水稻土是關(guān)乎我國糧食安全的重要土壤資源。據(jù)統(tǒng)計，2011 年我國稻谷種植面積占全國糧食作物總面積的22%，產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的28%。根據(jù)全國水稻平均產(chǎn)量及參考我國耕地地力等級劃分標準，將單季水稻平均產(chǎn)量低于6000 kg/hm2 劃分為低產(chǎn)水稻土。因環(huán)境條件不良或自身存在的障礙因素，我國低產(chǎn)水稻土面積約7.67×106 hm2，占水稻土總面積的32%。
我國當前耕地后備資源極端缺乏，改良低產(chǎn)田是提高我國糧食綜合生產(chǎn)能力，保證國家糧食安全的重要途徑之一。低產(chǎn)水稻土面積大、分布廣，其肥力特征與改良技術(shù)研究比較零散，沒有形成系統(tǒng)的理論和應(yīng)用體系，缺乏科學(xué)的調(diào)控管理策略。為此，本文從低產(chǎn)水稻土的類型、改良研究新方法及其技術(shù)突破等方面入手對相關(guān)問題進行探討。
1、低產(chǎn)水稻土類型及特點
我國低產(chǎn)水稻土類型復(fù)雜，按照其主導(dǎo)成因，大致可分為冷潛型、粘結(jié)型、沉板型和毒質(zhì)型四類。
1) 冷潛型低產(chǎn)水稻土
面積約4×106 hm2，包括沿湖水網(wǎng)地區(qū)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(zhì)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(zhì)多，有機質(zhì)和全氮含量高，土壤有效養(yǎng)分偏低。
2) 粘結(jié)型低產(chǎn)水稻土
面積約1.3×106 hm2，質(zhì)地粘重、耕性發(fā)僵、土體粘結(jié)力大以及石灰含量逐漸增高。根據(jù)成土母質(zhì)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(jié)構(gòu)不良，耕性差; 有機質(zhì)含量低，供肥保肥能力差。
3) 沉板型低產(chǎn)水稻土
沉板型低產(chǎn)水稻土是指土壤質(zhì)地過砂或粗粉粒含量過高的一類低產(chǎn)水稻土，面積約2×106～2.7×106 hm2。根據(jù)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(chǎn)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(jié)，土體緊實，土壤養(yǎng)分匱乏，保肥性能差。
4) 毒質(zhì)型低產(chǎn)水稻土
毒質(zhì)型低產(chǎn)水稻土是指土壤中含有的化學(xué)組成超過水稻適應(yīng)的濃度，致使水稻生長受到毒害的一類低產(chǎn)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1.3×105 hm2，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1.0×105 hm2，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(dǎo)致低產(chǎn)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(chǎn)水稻土評價與改良研究新方法
2.1 低產(chǎn)水稻土質(zhì)量評價
土壤質(zhì)量評價可以量化不同農(nóng)田管理措施對土壤質(zhì)量的影響，進而規(guī)范和改進土地利用方式及農(nóng)田管理措施。國際上比較常用的土壤質(zhì)量評價方法主要包括：土壤質(zhì)量動力學(xué)法、土壤質(zhì)量綜合評分法、多變量指標克立格法、土壤相對質(zhì)量評價法。目前有關(guān)水稻土質(zhì)量評價的報道多局限于某一農(nóng)田管理措施如長期施肥或不同土地利用方式對水稻土質(zhì)量的影響，不能完全揭示區(qū)域尺度下不同生產(chǎn)力水稻土質(zhì)量變化規(guī)律。同時我國水稻土質(zhì)量評價研究雖已取得較大進展，但對低產(chǎn)水稻土關(guān)注則相對較少。
Yao 等對沿海區(qū)域典型鹽土耕作區(qū)土壤質(zhì)量評價表明，土壤有機質(zhì)對作物產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響，是鹽土耕作區(qū)必不可少的土壤質(zhì)量評價指標。Boluda 等研究指出準確的土壤質(zhì)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(shù)據(jù)集能夠代替全量數(shù)據(jù)集對稻田土壤質(zhì)量進行準確評價，且節(jié)約時間，降低成本。Li 等對江西稻田土壤質(zhì)量進行評價，并建立最小數(shù)據(jù)集；有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、緩效鉀和砂粒。
