垦殖种稻年限对苏打盐碱土主要盐碱特性和磷素养分的影响

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(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102；2.吉林农业大学 资源与环境学院，吉林 长春 130118; 3.中国科学院 大安碱地生态试验站,吉林 大安 131317)

0 引 言

土壤盐碱化是当今世界面临的重要环境问题之一。据统计，全球每年因盐碱化而丧失的耕地超过150万hm2[1]，耕地面积和质量的不断下降以及人口数量的日益增加是人类未来发展面临的双重压力。盐碱地是重要的潜在农业资源，改良和利用盐碱地已成为我国农业未来发展的重要方向之一[2]。人们在长期的生产实践中总结出许多有针对性的盐碱土改良方法[3-4]，其中垦殖种稻对苏打盐碱土改良利用最具典型性和代表性[5-6]。

苏打盐碱土广泛分布于我国东北松嫩平原西部地区，该地区土壤钠离子含量高、碱性强、质地黏重、氮及磷等养分贫瘠。20世纪80年代初，人们在垦殖种稻过程中就提出了“以水为纲，以肥为中心”的综合治理措施[5,7]。随着近年来苏打盐碱地垦殖种稻面积的不断扩大，人们过度依赖水肥，单纯依靠以水洗盐，以肥增产的观念普遍，常常造成了水肥资源的浪费。有研究发现苏打盐碱地种稻仅靠灌排水洗盐效果是非常有限的，一个生长季结束盐分不但没有减少，反而略有增加[8]。同时，过量施用化肥，特别是在高pH土壤上氮肥施用导致氨挥发损失严重[9]，区域环境污染的风险加大。研究表明，随着苏打盐碱地垦殖种稻年限的增加，耕层土壤盐分不断降低，无机氮含量不断增加[8]，部分土壤酶活性增强[10]。在盐碱胁迫环境下，土壤无机磷有效性降低[11]，影响磷在土壤中的运移[12]，由此而导致的植物生理性缺磷[13]的现象也一直为人们所关注。

针对苏打盐碱土磷素养分有效性低，弄清垦殖种稻过程中土壤磷素含量的变化，合理施用磷肥至关重要。本研究对中重度苏打盐碱地垦殖种稻不同年限后的土壤主要盐碱特性和磷素养分含量变化进行了调查研究，旨在探明土壤磷素含量随种稻时间的变化规律及其与主要盐碱特性之间的相互关系，为苏打盐碱地农业开发和水稻科学施肥提供理论指导和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于吉林省大安市中国科学院大安碱地生态试验站(45°35′58″～45°36′28″N， 123°50′27″～123°51′31″E)，站区平均海拔150 m左右，气候属于半湿润-半干旱温带大陆性季风气候，年均气温4.3 ℃，≥10 ℃的有效积温为2 900 ℃，年日照时数3 000 h，无霜期137 d。该地点属于松嫩平原西部苏打盐碱土的典型分布区，土壤类型多为草甸土、盐土、碱土以及盐化或碱化土，通常土壤pH值在8.5以上，属中度或重度盐碱土。从2003年开始，部分草甸陆续被开垦种植水稻，目前试验站内拥有多块不同垦殖年限的苏打盐碱地稻田。垦殖种稻前表层(0～20 cm)土壤pH为9.5～10.0，盐分电导率(EC)为0.39～0.7 mS·cm-1，有机质含量6～8.3 g·kg-1，全氮含量0.36～0.8 g·kg-1[8]，全磷含量0.13～0.25 g·kg-1。垦殖种稻后统一施肥管理，每年施氮量为N 180～200 kg·hm-2，施磷量为P2O575～90 kg·hm-2，施钾量为K2O 75～90 kg·hm-2。种植水稻品种先后为耐盐碱水稻品种长白9号(2010年前)和东稻4号(2010年后)，长白9号为吉林省农业科学院1994年培育审定的中早熟水稻品种，生育期130 d左右，抗稻瘟病和抗纹枯病能力均较强，耐肥不倒伏，适宜吉林省中西部的白城、松原等中早熟区栽种，在盐碱地和小井稻区尤为适宜。东稻4号是中国科学院东北地理与农业生态研究所2010年培育审定的耐盐碱水稻新品种，生育期131 d左右，属中早熟常规粳稻品种，中抗苗瘟、叶瘟和穗瘟中感纹枯病，适于吉林省中早熟稻作区种植。

