王 飛 林 誠 李清華 林新堅 余廣蘭

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江南冷浸田治理利用研究進展*

王 飛1林 誠1李清華1林新堅1余廣蘭2

(1. 福建省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所 福州 350013; 2. 福建省閩清縣土壤肥料技術站 閩清 350800)

冷浸田是我國江南地區(qū)主要的一類低產(chǎn)水田, 因其撂荒普遍, 但增產(chǎn)潛力巨大且自然生態(tài)條件優(yōu)越而受到關注。冷浸田形成是氣候、地形、水文、人為管理等綜合作用形成的結(jié)果。受常年地表水和地下水浸漬影響, 冷浸田土壤物理、化學和生物學性質(zhì)發(fā)生了系列變化, 呈現(xiàn)“冷、爛、毒、瘦”障礙特征, 如水土溫度低、土壤浸水容重低、亞鐵、有機酸及還原態(tài)硫等還原性物質(zhì)含量高、有機碳含量高但活性有機碳及有效養(yǎng)分缺乏或失衡、微生物區(qū)系少等。通過稻田潛育層與土壤還原性物質(zhì)、地下水位等指標可診斷冷浸田并可評價土壤質(zhì)量。冷浸田的治理利用包括工程措施、農(nóng)藝措施與生物措施等綜合技術, 涉及明溝暗管、適生品種、水旱輪作、壟畦耕作、平衡施肥與土壤改良劑等。除了傳統(tǒng)的水稻種植方式外, 因地制宜利用是提高冷浸田綜合生產(chǎn)能力的有效措施。在總結(jié)前人基礎上, 基于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展觀點, 展望了今后冷浸田治理利用的研究重點與對策建議, 包括研究不同漬水狀態(tài)與干濕交替下土壤結(jié)構(gòu)和土壤有機質(zhì)組分差異; 加強長期漬水狀態(tài)的冷浸田甲烷排放特征研究; 加強冷浸田潛育化過程厭氣性的微生物與其產(chǎn)生的相關酶的生態(tài)學過程研究, 強化微生物學調(diào)控改良冷浸田; 此外應針對不同生態(tài)類型與生產(chǎn)條件的冷浸田加強技術集成與政策扶持。

冷浸田 土壤改良 障礙因子 治理利用 可持續(xù)發(fā)展

隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程的加快, 我國耕地面積在剛性減少, 人地矛盾進一步加劇。受土地資源的約束, 當前依靠增加耕地面積來提高糧食總產(chǎn)的目標已不現(xiàn)實, 但通過提高糧食單產(chǎn)來提高糧食總產(chǎn)仍有較大潛力。耕地質(zhì)量是影響糧食單產(chǎn)水平的重要因素, 是良種、良法水平潛力發(fā)揮的基礎。然而, 我國單位面積耕地的產(chǎn)量差異較大, 約40%的耕地為中產(chǎn)田, 30%的耕地為低產(chǎn)田, 其中低產(chǎn)田存在障礙因子, 改良難度大, 在很大程度上制約了我國糧食持續(xù)增產(chǎn)[1]。江南冷浸田屬典型低產(chǎn)田, 因其分布廣泛、零散度高而撂荒嚴重, 但因其增產(chǎn)潛力巨大、自然生態(tài)條件優(yōu)越而日益受到關注。本文試圖從江南冷浸田概況、主要障礙因子、近年來主要改良與利用措施等方面進行總結(jié)剖析, 以期為冷浸田治理與綜合利用提供參考。

1 江南冷浸田概況

冷浸田是指長期受水浸漬, 造成“冷、爛、毒、瘦”為主要特征的一類水田。主要分布在山區(qū)丘陵谷地、平原湖沼低洼地以及山塘、水庫堤壩的下部等區(qū)域。江南冷浸田面積在200萬hm2以上, 以贛、湘、閩、云、貴、川、粵、桂等省(自治區(qū))面積較大, 浙、鄂、皖、蘇和臺灣等地也有分布[2]。

冷浸田的形成是氣候、地形、水文、人為管理等綜合作用形成的結(jié)果。從氣候條件來看, 南方各省份水資源豐富, 由于集水面積大, 降雨的地面水和豐富的地下水向洼地匯集; 從地形位置來看, 冷浸田多發(fā)生于南方山壟谷地, 地形起伏狹窄, 如福建山壟田開陽率(垅開闊度/垅相對高度)多小于5, 導致山高林蔭日蔽, 日照時數(shù)短, 水土溫度低[3-4]; 從水文特性與人為管理來看, 冷浸田多引山澗冷泉水灌溉, 或測滲水多, 地下水位高, 一般在50 cm以上, 甚至溢出地表淹灌稻田, 整個土壤還原作用占絕對優(yōu)勢, 加劇了鐵錳氧化物的還原淋溶, 導致土體糜爛, 結(jié)構(gòu)不良, 亞鐵、亞錳含量增加, 氧化還原電位明顯降低, 一般在150 mV以下, 土體剖面呈青灰色, 呈冷、爛、毒狀態(tài), 不利于植株生長發(fā)育[3]; 從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件來看, 冷浸田多分布于丘陵山區(qū), 耕地分散, 交通不便, 農(nóng)田基礎設施薄弱, 水層長年漫流串灌, 也有溝渠因年久失修, 造成溝渠堵塞, 造成次生潛育化?？傮w而言, 冷浸田障礙因子多, 農(nóng)田耕作粗放, 產(chǎn)量較低。據(jù)研究, 冷浸田水稻產(chǎn)量比一般稻田低1 500~2 250 kg·hm-2[5]。

