基于土体有机重构的水肥耦合对土壤理化性质和水稻产量的影响

何振嘉， 范王涛， 杜宜春， 王启龙

（陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075）

我国土地利用类型复杂多样，耕地后备资源不足。随着后备资源的不断减少和人口的进一步增多，土地整治开发利用难度不断加大。工业化进程和城镇化进程的不断推进进一步造成了土地资源污染、损毁等危害。针对污损土地修复成本高、效率低、修复质量与技术标准缺乏等问题，韩霁昌等［1］提出了一项污损土地修复的核心技术——土体有机重构技术。该技术是根据种植作物种类、地形坡度、土层厚度、劳动力和机械化程度等因素，通过客土、复配等方法调配土壤机械组成、确定复配土层厚度、优化土体剖面构型，改良土体物理性质以满足作物正常生长［2］。该技术目前已在陕西省毛乌素沙地治理、陕北地区盐碱地改造、延安地区治沟造地、矿区土壤修复以及生态修复中进行了广泛应用。韩霁昌等［3］在陕北毛乌素沙地研究了砒砂岩与沙复配成土技术对玉米生长的影响，研究表明1∶2复配比例适宜玉米生长；庞喆等［4］利用土体有机重构技术对陕北盐碱地进行修复改造，结果表明，改造后的土壤质量及作物产量均逐年提高；张腾飞［5］研究了土体有机重构对盐碱地盐分和土壤养分含量的影响，结果表明，不同土壤有机重构方式对盐碱地改良均具有一定效果；刘哲等［6］通过土体有机重构技术使延安治沟造地工程土壤理化性质得到改善，能够满足农作物的正常生长；胡雅［7］采用土体物理重构和土体生物重构相结合的方式整治了潼关金矿污染土体，并归纳出适宜作物种植的剖面物理构型；关红飞等［8］利用土体有机重构方法对陕西省神木县孙家岔矿区耕作层进行构建，实现了试验区的生态恢复，为陕北矿区整治的有效措施；魏静等［9］采用土体有机重构技术重建生态河道并进行土壤修复，为石川河流域提供了清洁的土壤环境、稳定的土体结构，有效改善了生态环境，提高了土地质量。

我国陕西省韩城市下峪口黄河滩涂地未利用土地资源广阔，地下水位较高，且临近黄河，水资源较为充足，十分适宜水稻生长。但由于该区域土壤主要为沙土，砂粒含量高，孔隙大，透水透气性强，土体内的养分易随水淋溶到下层，造成表土层养分匮乏，不利于水稻健康生长和产量的提高。因此，通过土体有机重构措施将原有沙地土壤改变为适宜水稻生长的重构土体进行水稻种植具有重要意义［10］。

水和肥是水稻生长的2个重要影响因素，适宜的水肥制度能显著改善水稻生长发育状况，提高水稻产量和品质。水肥过量不仅会降低水肥利用效率，还能在一定程度上造成水稻减产或引发土壤深层渗漏等问题。因此，探究适合水稻种植的水肥耦合制度、提高水肥利用效率是当前农业发展的重要任务。吕艳东等［11］研究了膜下滴灌水肥耦合对寒地水稻产量的影响，结果表明，膜下滴灌旱种下分蘖肥与穗肥用量为87.15 kg·hm-2能显著提高水稻生物产量和经济系数，而分蘖肥与穗肥用量为70.12 kg·hm-2适合膜下滴灌旱种水稻；陈涛涛等［12］研究表明，干湿交替灌溉下水氮耦合显著降低了耗水量和施肥量，且水稻产量提高10.6%；徐飞等［13］开展水肥耦合对寒地水稻生长发育及产量的影响研究表明，叶龄灌溉模式与叶龄调控侧深施肥模式较常规种植模式使产量和氮肥农学利用率显著提高，适宜在我国北方寒地水稻种植中推广应用；张超等［14］进行了水肥耦合条件下寒地黑土区水稻盆栽试验，结果表明，氮磷钾施加量分别为1.01、0.63和0.46 g·盆-1，分蘖末期土壤含水率占饱和含水率的75.2%时，水稻产量最高；郑恩楠等［15］对控制灌溉和全面淹灌条件下水肥耦合模式对水稻器官C、N含量以及产量的影响进行研究，结果表明，控制灌溉条件下施氮量为110 kg·hm-2时产量较高，氮素减排及节水效应显著。

众多学者对不同灌水和施肥条件水稻生长和产量的影响及水肥耦合条件引起的水稻产量和品质变化进行了一定研究，但对于重构土体种植水稻适宜性方面的研究尚未见报道。因此，本文以土体有机重构为基础，研究了韩城市下峪口黄河滩地不同水肥耦合条件对土壤理化性质及水稻生长发育和产量的影响，以期为在土体有机重构条件下推广水稻种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2017年6—10月在陕西省韩城市下峪口黄河西岸土地生态环境恢复治理区进行。试验区位于东经 110°30′34″—110°33′36″，北纬35°31′02″—35°34′01″，海拔 357～1 783 m。试验区地下水埋深0.2～1.0 m，属暖温带半湿润、半干旱季风气候，年均降水量555.2 mm，年内分配不均，干旱频繁；年均气温13.7℃，6—10月月均气温25℃，极端最高温度40.1℃，极端最低温度-20.1℃，昼夜温差较大，有利于水稻干物质的积累。全年≥20℃积温为2 718℃；年均无霜期 208 d，年均风速3.2 m·s-1，年均日照2 436 h，≥10℃期间辐射总量为83.25 kcal·cm-2。试验地土壤为有机重构土，外运客土土壤质地为粉砂壤土，土壤饱和导水率16.2%，0—30 cm土层范围内，土壤pH 8.3，全氮、有效磷和速效钾含量分别为 0.75 g·kg-1、5.02 mg·kg-1和 99.45 mg·kg-1，有机质含量为5.52 g·kg-1。整体来看，有机质含量较低，土壤肥力不足。试验区各土层土壤理化指标详见表1。

