水田垦造中土壤有机质的提升及pH调整研究

吴耀龙， 张 池， 陈旭飞

(1.阳西县土地整理中心，广东 阳江 529800；2，华南农业大学 资源环境学院，广东 广州 510642；3，广东省土地开发整治中心，广东 广州 510635)

自改革开放以来，广东省经济发展迅速，但是快速的城镇化导致用地矛盾十分突出。建设用地占用了大量的耕地，特别是占用水田面积逐年扩大，致使水田生态系统服务功能严重受限。依据2014年自然资源部(原国土资源部)提出的“占优补优、占水田补水田”的新要求，广东省2017年起大规模开展垦造水田工作，利用工程和生物措施改变土地的一系列属性，使其达到适合种植水稻的条件[1]。这一工作对于增加水田规模、提高产能、保障国家粮食安全和维护生态环境健康都具有重要意义。

土壤有机质是土壤肥力和质量的物质基础。大量研究已显示有机质能显著提高土壤团聚体稳定性和田间持水量、提高阳离子交换量和丰富的养分、并提供能源促进土壤生物生长[2-3]。当旱地土壤被开垦初期，开垦过程会破坏土壤团聚体、将有机质暴露于地表、导致微生物活性加强，这些作用显著降低了耕地土壤有机质含量[4]。因而，在这种情况下，通过外源人工添加有机物或者种植绿肥等措施来进行耕地的有机质管理，进而提高土壤有机质的积累和调节土壤有机质的分解速率十分必要[5]。同时，土壤酸碱度显著影响土壤微生物活性、养分的转化和有效性以及土壤的物理性质。土壤pH科学管理是土壤保水保肥能力的关键[3]，而施用石灰是调节土壤酸碱性、控制土壤酸化的重要手段之一。近年来，我国东北平原[6]、长江中下游平原[7]、成都平原等区域都在实施水田垦造工作，人们对有机质和pH管理尤为关注[8]。但是，在华南地区，特别是粤北南岭山水林田湖草生态保护修复试点区域，垦造水田工作刚刚开始实施，上述研究仍十分缺乏。

因此，本研究选取粤北南岭地区韶关市A村旱地土壤为研究对象，详细分析了土壤理化性质、重金属和有机污染物含量，明确其质量限制因子；通过调控有机肥和生石灰施用量，改良土壤质量，使其符合广东省水田垦造的要求，为广东省旱地改水田提供切实可行的土壤改良措施。

一 材料与方法

(一)研究区概况

研究区位于广东省韶关市A村(图1)，属亚热带季风气候。光、热、水资源较为丰富，四季宜耕，春末夏初多雨，秋多干旱，能基本满足喜温作物和双季稻生长的需求，作物终年可生长。该区总体地势平坦，地形坡度主要集中在5°范围内。灌溉水来自附近河流，灌溉条件和排水条件只能满足农作物(旱作物)生产要求。研究区整治红线范围内总面积为14.19 hm2，地块均为旱地，表土质地以壤土为主；预计改造水田13.15 hm2(表1)，田埂、生产路占地共1.04 hm2，改造水田率为92.72%。

图1 研究区区位

(二)土壤的采集和测定

研究区分为两个地块(图2)。土样采用多点混合取样方法，共采集5份土样，采样深度为0～20 cm(图3)。

所有土样采用常规国家标准方法对pH值、有机质、质地、容重、重金属(镉、汞、铅、砷、铜、锌和总铬)和有机污染物(六六六和滴滴涕)含量进行测定[9]。

(三)有机质和石灰施用量计算

有机质测算：亩均用量=耕作层体积×容重×[提升目标×(1+损耗率)]×[产品有机质含量(干基)×(1-含水量)]-1。

石灰需要量以中和每公顷耕作层土壤(200×104kg～260×104kg)需要用氧化钙(即生石灰)的kg数计算，考虑实验室测定条件与田间实际情况的差异，通过校正系数加以校正。石灰需用量(kg·hm-2)：

CaO=(C×V/M)×0.028×2600000×0.5

(1)

式中：C为滴定用氢氧化钙标准溶液的浓度，mol·L-1；V为滴定样品时用去氢氧化钙标准溶液的体积，mL；M为风干式样质量，g；0.028为氧化钙(1/2 CaO)的摩尔质量，kg·mol-1；2 600 000为每公顷耕作层土壤的质量(20 cm)，kg；0.5为实验室测定条件与田间实际施用情况差异的校正系数。

