南方低产黄泥田与高产灰泥田基础地力的差异

王 飞，李清华，林 诚，何春梅，朱恬恬

（1 福建省农业科学院土壤肥料研究所，福建福州 350013；2 福建农林大学资源与环境学院，福建福州 350002）

我国耕地质量总体不容乐观，中低产田比重大，约40%为中产田，30%为低产田，低产田具有较明显的障碍或限制因子[1]。农业部《关于全国耕地质量等级情况的公报》[2]也显示，全国四至六等耕地占耕地总面积的44.8%，七至十等的耕地占耕地总面积的27.9%，这很大程度上制约了我国粮食的持续增产，并影响“良种良法”潜力的发挥。基础地力是指在特定立地条件、土壤剖面理化性状、农田基础设施建设水平下，经过多年水肥培育后，当季旱地无水肥投入、水田无养分投入时的土壤生产能力[3]。一般而言，基础地力越高，对作物产量的贡献率越大，产量的稳定性与持续性增加[4]。通过提高农田土壤基础地力，可以实现“藏粮于地”[5]。中低产田的重要特征是其基础地力水平低[6]。黄泥田为南方红黄壤区广泛分布的一类中低产田，其中福建省黄泥田面积约占全省水稻土面积的30%。该类稻田主要分布于丘陵山区、沿海台地及河谷两侧高阶地。由于犁底层下上层淋溶下来的还原态铁、锰氧化物多被氧化而淀积，并伴随着水化作用而形成黄色多水氧化铁，使土体染为黄色[7]。一些研究尝试用不同有机肥提高低产黄泥田水稻产量、改良土壤理化性状，如泥炭土、菇渣及生物有机肥可提高黄泥田土壤胡敏酸、胡敏素等含量[8]；有机物料与化肥配施提高了水稻产量，增加了土壤团聚体稳定性，其中以牛粪与化肥配合施用效果最佳[9]；福建化肥配合翻压紫云英可增产6.5%[10]，湖北黄泥田不同有机肥种类的增肥效果为秸秆 ＞ 猪粪 ＞ 绿肥[11]。然而，对中、低产黄泥田的基础地力与自然条件相近的邻近高产田地力的差距缺少定量评价，其导致的水稻养分吸收利用的差异也不清楚，影响了对该类稻田的定向改良利用。为此，本研究采用配对比较方法，比较了典型黄泥田与高产灰泥田的基础地力以及水稻养分吸收利用差异，以明确黄泥田基础地力的提升空间，为黄泥田定向改良及水稻高效施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

于2015年水稻冬闲期 (12月至翌年3月)，在福建省浦城、建阳、建瓯、延平、顺昌、闽清、闽侯、宁化、永安、大田、尤溪、沙县、将乐、周宁、福安、屏南、霞浦、古田、上杭、连城20个县(市) 黄泥田主要分布区域采集20对典型黄泥田 (属渗育型水稻土) 与邻近同一微地貌单元内发育的灰泥田 (属潴育型水稻土) 表层土壤 (0—20 cm)。土壤自然风干，过2 cm筛网，混合均匀，盆栽备用。采集的土壤分别代表福建省常见的氧化型黄泥田 (剖面构型A-Ap-P-C)，以及氧化还原型灰泥田、青底灰泥田、乌黄泥田类型 (剖面构型A-Ap-P-W-C)。

盆栽试验在农业部福建耕地保育观测实验站网室进行。每个土样设两个处理：1) 不施肥；2) 施化肥。每塑料桶 (直径25 cm、高 15 cm) 装土样5.0 kg，外套塑料盆 (直径37 cm、高 27 cm)，共计80盆。氮磷钾施肥比例为N∶P2O5∶K2O = 1∶0.4∶0.7，施肥量为大田常规施用量 (N 135 kg/hm2) 的2倍，即每盆施N 0.60 g、P2O50.24 g、K2O 0.42 g。各处理磷肥全部作基肥施用；氮肥基肥占60%，分蘖肥占40%；钾肥全部作分蘖肥用。氮肥用尿素(15N，丰度10%)，磷肥用磷酸二氢钙，钾肥用氯化钾。将肥料配成溶液施入。水稻品种为‘中浙优1号’，采用移栽种植，每盆种植两穴。2016年7月19日插秧，8月1日追肥，10月24日收获。植株与土壤同位素氮用ZHT-03质谱仪测定15N%丰度，由河北省农林科学院遗传生理研究所测定。其余养分指标均按常规方法测定。黄泥田与灰泥田的主要理化性状如表1。

