紅壤丘陵區(qū)稻田土壤剖面肥力特征及其與產(chǎn)量的關(guān)系

李秀秀，涂田華，柳開樓，陳先茂，謝 江，鄧國強(qiáng)，梁喜歡，黃 晶，關(guān)賢交，邱才飛，錢銀飛，彭春瑞，陳 金*

（1 江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心 / 國家農(nóng)業(yè)環(huán)境宜春試驗(yàn)站，江西南昌 330200；2 井岡山紅壤研究所 / 江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院井岡山分院，江西吉安 343016；3 江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與標(biāo)準(zhǔn)研究所，江西南昌 330200；4 江西省紅壤研究所 / 國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330200；5 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 / 耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

紅壤性水稻土是保障我國糧食安全重要的土壤資源[1]，以江西省為例，紅壤性水稻土約占全省水稻土的67%。但是，紅壤性水稻土存在大量稻田產(chǎn)量不穩(wěn)，中低產(chǎn)田比例高(約占70%)的問題，給糧食生產(chǎn)帶來巨大挑戰(zhàn)[2-4]。稻田土壤肥力與水稻產(chǎn)量密切相關(guān)，以往研究多關(guān)注耕作層土壤，忽略了土壤剖面不同，即土層肥力的作用。因此，深入探究不同產(chǎn)量土壤肥力的剖面分布特征，明確調(diào)控作物產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)境因子，對于提高低產(chǎn)田、穩(wěn)定高產(chǎn)田糧食產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)“藏糧于地”的國家戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。

水稻土耕作層土壤性質(zhì)與作物產(chǎn)量密切相關(guān)。李圓賓等[5]通過Meta 分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重與稻麥周年產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)。Liu 等[6]研究表明，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與水稻產(chǎn)量有顯著正相關(guān)性。相比土壤物理性質(zhì)，前人對化學(xué)性質(zhì)的重要性研究更多。Liu 等[7]對江西水稻土長期定位施肥試驗(yàn)點(diǎn)耕作層土壤的研究結(jié)果表明，全氮和碳氮比與水稻產(chǎn)量呈顯著性正相關(guān)。對浙江省6 個(gè)典型水稻土耕作層土壤采樣調(diào)查結(jié)果顯示，水稻產(chǎn)量與pH、土壤有機(jī)質(zhì)和有效氮含量顯著正相關(guān)，與全氮、有效磷和有效鉀含量的相關(guān)性不顯著[8]。Li 等[9]發(fā)現(xiàn)在湖南省11 年定位施肥的水稻土中，耕作層土壤微生物生物量與水稻產(chǎn)量存在顯著正相關(guān)，且比土壤化學(xué)性質(zhì)更為重要。而Liu 等[6]卻報(bào)道，耕作層土壤微生物生物量碳氮比值及碳磷比值與湖南、江西84 個(gè)潛育水稻土水稻產(chǎn)量顯著負(fù)相關(guān)。綜上所述，耕作層土壤性質(zhì)顯著影響著作物產(chǎn)量，但目前研究大多集中于稻田耕作層土壤。

土壤剖面肥力特征對作物生長也具有重要影響。Merrill 等[10]將美國兩種壤質(zhì)土小麥和玉米產(chǎn)量出現(xiàn)差異的原因歸于亞表層土壤導(dǎo)水率、淺層土壤水分耗竭及根系生長，強(qiáng)調(diào)了關(guān)注土壤剖面性質(zhì)的重要性。Liu 等[11]對華北平原3 個(gè)不同產(chǎn)量水平土壤0—120 cm 剖面的研究結(jié)果表明，土壤剖面有效水分、養(yǎng)分指標(biāo)以及粉粘粒含量是影響玉米和小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因子。但目前研究主要關(guān)注旱地剖面，對紅壤性稻田土壤剖面的肥力分布與作物產(chǎn)量關(guān)系的研究仍然不足。

因此，本研究選取南方紅壤丘陵區(qū)不同產(chǎn)量水平的紅壤性水稻土，通過分析土壤剖面性質(zhì)以及作物產(chǎn)量，系統(tǒng)探究土壤剖面物理、化學(xué)、生物肥力特征及其與水稻產(chǎn)量的關(guān)系，明確不同層次肥力特征對水稻產(chǎn)量的影響，以期為南方紅壤丘陵區(qū)紅壤性稻田土壤肥力和水稻產(chǎn)量提升提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)及樣品采集

