不同還原物料及土壤改良劑對冬水田水稻生長、養(yǎng)分吸收和土壤性狀的影響

陳 琨，康思文，武法池，秦魚生，喻 華，鐘習兵，涂仕華*

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，四川 成都 610066；2.四川農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，四川 溫江 611130；3.農(nóng)業(yè)部南方坡耕地植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，四川 成都 610066；4.瀘縣農(nóng)林局，四川 瀘縣 646106)

冬水田即夏季種稻、冬季淹水/蓄水為來年水稻栽插提供自給水源的冬閑田，廣泛分布在我國西南地區(qū)，四川盆周山地區(qū)約有125萬hm2[1-3]。這類稻田土壤冷浸，通氣性差，土體結(jié)構(gòu)不良，還原性強，常累積有毒有害物質(zhì)，土壤水、肥、氣、熱的協(xié)調(diào)能力差，部分有效養(yǎng)分缺乏，常常誘發(fā)水稻坐蔸，導致水稻減產(chǎn)10%～20%，嚴重時高達50%以上[4-5]。如果解決了其制約因素，冬水田增產(chǎn)潛力將會進一步提高。因此，開展冬水田水稻坐蔸成因研究，探索防治坐蔸發(fā)生的措施與途徑，提高冬水田水稻產(chǎn)量，對保障糧食安全、農(nóng)民增產(chǎn)增收和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。厭氧條件下的還原過程是重要的土壤化學過程之一，涉及多種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、電子轉(zhuǎn)移和還原物質(zhì)積累，深刻影響土壤的性質(zhì)和肥力[6]。有機質(zhì)是土壤中的主要電子供體，它可提供本身分解的還原性物質(zhì)，對還原性物質(zhì)的數(shù)量有直接影響。還原性物質(zhì)的性質(zhì)和數(shù)量引起了一系列的土壤物理化學性質(zhì)的變化，這些變化主要包括：土壤的氧化還原電位(Eh)、pH值、比電導和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，變化的結(jié)果將直接或間接地影響到土壤的肥力性質(zhì)[7]。隨著土壤性質(zhì)的變化，長期淹水土壤中大量還原性物質(zhì)累積，這些還原物質(zhì)包括秸稈分解產(chǎn)生的有害物質(zhì)以及土壤中的Fe2+、Mn2+、S2-等離子[8-9]，從而影響水稻正常生長，最終導致減產(chǎn)。一般認為，土壤強還原性是潛育型水稻土水稻低產(chǎn)的主因，但造成和加強土壤還原性的因素和條件很多，為探究是什么物質(zhì)導致了水稻生長不良而坐蔸，從而找到解決該區(qū)水稻坐蔸的技術(shù)措施,在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究采用盆栽試驗，模擬冬水田長期漬水狀況，研究3種還原物料(稻草粉、硫酸亞鐵和白糖)以及4種土壤改良劑對兩個水稻品種生長的影響，探明水稻坐蔸的成因，為四川冬水田區(qū)防治水稻坐蔸提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試土壤

供試土壤采自四川省瀘縣福集鎮(zhèn)水竹林村的冬水田0～20 cm耕層，土壤是由紫紅色砂、頁巖發(fā)育而成的暗紫泥水稻土。土樣經(jīng)去除植物殘體，風干、用木槌碎化混勻后供水稻盆栽試驗用。土壤基礎(chǔ)分析樣品研磨過1 mm尼龍篩。土壤基本理化性質(zhì)分析采用以下方法：土壤pH值用pHS-4C+型精密pH計測定，有機質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法，堿解氮用堿解擴散法，有效磷用Olsen法，有效鉀用2 mol·L-1HNO3浸提-火焰光度法，有效鋅用0.1 mol·L-1HCl浸提-石墨爐原子吸收分光光度法測定，交換性鈣、鎂用1 mol·L-1乙酸銨浸提-石墨爐原子吸收分光光度法測定。供試土壤的基本化學性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的基本化學性質(zhì)

注：*式中的M指Ca或Mg。

1.1.2 供試作物

供試作物品種為水稻川香優(yōu)9838和川谷優(yōu)7329。

1.1.3 供試肥料及添加物質(zhì)