冷浸田為習慣稱謂, 在中國土壤分類系統(tǒng)中屬于潛育性水稻土亞類, 在中國土壤系統(tǒng)分類中屬滯水潛育土或正常潛育土亞綱。根據(jù)形成條件和土體的不同, 《中國農(nóng)業(yè)土壤概論》將冷浸田分為爛泥田、冷水田、冷底田、毒田和高地冷浸田5類[6]。龔子同等[7]根據(jù)診斷層潛育層的位置、厚度和發(fā)育程度將潛育性水稻土劃分為全層潛育、上位潛育、下位潛育、犁底層潛育和中位潛育5個類型。近年來, 也有從治理利用角度, 根據(jù)冷浸田有無犁底層, 將無犁底層的冷浸田分為: 山垅爛泥田、低洼爛泥田和銹水爛泥田, 而有犁底層的冷浸田則初步分為低洼冷水田、鈣質(zhì)冷水田、泥質(zhì)冷水田、砂質(zhì)冷水田、礦毒冷水田等[8]。

2 江南冷浸田主要障礙因子

2.1 物理障礙因子

冷浸田常年漬水, 與灰泥田地下水位變化不同, 一是地下水位高, 二是地下水位波動平緩, 不如潴育性水稻田如灰泥田地下水位波動頻繁而呈現(xiàn)明顯的潴育層[9]。冷浸田類型中的冷水田因其具有較低的土溫也易引起植株生長障礙。據(jù)觀測, 山壟谷底6—10月水稻生育期日照總時數(shù)612.3 h, 比洋面田少217.6 h, 光照減少26.2%, 泉口冷水田水溫、土溫分別比洋面田低4.5~8.2 ℃和4.9~8.7 ℃[10]。對相似地形發(fā)育的冷浸田與非冷浸田監(jiān)測表明, 冷浸田單季稻生育期(6—10月)平均地表溫度、5 cm地溫、10 cm地溫和15 cm地溫分別比灰泥田低0.4 ℃、0.4 ℃、0.5 ℃和0.6 ℃, 尤其是9—10月的抽穗灌漿期地溫與灰泥田差異進一步加大。因而山壟冷浸田地下水位高并伴隨強還原性、較低的光合有效輻射與水稻生育后期地溫下降較快是區(qū)別于非冷浸田的重要生境特征[9]。為此提高環(huán)境土溫是冷浸田治理利用的一個切入點。

土壤結(jié)構(gòu)是維持土壤功能的基礎。冷浸田土體處于水飽和狀態(tài), 高強度潛育的土壤, 膠體吸水膨脹而高度失散, 形成糜爛無結(jié)構(gòu)土層, 如福建的深腳爛泥田類型, 爛泥層厚度超過30 cm, 有的可達100 cm[11]; 而一旦冷浸田在短時間內(nèi)排水落干, 土層黏韌堅硬, 龜裂時裂縫很寬, 再度復水則淀漿板結(jié), 成為僵塊, 導致水稻根系生長受阻、產(chǎn)量降低[7]。從機制而言, 由于常年漬水, 土壤金屬氧化物長期處于還原狀態(tài), 其不能作為膠結(jié)劑作用于土壤團聚體而導致土體糜爛[12]; 冷浸田土體糊爛無結(jié)構(gòu), 土壤常處于“發(fā)漿”狀態(tài), 導致其浸水容重較低[13]。另外, 由于冷浸田土壤在風干過程中, 皺縮明顯, 可能呈現(xiàn)非正常團聚化, 這為土壤團聚體研究造成了困難, 也有探討直接利用新鮮土樣對冷浸田土壤團聚體結(jié)構(gòu)進行分析[14]。

