南方低產(chǎn)黃泥田與高產(chǎn)灰泥田基礎(chǔ)地力的差異

王 飛，李清華，林 誠，何春梅，朱恬恬

（1 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福建福州 350013；2 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建福州 350002）

我國耕地質(zhì)量總體不容樂觀，中低產(chǎn)田比重大，約40%為中產(chǎn)田，30%為低產(chǎn)田，低產(chǎn)田具有較明顯的障礙或限制因子[1]。農(nóng)業(yè)部《關(guān)于全國耕地質(zhì)量等級情況的公報》[2]也顯示，全國四至六等耕地占耕地總面積的44.8%，七至十等的耕地占耕地總面積的27.9%，這很大程度上制約了我國糧食的持續(xù)增產(chǎn)，并影響“良種良法”潛力的發(fā)揮?；A(chǔ)地力是指在特定立地條件、土壤剖面理化性狀、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平下，經(jīng)過多年水肥培育后，當(dāng)季旱地?zé)o水肥投入、水田無養(yǎng)分投入時的土壤生產(chǎn)能力[3]。一般而言，基礎(chǔ)地力越高，對作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率越大，產(chǎn)量的穩(wěn)定性與持續(xù)性增加[4]。通過提高農(nóng)田土壤基礎(chǔ)地力，可以實現(xiàn)“藏糧于地”[5]。中低產(chǎn)田的重要特征是其基礎(chǔ)地力水平低[6]。黃泥田為南方紅黃壤區(qū)廣泛分布的一類中低產(chǎn)田，其中福建省黃泥田面積約占全省水稻土面積的30%。該類稻田主要分布于丘陵山區(qū)、沿海臺地及河谷兩側(cè)高階地。由于犁底層下上層淋溶下來的還原態(tài)鐵、錳氧化物多被氧化而淀積，并伴隨著水化作用而形成黃色多水氧化鐵，使土體染為黃色[7]。一些研究嘗試用不同有機(jī)肥提高低產(chǎn)黃泥田水稻產(chǎn)量、改良土壤理化性狀，如泥炭土、菇渣及生物有機(jī)肥可提高黃泥田土壤胡敏酸、胡敏素等含量[8]；有機(jī)物料與化肥配施提高了水稻產(chǎn)量，增加了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其中以牛糞與化肥配合施用效果最佳[9]；福建化肥配合翻壓紫云英可增產(chǎn)6.5%[10]，湖北黃泥田不同有機(jī)肥種類的增肥效果為秸稈 ＞ 豬糞 ＞ 綠肥[11]。然而，對中、低產(chǎn)黃泥田的基礎(chǔ)地力與自然條件相近的鄰近高產(chǎn)田地力的差距缺少定量評價，其導(dǎo)致的水稻養(yǎng)分吸收利用的差異也不清楚，影響了對該類稻田的定向改良利用。為此，本研究采用配對比較方法，比較了典型黃泥田與高產(chǎn)灰泥田的基礎(chǔ)地力以及水稻養(yǎng)分吸收利用差異，以明確黃泥田基礎(chǔ)地力的提升空間，為黃泥田定向改良及水稻高效施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

于2015年水稻冬閑期 (12月至翌年3月)，在福建省浦城、建陽、建甌、延平、順昌、閩清、閩侯、寧化、永安、大田、尤溪、沙縣、將樂、周寧、福安、屏南、霞浦、古田、上杭、連城20個縣(市) 黃泥田主要分布區(qū)域采集20對典型黃泥田 (屬滲育型水稻土) 與鄰近同一微地貌單元內(nèi)發(fā)育的灰泥田 (屬潴育型水稻土) 表層土壤 (0—20 cm)。土壤自然風(fēng)干，過2 cm篩網(wǎng)，混合均勻，盆栽備用。采集的土壤分別代表福建省常見的氧化型黃泥田 (剖面構(gòu)型A-Ap-P-C)，以及氧化還原型灰泥田、青底灰泥田、烏黃泥田類型 (剖面構(gòu)型A-Ap-P-W-C)。

