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2020 , Vol. 36 >Issue 10: 1 - 7

DOI: https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb20190900668

Research article

Effects of No-tillage Years and Re-tillage Times on Soil Bulk Density and Rice Growth in Paddy Fields

  • Hu Huaizhou , 1 ,
  • Hu Bangyou 1 ,
  • Zhang Xulin 1 ,
  • Liu Zhongcheng 1 ,
  • Liu Junyan 2 ,
  • Ci En , 2
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  • (1)Yibin Research Institute of Natural No-tillage, Yibin Sichuan 644300
  • (2)College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715

Received date: 2019-09-19

  Request revised date: 2020-02-14

  Online published: 2020-03-19

Supported by

(2018YFD0800600)

(41977002)

Copyright

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Fold

Abstract

To explore the effects of different no-tillage years and re-tillage times on soil bulk density and rice growth in paddy fields, the research includes no-tillage for 1 to 10 years of paddy field and re-tillage once, re-tillage twice and re-tillage 3 times after no-tillage for 3 to 6 years of paddy field. The results showed that the soil bulk density of no-tillage soil was always higher than that of conventional tillage soil at surface soil and sublayer soil, with the increase of no-tillage time, soil bulk density increased. The soil bulk density significantly increased after 3-year no-tillage compared to that of conventional tillage (P<0.05). With the increase of re-tillage time, soil bulk density gradually decreased. In the paddy fields with no-tillage for 1 to 5 years, the highest seedlings, effective panicles and yield of rice under no-tillage cultivation were higher than that of conventional tillage cultivation. The tillering ability and yield of rice treated with 6-year no-tillage were relatively flat and stable and that of rice treated after 7-year no-tillage decreased significantly. The tillering ability and yield of rice in paddy fields under the re-tillage treatment were always lower than that of the corresponding no-tillage treatment, and the gap gradually widened with the increase of re-tillage times. The tillering ability and yield of rice treated with no-tillage for 7 years were the same as that treated with the corresponding re-tillage once after no-tillage for 6 years. In summary, 6-year no-tillage treatment is the best measure for paddy production in the study area, when the continuous no-tillage of paddy fields exceeds the optimum years, it is necessary to re-tillage the paddy fields once.

Key words： paddy field; no-tillage year; re-tillage; soil bulk density; yield

Cite this article

Hu Huaizhou , Hu Bangyou , Zhang Xulin , Liu Zhongcheng , Liu Junyan , Ci En . Effects of No-tillage Years and Re-tillage Times on Soil Bulk Density and Rice Growth in Paddy Fields[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2020 , 36(10) : 1 -7 . DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb20190900668

0 引言

稻田免耕是以半旱垄作栽培为形式,不同于传统稻田多犁多耙和平板栽秧习惯,能达到省劳增收的一项耕作措施,具有良好的经济和生态效益[1,2,3]。目前,国内外开展了大量有关免耕措施的研究[4,5,6]。免耕垄作增厚有效耕作层,减少对土壤的扰动,促进大团聚体的形成,改善了土壤结构和理化性质[7,8]。同时,免耕能增强土体内部与大气之间气体交换,促进微生物繁衍与土壤养分分解,提高土壤耕层中养分含量以保障农作物生长发育养分供求,提高土壤肥力,避免水土流失,实现稳产高产[9,10,11,12]。生产实践中,稻田平作免耕保持土壤结构稳定,减少年年翻耕的劳动强度,降低生产成本,在一定时期内亦能维持稻田增产增收[13]。
有研究认为,随着免耕时间的延长,稻田土壤板结、理化性质变差、耕层渐浅、杂草滋生,使免耕增收效果减退[14,15]。张锡洲等[16]研究指出长期免耕会使得0~15 cm土层土壤容重减小,土壤养分表层富集,深层养分匮乏,土壤通气变差,病虫害加深。而张音霄等[17]研究指出,长期免耕土壤容重会过大而不利于团聚体的形成。犁耙翻耕使得板结紧实的耕层土壤变得松软,降低土壤容重,能起到恢复土壤耕作层厚度、改善土壤理化性质的作用[18]。
目前,稻田免耕研究对土壤养分方面关注较多[19,20],且大多数研究连续免耕年限较低,鲜有长达10年的连续平作免耕对稻田土壤容重和水稻产量的影响以及有关复耕次数的研究。近年来,长宁地区大力推广免耕措施,提倡发展循环农业,不少农户的稻田已有5年以上的多年连续免耕。基于此背景,本研究以定位试验的四川长宁县稻田土壤为研究对象,以平作免耕的方式,探究免耕年限以及复耕次数对稻田土壤容重以及水稻生长的影响,得到稻田最适免耕年限以及复耕次数,以期为因地制宜推广免耕技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