2.2 化學障礙因子

還原性物質(zhì)是冷浸田土壤的重要特征。據(jù)江南7省份調(diào)查, 冷浸田土壤亞鐵平均含量為1 437.08 mg·kg-1, 高產(chǎn)田亞鐵平均含量為814.38 mg·kg-1。冷浸田亞鐵含量明顯高于高產(chǎn)田[15]。福建典型冷浸田亞鐵平均含量較非冷浸田(灰泥田、黃泥田)提高177%[13]。陳娜等[16]研究表明, 土壤對水稻生長和微生物活性的亞鐵毒脅迫臨界濃度為300 mg·kg-1(含本底)。高濃度的Fe2+脅迫明顯抑制水稻地上部和根系的生長、降低下位葉片葉綠素含量。當介質(zhì)中Fe2+濃度過高時, 水稻植株體內(nèi)過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)和硝酸還原酶(NR)活性明顯受抑制, 然而低濃度Fe2+脅迫時, 上述酶活性反而提高。這可能是水稻抵御亞鐵毒害的一種適應性機制[17]。過量Fe脅迫也抑制了水稻地上部和根系生長及N、P、Mg的吸收, 促進了Cu的吸收。同時Fe脅迫也抑制了P、K、Mg和Zn等有效養(yǎng)分在根系與地上部間的分配, 破壞了養(yǎng)分的分配平衡, 加劇了Fe毒的發(fā)生[18]。此外, Fe2+對水稻生理活性的影響主要表現(xiàn)在分蘗期和抽穗期, 尤其是水稻分蘗期的葉片和根系更容易受到Fe2+的傷害[19]。除了亞鐵、亞錳等還原性礦物, 冷浸田的還原性有機酸主要有甲酸、乙酸, 其對籽粒產(chǎn)量的障礙貢獻要高于亞鐵而低于亞錳[20]。冷浸田土壤還原狀態(tài)下的硫(1 353.01 mg·kg-1)要遠遠超過高產(chǎn)水稻田土壤還原態(tài)硫的含量(380.68 mg·kg-1)[15], 導致土壤中S2-形成毒害性的硫化氫, 其一部分溢出土壤, 一部分溶在土壤和水土中[21]。謝曉梅等[22]研究表明, S2-濃度40 mg·kg-1(含本底)為導致土壤-水稻-土壤微生物系統(tǒng)受到顯著負效應的臨界值, 當供試土壤S2-含量超出該濃度時, 需采取合理的農(nóng)藝措施控制其負效應, 但相對亞鐵毒害而言, 冷浸田硫化氫對水稻生理毒害方面的研究甚少。

冷浸田土壤速效磷、速效鉀含量顯著低于非冷浸田土壤, 并由此導致水稻赤枯病的發(fā)生[23]。向萬勝等[24]對土壤P素的組分研究表明, 地下水位的變化能明顯影響土壤養(yǎng)分的有效性, 隨著地下水位的升高, 土壤有效氮和P含量下降。漬潛田土壤Fe-P和O-P含量也有隨地下水位的升高而下降的趨勢, 其含量亦顯著低于非漬潛田土壤, 因而導致土壤P素有效性的下降。冷浸田土壤P有效性低還表現(xiàn)在土壤對P的吸附能力較強。研究表明, 長期處于淹水狀態(tài)的稻-稻-冬泡土壤對P的吸持容量顯著大于稻-稻-冬綠和稻-稻-冬油處理, 施用有機肥和高地下水位處理也明顯增強土壤對P的吸持容量[25], 這可能意味著輪作有利于提高磷肥有效性, 而施有機肥與高地下水位降低了磷肥的有效性。冷浸田土壤有效養(yǎng)分較低還表現(xiàn)在中微量元素層面。研究結(jié)果表明, 紅壤丘崗區(qū)潛育性稻田中的冷浸田和爛泥田土壤有效硫含量相對較低, 這兩種類型潛育田存在潛在性缺硫問題, 故應注意硫肥的施用。潛育田土壤有效硅亦普遍低于非潛育田, 因而極有可能發(fā)生缺硅[26]。

有機質(zhì)是評價土壤肥力的一個重要指標。高有機質(zhì)含量通常被認為是生產(chǎn)力較高的土壤, 但冷浸田有別于此。冷浸田土壤有機質(zhì)含量高, 而表征活性有機碳的微生物生物量碳、可溶性有機碳含量明顯低于非冷浸田[13,27]。由此可見, 對冷浸田而言, 用活性有機碳組分來評價土壤肥力更能反映土壤質(zhì)量與改良利用效果。對冷浸田土壤腐殖質(zhì)組成的研究還表明, 潛育性水稻土的腐殖質(zhì)多以質(zhì)量較差的緊結(jié)合態(tài)為主, 而潴育性水稻土則多以質(zhì)量較好的松結(jié)合態(tài)和穩(wěn)結(jié)態(tài)為主; 潛育性水稻土中有機質(zhì)的C/N比多在12以上, 也較潴育性水稻土寬[7]。因而活化冷浸田有機質(zhì)是冷浸田改良的一個途徑。