盆栽試驗在農(nóng)業(yè)部福建耕地保育觀測實驗站網(wǎng)室進(jìn)行。每個土樣設(shè)兩個處理：1) 不施肥；2) 施化肥。每塑料桶 (直徑25 cm、高 15 cm) 裝土樣5.0 kg，外套塑料盆 (直徑37 cm、高 27 cm)，共計80盆。氮磷鉀施肥比例為N∶P2O5∶K2O = 1∶0.4∶0.7，施肥量為大田常規(guī)施用量 (N 135 kg/hm2) 的2倍，即每盆施N 0.60 g、P2O50.24 g、K2O 0.42 g。各處理磷肥全部作基肥施用；氮肥基肥占60%，分蘗肥占40%；鉀肥全部作分蘗肥用。氮肥用尿素(15N，豐度10%)，磷肥用磷酸二氫鈣，鉀肥用氯化鉀。將肥料配成溶液施入。水稻品種為‘中浙優(yōu)1號’，采用移栽種植，每盆種植兩穴。2016年7月19日插秧，8月1日追肥，10月24日收獲。植株與土壤同位素氮用ZHT-03質(zhì)譜儀測定15N%豐度，由河北省農(nóng)林科學(xué)院遺傳生理研究所測定。其余養(yǎng)分指標(biāo)均按常規(guī)方法測定。黃泥田與灰泥田的主要理化性狀如表1。

1.2 數(shù)據(jù)處理

基礎(chǔ)地力 (g/pot) = 不施肥處理水稻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量或生物產(chǎn)量；

基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率 = 不施肥水稻產(chǎn)量/施肥處理水稻產(chǎn)量 × 100%；

肥料農(nóng)學(xué)效率 (g/g) = (施肥處理水稻產(chǎn)量 - 不施肥處理水稻產(chǎn)量) / NPK施肥量總和。

氮素吸收利用計算方法：

化肥氮素殘留率 = 土壤殘留來自化肥中的氮 / 化肥施氮量

化肥氮素利用率 = 植株各部位吸收自化肥中的氮素之和 / 化肥施氮量

植株各部位 (或土壤) 來自化肥中的氮 =W×a×(b-c)/(b1 -c)

式中：W為植株 (或土壤) 樣品重量，a為含氮量，b為15N豐度；c為對照組天然15N豐度；b1為肥料15N豐度。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行處理，20個縣 (市) 黃泥田與灰泥田的土壤或植株試驗數(shù)據(jù)均值利用DPS統(tǒng)計軟件中兩樣本比較模塊的配對兩處理t檢驗進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃泥田和灰泥田基礎(chǔ)地力及其貢獻(xiàn)率的差異

圖1顯示，黃泥田基礎(chǔ)地力經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量較灰泥田平均低8.8 g/盆，降幅26.9%，基礎(chǔ)地力地上部生物產(chǎn)量 (籽粒 + 秸稈) 較灰泥田低16.0 g/盆，降幅23.5%，均達(dá)到極顯著差異水平 (P＜ 0.01)?；A(chǔ)地力貢獻(xiàn)率表現(xiàn)出相似的規(guī)律，從經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量來看，灰泥田和黃泥田的水稻基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率平均分別為66.1%和52.0%，黃泥田較灰泥田低14.1個百分點；從地上部生物產(chǎn)量來看，灰泥田與黃泥田的基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率平均分別為65.7%和56.0%，黃泥田較灰泥田低9.7個百分點，均達(dá)到極顯著差異水平 (P＜ 0.01)?？梢钥闯?，黃泥田基礎(chǔ)地力相對較低，以灰泥田為標(biāo)準(zhǔn)，有20%以上的產(chǎn)量提升空間。

