低产水稻土改良与管理研究策略

刘占军， 艾 超， 徐新朋， 张 倩， 吕家珑， 周 卫*

(1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所， 北京 100081；2 西北农林科技大学资源环境学院， 陕西杨凌 712100)

低产水稻土改良与管理研究策略

刘占军1, 2， 艾 超1， 徐新朋1， 张 倩1， 吕家珑2， 周 卫1*

(1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所， 北京 100081；2 西北农林科技大学资源环境学院， 陕西杨凌 712100)

我国耕地后备资源极端缺乏，改良低产田是提高粮食产量的重要途径。低产水稻土作为低产田的重要组成部分，相关肥力特征及其改良技术研究比较零散，缺乏系统科学的调控管理策略。本文从低产水稻土类型、新的改良研究方法角度，探索可能的技术突破。基于农业部统计数据，因环境条件不良或土壤自身存在障碍因素，全国约有7.67×106hm2低产水稻土。按其主导成因，低产水稻土可分为冷潜型、粘结型、沉板型、毒质型四类。土壤质量评价是低产水稻土研究的重要方面，其评价方法主要包括土壤质量动力学法、土壤质量综合评分法、多变量指标克立格法、土壤相对质量评价法，现已发展了基于GIS的区域尺度水稻土质量评价方法，以及基于土壤生物学性状的质量评价方法。低产水稻土改良研究更多关注新技术和新方法，稳定性同位素探针技术、傅里叶变换红外光谱法(FTIR)和固相交叉极化魔角自旋13C核磁共振(CPMS13C-NMR)波谱技术的应用，将土壤有机碳的微团聚体分布、腐殖质的转化及其与土壤矿物结合机制深入到微观水平；同时高通量测序、土壤宏基因组学、宏转录组学等方法将相关研究推向分子水平。低产水稻土改良与管理的技术主要涉及到冷潜型、粘结型、沉板型、毒质型四大类低产水稻土的改良技术，基于产量反应和农学效率的推荐施肥方法是水稻土养分管理方法的重要发展方向。1)在低产水稻土质量评价方面，未来要结合不同低产类型的障碍因素开展个性化的土壤质量评价, 如白土的质地和耕层厚度，加强引入土壤生物学指标进行土壤质量评价研究。2)在低产水稻土改良方面，要研究稻田障碍层次的形成机理与调控途径；研究其他低产类型如新垦水稻土、盐渍化水稻土、石灰化水稻土和污染水稻土的改良技术；研究长期改良措施对不同粒级团聚体腐殖质结构、酶类、微生物多样性和功能基因的影响。3)在低产水稻土管理方面，着重研究秸秆还田技术、推荐施肥技术、抗逆品种技术、群体控制技术。

低产水稻土； 改良； 策略

水稻土是关乎我国粮食安全的重要土壤资源[1]。据统计，2011年我国稻谷种植面积占全国粮食作物总面积的22%，产量占粮食总产量的28%[2]。根据全国水稻平均产量及参考我国耕地地力等级划分标准[2-3]，将单季水稻平均产量低于6000 kg/hm2划分为低产水稻土。因环境条件不良或自身存在的障碍因素，我国低产水稻土面积约7.67×106hm2，占水稻土总面积的32%。我国当前耕地后备资源极端缺乏，改良低产田是提高我国粮食综合生产能力，保证国家粮食安全的重要途径之一[4]。低产水稻土面积大、 分布广，其肥力特征与改良技术研究比较零散，没有形成系统的理论和应用体系，缺乏科学的调控管理策略。为此，本文从低产水稻土的类型、改良研究新方法及其技术突破等方面入手对相关问题进行探讨。

1 低产水稻土类型及特点

我国低产水稻土类型复杂，按照其主导成因，大致可分为冷潜型、粘结型、沉板型和毒质型四类[5]。

1)冷潜型低产水稻土 面积约4×106hm2，包括沿湖水网地区长期沤水的潜育化水稻土，以及冷浸田如烂泥田、冷水田、锈水田、鸭屎泥田等。潜育化水稻土还原性强，有机质积累，铁的活化和迁移损失明显，土壤团聚体易遭破坏，土壤粘闭，通气性能差；冷浸田水稻土长期渍水，土壤温度低、还原性物质多，有机质和全氮含量高，土壤有效养分偏低[1]。

2)粘结型低产水稻土 面积约1.3×106hm2，质地粘重、耕性发僵、土体粘结力大以及石灰含量逐渐增高。根据成土母质及其粘性程度不同可分为黄泥田、胶泥田和石灰泥田。该类水稻土土体粘粒含量高，一般在30%以上；结构不良，耕性差；有机质含量低，供肥保肥能力差[6]。