2.3 生物障礙因子

伴隨著土壤還原性物質(zhì)的增加, 冷浸田土壤微生物也顯示獨特的性質(zhì)。據(jù)測定, 冷浸田土壤的細菌、放線菌和真菌數(shù)量明顯比一般稻田少, 特別是土壤中好氣性微生物的生理群減少, 自生固氮菌和纖維分解菌活性弱, 氨化強度低。因而使土壤有機質(zhì)積累大于礦化[28]。且與細菌相比, 冷浸田土壤真菌和放線菌更易受到土壤理化因子的影響[29]。對土壤酶活性而言, 研究表明潛育性水稻土脲酶的活性小于非潛育性水稻土, 而多酚氧化酶和鐵還原酶的活性則相反[30]。對福建省典型冷浸田與同一微地貌單元內(nèi)非冷浸田表層土壤的分析結(jié)果表明, 與非冷浸田相比, 冷浸田土壤總有機質(zhì)高31.7%, 過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶分別高58.3%和22.1%, 磷酸酶、硝酸還原酶分別降低47.8%和66.6%, 微生物區(qū)系數(shù)量降低29.8%~46.0%[13]。土壤線蟲的群落組成與生態(tài)指數(shù)一定程度上可反映土壤的健康狀況。對江南8省份冷浸田土壤線蟲調(diào)查表明, 冷浸田土壤密度為344條·(100g)-1(干土), 為非冷浸田土壤線蟲密度的48.04%[31]。這從動物角度顯示出冷浸田土壤的健康變化。

2.4 冷浸田診斷與質(zhì)量評價

按照診斷分類學的觀點, 潛育層是冷浸田的診斷層, 通常表現(xiàn)青灰色, 剖面構(gòu)型為Ag-G、A-G或A-(Ap)-G型[8]。基于冷浸田獨特的土壤物理、化學與生物學性質(zhì), 熊明彪等[5]研究認為, 活性還原物質(zhì)、亞鐵、Eh、地下水位、土色、土質(zhì)以及氧化鐵的活化度、游離度、潛育度可作為潛育化土壤的診斷指標; 王飛等[13]通過主成分分析并結(jié)合相關分析模型和專家經(jīng)驗法建立了包括C/N、細菌、微生物生物量氮、還原性物質(zhì)總量、物理性砂粒和全磷6項因子的福建山區(qū)冷浸田土壤質(zhì)量評價因子最小數(shù)據(jù)集。也有研究表明亞熱帶地區(qū)潛育化水稻土(冷浸田)土壤質(zhì)量評價的最小數(shù)據(jù)集為速效鉀、全氮、微生物量碳、總細菌、β-葡萄苷酶和菌根真菌, 在此基礎上得到的土壤質(zhì)量指數(shù)與水稻產(chǎn)量顯著正相關[32]。由于其上述評價因子涵蓋了冷浸田土壤物理、化學與生物指標, 可以用于評價冷浸田農(nóng)田管理措施效果的好壞, 也可預警土壤潛育化, 但也顯示出不同區(qū)域尺度的冷浸田由于土壤性質(zhì)與利用方式不同而可能導致質(zhì)量評價因子選擇存在差異。另外, 由于土壤微生物對冷浸田土壤質(zhì)量變化較為敏感, 基于其評價因子指標的分等定級尚無科學標準。此外, 將冷浸田質(zhì)量評價結(jié)果與地理信息系統(tǒng)(GIS)技術相結(jié)合, 以落實到具體地塊從而指導改良生產(chǎn)也是今后冷浸田質(zhì)量評價的方向。

3 江南冷浸田改良利用措施

冷浸田增產(chǎn)潛力巨大, 據(jù)測算, 通過綜合措施, 每666.7 m2稻田每年可增產(chǎn)稻谷100 kg, 全國400萬hm2稻田可增產(chǎn)稻谷600萬t[7]。綜合冷浸田治理利用經(jīng)驗, 可以從工程措施、農(nóng)藝措施、生物措施等方面進行綜合攻關。