2.2 黃泥田和灰泥田施肥農(nóng)學(xué)效率的差異

依據(jù)籽粒產(chǎn)量計算，灰泥田與黃泥田的水稻施肥農(nóng)學(xué)效率分別為13.2 g/g與17.5 g/g (圖2)，黃泥田較灰泥田提高32.6%，差異極顯著 (P＜ 0.01)；依據(jù)地上部生物產(chǎn)量 (籽粒+秸稈) 計算，灰泥田、黃泥田施肥農(nóng)學(xué)效率分別為28.0 g/g、32.5 g/g，黃泥田較灰泥田提高16.1%，差異顯著 (P＜ 0.05)。圖3顯示，基礎(chǔ)地力籽粒產(chǎn)量與施肥效果呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜ 0.01)，說明黃泥田的地上部生物量對氮磷鉀肥的依賴程度要高于灰泥田。

表 1 黃泥田與灰泥田土壤主要理化性狀Table 1 Physical and chemical properties of yellow-mud paddy field and grey-mud paddy field

圖 1 黃泥田與灰泥田基礎(chǔ)地力及基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率Fig. 1 Basic soil productivity and its contribution rates in yellow-mud and grey-mud paddy fields

2.3 黃泥田和灰泥田水稻收獲期經(jīng)濟(jì)性狀的差異

表2顯示，施肥條件下，黃泥田水稻成熟期有效穗、每穗實粒數(shù)與千粒重均較灰泥田有不同程度的降低，其中有效穗較灰泥田降低1.1穗/叢，差異顯著 (P＜ 0.05)；不施肥條件下，黃泥田產(chǎn)量構(gòu)成因子同樣均低于灰泥田，其中黃泥田有效穗較灰泥田減少1.0穗/叢，千粒重較灰泥田減少0.53 g，差異均達(dá)顯著水平 (P＜ 0.05)。說明不論施肥與否，有效穗是影響黃泥田與灰泥田產(chǎn)量差異的關(guān)鍵性狀因子。

2.4 黃泥田和灰泥田水稻成熟期植株養(yǎng)分含量的差異

表3表明，施肥后，黃泥田水稻籽粒、莖葉與根系氮素含量均較灰泥田有不同程度的降低，但未達(dá)到顯著差異水平；不施肥的黃泥田水稻莖葉與根系氮素含量與灰泥田相當(dāng)，籽粒氮素含量較灰泥田提高9.6%，差異達(dá)到顯著水平 (P＜ 0.05)。無論施肥與否，黃泥田水稻籽粒、莖葉和根系的磷素含量均顯著低于灰泥田 (P＜ 0.05)。施肥條件下，黃泥田水稻籽粒、莖葉和根系的磷素含量較灰泥田分別低9.6%、38.4%與46.3%，不施肥條件下比灰泥田分別低10.2%、24.6%和40.0%。施肥條件下，黃泥田水稻籽粒、莖葉與根系的鉀素含量均低于灰泥田，其中籽粒和莖葉的鉀素含量分別較灰泥田低10.8%與18.5%，差異均達(dá)到顯著水平 (P＜ 0.05)；不施肥處理植株鉀素表現(xiàn)出類似趨勢，其中籽粒、莖葉的鉀素含量分別較灰泥田低12.6%和31.8%，差異均達(dá)到顯著水平 (P＜ 0.05)。

圖 2 黃泥田與灰泥田施肥農(nóng)學(xué)效率Fig. 2 Fertilizer agronomic efficiency in yellow-mud and grey-mud paddy fields

圖 3 基礎(chǔ)地力籽粒產(chǎn)量與施肥增產(chǎn)量的相關(guān)性Fig. 3 Correlation between basic soil productivity and yield increment of fertilizer

表 2 施肥黃泥田與灰泥田水稻產(chǎn)量構(gòu)成Table 2 Yield component of rice affected by fertilization under yellow-mud and grey-mud paddy fields

表 3 黃泥田與灰泥田水稻植株氮磷鉀養(yǎng)分含量Table 3 Nitrogen, phosphorus and potassium contents of rice plants in yellow-mud and grey-mud paddy fields

