中国再生稻田土壤培肥途径的研究与实践

李成芳+胡红青+曹凑贵+黄见良+周勇+朱建强+秦鱼生+杭晓宁+尧水红+张卫建

摘要：综述了再生稻发展历史、研究现状及存在的问题，重点剖析了再生稻田土壤培肥途径与机制，提出了秸秆还田、茬口期利用、深耕改土和合理施用有机肥等多途径培肥措施，旨在为中国再生稻生产和高产稻田培肥研究与实践提供科学指导。

关键词：再生稻；培肥；途径与机制

中图分类号：S158 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）14-2666-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.016

Abstract： The history， research and problem of ratoon rice in China was reviewed. The approaches and mechanisms of improvement of ratoon rice soil fertility， and thus proposed several agronomic measures for improving soil fertility， including straw returning， planting green manure crops during stubbles period， deep tillage and rational fertilization were analyzed， which would provide a scientific basis for high yield of ratoon rice and improvement of paddy soil fertility in China.

Key words： ratoon rice； improvement of soil fertility； approaches and mechanisms

再生稻是利用第一季水稻收割后稻茬上存活的休眠芽，采取一定的栽培管理措施使之再生蘖、抽穗、成熟与收割的一季水稻[1]。再生稻具有生育期短、省工、省种、节水、生产成本低、稻谷品质好与经济效益高等优点，已成为中国南方稻作区水稻种植的一种重要的轻简化耕作制度，对于保障国家粮食安全起着重要作用。

当前，国内外已从栽培角度对再生稻的形态、生理与生态等方面开展了广泛的研究，特别是中国在再生稻研究上取得了丰硕的成果[1-5]。然而，由于持续种植同一品种水稻、收获后茬口期积温不足、头季稻秸秆直接覆盖还田、再生稻季肥料来源于头季稻中后期施入的促芽肥等原因，导致再生稻稻田土壤养分失调、冬季稻田空闲、再生稻季土壤碳排放量高、再生季土壤容重增加。当前研究往往忽略了再生稻栽培过程中出现的土壤环境问题。

针对以上问题，围绕再生稻稻田土壤培肥与耕作技术优化，重点分析湖北、四川、重庆等省（市）稻作区再生稻稻田土壤肥力变化特征与障碍因子，综述了再生稻稻田生物培肥、秸秆还田、耕作与施肥技术，在此基础上提出机械化的土壤培肥途径，进行再生稻生物培肥与周年轮耕技术集成，为提高再生稻土壤肥力与保障中国粮食安全提供科学依据。

1 再生稻栽培技术

在种植一季稻热量有余，而种植双季稻热量又不足的地区及双季稻区只种一季中稻的稻田发展再生稻，是提高复种指数、增加稻田单位面积稻谷产量和经济收入的有效措施之一[5]。再生稻一次播种，两次收割，是实现水稻轻简栽培的捷径之一[5]。同时，水稻再生季叶片具有短而直、窄而厚的特点，且稻田通风、透光性得到了改善，有利于群体进行光合作用；且其抽穗至灌浆期多在9月上中旬以后，昼夜温差大，日照充足，有利于光合产物的积累，使得再生稻米品质变优[6]。因此，除中国外，还有许多国家和地区也发展再生稻，如美国德克萨斯与路易斯安那州、印度、日本、伊朗、泰国、菲律宾与巴西，也具有一定面积的再生稻[1，4，6，7]。

国际上已从栽培角度对再生稻的形态、生理与生态等方面开展了广泛的研究。在美国，研究者主要针对再生稻光合特性、产量与品质，分析了留茬高度、施肥等的影响，强调了再生稻在环境效益、不可再生资源、居民生活质量方面的作用，以期发展可持续的再生稻生产[4，8]；马来西亚主要研究了再生稻的生长规律与产量构成，探讨发展再生稻适应该国气候地形特点，以解决粮食不足问题[1，9]；伊朗研究者探讨了头季稻收获时间、肥料施用、留茬高度、茬口期种植作物对再生稻产量、农艺性状、干物质形成与分配等影响[6，10，11]；在日本，研究者探究了播种量、行距、水分、头季稻留茬高度等对再生稻生育期、产量与肥料利用率的影响[7，12]，且许多国家与地区根据自身的气候、土壤等特点提出了相应的推荐标准[1，4]。顯然，国际上关于再生稻的研究主要考虑了农艺措施对再生稻形态、生态等的影响，很少涉及再生稻种植对土壤的影响，导致对评估再生稻的生态、社会与经济效益产生偏差，最终影响再生稻的推广。

