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粉垄耕作提高土壤养分有效性促进甘蔗养分吸收代谢及良好根系形态的形成

李浩 黄金玲 李志刚 韦本辉 陈晓茹 韩世健 梁晓莹 李素丽

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粉垄耕作提高土壤养分有效性促进甘蔗养分吸收代谢及良好根系形态的形成

Fenlong tillage increase soil nutrient availability, and benefit nutrient metabolism and formation of root morphology in sugarcane

  • 摘要:   【目的】  研究粉垄耕作对宿根蔗和新植蔗生长过程中土壤养分含量、甘蔗对养分吸收以及植株解剖形态的影响,为粉垄耕作技术推广提供理论依据。  【方法】  以桂糖42号为供试材料进行田间试验,以常规耕作为对照 (CK,耕作深度 25 cm),粉垄耕作 (垂直旋深40 cm) 为处理,甘蔗种植采用新植甘蔗和宿根两种方法。在甘蔗主要生育期,取植株和土壤样品,测定土壤中速效氮磷钾含量以及甘蔗对养分的吸收和积累量,同时测定叶中氮代谢酶活性和根系活力,观测根系维管束形态结构,并测定根系活力。  【结果】  与常规耕作相比,粉垄耕作条件下,土壤容重降低了8.6%~16.9%,土壤速效氮、速效磷含量提高了9%~25%,差异显著;各生育期甘蔗根系和叶片氮磷含量均显著提高,增幅分别为5.3%~29.8%和16.3%~33.1%;显著提高了甘蔗出苗率、分蘖率、株高、茎径、有效茎数、产量。粉垄耕作下,甘蔗茎维管束更大,分布更密集,蔗茎维管束数量、维管束面积、后生木质部导管直径、韧皮部面积显著增加,新植蔗和宿根蔗茎维管束面积分别增加了15.2%和16.7%,维管束数量分别增加28.0%和17.8%;后生木质部导管直径分别提高7.8%和7.9%;韧皮部面积分别增加29.7%和30.8%;在苗期、伸长期和成熟期,粉垄耕作的甘蔗根系活力分别比传统耕作处理增加了1.29、1.39和1.25倍,新植蔗叶谷氨酰胺合成酶 (GS) 活性分别增加了149.6%、36.5%和65.6%,宿根蔗叶GS活性分别增加了5.9%、36.0%和93.3%(P < 0.05);在苗期和伸长期,新植蔗叶片谷氨酸合成酶 (GOGAT) 显著提高了40.3%和69.1%,宿根蔗分别增加37.9%和42.4%;苗期粉垄耕作宿根蔗亚硝酸还原酶 (NR) 活性显著高于常规耕作甘蔗9.5%。  【结论】  粉垄耕作可改善土壤理化性状,提高速效氮磷含量,改善甘蔗维管组织,提高甘蔗体内氮磷含量,提高根系活力和氮代谢相关酶活性,有利于甘蔗吸收和转运氮素,促进了氮代谢和氨基酸的合成,为蛋白质的合成提供了物质基础,促进甘蔗生长发育,实现甘蔗增产增收。
  • 图 1  两个耕作处理对甘蔗茎解剖结构的影响

    Figure 1.  The anatomical structure of sugarcane stem affected by tillage methods

    图 2  常规和粉垄耕作下甘蔗根系活力

    Figure 2.  Root vitality of sugarcane under two tillage methods

    图 3  两个耕作处理下甘蔗叶片酶活性

    Figure 3.  The activities of enzymes in sugarcane leaves under the two tillage methods

    表 2  不同耕作处理下的甘蔗养分含量 (g/kg)

    Table 2.  Nutrient concentrations of sugarcane plants as affected by tillage treatments

    种植方式
    Planting method
    生长期
    Growthstage
    耕作方式
    Tillage method
    叶片 Leaf根系 Root
    NPKNPK
    新植蔗
    Newlyplanted
    苗期
    Seedling
    CK30.52 ± 0.66 a13.34 ± 0.34 b72.87 ± 1.76 a27.43 ± 0.75 b14.49 ± 0.23 b 9.12 ± 0.22 a
    T 30.61 ± 0.64 a17.98 ± 0.29 a73.80 ± 1.55 a35.12 ± 0.65 a19.29 ± 0.10 a 9.91 ± 0.24 a
    伸长期
    Elongation
    CK32.31 ± 0.68 b30.67 ± 0.64 b92.76 ± 2.37 a33.18 ± 0.80 b17.06 ± 0.29 b14.92 ± 0.36 a
    T 38.58 ± 0.67 a34.34 ± 0.72 a94.37 ± 1.98 a38.91 ± 0.73 a22.55 ± 0.30 a14.49 ± 0.35 a
    成熟期
    Maturing
    CK33.06 ± 0.76 b34.40 ± 0.76 b74.97 ± 1.47 a30.56 ± 0.73 b29.73 ± 0.95 b21.92 ± 0.53 a
    T 39.47 ± 0.70 a36.22 ± 0.76 a69.23 ± 1.56 b37.26 ± 0.75 a35.13 ± 0.36 a17.35 ± 0.42 b
    宿根蔗
    Ratooncane
    苗期
    Seeding
    CK31.80 ± 0.88 a40.12 ± 0.84 a59.90 ± 0.84 a31.44 ± 0.80 b27.44 ± 0.80 b29.20 ± 0.70 a
    T 32.60 ± 0.71 a39.09 ± 0.82 a59.75 ± 0.83 a39.62 ± 0.81 a33.35 ± 0.66 a29.01 ± 0.70 a
    伸长期
    Elongation
    CK36.81 ± 0.77 b32.57 ± 0.68 b74.19 ± 1.56 a36.05 ± 0.79 b33.05 ± 0.79 b23.23 ± 0.56 b
    T 42.57 ± 0.79 a39.29 ± 0.72 a70.33 ± 1.48 b42.18 ± 0.68 a38.44 ± 0.44 a23.92 ± 0.57 a
    成熟期
    Maturing
    CK33.12 ± 0.70 b27.94 ± 0.59 b70.45 ± 1.35 a27.31 ± 0.66 b27.31 ± 0.66 b20.69 ± 0.50 a
    T 36.89 ± 0.71 a36.26 ± 0.64 a62.75 ± 1.32 b33.49 ± 0.66 a32.99 ± 0.55 a20.03 ± 0.48 a
    注(Note):CK—常规耕作 Conventional plough of 20 cm deep; T—粉垄耕作 Vertical and rotary plough of 40 cm deep; 同列不同小写字母表示相同种植方法下传统与粉垄耕作之间在 5% 水平差异显著 The different small letters mean significant difference of a index between the two tillage methods at 5% level in the same planting method.
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    表 1  两种耕作处理下甘蔗农艺性状和产量

    Table 1.  Agronomic traits, yield and sugar content of sugarcane under two tillage treatments

    植株
    Plant
    耕作方式
    Ploughmethod
    出苗率 (%)
    Seedlingrate
    分蘖率 (%)
    Tillering rate
    株高 (cm)
    Plant height
    茎径 (cm)
    Stem diameter
    有效茎 (plant/hm2)
    Effective stem
    产量 (kg/hm2)
    Yield
    甘蔗糖分 (%)
    Sugar content
    新植蔗
    Newly planted
    CK32.0 ± 1.03 b51.2 ± 1.25 b295.0 ± 2.57 b2.56 ± 0.03 b61477 ± 91 b109814 ± 2252 b13.86 ± 0.33 b
    T40.0 ± 0.89 a60.1 ± 2.01 a334.0 ± 2.31 a3.01 ± 0.08 a64719 ± 102 a130555 ± 3539 a15.50 ± 0.45 a
    宿根蔗
    Ratoon cane
    CK17.3 ± 2.20 b56.4 ± 9.50 a251.9 ± 2.80 b2.39 ± 0.90 b41520 ± 75 b82589 ± 1360 b15.20 ± 0.60 a
    T22.6 ± 2.30 a63.0 ± 7.90 a271.2 ± 5.60 a2.92 ± 0.50 a49274 ± 98 a93257 ± 1718 a15.80 ± 0.10 a
    注(Note):CK—常规耕作 Conventional plough of 20 cm deep; T—粉垄耕作 Vertical and rotary plough of 40 cm deep; 数字后不同小写字母表示处理间差异显著 Different small letters indicate significant difference between two treatments for the same planting method (P < 0.05).
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    表 3  不同耕作方式下新植甘蔗工艺成熟期根、叶干重及氮吸收量

    Table 3.  N absorb of root and leaf in sugarcane processing maturing stage affected by tillage treatments