供試肥料：氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為磷酸一銨(P2O544%，N 11%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)。試驗處理所用的物質(zhì)包括稻草粉、白糖、硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)、硫酸鎂(MgSO4·7H2O)、硼砂(NaB4O7·10H2O)、硅鈣肥、石灰[Ca(OH)2]、硫酸鋅(ZnSO4·7H2O)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)12個處理，分別為(1)稻草粉0 g·kg-1(CK)；(2)稻草粉5 g·kg-1(稻草5)；(3)稻草粉10 g·kg-1(稻草10)；(4)稻草粉20 g·kg-1(稻草20)；(5)稻草粉20 g·kg-1+硅鈣肥0.33 g·kg-1(稻草20+Si)；(6)稻草粉20 g·kg-1+石灰0.33 g·kg-1(稻草20+石灰)；(7)稻草粉20 g·kg-1+硫酸鎂0.04 g·kg-1(稻草20+Mg)；(8)稻草粉20 g·kg-1+硼砂0.025 g·kg-1(稻草20+B)；(9)硫酸亞鐵0.25 g·kg-1(Fe2+0.05)；(10)硫酸亞鐵0.5 g·kg-1(Fe2+0.1)；(11)白糖2 g·kg-1(白糖2)；(12)白糖5 g·kg-1(白糖5)。每個處理重復5次。每盆的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)和鋅(Zn)肥用量分別為1.6、1.2、1.2和0.07 g。由于供試土壤為強酸性并且缺鈣，施用石灰適度降低土壤酸性，中和秸稈分解產(chǎn)生的有機酸并補充水稻鈣營養(yǎng)，用量設(shè)為750 kg·hm-2；鎂具有解毒作用，用量設(shè)為90 kg·hm-2；硼砂的用量設(shè)為52 kg·hm-2。所有物料均作底肥一次施用。具體處理方式和處理編碼見表2。

表2 試驗設(shè)計

續(xù)表

稱取8 kg風干土樣于盆缽中，根據(jù)試驗設(shè)計分別稱取相應的肥料及添加物質(zhì)，均勻混入土中。灌水并保持盆缽土面有一定淹水層，兩天后每盆移栽4株秧苗，每個品種各移栽2株。

1.3 調(diào)查采樣與測定方法

在水稻生長過程中，分別在移栽后4、21、30、41、63、85、112～128 d(收獲期)定期調(diào)查水稻分蘗動態(tài)，用便攜式pH計現(xiàn)場測定土壤pH值和Eh值，采集盆中土壤淹水層水樣并測定水溶液中的Fe、Mn含量，記錄水稻齊穗、成熟時間。收獲后測定水稻株高、有效穗數(shù)、穗長、千粒重、籽粒和秸稈生物量等。用于測定養(yǎng)分的水稻籽粒和秸稈樣品，烘干后用不銹鋼粉碎機制樣，混勻備用。水稻籽粒和秸稈樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮定容后，用半微量凱氏定氮法測定全氮含量，用釩鉬黃比色法測定全磷含量，用火焰光度法測定全鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和DPS 6.55進行有關(guān)數(shù)據(jù)的計算、統(tǒng)計和處理。差異顯著性水平(P<0.05)通過最小顯著法(LSD)進行檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對水稻分蘗動態(tài)變化的影響

不同處理水稻分蘗動態(tài)變化如圖1。在不同稻草粉用量下，兩個水稻品種的分蘗動態(tài)趨勢基本一致，隨著稻草粉用量增加，水稻分蘗數(shù)下降，即對照>稻草粉5>稻草粉10>稻草粉20(圖1A、B)。在20 g·kg-1稻草粉的基礎(chǔ)上分別添加硅鈣肥、石灰、硫酸鎂和硼砂，水稻分蘗數(shù)未出現(xiàn)顯著增加的現(xiàn)象，而是到水稻生長中后期石灰、硼砂處理對其有效穗增加有一定作用(圖1C、D)。硫酸亞鐵，無論用量高、低，對川香優(yōu)9838生長沒有影響，在生長后期對有效穗的形成還有一定促進作用；但在整個生育期中對川谷優(yōu)7329的生長都產(chǎn)生明顯抑制作用(圖1E、F)。兩個白糖用量處理對兩個品種的水稻生長都有顯著的抑制作用，為對照>白糖2>白糖5；對川香優(yōu)9838的抑制作用明顯小于川谷優(yōu)7329，特別是在中后期(圖1G、H)。綜合來看，對兩個品種水稻生長影響最大的物質(zhì)是高量稻草粉20 g·kg-1和高量白糖5 g·kg-1處理，添加石灰和硼砂對水稻中后期生長有一定緩解作用，特別是硼。