Liu 等通過最小數(shù)據(jù)集法對我國南方黃泥田、反酸田和白土三大低產(chǎn)水稻土土壤質(zhì)量狀況進行研究，發(fā)現(xiàn)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(zhì)、全氮、速效鉀和pH 是白土的限制因子。
土壤質(zhì)量指標包括土壤物理指標、化學(xué)指標和生物學(xué)指標，而當前土壤質(zhì)量評價研究仍集中在土壤物理指標和化學(xué)指標，對土壤生物學(xué)指標的應(yīng)用相對較少。由于土壤生物學(xué)指標對土壤質(zhì)量變化反應(yīng)靈敏，能夠較好的區(qū)分不同農(nóng)田管理措施效果。因此，在今后土壤質(zhì)量研究尤其是低產(chǎn)水稻土質(zhì)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(tǒng)農(nóng)業(yè)下土壤質(zhì)量差異；Lima 等研究表明，在水稻土生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，土壤生物學(xué)指標比理化指標更能靈敏地反映土壤質(zhì)量變化。此外，在區(qū)域尺度上將模型和地理信息系統(tǒng)( GIS) 技術(shù)相結(jié)合是準確定位低產(chǎn)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(jié)合用于研究不同區(qū)域尺度土壤碳儲量，以表征土壤質(zhì)量變化。
2.2 低產(chǎn)水稻土改良研究的新技術(shù)與新方法
現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為我們研究低產(chǎn)水稻土改良的生物學(xué)過程提供了先進技術(shù)手段。目前，高通量測序技術(shù)在土壤微生物研究中得以廣泛應(yīng)用，它極大地降低了測序成本，實現(xiàn)了大規(guī)模的土壤微生物基因直接測序；基于第二代測序方法( NGS) 的土壤宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)，為研究人員提供了豐富的土壤微生物學(xué)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(fā)展。
宏基因組學(xué)研究結(jié)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(guān)功能基因，以及更加豐富的伯克氏菌 、慢生根瘤菌、甲基彎曲菌。然而，宏基因組學(xué)以DNA 為研究對象，所得到的分析結(jié)果只能說明其具有某種潛在功能，并不能對相關(guān)功能基因是否表達給出明確結(jié)論。
宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)的出現(xiàn)克服了宏基因組學(xué)不能對相關(guān)功能基因是否表達給出明確結(jié)論的短板，能將特定條件下的微生物群落與其功能聯(lián)系起來，對土壤微生物發(fā)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(zhuǎn)錄組技術(shù)發(fā)現(xiàn)微生物重金屬P－型ATP 酶和硫氧還蛋白與土壤多環(huán)芳烴脅迫關(guān)系密切。應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)的相關(guān)理論和進展則有利于我們優(yōu)化微生物功能的執(zhí)行效率、提高作物養(yǎng)分供給，并進一步減少能耗和對生態(tài)環(huán)境的負面影響。國外在土壤微生物組學(xué)方面已經(jīng)開展了有力的研究，而我國還處于起步階段，針對水稻土改良的相關(guān)研究國內(nèi)外更是未見報道。
近年來，穩(wěn)定性同位素探針技術(shù)( Stable Isotope Probing，SIP) 已成為揭示復(fù)雜土壤環(huán)境中重要微生物生理生態(tài)過程的有利工具之一。
Murase 等利用13C－SIP 技術(shù)發(fā)現(xiàn)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(dǎo)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(tài)學(xué)技術(shù)與穩(wěn)定同位素探針技術(shù)的結(jié)合，為我們原位研究水稻土改良下根際微生物效應(yīng)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(tài)功能。未來研究的重點應(yīng)是土壤改良下根際碳沉積在根－微生物－土壤中的分配和調(diào)節(jié)機制，以及如何利用這一微生物學(xué)機制來提高水稻產(chǎn)量，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