    种植方式 Plantingmethod耕作 Tillagemethod器官 Organs干重 Dry weight (kg/plant)氮积累量 N accumulation (g/plant)
    新植蔗 NewlyplantedCK根 Root0.32 ± 0.010 8.73 ± 0.15
    叶 Leaf0.36 ± 0.02311.92 ± 0.53
    T 根 Root0.41 ± 0.02113.73 ± 0.42
    叶 Leaf0.46 ± 0.01216.96 ± 0.32
    注(Note):CK—常规耕作 Conventional plough of 20 cm deep; T—粉垄耕作 Vertical and rotary plough of 40 cm deep; 同列不同小写字母表示相同种植方法下传统与粉垄耕作之间在 5% 水平差异显著 The different small letters mean significant difference of a index between the two tillage methods at 5% level in the same planting method.
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    表 4  两个耕作处理下土壤容重及养分含量

    Table 4.  Bulk density and nutrient contents of soils as affected by tillage methods

    种植方式
    Planting method
    生长期
    Growth period
    处理
    Treatment
    容重 (g/cm3)
    Soil bulk density
    有机质 (g/kg)
    Organic content
    全N (g/kg)
    Total Nitrogen
    全P (g/kg)
    Total Phosphorus
    全K (g/kg)
    Total potassium
    速效N (mg/kg)
    Available nitrogen
    有效P (mg/kg)
    Available P content
    速效K (mg/kg)
    Available potassium
    新植蔗
    New plantingsuguarcane
    苗期
    Seeding stage
    CK0.78 ± 0.05 b38.63 ± 1.6 a 2.23 ± 0.17 a0.35 ± 0.02 a12.92 ± 0.39 a287.00 ± 6.36 a12.11 ± 0.26 b714.03 ± 14.28 a
    T 0.68 ± 0.02 a35.81 ± 1.70 a1.65 ± 0.23 b0.33 ± 0.01 a12.86 ± 0.05 a291.00 ± 5.83 a13.10 ± 0.20 a715.80 ± 28.21 a
    伸长期
    Elongation stage
    CK0.82 ± 0.05 b40.15 ± 1.20 a1.48 ± 0.27 a0.35 ± 0.01 a12.47 ± 0.37 a291.67 ± 5.83 b11.11 ± 0.26 b714.03 ± 14.28 a
    T 0.72 ± 0.03 a38.83 ± 1.82 a1.60 ± 0.14 a0.34 ± 0.01 a12.48 ± 0.19 a317.00 ± 6.36 a13.10 ± 1.10 a715.80 ± 28.21 a
    成熟期
    Mature stage
    CK0.79 ± 0.04 b39.33 ± 1.18 a1.75 ± 0.05 a0.35 ± 0.01 a12.58 ± 0.38 a 135.33 ± 12.71 b11.27 ± 0.23 b575.40 ± 11.51 a
    T 0.70 ± 0.01 a36.30 ± 1.61 b1.47 ± 0.03 b0.35 ± 0.01 a11.40 ± 1.40 a 240.33 ± 15.23 a12.43 ± 0.40 a532.32 ± 18.24 a
    宿根蔗
    Stubblecane
    苗期
    Seeding stage
    CK0.63 ± 0.10 b37.94 ± 1.14 a1.75 ± 0.25 a0.068 ± 0.002 a22.96 ± 0.69 a336.67 ± 7.93 b 8.83 ± 0.95 b984.90 ± 21.70 a
    T 0.58 ± 0.01 a32.80 ± 2.95 b1.70 ± 0.17 a 0.07 ± 0.001 a23.19 ± 1.30 a 382.67 ± 16.83 a10.53 ± 0.81 a836.10 ± 13.36 b
    伸长期
    Elongation stage
    CK0.73 ± 0.01 b39.88 ± 1.20 a1.57 ± 0.15 a0.072 ± 0.002 a 22.33 ± 0.067 a352.00 ± 4.90 b10.84 ± 0.24 b588.51 ± 11.77 a
    T 0.63 ± 0.02 a39.94 ± 1.04 a1.48 ± 0.12 a 0.06 ± 0.001 a21.75 ± 0.73 a 388.67 ± 12.21 a13.61 ± 0.9 a 568.65 ± 82.31 a
    成熟期
    Mature stage
    CK0.69 ± 0.01 b43.69 ± 1.31 a1.29 ± 0.04 a0.074 ± 0.002 a23.02 ± 0.06 a121.33 ± 6.71 b 6.2 ± 0.03 a715.27 ± 14.13 a
    T 0.59 ± 0.02 a41.99 ± 1.70 a1.26 ± 0.02 a0.071 ± 0.001 a23.09 ± 0.92 a135.33 ± 7.21 a 6.29 ± 0.26 a597.80 ± 15.25 b
    注(Note):CK—常规耕作 Conventional plough of 20 cm deep; T—粉垄耕作 Vertical and rotary plough of 40 cm deep; 同列不同小写字母表示相同种植方法下传统与粉垄耕作之间在 5% 水平差异显著 The different small letters mean significant difference of a index between the two tillage methods at 5% level. in the same planting method.
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    表 5  耕作方式对甘蔗维管束组织结构的影响

    Table 5.  The anatomical structure of sugarcane stem affected by tillage methods

    种植方式
    Plantingmethod
    耕作方法
    Tillage method
    维管束面积 (μm2)
    VB area
    维管束数量
    Numbers of VB
    导管直径 (μm)
    Xyl vessel diameter
    韧皮部面积 (μm2)
    Phloem area
    新植蔗
    Newly planted
    CK55697.65 ± 1302.72 b27.81 ± 2.22 b79.83 ± 2.46 b6199.69 ± 126.69 b
    T 64157.13 ± 5338.16 a35.61 ± 2.87 a86.02 ± 3.65 a8037.95 ± 257.59 a
    宿根蔗
    Ratoon cane
    CK60001.21 ± 1320.23 b32.52 ± 1.23 b83.53 ± 2.25 b6501.35 ± 110.23 b
    T 70023.00 ± 1635.21 a38.32 ± 2.30 a90.15 ± 2.54 a8505.34 ± 169.23 a
    注(Note):CK—常规耕作 Conventional plough of 20 cm deep; T—粉垄耕作 Vertical and rotary plough of 40 cm deep; Xyl—后生木质部 Metaxylem; 数字后不同小写字母表示处理间差异显著 Different small letters indicate significant difference in the index between the two tillage treatments in the same plant method (P < 0.05).
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  • [1] Cai H, Ma W, Zhang X, et al. Effect of subsoil tillage depth on nutrient accumulation, root distribution, and grain yield in spring maize[J]. The Crop Journal., 2014, 2(5): 297–307. doi:  10.1016/j.cj.2014.04.006
    [2] Wang H, Guo Z, Shi Y, et al. Impact of tillage practices on nitrogen accumulation and translocation in wheat and soil nitrate–nitrogen leaching in drylands[J]. Soil & Tillage Research, 2015, 153: 20–27.
    [3] Zhai L, Xu P, Zhang Z, et al. Improvements in grain yield and nitrogen use efficiency of summer maize by optimizing tillage practice and nitrogen application rate[J]. Agronomy Journal, 2019, 111(2): 666–676. doi:  10.2134/agronj2018.05.0347
    [4] Shahzad M, Farooq M, Jabran K, et al. Influence of various tillage practices on soil physical properties and wheat performance in different wheat-based cropping systems[J]. International Journal of Agriculture & Biology, 2016, 18(4): 821–829.
    [5] Wasaya A, Tahir M, Manaf A, et al. Improving maize productivity through tillage and nitrogen management[J]. African Journal of Biotechnology, 2011, 10(82): 19025–19034.
    [6] Shukla S K, Yadav R L, Gupta R, et al. Deep tillage, soil moisture regime, and optimizing N nutrition for sustaining soil health and sugarcane yield in subtropical India[J]. Communications in Soil Science & Plant Analysis, 2018, 49(4): 444–462.
    [7] 韦本辉. 旱地作物粉垄栽培技术研究简报[J]. 中国农业科学, 2010, 43(20): 4330. Wei B H. Research on smash-ridging cultivation techniques of dryland crops[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(20): 4330.
    [8] Wei B H. Discussion on the construction of green agriculture “3+1” industry system using Fenlong activated resources[J]. Agriculture Science and Technology, 2017, 18(2): 380–384.
    [9] Wei B H. Discussion on green development of Fenlong for yield increase, quality enhancing, water retaining and multiple use of natural resources[J]. Agriculture Science and Technology, 2017, 18(9): 1631–1637.
    [10] Wei B H. Fenlong cultivation—the fourth set of farming methods invented in China[J]. Agriculture Science and Technology, 2017, 18(11): 2045–2048.
    [11] 韦本辉, 刘斌, 甘秀芹, 等. 粉垄栽培对水稻产量和品质的影响[J]. 中国农业科学, 2012, 45(19): 3946–3954. Wei B H, Liu B, Gan X Q, et al. Effect of Fenlong cultivation on yield and quality of rice[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(19): 3946–3954.
    [12] 王奇, 陈培赛, 周佳, 等. 粉垄耕作对甘蔗农艺性状及产量的影响[J]. 江苏农业科学, 2019, 47(4): 65–68. Wang Q, Chen P S, Zhou J, et al. Effects of smash–ridging cultivation on agronomic characters and yield of sugarcane[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2019, 47(4): 65–68.
    [13] 王世佳, 蒋代华, 朱文国, 等. 粉垄耕作对农田赤红壤团聚体结构的影响[J]. 土壤学报, 2020, 57(2): 326–335. Wang S J, Jiang D H, Zhu W G, et al. Effect of Pink Ridge farming on aggregate structure of farmland red soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2020, 57(2): 326–335.
    [14] 韦本辉, 甘秀芹, 刘斌, 申章佑. 粉垄具“耕地水库”可破广西甘蔗单产偏低困局[J]. 广西农学报, 2012, 27(3): 48–50. Wei B H, Gan X Q, Liu B, Shen Z Y. Powder ridge (Fenlong) as "farm–land reservoir" breaking the predicament of Guangxi sugarcane low-yield[J]. Journal of Guangxi Agriculture, 2012, 27(3): 48–50. doi:  10.3969/j.issn.1003-4374.2012.03.014
    [15] 李轶冰, 逄焕成, 李华, 等. 粉垄耕作对黄淮海北部春玉米籽粒灌浆及产量的影响[J]. 中国农业科学., 2013, 46(14): 3055–3064. Li Y B, Pang H C, Li H, et al. Effects of deep vertically rRotary tillage on grain filling and yield of spring maize in North Huang–Huai–Hai Region[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(14): 3055–3064.
    [16] 聂胜委, 张玉亭, 张巧萍, 等. 粉垄耕作对小麦玉米产量及耕层土壤养分的影响[J]. 土壤通报, 2017, 48(04): 930–936. Nie S W, Zhang Y T, Zhang Q P, et al. Effect of smashing ridge tillage on grain yields of winter wheat and summer maize and contents of soil nutrients[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2017, 48(04): 930–936.
    [17] 韦本辉, 甘秀芹, 申章佑, 等. 粉垄栽培甘蔗试验增产效果[J]. 中国农业科学, 2011, 44(21): 4544–4550. Wei B H, Gan X Q, Shen Z Y, et al. Yield increase of Smash-Ridging Cultivation of sugarcane[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(21): 4544–4550.
    [18] 韦增林, 张亮曼, 卢国培, 等. 粉垄栽培对甘蔗产量及糖分影响初报[J]. 甘蔗糖业, 2018, (6): 37–40. Wei Z L, Zhang L M, Lu G P, et al. The effect of Powder Ridge Cultivation on sugarcane yield and sugar[J]. Sugarcane and Canesugar, 2018, (6): 37–40. doi:  10.3969/j.issn.1005-9695.2018.06.008
    [19] Almaliotis D, Therios I, Karatassiou M. Effects of nitrogen fertilization on growth, leaf nutrient concentration and photosynthesis in three peach cultivars[J]. Acta Horticulturae, 1997, 449: 529–534.
    [20] Ványiné A S. Effect of nitrogen doses on the chlorophyll concentration, yield and protein content of different genotype maize hybrids in Hungary[J]. African Journal of Agricultural Research, 2012, 7(16): 2546–2552.
    [21] Halvorson A D, Mosier A R, Reule C A, Bausch W C. Nitrogen and tillage effects on irrigated continuous corn yields[J]. Agronomy Journal, 2006, 98(1): 63–71. doi:  10.2134/agronj2005.0174
    [22] López-Bellido R J, López-Bellido L. Efficiency of nitrogen in wheat under Mediterranean conditions: Effect of tillage, crop rotation and N fertilization[J]. Field Crops Research, 2001, 71(1): 31–46. doi:  10.1016/S0378-4290(01)00146-0
    [23] Otto R, Silva A P, Franco H C J, et al. High soil penetration resistance reduces sugarcane root system development[J]. Soil & Tillage Research, 2011, 117: 201–210.
    [24] 鲍士旦. 土壤农化分析(第三版)[M]. 北京: 中国农业出版社, 2000.