2.2 不同處理對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子和生物產(chǎn)量的影響

表3的結(jié)果表明，兩個水稻品種株高都是先隨稻草粉用量的增加而增加，在10 g·kg-1用量時到達最高值，隨后下降。川香優(yōu)9838稻草+B處理株高最高，與稻草+Si處理的株高相近，川谷優(yōu)7329稻草+Si處理株高最高，均是對照處理的株高最低，而其他處理對水稻株高的影響沒有一定規(guī)律性。兩個水稻品種的有效穗數(shù)都隨稻草粉和白糖用量的增加而顯著降低。兩個硫酸亞鐵用量對川香優(yōu)9838的有效穗沒有影響，川谷優(yōu)7329的有效穗隨硫酸亞鐵增加而顯著降低；在不同用量稻草粉影響下，水稻千粒重在10 g·kg-1用量時到達最高，其他用量處理與對照相當，10 g·kg-1稻草粉處理對川谷優(yōu)7329千粒重的影響要優(yōu)于川香優(yōu)9838。不同養(yǎng)分的增減和改良劑添加處理對川香優(yōu)9838千粒重有較小的促進作用。對川香優(yōu)9838來說，低用量的硫酸亞鐵和白糖處理能增加千粒重；而高用量的硫酸亞鐵和白糖處理卻提高了川谷優(yōu)7329的千粒重。

從兩個品種的生物產(chǎn)量來看，川香優(yōu)9838籽粒干重隨稻草粉用量增加呈先升后降的趨勢，在5、10 g·kg-1用量時有一定的增加，在20 g·kg-1用量時降至41.9 g·盆-1。在20 g·kg-1用量基礎(chǔ)上添加改良劑，其生物產(chǎn)量較稻草粉20 g·kg-1處理均有所增加，表明改良劑對緩解稻草分解導致土壤中還原物質(zhì)增多有一定作用，其中石灰和硼砂處理效果最佳。川香優(yōu)9838籽粒干重在兩個硫酸亞鐵處理下并未出現(xiàn)減產(chǎn)，較對照均有所增加，且隨著硫酸亞鐵用量增加而增加。川香優(yōu)9838籽粒干重在兩個白糖處理下也并未出現(xiàn)減產(chǎn)，較對照均有所增加，隨著白糖用量增加而產(chǎn)量有所減少；川谷優(yōu)7329籽粒干重隨稻草粉用量的增加而呈逐漸下降，在20 g·kg-1用量時降至最低(37.2 g·盆-1)，表明高量稻草粉分解所產(chǎn)生的還原物質(zhì)對其影響最大。在20 g·kg-1用量基礎(chǔ)上添加改良劑，其生物產(chǎn)量較稻草粉20 g·kg-1處理均有所增加，表明改良劑有一定緩解作用，其中石灰和硼砂處理效果最佳。而川谷優(yōu)7329籽粒干重在硫酸亞鐵和白糖處理上與川香優(yōu)9838表現(xiàn)基本相當，均未出現(xiàn)減產(chǎn)，較對照有所增加。

圖1 不同處理水稻分蘗數(shù)的動態(tài)變化注：不同小寫字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。

表3 不同處理對水稻農(nóng)藝性狀的影響

注：不同小寫字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。下同。

2.3 不同處理對水稻營養(yǎng)元素吸收的影響

表4顯示了不同處理對水稻氮、磷和鉀吸收量的影響。對川香優(yōu)9838而言，隨稻草粉用量增加，秸稈氮呈逐漸下降趨勢，但籽粒氮均較對照有所增加。在稻草粉20 g·kg-1處理基礎(chǔ)上添加改良劑，對于秸稈和籽粒氮素吸收無顯著作用。硫酸亞鐵處理對秸稈和籽粒氮素吸收與對照相當。白糖處理對提高籽粒氮素吸收作用顯著；隨稻草粉用量增加，秸稈磷呈逐漸下降趨勢，籽粒磷呈先增后減趨勢。在稻草粉20 g·kg-1處理基礎(chǔ)上添加改良劑，其中石灰和硼砂處理可提高籽粒磷素吸收；隨稻草粉用量增加，秸稈和籽粒鉀呈先增后減趨勢，其他處理與磷素吸收規(guī)律基本一致。

對川香優(yōu)7329而言，隨稻草粉用量增加，秸稈和籽粒氮均呈逐漸下降趨勢。改良劑處理中，石灰和硼砂處理分別較稻草粉20 g·kg-1處理提高籽粒氮素吸收量18.72%、22.30%。而硫酸亞鐵處理和白糖處理較對照而言，植株氮素吸收無顯著變化。對于植株磷、鉀吸收的規(guī)律與氮素基本一致。