對于土壤改良的物理化學(xué)過程，研究人員已經(jīng)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(shù)，并已深入到土壤有機碳的微團聚體分布、腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化及其與土壤礦物結(jié)合機制的微觀水平。
Spaccini 等采用13C 穩(wěn)定同位素結(jié)合CPMS－NMＲ 技術(shù)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(zhì)疏水組分所穩(wěn)定，闡明了土壤原有腐殖質(zhì)有利于新有機質(zhì)積累的化學(xué)機理。
羅璐等采用FTIＲ 技術(shù)對我國長期施肥稻田土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)分析后發(fā)現(xiàn)，長期施用有機肥或秸稈還田能顯著增加稻田土壤化學(xué)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(zhì)積累的化學(xué)穩(wěn)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(jié)論的確切性是短期試驗所不能比擬。
3、低產(chǎn)水稻土改良與管理的技術(shù)突破
低產(chǎn)水稻土改良與管理的技術(shù)主要涉及到冷潛型、粘結(jié)型、沉板型、毒質(zhì)型四大類低產(chǎn)水稻土的改良技術(shù)，以及水稻土養(yǎng)分管理技術(shù)。
3.1 冷潛型低產(chǎn)水稻土改良技術(shù)
還原性物質(zhì)多、通氣性差、土溫低、供肥緩慢是冷潛型水稻土低產(chǎn)的主要原因。董穩(wěn)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(zhì)量。徐富賢等通過研究川東南冬水田雜交中稻進一步高產(chǎn)技術(shù)，提出了稀植足肥促進擴“庫”增“源”的高產(chǎn)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(qū)土壤速效磷和速效鉀嚴重虧缺是影響我國冷浸田生產(chǎn)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，采用壟廂栽培方式有利于獲得高產(chǎn)。同時采用“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谷產(chǎn)量的重要措施之一。
3.2 粘結(jié)型低產(chǎn)水稻土改良技術(shù)
土壤熟化度低、有機質(zhì)缺乏、酸性強及耕性不良是黃泥田低產(chǎn)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(zhì)及微生物量，提高土壤質(zhì)量和肥力；同時有機無機肥料配施也是紅壤性稻田生產(chǎn)實踐中的優(yōu)推模式。王飛等研究表明紫云英翻壓可明顯提高單季稻區(qū)黃泥田的農(nóng)田生產(chǎn)力; 王建紅等研究進一步指出翻壓紫云英鮮草60 t/hm2 時可獲得較高的肥料利用率和水稻產(chǎn)量。長期秸稈還田能有效緩解不良農(nóng)田管理措施對稻田生產(chǎn)力的負面影響，具有較好的穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)效果。楊帆等研究發(fā)現(xiàn)稻田秸稈還田配施秸稈腐熟劑對稻田地力培肥和增產(chǎn)效果更為明顯。因此，有機熟化技術(shù)是黃泥田改良的主要措施，而稻田秸稈腐熟菌劑的研究應(yīng)給予足夠重視。
3.3 沉板型低產(chǎn)水稻土改良技術(shù)
土壤質(zhì)地過砂、淀漿板結(jié)、漏水漏肥、養(yǎng)分貧乏是造成沉板型水稻土低產(chǎn)的主要因素。其中，淀漿田的主要低產(chǎn)因素是淀漿板結(jié)，而沙漏田的主要低產(chǎn)因素是漏水漏肥。白土作為典型的沉板型低產(chǎn)水稻土近年來備受關(guān)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(fā)現(xiàn)施用有機物料可以提高土壤磷等養(yǎng)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(jié)合施用有機肥或秸稈還田，有利于形成厚沃耕層，是白土改良的主要措施。
3.4 毒質(zhì)型低產(chǎn)水稻土改良技術(shù)
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，篩選并種植耐酸水稻品種，是提高反酸田水稻產(chǎn)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，并指出鈣鎂磷肥及石灰等偏堿性且富含有效鈣或磷的無機礦物質(zhì)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中改良反酸田的適宜改良劑。