    Bao S D. Soil Agrochemical Analysis (3rd Edition)[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2000.
    [25] 高俊凤. 植物生理学实验指导[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

    Gao J F. Plant Physiology Experiment Guide[M]. Beijing: Higher Education Press, 2006.
    [26] 叶尚红. 植物生理生化实验教程(第二版)[M]. 昆明: 云南科技出版社, 2007: 212.

    Ye S H. Plant physiology and biochemistry experiment course (2nd Edition)[M]. Kunming, Yunnan: Yunnan Science and Technology Press, 2007, 212.
    [27] 侯雪坤. 不同耕作方式下土壤耕层理化性状和生物学特性时空分布研究[D]. 黑龙江齐齐哈尔: 黑龙江八一农垦大学博士学位论文, 2011.

    Hou X K. Spatial-temporal distribution of soil physiochemical and biological properties in the cultivated layer under different tillage systems[D]. Qiqihar, Heilongjiang: PhD Dissertation of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 2011.
    [28] 郑洪兵. 耕作方式对土壤环境及玉米生长发育的影响[D]. 沈阳: 沈阳农业大学博士学位论文, 2018.

    Zheng H B. Effects of tillage methods on the soil properties and maize growth[D]. Shenyang: PhD Dissertation of Shenyang Agricultural University, 2018.
    [29] 曾可, 徐世宏, 韦善清, 江立庚. 土壤耕作和水分管理对水稻土壤肥力性状的影响[J]. 中国农学通报, 2010, 26(23): 234–237. Ceng K, Xu S H, Wei S Q, Jiang L G. Influence of soil tillage and water irrigation on soil fertility in rice paddy[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(23): 234–237.
    [30] 韦本辉, 甘秀芹, 陈保善, 等. 农耕新方法粉垄整地土壤速效养分研究[J]. 广东农业科学, 2011, 38(17): 42–45. Wei B H, Gan X Q, Chen B S, et al. Study on available nutrients of soil by a new method of farming which land preparation by smash–ridging[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2011, 38(17): 42–45. doi:  10.3969/j.issn.1004-874X.2011.17.016
    [31] 王世佳, 韦本辉, 申章佑, 等. 粉垄耕作对农田砂姜黑土土壤结构的影响[J]. 安徽农业科学, 2019, 47(20): 76–79. Wang S J, Wei B H, Shen Z Y, et al. Effect of deep vertically rotary tillage on the structure of Shajiang black soil in farmland[J]. , 2019, 47(20): 76–79. doi:  10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.020
    [32] 陈晓冰, 严磊, 陈廷速, 等. 西南岩溶区粉垄耕作和免耕方式下甘蔗地土壤优先流特征[J]. 水土保持学报., 2018, 32(4): 58–66. Chen X B, Yan L, Chen T S, et al. Preferential flow characteristics of sugarcane soil under ridge tillage and no tillage in karst area of Southwest China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(4): 58–66.
    [33] 徐正进, 陈温福, 张龙步, 等. 水稻穗颈维管束性状的类型间差异及其遗传的研究[J]. 作物学报, 1996, 22(2): 167–172. Xu Z J, Chen W F, Zhang L B, et al. Study on the type difference and heredity of vascular bundle characters in the ear neck of rice[J]. Acta Agronomica Sinica, 1996, 22(2): 167–172. doi:  10.3321/j.issn:0496-3490.1996.02.008
    [34] Li Y L, Zhang Y L, Hu J, Shen Q R. Contribution of nitrification happened in rhizospheric soil growing with different rice cultivars to N nutrition[J]. Biology & Fertility of Soils, 2007, 43(4): 417–425.
    [35] Briones A M, Okabe S, Umemiya Y, et al. Ammonia-oxidizing bacteria on root bio-films and their possible contribution to N use efficiency of different rice cultivars[J]. Plant and Soil, 2003, 250(2): 335–348. doi:  10.1023/A:1022897621223
    [36] 潘春香, 肖艳辉, 何金明, 王玉珍. 施氮水平对枇杷幼苗生长及根初生维管组织的影响[J]. 广东农业科学, 2011, 38(13): 6–8. Pan C X, Xiao Y H, He J M, Wang Y Z. Effects of different nitrogen levels on seedling growth and root primary vascular system of the Loquat trees[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2011, 38(13): 6–8. doi:  10.3969/j.issn.1004-874X.2011.13.002
    [37] 朱天琦, 刘晓静, 张晓玲. 氮营养调控对紫花苜蓿根系形态及其解剖结构的影响[J]. 草地学报, 2016, 24(6): 1290–1295. Zhu T Q, Liu X J, Zhang X L. Effects of nitrogen on root morphology and anatomical structure of alfalfa[J]. Acta Agrestia Sinica, 2016, 24(6): 1290–1295. doi:  10.11733/j.issn.1007-0435.2016.06.020
    [38] 陈阳, 孙华山, 金一锋, 等. 氮素调控对草地早熟禾解剖结构及组织碳氮含量的影响[J]. 草原与草坪, 2018, 38(4): 35–40. Chen Y, Sun H S, Jin Y F, et al. Effects of nitrogen regulation on the anatomical structure, carbon and nitrogen contents in tissues of kentucky bluegrass[J]. Grassland and Turf, 2018, 38(4): 35–40. doi:  10.3969/j.issn.1009-5500.2018.04.005
    [39] Guan D, Al-Kaisi M M, Zhang Y, et al. Tillage practices affect biomass and grain yield through regulating root growth, root-bleeding sap and nutrients uptake in summer maize[J]. Field Crops Research, 2014, 157: 89–97. doi:  10.1016/j.fcr.2013.12.015
    [40] 谭秦亮, 朱鹏锦, 程琴, 等. 不同甘蔗品种(系)的产量构成因素及品质比较[J]. 作物杂志, 2019, (3): 49–54. Tan Q L, Zhu P J, Cheng Q, et al. Comparison study on the yield components and quality of different sugarcane varieties (Lines)[J]. Crops, 2019, (3): 49–54.
    [41] 金容, 郭萍, 周芳, 等. 控释氮肥比例对玉米氮代谢关键酶活性及干物质积累的影响[J]. 四川农业大学学报, 2018, 36(6): 729–736. Jin R, Guo P, Zhou F, et al. Effects of controlled- release nitrogen fertilizer ratio on the nitrogen metabolism key enzymes activities and dry matter accumulation of maize[J]. Journal of Sichuan Agricultural University, 2018, 36(6): 729–736.
    [42] Lawlor D W. Carbon and nitrogen assimilation in relation to yield: Mechanisms are the key to understanding production systems[J]. Journal of Experimental Botany, 2002, 53(370): 773–787. doi:  10.1093/jexbot/53.370.773
    [43] 孙永健, 孙园园, 李旭毅, 等. 水氮互作下水稻氮代谢关键酶活性与氮素利用的关系[J]. 作物学报, 2009, 35(11): 2055–2063. Sun Y J, Sun Y Y, Li X Y, et al. Relationship of activities of key enzymes involved in nitrogen metabolism with nitrogen utilization in rice under water-nitrogen interaction[J]. Acta Agronomica Sinica, 2009, 35(11): 2055–2063.
    [44] 胡霭堂, 陆景陵. 植物营养学(第二版)[M]. 北京: 中国农业大学出版社, 2003.