2 低产水稻土评价与改良研究新方法

2.1 低产水稻土质量评价

土壤质量评价可以量化不同农田管理措施对土壤质量的影响，进而规范和改进土地利用方式及农田管理措施[10-11]。国际上比较常用的土壤质量评价方法主要包括： 土壤质量动力学法、土壤质量综合评分法、多变量指标克立格法、土壤相对质量评价法。目前有关水稻土质量评价的报道多局限于某一农田管理措施如长期施肥或不同土地利用方式对水稻土质量的影响，不能完全揭示区域尺度下不同生产力水稻土质量变化规律[12]。同时我国水稻土质量评价研究虽已取得较大进展，但对低产水稻土关注则相对较少[13]。

Yao等[14]对沿海区域典型盐土耕作区土壤质量评价表明，土壤有机质对作物产量产生显著影响，是盐土耕作区必不可少的土壤质量评价指标。Boluda等[15[16]和Lima等[17]研究表明，最小数据集能够代替全量数据集对稻田土壤质量进行准确评价，且节约时间，降低成本。Li等[18]对江西稻田土壤质量进行评价，并建立最小数据集： 有机质、碱解氮、有效磷、缓效钾和砂粒。Liu等[19-21]通过最小数据集法对我国南方黄泥田、反酸田和白土三大低产水稻土土壤质量状况进行研究，发现较低水平的全氮、速效钾和有效硅是黄泥田的限制因子；较低水平的pH、有效硅和全氮是反酸田的限制因子；较低水平的有机质、全氮、速效钾和pH是白土的限制因子。

土壤质量指标包括土壤物理指标、化学指标和生物学指标，而当前土壤质量评价研究仍集中在土壤物理指标和化学指标，对土壤生物学指标的应用相对较少[22]。由于土壤生物学指标对土壤质量变化反应灵敏，能够较好的区分不同农田管理措施效果[23]。因此，在今后土壤质量研究尤其是低产水稻土质量评价方面要给予足够重视。Romaniuk等[24]通过测定土壤微生物多样性揭示了有机和传统农业下土壤质量差异；Lima等[17]研究表明，在水稻土生态系统内，土壤生物学指标比理化指标更能灵敏地反映土壤质量变化。此外，在区域尺度上将模型和地理信息系统(GIS)技术相结合是准确定位低产水稻土分布， 综合评价土壤肥力差异的有效手段，如Obade和Lal[25]将GEMS模型与GIS相结合用于研究不同区域尺度土壤碳储量，以表征土壤质量变化。

2.2 低产水稻土改良研究的新技术与新方法

现代分子生物学技术的发展，为我们研究低产水稻土改良的生物学过程提供了先进技术手段。目前，高通量测序技术在土壤微生物研究中得以广泛应用，它极大地降低了测序成本，实现了大规模的土壤微生物基因直接测序[26]；基于第二代测序方法(NGS)的土壤宏基因组学(Metagenomics)和宏转录组学(Metatranscriptomics)，为研究人员提供了丰富的土壤微生物学信息，尤其是不同肥力水平下微生物功能多样性研究得到了不断的深入和发展。宏基因组学研究结果表明，在土壤低氮条件下，水稻根系微生物组拥有更多的代谢氮、硫、铁和芳香族化合物的相关功能基因，以及更加丰富的伯克氏菌(Burkholderia)、慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)、甲基弯曲菌(Methylosinus)[27]。然而，宏基因组学以DNA为研究对象，所得到的分析结果只能说明其具有某种潜在功能，并不能对相关功能基因是否表达给出明确结论。宏转录组学的出现克服了宏基因组学不能对相关功能基因是否表达给出明确结论的短板，能将特定条件下的微生物群落与其功能联系起来，对土壤微生物发挥的实际作用给予准确地分析。在有机污染土壤研究中，de Menezes等[28]首次利用宏转录组技术发现微生物重金属P-型ATP酶和硫氧还蛋白与土壤多环芳烃胁迫关系密切。应用于实际生产中，宏基因组和宏转录组学的相关理论和进展则有利于我们优化微生物功能的执行效率、提高作物养分供给，并进一步减少能耗和对生态环境的负面影响。国外在土壤微生物组学方面已经开展了有力的研究，而我国还处于起步阶段，针对水稻土改良的相关研究国内外更是未见报道。

近年来，稳定性同位素探针技术(Stable Isotope Probing, SIP)已成为揭示复杂土壤环境中重要微生物生理生态过程的有利工具之一。Murase等[29]利用13C-SIP技术发现13C标记的水稻秸秆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比秸秆能够显著诱导不同的微生物对其进行分解代谢[30]，进而影响秸秆还田的降解过程。目前分子生态学技术与稳定同位素探针技术的结合，为我们原位研究水稻土改良下根际微生物效应提供了新的思路，该方法不仅可以准确地展示微生物多样性，而且能够综合地揭示根际微生物群落的生态功能。未来研究的重点应是土壤改良下根际碳沉积在根-微生物-土壤中的分配和调节机制，以及如何利用这一微生物学机制来提高水稻产量，实现农业可持续发展。