自20世纪60年代美国、日本等开始种植再生稻以来，已经明确了再生稻的生育规律，形成了相应的再生稻栽培技术，并进行了商业化生产。但是没有关注其需肥规律、种植后对土壤肥力和生态环境的影响，未见有关再生稻土壤培肥与耕作的报道。

2 再生稻稻田土壤障碍因子分析与生态特征

再生稻是南方稻区提高复种指数、增加稻谷单产和提高种稻比较效益的有效措施[5]。由于中国南方主要稻作区劳动力紧张，种植再生稻可以缓解劳动力紧张的问题。同时，与双季稻作和水旱轮作相比，再生稻稻谷品质优且经济效益高[13]，已逐渐发展成为中国重要的水稻种植制度，种植面积达73万hm2 [13]，其中四川省、重庆市的双季稻已有相当部分被中稻—再生稻取代，湖北、湖南、浙江和安徽等省也在大力恢复和发展再生稻种植[5]。

现有研究主要针对再生稻自身的形态、生理、生态进行了探讨，忽略了再生稻种植可能对土壤肥力和生态环境造成影响。与双季稻或水旱轮作不同，再生稻由于特殊的栽培与管理措施，导致了一系列土壤问题。虽然研究表明中稻—再生稻模式较水旱轮作或双季稻模式提高了稻田产出效益，然而再生稻单产较低（中国平均单产1 600～2 200 kg/hm2），一定程度上影响再生稻的推广及其产业化[5，13]。较低的再生稻产量除与水稻自身特性有关外，再生稻稻田土壤肥力与耕作技术也是重要的制约因素[13，14]。

研究表明，再生稻田限制稻谷产量的主要土壤因素有：①再生季稻田土壤实施免耕，因此土壤容重提高，土壤易板结，同时稻田熟化层变浅，有待加深；②稻田长时间淹水，导致还原性物质积累；③头季与再生季水稻持续对土壤养分的吸收，且施肥不平衡，导致土壤养分失调；④单一种植制度导致土壤生物多样性降低，缓冲性和抗逆性减弱[15]。

与双季稻作或水旱轮作不同，再生稻头季和再生季为同一品种；同时，再生稻的肥料主要来源于头季施入的促芽肥，即在头季稻齐穗的中后期追施少量氮肥和钾肥以促芽[5]，虽然促进了头季稻的根系生长及再生稻再生芽萌发，但造成再生稻中后期缺肥。因此，再生稻从土壤吸收营养难以满足中后期生长发育对营养物质的需求。所以，相对于传统的双季稻作与水旱轮作，持续的再生稻种植可能会造成土壤养分失调，特别是土壤磷、钾含量相对短缺，氮则出现盈余。

此外，与双季稻作和水旱轮作不同，为防止秸秆从稻田移走造成对再生稻休眠芽的机械损伤，同时减少劳动强度与节约成本，头季稻收获后秸秆直接还田。虽然秸秆还田能作为一种有机肥投入，改善土壤的理化性质，增加土壤有机碳的积累[16，17]，但同时也提高了土壤微生物活性[18]，导致微生物对秸秆的分解加速，从而增加稻田CO2排放。头季稻秸秆覆盖在稻田表面，虽然减少秸秆与土壤的接触，使部分秸秆进行有氧降解，但秸秆的降解产物为土壤内部产甲烷菌提供了养料，导致再生稻稻田CH4排放高于双季稻作与水旱轮作。

在中国南方，湖北、四川、重庆等省（市）采用头季稻与再生稻种植模式，其头季加再生季水稻生育期一般从4月上旬到10月中下旬；而10月中下旬到次年3月积温不足以发展粮食作物，大多地区在再生稻收获后土地撂荒，造成光、温、水等气候资源与土地资源严重浪费。因此，充分利用再生稻收获后茬口期的光热水与土地资源，不仅可以获得更大的经济效益及社会效益，也能有效地培肥土壤。