    Hu A T, Lu J L. Plant nutrition (2nd Edition)[M]. Beijing: China Agricultural University Press, 2003.
    [45] Lam H M, Coschigano K T, Oliveira I C, et al. The molecular-genetics of nitrogen assimilation into amino acids in higher plants[J]. Annual Review of Plant Physiology & Plant Molecular Biology, 1996, 47(4): 569–593.
    [46] 刘淑云, 董树亭, 赵秉强, 等. 长期施肥对夏玉米叶片氮代谢关键酶活性的影响[J]. 作物学报, 2007, 33(2): 278–283. Liu S Y, Dong S T, Zhao B Q, et al. Effects of long-term fertilization on activities of key enzymes related to nitrogen metabolism (ENM) of maize leaf[J]. Acta Agronomica Sinica, 2007, 33(2): 278–283. doi:  10.3321/j.issn:0496-3490.2007.02.016
    [47] 汪和廷, 董慧, 齐龙昌, 等. 种植方式及施氮量对水稻灌浆初期氮代谢关键酶活性和产量性状的影响[J]. 中国生态农业学报, 2015, 23(9): 1201–1214. Wang H T, Dong H, Qi L C, et al. Effects of cultivation method and nitrogen application rate on key enzyme activities of nitrogen metabolism at early milky stage and grain yield of rice[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2015, 23(9): 1201–1214.
    [48] 从夕汉, 施伏芝, 阮新民, 等. 施氮量对不同品种水稻氮素利用及碳氮代谢关键酶的影响[J]. 河南农业大学学报, 2019, 53(3): 325–330. Cong X H, Shi F Z, Ruan X M, et al. Effects of nitrogen application rate on nitrogen use efficiency and key enzymes for carbon and nitrogen metabolism in different rice varieties[J]. Journal of Henan Agricultural University, 2019, 53(3): 325–330.
    [49] 高青海, 王亚坤, 陆晓民, 苗永美. 作物秸秆对黄瓜衰老中根系活力和叶片氮代谢的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2014, 23(6): 87–91. Gao Q H, Wang Y K, Lu X M, Miao Y M. Effects of crop straw on root activity and leaf nitrogen metabolism of cucumber during senescence[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2014, 23(6): 87–91. doi:  10.7606/j.issn.1000-7601.2014.06.015
    [50] Jordi W, Schapendonk A, Davelaar E, et al. Increased cytokinin levels in transgenic P-SAG12-IPT tobacco plants have large direct and indirect effects on leaf senescence, photosynthesis and N partitioning[J]. Plant Cell Environ, 2000: 279–289.
    [51] 刘连涛, 李存东, 孙红春, 等. 氮素营养水平对棉花不同部位叶片衰老的生理效应[J]. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(5): 910–914. Liu L T, Li C D, Sun H C, et al. Physiological effects of nitrogen nutrition on the senescence of cotton leaves at different positions[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2007, 13(5): 910–914. doi:  10.3321/j.issn:1008-505x.2007.05.023
  • [1] 杨尚东任奎瑜谭宏伟 . 甘蔗宿根矮化病感病与非感病植株养分含量、根系生长及内生细菌群落的差异. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.20144
    [2] 田广丽孔亚丽张瑞卿周新国郭世伟 . 不同氮水平下功能叶片数量和位置对水稻产量性状的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18153
    [3] 杨尚东郭霜任奎喻庞师婵张传进王帅帅谭宏伟 . 甘蔗宿根矮化病感病与非感病株根际土壤生物学性状及细菌群落结构特征. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18484
    [4] 宋霄君吴会军武雪萍李倩王碧胜李生平梁国鹏李景刘彩彩张孟妮 . 长期保护性耕作可提高表层土壤碳氮含量和根际土壤酶活性. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18227
    [5] 樊仙郭家文邓军张跃彬高欣欣杨绍林李如丹 . 云南不同生态蔗区甘蔗施肥现状分析与评价. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.16452
    [6] 李莎莎王朝辉刁超朋王森刘璐黄宁 . 旱地高产小麦品种籽粒锌含量差异与产量构成和锌吸收利用的关系. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17341
    [7] 马小龙王朝辉曹寒冰佘旭何红霞包明宋庆赟刘金山 . 黄土高原旱地小麦产量差异与产量构成及氮磷钾吸收利用的关系. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17150
    [8] 刘海涛李保国任图生胡克林 . 不同肥力农田玉米产量构成差异及施肥弥补土壤肥力的可能性. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.15243
    [9] 杨尚东李荣坦谭宏伟周柳强谢如林黄金生 . 长期单施化肥和有机无机配合条件下红壤蔗区土壤生物学性状及细菌多样性差异. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.15506
    [10] 安宁范明生张福锁 . 水稻最佳作物管理技术的增产增效作用. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2015.0403
    [11] 邢永秀莫遥罗丽静魏春燕杨丽涛李杨瑞 . 接种固氮菌 Klebsiella sp.120对甘蔗光合特性和主要矿质营养元素含量的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2015.0222
    [12] 张爱加周明明林文雄 . 不同种植模式对甘蔗根际土壤生物学特性的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2013.0630
    [13] 郑宪清李双喜袁大伟何七勇吕卫光张娟琴 . 生物耕作对蔬菜田土壤养分及酶活性的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2012.12087
    [14] 刘宇锋梁燕菲邓少虹李伏生 , . 灌溉方式和有机无机氮比例对水稻产量与水分利用的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2012.11396
    [15] 庞夙李廷轩王永东余海英吴德勇 . 土壤速效氮、磷、钾含量空间变异特征及其影响因子 . 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2009.0116
    [16] 韦莉萍李杨瑞杨丽涛 . 钼对甘蔗体内固氮菌的固氮酶活性的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2007.0120
    [17] 张耀鸿张亚丽黄启为徐阳春沈其荣 . 不同氮肥水平下水稻产量以及氮素吸收、利用的基因型差异比较. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2006.0503
    [18] 杨晴韩金玲李雁鸣肖凯刘艳芳 . 不同施磷量对小麦旗叶光合性能和产量性状的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2006.0610
    [19] 王宏庭金继运王斌胡全才卢朝东米保明 . 土壤速效养分空间变异研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2004.0403
    [20] 李晓林周文龙曹一平 . VA菌根菌丝对紧实土壤中磷的吸收. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.1994.0107
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出版历程