(1) 三点定位采用三角形算法计算出待测点的位置，依赖于AP位置信息和信号传输信道损失。不同环境下的信号传输损耗不同，适用于WIFI环境稳定、干扰较少和单楼层的建筑空间。

图3 土壤取样位置

二 结果与分析

(一)土壤性质分析

A村土壤pH值、有机质、质地、容重、重金属和有机污染物含量如表1所示。

表1 研究区土壤基本理化性质

1.土壤有机质含量

土地利用现状图研究区内图斑1范围内的土壤有机质含量在1.08%～1.87%之间，土地利用现状图图斑2范围内的土壤有机质含量为2.5%，参照《广东省土地整治垦造水田建设标准(试行)》，丘陵区、山地区新垦造水稻田的有机质含量需大于1.0%。结合凤田村未利用地土壤的具体情况，因此需通过施加土壤改良材料提高土壤有机质含量。同时结合研究区改造后耕地质量不低于现状等级的基本原则，研究区土壤有机质含量提升目标为2.0%以上(表2)。

2.土壤pH值

土地利用现状图研究区内图斑1范围内的土壤pH值为5.53～5.80，图斑2范围内土壤pH值为5.50，为偏酸性土壤。参照《广东省土地整治垦造水田建设标准(试行)》，丘陵区、山地区新垦造水稻田的土壤pH值应保持在5.0～8.0(表2)。研究区土壤pH值已符合标准。由2015年该区域耕地质量等别评定补充完善成果计算可知：研究区整治前的省级耕地利用等数均为9等；国家级耕地利用等数均为5等。本设计的基本原则是研究区改造后耕地质量估算等级不低于现有等级；因此，研究区土壤pH值改造目标为6.0～7.9。

3.土壤容重

研究区内土地利用现状图图斑1、2范围内的土壤容重在1.21 g·cm-3～1.39 g·cm-3之间和1.44 g·cm-3。参照《广东省土地整治垦造水田建设标准(试行)》，新垦造水稻田的土壤容重需为1.0 g·cm-3～1.4 g·cm-3。故土地利用现状图研究区内图斑1范围内的土壤容重符合要求；土地利用现状图图斑2范围内的土壤容重不符合要求。本项目土地利用现状图图斑2范围内的土壤采取耕作层土壤剥离再利用的方式，此外施工建设中施加一定量的土壤改良剂(植物质有机肥)，再结合水淹耙地等工程手段来满足土壤容重降低至1.0 g·cm-3～1.4 g·cm-3的水稻种植标准。

4.土壤重金属含量

依据《土壤环境质量标准》(GB15618—2018)，结合研究区土地利用现状图和研究区土壤检测定位图可知，本研究区图斑1和图斑2范围内的土壤均无重金属超标。

5.土壤质地

研究区内图斑1范围内的土壤质地为壤土(中壤、轻壤、砂壤)，图斑2范围内的土壤质地为轻壤土。参照《广东省土地整治垦造水田建设标准(试行)》，新垦造水稻田的土壤质地需为砂质壤土至粘土。研究区内图斑1与图斑2范围内的土壤均可达到上述要求。

6.耕地质量等别情况

改造前，研究区土地为国家级耕地利用等别为5等，省级利用等别为9等。

表2 研究区建设前耕地质量评价因素属性

(二)耕地土壤改良措施

耕作层是耕地的精华，拥有大量的有机物质和微生物、以及植物生长所需的营养物质。若耕作层土壤一旦被破坏，在短时期内很难恢复到原有生产水平。因此本研究前期工作对A村项目地块土地进行了耕作层剥离再利用措施，剥离和回填土层厚度为20 cm，土壤改良措施针对回填土层进行。

1.增加土壤有机质含量措施

本研究拟对研究区内图斑1、2范围内耕作层20 cm厚表土进行回填利用，同时使用土壤改良剂(黄腐酸钾、植物有机肥)进行改良。植物质有机肥和黄腐酸钾的有机质含量均约为50%，因此：0.5×(M有机肥+M黄腐酸钾)=24 450 kg，M有机肥和M黄腐酸钾总计需要48 900 kg·hm-2。

