低產水稻土改良與管理研究策略
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來源：《植物營養與肥料學報》2015 年02 期
作者：劉占軍1，2，艾超1，徐新朋1，張倩1，呂家瓏2，周衛1
單位：1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所 2.西北農林科技大學資源環境學院
水稻土是關乎我國糧食安全的重要土壤資源。據統計，2011 年我國稻穀種植面積佔全國糧食作物總面積的22%，產量占糧食總產量的28%。根據全國水稻平均產量及參考我國耕地地力等級劃分標準，將單季水稻平均產量低於6000 kg/hm2劃分為低產水稻土。因環境條件不良或自身存在的障礙因素，我國低產水稻土面積約7.67×106hm2，占水稻土總面積的32%。
我國當前耕地後備資源極端缺乏，改良低產田是提高我國糧食綜合生產能力，保證國家糧食安全的重要途徑之一。低產水稻土面積大、分布廣，其肥力特徵與改良技術研究比較零散，沒有形成系統的理論和應用體系，缺乏科學的調控管理策略。為此，本文從低產水稻土的類型、改良研究新方法及其技術突破等方面入手對相關問題進行探討。
1 低產水稻土類型及特點
我國低產水稻土類型複雜，按照其主導成因，大致可分為冷潛型、粘結型、沉板型和毒質型四類。
1) 冷潛型低產水稻土
面積約4×106hm2，包括沿湖水網地區長期漚水的潛育化水稻土，以及冷浸田如爛泥田、冷水田、銹水田、鴨屎泥田等。潛育化水稻土還原性強，有機質積累，鐵的活化和遷移損失明顯，土壤團聚體易遭破壞，土壤粘閉，通氣性能差; 冷浸田水稻土長期漬水，土壤溫度低、還原性物質多，有機質和全氮含量高，土壤有效養分偏低。
2) 粘結型低產水稻土
面積約1.3×106hm2，質地粘重、耕性發僵、土體粘結力大以及石灰含量逐漸增高。根據成土母質及其粘性程度不同可分為黃泥田、膠泥田和石灰泥田。該類水稻土土體粘粒含量高，一般在30% 以上；結構不良，耕性差; 有機質含量低，供肥保肥能力差。
3) 沉板型低產水稻土
沉板型低產水稻土是指土壤質地過砂或粗粉粒含量過高的一類低產水稻土，面積約2×106～2.7×106hm2。根據土壤的性狀以及沉板的特點，可分為淀漿田、沉砂田和砂漏田，白土是典型的沉板型低產水稻土，其土壤粘粒含量低，水耕過程中，粗顆粒容易下沉，淀漿板結，土體緊實，土壤養分匱乏，保肥性能差。
4) 毒質型低產水稻土
毒質型低產水稻土是指土壤中含有的化學組成超過水稻適應的濃度，致使水稻生長受到毒害的一類低產水稻土，按其毒源可分為咸田、反酸田、重金屬和礦毒田。咸田又稱鹽漬化水稻土，面積約為1.3×105hm2，鹽分含量在0.1%～1%之間，表層多在0.6% 以上，鹽分組成以氯化鈉為主。反酸田又稱磺酸田，面積約1.0×105hm2，其含有大量的硫化物，酸性強，土壤水溶液中硫酸鋁含量高。礦毒田是由礦毒水污染而導致低產的水稻土，按礦毒水的成分不同可分為重金屬污染稻田、硫磺田、錳毒田和炭漿水田。
2 低產水稻土評價與改良研究新方法
2.1 低產水稻土質量評價
土壤質量評價可以量化不同農田管理措施對土壤質量的影響，進而規範和改進土地利用方式及農田管理措施。國際上比較常用的土壤質量評價方法主要包括：土壤質量動力學法、土壤質量綜合評分法、多變數指標克立格法、土壤相對質量評價法。目前有關水稻土質量評價的報道多局限於某一農田管理措施如長期施肥或不同土地利用方式對水稻土質量的影響，不能完全揭示區域尺度下不同生產力水稻土質量變化規律。同時我國水稻土質量評價研究雖已取得較大進展，但對低產水稻土關注則相對較少。