1.2 样品采集方法

本研究选取了于2011年、2009年、2006年和2003年开垦的不同盐碱土稻田，依次命名为A地块、B地块、C地块和D地块。从土壤盐分含量上，A和B地块土壤特征接近，C和D地块土壤特征接近。本研究土壤样品主要为2011年11月初和2017年11月初在上述4块不同开垦年限稻田上采集，在同一开垦盐碱土稻田上先后分别得到垦殖1 a和7 a(A)、3 a和9 a(B)、6 a和12 a(C)以及9 a和15 a(D)的土壤样品。样品采集深度为0～100 cm，分为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm 5层采集，每层随机采集相同开垦年限的3点土样作为3次重复。所有采集的土壤样品带回实验室放于阴凉处自然风干，研磨后过20目筛，留用待测。

1.3 测试方法

土壤样品盐分含量和磷素含量的测定参照土壤农化分析手册进行[14]。

(1)土壤pH的测定采用pH-25酸度计应用电位法测定，称取5.0 g风干土样于50 mL的烧杯中，土水比为1∶5，用玻璃棒剧烈搅动15 min，静置30 min后测定。

(2)土壤电导率的测定采用电导法测定，称取过1 mm筛风干土20.0 g，置于250 mL干燥三角瓶中，加入蒸馏水100 mL，振荡5 min，过滤至干燥三角瓶中，得到澄清滤液。吸取土壤浸出液30 mL，放在50 mL小烧坏中，用电导仪测定。

(3)土壤钠吸附比的测定：采用醋酸铵浸提滴定法测定交换性钠离子含量及钙离子和镁离子含量，土壤钠吸附比按下列公式得到：

(4)土壤全磷含量的测定：采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定。

(5)土壤有效磷含量的测定：采用钼锑抗比色法测定。

1.4 统计分析

土壤样品测定数据采用Microsoft Excel 2007进行整理和作图，使用SPSS 22.0对不同处理内及处理间的数据分别进行方差分析(ANVOA)，采用不同大小写字母分别表示方差显著性(P<0.05)。采用逐步回归分析方法找出影响磷素含量的主要盐碱指标，分别以pH、EC和SAR为自变量，以全磷和速效磷为因变量进行逐步回归分析，并根据分析结果建立关系模型，利用相关分析对主要盐碱指标与磷素变化的相关性作图。

2 结果与分析

2.1 不同垦殖年限对土壤盐碱的影响

2.1.1 土壤pH变化。4块不同时间垦殖的苏打盐碱地稻田土壤pH具有大体相同的变化趋势，随着种植水稻年限的增加，0～40 cm土层的pH呈下降趋势，40～100 cm土层的pH呈不变或略有增加趋势(图1)。对于同一地块，开垦种植水稻7 a较垦殖1 a的0～40 cm土层土壤pH平均下降了0.2个单位以上(图1A)，垦殖9 a较垦殖3 a的0～40 cm土壤pH平均也下降了0.2个单位(图1B)，但二者之间无显著差异；而垦殖12 a较垦殖6 a，垦殖15 a较垦殖9 a的0～20 cm土壤pH平均下降了0.4个单位(图1C和图1D)，二者的pH变化达到显著水平(P<0.05)，20 cm以下土壤pH变化均不显著。说明垦殖种稻降低了0～40 cm苏打盐碱土土层的pH，不同垦殖年限导致土壤pH下降的程度不同。

2.1.2 土壤电导率EC变化。不同垦殖年限的盐碱地稻田土壤盐分电导率的变化与土壤pH变化趋势大体相近，4个地块均表现出随着开垦种植年限的增加，0～40 cm土层EC下降，40 cm以下土层的EC变化不显著(图2)。其中，垦殖7 a较垦殖1 a的A地块，垦殖9 a较垦殖3 a的B地块和垦殖12 a较垦殖6 a的C地块0～20 cm土层的盐分EC下降均达到了显著水平(P<0.05)，尤其是垦殖12 a较垦殖6 a的C地块20～40 cm土层的盐分下降也达到了显著水平(P<0.05，图2C)。结果也表明，苏打盐碱地垦殖年限在6～12 a间，土壤表层0～40 cm的盐分下降最快，而随着垦殖时间的增加，表层盐分虽然仍有小幅降低，但EC降低的结果不再显著(图2D)。同时，不同时间开垦的地块，无论种植年限如何增加，60～100 cm土层的盐分EC均未出现下降，甚至会出现逐渐升高的趋势(图2C和图2D)，说明苏打盐碱地开垦种稻，具有降低土壤表层(0～40 cm)盐分的作用，但盐分主要以下移为主，在60～100 cm土层可能出现盐分累积现象。

注：*表示处理间在0.05水平上差异显著。下同。 Note:* means significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.图1 不同垦殖年限的苏打盐碱地稻田土壤pH的变化Fig.1 Changes of soil pH in saline-sodic paddy field with different cultivation years