对于土壤改良的物理化学过程，研究人员已经开始大量引入傅里叶变换红外光谱法(FTIR)和固相交叉极化魔角自旋13C核磁共振(CPMS13C-NMR)波谱技术，并已深入到土壤有机碳的微团聚体分布、腐殖质的转化及其与土壤矿物结合机制的微观水平。Spaccini等[31]采用13C稳定同位素结合CPMS-NMR技术研究表明，玉米秸秆释放出来的新有机化合物能够被土壤腐殖质疏水组分所稳定，阐明了土壤原有腐殖质有利于新有机质积累的化学机理。罗璐等[32]采用FTIR技术对我国长期施肥稻田土壤有机质结构分析后发现，长期施用有机肥或秸秆还田能显著增加稻田土壤化学抗性化合物(脂族性、芳香族)、碳水化合物以及有机硅化合物的官能团吸收强度，在一定程度上揭示了稻田土壤有机质积累的化学稳定机制；同时也说明了肥料长期定位试验在揭示稻田土壤肥力演变过程中的重要地位，其阐明改良措施的效果以及试验结论的确切性是短期试验所不能比拟。

3 低产水稻土改良与管理的技术突破

低产水稻土改良与管理的技术主要涉及到冷潜型、粘结型、沉板型、毒质型四大类低产水稻土的改良技术，以及水稻土养分管理技术。

3.1 冷潜型低产水稻土改良技术

还原性物质多、通气性差、土温低、供肥缓慢是冷潜型水稻土低产的主要原因[33]。董稳军等[34]研究表明，施用生物炭及脱硫灰等土壤改良剂可有效改善冷浸田土壤特性和水稻群体质量。徐富贤等[35]通过研究川东南冬水田杂交中稻进一步高产技术，提出了稀植足肥促进扩“库”增“源”的高产栽培策略。紫娟娟等[36]对我国冷浸田主要分布的7个省份土样分析表明，土壤pH偏低、部分地区土壤速效磷和速效钾严重亏缺是影响我国冷浸田生产力的重要障碍因子。曹芬芳等[37]研究指出选择适宜冷浸田的水稻品种，采用垄厢栽培方式有利于获得高产。同时采用“田”字型明沟排水措施也是改善冷浸田土壤理化性状和提高稻谷产量的重要措施之一[38]。

3.2 粘结型低产水稻土改良技术

土壤熟化度低、有机质缺乏、酸性强及耕性不良是黄泥田低产的主要原因。冀建华等[39]研究表明，长期有机无机肥料配施可增加黄泥田土壤全氮、有机质及微生物量，提高土壤质量和肥力；同时有机无机肥料配施也是红壤性稻田生产实践中的优推模式[40]。王飞等[41]研究表明紫云英翻压可明显提高单季稻区黄泥田的农田生产力； 王建红等[42]研究进一步指出翻压紫云英鲜草60 t/hm2时可获得较高的肥料利用率和水稻产量。长期秸秆还田能有效缓解不良农田管理措施对稻田生产力的负面影响，具有较好的稳产和增产效果[43]。杨帆等[44]研究发现稻田秸秆还田配施秸秆腐熟剂对稻田地力培肥和增产效果更为明显。因此，有机熟化技术是黄泥田改良的主要措施，而稻田秸秆腐熟菌剂的研究应给予足够重视。

3.3 沉板型低产水稻土改良技术

土壤质地过砂、淀浆板结、漏水漏肥、养分贫乏是造成沉板型水稻土低产的主要因素。其中，淀浆田的主要低产因素是淀浆板结，而沙漏田的主要低产因素是漏水漏肥。白土作为典型的沉板型低产水稻土近年来备受关注。王培燕等[45]研究表明强烈的机械淋溶是漂白层形成的主要原因。汪建飞等[46]研究发现施用有机物料可以提高土壤磷等养分有效性，提高白土的保水性能及生物活性。吴萍萍等[47]研究表明逐年深耕结合施用有机肥或秸秆还田，有利于形成厚沃耕层，是白土改良的主要措施。

3.4 毒质型低产水稻土改良技术

酸度高、毒性强是反酸田最主要的限制因子。李伯欣等[48]研究表明，筛选并种植耐酸水稻品种，是提高反酸田水稻产量的有效途径之一。易琼等[49]研究表明，施用土壤改良剂能有效提高反酸田土壤pH值和改善水稻长势，并指出钙镁磷肥及石灰等偏碱性且富含有效钙或磷的无机矿物质是农业生产中改良反酸田的适宜改良剂。