田间试验于2009年9月—2013年9月在四川省宜宾市长宁县长宁镇北郊村4组（北纬28°35′,东经104°55′）进行。该地区年均降雨量为1150 mm,雨量集中在6—9月,属于中亚热带湿润性季风气候,温暖湿润,雨热同季,四季分明,年均气温18.2℃,≥10℃积温为6000℃左右,无霜期长达357天。

1.2 试验材料

1.2.1 供试土壤 遂宁组紫色水稻土,田块肥力中等,有机质、全氮、碱解氮、磷、钾含量中等。地势向阳,水源较方便。稻田前作为水稻。
1.2.2 供试水稻 品种为‘籼稻II优948’等系列品种,供试肥料采用N:P:K=15:15:15的西洋牌水稻专用复合肥、尿素和农家有机肥。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验于2009年开始布置,免耕年限对土壤容重和水稻生长影响研究为2块试验田,总田面积0.4 hm2,全田块相邻。田块前身已连续免耕2年和6年。试验在此基础上进行同田块大区对比,每区面积为0.03 hm2,田块内小区随机排列,每个处理重复3次,翻耕区域每年翻耕1次,如表1所示,共设置10种不同免耕年限。复耕次数对土壤容重和水稻生长影响研究为另一块试验田,总田面积0.3 hm2,每区0.02 hm2,田块内小区随机排列,每个处理重复3或4次,田块前身已连续免耕3年。以翻耕犁耙次数衡量免耕后复耕技术指标。在免耕3年(NT3)基础上设置耕翻1次（水稻收获后犁耙1次）、耕翻2次（水稻收获后犁耙1次,次年栽秧前犁耙第2次）、耕翻3次（水稻收获后犁耙1次,年底犁耙第2次,次年栽秧前犁耙第3次）和免耕4个试验处理。进行连续4年的数据测定。
表1 不同免耕年限定点研究试验处理
年份 处理
2010 传统翻耕(CT)、免耕3年(NT3)(2007—2010)、免耕7年(NT7)(2003—2010)
2011 传统翻耕(CT)、免耕4年(NT4)(2007—2011)、免耕8年(NT8)(2003—2011)、免耕1年(NT1)(2010—2011)
2012 传统翻耕(CT)、免耕5年(NT5)(2007—2012)、免耕9年(NT9)(2003—2012)、免耕2年(NT2)(2010—2012)
2013 传统翻耕(CT)、免耕6年(NT6)(2007—2013)、免耕10年(NT10)(2003—2013)、免耕3年(NT3)(2010—2013)
免耕方式按当地农民采用的板田平作免耕,生产管理按常规种植方式和生产水平操作,拉线单行栽插,栽插规格的行窝距为50 cm×20 cm。育秧方式采用湿润秧田培育多蘖壮秧,秧龄50天左右。
1.3.2 项目测定 2010—2013年每年水稻收获后测定土壤容重、水稻分蘖情况、水稻性状和产量。土壤容重采用环刀法测定。
1.3.3 统计分析 采用Excel 2010和SPSS 22.0软件对试验数据进行处理统计,用LSD法进行样本平均数的差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 不同免耕年限定点研究结果