2.1.3 土壤钠吸附比SAR变化。苏打盐碱土的钠吸附比(Sodium adsorption ration，SAR)，通常用来表示土壤中钙镁离子存在对交换性钠离子碱化作用的中和作用，可以用于指导土壤的灌溉，对于衡量苏打盐碱地稻田土壤特征的变化具有实用价值。4块不同年份开垦的稻田，随着垦殖年限的增加，钠吸附比具有相近的变化趋势，即0～20 cm土层的SAR明显下降，除C地块外，A、B和D 3块地0～20 cm土层的SAR下降均达到显著水平(P<0.05)，而20 cm以下土层的SAR变化规律不明显(图3)。其中，垦殖7 a较垦殖1 a的0～20 cm的SAR下降达到了37.9%，而20 cm以下土层的SAR则略有升高，但二者间仅在40～60 cm土层达到显著水平，其它土层差异不显著(图3A)；垦殖9 a较垦殖3 a相比，40～60 cm土层的SAR也呈显著增加趋势，其它土层的SAR没有显著差异(图3B)；垦殖12 a较垦殖6 a相比，在60～80 cm土层的SAR呈显著升高，其它土层的变化不显著(图3C)；而垦殖15 a较垦殖9 a相比，0～40 cm土层SAR都呈显著下降(P<0.05)(图3D)。上述结果表明，苏打盐碱地垦殖种稻后，土壤不同深度的钠吸附比SAR呈不同变化规律，总体上表现为，垦殖初期0～20 cm表层SAR下降，钠离子有向40～60 cm土层聚集累积的趋势；随着垦殖种稻年限的增加，20～40 cm土层SAR也出现了下降，钠离子继续向更深土层(60～80 cm)移动。

图2 不同垦殖年限的苏打盐碱地稻田土壤盐分电导率EC的变化Fig.2 Changes of soil EC in saline-sodic paddy field with different cultivation years

2.2 不同垦殖年限对土壤磷素含量的影响

2.2.1 土壤速效磷含量变化。不同开垦年限的苏打盐碱地稻田，土壤速效磷素含量变化基本呈现出随着土层深度增加而显著降低的共同规律(表1)，不同垦殖年限的稻田都是表层(0～20 cm)的土壤速效磷含量最高，20 ～ 40 cm土层次之，随着深度增加依次下降。对于同一地块2个不同垦殖年限而言，基本表现为表层0～20 cm土壤速效磷含量随垦殖年限增加而升高的规律，而深层土壤速效磷含量随垦殖年限增加变化不大。其中，A地块(垦殖1 a和7 a)和B地块(垦殖3 a和9 a)表层0～20 cm土壤速效磷含量虽然呈增加趋势，但2个垦殖年限的差异并不显著；C地块(垦殖6 a和12 a)和D地块(垦殖9 a和15 a)表层0～20 cm土壤速效磷含量都呈显著增加，垦殖年限增加6 a，C和D地块表层(0～20 cm)土壤速效磷含量分别增加了77.1%和155.6%，特别是D地块20～60 cm土壤速效磷含量的增加也达到了显著性水平(P<0.05)。上述结果表明，苏打盐碱地稻田土壤速效磷含量随垦殖年限增加呈现缓慢增加的趋势。

2.2.2 土壤全磷含量变化。苏打盐碱地稻田土壤全磷含量变化与速效磷含量变化具有相似的规律(表1)，对于同一地块同一垦殖年限的土壤，全磷含量随土层深度增加呈显著降低趋势(P<0.05)。不同地块间全磷含量的差异较大，A、C和D 3地块表层(0～20 cm)土壤全磷含量在2个不同垦殖年限间均呈显著增加(P<0.05)，增加幅度分别达到了75.4%、40.1%和33.1%，A地块垦殖7 a较垦殖1 a相比，0～60 cm土壤全磷含量均显著增加，C地块垦殖12 a较垦殖6 a仅0～20 cm全磷含量增加达到显著水平，D地块垦殖15 a较垦殖9 a相比，0～40 cm土壤全磷含量增加达到显著水平(P<0.05)。与上述3地块不同，不同垦殖年限B地块全磷含量无变化，这可能与B地块在垦殖3 a时的全磷含量较高有关。苏打盐碱地稻田土壤全磷含量随垦殖年限的缓慢变化，可能与土壤盐分的变化有一定关系。

图3 不同垦殖年限的苏打盐碱地稻田土壤钠吸附比SAR的变化Fig.3 Changes of soil SAR in saline-sodic paddy field with different cultivation years