水稻控制灌溉技術(shù)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(fā)現(xiàn)，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(nèi)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(zhì)均可有效降低稻田土壤重金屬鎘的生物有效性，降低稻谷鎘含量。周歆等研究表明組配改良劑( 石灰石+ 海泡石) 對礦區(qū)重金屬Pb、Cd、Cu和Zn 復(fù)合污染稻田有較好的修復(fù)效果。2) 植物修復(fù)。Yang 等研究發(fā)現(xiàn)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(yǎng)分管理技術(shù)
稻田養(yǎng)分管理是低產(chǎn)水稻土改良和產(chǎn)量提升的重要方面。針對我國肥料利用率低、小農(nóng)戶經(jīng)營為主體、作物種植茬口緊、測土施肥困難等難題，研究適用于沒有土壤測試條件的作物推薦施肥方法，即基于水稻產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的作物養(yǎng)分管理方法，是作物推薦施肥方法的重大變革和創(chuàng)新。
主要研究內(nèi)容包括：
1) 水稻高產(chǎn)品種氮磷鉀養(yǎng)分需求特征參數(shù)，基于田間多年多點試驗的作物產(chǎn)量和氮磷鉀養(yǎng)分吸收數(shù)據(jù)，應(yīng)用QUEFTS 模型分析水稻現(xiàn)代高產(chǎn)品種養(yǎng)分需求特征參數(shù)，建立作物籽粒產(chǎn)量與養(yǎng)分需求之間的關(guān)系。
2) 土壤養(yǎng)分供應(yīng)與肥料農(nóng)學(xué)效率的量化關(guān)系，研究典型區(qū)域土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)特征，不同種類肥料養(yǎng)分供給與作物養(yǎng)分需求的同步協(xié)調(diào)機制，主要作物肥料農(nóng)學(xué)效率及作物產(chǎn)量反應(yīng)，建立土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)、肥料農(nóng)學(xué)效率與作物產(chǎn)量反應(yīng)的量化關(guān)系。
3) 農(nóng)田養(yǎng)分協(xié)同優(yōu)化原理與施肥模型，基于水稻最佳養(yǎng)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(huán)境( 溫度和水分)等對施肥參數(shù)的校正，構(gòu)建水稻養(yǎng)分協(xié)同優(yōu)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(chǎn)水稻土改良和管理現(xiàn)狀綜合分析，未來研究策略如下:
1) 在低產(chǎn)水稻土質(zhì)量評價方面，未來要結(jié)合不同低產(chǎn)類型的障礙因素開展個性化的土壤質(zhì)量評價，如白土的質(zhì)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(xué)指標進行土壤質(zhì)量評價研究。
2) 在低產(chǎn)水稻土改良方面，要研究稻田障礙層次的形成機理與調(diào)控途徑；研究其他低產(chǎn)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(shù)及改良制劑; 研究長期改良措施對不同粒級團聚體腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)、酶類、微生物多樣性和功能基因的影響。
3) 在低產(chǎn)水稻土管理方面，①秸稈還田技術(shù)，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制等；②推薦施肥技術(shù)，重點研究基于水稻產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的養(yǎng)分管理方法，水稻專用緩釋肥等；③抗逆品種技術(shù)，加強耐酸品種、耐潛品種、氮磷鉀養(yǎng)分高效品種的選育；④群體控制技術(shù)，重點研究氮磷鉀肥用量與栽插密度的互作效應(yīng)與機制，提出適宜的氮磷鉀肥用量與栽插密度組合。
作者單位：劉占軍1，2，艾超1，徐新朋1，張倩1，呂家瓏2，周衛(wèi)1 1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院
中國鄉(xiāng)村發(fā)現(xiàn)網(wǎng)轉(zhuǎn)自:《植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報》2015 年02 期
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