水稻控制灌溉技术是盐渍化稻田改良的主要措施之一[50]。刘广明等[51]研究表明，控制灌溉或控制灌溉加淋洗模式均能明显降低水稻生育期土壤含盐量。Peng等[52]研究发现，合理的钾肥种类及其配比和稻草覆盖，可有效降低水旱轮作制度下旱季作物生长期内土壤总盐分量。

重金属污染稻田土壤主要改良措施： 1)施用土壤改良剂。Liang等[53]研究表明，施用钢渣或炉渣等富硅物质均可有效降低稻田土壤重金属镉的生物有效性，降低稻谷镉含量。周歆等[54]研究表明组配改良剂(石灰石+海泡石)对矿区重金属Pb、Cd、Cu和Zn复合污染稻田有较好的修复效果。2)植物修复。Yang等[55]研究发现东南景天可超富集Cd、Pb、Zn等重金属，降低水稻土重金属含量。此外，Bolan等[56]研究表明增施有机肥也可降低污染水稻土中As、Cu和Cr的生物有效性，降低糙米中的重金属含量。

3.5 水稻土养分管理技术

稻田养分管理是低产水稻土改良和产量提升的重要方面。针对我国肥料利用率低、小农户经营为主体、作物种植茬口紧、测土施肥困难等难题，研究适用于没有土壤测试条件的作物推荐施肥方法，即基于水稻产量反应和农学效率的作物养分管理方法，是作物推荐施肥方法的重大变革和创新[57]。主要研究内容包括： 1)水稻高产品种氮磷钾养分需求特征参数，基于田间多年多点试验的作物产量和氮磷钾养分吸收数据，应用QUEFTS模型分析水稻现代高产品种养分需求特征参数，建立作物籽粒产量与养分需求之间的关系； 2)土壤养分供应与肥料农学效率的量化关系， 研究典型区域土壤基础养分供应特征，不同种类肥料养分供给与作物养分需求的同步协调机制，主要作物肥料农学效率及作物产量反应，建立土壤基础养分供应、肥料农学效率与作物产量反应的量化关系； 3)农田养分协同优化原理与施肥模型， 基于水稻最佳养分管理的“4R”(最佳肥料种类、用量、时间、位置)原理，以及秸秆还田、有机肥施用、土壤条件和作物生长环境(温度和水分)等对施肥参数的校正，构建水稻养分协同优化的推荐施肥模型。该方法已在小麦[58]和玉米[59-60]上得到较好的验证。

4 未来研究策略

通过对低产水稻土改良和管理现状综合分析，未来研究策略如下：

1) 在低产水稻土质量评价方面，未来要结合不同低产类型的障碍因素开展个性化的土壤质量评价, 如白土的质地和耕层厚度，冷泥田和潜育化水稻土亚铁和亚锰含量，黄泥田的团聚体以及反酸田的硫含量等；加强引入土壤生物学指标进行土壤质量评价研究。

2) 在低产水稻土改良方面，要研究稻田障碍层次的形成机理与调控途径；研究其他低产类型如新垦水稻土、盐渍化水稻土、石灰化水稻土和污染水稻土的改良技术及改良制剂；研究长期改良措施对不同粒级团聚体腐殖质结构、酶类、微生物多样性和功能基因的影响。

3) 在低产水稻土管理方面， ①秸秆还田技术，研究机械化下的秸秆还田时期和还田量、秸秆还田的碳氮互作与氮肥运筹和秸秆腐熟剂研制等；②推荐施肥技术，重点研究基于水稻产量反应和农学效率的养分管理方法，水稻专用缓释肥等；③抗逆品种技术，加强耐酸品种、耐潜品种、氮磷钾养分高效品种的选育；④群体控制技术，重点研究氮磷钾肥用量与栽插密度的互作效应与机制，提出适宜的氮磷钾肥用量与栽插密度组合。

[1] 李庆逵. 中国水稻土[M]. 北京: 科学出版社, 1992. Li Q K. Paddy soils of China[M]. Beijing: Science Press, 1992.

[2] 中国农业年鉴编委会. 中国农业统计年鉴[M]. 北京: 中国农业出版社, 2012. Chinese Agricultural Almanac Editoral Committee. Chinese agricultural almanac[M]. Beijing: China Agricultural Press, 2012.

[3] NY/T 309-1996. 全国耕地类型区、耕地地力等级划分[S]. NY/T 309-1996. Classification of type regions and fertility of cultivated land in China [S].

[4] 张琳, 张凤荣, 姜广辉, 等. 我国中低产田改造的粮食增产潜力与粮食安全保障[J]. 农业现代化研究, 2005, 26 (1): 22-25. Zhang L, Zhang F R, Jiang G Hetal. Potential improvement of medium-low yield farmland and guarantee of food safety in China[J]. Research of Agricultural Modernization, 2005, 26 (1): 22-25.