2.1.1 免耕年限对土壤容重的影响 试验于2011年和2013年水稻收获后测定土壤容重。测定结果和差异显著性分析如图1和图2所示,无论土壤表层还是下层,翻耕处理土壤容重较小,免耕处理土壤容重较大,且下层土壤容重整体大于表层。可能是由于实行了免耕覆盖,肥料主要施在表层,加上秸秆等分解的养分也聚集在表层,使得表层有机质含量更多,土壤结构体更易形成[17]。除2011年0~10 cm土层免耕1年处理土壤容重与传统翻耕处理差异未达到显著水平外,其余处理土壤容重与传统翻耕处理差异均达到显著水平。随着免耕时间的延长,土壤容重逐渐加重,免耕8年和免耕10年处理最为显著,其0~10 cm土层土壤容重分别为1.20、1.23 g/cm3,10~20 cm土层土壤容重分别为1.28、1.36 g/cm3,此时土壤容重过于高,不利于水稻生长。
图1 不同免耕年限稻田土壤容重2011年测定结果

小写字母表示5%水平差异显著。下同

图2 不同免耕年限稻田土壤容重2013年测定结果
2.1.2 免耕年限对水稻分蘖的影响 2010—2013年连续田间观测结果如表2所示。在免耕1~5年处理中,免耕3年处理稻田水稻有效穗和最高苗低于翻耕处理,但未达到差异显著性水平,免耕5年稻田有效穗与翻耕处理持平,最高苗低于翻耕处理,但未达到差异显著性水平,免耕1年、免耕2年、免耕4年处理稻田水稻最高苗和有效穗均表现为比翻耕栽培处理高,表现较强分蘖力。连续免耕6年及以后处理分蘖能力明显下降,有效穗和最高苗均低于翻耕栽培处理,且免耕9年、免耕10年处理与翻耕处理差异达到显著性水平。由此可得出,就水稻分蘖而言,免耕年限控制在6年以内较好。高于此年限,水稻的分蘖能力会有明显下降。
表2 不同免耕年限稻田水稻分蘖结果
年份 处理 最高苗/(苗/窝) 有效穗/(穗/窝)
2010 传统翻耕(CT) 19.3b 16.7a
免耕3年(NT3) 19.0ab 16.5a
免耕7年(NT7) 18.5a 16.2a
2011 传统翻耕(CT) 19.0a 16.7ab
免耕1年(NT1) 19.2a 17.1b
免耕4年(NT4) 19.8b 17.3b
免耕8年(NT8) 18.9a 16.3a
2012 传统翻耕(CT) 19.5b 17.3b
免耕2年(NT2) 20.2c 18.1c
免耕5年(NT5) 19.3b 17.3b
免耕9年(NT9) 17.6a 15.8a
2013 传统翻耕(CT) 19.7b 17.7b
免耕3年(NT3) 19.9b 17.7b
免耕6年(NT6) 19.4b 17.6b
免耕10年(NT10) 18.5a 16.2a
2.1.3 免耕年限对水稻性状与产量的影响 各处理性状和产量结果如表3所示。水稻的性状中,株高、穗长、千粒重各处理之间均不存在任何的显著性差异。免耕年限在7年及以上处理的水稻实粒数和总粒数均低于翻耕处理。且免耕7年处理的水稻实粒数、总粒数和免耕8年处理的水稻实粒数与传统翻耕处理的差异均达到显著性水平。免耕6年处理水稻的实粒数低于传统翻耕处理,且差异显著,但该处理的水稻总粒数和千粒重又高于传统翻耕。由此可得出,免耕在1~5年内会对水稻的性状产生好的影响,但不明显,免耕在第6年时,会对水稻的性状产生一定的不良影响,但总体趋于稳定。而免耕在7年及以上时,会对水稻的性状产生明显的不良影响。
将各处理产量结果与传统翻耕处理进行对比可得出,增产的处理是免耕1~5年,分别增产了6.09%(NT1)、2.34%(NT2)、2.21%(NT3)、1.50%(NT3)、7.21%(NT4)、1.72%(NT5),且各处理与传统翻耕处理的差异均达到了显著性水平。降产的处理是免耕6至10年,分别降低了0.22%(NT6)、3.33%(NT7)、9.17%(NT8)、11.91%(NT9)、10.25%(NT10),其中除免耕6年处理与传统翻耕处理差异未达到显著性水平外,其余处理与传统翻耕处理的差异均达到了显著性水平。免耕4年处理的增幅最大,免耕9年和免耕10年处理的降幅均超过了10%。由此可说明稻田免耕不可能永久免耕,免耕1~5年会增加稻田水稻产量,免耕在第6年时,产量会略低于传统翻耕,免耕在7年及以上,水稻的产量将受到明显的不良影响。这与免耕年限对水稻性状产生的影响一致。将此结果与免耕年限对稻田土壤容重和水稻分蘖能力的影响综合分析可得知,稻田连续免耕年限控制在6年内为宜。