基于全縣近100 個(gè)樣點(diǎn)土壤肥力指數(shù)和產(chǎn)量調(diào)查的結(jié)果，分別于2018 和2019 年10 月下旬，在典型紅壤丘陵區(qū)江西省進(jìn)賢縣，按照高產(chǎn)稻田年產(chǎn)量＞15000 kg/hm2、中產(chǎn)稻田年產(chǎn)量12000～15000 kg/hm2、低產(chǎn)稻田年產(chǎn)量＜10000 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)，選取高、中、低3 個(gè)產(chǎn)量水平樣點(diǎn)各3 個(gè)，其中，中、高產(chǎn)田耕作時(shí)間＞50 年，低產(chǎn)田耕作時(shí)間為10～20 年，高、中、低產(chǎn)田肥料管理措施均為日常施用化肥、不施有機(jī)肥，秸稈全部直接還田。高肥力產(chǎn)田采樣點(diǎn)在溫圳鎮(zhèn)東崗村(116.15°E，28.33°N，潴育型水稻土，中潴灰黃泥田)、前坊鎮(zhèn)大池村(116.25°E，28.47°N，潴育型水稻土，中潴灰黃泥田)、三陽集鄉(xiāng)石山村(116.25°E，28.59°N，潴育型水稻土，中潴灰黃泥田)，中肥力采樣點(diǎn)在前坊鎮(zhèn)和平村(116.20°E，28.51°N，潴育型水稻土，中潴灰黃泥田)、張公鎮(zhèn)邵窩村(116.16°E，28.30°N，潴育型水稻土，中潴灰黃泥田)、泉嶺鄉(xiāng)義壟村(116.11°E，28.41°N，潴育型水稻土，中潴灰黃泥田)，低肥力采樣點(diǎn)在三陽集鄉(xiāng)藕塘村(116.27°E，28.52°N，淹育型水稻土，弱煙灰黃泥田)、三陽集鄉(xiāng)荊陵村(116.27°E，28.59°N，淹育型水稻土，弱煙灰黃泥田)和梅莊鎮(zhèn)新莊村(116.43°E，28.57°N，淹育型水稻土，弱煙灰黃泥田)。高中低肥力田晚稻平均產(chǎn)量分別為7766.7、6238.9 和4938.9 kg/hm2。在采樣點(diǎn)隨機(jī)選擇3 個(gè)取樣點(diǎn)，用土鉆分別采集3 個(gè)土層的土壤剖面樣品，按土層分別混合成3 個(gè)土樣。所得土樣一部分保存于4℃用于微生物指標(biāo)的測定，另一部分風(fēng)干后過2 mm 篩用于化學(xué)性質(zhì)測定。

1.2 測定方法

土壤pH (土水比1∶5)采用pH 計(jì)測定；土壤容重(BD)采用環(huán)刀法測定；土壤緊實(shí)度使用土壤緊實(shí)度測量儀(澳大利亞，Rimik CP40Ⅱ)測試；陽離子交換量(CEC) 采用醋酸銨法測定；土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)采用K2Cr2O7和濃H2SO4加熱法測定；全氮(TN)含量采用H2SO4—H2O2聯(lián)合消煮，凱氏定氮法測定；堿解氮(AN) 采用堿解擴(kuò)散法測定；全磷(TP)采用H2SO4—H2O2聯(lián)合消煮后鉬銻抗比色法測定；有效磷(AP)采用0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)浸提—鉬銻抗比色法測定；全鉀(TK) 采用NaOH 熔解—火焰光度法測定；速效鉀(AK) 采用1 mol/L NH4OAc (pH 7.0)浸提—火焰光度法進(jìn)行測定；微生物生物量碳(MBC) 和氮(MBN) 采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法測定[12]。在每個(gè)樣點(diǎn)隨機(jī)選取3 個(gè)1 m×1 m 的樣方收割水稻，晾干、脫粒后測定水稻產(chǎn)量。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 25.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪圖，所有數(shù)據(jù)均為2018 和2019 兩年的數(shù)據(jù)均值。利用單因素方差檢驗(yàn)不同產(chǎn)量水平和不同土層間變量的顯著性差異，使用R 4.0.1 中的“psych”包評估土壤變量與水稻產(chǎn)量間的相關(guān)性，利用“randomForest”包進(jìn)行隨機(jī)森林分析，“rfPermute”包檢驗(yàn)變量的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)量水平稻田土壤物理性質(zhì)分析