粉垄耕作提高土壤养分有效性促进甘蔗养分吸收代谢及良好根系形态的形成

  • 1. 广西大学农学院,广西南宁 530004
  • 2. 广西农业科学院经济作物研究所,广西南宁 530007
  • 摘要:   【目的】  研究粉垄耕作对宿根蔗和新植蔗生长过程中土壤养分含量、甘蔗对养分吸收以及植株解剖形态的影响,为粉垄耕作技术推广提供理论依据。  【方法】  以桂糖42号为供试材料进行田间试验,以常规耕作为对照 (CK,耕作深度 25 cm),粉垄耕作 (垂直旋深40 cm) 为处理,甘蔗种植采用新植甘蔗和宿根两种方法。在甘蔗主要生育期,取植株和土壤样品,测定土壤中速效氮磷钾含量以及甘蔗对养分的吸收和积累量,同时测定叶中氮代谢酶活性和根系活力,观测根系维管束形态结构,并测定根系活力。  【结果】  与常规耕作相比,粉垄耕作条件下,土壤容重降低了8.6%~16.9%,土壤速效氮、速效磷含量提高了9%~25%,差异显著;各生育期甘蔗根系和叶片氮磷含量均显著提高,增幅分别为5.3%~29.8%和16.3%~33.1%;显著提高了甘蔗出苗率、分蘖率、株高、茎径、有效茎数、产量。粉垄耕作下,甘蔗茎维管束更大,分布更密集,蔗茎维管束数量、维管束面积、后生木质部导管直径、韧皮部面积显著增加,新植蔗和宿根蔗茎维管束面积分别增加了15.2%和16.7%,维管束数量分别增加28.0%和17.8%;后生木质部导管直径分别提高7.8%和7.9%;韧皮部面积分别增加29.7%和30.8%;在苗期、伸长期和成熟期,粉垄耕作的甘蔗根系活力分别比传统耕作处理增加了1.29、1.39和1.25倍,新植蔗叶谷氨酰胺合成酶 (GS) 活性分别增加了149.6%、36.5%和65.6%,宿根蔗叶GS活性分别增加了5.9%、36.0%和93.3%(P < 0.05);在苗期和伸长期,新植蔗叶片谷氨酸合成酶 (GOGAT) 显著提高了40.3%和69.1%,宿根蔗分别增加37.9%和42.4%;苗期粉垄耕作宿根蔗亚硝酸还原酶 (NR) 活性显著高于常规耕作甘蔗9.5%。  【结论】  粉垄耕作可改善土壤理化性状,提高速效氮磷含量,改善甘蔗维管组织,提高甘蔗体内氮磷含量,提高根系活力和氮代谢相关酶活性,有利于甘蔗吸收和转运氮素,促进了氮代谢和氨基酸的合成,为蛋白质的合成提供了物质基础,促进甘蔗生长发育,实现甘蔗增产增收。

    English Abstract

    • 耕作方法在农业生产中发挥重要作用,直接影响到土壤理化性状,作物生长和养分吸收[1-3]。甘蔗是重要的糖料作物,广西区内种植着我国60%以上的甘蔗,农民传统上采用单一耕作方式 (即旋耕,然后耙地,开沟种植,耕层20—25 cm,新植蔗1年,宿根2~3年)。这种耕作方法耕层浅薄,通透性、疏松度差,养分供给不协调,且在底部土层中形成犁底层,不利于根系深扎,对作物生长发育不利[4-5]。适当的耕作方法可改善土壤性质并提高甘蔗产量[3, 6]

      粉垄耕作是近年来研发的新型农田耕作技术,其利用“螺旋型钻头”耕作工具垂直入土40—50 cm,高速旋磨切割粉碎土壤,一次性完成传统耕作的犁、耙、打等作业程序,达到播种或种植作物的整地标准,能够较长时间保持耕层相对深松状态[7-10]。粉垄耕作打破了坚硬的犁底层,改善了土层结构,增加孔隙度,增强土壤水分入渗能力和蓄水能力[10-13],显著提高水稻[14]、玉米[15]、小麦[16]、甘蔗[12, 17-18]等20多种作物的产量和品质[3]。在同等施肥量条件下,与旋耕、翻耕等耕作方式相比,粉垄耕作显著促进甘蔗根系发育,提高甘蔗出苗率、分蘖率、茎径,增加根长和根重,在甘蔗伸长后期,完全展开叶片数增多,叶宽增加,提高甘蔗的产量和品质[12-13]

      施用氮肥有利于叶绿素合成,增加光合叶面积,产生更多的同化物,并改善作物的生长和发育[19-20],氮肥与耕作方法相互作用显著[21-22]。在相同的N比率下,与免耕和深耕深松相比,粉垄耕作条件下谷物产量增加了19.1%和13.4%,农艺效率 (AEn)、氮回收效率 (REn) 和施用N(PFPn) 的部分因子生产率均显著高于免耕和深耕深松[3]。在小麦季300 kg/hm2氮肥投入水平下,粉垄耕作减施20%氮肥仍有利于提高小麦成熟期群体穗数,获得较高小麦产量;减施10%氮肥不会显著降低产量;减施30%氮肥则减产明显[16]。粉垄耕作与氮肥的互作效应研究主要集中在不同耕作方式、不同施氮水平对粉垄耕作作物农艺性状和产量的影响。土壤养分的吸收取决于作物根系与土壤离子的交换能力,取决于作物体内的生理生化机制,如根系活力及氮代谢相关酶活性等生理代谢能力[23],旱生作物的主要氮源是NO3,土壤NO3进入细胞,在细胞质中硝酸还原酶 (NR) 的作用下形成NO2,NO2再进入细胞质体中经亚硝酸还原酶 (NiR) 的催化还原成NH4,NH4经GS进一步转化为谷氨酰胺,再经GOGAT催化形成谷氨酸,谷氨酸是植株体内许多其他氨基酸生物合成的主要氨基供体。但垄耕土壤生态与作物氮代谢相关酶活性的关系少见报道,本研究探讨粉垄耕作对土壤理化性状和养分含量,甘蔗养分吸收、维管组织结构、根系活力和氮代相关谢酶活性的影响,旨在为粉垄耕作养分高效利用提供理论依据,为粉垄耕作减肥增效、绿色生产提供思路。

      • 试验地位于广西壮族自治区南宁市隆安县那桐镇新安村粉垄耕作综合示范基地 (22°99′28″N,107°88′52″E),属湿润的亚热带季风气候,年平均气温在21.6℃左右,年均降雨量达1304 mm,平均相对湿度为79%。

        试验地土壤为红壤,前茬作物为木薯。经测试土壤容重为2.36 g/cm3,pH 5.73,有机质 34.6 g/kg,土壤全氮 1.49 g/kg,碱解氮149 mg/kg,全磷0.30 g/kg,有效磷 8.49 mg/kg,速效钾 394 mg/kg。

      • 试验设常规耕作和粉垄耕作2个耕作处理。常规耕作 (CK) 用传统拖拉机深耕 25 cm;粉垄耕作采用广西五丰机械有限公司的自走式粉垄深耕深松机械,耕作深度为 40 cm。耕作之后,人工开甘蔗种植沟,宽 50 cm,深度与该耕作深度一致。小区面积长10 m×宽6 m,种植5行,行距1.2 m,每个处理重复3次,随机区组排列。

        供试甘蔗品种为桂糖42,新植蔗于2018 年3 月16 日下种,采用双芽段种植,蔗种双行摆放,种植密度为11.55×104芽/hm2;宿根蔗在新植蔗砍收后31天,即2019年3月1进行松蔸管理。新植蔗和宿根蔗分别于2018年6月10日和2019年6月6日进行大培土,大培土时追施尿素 (N ≥ 46.4%) 675 kg/hm2,氯化钾 (K2O ≥ 60%)675 kg/hm2,复合肥 (N∶P∶K=15∶15∶15) 1500 kg/hm2,田间管理按常规进行。

      • 分别于2018年4月17日、2019年4月11日调查新植、宿根蔗出苗率,于2018年5月11日、2019年6月5日分别调查新植、宿根蔗的分蘖率。

        分别于 2019 年 1 月19日、2020 年 1 月13日砍收新植、宿根蔗。砍收时每个重复选取20株,测产、测量茎长 (甘蔗基部至甘蔗生长点处)、茎径 (测甘蔗基部往上第三节、中部和自尾部往下第七节节间,统计平均值)、有效茎数 (以长1 m以上的甘蔗茎作为有效茎),测定小区实际产量然后折算成单位面积产量。从每小区中选具代表性的6株甘蔗于当天送至广西农业科学院甘蔗研究所进行品质测定。

      • 新植蔗分别于2018年4月17日 (苗期)、2018年7月2日 (伸长期) 及2018年10月28日 (成熟期),宿根蔗分别于2019年4月10日 (苗期)、2019年8月31日 (伸长期) 及2019年11月3日 (成熟期),在各重复中间3行进行取样,取样部位为距离根部10 cm处,用环刀按5点采样法采集20—30 cm深度土样,均匀混合,同时清除石块和动植物残体,带回实验室风干过筛,用于测定土壤碱解氮、速效磷、速效钾以及有机质含量。

        土壤养分测定参照《土壤农化分析》[24],土壤碱解氮含量采用氢氧化钠-硼酸碱解扩散法;速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提、比色法;速效钾含量采用0.5 mol/L NH4OAc浸提,原子吸收火焰光度法;有机质含量采用重铬酸钾容量法-稀释热法测定。

