盐化草甸土春秋整地对土壤性状及水稻产量的影响

王秋菊，刘 峰，常本超，姜 辉，孙 兵，刘艳霞,焦 峰

(1.黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，黑龙江 哈尔滨 150086;2.黑龙江省农业科学院，黑龙江 哈尔滨 150086；3.黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；4.黑龙江省农业科学院遥感技术中心,黑龙江 哈尔滨 150086；5.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319)

黑龙江省是国家重要粳稻产区，水稻种植面积达到400万hm2，为保障国家粮食安全做出重要贡献[1]。受大陆季风气候影响，黑龙江省气候雨热同季，秋季短促，冬季寒冷漫长，每年11月初土壤进入冻结后，直到翌年4月才开始逐渐解冻[2]。由于水稻收获后土壤封冻早，秋季来不及翻耕就进入结冻期，整地时期往往延迟至翌年春季进行。有研究认为旱田秋季整地有利于提高土壤碎土，改善耕层土壤结构，增加土壤保墒，提高作物保苗率及作物产量[3-4]。由于水田土壤管理与旱田明显不同，特别是在春季入水泡田后要进行水耙、搅浆，然后插秧，之后一直保持水层管理。很多水稻生产者因此认为春、秋整地没有本质差别，所以将耕翻整地时间拖延到春季。日本学者认为长期淹水的水田土壤经过一段时间的干燥后，可以提高土壤氮素的有效性，并将其称之为干土效应[5]，可见，水田土壤秋季耕翻整地后土壤迅速脱水干燥必然会导致土壤养分变化[6]。黑龙江省水田土壤多分布在地势较低，土质黏重，地下潜水位高，土壤排水不良的地区，加之水稻收获后土壤在饱和状态下越冬，来年春季升温后溶化的冰雪长期滞留在地表，影响土壤养分矿化，土壤养分释放慢[7]；春季整地后直接入水，几乎没有晒垡时间，必然对水稻生育和产量产生不利影响。本文通过分析春、秋整地对水田土壤理化性质及水稻生育和产量的影响，为提出合理的耕作措施提供理论科学依据，为改善土壤结构、提高肥力和构建合理水田耕层环境提供技术支撑[8]。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验地点位于黑龙江省哈尔滨市道外区民主乡黑龙江省农业科学院示范园区水田试验区(东经127°08′，北纬45°47′)，土壤类型为盐化草甸土。从表1供试土壤基本化学性质看出，交换性钙、镁含量低，而钠饱和度高达39.34%，呈碱性，速效养分属于较低水平；从表2列出的土壤物理性质看出，供试土壤土质粘重，固相率高达55.81%～66.06%，土壤紧实、通透性差。供试地块长期种植水稻，耕作方式一直采用春季旋耕，然后水泡田整地模式。

表1 供试土壤化学性质

表2 供试土壤物理性质

1.2 试验设计

采用大区对比试验方法，每个处理面积400 m2，设秋季旋耕区和春季旋耕区，3次重复，耕深8～10 cm。2014年秋旋耕区于水稻收获后10月进行处理，春旋耕区于翌年4月入水前处理；2015年10月下旬、2016年4月上旬分别在上年处理圃场上继续进行相同处理。应用旋耕机械型号：GAN200。春旋及秋旋处理均采用旋耕机械进行，旋耕深度为8～10 cm。

2015年4月25日入水泡田，5月1日打浆，5月10日插秧；2016年4月27日入水泡田，5月3日打浆，5月15日插秧，各区田间施肥、灌水等管理一致。施肥种类分别为尿素、二铵和氯化钾。施肥方法及施肥量：总施肥量为N 165 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2,K2O 60 kg·hm-2；其中N肥施用比例按照基肥∶返青肥∶穗肥=4∶3∶3，K肥按照基肥∶穗肥=3∶2施用，P肥作为基肥1次性施入。基肥采用全层施肥，即在人工撒施后进行水整地；追肥人工表施，返青肥在水稻返青后，穗肥在拔节期；灌溉模式在水稻分蘖期和孕穗期、灌浆期一直保持有水层，其它时期均采用浅-湿-干间歇灌溉模式；供试水稻品种为龙稻5。

1.3 调查项目与方法

土壤取样方法：理化性质调查分3次取样，第1次取样在2015年10月水稻收获后，第2次取样在2016年4月水稻春季旋耕作业前，第3次在2016年10月水稻收获后进行。取样时在各处理区中央部位挖一个长×宽×深为40×40×40 cm的土壤剖面，用100 mL环刀分层取原状土样，取样层次为>5～10、>15～20、>25～30 cm，每层取3个平行样，取样后用胶带密封环刀后带回实验室测定土壤物理性质；同时按照0～10、>10～20、>20～30 cm土层取样，其中0～10和10～20 cm土层每个处理按S形取样5点，混合后，按对角线四分法留500 g左右土样进行化学性质测定。