高產(chǎn)田和中產(chǎn)田為潴育型，發(fā)生層段完整，剖面層次分為耕作層(A)、犁底層(P)、潴育層(W)和母質(zhì)層(C)，耕作層厚度16 cm 左右，犁底層較厚。低產(chǎn)田為淹育型，處于水稻土發(fā)育的初步階段，剖面初步分化，分為耕作層(A)、犁底層(P)和母質(zhì)層(C)，耕作層13 cm 左右，犁底層較薄(圖1a, b)。不同產(chǎn)量水平稻田土壤容重在耕作層表現(xiàn)為低產(chǎn)田最高，為1.21 g/cm3，高產(chǎn)田最低，為1.09 g/cm3(圖1c)。土壤緊實(shí)度隨土層深度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在20 cm 左右達(dá)到峰值；不同產(chǎn)量水平土壤緊實(shí)度在耕作層和潴育層沒有顯著差異，在犁底層表現(xiàn)為高產(chǎn)田最高，說明高產(chǎn)田可有效阻止養(yǎng)分和水分下滲，具有較強(qiáng)的保水保肥能力(圖1d)。

圖1 不同產(chǎn)量水平稻田剖面構(gòu)型(a)、耕作層深度(b)、耕作層容重(c)及土壤緊實(shí)度(d)Fig.1 Soil profile configuration (a), depth of plough layer (b), bulk density of plough layer (c) and penetration resistance (d)of paddy fields with different yield levels

2.2 不同產(chǎn)量水平稻田土壤化學(xué)性質(zhì)分析

不同產(chǎn)量水平稻田土壤化學(xué)指標(biāo)在不同土層存在差異(圖2)。紅壤性稻田土壤pH 隨土層深度增加而增大，同一土層pH 均為高產(chǎn)田、中產(chǎn)田大于低產(chǎn)田。高產(chǎn)田CEC 在土層深度上的變化趨勢與pH 一致，但是中、低產(chǎn)田CEC 隨土層加深先降低后增加；耕作層土壤CEC 在低產(chǎn)田最高，犁底層土壤CEC 在高產(chǎn)田最大，潴育層CEC 在不同產(chǎn)量水平稻田土壤間無顯著差異。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、全磷和有效磷含量均隨土層深度逐漸降低，呈現(xiàn)出明顯的“表聚”特征，在耕作層土壤中均表現(xiàn)為高產(chǎn)田顯著高于中低產(chǎn)田，但在犁底層和潴育層差異不顯著；其中，高產(chǎn)田耕作層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、全磷和有效磷含量分別為38.82 g/kg、2.33 g/kg、198.54 mg/kg、0.81 g/kg 和33.04 mg/kg，而低產(chǎn)田耕作層分別為29.75 g/kg、1.89 g/kg、158.71 mg/kg、0.62 g/kg 和23.51 mg/kg。土壤速效鉀含量雖呈現(xiàn)出隨土層加深而降低的趨勢，但不同產(chǎn)量水平土壤速效鉀含量在耕作層無顯著差異，在犁底層和潴育層則以低產(chǎn)田土壤最高。與其他養(yǎng)分不同，土壤全鉀含量隨著土層加深而逐漸增加，尤其是低產(chǎn)田，全鉀含量在耕作層為8.12 g/kg，但在母質(zhì)層為10.77 g/kg。同時(shí)，全鉀含量在耕作層和犁底層均表現(xiàn)為低產(chǎn)田顯著低于高中產(chǎn)田，而在潴育層各產(chǎn)量水平土壤間沒有顯著差異。

圖2 不同產(chǎn)量水平稻田土壤物理化學(xué)性質(zhì)剖面分布特征Fig.2 Soil physical and chemical properties in different layers of paddy fields

2.3 不同產(chǎn)量水平稻田土壤微生物生物量碳、氮分析

由圖3 可知，高產(chǎn)田、中產(chǎn)田耕作層土壤MBC、MBN 和MBC/MBN 均顯著高于低產(chǎn)田。高產(chǎn)田、中產(chǎn)田和低產(chǎn)田土壤MBC 含量分別為929.2、767.2和533.6 mg/kg，MBN 含量分別為42.5、37.4 和30.8 mg/kg。

圖3 不同產(chǎn)量水平稻田耕作層土壤微生物生物量碳、氮含量Fig.3 Microbial biomass carbon and nitrogen (MBC and MBN) contents in the arable layer of paddy fields