      • 植株取样时间同土壤样品。每个小区选取有代表性、长势一致的健壮蔗株10株,小心冲洗根部,洗净根泥并剪去根系。一部分甘蔗根系用于养分测定,一部分样品装入冰盒带回实验室,取白根根尖位置 (从根冠往上切取约2~5 cm) 测定根系活力;同时,采甘蔗+1叶 (即从甘蔗顶端往下数第一片可见叶环的叶片),一部分鲜叶用液氮冷冻,用于测定谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶、亚硝酸还原酶等酶活性,另一部分叶片清洗干净后,会同部分根系,经105℃杀青30 min后,于70℃烘干至恒重,用于养分含量、单株根系及叶片总干重的测定。由于甘蔗茎鲜重及生物量均较大,不易烘干,因此,甘蔗茎仅用于细胞形态指标及蔗糖分含量测定。

        采用TTC法进行根系活力测定[25],谷氨酰胺合成酶 (GS)、谷氨酸合成酶 (GOGAT)、亚硝酸还原酶 (NR) 活性的测定参考《植物生理生化实验教程》[26]。使用Multiskan GO 1.00.40酶标仪测定OD值,每个样本重复4次。甘蔗蔗糖分含量的测定参考韦增林[18]的方法。

      • 于2018年8月21日取甘蔗茎样品,从甘蔗+1叶所处节位往下数,采第5节位节间样品,剪成0.5 cm × 0.5 cm小块,放于福尔马林-乙酸-乙醇 (FAA) 固定液中固定,用于制作石蜡切片。用德国徕卡RM2255石蜡切片机进行切片,用Smart Digital Camera观察茎组织细胞结构,照相。用江苏捷达形态分析软件测量15个茎样品切片的维管束鞘面积、后生木质部导管直径、韧皮部面积。

      • 采用Microsoft Excel 2010软件进行数据基础整理及制作图表,用SPSS 22.0统计软件进行分析,通过ELISA软件进行酶活力计算。

      • 粉垄耕作新植蔗出苗率和分蘖率分别比常规耕作提高了25.0%和17.4%;宿根蔗也分别提高30.6%和11.7%,各指标均达差异显著水平。砍收时,粉垄耕作新植蔗株高、茎径、有效茎和产量分别比常规耕作甘蔗提高了13.2%、17.6%、5.3%和18.9%,各指标均达差异显著水平;粉垄耕作宿根蔗以上指标也分别比常规耕作提高了7.7%、22.2%、18.7%和12.9%,除了分蘖率和糖分未达显著差异水平,其它指标均达显著差异水平 (表2)。宿根蔗各农艺性状指标均低于新植蔗,但粉垄耕作宿根蔗各农艺性状及产量指标显著大于常规耕作。

        表 2  不同耕作处理下的甘蔗养分含量 (g/kg)

        Table 2.  Nutrient concentrations of sugarcane plants as affected by tillage treatments

        种植方式
        Planting method
        生长期
        Growthstage
        耕作方式
        Tillage method
        叶片 Leaf根系 Root
        NPKNPK
        新植蔗
        Newlyplanted
        苗期
        Seedling
        CK30.52 ± 0.66 a13.34 ± 0.34 b72.87 ± 1.76 a27.43 ± 0.75 b14.49 ± 0.23 b 9.12 ± 0.22 a
        T 30.61 ± 0.64 a17.98 ± 0.29 a73.80 ± 1.55 a35.12 ± 0.65 a19.29 ± 0.10 a 9.91 ± 0.24 a
        伸长期
        Elongation
        CK32.31 ± 0.68 b30.67 ± 0.64 b92.76 ± 2.37 a33.18 ± 0.80 b17.06 ± 0.29 b14.92 ± 0.36 a
        T 38.58 ± 0.67 a34.34 ± 0.72 a94.37 ± 1.98 a38.91 ± 0.73 a22.55 ± 0.30 a14.49 ± 0.35 a
        成熟期
        Maturing
        CK33.06 ± 0.76 b34.40 ± 0.76 b74.97 ± 1.47 a30.56 ± 0.73 b29.73 ± 0.95 b21.92 ± 0.53 a
        T 39.47 ± 0.70 a36.22 ± 0.76 a69.23 ± 1.56 b37.26 ± 0.75 a35.13 ± 0.36 a17.35 ± 0.42 b
        宿根蔗
        Ratooncane
        苗期
        Seeding
        CK31.80 ± 0.88 a40.12 ± 0.84 a59.90 ± 0.84 a31.44 ± 0.80 b27.44 ± 0.80 b29.20 ± 0.70 a
        T 32.60 ± 0.71 a39.09 ± 0.82 a59.75 ± 0.83 a39.62 ± 0.81 a33.35 ± 0.66 a29.01 ± 0.70 a
        伸长期
        Elongation
        CK36.81 ± 0.77 b32.57 ± 0.68 b74.19 ± 1.56 a36.05 ± 0.79 b33.05 ± 0.79 b23.23 ± 0.56 b
        T 42.57 ± 0.79 a39.29 ± 0.72 a70.33 ± 1.48 b42.18 ± 0.68 a38.44 ± 0.44 a23.92 ± 0.57 a
        成熟期
        Maturing
        CK33.12 ± 0.70 b27.94 ± 0.59 b70.45 ± 1.35 a27.31 ± 0.66 b27.31 ± 0.66 b20.69 ± 0.50 a
        T 36.89 ± 0.71 a36.26 ± 0.64 a62.75 ± 1.32 b33.49 ± 0.66 a32.99 ± 0.55 a20.03 ± 0.48 a
        注(Note):CK—常规耕作 Conventional plough of 20 cm deep; T—粉垄耕作 Vertical and rotary plough of 40 cm deep; 同列不同小写字母表示相同种植方法下传统与粉垄耕作之间在 5% 水平差异显著 The different small letters mean significant difference of a index between the two tillage methods at 5% level in the same planting method.

        表 1  两种耕作处理下甘蔗农艺性状和产量

        Table 1.  Agronomic traits, yield and sugar content of sugarcane under two tillage treatments

        植株
        Plant
        耕作方式
        Ploughmethod
        出苗率 (%)
        Seedlingrate
        分蘖率 (%)
        Tillering rate
        株高 (cm)
        Plant height
        茎径 (cm)
        Stem diameter
        有效茎 (plant/hm2)
        Effective stem
        产量 (kg/hm2)
        Yield
        甘蔗糖分 (%)
        Sugar content
        新植蔗
        Newly planted
        CK32.0 ± 1.03 b51.2 ± 1.25 b295.0 ± 2.57 b2.56 ± 0.03 b61477 ± 91 b109814 ± 2252 b13.86 ± 0.33 b
        T40.0 ± 0.89 a60.1 ± 2.01 a334.0 ± 2.31 a3.01 ± 0.08 a64719 ± 102 a130555 ± 3539 a15.50 ± 0.45 a
        宿根蔗
        Ratoon cane
        CK17.3 ± 2.20 b56.4 ± 9.50 a251.9 ± 2.80 b2.39 ± 0.90 b41520 ± 75 b82589 ± 1360 b15.20 ± 0.60 a
        T22.6 ± 2.30 a63.0 ± 7.90 a271.2 ± 5.60 a2.92 ± 0.50 a49274 ± 98 a93257 ± 1718 a15.80 ± 0.10 a
        注(Note):CK—常规耕作 Conventional plough of 20 cm deep; T—粉垄耕作 Vertical and rotary plough of 40 cm deep; 数字后不同小写字母表示处理间差异显著 Different small letters indicate significant difference between two treatments for the same planting method (P < 0.05).
      • 与常规耕作相比,粉垄耕作下的新植蔗根系苗期全磷显著增加了21.5%;伸长期叶片全氮和全磷分别增加了15.6%~19.4%、12.0%~20.6%,根系全氮和全磷分别显著增加了17.0%~17.3%、16.3%~32.2%;成熟期叶片全氮和全磷分别增加了11.4%~19.4%、5.3%~29.8%,根系全氮和全磷分别显著增加了21.9%~22.6%、18.2%~20.8%。苗期粉垄耕作甘蔗根系和叶片的全钾含量和常规耕作差异不显著,伸长期和成熟期均显著低于常规耕作 (表2)。宿根蔗常规耕作及粉垄耕作甘蔗养分积累变化趋势与新植蔗一致。

        甘蔗工艺成熟期,粉垄耕作新植蔗根系和叶片干重分别为0.41和0.46 kg/株,氮积累量分别为13.73和16.96 g/株,常规耕作下,甘蔗根系和叶片干重分别为0.32和0.36 kg/株,氮积累量分别为8.73和11.92 g/株。粉垄耕作条件下,甘蔗根系及叶片氮积累量均显著大于常规耕作甘蔗 (表3)。

        表 3  不同耕作方式下新植甘蔗工艺成熟期根、叶干重及氮吸收量

        Table 3.  N absorb of root and leaf in sugarcane processing maturing stage affected by tillage treatments