3 再生稻田土壤培肥途径

土壤肥力是从环境条件和营养条件两方面供应和协调作物生长、发育的能力，是土壤物理、化学和生物等性质的综合反映[19]。当前，中国已开展了大量不同稻作类型下稻田土壤肥力的研究，主要针对土壤肥力的时空演变规律，土壤肥力对水稻产量与品质的影响，以及土壤肥力对土壤耕作的响应等，明确了不同农艺措施下土壤肥力对水稻产量与肥料利用率的影响[20]。有研究表明高产水稻子粒中氮素有30%以上来自土壤[21]。与双季稻和水旱轮作稻田不同，再生稻稻田由于特殊的田间管理与栽培耕作措施，其土壤肥力及变化动态明显不同；同时再生稻也具有特定的养分吸收规律，即在头季稻成熟—再生稻齐穗期，再生稻因再生芽的萌发与伸长，肥料吸收利用率高；在齐穗期，因子粒灌浆，再生稻对肥料吸收依然旺盛[5]。然而，有关再生稻稻田土壤肥力与水稻肥料吸收、产量关系方面的研究尚未见报道，这不仅制约了再生稻的合理施肥，也带来了潜在的环境危害。

1）稻草还田培肥。稻草还田可以利用生物效应改善土壤缓冲能力，调节土壤的酸碱度；增加土壤孔隙，改善土壤团粒结构，提高土壤内阳离子吸收能力，提高土壤肥力；提高微生物活力，有利于微生物生长繁殖；增加土壤中钾含量，提高土壤的供钾能力[22-24]。陈道友等[16]研究表明，稻草还田后土壤有机质含量持续增大，土壤中速效养分含量增加明显，容重持续下降，孔隙度持续增加。因此推广稻草还田技术将成为培肥再生稻稻田与平衡再生稻稻田土壤肥力的重要措施之一。

2）茬口期种植绿肥。作为耗地作物，水稻需要从稻田土壤中吸取大量的氮、磷等营养元素，只有少部分以残茬和根系等形式归还土壤，大部分被子粒与秸秆带出稻田。茬口期种植绿肥，其根系对土壤有良好的刺空和挤压作用，能促使土壤黏粒团聚与容重降低。绿肥种植后还田能提高土壤全氮、碱解氮含量，加速土壤矿化，促进水稻对磷素和钾素的吸收[25]。高菊生等[26]报道，在湘南地区水田冬种绿肥，即把绿肥作有机肥施用，不仅能充分利用该地区第二雨季的水热资源，还可以在高产稳产的同时改善和提高土壤肥力，这是因为绿肥具有更新土壤腐殖质、提高土壤有机质、改善土壤理化性状和提高土壤磷有效性等作用。

3）增施有机肥。施用化肥可以使作物产量有较大的增加，但有研究表明，长期只施化肥不施有机肥会导致土壤板结，结构破坏，肥力下降[27]。施用腐熟有机肥来培肥土壤在中国有着悠久的历史，而且在化肥大范围使用前，有机肥是改良土壤结构、提高土壤肥力和增加作物产量的有效措施[28，29]。

4）合理施肥。中國稻田背景氮明显高于其他国家的稻田。土壤背景氮高是由于长期施用大量无机肥和有机肥在稻田土壤中积累所致。土壤背景氮过高，将导致休耕期更多的氮素损失进入环境，而因水稻在低背景氮的土壤条件下应比高背景氮条件下对氮肥的反应更为敏感，当氮肥施用量大时将导致水稻氮肥农学利用率降低[30]。因此，依据水稻生长对养分的需要进行合理与平衡施肥，将有效地降低肥料使用量，降低土壤肥力失衡的几率[31]。

5）加深耕作层，促进团聚体形成。合理耕层构建是中国目前高标准农田建设和中低产田开发研究的共性问题，对大幅度提升耕地质量及综合生产能力具有重要意义。其耕层结构直接关系作物产量和生态环境。目前，对稻田的连续高强度开发和不合理利用，致使稻田土壤耕层变浅、犁底层加厚、土壤容重偏高，致使水稻植株根系分布浅、营养吸收范围小、肥水利用率低[32]。因此，加深耕作层，改善耕作层通气性，将有利于水稻田土壤生产力的提高。目前可通过由多耕到少免耕，由表层松土到残茬覆盖再到秸秆（含残茬）覆盖，由机械除草到化学除草，由单一机械耕作到土壤施肥、灌溉、种植机械作业一体化[32]等多种途径加深稻田耕作层。