2.2 不同复耕次数定点研究结果

2.2.1 复耕次数对土壤容重的影响 从土壤容重测定结果（图3）可以看出,表层土壤容重整体低于下层土壤。无论表层还是下层,翻耕处理的土壤容重与免耕处理差异均达到显著水平,说明耕犁能够有效的降低土壤容重。随着耕犁次数的增加,土壤容重逐渐降低,说明由于多次耕犁作业,打乱了土壤结构,土粒间隙增大。0~10 cm土层连续耕犁3次后,稻田土壤容重为0.98 g/cm3,土壤容重过于小,土体较难形成结构体,影响水稻生长,这点从表4和表5中结果得到验证。
图3 不同复耕次数稻田土壤容重测定结果
2.2.2 复耕次数对水稻分蘖的影响 如表4所示,2010—2013年期间,免耕处理实则连续免耕4~7年,在免耕4年和免耕5年处理中,水稻最高苗和有效穗都比翻耕处理高,免耕4年处理与不同翻耕次数处理水稻有效穗差异均达到显著水平。免耕6年和免耕7年处理水稻分蘖能力略差于翻耕1次处理,差异不显著。此结果与稻田最适免耕年限应为6年相互印证,当稻田处于最适免耕年限以内时,对其进行翻耕处理会对水稻分蘖造成不良影响,而超过免耕最适年限后,进行翻耕1次处理,不会对水稻分蘖结果造成太大影响。从翻耕次数分析,随着翻犁次数的增加,最高苗和有效穗指标会有所下降,说明就水稻分蘖而言复耕次数不宜过多,1次即可。
表3 不同免耕年限稻田水稻性状与产量结果
年份 处理 株高/cm 穗长/cm 实粒数/N 总粒数/N 千粒重/g 产量/(kg/hm2) 产量增幅/%
2010年 传统翻耕(CT) 116.0a 29.0a 241.1b 277.5b 29.7a 7254.0b —
免耕3年(NT3) 116.8a 29.2a 246.7b 280.4b 29.9a 7414.5c 2.21
免耕7年(NT7) 115.9a 28.9a 232.9a 271.0a 29.8a 7005.0a -3.33
2011年 传统翻耕(CT) 112.5ab 27.7a 236.1b 273.9a 29.3a 7177.5b —
免耕1年(NT1) 113.5b 27.6a 239.0b 274.0a 29.0a 7551.0c 6.09
免耕4年(NT4) 113.6b 27.4a 238.0b 274.0a 29.2a 7630.5c 7.21
免耕8年(NT8) 111.5a 27.7a 229.0a 271.0a 29.0a 6465.0a -9.17
2012年 传统翻耕(CT) 119.6a 28.5a 244.6ab 287.0a 29.1a 7680.0b —
免耕2年(NT2) 119.4a 28.6a 245.2b 289.0a 28.8a 7860.0c 2.34
免耕5年(NT5) 119.0a 28.4a 244.2ab 286.6a 29.0a 7818.0c 1.72
免耕9年(NT9) 118.6a 28.4a 239.0a 283.9a 29.2a 6765.0a -11.91
2013年 传统翻耕(CT) 124.2a 29.6a 269.0b 314.6a 29.7a 8707.5b —
免耕3年(NT3) 124.1a 29.8a 264.1ab 312.8a 29.8a 8838.0c 1.50
免耕6年(NT6) 123.8a 29.3a 260.2a 316.0a 29.9a 8688.0b -0.22
免耕10年(NT10) 123.2a 29.0a 268.0b 310.0a 30.0a 7815.0a -10.25
表4 不同复耕次数稻田水稻分蘖结果
年份 处理 最高苗/(苗/窝) 有效穗/(穗/窝)
2010 免耕4年 19.6b 17.0b
翻耕1次 19.5ab 16.4a
翻耕2次 19.1ab 16.4a
翻耕3次 19.0a 16.1a