1.2 数据处理

基础地力 (g/pot) = 不施肥处理水稻经济产量或生物产量；

基础地力贡献率 = 不施肥水稻产量/施肥处理水稻产量 × 100%；

肥料农学效率 (g/g) = (施肥处理水稻产量 - 不施肥处理水稻产量) / NPK施肥量总和。

氮素吸收利用计算方法：

化肥氮素残留率 = 土壤残留来自化肥中的氮 / 化肥施氮量

化肥氮素利用率 = 植株各部位吸收自化肥中的氮素之和 / 化肥施氮量

植株各部位 (或土壤) 来自化肥中的氮 =W×a×(b-c)/(b1 -c)

式中：W为植株 (或土壤) 样品重量，a为含氮量，b为15N丰度；c为对照组天然15N丰度；b1为肥料15N丰度。

试验数据采用Excel进行处理，20个县 (市) 黄泥田与灰泥田的土壤或植株试验数据均值利用DPS统计软件中两样本比较模块的配对两处理t检验进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 黄泥田和灰泥田基础地力及其贡献率的差异

图1显示，黄泥田基础地力经济产量较灰泥田平均低8.8 g/盆，降幅26.9%，基础地力地上部生物产量 (籽粒 + 秸秆) 较灰泥田低16.0 g/盆，降幅23.5%，均达到极显著差异水平 (P＜ 0.01)。基础地力贡献率表现出相似的规律，从经济产量来看，灰泥田和黄泥田的水稻基础地力贡献率平均分别为66.1%和52.0%，黄泥田较灰泥田低14.1个百分点；从地上部生物产量来看，灰泥田与黄泥田的基础地力贡献率平均分别为65.7%和56.0%，黄泥田较灰泥田低9.7个百分点，均达到极显著差异水平 (P＜ 0.01)。可以看出，黄泥田基础地力相对较低，以灰泥田为标准，有20%以上的产量提升空间。

2.2 黄泥田和灰泥田施肥农学效率的差异

依据籽粒产量计算，灰泥田与黄泥田的水稻施肥农学效率分别为13.2 g/g与17.5 g/g (图2)，黄泥田较灰泥田提高32.6%，差异极显著 (P＜ 0.01)；依据地上部生物产量 (籽粒+秸秆) 计算，灰泥田、黄泥田施肥农学效率分别为28.0 g/g、32.5 g/g，黄泥田较灰泥田提高16.1%，差异显著 (P＜ 0.05)。图3显示，基础地力籽粒产量与施肥效果呈极显著负相关(P＜ 0.01)，说明黄泥田的地上部生物量对氮磷钾肥的依赖程度要高于灰泥田。

表 1 黄泥田与灰泥田土壤主要理化性状Table 1 Physical and chemical properties of yellow-mud paddy field and grey-mud paddy field

图 1 黄泥田与灰泥田基础地力及基础地力贡献率Fig. 1 Basic soil productivity and its contribution rates in yellow-mud and grey-mud paddy fields

2.3 黄泥田和灰泥田水稻收获期经济性状的差异

表2显示，施肥条件下，黄泥田水稻成熟期有效穗、每穗实粒数与千粒重均较灰泥田有不同程度的降低，其中有效穗较灰泥田降低1.1穗/丛，差异显著 (P＜ 0.05)；不施肥条件下，黄泥田产量构成因子同样均低于灰泥田，其中黄泥田有效穗较灰泥田减少1.0穗/丛，千粒重较灰泥田减少0.53 g，差异均达显著水平 (P＜ 0.05)。说明不论施肥与否，有效穗是影响黄泥田与灰泥田产量差异的关键性状因子。