3.1 工程措施

開溝與埋暗管排水是冷浸田治理的根本措施。工程排水可以顯著降低土壤還原物質(zhì)總量, 提高土壤陽離子交換量、速效磷、土壤全氮含量[33]。實踐證明, 開“四溝”(即截洪溝、排泉溝、排水溝、灌溉溝)、排“四水”(即山洪水、冷泉水、毒銹水、串灌水)能起到洪水不進田、肥水不出田、冷泉引出田、毒質(zhì)排出田的明顯效果[11,34]。皖南山區(qū)通過開溝降潛, 地下水位埋深由38 cm降至56 cm, 19~43 cm土層中, 銹紋銹斑增加, 土壤養(yǎng)分狀況明顯改善[35]。浙江慶元縣采用多孔塑料波紋暗管排水改造山區(qū)冷浸田, 耕層土壤降漬, 水、土溫度升高, 理化性狀得到改善, 單季雜交稻產(chǎn)量比未改造對照增產(chǎn)47.3%, 純利收回改造成本的37.4%[36]。福建山區(qū)冷浸田采用石砌深窄溝工程改造冷浸田, 取得明顯成效。據(jù)測定, 采用石砌深窄溝排水工程后第3年, 能有效降低30~ 50 cm地下水位的效果[23]。這些深窄溝經(jīng)過30年的連續(xù)排水, 仍然發(fā)揮重要作用, 據(jù)測定, 距溝75 m (CK)、25 m、15 m、5 m的冷浸田的土壤類型逐漸呈現(xiàn)由深腳爛泥田→淺腳爛泥田→青泥田→青底灰泥田的方向演變, 且距溝越近, 耕層土壤還原性物質(zhì)則越低, 而堿解氮、速效磷與速效鉀含量則越高, 脲酶、酸性磷酸酶與硝酸還原酶活性也越高[37-38]。同時, 結(jié)果還表明距排水溝不同距離處的真菌數(shù)量具有顯著性差異, 距排水溝25 m處的細菌多樣性最高, 距5 m處真菌多樣性最高。特定生境下的冷浸田土壤微生物多樣性演化差異明顯。TGGE指紋圖譜表明, 隨著離溝距離的增加, 表征細菌的某些類群的TGGE條帶逐漸減弱, 表示好氧菌在逐漸減少, 而表征厭氧菌的條帶逐漸增強, 表明距溝75 m處的細菌屬于厭氧和微好氧細菌。而離排水溝最近的采樣點真菌條帶最豐富, 但隨后急劇減少或者亮度急劇減弱, 表明排水對真菌的影響比較大[39]。此外, 濕地農(nóng)田采取開“三溝”(主溝、支溝和廂溝)配套排水, 能加速排除田間漬水, 降低地下水位, 改善土壤通透性, 增加土壤養(yǎng)分, 促進水稻生長發(fā)育, 增加稻谷產(chǎn)量[40]。工程措施雖可治本, 但對于偏遠山區(qū), 在缺乏資金投入和加速提升冷浸田改造質(zhì)量情況下, 應該重視農(nóng)藝措施與生物措施的應用。

3.2 農(nóng)藝措施

增施磷、鉀肥是提高冷浸田生產(chǎn)力的關鍵措施。潛育化土壤施用磷肥的效果極為明顯, 增產(chǎn)率可達8%~20%[41]。施用鉀肥能明顯改善低湖田潛育化土壤的氧化還原性狀, 土壤還原物質(zhì)總量、活性還原物質(zhì)含量及Fe2+含量均比對照明顯降低, 因而減輕了土壤中亞鐵等還原性物質(zhì)對水稻的毒害, 水稻產(chǎn)量提高[42]。李清華等[43]研究表明, 施鉀肥能促進植株體內(nèi)K的吸收和抑制根系對Fe的累積, 在水稻分蘗期、孕穗期與成熟期, 根系Fe含量均有不同程度地降低, 增施鉀肥是發(fā)揮冷浸田生產(chǎn)潛力的有效措施。研究認為鄂東南低山區(qū)冷浸田速效磷、速效鉀含量低, 該地區(qū)冷浸田適宜施肥量為N 180 kg·hm-2、P2O590~108 kg·hm-2、K2O 120~144 kg·hm-2[44]。皖南山區(qū)冷浸田水稻施P以75 kg·hm-2為佳, 可保證水稻各生育期適宜P素累積量, 增加分蘗數(shù)和穗實粒數(shù), 提高水稻產(chǎn)量, 且施用鈣鎂磷肥效果優(yōu)于施用過磷酸鈣[45]。徐培智等[46]通過3414回歸最優(yōu)設計肥效試驗, 建議推薦水稻每666.7 m2施肥量為氮肥11~13 kg, 磷肥3~4 kg, 鉀肥8~11 kg。此外, 施用適量中、微量元素肥料也是提升冷浸田水稻產(chǎn)量的重要措施。適量的Ca2+供應能提高植物體內(nèi)超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性或使之保持在較高水平, 并使丙二醛含量維持在較低水平。另外, Ca2+能較好地提高粳稻對過量Fe2+脅迫的耐性, 增強了植株活性氧清除能力和對生物膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用[47]。這預示著含鈣質(zhì)的礦物在改良冷浸田方面潛力較大。冷浸田增施鋅肥的效果要優(yōu)于硫肥, 硫酸鋅的效果要優(yōu)于氧化鋅, 且增施鋅肥提高了氮、磷、鉀肥料利用率[48]。