2011 免耕5年 18.7b 16.0c
翻耕1次 18.4ab 15.8c
翻耕2次 18.0a 15.2a
翻耕3次 18.0a 15.3ab
2012 免耕6年 19.7a 17.4b
翻耕1次 19.8a 17.4b
翻耕2次 19.5a 17.1ab
翻耕3次 19.5a 16.7a
2013 免耕7年 19.5a 17.3b
翻耕1次 19.5a 17.4b
翻耕2次 19.3a 16.9ab
翻耕3次 19.1a 16.4a
2.2.3 复耕次数对水稻性状与产量的影响 连续4年(2010—2013)同田定位试验各处理性状和产量结果如表5所示。除2011年外,其他年份免耕栽培处理水稻的性状中,实粒数、总粒数、千粒重整体均大于翻耕处理,且随着翻耕次数的增加,差异逐渐扩大,但差异不显著。由此可得出,当免耕处于3~6年时,进行翻耕处理会对水稻的性状产生不良影响,但影响较小。
各处理产量结果与对应免耕处理相比都有所下降。翻耕次数越多,产量越低。免耕4年处理和免耕6年处理与对应翻耕1次处理的水稻产量差异达到显著性水平,翻耕1次处理分别降产了2.69%和1.68%。免耕5年和免耕7年处理与对应的翻耕1次处理水稻产量差异不显著,翻耕1次处理分别降产了0.31%和0.07%,可见当免耕年限超过最适年限后,进行复耕1次的操作不会对水稻产量造成太大影响。免耕处理与对应的翻耕2次和翻耕3次处理水稻产量差异均达到了显著性水平。由此可说明,处在最适免耕年限内的稻田只要进行翻耕处理都会降低水稻的产量,翻耕1次的影响较小,翻耕2次及以上会较大幅度降低产量。综合复耕次数对水稻分蘖的影响综合分析,可知实际生产进行复耕操作时,复耕1次即可。
表5 不同复耕次数稻田水稻性状与产量结果
年份 处理 株高/cm 穗长/cm 实粒数 总粒数 千粒重/g 产量/(kg/hm2) 产量增幅/%
2010年 免耕4年 115.6a 28.9a 236.0a 270.0a 29.6a 7185.0c
翻耕1次 115.6a 29.0a 234.8a 269.0a 29.6a 6991.5b -2.69
翻耕2次 115.4a 28.2a 235.0a 268.8a 29.5a 6915.0b -3.76
翻耕3次 115.5a 28.6a 232.0a 268.0a 29.6a 6784.5a -5.57
2011年 免耕5年 111.2ab 27.5a 238.2a 271.6a 30.0a 7338.0c
翻耕1次 112.8b 27.9a 239.0a 272.0a 29.6a 7315.5c -0.31
翻耕2次 112.5b 28.5a 238.4a 272.4a 29.7a 6843.0b -6.75
翻耕3次 110.5a 28.2a 236.0a 268.0a 29.7a 6607.5a -9.96
2012年 免耕6年 120.0a 28.5a 249.1a 288.0a 29.6a 7965.0d
翻耕1次 120.0a 28.6a 249.0a 287.4a 29.0a 7831.5c -1.68
翻耕2次 119.4a 28.0a 246.8a 287.0a 28.8a 7710.0b -3.20
翻耕3次 119.5a 28.1a 245.0a 284.3a 29.0a 7509.5a -5.73
2013年 免耕7年 124.0a 29.7a 282.9a 320.2b 30.0a 9210.0c
翻耕1次 124.2a 29.8a 282.0a 317.0ab 29.7a 9204.0c -0.07
翻耕2次 123.7a 29.3a 282.1a 318.0ab 29.8a 9004.5b -2.23
翻耕3次 123.5a 29.4a 277.0a 312.2a 29.6a 8337.0a -9.48