表1 苏打盐碱地稻田不同开垦年限土壤磷含量的变化Table 1 Changes of phosphorus contents in saline-sodic paddy field with different cultivation years

注：小写字母表示同一开垦年限内不同土层间土壤磷含量的差异显著性(P<0.05)；大写字母表示同一地块同一土层深度2个开垦年限间磷含量的差异显著性(P<0.05)；未标记字母表示2个开垦年限间没有显著性差异(P>0.05)。

Note: Lower-case letters indicate significant differences in phosphorus content between different soil layers within the same reclamation period (P<0.05); upper-case letters indicate significant differences in phosphorus content between two reclamation years at the same soil depth of the same plot (P<0.05); unlabeled letters indicate no significant differences between the two reclamation years (P>0.05).

2.3 盐碱土稻田土壤磷素含量与盐碱变化的关系

通过逐步回归分析和相关性分析，发现苏打盐碱土全磷含量与土壤pH关系最为密切(R2=0.649，P<0.001)，而土壤EC和SAR与全磷含量间无线性关系。全磷含量与土壤pH之间为一元线性关系，其回归方程为y=-0.129x+1.432 5(图4)，说明土壤pH是全磷含量提升的主要限制因子，若增加土壤全磷含量水平，必须不断降低土壤pH。

土壤速效磷含量则与电导率EC关系密切(R2=0.5126，P<0.001)，土壤pH和SAR与速效磷含量间无线性关系。土壤速效磷与盐分电导率之间也为一元线性关系，其回归方程为y=-34.524x+35.444(图4)。因此，若要提高苏打盐碱地稻田土壤速效磷含量，增加磷素的有效性，就必须不断通过淋洗盐分来降低土壤电导率。

图4 苏打盐碱土磷含量与盐分和pH的关系Fig.4 The relationship between phosphorus contents and salinity and pH in saline-sodic paddy field

3 讨 论

3.1 垦殖种稻具有降低苏打盐碱土盐分和pH，提升磷素养分的重要作用

苏打盐碱地垦殖种稻是在20世纪前苏联“竖井排盐”理论和我国科研人员的机井排灌措施基础上发展而来的[15]，利用水分水平和垂直运动降低耕层土壤盐碱含量。由于松嫩平原西部地势低平，土质黏重，洗盐的速度较为缓慢，在水稻生长期单纯依靠灌溉无法有效洗脱钠盐离子[8]，但土壤表层盐分随着垦殖年限的增加呈现了下降的趋势[8,10,16]。本研究也显示垦殖种稻年限越长，稻田表层0～20 cm土壤pH和EC下降越显著。土壤表层减少的这部分盐碱究竟到哪里去了？这是个值得深入思考的问题。本研究分析了0～100 cm不同土层盐碱的变化情况，发现除0～40 cm土层pH和EC略有下降，60～100 cm土层二者则呈不变或增加趋势，特别是垦殖种稻12 a和15 a的地块，土壤EC增加明显。有研究也指出，苏打盐碱地开垦种稻后，盐分运动以垂直向下移动为主，并且在下层土壤有聚集的趋势[8]。造成盐分聚集的主要原因，一是该区域种稻未形成水平方向排水，许多农民垦殖种稻后只灌不排或多灌少排，没有真正发挥以水洗盐的作用；二是苏打盐碱土中大量交换性钠离子吸附于土壤胶体表面，在没有外力解析作用下，很难被水分洗脱，同时低平地势造成排水缓慢，水平洗盐效果并不理想。

垦殖种稻降低了苏打盐碱土表层盐碱含量，这符合“淡化表层”构建的观点[17]。由于水稻是浅根系作物，在苏打盐碱地上创造一个30 cm左右的厚淡化土层就基本可以满足水稻生长，但要想获得较高的稻谷产量是远远不够的。要想改善苏打盐碱土恶劣的物理环境，快速有效降低盐碱含量，采用必要的土壤改良措施加速土壤的脱盐降碱是非常必要的[18-20]。长期以来，人们对盐碱土的研究多关注于水盐运动规律或各种改良措施的应用，对于区域大尺度下盐碱是否减少，各种改良措施应用后粮食增产潜力以及盐碱障碍与地力培育的关系不够重视，常常造成盐碱地垦殖种稻投入大，产出小，效益差，进展慢等尴尬局面。盐碱地垦殖种稻若要获得高产，仅有“淡化表层”是不够的，需要在此基础上快速建立起肥沃耕层。因此，解析土壤盐碱指标与土壤主要养分之间的关系是十分必要。