Yao 等對沿海區域典型鹽土耕作區土壤質量評價表明，土壤有機質對作物產量產生顯著影響，是鹽土耕作區必不可少的土壤質量評價指標。Boluda 等研究指出準確的土壤質量評價需要大量土壤指標的測定分析。Qi 等和Lima 等研究表明，最小數據集能夠代替全量數據集對稻田土壤質量進行準確評價，且節約時間，降低成本。Li 等對江西稻田土壤質量進行評價，並建立最小數據集；有機質、鹼解氮、有效磷、緩效鉀和砂粒。
Liu 等通過最小數據集法對我國南方黃泥田、反酸田和白土三大低產水稻土土壤質量狀況進行研究，發現較低水平的全氮、速效鉀和有效硅是黃泥田的限制因子; 較低水平的pH、有效硅和全氮是反酸田的限制因子; 較低水平的有機質、全氮、速效鉀和pH 是白土的限制因子。
土壤質量指標包括土壤物理指標、化學指標和生物學指標，而當前土壤質量評價研究仍集中在土壤物理指標和化學指標，對土壤生物學指標的應用相對較少。由於土壤生物學指標對土壤質量變化反應靈敏，能夠較好的區分不同農田管理措施效果。因此，在今后土壤質量研究尤其是低產水稻土質量評價方面要給予足夠重視。
Romaniuk 等通過測定土壤微生物多樣性揭示了有機和傳統農業下土壤質量差異；Lima 等研究表明，在水稻土生態系統內，土壤生物學指標比理化指標更能靈敏地反映土壤質量變化。此外，在區域尺度上將模型和地理信息系統( GIS) 技術相結合是準確定位低產水稻土分布，綜合評價土壤肥力差異的有效手段，如Obade 和Lal 將GEMS 模型與GIS 相結合用於研究不同區域尺度土壤碳儲量，以表徵土壤質量變化。
2.2 低產水稻土改良研究的新技術與新方法
現代分子生物學技術的發展，為我們研究低產水稻土改良的生物學過程提供了先進技術手段。目前，高通量測序技術在土壤微生物研究中得以廣泛應用，它極大地降低了測序成本，實現了大規模的土壤微生物基因直接測序；基於第二代測序方法( NGS) 的土壤宏基因組學和宏轉錄組學，為研究人員提供了豐富的土壤微生物學信息，尤其是不同肥力水平下微生物功能多樣性研究得到了不斷的深入和發展。
宏基因組學研究結果表明，在土壤低氮條件下，水稻根系微生物組擁有更多的代謝氮、硫、鐵和芳香族化合物的相關功能基因，以及更加豐富的伯克氏菌 、慢生根瘤菌、甲基彎麴菌。然而，宏基因組學以DNA 為研究對象，所得到的分析結果只能說明其具有某種潛在功能，並不能對相關功能基因是否表達給出明確結論。
宏轉錄組學的出現克服了宏基因組學不能對相關功能基因是否表達給出明確結論的短板，能將特定條件下的微生物群落與其功能聯繫起來，對土壤微生物發揮的實際作用給予準確地分析。
在有機污染土壤研究中，de Menezes 等首次利用宏轉錄組技術發現微生物重金屬P－型ATP 酶和硫氧還蛋白與土壤多環芳烴脅迫關係密切。應用於實際生產中，宏基因組和宏轉錄組學的相關理論和進展則有利於我們優化微生物功能的執行效率、提高作物養分供給，並進一步減少能耗和對生態環境的負面影響。國外在土壤微生物組學方面已經開展了有力的研究，而我國還處於起步階段，針對水稻土改良的相關研究國內外更是未見報道。
近年來，穩定性同位素探針技術( Stable Isotope Probing，SIP) 已成為揭示複雜土壤環境中重要微生物生理生態過程的有利工具之一。