3 讨论

土壤容重指标是衡量土壤松紧度是否适宜作物根系生长的量化标准之一[21],当容重过大以后,土壤就会变板紧实,土壤孔隙度减小,阻碍土壤内部通透性,不利于土壤团聚体的形成,不利作物生长发育,影响作物产量的提高[22]。本研究结果表明,随着免耕年限的增加,土壤容重逐渐扩大,这与龚冬琴等[23]的研究结果一致。结合水稻生长结果综合分析,稻田土壤容重0~10 cm土层不得高于1.14 g/cm3,10~20 cm土层不得高于1.26 g/cm3,容重高于此限后,土壤的孔隙度过于低,此时土壤通气性降低,影响水稻根系的分布与生长,进而影响水稻地上部分的生长与水稻的产量,这与前人研究结果一致[24,25]。而翻耕能够有效降低土壤容重,且随着耕犁次数的增加,土壤容重逐渐降低,说明多次耕犁作业打乱了土壤结构,土粒间隙增大,当表层土壤容重低于1.1 g/cm3时,土体呈不稳定状态,导致土体较难形成结构体[25],土壤保水保肥能力减弱,影响水稻的分蘖与生长,且土壤容重越低影响越大。水稻产量是水稻生命周期中最重要的性状,而提高产量则需要积累尽可能多的干物质[26]。水稻分蘖能力越强,后期有效光合面积便越大,能够有效保证干物质积累[27,28]。与传统翻耕稻田相比,免耕1~5年处理稻田整体表现出较强分蘖能力,免耕6年处理稻田水稻分蘖能力略微有所下降,免耕7年及以后处理稻田水稻分蘖能力明显下降。免耕6年以后处理,免耕年限的延长会对水稻的生长性状产生一定的影响,但整体无明显规律。与传统翻耕处理相比,水稻产量的趋势为免耕1~5年处理增产,免耕6年处理稳产,免耕7~10年处理降产。与免耕年限对水稻分蘖能力产生影响的趋势整体相同。因此可得知,稻田连续免耕年限不宜超过6年,这可能与免耕对土壤容重和水稻分蘖产生的综合影响有关。但具体通过何种机制以及免耕对土壤养分等方面产生的影响还有待进一步研究。复耕试验研究结果表明,当稻田处于免耕3~5年时,对其进行翻耕处理会降低水稻的分蘖能力与产量,由此可知在稻田处于最适免耕年限内时,不宜进行翻耕处理。翻耕次数越多,下降越明显。可能是由于多次耕犁,田犁变绒,破坏了土壤结构体,降低了容重,不利于保水保肥[29],进而影响了水稻的生长。而免耕6年时进行翻耕1次处理,水稻分蘖能力和产量与免耕7年处理持平,说明此时可以进行翻耕处理。综合免耕年限对水稻生长产生的影响可知,当稻田超过最适免耕年限时,需要进行复耕操作,待土壤又恢复良好结构时,进行新一轮连续免耕栽培。复耕应按照要求进行,复耕1次即可,多犁多耙增加生产成本,结果却事与愿违。

4 结论

（1）与翻耕处理土壤相比,免耕处理土壤容重较大。随免耕年限增加,土壤容重也增加;随翻耕次数增加,土壤容重逐渐降低。土壤容重过大或过小均会对水稻的生长产生不良影响。
（2）对比于传统翻耕处理,免耕1~5年处理能够实现增产,水稻分蘖能力变强,利于水稻生长;免耕6年处理生长相对平缓稳定;免耕7年及以上处理会造成减产,分蘖能力也会变差,不利于水稻生长。因此可得知,在实际生产情况下,稻田进行连续免耕不宜超过6年。
（3）当连续免耕到一定年限后,就要进行精耕细作的犁耙翻耕,改善土壤耕作层理化性状,为下一轮连续免耕栽培打好基础。在实际生产情况下,复耕1次便可起到疏松土壤、恢复土壤耕层结构的作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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