在冷浸田耕作改良方面, 相比常規(guī)平作而言, 壟作模式能顯著促進大團聚體的形成, 提高土壤溫度, 抑制水稻分蘗期后土壤亞鐵含量的上升, 減輕其對水稻根系的毒害作用, 提高土壤酶活性, 增加土壤速效養(yǎng)分含量。稻魚共作模式對冷浸田土壤理化性狀影響不顯著, 但能顯著增加土壤速效養(yǎng)分含量, 促進水稻生長發(fā)育, 提高水稻產(chǎn)量[49]。起壟60 d后, 土壤Fe2+含量隨著起壟高度增加而逐漸降低[50]。熊又升等[51]研究表明, 冷浸田合適的免耕起壟高度為15 cm。工程排水與壟作相結(jié)合效果最明顯, 每季增產(chǎn)可達1.11~1.89 t·hm-2[33]。另外, 起壟栽培結(jié)合濕潤灌溉方式是適合冷浸田早稻增產(chǎn)的農(nóng)水管理措施[52]。

對潛育化程度較輕的冷浸田, 采用水旱輪作是有效提升生產(chǎn)力的措施。向萬勝等[53]研究認為中輕度潛育化水稻土經(jīng)過水旱輪作后, 土壤體積質(zhì)量、通氣孔隙增加。青泥田采用玉米-水稻、油菜-水稻、蠶豆-水稻輪作模式的水稻收獲期土壤銹紋銹斑豐度明顯, 各輪作模式下的耕層土壤水穩(wěn)性大團聚體(>2 mm)數(shù)量均較CK有不同程度降低, 而微團聚體(<0.25 mm)數(shù)量則相反; 各輪作模式的土壤活性還原性物質(zhì)含量逐漸下降, 而速效養(yǎng)分含量呈上升趨勢, 土壤微生物生物量碳、氮、磷均得到不同程度增加, 土壤理化生化性狀得到改善, 表現(xiàn)出脫潛特征, 且輪作對提高作物總產(chǎn)量和經(jīng)濟效益效果顯著[54-55]。

一些改良劑有助于改善冷浸田理化性狀, 提高生產(chǎn)力。在強還原性土壤上施用過氧化物釋氧物能明顯改善土壤的氧化還原條件, 減輕Fe2+等還原物質(zhì)對水稻的毒害, 從而有利于水稻的正常生長發(fā)育, 提高產(chǎn)量[56]。通過過氧化物等措施使根際增氧的響應大致表現(xiàn)為根系孔隙度下降、齊穗期根體積增大、根系活力提高; 前期分蘗數(shù)增加較快, 有效穗多; 葉片葉綠素含量在齊穗后下降較慢, 劍葉超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性較高, 丙二醛含量較低; 齊穗后葉片光合作用對穗部干物質(zhì)積累貢獻大[57]。施用生物質(zhì)焦能夠提高冷浸田早期土溫, 促進水稻的生長發(fā)育, 產(chǎn)量比對照增加8.7%~14.8%[58]。在干濕交替條件下, 粉煤灰和混合改良劑(粉煤灰+生物炭+聚丙烯酰胺)對2種類型冷浸田土壤大團聚體形成均表現(xiàn)促進作用[12]。石灰和秸稈混合施用不僅顯著提高土壤Eh, 而且降低土壤活性還原性物質(zhì)和Fe含量, 并達到顯著增產(chǎn)的效果[59]; 與純施化肥相比, 冷浸田中配施20%生物有機肥(以Ｎ計), 能夠提升土壤養(yǎng)分, 使土壤活性有機質(zhì)增加11.9%, 產(chǎn)量提高6.6%[60]?；跓晒舛縋CR技術表明, 雞糞堆肥可提高冷浸田氨氧化細菌與古菌豐度, 并有助于提高氮肥有效性[61]。米糠對冷浸田土壤亞鐵量有較好的消減作用, 利于提高水稻產(chǎn)量, 可以作為改良劑[62]。但有機肥施用是否進一步促進還原性物質(zhì)的形成, 還是能起到“起爆效應”, 還有待進一步研究。

3.3 生物措施

篩選耐潛育性的水稻品種, 可以在工程措施尚不能實施條件下起到較好的替代種植作用。各地的氣候、土壤條件差異較大, 在水稻品種的選擇上, 各地均有適宜的品種。一般而言, 秈稻比粳稻和糯稻更能適應冷浸田的環(huán)境[63]。在湖南寧鄉(xiāng)縣、桃源縣、永興縣3地水稻品種篩選結(jié)果表明, 早稻以‘陸兩優(yōu)996’和‘陵兩優(yōu)211’表現(xiàn)較好, 晚稻以‘錢優(yōu)1號’、‘天優(yōu)華占’和‘豐源優(yōu)299’表現(xiàn)較好[64]。在荊江南北的潛育性稻田上, 一般認為雜交水稻的適應性較強, 水稻品種有‘湘早秈’、‘汕優(yōu)63’、‘威優(yōu)64’等, 油菜有‘秦雜2號’、‘中油82’[65]。而對潛育性水稻品種評價方面, 通過水培試驗, 明確了Fe2+120 mg·kg-1為鑒別水稻品種耐性差異的適宜亞鐵濃度, 并提出可將苗高、根系生長量、根系氧化力、干物質(zhì)產(chǎn)量作為水稻品種耐亞鐵的鑒定指標[66]。李達模等[67]提出了耐潛育性的幾個指標, 包括根系生長量和幼穗分化期根系氧化力, 分蘗早期莖蘗增長速率, 分蘗后期單株干物質(zhì)產(chǎn)量, 乳熟期劍葉過氧化氫酶活性、潛育受害指數(shù)和光合強度等。以此為標準, 篩選出耐潛育性強的‘威優(yōu)49’雜交品種。