2.4 黄泥田和灰泥田水稻成熟期植株养分含量的差异

表3表明，施肥后，黄泥田水稻籽粒、茎叶与根系氮素含量均较灰泥田有不同程度的降低，但未达到显著差异水平；不施肥的黄泥田水稻茎叶与根系氮素含量与灰泥田相当，籽粒氮素含量较灰泥田提高9.6%，差异达到显著水平 (P＜ 0.05)。无论施肥与否，黄泥田水稻籽粒、茎叶和根系的磷素含量均显著低于灰泥田 (P＜ 0.05)。施肥条件下，黄泥田水稻籽粒、茎叶和根系的磷素含量较灰泥田分别低9.6%、38.4%与46.3%，不施肥条件下比灰泥田分别低10.2%、24.6%和40.0%。施肥条件下，黄泥田水稻籽粒、茎叶与根系的钾素含量均低于灰泥田，其中籽粒和茎叶的钾素含量分别较灰泥田低10.8%与18.5%，差异均达到显著水平 (P＜ 0.05)；不施肥处理植株钾素表现出类似趋势，其中籽粒、茎叶的钾素含量分别较灰泥田低12.6%和31.8%，差异均达到显著水平 (P＜ 0.05)。

图 2 黄泥田与灰泥田施肥农学效率Fig. 2 Fertilizer agronomic efficiency in yellow-mud and grey-mud paddy fields

图 3 基础地力籽粒产量与施肥增产量的相关性Fig. 3 Correlation between basic soil productivity and yield increment of fertilizer

表 2 施肥黄泥田与灰泥田水稻产量构成Table 2 Yield component of rice affected by fertilization under yellow-mud and grey-mud paddy fields

表 3 黄泥田与灰泥田水稻植株氮磷钾养分含量Table 3 Nitrogen, phosphorus and potassium contents of rice plants in yellow-mud and grey-mud paddy fields

2.5 黄泥田和灰泥田水稻植株养分累积吸收量差异

图4显示，施肥下黄泥田的水稻籽粒、茎叶的氮素吸收量较灰泥田分别降低10.8%与17.3%，差异均显著 (P＜ 0.05)，不施肥下黄泥田的水稻籽粒与茎叶的氮素吸收量较灰泥田分别低20.5%和21.4%，差异均显著 (P＜ 0.05)。而无论施肥与否，黄泥田与灰泥田根系氮素吸收累积基本一致。施肥下黄泥田的水稻籽粒、茎叶与根系的磷素吸收量较灰泥田分别低12.5%、46.2%和50.0%，差异均显著 (P＜ 0.05)，

不施肥的分别低30.0%、37.5%与50.0%，差异均显著 (P＜ 0.05)。施肥下黄泥田的水稻籽粒与茎叶的钾素吸收量较灰泥田分别低16.6%和28.5%，不施肥的水稻籽粒与茎叶分别低35.0%和39.5%，差异均显著(P＜ 0.05)。说明不论施肥与否，黄泥田的水稻氮磷钾养分吸收累积能力均低于灰泥田，不施肥条件下差异尤为明显。

2.6 黄泥田和灰泥田水稻氮素利用率与土壤氮残留率的差异

从表4可以看出，施肥后黄泥田水稻植株自肥料中吸收的氮素较灰泥田低27.6 mg/pot，相应的水稻氮肥利用率较灰泥田低4.6个百分点，差异显著(P＜ 0.05)。从土壤氮素残留来看，黄泥田土壤来自化肥氮素的残留较灰泥田增加17.7 mg/pot，土壤氮肥残留率较灰泥田增加3.0个百分点，差异显著 (P＜0.05)。

3 讨论

3.1 黄泥田基础地力与肥力因子的关系

图 4 黄泥田与灰泥田水稻不同部位氮、磷、钾素吸收量Fig. 4 NPK absorption in different parts of rice with and without fertilization in yellow-mud and grey-mud paddy fields