2.5 黃泥田和灰泥田水稻植株養(yǎng)分累積吸收量差異

圖4顯示，施肥下黃泥田的水稻籽粒、莖葉的氮素吸收量較灰泥田分別降低10.8%與17.3%，差異均顯著 (P＜ 0.05)，不施肥下黃泥田的水稻籽粒與莖葉的氮素吸收量較灰泥田分別低20.5%和21.4%，差異均顯著 (P＜ 0.05)。而無論施肥與否，黃泥田與灰泥田根系氮素吸收累積基本一致。施肥下黃泥田的水稻籽粒、莖葉與根系的磷素吸收量較灰泥田分別低12.5%、46.2%和50.0%，差異均顯著 (P＜ 0.05)，

不施肥的分別低30.0%、37.5%與50.0%，差異均顯著 (P＜ 0.05)。施肥下黃泥田的水稻籽粒與莖葉的鉀素吸收量較灰泥田分別低16.6%和28.5%，不施肥的水稻籽粒與莖葉分別低35.0%和39.5%，差異均顯著(P＜ 0.05)。說明不論施肥與否，黃泥田的水稻氮磷鉀養(yǎng)分吸收累積能力均低于灰泥田，不施肥條件下差異尤為明顯。

2.6 黃泥田和灰泥田水稻氮素利用率與土壤氮殘留率的差異

從表4可以看出，施肥后黃泥田水稻植株自肥料中吸收的氮素較灰泥田低27.6 mg/pot，相應(yīng)的水稻氮肥利用率較灰泥田低4.6個百分點，差異顯著(P＜ 0.05)。從土壤氮素殘留來看，黃泥田土壤來自化肥氮素的殘留較灰泥田增加17.7 mg/pot，土壤氮肥殘留率較灰泥田增加3.0個百分點，差異顯著 (P＜0.05)。

3 討論

3.1 黃泥田基礎(chǔ)地力與肥力因子的關(guān)系

圖 4 黃泥田與灰泥田水稻不同部位氮、磷、鉀素吸收量Fig. 4 NPK absorption in different parts of rice with and without fertilization in yellow-mud and grey-mud paddy fields

表 4 不同土壤水稻植株肥料氮吸收量、氮肥利用率及土壤氮素殘留率Table 4 Nitrogen uptake of rice nitrogen use efficiency and residual rate of soil in different paddy fields