Murase 等利用13C－SIP 技術發現13C 標記的水稻秸稈在稻田土壤中主要被Mortierella、Galactomyces、Syncephalis等真菌分解利用；15N－SIP 研究表明，不同C/N 比秸稈能夠顯著誘導不同的微生物對其進行分解代謝，進而影響秸稈還田的降解過程。目前分子生態學技術與穩定同位素探針技術的結合，為我們原位研究水稻土改良下根際微生物效應提供了新的思路，該方法不僅可以準確地展示微生物多樣性，而且能夠綜合地揭示根際微生物群落的生態功能。未來研究的重點應是土壤改良下根際碳沉積在根－微生物－土壤中的分配和調節機制，以及如何利用這一微生物學機制來提高水稻產量，實現農業可持續發展。
對於土壤改良的物理化學過程，研究人員已經開始大量引入傅里葉變換紅外光譜法( FTIＲ) 和固相交叉極化魔角自旋13C 核磁共振( CPMS13C－NMＲ) 波譜技術，並已深入到土壤有機碳的微團聚體分布、腐殖質的轉化及其與土壤礦物結合機制的微觀水平。
Spaccini 等採用13C 穩定同位素結合CPMS－NMＲ 技術研究表明，玉米秸稈釋放出來的新有機化合物能夠被土壤腐殖質疏水組分所穩定，闡明了土壤原有腐殖質有利於新有機質積累的化學機理。
羅璐等採用FTIＲ 技術對我國長期施肥稻田土壤有機質結構分析後發現，長期施用有機肥或秸稈還田能顯著增加稻田土壤化學抗性化合物( 脂族性、芳香族) 、碳水化合物以及有機硅化合物的官能團吸收強度，在一定程度上揭示了稻田土壤有機質積累的化學穩定機制；同時也說明了肥料長期定位試驗在揭示稻田土壤肥力演變過程中的重要地位，其闡明改良措施的效果以及試驗結論的確切性是短期試驗所不能比擬。
3 低產水稻土改良與管理的技術突破
低產水稻土改良與管理的技術主要涉及到冷潛型、粘結型、沉板型、毒質型四大類低產水稻土的改良技術，以及水稻土養分管理技術。
3.1 冷潛型低產水稻土改良技術
還原性物質多、通氣性差、土溫低、供肥緩慢是冷潛型水稻土低產的主要原因。董穩軍等研究表明，施用生物炭及脫硫灰等土壤改良劑可有效改善冷浸田土壤特性和水稻群體質量。徐富賢等通過研究川東南冬水田雜交中稻進一步高產技術，提出了稀植足肥促進擴「庫」增「源」的高產栽培策略。紫娟娟等對我國冷浸田主要分布的7個省份土樣分析表明，土壤pH 偏低、部分地區土壤速效磷和速效鉀嚴重虧缺是影響我國冷浸田生產力的重要障礙因子。曹芬芳等研究指出選擇適宜冷浸田的水稻品種，採用壟廂栽培方式有利於獲得高產。同時採用「田」字型明溝排水措施也是改善冷浸田土壤理化性狀和提高稻穀產量的重要措施之一。
3.2 粘結型低產水稻土改良技術
土壤熟化度低、有機質缺乏、酸性強及耕性不良是黃泥田低產的主要原因。冀建華等研究表明，長期有機無機肥料配施可增加黃泥田土壤全氮、有機質及微生物量，提高土壤質量和肥力；同時有機無機肥料配施也是紅壤性稻田生產實踐中的優推模式。王飛等研究表明紫雲英翻壓可明顯提高單季稻區黃泥田的農田生產力; 王建紅等研究進一步指出翻壓紫雲英鮮草60 t/hm2時可獲得較高的肥料利用率和水稻產量。長期秸稈還田能有效緩解不良農田管理措施對稻田生產力的負面影響，具有較好的穩產和增產效果。楊帆等研究發現稻田秸稈還田配施秸稈腐熟劑對稻田地力培肥和增產效果更為明顯。因此，有機熟化技術是黃泥田改良的主要措施，而稻田秸稈腐熟菌劑的研究應給予足夠重視。
3.3 沉板型低產水稻土改良技術
土壤質地過砂、淀漿板結、漏水漏肥、養分貧乏是造成沉板型水稻土低產的主要因素。其中，淀漿田的主要低產因素是淀漿板結，而沙漏田的主要低產因素是漏水漏肥。白土作為典型的沉板型低產水稻土近年來備受關注。王培燕等研究表明強烈的機械淋溶是漂白層形成的主要原因。汪建飛等研究發現施用有機物料可以提高土壤磷等養分有效性，提高白土的保水性能及生物活性。吳萍萍等研究表明逐年深耕結合施用有機肥或秸稈還田，有利於形成厚沃耕層，是白土改良的主要措施。
3.4 毒質型低產水稻土改良技術