2.4 土壤剖面肥力指標(biāo)與水稻產(chǎn)量的關(guān)系

相關(guān)性分析結(jié)果表明，耕作層土壤除CEC、全鉀、速效鉀和容重與水稻產(chǎn)量無顯著相關(guān)性，其余變量均與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；在犁底層和潴育層，只有pH 與水稻產(chǎn)量顯著正相關(guān) (表1，只列出有顯著相關(guān)的數(shù)據(jù))。選取與水稻產(chǎn)量顯著相關(guān)的土壤剖面變量進(jìn)行隨機(jī)森林分析，評估各變量對水稻產(chǎn)量的相對重要性，發(fā)現(xiàn)所選變量可以解釋水稻產(chǎn)量變化的53.7%，微生物生物量碳、微生物生物量碳氮比、耕作層深度以及潴育層pH 對水稻產(chǎn)量具有顯著影響，解釋能力分別為9.2%、8.7%、7.9%和6.4%(圖4)。

表1 耕作層、犁底層和潴育層土壤指標(biāo)與水稻產(chǎn)量的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of rice yield and soil indexes in arable layer, plough pan and waterlogged layer

圖4 基于隨機(jī)森林法分析的各變量對水稻產(chǎn)量變化的相對重要性Fig.4 The relative importance of variables to changes in rice yield based on random forest analysis

3 討論

3.1 不同產(chǎn)量水平稻田土壤剖面肥力特征

土壤的耕作層深度及保水保肥能力是影響水稻產(chǎn)量的重要因素。一般認(rèn)為，80%的水稻根系集中于20 cm 以上的土層[8]，水稻土的適宜耕作深度為15—20 cm[13-14]。本研究中，高產(chǎn)田耕作層厚度為16 cm，而低產(chǎn)田耕作層厚度僅為13 cm，低于水稻根系生長的適宜深度。有研究認(rèn)為高產(chǎn)田犁底層厚度應(yīng)為5—10 cm 且發(fā)育良好[8]，這與本研究中高產(chǎn)田具有較厚犁底層的現(xiàn)象一致。高產(chǎn)田耕作層土壤容重較低，土壤孔隙度較大，有利于水分和養(yǎng)分在耕作層間的運(yùn)移及水稻根系對養(yǎng)分的吸收[15-16]，而犁底層土壤緊實(shí)度最大，保水保肥性好，減少了養(yǎng)分和水分向下流失，從而促進(jìn)水稻生長。而低產(chǎn)田耕作層土壤容重和犁底層土壤緊實(shí)度與高產(chǎn)田相反，不利于水稻生長。另外，紅壤區(qū)土壤酸化是制約其土地生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素，本研究中，土壤pH 呈現(xiàn)出高產(chǎn)田＞中產(chǎn)田＞低產(chǎn)田的規(guī)律，低產(chǎn)田pH 均值約為5.1，接近水稻生長的酸害閾值4.7[17]，是限制其水稻產(chǎn)量的又一重要因子。值得一提的是，不同產(chǎn)量水平稻田土壤CEC 均在10 cmol/kg 左右，說明紅壤性稻田土壤酸性緩沖能力和養(yǎng)分保持能力均較弱[18]。

碳、氮、磷是植物生長過程中從土壤獲取的最基本營養(yǎng)元素，其含量高低是表征土壤肥力的重要指標(biāo)[19-20]。根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，3 個(gè)產(chǎn)量水平稻田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和有效磷含量均在第二級，有效氮含量為第一級，速效鉀含量為第三級，全鉀含量為第五級，整體表明該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量豐富，在產(chǎn)量提升方面擁有巨大潛力。土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量在剖面上表現(xiàn)出耕作層＞犁底層＞潴育層的變化規(guī)律，在垂直方向上呈現(xiàn)出“表聚”特征，這與前人[21-23]報(bào)道一致。這種現(xiàn)象主要是由常年種植過程中，施肥、秸稈覆蓋、根茬保留等耕作措施造成的[24-25]。但是，全鉀和低產(chǎn)田速效鉀含量與其他養(yǎng)分變化趨勢相反，隨土層深度逐漸增加。這一方面可能是因?yàn)槲覈r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，鉀肥施用量往往不足，而水稻是需鉀量較高的作物，每季水稻鉀 (K2O) 吸收量一般在150～300 kg/hm2，大量鉀素在水稻收獲和秸稈移除過程中損失，從而造成表層土鉀素虧缺[26]。另一方面，由于低產(chǎn)田為淹育型水稻土，土壤CEC、犁底層厚度及其緊實(shí)度較低，保水保肥能力差，大量鉀素隨地下水位降低累積到深層土壤，造成深層土壤鉀素富集。