研究表明，紅壤性水稻土基礎(chǔ)地力越高，肥料對早晚稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率就越低[12]，福建歷年肥料試驗資料統(tǒng)計表明，水稻產(chǎn)量60%～80%來自于土壤的基礎(chǔ)肥力，高產(chǎn)水稻土一般達(dá)75%～85%[7]，本研究也顯示，施肥效果隨著基礎(chǔ)地力籽粒產(chǎn)量的增加而降低 (圖3)，說明持續(xù)提升稻田基礎(chǔ)地力可逐步擺脫對化肥的依賴，這對于當(dāng)前水稻化肥減施增效行動意義重大。基礎(chǔ)地力通常由單季作物不施肥的產(chǎn)量獲得，顯然這過程周期長且煩瑣，而土壤肥力因子變化是決定基礎(chǔ)地力發(fā)展方向的基本因素，因此有必要探索利用肥力因子快速診斷基礎(chǔ)地力的便捷方法。本研究條件下，黃泥田有機(jī)質(zhì)含量較灰泥田平均低19.1% (表1)，由表5基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率與主要肥力因子關(guān)系可知，基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率 (經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量) 與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān) (r= 0.439**，n= 40)，而與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān) (r= -0.451**，n= 40)。從產(chǎn)量構(gòu)成因子來看，不施肥條件下，水稻有效穗數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān) (r= 0.573**，n=40)，而與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān) (r= -0.423**，n=40)。土壤有機(jī)質(zhì)含有植物所需要的多種營養(yǎng)元素，且對培肥地力和改善土壤質(zhì)量影響重大，是評價土壤質(zhì)量的主要指標(biāo)和維持農(nóng)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)[13-14]。高基礎(chǔ)地力的土壤含有較高的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，可增加養(yǎng)分的供應(yīng)能力，從而提高土壤微生物量和活性[15]。潮土小麥-玉米輪作的基礎(chǔ)地力產(chǎn)量與有機(jī)碳庫呈顯著的正相關(guān)，當(dāng)有機(jī)碳庫增加C 1 t/hm2，冬小麥與夏玉米基礎(chǔ)地力產(chǎn)量分別增加154與132 kg/hm2[16]，容重與有機(jī)質(zhì)含量也呈良好的關(guān)系，通過有機(jī)質(zhì)調(diào)控可有效改善土壤容重[17]。從全國來看，我國農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量總體水平較低，農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳的平均濃度約為10～30 g/kg[18-19]，遠(yuǎn)低于歐、美等發(fā)達(dá)國家 (25～40 g/kg)[20]。對黃泥田而言，該類土壤主要分布在山地丘陵、丘陵傾斜平原，普遍存在耕層淺薄、土壤質(zhì)地粘重、土體通氣性差、土壤酸性強(qiáng)、保肥性差等特點[21]，其土壤有機(jī)質(zhì)含量更為缺乏，是重要的屬性障礙，因此通過跟蹤分析土壤有機(jī)質(zhì)含量可為黃泥田基礎(chǔ)地力診斷及改良提供依據(jù)。相關(guān)研究表明，紅壤性水稻土長期施氮磷鉀肥或長期氮磷鉀肥配施稻草均能提高土壤基礎(chǔ)地力，以長期氮磷鉀肥配施稻草的效果更為顯著[22]。福建典型黃泥田連續(xù)32年化肥與牛糞、秸稈還田配施，較單施化肥分別增產(chǎn)12.6%與10.2%[23]。秸稈還田還可提高黃泥田土壤松結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量和結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)總含量，化肥+油菜秸稈+秸稈腐熟劑是一種良好的低產(chǎn)黃泥田改良措施[24]。上述有機(jī)無機(jī)肥配施措施改善了土壤理化性狀，尤其是提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)了土壤養(yǎng)分的供給能力，使基礎(chǔ)地力逐步提高。由此可見，一方面，土壤有機(jī)質(zhì)含量可作為反映黃泥田基礎(chǔ)地力的重要指標(biāo)，另一方面，南方丘陵山區(qū)廣泛分布的黃泥田瘠瘦障礙削減應(yīng)以提升有機(jī)質(zhì)與降低土壤容重為主攻方向，通過持續(xù)培肥，逐步提升基礎(chǔ)地力。值得一提的是，基礎(chǔ)地力由土壤化學(xué)、物理與生物因子指標(biāo)綜合構(gòu)成，并受到氣象因子等自然條件的影響，本研究評價了基礎(chǔ)地力與主要理化因子的關(guān)系，可能還有其他因子的作用與驅(qū)動，因此黃泥田基礎(chǔ)地力還需多指標(biāo)因子與多年結(jié)果綜合分析確定。

表 5 基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率 (y) 與土壤理化性狀 (x)的回歸方程及決定系數(shù)(n = 40)Table 5 Correlation between contribution percentages of basic soil productivity (economic yield, y) and soil physical and chemical properties (x)