表4 不同處理對水稻氮、磷和鉀吸收量的影響 (mg·盆-1)

2.4 不同處理對土壤表層溶液中Fe2+、Mn2+的影響

土壤的還原性物質(zhì)主要有活性還原性物質(zhì)、Fe2+、Mn2+和活性有機還原性物質(zhì)等幾種，對于復雜的還原物質(zhì)組成，鐵、錳消長的變化是主要的[10]。為比較幾種還原物料對土壤溶液中Fe2+、Mn2+的影響，本文采集稻草粉、硫酸亞鐵和白糖處理土壤表層溶液，測定其Fe2+、Mn2+含量，分析其變化趨勢(表5)。

表5 不同處理對土壤表層溶液中Fe2+、Mn2+的影響 (mg·L-1)

隨著稻草粉用量增加，不同時期土壤表層溶液中Fe2+、Mn2+均逐漸增加，表明稻草粉分解對土壤中還原性物質(zhì)的數(shù)量有直接影響。從兩個硫酸亞鐵處理來看，直接在土壤中添加硫酸亞鐵，不同時期下并未使土壤中Fe2+增加，對土壤中Mn2+增加也不明顯，基本和對照相當。從兩個白糖處理來看，隨著白糖用量的增加，不同時期土壤表層溶液中Fe2+、Mn2+都有所增加，但作用稍弱于稻草粉處理，特別是在水稻生長后期，其對土壤中Fe2+、Mn2+的影響已經(jīng)很小了。3種還原物料對土壤表層溶液中Fe2+、Mn2+的影響作用為稻草粉>白糖>硫酸亞鐵。

2.5 不同處理對土壤Eh變化的影響

圖2為不同處理對土壤Eh變化的影響結(jié)果?？傮w上看，淹水4～8 d土壤Eh迅速下降，8～12 d達到最低值(約為-100～100 mV)，隨后又緩慢上升到0～200 mV。到水稻生長后期，土壤Eh上升至200～400 mV。淹水4 d后，不同用量稻草粉處理的Eh值的差異就變得很大(圖2A)。稻草粉的用量越大，土壤Eh值也就越低，土壤Eh下降幅度依次為稻草粉20 g·kg-1>稻草粉10 g·kg-1>稻草粉5 g·kg-1>對照；在稻草粉20 g·kg-1處理基礎(chǔ)上加入改良劑，對土壤Eh值沒有明顯的影響(圖2B)；與對照相比，硫酸亞鐵處理也降低了淹水初期(4 d)土壤的Eh(圖2C)。土壤Eh下降幅度依次為硫酸亞鐵0.5 g·kg-1>硫酸亞鐵0.25 g·kg-1>對照。但不同用量之間沒有明顯差異；淹水第4 d，高量白糖處理的土壤Eh就已經(jīng)下降到-144.2 mV(圖2D)，比高量稻草粉處理還低331.6 mV?？梢?，5 g·kg-1白糖比20 g·kg-1稻草粉對淹水初期土壤Eh的下降作用更加明顯，但其后很快又上升，對整個水稻生育期的影響有限。