土壤微生物直接影響著養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要指標(biāo)。本研究中，微生物生物量碳氮含量在高產(chǎn)田中明顯高于低產(chǎn)田，這一結(jié)果與前人研究[27]一致。這可能是因?yàn)楦弋a(chǎn)田水稻大量根系分泌物為微生物生長提供了豐富養(yǎng)分，刺激了微生物生長代謝，加快了有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分的釋放，進(jìn)而為作物生長提供了充足的有效養(yǎng)分，增加了作物產(chǎn)量。

3.2 土壤剖面相關(guān)指標(biāo)對水稻產(chǎn)量的影響

相關(guān)性分析結(jié)果表明，耕作層有機(jī)質(zhì) (r=0.74)、微生物生物量碳 (r=0.84)、微生物生物量氮 (r=0.68)、微生物生物量碳氮比 (r=0.76)、耕作層深度(r=0.68) 以及土壤剖面不同土層pH 與水稻產(chǎn)量具有較強(qiáng)的、顯著的正相關(guān)關(guān)系，而隨機(jī)森林模型分析顯示微生物生物量碳、微生物生物量碳氮比、耕作層深度及潴育層土壤pH 是影響水稻產(chǎn)量最重要的環(huán)境因子。有機(jī)質(zhì)礦化可以為作物生長提供有效養(yǎng)分，同時(shí)，有機(jī)質(zhì)也可以作為膠結(jié)劑，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，改良土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤透氣保水保肥的能力[28]，從而提高作物產(chǎn)量，這一結(jié)果與前人研究[29-30]一致。較高的微生物生物量有利于有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收。Li 等[9]對湖南8 個(gè)長期定位施肥試驗(yàn)的水稻土采樣分析，發(fā)現(xiàn)微生物生物量碳氮與作物產(chǎn)量呈正相關(guān)；而微生物生物量碳氮比與水稻產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，與本研究結(jié)果不一致，可能是因?yàn)楦呶⑸锷锪刻嫉葍A向于大量固定氮，從而降低水稻土中有效氮含量，不利于水稻生產(chǎn)。廖育林等[27]報(bào)道，湖南雙季稻區(qū)微生物生物量碳氮與水稻產(chǎn)量無關(guān)，而細(xì)菌生物量則與水稻產(chǎn)量顯著正相關(guān)，說明相比于微生物生物量，微生物類群對于作物生長可能更加重要，在以后的研究中應(yīng)更加關(guān)注。耕作層深度對水稻產(chǎn)量的重要影響則可能是因?yàn)樗敬蟛糠指滴挥诟鲗?，耕作層土壤性質(zhì)直接影響著水稻對養(yǎng)分的吸收和利用，因此，較厚的耕作層深度能為水稻生長提供更多的養(yǎng)分，進(jìn)而促進(jìn)水稻的生長。pH 也對水稻產(chǎn)量有重要影響，pH 提高有利于水稻的生長，這歸因于pH 提高增加了土壤固持養(yǎng)分的能力，提升了微生物活性，緩解了鋁對水稻根系的毒害作用，進(jìn)而促進(jìn)了作物生長[31-32]。

4 結(jié)論

1)高產(chǎn)田耕作層深度最大，土壤容重最小，犁底層厚度和緊實(shí)度均最高，而低產(chǎn)田則最低。

2)碳、氮、磷養(yǎng)分含量表現(xiàn)為高產(chǎn)田＞中產(chǎn)田＞低產(chǎn)田，在土壤剖面上呈現(xiàn)“表聚”特征。

3) 稻田土壤中鉀素含量隨土層深度增加而增加，尤其是低產(chǎn)田，全鉀含量在耕作層為8.12 g/kg，但在母質(zhì)層為10.77 g/kg。

4)相關(guān)性分析和隨機(jī)森林分析結(jié)果表明，水稻產(chǎn)量與耕作層土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全量和有效氮磷鉀含量、微生物生物量碳氮以及微生物生物量碳氮比、耕作層厚度均呈顯著正相關(guān)，這些變量可以解釋水稻產(chǎn)量變化的53.7%，其中，微生物生物量碳、微生物生物量碳氮比和耕作層厚度是影響作物產(chǎn)量最重要的環(huán)境因素，其解釋能力分別為9.2%、8.7%和7.9%。