        种植方式 Plantingmethod耕作 Tillagemethod器官 Organs干重 Dry weight (kg/plant)氮积累量 N accumulation (g/plant)
        新植蔗 NewlyplantedCK根 Root0.32 ± 0.010 8.73 ± 0.15
        叶 Leaf0.36 ± 0.02311.92 ± 0.53
        T 根 Root0.41 ± 0.02113.73 ± 0.42
        叶 Leaf0.46 ± 0.01216.96 ± 0.32
        注(Note):CK—常规耕作 Conventional plough of 20 cm deep; T—粉垄耕作 Vertical and rotary plough of 40 cm deep; 同列不同小写字母表示相同种植方法下传统与粉垄耕作之间在 5% 水平差异显著 The different small letters mean significant difference of a index between the two tillage methods at 5% level in the same planting method.
      • 与常规耕作土壤相比,不论是新植蔗还是宿根蔗不同时期粉垄耕作土壤的容重均显著低于常规耕作土壤,降幅8.6%~16.9%。粉垄耕作土壤的速效氮含量均有所提升,除了新植蔗苗期粉垄耕作土壤的速效氮未达到差异显著水平外,新植蔗和宿根蔗的其它生育期速效氮含量均显著高于常规耕作土壤,增幅8.7%~77.6%;在所有甘蔗生长时期,无论新植蔗还是宿根蔗土壤全磷含量差异均不显著,但粉垄耕作土壤的有效磷含量均有所提升,除了宿根蔗成熟期土壤的有效磷含量未达到差异显著水平外,新植蔗和宿根蔗的其它生育期粉垄耕作土壤速效磷含量均显著高于常规耕作,增幅8.2%~25.6%;在所有甘蔗生长时期,新植蔗与宿根蔗土壤的速效钾含量差异均不显著,且粉垄耕作土壤全钾含量与常规耕作差异也不显著,宿根蔗的苗期和伸长期的速效钾差异也不显著,但在成熟期,宿根蔗粉垄耕作土壤速效钾含量显著低于常规耕作土壤;粉垄耕作土壤有机质含量在新植蔗的所有生育时期和宿根蔗的苗期及成熟期均低于常规耕作,其中在新植蔗的成熟期和宿根蔗的苗期,粉垄耕作土壤和常规耕作土壤有机质含量差异均达显著水平 (表4)。

        表 4  两个耕作处理下土壤容重及养分含量

        Table 4.  Bulk density and nutrient contents of soils as affected by tillage methods

        种植方式
        Planting method
        生长期
        Growth period
        处理
        Treatment
        容重 (g/cm3)
        Soil bulk density
        有机质 (g/kg)
        Organic content
        全N (g/kg)
        Total Nitrogen
        全P (g/kg)
        Total Phosphorus
        全K (g/kg)
        Total potassium
        速效N (mg/kg)
        Available nitrogen
        有效P (mg/kg)
        Available P content
        速效K (mg/kg)
        Available potassium
        新植蔗
        New plantingsuguarcane
        苗期
        Seeding stage
        CK0.78 ± 0.05 b38.63 ± 1.6 a 2.23 ± 0.17 a0.35 ± 0.02 a12.92 ± 0.39 a287.00 ± 6.36 a12.11 ± 0.26 b714.03 ± 14.28 a
        T 0.68 ± 0.02 a35.81 ± 1.70 a1.65 ± 0.23 b0.33 ± 0.01 a12.86 ± 0.05 a291.00 ± 5.83 a13.10 ± 0.20 a715.80 ± 28.21 a
        伸长期
        Elongation stage
        CK0.82 ± 0.05 b40.15 ± 1.20 a1.48 ± 0.27 a0.35 ± 0.01 a12.47 ± 0.37 a291.67 ± 5.83 b11.11 ± 0.26 b714.03 ± 14.28 a
        T 0.72 ± 0.03 a38.83 ± 1.82 a1.60 ± 0.14 a0.34 ± 0.01 a12.48 ± 0.19 a317.00 ± 6.36 a13.10 ± 1.10 a715.80 ± 28.21 a
        成熟期
        Mature stage
        CK0.79 ± 0.04 b39.33 ± 1.18 a1.75 ± 0.05 a0.35 ± 0.01 a12.58 ± 0.38 a 135.33 ± 12.71 b11.27 ± 0.23 b575.40 ± 11.51 a
        T 0.70 ± 0.01 a36.30 ± 1.61 b1.47 ± 0.03 b0.35 ± 0.01 a11.40 ± 1.40 a 240.33 ± 15.23 a12.43 ± 0.40 a532.32 ± 18.24 a
        宿根蔗
        Stubblecane
        苗期
        Seeding stage
        CK0.63 ± 0.10 b37.94 ± 1.14 a1.75 ± 0.25 a0.068 ± 0.002 a22.96 ± 0.69 a336.67 ± 7.93 b 8.83 ± 0.95 b984.90 ± 21.70 a
        T 0.58 ± 0.01 a32.80 ± 2.95 b1.70 ± 0.17 a 0.07 ± 0.001 a23.19 ± 1.30 a 382.67 ± 16.83 a10.53 ± 0.81 a836.10 ± 13.36 b
        伸长期
        Elongation stage
        CK0.73 ± 0.01 b39.88 ± 1.20 a1.57 ± 0.15 a0.072 ± 0.002 a 22.33 ± 0.067 a352.00 ± 4.90 b10.84 ± 0.24 b588.51 ± 11.77 a
        T 0.63 ± 0.02 a39.94 ± 1.04 a1.48 ± 0.12 a 0.06 ± 0.001 a21.75 ± 0.73 a 388.67 ± 12.21 a13.61 ± 0.9 a 568.65 ± 82.31 a
        成熟期
        Mature stage
        CK0.69 ± 0.01 b43.69 ± 1.31 a1.29 ± 0.04 a0.074 ± 0.002 a23.02 ± 0.06 a121.33 ± 6.71 b 6.2 ± 0.03 a715.27 ± 14.13 a
        T 0.59 ± 0.02 a41.99 ± 1.70 a1.26 ± 0.02 a0.071 ± 0.001 a23.09 ± 0.92 a135.33 ± 7.21 a 6.29 ± 0.26 a597.80 ± 15.25 b
        注(Note):CK—常规耕作 Conventional plough of 20 cm deep; T—粉垄耕作 Vertical and rotary plough of 40 cm deep; 同列不同小写字母表示相同种植方法下传统与粉垄耕作之间在 5% 水平差异显著 The different small letters mean significant difference of a index between the two tillage methods at 5% level. in the same planting method.
      • 传统耕作的甘蔗茎维管束较小,分布较疏散,而粉垄耕作甘蔗的维管束较大,分布密集 (图1)。

        图  1  两个耕作处理对甘蔗茎解剖结构的影响

        Figure 1.  The anatomical structure of sugarcane stem affected by tillage methods

        粉垄耕作条件下,新植蔗和宿根蔗茎的维管束面积、维管束数量、后生木质部导管直径和韧皮部面积均显著大于传统耕作,而且新植蔗和宿根蔗茎维管束面积分别增加了15.2%和16.7%,维管束数量分别增加了28.0%和17.8%;后生木质部导管直径分别增加了7.8%和7.9%,韧皮部面积分别增加了29.7%和30.8%(表5)。

        表 5  耕作方式对甘蔗维管束组织结构的影响

        Table 5.  The anatomical structure of sugarcane stem affected by tillage methods

        种植方式
        Plantingmethod
        耕作方法
        Tillage method
        维管束面积 (μm2)
        VB area
        维管束数量
        Numbers of VB
        导管直径 (μm)
        Xyl vessel diameter
        韧皮部面积 (μm2)
        Phloem area
        新植蔗
        Newly planted
        CK55697.65 ± 1302.72 b27.81 ± 2.22 b79.83 ± 2.46 b6199.69 ± 126.69 b
        T 64157.13 ± 5338.16 a35.61 ± 2.87 a86.02 ± 3.65 a8037.95 ± 257.59 a
        宿根蔗
        Ratoon cane
        CK60001.21 ± 1320.23 b32.52 ± 1.23 b83.53 ± 2.25 b6501.35 ± 110.23 b
        T 70023.00 ± 1635.21 a38.32 ± 2.30 a90.15 ± 2.54 a8505.34 ± 169.23 a
        注(Note):CK—常规耕作 Conventional plough of 20 cm deep; T—粉垄耕作 Vertical and rotary plough of 40 cm deep; Xyl—后生木质部 Metaxylem; 数字后不同小写字母表示处理间差异显著 Different small letters indicate significant difference in the index between the two tillage treatments in the same plant method (P < 0.05).
      • 无论在苗期、伸长期还是成熟期,粉垄耕作甘蔗根系活力均显著大于常规耕作甘蔗根系活力,在苗期,粉垄耕作甘蔗根系活力是常规耕作甘蔗根系活力的1.29倍;在伸长期,粉垄耕作甘蔗根系活力是常规耕作甘蔗根系活力的1.39倍,在成熟期,粉垄耕作甘蔗根系活力是常规耕作甘蔗根系活力的1.25倍,各时期根系活力均差异显著 (图2)。