[5] 龚子同, 张效朴. 我国水稻土资源特点及低产水稻土的增产潜力[J]. 农业现代化研究, 1988, 3: 33-36. Gong Z T, Zhang X P. Characteristics of paddy soil and increasing potential of low-yield paddy soil in China[J]. Research of Agricultural Modernization, 1988, 3: 33-36.

[6] 龚子同, 韦启璠, 龚高实. 石灰化水稻土的形成[J]. 土壤学报, 1988, 25(1): 1-12. Gong Z T, Wei Q F, Gong G S. On the formation of calcified paddy soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 1988, 25(1): 1-12.

[7] Xiao Z H. Principal types of low yield paddy soil in China[A]. Institute of Soil Science. Academia Sinica Proceedings of symposium in paddy soil[M]. Science Press, Beijing and Springer-Verlag, Berlin, 1981. 151-159.

[8] 臧小平, 张承林, 孙光明, 等. 酸性硫酸盐土壤上直接施用磷矿粉对水稻生长的影响[J]. 热带作物学报, 2002, 23(4): 89-96. Zang X P, Zhang C L, Sun G Metal. Effect of direct application of phosphate rocks on the growth of rice on acid sulphate soils in Guangdong province, China[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2002, 23(4): 89-96.

[9] 何春梅, 李昱, 李清华, 等. 咸酸田的形成、特性及可持续利用技术与对策[J]. 广西农学报, 2011, 26(6): 31-36. He C M, Li Y, Li Q Hetal. The formation and characteristics of salted-acid paddy soils and its sustainable use techniques and countermeasures[J]. Journal of Guangxi Agriculture, 2011, 26(6): 31-36.

[10] Bhardwaj A K, Jasrotiaa P, Hamiltona S Ketal. Ecological management of intensively cropped agro-ecosystems improves soil quality with sustained productivity[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2011, 140: 419-429.

[11] Moscatelli M C, Lagomarsino A, Garzillo A M Vetal. β-Glucosidase kinetic parameters as indicators of soil quality under conventional and organic cropping systems applying two analytical approaches[J]. Ecological Indicators, 2012, 13: 322-327.

[12] 谢坚, 郑圣先, 杨曾平, 等. 湖南双季稻种植区不同生产力水稻土质量综合评价[J]. 中国农业科学, 2010, 43(23): 4840-4851. Xie J, Zheng S X, Yang Z Petal. Comprehensive evaluation of soil quality in different productivity paddy soils in typical double-rice cropping regions of Hunan province[J]. Scientia Agricultural Sinica, 2010, 43(23): 4840-4851.

[13] 曹志洪, 周健民, 等. 中国土壤质量[M]. 北京: 科学出版社, 2008. Cao Z H, Zhou J Metal. Soil quality of China[M]. Beijing: Science Press, 2008.

[14] Yao R J, Yang J S, Gao Petal. Determining minimum data set for soil quality assessment of typical salt-affected farmland in the coastal reclamation area[J]. Soil & Tillage Research, 2013, 128: 137-148.

[15] Boluda R, Roca-Pérez L, Iranzo Metal. Determination of enzymatic activities using a miniaturized system as a rapid method to assess soil quality[J]. European Journal of Soil Science, 2014, 65: 286-294.

[16] Qi Y B, Darilek J L, Huang Betal. Evaluating soil quality indices in an agricultural region of Jiangsu Province, China[J]. Geoderma, 2009, 149: 325-334.

[17] Lima A C R, Brussaard L, Totola M Retal. A function evaluation of three indicator sets for assessing soil quality[J]. Applied Soil Ecology, 2013, 64: 194-200.

[18] Li P, Zhang T L, Wang X Xetal. Development of biological soil quality indicator system for subtropical China[J]. Soil & Tillage Research, 2013, 126: 112-118

[19] Liu Z J, Zhou W, Shen J Betal. Soil quality assessment of yellow clayey paddy soils with different productivity[J]. Biology and Fertility of Soils, 2014, 50: 537-548.

[20] Liu Z J, Zhou W, Shen J Betal. Soil quality of acid sulfate paddy soils with different productivities in Guangdong province[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2014, 13: 177-186.

[21] Liu Z J, Zhou W, Shen J Betal. Soil quality assessment of Albic soils with different productivities for eastern China[J]. Soil & Tillage Research, 2014, 140: 74-81.

[22] Bastida F, Zsolnay A, Hernández Tetal. Past, present and future of soil quality indices: A biological perspective[J]. Geoderma, 2008, 147: 159-171.

[23] Aziz I, Mahmood T, Islam K R. Effect of long term no-tillage and conventional tillage practices on soil quality[J]. Soil & Tillage Research, 2013, 131: 28-35.