磷素是水稻生长必需的大量元素之一，土壤磷素水平对水稻的产量形成也起着关键作用。施磷对盐碱胁迫下水稻茎、根及分蘖能力增加有促进作用[21]，能增加水稻单位面积穗数、结实率和产量[22-23]。苏打盐碱土磷素含量普遍较低，本研究发现，苏打盐碱地稻田垦殖耕种多年后土壤全磷含量仍在0.1～0.4 g·kg-1之间，属于磷素严重缺乏状态。由于种稻过程中磷肥的持续施用，表层0～40 cm土壤速效磷含量基本都在10 mg·kg-1以上，显著弥补了天然磷素的不足。这与肥沃耕层的构建尚不匹配，由于土壤严重缺乏全磷，水稻生长所需的速效磷只能依靠施用磷肥，虽然土壤速效磷得到提高，但土壤保肥能力弱，磷肥损失大，效率低。只有提高盐碱土全磷含量，才能为作物生长提供稳定的有效磷补充，而不是过分依赖磷肥投入。另外，土壤全磷含量提高才能真正起到培育肥沃地力的作用。因此，苏打盐碱土垦殖种稻过程中应采取增施有机肥或秸秆还田等措施，逐步提升土壤有机质含量，进而提高磷素养分。另外，采用一些含磷矿物(如磷石膏)进行苏打盐碱土改良，在钙离子置换钠离子有效降低土壤pH和钠离子含量的同时，对磷素养分提升也具有很好的促进作用。

3.2 土壤pH和EC是限制苏打盐碱土磷素含量的重要因子

苏打盐碱土由于盐分组成特殊，以Na2CO3和NaHCO3盐为主，性质有别于我国内陆或滨海地区盐碱土，突出特征是碱性强，养分水平低[24]。引发碱性强的主要原因是碳酸盐本身是强碱弱酸盐，其水解导致了土壤水溶液呈碱性。但土壤主要养分含量低，究竟是土壤本身该养分背景值低还是由于盐碱的存在所引发的含量低，这方面一直没有明确的答案。有研究认为是土壤盐碱的存在降低了磷素的有效性[25]，土壤中大量Na+、Cl-和CO32-与有效磷竞争，易形成难溶的磷酸钙盐，导致土壤中有效磷含量减少[26-27]。然而，土壤全磷含量普遍较低，究竟与土壤盐分含量高还是碱性强有关，一直未得到明确的答案。关于磷素有效性与土壤pH的关系，国际上普遍认为，土壤pH达到8.5时磷素有效性最低，随着土壤pH继续升高，磷素有效性则恢复正常。本研究中所有土壤pH都在9.0以上，土壤pH对磷素有效性的影响可以忽略不计，通过逐步回归分析，排除了pH对速效磷含量的影响，也证实了这一点。

本研究发现土壤pH是全磷含量提升的主要限制因子，土壤盐分EC是速效磷含量提升的主要限制因子。相关分析也表明，pH与全磷，EC与速效磷之间的相关性达到显著水平(P<0.001)。这一研究发现也能充分解释为什么盐碱化耕地虽经耕作多年，但全磷含量仍较低，因为相比土壤脱盐，碱度的降低更加困难。众所周知，土壤全磷含量的变化主要受土壤母质、成土作用和耕作施肥的影响，中国农业科学院衡阳红壤实验站报道了长期施肥导致土壤全磷含量的增加[28]，也有研究报道了水稻旱作后，土壤全磷含量会有所增加[29]。这可能与耕作改善了土壤水热状况，增加了土壤有机质含量等有关，因为土壤磷素变化与有机质含量具有显著的正相关关系[30]。苏打盐碱地通过垦殖种稻，不仅会增加磷肥投入，水稻根茬和部分秸秆也会增加土壤有机质含量，有关垦殖种稻对苏打盐碱土有机质含量的影响，以及有机质如何促进土壤全磷的增加等问题值得今后进一步研究。

此外，苏打盐碱地垦殖种稻无论对土壤盐分还是碱度都具有降低作用，但这种降低和磷素含量的提高速度都是缓慢的，这为短期内大幅提高水稻产量带来了较大困难。因此，今后应加强从土壤盐碱和养分指标上对限制水稻产量的主导障碍因子进行全方位解析。

4 结 论

随着苏打盐碱地垦殖种稻年限的增加，土壤表层(特别是0～20 cm 土层)pH、EC和SAR均呈显著降低趋势，土壤速效磷和全磷含量则呈增加趋势，垦殖种稻具有改良苏打盐碱土、不断培肥地力的重要作用。然而，由于土壤EC和pH限制了速效磷和全磷含量的增加，苏打盐碱地稻田磷素含量的提升是一个缓慢过程，通过适当的农艺措施实现土壤的快速减盐降碱是关键。