由于A1～A5各点检测的有机质含量各不相同，从便于施工方便角度考虑，选取各取样点的M黄腐酸钾和M有机肥用量最大值作为控制用量，全研究区采用同一用量进行计算。因此，本研究拟采用每公顷施用45 000 kg植物质有机肥和7 500 kg黄腐酸钾的有机质管理措施。具体做法是：首先，将所剥离土壤均匀铺在田块上，铺设厚度约为20 cm，在此基础上实施土壤改良作业。其次，借助田间加样机(带漏斗)，将植物质有机肥和黄腐酸钾混合物均匀铺洒在田块上，或者按每4 m×4 m施加一袋有机肥的方式，将有机肥人工铺于田块上。再次，土壤改良剂施加后，使用耙地机在田块上反复耙地3次，向田块中引入灌溉用水，保持水位与耕作层土壤上方持平。最后，用耙地机在田块上反复耙地3次，最终使得耕作层回填土壤、有机肥混合物充分混匀。

2.调节土壤pH的措施

依据现场勘察及土壤检测分析数据、整治前的省级和国家级耕地利用等别调查，本研究要求A村改造后耕地质量估算等级不低于现有等级，因此拟将研究区土壤pH值调整至6.0～7.9之间。通过石灰需要量的公式计算可得，研究区生石灰用量拟为每公顷播撒1 500 kg。

另外，根据现场踏勘情况，结合最新年度A区耕地质量等别评定补充完善成果数据库，该区灌溉与排水条件有可提升空间，为满足作物生长需求，可完善水利工程配套设施，提高灌溉保证率，以达到提高耕地质量水平的要求；研究区内土壤保肥保水能力较差，可通过机械碾压等工程措施重新构建田块犁底层，达到保水保肥的效果；为便于机械化耕作，对研究区将进行土地平整工程。

(三)垦造前后耕地质量等别变化情况

本研究地块通过土地平整、土壤改良工程、灌溉与排水工程、田间道路工程等工程的建设，最终拟改造水田 13.15 hm2，改造水田率达到了 92.72 %。经过土地平整，A区土地满足渠道过水条件，降低田面坡度，提升有效土层厚度；通过土壤改良，增施有机肥和生石灰，提升土壤有机质含量至2%以上，并增加pH 量和降低容重；通过新修灌溉及排水渠道，提高了A区耕地灌溉、排涝和抗旱能力，提升灌溉保证率及提高排水条件。最终，A区的国家级耕地利用等别估算由现状的 5 等提高至 4 等，省级耕地利用等别由现状的 9 等提高至 10 等(表3和表4)。

表3 研究区建设后耕地质量评价因素属性

表4 研究区建设前后耕地质量等别对比表

三 讨论与结论

广东省是我国水稻主产区之一，种植水稻历史悠久。全省丰富的降水和充足的热量，能够保证省域内很多地区具备水稻生长所需的适宜气候条件。但是水稻生长和水田建设不仅受上述因素影响，它们还会受土壤、地形等更多立地条件的限制，因此垦造水田必须在科学指导下，因地制宜的进行设计和施工。

土壤质量是决定水田垦造成败的核心，受时空影响和人为管理影响巨大。因此，采取适宜措施、提高新垦水田土壤质量在水田垦造进程中极其关键。本研究中针对土壤有机质偏低、酸性和容重偏大的特点，采用土壤有机质和酸碱度管理措施，施加植物性有机肥、黄腐酸钾、生石灰来改变土壤质量。植物性有机肥通常包括豆饼、饼肥、绿肥等，养分齐全、肥效长。黄腐酸钾是一种利用天然腐殖酸提取物制作的缓释肥料，能够活化板结的土壤，螯合各种营养物质，促进植物生长，是农业与园艺业常用肥料[10]。在酸性土壤中施用生石灰不仅可以提高pH值，同时也影响微生物代谢和种群功能多样性[11]。两种肥料搭配使用，结合生石灰撒播，能提高土壤有机质含量，补充充足的丰富的速效和缓效养分，既具有肥效又促进作物生长，还能改善微生物活性，最终有利于优质杂交水稻生产，为农民增收提供有力的保障。

综上，每公顷施用45 000 kg有机肥+7 500 kg黄腐酸钾和每公顷播撒1 500 kg生石灰可分别用来提升土壤有机质和pH值，减少土壤容重，提高新垦水田土壤质量。研究区土壤改良后，预计可新增水田面积为13.15 hm2，土地的国家级耕地利用等别提高至4等，省级耕地利用等别提高至10等。上述研究为粤北南岭山水林田湖草生态保护修复试点提供水田改造工程经验借鉴。