4 近期的研究问题与突破点

针对中国再生稻生产过程土壤肥力失调，土壤碳排放大与茬口期气候与土壤资源浪费、机械化程度低等突出问题，在再生稻稻作区应开展再生稻稻田生物培肥与周年轮耕集成研究，重点研究再生稻的土壤肥力变化特征与障碍因子、茬口期生物培肥技术、秸秆还田技术，在此基础上提出机械化的培肥技术。

1）中稻蓄留再生稻土壤肥力变化特征及其生态调控途径。在再生稻稻作区原位长期监测不同再生稻稻田模式（早稻蓄留再生稻、中稻蓄留再生稻）与不同再生稻品种（籼稻与粳稻）稻田土壤肥力变化特征，并与当地主要常规稻作模式（双季稻、油稻、麦稻）的土壤肥力变化比较分析，阐明中国主要再生稻稻作区土壤肥力变化特征，明确影响再生稻稻田土壤肥力的障碍因子，提出改善再生稻稻田土壤肥力的生态调节途径；同时，分析不同模式与品种下再生稻氮、磷、钾的吸收利用规律，研究其与土壤肥力的相关性，提出科学合理的施肥技术。

2）再生稻稻田土壤培肥技术及替代品筛选与应用。针对土壤肥力失调、养分损失大、土壤碳排放大与茬口期土壤资源浪费等问题，在主要再生稻稻作区研究茬口期生物培肥与土地资源高效利用技术，即通过在茬口期种植豆科作物、紫云英、三叶苜蓿、饲料油菜等筛选高效生态的培肥与土壤资源利用技术；优化秸秆还田技术，探讨秸秆处理方式与秸秆配合添加剂等降低稻田碳排放、改良土壤理化性质、培肥土壤的作用；周年耕作施肥技术，即设计头季稻施用氮、磷、钾肥比例、用量与施肥运筹，配合再生稻季耕作，减少肥料损失，建立生态经济丰产的耕作施肥技术。

3）再生稻稻田土壤培肥与耕作的关键机具选改型及配套。针对再生稻生长过程中机械化程度低，且肥料利用率低等问题，应利用长期定位试验基地，研究不同机具配合施肥下再生稻稻田头季稻与再生稻的养分吸收规律，阐明机械化施肥对再生稻养分吸收利用的影响，明确再生稻稻田机械化施肥技术，提出适宜中国再生稻机械化的增产增效的再生稻周年施肥模式。

4）再生稻稻田土壤团聚体形成与肥沃耕层构建。

5）研究方法创新。一方面，传统的大田试验和长期定位研究相结合。观察土壤肥力长期演变规律，分析得出有效培肥措施。另一方面，充分利用现代科技手段。利用环境分子技术，如磷脂脂肪酸技术（PLFA）、荧光定量PCR技术、高通量测序技术，分析再生稻稻田土壤微生物群落的变化，结合结构式方程模型等，明确再生稻稻田土壤肥力的变化特征及其障碍因子；结构方程模型能揭示农艺措施与土壤肥力间的内在关系，揭示影响土壤肥力的障碍因子。其是基于变量的协方差矩阵来分析变量之间关系的一种方法，是由两个或两个以上结构方程的组合表示变量间相互关系的联立方程组；利用同位素技术、能谱和显微技术等手段，揭示团聚体形成过程与机制，探明养分运移规律与有效化。

5 小結

再生稻栽培是一项绿色、节本增效的种植制度，对于保障中国粮食安全，提高农民的经济收入具有重要意义。然而，在发展再生稻时也应注意其栽培过程中对稻田土壤肥力的不利影响，因此要在明确再生稻肥料利用规律、稻田土壤肥力的变化特征及其障碍因子基础上，确定茬口期生物培肥技术，明确优化秸秆还田与机械化施肥技术，研制精确的再生稻稻田生物培肥技术、秸秆还田与耕作技术，结合机械化，优化、集成、组装出适宜中国再生稻稻田土壤的培肥与耕作模式。

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