[24] Romaniuk R, Giuffre L, Costantini Aetal. Assessment of soil microbial diversity measurements as indicators of soil functioning in organic and conventional horticulture systems[J]. Ecological Indicators, 2011, 11: 1345-1353.

[25] Obade V P, Lal R. Assessing land cover and soil quality by remote sensing and geographical information systems (GIS)[J]. Catena, 2014, 104: 77-92.

[26] Gomez-Alvarez V, Teal T K, Schmidt T M. Systematic artifacts in metagenomes from complex microbial communities[J]. ISME Journal, 2009, 3: 1314-1317.

[27] Ikeda S, Sasaki K, Okubo Tetal. Low nitrogen fertilization adapts rice root microbiome to low nutrient environment by changing biogeochemical functions[J]. Microbes and Environments, 2014, 29: 50-59.

[28] de Menezes A, Clipson N, Doyle E. Comparative metatranscriptomics reveals widespread community responses during phenanthrene degradation in soil[J]. Environmental Microbiology, 2012, 14: 2577-2588.

[29] Murase J, Shibata M, Lee C Getal. Incorporation of plant residue-derived carbon into the microeukaryotic community in a rice field soil revealed by DNA stable-isotope probing[J]. Fems Microbiology Ecology, 2012, 79: 371-379.

[30] Espana M, Rasche F, Kandeler E,etal. Identification of active bacteria involved in decomposition of complex maize and soybean residues in a tropical Vertisol using15N-DNA stable isotope probing[J]. Pedobiologia, 2011, 54: 187-193.

[31] Spaccini R, Piccolo A, Haberhauer Getal. Transformation of organic matter from maize residues into labile and humic fractions of three European soils as revealed by13C distribution and CPMAS-NMR spectra[J]. European Journal of Soil Science, 2000, 51: 583-594.

[32] 罗璐, 周萍, 童成立, 等. 长期施肥措施下稻田土壤有机质稳定性研究[J]. 环境科学, 2013, 34: 692-697. Luo L, Zhou P, Tong C Letal. Study on mechanism of SOM stabilization of paddy soils under long-term fertilizations[J]. Environmental Science, 2013, 34: 692-697.

[33] 熊明彪, 舒芬, 宋光煜, 等. 南方丘陵区土壤潜育化的发生与生态环境建设[J]. 土壤与环境, 2002, 11(2): 197-201. Xiong M B, Shu F, Song G Yetal. Occurrence and ecological environmental construction of soil gleization in austral hilly area of China[J]. Soil and Environmental Sciences, 2002, 11(2): 197-201.

[34] 董稳军, 徐培智, 张仁陟, 等. 土壤改良剂对冷浸田土壤特性和水稻群体质量的影响[J]. 中国生态农业学报, 2013, 21(7): 810-816. Dong W J, Xu P Z, Zhang R Zetal. Effects of soil amendments on soil properties and population quality of rice in cold waterlogged paddy field[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(7): 810-816.

[35] 徐富贤, 熊洪, 朱永川, 等. 川东南冬水田杂交中稻进一步高产的栽培策略[J]. 作物学报, 2007, 33(6): 1004-1009. Xu F X, Xiong H, Zhu Y Cetal. Cultivation strategy of hybrid mid-season rice for further high yield in winter water-logged field in the Southeast of Sichuan province[J]. Acta Agronomica Sinica, 2007, 33(6): 1004-1009.

[36] 紫娟娟, 廖敏, 徐培智, 等. 我国主要低产水稻冷浸田养分障碍因子特征分析[J]. 水土保持学报, 2012, 26(2): 284-288. Zi J J, Liao M, Xu P Zetal. Feature analysis on nutrient restrictive factors of major low productive waterlogged paddy soils in China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(2): 284-288.

[37] 曹芬芳, 曾燕, 夏冰, 等. 冷浸田双季稻品种和栽培方式比较研究[J]. 作物研究, 2014, 28(1): 1-6. Cao F F, Zeng Y, Xia Betal. Comparison study on optimum cultivars and cultivation methods of double cropping rice in cold water paddy field[J]. Crop Research, 2014, 28(1): 1-6.

[38] 董稳军, 张仁陟, 黄旭, 等. 明沟排水对冷浸田土壤理化性质及产量的影响[J]. 灌溉排水学报, 2014, 33(2): 114-116. Dong W J, Zhang R Z, Huang Xetal. Effects of open ditch drainage on soil physical and chemical properties and yield of rice in cold spring paddy soils[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2014, 33(2): 114-116.

[39] 冀建华, 刘秀梅, 李祖章, 等. 长期施肥对黄泥田碳和氮及氮素利用的影响[J]. 中国农业科学, 2011, 44(12): 2484-2494. Ji J H, Liu X M, Li Z Zetal. Effects of long-term fertilization on carbon and nitrogen in yellow clayey soil and its nitrogen utilization[J]. Scientia Agricultural Sinica, 2011, 44(12): 2484-2494.