表 4 不同土壤水稻植株肥料氮吸收量、氮肥利用率及土壤氮素残留率Table 4 Nitrogen uptake of rice nitrogen use efficiency and residual rate of soil in different paddy fields

研究表明，红壤性水稻土基础地力越高，肥料对早晚稻产量的贡献率就越低[12]，福建历年肥料试验资料统计表明，水稻产量60%～80%来自于土壤的基础肥力，高产水稻土一般达75%～85%[7]，本研究也显示，施肥效果随着基础地力籽粒产量的增加而降低 (图3)，说明持续提升稻田基础地力可逐步摆脱对化肥的依赖，这对于当前水稻化肥减施增效行动意义重大。基础地力通常由单季作物不施肥的产量获得，显然这过程周期长且烦琐，而土壤肥力因子变化是决定基础地力发展方向的基本因素，因此有必要探索利用肥力因子快速诊断基础地力的便捷方法。本研究条件下，黄泥田有机质含量较灰泥田平均低19.1% (表1)，由表5基础地力贡献率与主要肥力因子关系可知，基础地力贡献率 (经济产量) 与土壤有机质含量呈极显著正相关 (r= 0.439**，n= 40)，而与土壤容重呈极显著负相关 (r= -0.451**，n= 40)。从产量构成因子来看，不施肥条件下，水稻有效穗数与土壤有机质含量呈极显著正相关 (r= 0.573**，n=40)，而与土壤容重呈极显著负相关 (r= -0.423**，n=40)。土壤有机质含有植物所需要的多种营养元素，且对培肥地力和改善土壤质量影响重大，是评价土壤质量的主要指标和维持农作物高产、稳产的基础[13-14]。高基础地力的土壤含有较高的有机质和养分含量，可增加养分的供应能力，从而提高土壤微生物量和活性[15]。潮土小麦-玉米轮作的基础地力产量与有机碳库呈显著的正相关，当有机碳库增加C 1 t/hm2，冬小麦与夏玉米基础地力产量分别增加154与132 kg/hm2[16]，容重与有机质含量也呈良好的关系，通过有机质调控可有效改善土壤容重[17]。从全国来看，我国农田土壤有机质含量总体水平较低，农田耕层土壤有机碳的平均浓度约为10～30 g/kg[18-19]，远低于欧、美等发达国家 (25～40 g/kg)[20]。对黄泥田而言，该类土壤主要分布在山地丘陵、丘陵倾斜平原，普遍存在耕层浅薄、土壤质地粘重、土体通气性差、土壤酸性强、保肥性差等特点[21]，其土壤有机质含量更为缺乏，是重要的属性障碍，因此通过跟踪分析土壤有机质含量可为黄泥田基础地力诊断及改良提供依据。相关研究表明，红壤性水稻土长期施氮磷钾肥或长期氮磷钾肥配施稻草均能提高土壤基础地力，以长期氮磷钾肥配施稻草的效果更为显著[22]。福建典型黄泥田连续32年化肥与牛粪、秸秆还田配施，较单施化肥分别增产12.6%与10.2%[23]。秸秆还田还可提高黄泥田土壤松结合态腐殖质含量和结合态腐殖质总含量，化肥+油菜秸秆+秸秆腐熟剂是一种良好的低产黄泥田改良措施[24]。上述有机无机肥配施措施改善了土壤理化性状，尤其是提高了土壤有机质含量，增强了土壤养分的供给能力，使基础地力逐步提高。由此可见，一方面，土壤有机质含量可作为反映黄泥田基础地力的重要指标，另一方面，南方丘陵山区广泛分布的黄泥田瘠瘦障碍削减应以提升有机质与降低土壤容重为主攻方向，通过持续培肥，逐步提升基础地力。值得一提的是，基础地力由土壤化学、物理与生物因子指标综合构成，并受到气象因子等自然条件的影响，本研究评价了基础地力与主要理化因子的关系，可能还有其他因子的作用与驱动，因此黄泥田基础地力还需多指标因子与多年结果综合分析确定。