酸度高、毒性強是反酸田最主要的限制因子。李伯欣等研究表明，篩選並種植耐酸水稻品種，是提高反酸田水稻產量的有效途徑之一。易瓊等研究表明，施用土壤改良劑能有效提高反酸田土壤pH 值和改善水稻長勢，並指出鈣鎂磷肥及石灰等偏鹼性且富含有效鈣或磷的無機礦物質是農業生產中改良反酸田的適宜改良劑。
水稻控制灌溉技術是鹽漬化稻田改良的主要措施之一。劉廣明等研究表明，控制灌溉或控制灌溉加淋洗模式均能明顯降低水稻生育期土壤含鹽量。Peng 等研究發現，合理的鉀肥種類及其配比和稻草覆蓋，可有效降低水旱輪作制度下旱季作物生長期內土壤總鹽分量。
重金屬污染稻田土壤主要改良措施：1) 施用土壤改良劑。Liang 等研究表明，施用鋼渣或爐渣等富硅物質均可有效降低稻田土壤重金屬鎘的生物有效性，降低稻穀鎘含量。周歆等研究表明組配改良劑( 石灰石+ 海泡石) 對礦區重金屬Pb、Cd、Cu和Zn 複合污染稻田有較好的修復效果。2) 植物修復。Yang 等研究發現東南景天可超富集Cd、Pb、Zn 等重金屬，降低水稻土重金屬含量。此外，Bolan 等研究表明增施有機肥也可降低污染水稻土中As、Cu 和Cr 的生物有效性，降低糙米中的重金屬含量。
3.5 水稻土養分管理技術
稻田養分管理是低產水稻土改良和產量提升的重要方面。針對我國肥料利用率低、小農戶經營為主體、作物種植茬口緊、測土施肥困難等難題，研究適用於沒有土壤測試條件的作物推薦施肥方法，即基於水稻產量反應和農學效率的作物養分管理方法，是作物推薦施肥方法的重大變革和創新。
主要研究內容包括：
1) 水稻高產品種氮磷鉀養分需求特徵參數，基於田間多年多點試驗的作物產量和氮磷鉀養分吸收數據，應用QUEFTS 模型分析水稻現代高產品種養分需求特徵參數，建立作物籽粒產量與養分需求之間的關係。
2) 土壤養分供應與肥料農學效率的量化關係，研究典型區域土壤基礎養分供應特徵，不同種類肥料養分供給與作物養分需求的同步協調機制，主要作物肥料農學效率及作物產量反應，建立土壤基礎養分供應、肥料農學效率與作物產量反應的量化關係。
3) 農田養分協同優化原理與施肥模型，基於水稻最佳養分管理的「4Ｒ」( 最佳肥料種類、用量、時間、位置) 原理，以及秸稈還田、有機肥施用、土壤條件和作物生長環境( 溫度和水分)等對施肥參數的校正，構建水稻養分協同優化的推薦施肥模型。該方法已在小麥和玉米上得到較好的驗證。
4 未來研究策略
通過對低產水稻土改良和管理現狀綜合分析，未來研究策略如下:
1) 在低產水稻土質量評價方面，未來要結合不同低產類型的障礙因素開展個性化的土壤質量評價，如白土的質地和耕層厚度，冷泥田和潛育化水稻土亞鐵和亞錳含量，黃泥田的團聚體以及反酸田的硫含量等； 加強引入土壤生物學指標進行土壤質量評價研究。
2) 在低產水稻土改良方面，要研究稻田障礙層次的形成機理與調控途徑；研究其他低產類型如新墾水稻土、鹽漬化水稻土、石灰化水稻土和污染水稻土的改良技術及改良製劑; 研究長期改良措施對不同粒級團聚體腐殖質結構、酶類、微生物多樣性和功能基因的影響。
3) 在低產水稻土管理方面，①秸稈還田技術，研究機械化下的秸稈還田時期和還田量、秸稈還田的碳氮互作與氮肥運籌和秸稈腐熟劑研製等；②推薦施肥技術，重點研究基於水稻產量反應和農學效率的養分管理方法，水稻專用緩釋肥等；③抗逆品種技術，加強耐酸品種、耐潛品種、氮磷鉀養分高效品種的選育；④群體控制技術，重點研究氮磷鉀肥用量與栽插密度的互作效應與機制，提出適宜的氮磷鉀肥用量與栽插密度組合。
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