化学指标分析方法：土壤pH值采用美国产原位土壤pH计测定，测定位置分别为5、15、25 cm，每层测5点，取平均值；碱解氮采用扩散吸收法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠提取法测定[9]；速效钾含量采用盐酸浸提-AAS法测定；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定；阳离子代换量采用乙酸铵交换法测定[10]。

物理指标测定方法：用DIK-1130土壤三相测定仪测定土壤三相比；土壤容重采用环刀法测定，土壤含水量采用烘干法测定；土壤饱和导水率采用DIK-4012土壤透水性测定仪测定；土壤通气系数采用DIK-5001土壤透气性测定仪测定[11]；土壤粒级组成采用MS-2000激光粒度仪测定，参照杨金玲等[12]提出的校正系数进行土壤粒级分级的校正。

水稻根系活力的测定：采用根系伤流法测定，于2015年水稻分蘖末期取代表性植株5株，剪去茎秆，距离地面留茬5 cm，用脱脂棉覆盖后，用塑封膜密封，经过1 d(24 h)后取下脱脂棉，称重，记下脱脂棉增加的重量[13]。

植株养分测定：于水稻成熟期每个处理取有代表性植株10株，带回实验室，烘干、粉碎后测定植株氮、磷、钾含量。全氮采用凯氏定氮法，全磷采用钼锑抗比色法，全钾采用火焰光度法测定。

作物产量测定：每个区取3点，每点2 m2，室内考种调查产量性状，并实测产量。

1.4 数据分析

用Excel 2003及DPS 6.85处理数据及试验数据的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 对土壤化学性质的影响

各处理土壤调查时期分别为2015年10月、2016年4月和10月，共3次。从图1中土壤碱解氮调查结果看，不同土层土壤碱解氮含量，3次调查结果均是秋旋高于春旋，0～10 cm土层碱解氮含量3次结果平均增加11.07%，10～20、20～30 cm土层土壤碱解氮含量分别平均增加45.06%和31.75%，0～30 cm碱解氮含量平均增加29.30%。从图2看出，土壤有效磷在0～10、10～20、20～30 cm土层3次取样平均值，秋旋比春旋分别增加20.77%、41.60%、68.92%，0～30 cm土层平均增加43.77%，但10～20和20～30 cm土层土壤有效磷含量在2016年4月取样测得结果春旋和秋旋差异不大，甚至有降低趋势，可能与取样误差或春季土壤处于不同状态有关，有待于深入研究。从图3看出，土壤速效钾0～10、10～20、20～30 cm土层秋旋比春旋分别增加20.61%、20.30%、31.26%，0～30 cm土层平均增加24.06%；秋旋可以提高土壤速效养分含量，差异达显著或极显著水平。此外,2015年春季取样的耕层土壤在恒温30℃条件下进行淹水培养7 d后测定土壤铵态氮结果，秋旋处理为29.87 mg·kg-1，比春旋增加7.94 mg·kg-1，此结果与多位学者对湿土、干土效果的研究结果一致[14-16]。

图1 整地时期对土壤碱解氮的影响

注：大、小写字母分别表示0.01水平差异极显著、0.05水平差异显著。下同。

图2 整地时期对土壤有效磷的影响

图3 整地时期对土壤速效钾的影响

2016年春季和秋季两次取样测定不同土层土壤交换性钠离子含量(图4)，结果表明，秋旋处理土壤中交换性钠离子含量在0～10和10～20 cm土层比春旋处理降低，其中0～10 cm土层，两次取样降低幅度为11.16%～48.89%；10～20 cm土层降低16.31%～129.72%，差异极显著；20～30 cm土层两次取样结果不一致，有待于进一步调查。秋旋土壤交换性钠变化不明显，但春旋处理土壤中交换性钠离子种稻后明显升高，可能是由于秋旋地表粗糙程度增加，土壤毛管被切断，导致地下水上升受阻；而春旋下层土壤水分沿毛管上升到地表，钠离子在土壤上层聚集。总之，秋季整地后，经过秋、冬、春季的晾垡、冻垡和晒垡过程，可以改善土壤的盐化。土壤pH值与交换性钠含量呈正相关[17]，由于钠离子含量降低，秋旋区的土壤pH值也随之降低，下降幅度为0.10～0.36(图5)，在10～30 cm土层差异显著。

图4 整地时期对土壤钠离子含量的影响

图5 整地时期对土壤pH值的影响

2.2 对土壤物理性质的影响

图6是2015年水田入水前土壤含水量调查结果，秋旋耕区低于春旋耕区，0～10 cm土层降低10.07%,差异显著，10～20 cm降低5.30%，说明秋季整地使土壤湿度下降。土壤容重春旋耕区高于秋旋耕区，0～10 cm土层下降0.02 g·cm-3，10～20 cm土层下降0.04 g·cm-3(图7)。