3.4 其他利用方式

除了傳統(tǒng)的水稻種植方式外, 因地制宜利用是提高冷浸田綜合生產(chǎn)力的有效措施。趙美芝等[65]提出不同潛育化程度水稻土的利用方式, 如針對重潛育化土壤, 提出退田還湖、發(fā)展水生作物、壟稻溝魚等利用模式, 對于中等潛育化土壤, 提出變傳統(tǒng)的稻-稻種植為水旱輪作。稻魚共作模式對冷浸田土壤理化性狀影響不顯著, 但能顯著增加土壤速效養(yǎng)分含量, 促進水稻生長發(fā)育, 提高水稻產(chǎn)量[49]。

4 展望

我國現(xiàn)有低產(chǎn)水稻土面積超過1.15億hm2, 若將現(xiàn)有低產(chǎn)水稻土每666.7 m2產(chǎn)量由平均300~400 kg增加到400~500 kg, 則能夠新增100億kg糧食, 對保障我國新增500億kg糧食目標的實現(xiàn)意義重大[68]。與一般中低產(chǎn)田不同, 冷浸田土壤有機質(zhì)含量高, 施肥增產(chǎn)效應明顯高于非冷浸田[69], 增產(chǎn)潛力巨大。研究改良利用冷浸田, 可以高效利用有限的耕地資源, 對保障國家糧食安全、食品質(zhì)量安全與生態(tài)環(huán)境安全具有深遠的意義。近年來各級政府部門也加大了耕地質(zhì)量保護與提升建設力度, 但由于各部門的農(nóng)田基礎設施建設項目主要集中在洋面田實施, 有些田塊多個部門重復建設, 而山壟田(其中相當部分為冷浸田)的農(nóng)田建設長期投入不足, 改造標準不高, 經(jīng)濟效益差, 影響了農(nóng)民耕作積極性, 另外土地流轉(zhuǎn)和經(jīng)營未理順, 以及對冷浸田改造利用模式技術集成度不夠等問題, 也是造成江南冷浸田面積仍然較大以及拋荒的重要原因。為此, 今后冷浸田的改造與利用在以下幾方面有待進一步加強。

1)在基礎與應用基礎研究方面: 首先, 研究不同漬水狀態(tài)與干濕交替下土壤結(jié)構(gòu)和土壤有機質(zhì)組分差異, 從理論上深入理解有機質(zhì)質(zhì)量對土壤結(jié)構(gòu)、團聚體形成的貢獻; 其二, 加強長期漬水狀態(tài)的冷浸田甲烷排放特征研究, 有助于加深對冷浸田農(nóng)田碳循環(huán)的認識; 其三, 加強冷浸田潛育化過程厭氣性的微生物與其產(chǎn)生的相關酶的生態(tài)學過程研究, 包括有機質(zhì)的累積與轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分的分解與吸附、土壤團聚體的形成與破壞, 加強微生物學調(diào)控冷浸田改良研究。

2)在集成技術模式方面: 隨著人們對冷浸田生態(tài)功能的認識逐漸加深與我國生態(tài)文明建設的推進, 對冷浸田治理利用應樹立大糧食的理念, 結(jié)合農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整, 水資源的合理利用, 因地制宜地應用工程技術、農(nóng)業(yè)技術、生物技術, 建立適宜區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的集成模式。針對不同生態(tài)類型與生產(chǎn)條件的冷浸田, 應重點加強以下集成模式應用研究: ①沿湖低洼區(qū)冷浸田漬害治理與作物高產(chǎn)高效生產(chǎn)模式, 適用對象為有一定水利基礎的冷浸田, 集成工程措施、適生品種、耕作輪作、平衡施肥、土壤改良劑等技術, 以建設高標準農(nóng)田、作物高產(chǎn)高效為目標; ②丘陵山區(qū)冷浸田綠色(有機)稻米生產(chǎn)模式, 適用對象為農(nóng)田基礎設施較差, 排水條件薄弱、自然環(huán)境優(yōu)越的冷浸田, 集成簡易開溝、適生品種、生態(tài)防控、磷鉀養(yǎng)分平衡、壟畦栽培等技術, 以生態(tài)高值大米、稻經(jīng)輪作為目標; ③冷浸田水生作物生態(tài)高值模式集成技術研究, 適用對象為農(nóng)田設施差, 排漬不良, 種植作物有區(qū)域特色的冷浸田, 以發(fā)展蓮藕(籽)、茭白等水生作物, 推廣發(fā)展稻-萍-魚或稻-魚等模式, 集成作物施肥、水分管理、病蟲害管理等技術, 以提高經(jīng)濟效益與生態(tài)效益為目標。