[40] 董春华, 高菊生, 曾希柏, 等. 长期有机无机肥配施下红壤性稻田水稻产量及土壤有机碳变化特征[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(2): 336-345. Dong C H, Gao J S, Zeng X Betal. Effects of long-term organic manure and inorganic fertilizer combined application on rice yield and soil organic carbon content in reddish paddy soils[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(2): 336-345.

[41] 王飞, 林城, 林新坚, 等. 连续翻压紫云英对福建单季稻产量与化肥氮素吸收、分配及残留的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(4): 896-904. Wang F, Lin C, Lin X Jetal. Effects of continuous turnover of Astragalus sinicus on rice yield and N absorption distribution and residue in single-cropping rice regions of Fujian Province[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(4): 896-904.

[42] 王建红, 曹凯, 张贤. 紫云英翻压量对单季晚稻养分吸收和产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(1): 156-163. Wang J H, Cao K, Zhang X. Effects of incorporation amounts of Chinese milk vetch on nutrient uptake and yield of single cropping late rice[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(1): 156-163.

[43] 王飞, 林诚, 李清华, 等. 长期不同施肥对南方黄泥田水稻籽粒品质性状与土壤肥力因子的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(2): 283-290. Wang F, Lin C, Li Q Hetal. Effects of long-term fertilization on rice grain qualities and soil fertility factors in yellos paddy fields of southern China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(2): 283-290.

[44] 杨帆, 李荣, 崔勇, 等. 我国南方秸秆还田的培肥增产效应[J]. 中国土壤与肥料, 2011, 1: 10-14. Yang F, Li R, Cui Yetal. Effect of straw returning on improving soil fertility and increasing crop yield in Southern China[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2011, 1: 10-14.

[45] 王培燕, 黄 标, 王 虹, 等. 太湖地区水耕人为土中漂白层的成因探讨[J]. 土壤学报, 2014, 51(3): 470-481. Wang P Y, Huang B, Wang Hetal. Causes of formation of albic horizon in stagnic anthrosol in the Taihu Lake Region, Jiangsu Province, China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(3): 470-481

[46] 汪建飞, 李粉茹, 金德胜. 黄白土的持水特性及施用有机物料的效应研究[J]. 水土保持学报, 2002, 16(2): 133-135. Wang J F, Li F R, Jin D S. Water holding property of yellow white soil and effects of applying organic matter[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2002, 16(2): 133-135.

[47] 吴萍萍, 汪家嘉, 李录久. 不同耕作与施肥方式下白土水稻产量及养分吸收量[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(3): 754-760. Wu P P, Wang J J, Li L J. Rice yields and nutrient uptake under different ploughing depths and fertilizations in white soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(3): 754-760.

[48] 李伯欣, 徐培智, 周柏权, 等. 适宜于改良后酸性田和反酸田的水稻品种筛选试验[J]. 广东农业科学, 2011, 12: 13-14. Li B X, Xu P Z, Zhou B Qetal. Screening experiment for rice varieties suitable for improved acid sulfate paddy soils[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2011, 12: 13-14.

[49] 易琼, 杨少海, 黄巧义, 等. 改良剂对反酸田土壤性质与水稻产量的影响[J]. 土壤学报, 2014, 51(1): 176-183. Yi Q, Yang S H, Huang Q Yetal. Effect of soil ameliorants on soil properties and rice yield of acid sulfate paddy field[J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(1): 176-183.

[50] Liu G M, Yang J S, Yao R J. Electrical conductivity in soil extracts: Chemical factors and their intensity[J]. Pedosphere, 2006, 16(1): 100-107.

[51] 刘广明, 彭世彰, 杨劲松. 不同控制灌溉方式下稻田土壤盐分动态变化研究[J]. 农业工程学报, 2007, 23(7): 86-89. Liu G M, Peng S Z, Yang J S. Soil salt dynamics of rice field under different controlled irrigation conditions[J]. Transactions of the CSAE, 2007, 23(7): 86-89.

[52] Peng J L, Lei W J, Huang J Cetal. Effects of straw covering and different types of potassium fertilizer on salinity accumulation in surface layer of tobacco-planted paddy soil[J]. Agricultural Science and Technology, 2013, 14: 905-910.

[53] Liang Y C, Wong J W C, Wei L. Silicon mediated enhancement of cadmium tolerance in maize (ZeamaysL.) grown in cadmium contaminated soil[J]. Chemosphere, 2005, 58: 475-483.