2.3 对水稻伤流量的影响

水稻伤流量大小直接反映水稻主动吸收养分能力，是根系活力的重要表征指标。图8展示了不同处理水稻的伤流量，秋旋耕比春旋耕增加15.01%，差异显著。水稻根系活力的提高，更有利于根系对养分的吸收，从而增加作物产量。

2.4 对稻谷养分积累和产量的影响

从水稻籽粒养分累积量(图9)看出，氮素累积量秋旋耕比春旋耕增加4.51 kg·hm-2，磷和钾累积量分别增加了2.49和1.03 kg·hm-2。

图6 整地时期对土壤含水量的影响

图7 整地时期对土壤容重的影响

图8 不同整地时期水稻伤流量

图9 水稻籽粒养分累积量

产量调查结果如表3所示，秋旋耕区比春旋耕区平均增产11.82%。虽然第1年和第2年增产幅度不同，但增产趋势相同。连续秋季整地比春季整地提高水稻产量。

表3 整地时期对水稻产量的影响

注：大写字母代表0.01水平，差异极显著，小写字母代表0.05水平，差异显著。

3 讨论

秋整地作为一项重要的耕作措施，以其良好的改善耕层土壤结构作用，在东北地区得到越来越多的重视[18-19]。本文的研究结果表明，连续秋整地，水稻产量明显高于春整地。这主要得益于秋整地能够改善土壤物理、化学性质，经过秋季土壤耕作，促进土壤脱盐碱，对于土壤生化性质的改善作用也比较明显[3,20]；同时，秋整地能让田土进行充分的冻晒，对于耕层的风干作用明显，使得土壤耕层微生物活动加强，利于土壤养分分解；秋整地也可以破坏土壤的毛细管，增强透气性，防止水分散发，控制返盐碱，并对翻压杂草也有很好的作用；并且秋整地能冻死虫卵，减少害虫的越冬基数，从而起到防虫目的[21]。本研究结果显示，秋整地可以降低土壤容重，这主要是由于土壤中的水分在冬季冻结过程中变成冰晶体并充填了土壤孔隙，造成土体体积膨胀，冰晶体在土壤融化过程中又存在水分的迁移，使得土壤颗粒之间产生推力，导致土壤孔隙度增大，土壤疏松多孔，容重降低[22]，相反，由于春整地在春季进行耕作起垄，带来耕畜或农机的践踏压实，增加了土壤容重；邓西民等[23]的研究结果也表明，经过冻融作用后犁底层容重可降低3.5%～9.3%，土壤总孔隙度增加6.1%～16.3%，饱和导水率可提高1.4～7.7倍，与本文的研究结果一致。秋整地可以降低土壤含水量，黑龙江地区水田土壤属于低湿地，如不及时收获晒田，秋季收获时土壤还不能达到完全干燥状态，而且黑龙江省秋雨较多，导致土壤过湿，如不及时翻耕，土壤则长年处于还原状态，土壤肥力虽高，但有效养分低，土壤潜在肥力得不到发挥，当秋季整地后，土壤达到疏松状态，利于土壤水分的散失，土壤可达到干燥状态，利于养分的转化，冬季的冻融交替作用可能会加快矿化速率，导致土壤养分增加[24]。冻融交替会增加土壤中硝态氮和铵态氮、可溶性磷以及有效钾的含量[25]，但不同耕作措施下土壤对冻融交替反应不同，导致土壤养分矿化程度不同，这可能由于土壤团聚体发生改变和碳有效性的差别所致[26-27]。本研究中秋季整地使盐化草甸土土壤碱解氮、有效磷、速效钾和培养的铵态氮含量均得到提高，可增加单位面积的土体养分含量及总量，在春、秋季整地的过程中，秋季整地可以根据土壤养分增加量适当减肥，达到减投保产的效果；盐化草甸土盐离子含量高，对作物生长产生危害，秋季整地可以有效降低盐离子含量，减轻盐基离子高对作物的危害；盐化草甸土土质粘重，通气、透水性差，影响作物根系呼吸，根系是作物吸收水分、养分和固持植物的器官，它不仅具有吸收功能，还具有重要合成和代谢功能，对叶片的衰老起到调节作用，旺盛的根系活力对作物生长、产量的形成及养分的吸收利用有重要影响[28]，秋整地改善了土壤的理化性质，促进了根系生长，进而利于作物的增产，两年平均增产11.82%。整地时期不仅可改善土壤质量，而且可保持水稻高产、稳产，为黑龙江省水稻耕作栽培措施的合理调整提供理论依据和技术支撑。

4 结论

在黑龙江地区，一年一熟种植制度下，盐化草甸土不同整地时期对土壤理化性质和作物产量影响不同；与春季整地相比，秋季整地可以显著提高土壤养分有效性，提高土壤的供肥性，促进作物对养分的吸收和累积；秋季整地可降低盐化草甸土土壤中交换性钠离子含量，降低盐基离子浓度高对植物造成的危害；秋季整地可以降低土壤的含水量，增加干土效果；连续秋季整地有提高水稻产量的作用，两年平均增产11.82%。