3)在政策扶持方面: 冷浸田治理利用是一項系統(tǒng)工程, 涉及水利工程與農(nóng)業(yè)技術、政策支持與管理措施, 需要農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)、國土、水利、經(jīng)營主體等部門協(xié)調(diào)配合、整合力量。其一, 各級政府部門需要統(tǒng)籌各類農(nóng)田基礎建設資金, 將7 hm2以上冷浸田列入國家和地方農(nóng)田基礎設施建設項目, 加大投入, 建設補助標準應高于非冷浸田, 充分發(fā)揮農(nóng)田建設資金功效; 其二, 出臺引導和扶持工商企業(yè)、專業(yè)合作社、種植大戶對冷浸田進行流轉(zhuǎn)、租賃等治理利用相關政策, 以發(fā)揮冷浸田治理與利用規(guī)模效益; 其三, 成立冷浸田治理利用專項資金, 加強引導, 將工程建設與農(nóng)藝技術、生物技術有機結(jié)合起來, 協(xié)同攻關, 充分提高冷浸田農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和生態(tài)功能; 其四, 冷浸田類型多樣, 應制定不同冷浸田改造利用類型與對應的等級標準, 這些標準應涵蓋土壤地力、設施及機械化耕作等保障條件、生態(tài)與社會經(jīng)濟效益等指標, 從而為冷浸田改良效果及質(zhì)量評價提供依據(jù)。

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A review on improvement and utilization of southern cold-waterlogged paddy fields in China*

WANG Fei1, LIN Cheng1, LI Qinghua1, LIN Xinjian1, YU Guanglan2

(1. Institute of Soil and Fertilizer, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013, China; 2. Soil and Fertilizer Technology Station of Minqing, Minqing 350800, China)

Cold-waterlogged (CW) paddy fields are the main low-yield paddy fields in South China. CW paddy fields have attracted close attention as they belong to common derelict lands with huge potential for crop productivity and good ecological conditions. CW paddy fields are the products of the complex interaction of climate, topography, hydrology and anthropogenic activity. Influenced by years of surface water and groundwater dip, soil physicochemical and biological properties of CW paddy fields have shown huge variations in the degree of coldness, rottenness, toxicity and infertility. CW paddy fields have low-temperature waters, soils and immersed bulk density, excessive reducing substances and soil organic carbon, but also low active organic carbon, microflora and available nutrients or unbalanced nutrients. Soil quality of CW paddy fields can be diagnosed and assessed by gley horizons, soil reducing substances and groundwater levels. This study summarized the integrated management and utilization of CW paddy fields, including engineering, agronomic and biological measures. This included open ditch and hidden drainage tubes, suitable rice varieties, paddy-upland crop rotation, ridge cultivation, balanced fertilization, soil conditioning, etc. In addition to traditional rice cultivation, it was an effective measure to comprehensively improve production capacity by adapting local conditions to the utilization of CW paddy fields. Finally, there was clear need to put future research emphasis on the administration and utilization of CW paddy fields based on sustainable agricultural development. This include 1) studying the differences in soil structure and the composition of organic matter under different gleyic states and the alternation of drying and wetting; 2) Strengthening research on methane emission characteristics under long-term gleyic state in CW paddy fields; 3) Strengthening research on ecological processes of anaerobic microbes and production enzymes and regulating and improving CW paddy fields using micro-organisms; 4) There was also need to strengthen technological integration and policy support based on different ecological types and production conditions in CW paddy fields.

Cold-waterlogged paddy field; Soil amendment; Obstruction factor; Improvement and utilization; Sustainable development

10.13930/j.cnki.cjea.160406

S156.8

A

1671-3990(2016)09-1151-10

2016-05-02 接受日期: 2016-05-16

* 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201003059)和省屬公益類科研院所科研專項(2016R1021-2)資助

王飛, 主要從事土壤資源評價與持續(xù)利用研究工作。E-mail: fjwangfei@163.com

* This work was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201003059) and the Special Scientific Research Program for Provincial Public Welfare Institution of China (2016R1021-2).

Corresponding author, WANG Fei, E-mail: fjwangfei@163.com

May 2, 2016; accepted May 16, 2016