        图  2  常规和粉垄耕作下甘蔗根系活力

        Figure 2.  Root vitality of sugarcane under two tillage methods

        在苗期、伸长期、成熟期,粉垄耕作新植蔗谷氨酰胺合成酶 (GS) 活性分别比同时期常规耕作大149.6%、36.5%和65.6%,宿根蔗也分别比同时期的常规耕作高65.9%、36.0%和93.3%,差异显著;在苗期和伸长期,新植蔗与宿根蔗的谷氨酸合成酶 (GOGAT) 活性粉垄耕作甘蔗均显著高于常规耕作甘蔗,新植蔗苗期和伸长期分别增加40.3%和69.1%,宿根蔗苗期和伸长期分别增加37.9%和42.4%;但无论是新植蔗还是宿根蔗成熟期谷氨酸合成酶 (GOGAT) 活性差异均不显著;粉垄耕作宿根蔗亚硝酸还原酶 (NR) 活性除苗期显著高于常规耕作甘蔗9.5%外,宿根蔗伸长期和成熟期和新植蔗所有生育期的亚硝酸还原酶 (NR) 活性差异均不显著 (图3)。

        图  3  两个耕作处理下甘蔗叶片酶活性

        Figure 3.  The activities of enzymes in sugarcane leaves under the two tillage methods

      • 本研究揭示了粉垄耕作土壤与甘蔗氮代谢生理互作后,促进甘蔗生长发育的生理生态基础,即:粉垄耕作能改善土壤理化性状,活化氮,改善甘蔗根系和维管组织结构;同时,粉垄耕作甘蔗根系活力和氮代谢相关酶活性具有较高的活力,是粉垄耕作甘蔗氮肥高效利用的生理生态基础。

      • 耕作方式直接或间接影响土壤的结构、水分和温度以及土壤养分的积累和分解转化[27-29]。粉垄耕作的特点是深耕旋磨,能聚集天然降水,使土壤速效养分释放量增加10%~30%[14]。粉垄耕作整地后水田和旱地土壤中有机质、速效养分、微量元素的有效含量均有所增加。不仅如此,土壤中的空隙,氧气也有所增加,温度上升,水分分布更加均匀,土壤部分酶活性被激活[13, 30]。粉垄耕作对于土壤水分及土壤团聚体形态数量、土壤微型态等也具有改良作用,不仅使赤红壤中团聚体含量增加,而且使土壤微形态趋于表面粗糙、孔隙丰富,提高土壤蓄水保肥能力[13, 31,32]。本研究也发现,粉垄耕作能显著降低土壤容重,提高土壤速效氮和速效磷含量,这与前人研究结果一致,但本研究粉垄耕作后对新植蔗全养分和有机质含量的影响不显著,甚至在新植蔗苗期土壤全氮含量比常规耕作土壤低,可能由于本研究所用耕地犁底层全氮含量比原来耕作层低,粉垄耕作后土壤粉碎疏松,原耕作层的部分全氮量渗透到犁底层而导致。目前广西蔗地存在过度施肥,土壤板结等现象,经过粉垄耕作后耕层加深,保水保肥能力增强,且土壤通气性好,有利于活化有效养分,这可能与粉垄耕作土壤有效氮与有效磷增加有关。钾肥是甘蔗生长发育必不可少的养分,但甘蔗在伸长后期的钾含量高,会影响制糖工艺。宿根条件下,与新植蔗相比,虽然蔗地理化性状及活化有效氮含量有所下降,但各指标均优于常规耕作甘蔗。此外,本研究发现粉垄耕作对新植蔗土壤速效钾含量的影响不显著,但在宿根蔗苗期和成熟期,粉垄耕作土壤速效钾含量显著降低,这其中的原因值得进一步探讨。

      • 维管束是植物输送养分和水分的重要通道,发达的维管束组织,有利于作物养分和水分的吸收和运输。茎秆维管束是水分、矿物质和有机养分的运输通道,在“源库流”中行使“流”的功能[33],其数目、大小及功能直接影响光合产物和水分的转移,是库大、流畅的解剖学基础[34,35]。作物高产必须要具备的株型特征就是库大、流畅,茎维管束与产量构成因子显著正相关[34, 36]。本研究发现粉垄耕作甘蔗的维管束更大,且分布更密集,新植蔗和宿根蔗茎维管束数量、面积、后生木质部导管直径和韧皮部面积差异不大,但与常规耕作相比,维管束面积、维管束数量、后生木质部导管直径和韧皮部面积均显著提高,说明粉垄耕作新植蔗和宿根蔗均具有更强大的输送养分的能力。氮素可以调控维管束的生长发育,氮素浓度增加有利于维管束的生长[36-38],本研究发现粉垄耕作后土壤有效氮和有效磷含量均有所提高,而且甘蔗根系和叶片的氮磷含量以及总量均显著提高,这可能是粉垄耕作通过调控土壤有效养分的活性,利于粉垄耕作甘蔗吸收更多的养分元素,而且粉垄耕作甘蔗的维管束数量多,面积大,输导养分和水分能力更强,所以粉垄耕作甘蔗体内的氮磷含量也增多,更有利于甘蔗生理代谢和生长发育,这可能是粉垄耕作甘蔗根系发达,植株健壮,产量增加的组织细胞学和生理生态基础。

      • 粉垄耕作对土壤团聚体形态、土壤微型态等有改良作用,土壤部分酶活性被激活,改善土壤物理性状,速效养分、微量元素的有效含量均有所增加,这与粉垄耕作保证甘蔗根系往土层深处生长,以抵御干旱、低温等不良条件[15, 39],提高出苗率、分蘖率,增加功能叶数,加快甘蔗茎径、茎长的加粗和伸长,最终促进甘蔗增产有密切关系[13, 31-32]。粉垄耕作与传统耕作相比,甘蔗有效茎数、蔗汁糖分、锤度、蔗糖含量都有所提升,最终促使甘蔗增产达20%~30%,获得了良好的经济效益[12,17],甘蔗产量构成的主要因素有株高、茎径、单茎重和有效茎数来组成[40],本研究发现粉垄耕作甘蔗出苗率、分蘖率、株高、茎径、有效茎数、产量、糖分等指标均显著提高,提高幅度10%~30%。与新植蔗相比,宿根蔗各农艺性状低于新植蔗,但粉垄耕作条件下,与常规耕作相比,粉垄耕作延缓了宿根蔗产量下降的进程,对于延长宿根年限,提高甘蔗种植效益具有重要的实际意义。

        土壤有效氮是植物可直接吸收利用的速效养分,能反映近期土壤氮素提供给植物吸收利用的能力,其含量的变化主要取决于植被和耕作措施等多种因素,对评价土壤肥力具有良好的表征作用[27-29]。氮素代谢是作物最重要的生理过程之一,与作物的产量和品质有着密切关系[41-43]。这个过程中,硝酸还原酶 (nitrate reductase,NR)、谷氨酰胺合成酶 (glutamine synthetase,GS)、谷氨酸合成酶 (glutamate synthase,GOGAT) 和谷氨酸脱氢酶 (flutamate dehydrogenase,GDH) 是高等植物氮代谢的主要代谢酶[44-46]。种植方式的改变可能会对植株氮代谢酶活性和作物的产量性状产生影响[47-48]。根系活力的高低直接反应养分吸收的好坏,根系活力与氮代谢能力密切相关,根系活力的升高可以增强对氮素的吸收[49],通过提高黄瓜叶片氮代谢关键酶的活性,如硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶的活性,促进了氮代谢和氨基酸的合成,为蛋白质的合成提供了物质基础[50,51]。本研究发现,与常规耕作比,无论是新植蔗还是宿根蔗,粉垄耕作甘蔗根系和叶片在各生长发育时期氮素的积累均显著增加,且粉垄耕作甘蔗谷氨酰胺合成酶 (GS)、氨酸合成酶 (GOGAT)、亚硝酸还原酶 (NR) 也显著增加,同时,粉垄耕作甘蔗的根系活力在整个生育期也均显著增强,说明粉垄耕作改善了土壤通气条件,有氧呼吸代谢加强,粉垄耕作甘蔗根系活力及氮代谢相关酶活性增强,可能与粉垄耕作改善土壤通气状况,活化土壤有效氮有关,根系活力及氮代谢相关酶活性增强,甘蔗根系发达,吸收水肥能力增强,促进甘蔗体内氮素转运,导致甘蔗根系和叶片氮元素增多,有利于甘蔗生长发育。

      • 粉垄耕作降低了土壤容重,提高了土壤中速效氮磷钾含量,有利于增强根系活力和氮代谢相关酶活性,使得甘蔗根系发育良好,维管组织发达,促进甘蔗根系对氮磷的吸收,从而提高了有效茎数和茎高、茎径,提高甘蔗产量。无论是常规耕作还是粉垄耕作,宿根蔗各生理生态指标低于新植蔗,产量因而也显著低于新植蔗,但粉垄耕作条件下,宿根蔗产量下降幅度显著低于常规耕作,说明粉垄耕作有利于延长甘蔗宿根年限,对于提高甘蔗种植效益具有积极意义。

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