表 5 基础地力贡献率 (y) 与土壤理化性状 (x)的回归方程及决定系数(n = 40)Table 5 Correlation between contribution percentages of basic soil productivity (economic yield, y) and soil physical and chemical properties (x)

3.2 黄泥田化肥氮素去向与肥料利用率

本研究通过氮同位素示踪与盆栽试验得出，黄泥田与灰泥田水稻氮素利用率分别为52.3%和56.9%，这高于一般农田的氮肥利用率[25]，主要是由于盆栽试验少了氮淋溶与径流等流失，而我国农田氮的去向中淋洗损失估计为2%，径流损失估计为5%[26]。如何提高黄泥田的氮肥利用率是需要关注的问题。本研究表明，随着基础地力籽粒产量提升，施肥效果将显著降低，相关研究也表明，随着基础地力的提高，对肥料的依赖越来越少[4]，即地力提升后施用相对较少的肥料就可达到相同的预期产量，即肥田省肥，这意味着在相同的预期目标产量下，提升地力水平可减少化肥用量。值得一提的是，本研究在不同地力水平下施用等量的肥料，尽管黄泥田水稻的肥料农学效率更高，但氮同位素示踪表明灰泥田的氮肥利用率也显著高于黄泥田，这主要是由于灰泥田水稻优先吸收了来自肥料中的氮所致 (表4)。相反，本研究中黄泥田土壤的氮肥残留率却高于灰泥田。一些研究表明，高基础地力会降低肥料的利用效率[27]。这可能与不同背景的土壤理化性状差异有关。有研究表明，高粘粒土壤抑制土壤氮素矿化[28]，同时不同肥力红壤性水稻土氮素的矿化作用均随着有机质含量的升高而增强[29]，黄泥田土质粘重且有机质含量较低，可能延缓了有机氮的矿化进程从而影响氮素的供应与植株的养分吸收，同时黄泥田土壤微生物与植株竞争有限的肥料氮源暂时固持了更多的氮素于土壤中，难以被单季作物吸收利用，从而影响氮肥的利用率，但黄泥田未吸收利用的氮素可能随着硝化作用而导致更多的NO3--N累积而淋溶或径流损失，相关研究表明不同肥力土壤施肥对小麦土壤硝态氮的累积不同，中等肥力施入尿素对小麦生育期土壤硝态氮含量无影响，而低肥力土壤施尿素使土壤硝态氮含量提高了5.7倍[30]。黄泥田施氮肥是否增加了硝态氮的淋溶风险有待结合大田试验做进一步研究。

4 结论

与邻近同一微地貌单元发育的高产灰泥田比较，黄泥田水稻基础地力经济产量较灰泥田低26.9%，相应的基础地力贡献率低14.1个百分点；基础地力地上部生物产量较灰泥田低23.5%，相应的基础地力贡献率低9.7个百分点。

施肥条件下，黄泥田植株籽粒、茎叶和根系的磷素含量分别较灰泥田显著低9.6%、38.4%与46.3%(P＜ 0.05)，籽粒和茎叶钾素含量分别较灰泥田显著低10.8%与18.5% (P＜ 0.05)。水稻成熟期籽粒、茎叶的氮素吸收量较灰泥田分别低10.8%和17.3%，磷素吸收量分别低12.5%和46.2%，钾素吸收量分别低16.6%和28.5%，差异均显著 (P＜ 0.05)。

黄泥田水稻氮肥利用率较灰泥田降低4.6个百分点，但氮素土壤残留率增加3.0个百分点。

基础地力贡献率与土壤有机质含量呈极显著正相关 (P＜ 0.01)，而与土壤容重呈极显著负相关 (P＜ 0.01)。土壤有机质含量与土壤容重是影响基础地力贡献率与产量构成有效穗的重要肥力因子，应通过持续培肥提高土壤有机质含量与降低容重，进而提升基础地力。与灰泥田相比，黄泥田基础地力水平有20%以上的产量提升潜力，其水稻氮磷钾养分吸收累积能力也明显低于灰泥田。