松细碎，深层土壤颗粒间的空隙增大，土壤的透水性、透气性增强，更利于根系下扎。本研究中，在侧根生长密集的5~10 cm的土层深度中，浅旋根质量密度优于深翻，而在0~5、10~15、15~20 cm的土层深度中均劣于深翻处理（图2）；这与浅旋抑制了油菜主根的下扎，但促进了侧根在水平方向上的生长有关^［14］。

深翻促进油菜植株生长发育（图3，表1）原因在于深翻使土壤疏松，增加了土壤孔隙度，利于根系下扎，进而促进油菜对养分和水分的吸收与利用。裴雪霞等^［15］指出，深翻条件对于植株和籽粒对氮、磷的吸收均有极大促进作用。含氮量增加将增加作物地上部的叶绿素含量，提高光合作用速率，使植株生长健壮，单株冠幅增加；而磷含量增加能促进植物花芽的形成和开花，提高作物茎枝的坚韧度；故表现出深翻作业下油菜植株粗壮的现象。此外，研究发现，深翻能维持植株较高的叶面积指数和光合速率^［14］，进而增加干物质的积累量（表1）。对于除2019年11月23日外，其他两个日期不同处理下油菜地上部生物量差异均达到显著水平实验结果（表1），这与土壤酶活性有关。土壤内脲酶和蛋白酶活性随着气温的升高而增加，两者直接参与土壤中含氮有机化合物的转化，其强度表征土壤供应强度和氮素转化^［16］，而深翻处理比浅旋处理对土壤酶活性激发得更彻底。故在2019年11月23日气温好冷的情况下，土壤酶活性低，两种不同耕作方式下地上生物量没有显著差异。其他两日气温逐渐回暖，深翻处理下土壤酶活性更强，两种不同耕作方式下地上生物量便产生了显著差异。

本文中，深翻较浅旋增加了24.4%油菜产量（图4），可能与以下几方面因素有关。第一是土壤孔隙度。土壤孔隙度是反映土壤紧实状况的重要指标，同时也是影响作物生长的一个关键因子。研究表明，深翻能使内外层紧实的土壤疏松，大大增加土壤颗粒间的空隙，利于土壤内碳氮的长效累积和根的有氧呼吸，提高土壤的肥效力，为作物生长提供更多的养分^［4］，进而达到促进油菜生长发育的目的^［17］；反观浅旋耕作方式，仅有浅层的土壤得到疏松，深层土壤仍然保持紧实，土壤通透性差，不利于土壤熟化和培肥地力；不利于根系下扎，限制油菜对深层土壤水分和养分的吸收，进而抑制地上部干物质积累及产量形成。第二是土壤养分含量。研究发现，深翻条件下土壤NO₃^--N含量、有机碳和全氮含量均优于浅旋处理^［18-19］。养分含量的增加会促进油菜叶面积增大，加快叶片对光能的吸收，进而对氧气、养分等其他资源的吸收利用产生正向效应，利于产量形成。第三是土壤微生物活动。赵亚丽等^［20］研究发现，深翻较浅旋相比有利于土壤微生物数量增加和土壤酶活性的提高，且微生物量碳、氮量增幅更加明显。土壤中微生物代谢增强，利于对土壤水分和养分吸收与利用，对作物生长和产量产生正效应。第四是油菜干物质积累量。王翠翠等^［21］研究表明，作物产量与地上部干重呈极显著正相关关系；且根量的大小与作物地上部分的发育有显著关联，根系与地上部的生长发育对群体竞争的响应是相互促进依赖的。本研究中，深翻对油菜地上部生物量均具有促进作用（表1），进而达到增产目的（图4）。

4 结论

本研究认为深翻通过机械作用改善了土壤结构，极大改善了土壤内外层的水、热、气和养分条件，为作物生长发育提供良好条件，说明机械化耕播作业时适当深翻会对冬油菜生长及产量产生正效应。

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基金资助

中国博士后科学基金资助项目(2020M672371)

湖北省大学生创新创业训练计划项目(S202110504187)

农业部作物需水与调控重点实验室开放课题(FIRI2021010401)