[54] 周歆, 周航, 曾敏, 等. 石灰石和海泡石组配对水稻糙米重金属积累的影响[J]. 土壤学报, 2014, 51(3): 555-563. Zhou X, Zhou H, Zeng Metal. Effects of combined amendment (limestone + sepiolite) on heavy metal accumulation in brown rice[J]. Acta Pedologica Sinica,2014,51(3): 555-563

[55] Yang X C, Lin L, Chen M Yetal. A nonpathogenicFusariumoxysporumstrain enchances phytoextraction of heavy metals by the hyperaccumulatorSedumalfrediiHance[J]. Journal of Hazardous Materials, 2012, 229: 361-370.

[56] Bolan N, Kunhikrishnan A, Thangarajan Retal. Remediation of heavy metal(loid)s contaminated soils - To mobilize or to immobilize?[J]. Journal of Hazardous Materials, 2014, 266: 141-166.

[57] 何萍, 金继运, Pampolino M Fetal. 基于作物产量反应和农学效率的推荐施肥方法[J]. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(2): 499-505. He P, Jin J Y, Pampolino M Fetal. Approach and decision support system based on crop yield response and agronomic efficiency[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(2): 499-505.

[58] Chuan L M, He P, Jin J Yetal. Estimating nutrient uptake requirements for wheat in China[J]. Field Crops Research, 2013, 146: 96-104.

[59] Xu X P, He P, Pampolino M Fetal. Nutrient requirements for maize in China based on QUEFTS analysis[J]. Field Crops Research, 2013, 150: 115-125.

[60] Xu X P, He P, Pampolino M Fetal. Fertilizer recommendation for maize in China based on yield response and agronomic efficiency[J]. Field Crops Research, 2014, 157: 27-34.

Research strategy of reclamation and management for low-yield rice paddy soils

LIU Zhan-jun1, 2, AI Chao1, XU Xin-peng1, ZHANG Qian1, LÜ Jia-long2, ZHOU Wei1*

(1InstituteofAgriculturalResourceandRegionalPlanning,CAAS,Beijing100081,China; 2CollegeofResource&Environment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

The land reserves which can be potentially opened for farming purpose are extremely limited in China, the amelioration of farmlands with low productivity plays all important roles in the grain production increment. Low-yield rice paddy soils constitute high proportion in the total low fertility soils, many studies have been carried out to investigate their fertility characteristics and effective technologies for their improvements. However, these researches are scattered, lack of systematic integration, have not formed strategic management rules. Therefore, the types of low yield rice paddy soils, the novel technologies and approaches are reviewed, and the possible technological breakthrough is proposed. According to the data from the Ministry of Agriculture of the Peoples’ Republic of China, there are about 7.67×107ha low-yield rice paddy soil nationwide, which can be divided into four major groups: cold-gleyed paddy soil, bonded paddy soil, harden paddy soil and contaminated paddy soil, according to their intrinsic constraints or detrimental condition. The soil quality assessment was crucial for chosing suitable improving method of low-yield rice paddy soil. Four approaches were commonly used to evaluate soil quality: dynamics method, integrated scoring method, multiple-variable indicator kring (MVIK) method, and relative quality method. Basically, the soil quality assessments are based on the employment of GIS and the soil biological properties. Through the use of new technologies including isotope probing, fourier transform infrared spectoroscopy (FTIR) and CPMS13C-NMR spectra, the analyses of soil organic C distribution in micro-aggregate, humus transformation and their binding mechanism with soil minerals have been deep into micro-level. Meanwhile, the application of new analytic methods such as high-throughput sequencing, soil macro genomics and macro transcriptome also made the relative researches to molecular level.Rrecommended fertilization based on yield response and agronomy efficiency will continually to be the core of nutrient management of paddy fields for exploring the yield increase potentials. For the assessment of soil quality, specific researches are still needed for individual limiting factors in different low-yield paddy soils. The criteria of soil biological properties are also need to be strengthened in the assessment of soil quality. For the amelioration of the low-yield paddy soils, studies related to the forming mechanism of soil barrier and the corresponding amendment ways still need to be carried out. The reformation of other types of low-yield paddy soils including new-reclaimed, salinized, calcified and contaminated paddy fields are also need concerning. The effects of long-term amendments on soil humus structure, enzymes, microbial diversity and functional gene in aggregate level are always need to be traced. Technologies including crop residue incorporation, recommended fertilization, selectivity of resistant cultivars and mass control deserve focused in agricultural management of low-yield rice paddy soil.

low-yield paddy soils; reclamation; strategy

2014-08-26 接受日期： 2014-11-17

公益性行业(农业)科研专项(201003016)；国家重点基础研究发展计划课题(2013CB127405)资助。

刘占军(1984—)， 男， 河南新密人， 博士， 主要从事土壤养分循环与高效利用研究。E-mail: liuzhanjun07@126.com * 通信作者 E-mail: wzhou@caas.ac.cn

S155.2+92; S156.93

A

1008-505X(2015)02-0509-08