3.2 黃泥田化肥氮素去向與肥料利用率

本研究通過氮同位素示蹤與盆栽試驗得出，黃泥田與灰泥田水稻氮素利用率分別為52.3%和56.9%，這高于一般農(nóng)田的氮肥利用率[25]，主要是由于盆栽試驗少了氮淋溶與徑流等流失，而我國農(nóng)田氮的去向中淋洗損失估計為2%，徑流損失估計為5%[26]。如何提高黃泥田的氮肥利用率是需要關(guān)注的問題。本研究表明，隨著基礎(chǔ)地力籽粒產(chǎn)量提升，施肥效果將顯著降低，相關(guān)研究也表明，隨著基礎(chǔ)地力的提高，對肥料的依賴越來越少[4]，即地力提升后施用相對較少的肥料就可達(dá)到相同的預(yù)期產(chǎn)量，即肥田省肥，這意味著在相同的預(yù)期目標(biāo)產(chǎn)量下，提升地力水平可減少化肥用量。值得一提的是，本研究在不同地力水平下施用等量的肥料，盡管黃泥田水稻的肥料農(nóng)學(xué)效率更高，但氮同位素示蹤表明灰泥田的氮肥利用率也顯著高于黃泥田，這主要是由于灰泥田水稻優(yōu)先吸收了來自肥料中的氮所致 (表4)。相反，本研究中黃泥田土壤的氮肥殘留率卻高于灰泥田。一些研究表明，高基礎(chǔ)地力會降低肥料的利用效率[27]。這可能與不同背景的土壤理化性狀差異有關(guān)。有研究表明，高粘粒土壤抑制土壤氮素礦化[28]，同時不同肥力紅壤性水稻土氮素的礦化作用均隨著有機(jī)質(zhì)含量的升高而增強(qiáng)[29]，黃泥田土質(zhì)粘重且有機(jī)質(zhì)含量較低，可能延緩了有機(jī)氮的礦化進(jìn)程從而影響氮素的供應(yīng)與植株的養(yǎng)分吸收，同時黃泥田土壤微生物與植株競爭有限的肥料氮源暫時固持了更多的氮素于土壤中，難以被單季作物吸收利用，從而影響氮肥的利用率，但黃泥田未吸收利用的氮素可能隨著硝化作用而導(dǎo)致更多的NO3--N累積而淋溶或徑流損失，相關(guān)研究表明不同肥力土壤施肥對小麥土壤硝態(tài)氮的累積不同，中等肥力施入尿素對小麥生育期土壤硝態(tài)氮含量無影響，而低肥力土壤施尿素使土壤硝態(tài)氮含量提高了5.7倍[30]。黃泥田施氮肥是否增加了硝態(tài)氮的淋溶風(fēng)險有待結(jié)合大田試驗做進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

與鄰近同一微地貌單元發(fā)育的高產(chǎn)灰泥田比較，黃泥田水稻基礎(chǔ)地力經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量較灰泥田低26.9%，相應(yīng)的基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率低14.1個百分點；基礎(chǔ)地力地上部生物產(chǎn)量較灰泥田低23.5%，相應(yīng)的基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率低9.7個百分點。

施肥條件下，黃泥田植株籽粒、莖葉和根系的磷素含量分別較灰泥田顯著低9.6%、38.4%與46.3%(P＜ 0.05)，籽粒和莖葉鉀素含量分別較灰泥田顯著低10.8%與18.5% (P＜ 0.05)。水稻成熟期籽粒、莖葉的氮素吸收量較灰泥田分別低10.8%和17.3%，磷素吸收量分別低12.5%和46.2%，鉀素吸收量分別低16.6%和28.5%，差異均顯著 (P＜ 0.05)。

黃泥田水稻氮肥利用率較灰泥田降低4.6個百分點，但氮素土壤殘留率增加3.0個百分點。

基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān) (P＜ 0.01)，而與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān) (P＜ 0.01)。土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤容重是影響基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率與產(chǎn)量構(gòu)成有效穗的重要肥力因子，應(yīng)通過持續(xù)培肥提高土壤有機(jī)質(zhì)含量與降低容重，進(jìn)而提升基礎(chǔ)地力。與灰泥田相比，黃泥田基礎(chǔ)地力水平有20%以上的產(chǎn)量提升潛力，其水稻氮磷鉀養(yǎng)分吸收累積能力也明顯低于灰泥田。