3 討論

水稻秸稈是最常見的有機物料，含有多種的礦質(zhì)元素，特別是鉀含量豐富。適量的稻草還田不僅能夠增加土壤有機質(zhì)含量，還可以提高土壤有效磷和速效鉀含量[11]。但是過量秸稈殘留稻田不但促進還原條件的發(fā)生[12]，還會引發(fā)養(yǎng)分固定、秸稈厭氧腐解產(chǎn)生植物毒素、有害物質(zhì)積累等而影響下茬作物的生長[13]。Tanji等[14]認為，淹水土壤中秸稈和其他有機質(zhì)的分解將會導致更強的還原條件，這對水稻生長和產(chǎn)量形成產(chǎn)生不利影響。Chou等[15]試驗結(jié)果表明，水稻殘體在土壤中腐解時產(chǎn)生的酚酸類植物毒素抑制水稻幼苗的生長，導致水稻產(chǎn)量降低，這是一種自體中毒現(xiàn)象。秸稈作為淹水土壤的電子供體，又進一步加劇了土壤的還原性。有機質(zhì)分解直接為土壤提供有機還原性物質(zhì)，除此，亞鐵、錳、硫化物是鐵、錳氧化物，硫酸鹽與其作用的產(chǎn)物，從而使土壤中還原性物質(zhì)總量大大增加[16]。朱昌鋒[17]試驗結(jié)果表明，土壤在密閉恒溫培養(yǎng)前期由于嫌氣微生物的活動，消耗了大量的氧氣，同時微生物分解有機質(zhì)產(chǎn)生了各種還原性物質(zhì)，致使土壤的Eh值迅速下降。土壤中有機質(zhì)含量多，其消耗土壤中的氧也多，Eh值下降也快，產(chǎn)生的還原性物質(zhì)也多。盡管水稻秸稈可增加稻田土壤還原性物質(zhì)，但其只要還田量在適宜范圍內(nèi)，仍對水稻生長有重要的作用，也表明只有適量有機質(zhì)的土壤才具有較大的抗逆性，為作物高產(chǎn)提供保障[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著稻草粉增加，特別是超過稻草粉10 g·kg-1處理后，其土壤還原性物質(zhì)增多，土壤Eh值迅速下降。這是因為土壤淹水后，由于微生物活動消耗大量氧氣，在隨后的嫌氣分解過程中，微生物奪取土壤中有機化合物中的氧，形成各種還原性物質(zhì)，導致淹水初期土壤Eh值迅速下降。因此，稻草粉用量越大，土壤Eh值下降幅度越明顯，產(chǎn)生的還原性物質(zhì)也多。

圖2 不同處理對土壤Eh變化的影響

土壤在強還原條件下，產(chǎn)生大量的Fe2+被認為是潛育性水稻土水稻正常生長的障礙因子之一[18]。很多研究表明，當土壤溶液Fe2+較低(通常<50 mg·kg-1) 時，不會影響水稻生長；當土壤溶液Fe2+>50～80 mg·kg-1時，水稻生長受到明顯影響；當土壤溶液Fe2+在550～800 mg·kg-1，水稻植株產(chǎn)生中毒癥狀[19-24]。在本試驗中，過量施入稻草粉(>稻草粉10 g·kg-1)后產(chǎn)生較強的還原條件(Eh<0 mV)，使土壤溶液的Fe2+濃度長時間處于較高水平，對水稻生長和生物產(chǎn)量有顯著影響。本研究測定的Fe2+濃度為水溶液中含有的Fe2+，顯然低于文獻報道的數(shù)值，這說明影響本研究水稻生長的主要原因不是Fe2+，而是其它還原性有毒物質(zhì)，這已在筆者的其它研究中得到印證[25]。因此，在土培條件下施入硫酸亞鐵未對水稻生長產(chǎn)生明顯負面作用。當然，外源鐵加入沒有增加土壤Fe2+濃度，歸因于供試土壤較強的吸附能力和Fe2+的易氧化性。

4 結(jié)論

4.1 當?shù)静莘鄢^10 g·kg-1時，土壤淹水初期Eh值顯著下降，土壤表層溶液Fe2+大量增加，并伴隨著苗期水稻新生分蘗出現(xiàn)坐蔸現(xiàn)象，從而顯著抑制水稻生長前期分蘗數(shù)的增加，最終導致水稻有效穗減少，生物產(chǎn)量下降。

4.2 盡管白糖也可降低土壤淹水初期Eh值，使得土壤表層溶液Fe2+有所增加，但由于其分解較快，產(chǎn)生毒害的持續(xù)時間較短，因此對水稻生長的影響有限；而硫酸亞鐵處理表明，即使當土壤中Fe2+達到100 mg·kg-1，也不會引起水稻Fe2+中毒。各種還原物料的毒害作用為稻草粉>白糖>硫酸亞鐵。

4.3 在水稻發(fā)生毒害時添加土壤改良劑(硅鈣肥、石灰、硫酸鎂和硼砂)，其中石灰和硼砂對水稻生長有一定的緩解作用，對生物產(chǎn)量提高有一定作用，但其效果還不顯著。

4.4 四川冬水田稻區(qū)水稻坐蔸的發(fā)生應歸因于土壤中的易還原性有機物質(zhì)厭氧分解產(chǎn)生多種還原性有毒物質(zhì)，并導致土壤Eh值顯著降低，增強了土壤還原性，從而影響了水稻生長。要有效預防水稻坐蔸，必須控制含稻草在內(nèi)的易還原有機物料(如綠肥和未腐熟有機肥等)的大量施入或局部累積。這已在近年來的大田試驗和示范中得到反復印證，該技術(shù)已用于指導四川冬水田稻區(qū)的水稻生產(chǎn)。