表1 试验区土壤理化指标Table 1 Soil physical and chemical indicators in the test area

1.2 土体有机重构工程设计

研究区土壤粘粒含量2.9%、粉粒含量40.8%、砂粒含量56.3%，土壤以砂粒为主，质地为砂壤土。项目区土壤容重1.52 g·cm-3，土壤饱和导水率53.28%，由于粘粒含量较高，土体经水沉后结构变化并不明显，水肥渗漏严重，因此需通过土体有机重构措施进行改良。首先通过外运客土构造犁底层土体。选用客土粘粒（含量12.19%，土壤容重1.6～1.7 g·cm-3，饱和导水率8%～16%，渗漏量0.9%～1.5%）作为土体重构人造犁底层土源，经覆土碾压后构建水田的人造犁底层，厚度为5 cm，在保证水田土体通气性的同时，将灌溉水有效保水时间最大化；然后，根据水稻生长需求构建耕作层，厚度为25 cm。其后经过松土精平、放水泡田、打浆磨地操作后进行水稻种植；打浆整平工程采用拖拉机专用打浆器械对水田进行打浆操作，形成10 cm深度的泥面层，对完成打浆的地块进行磨地，泥浆静置后平整高差控制在±3 cm（图1）。

图1 土体有机重构示意图Fig.1 Schematic diagram of soil organic reconstruction

1.3 试验方案及处理

供试水稻品种为“吉宏6号”，试验小区规格为100 m×3 m（长×宽），面积300 m2。试验地四周起垄后，划分为3个大田块，内部再划分为27个小田块，将小田块地表进行人工平整，在翻耕种植前采集土壤样品。试验田的播种育苗、插秧、灌溉及施肥等田间具体情况参考当地生产实际进行。试验以陕西省韩城市下峪口地区常年水稻种植需要的灌水量和施肥量（适水中肥）为对照，分别设置传统灌水量和施肥量的80%（节水低肥）和120%（高水高肥），共设置3个水分处理和3个施肥量处理，分别为高水4 500 m3·hm-2（W1）、适水3 750 m3·hm-2（W2）和节水3 000 m3·hm-2（W3）；高肥162 kg·hm-2（F1）、中肥 135 kg·hm-2（F2）和低肥 108 kg·hm-2（F3）。试验为正交处理，共9个处理，每处理3次重复。选择尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O520%）和硫酸钾（K2O 50%）为供试肥料。灌溉水源为黄河水，经过沉沙、加压和过滤处理后进入灌溉管网。各生育期灌水量和施肥量详见表2和表3。

表2 不同生育期的灌水量Table 2 Amount of irrigation in different growth periods （m3·hm-2）

表3 不同生育期的施肥量Table 3 Amount of fertilization in different growth stages （kg·hm-2）

1.4 测定项目与方法

分别对水稻种植前后使用四分法采集土样，采样深度为0—30 cm。土样经风干、过筛后测定土壤基本理化性质。土壤pH采用S220型酸度计（梅特勒-托利多）测定；电导率采用EC215型电导率仪（梅特勒-托利多）测定；土壤粒度及微团聚体采用MS3000型粒度分析仪（英国马尔文仪器有限公司）测定；NO-3-N和NH+4-N含量采用UDK129型凯氏定氮仪（意大利VELP公司）测定；有机质含量采用DU-30G油锅法测定［16］；有效磷含量采用752 N紫外可见分光光度计（美国PE公司）测定；速效钾含量采用M420火焰光度计（英国Sherwood公司）测定；土壤离子利用数字瓶口滴定器（德国普兰德公司）测定。

在作物关键生育期（苗期、分蘖期、拔节期等）选取长势比较有代表性的3～5株植株，定期利用卷尺等试验设备测定株高。在作物收获后每个小区及时划定样方，样方内随机选取3株水稻，统计穗数和单株产量，其中单株产量采用精度为0.1 g的电子称称量；选取10穗，统计穗粒数和百粒重。以小区实收产量计算水稻单产（kg·hm-2）。

1.5 数据分析方法

采用Microsoft Excel 2007软件进行试验数据的整理和分析，采用SPSS 22.0软件进行统计分析。

2 结果分析

2.1 水肥耦合对有机重构土壤物理性质的影响

土壤物理性状是土壤肥力的重要影响因子，直接或间接地影响着土壤水、肥、气、热等状况。不同处理的理化性状（表4）表明，W2F1处理使有机重构土壤的总孔隙度、大团聚体、水稳性团聚体以及微团聚体含量均处于较高水平，且土壤pH和电导率较低，即对土壤物理性质的改善效果较好。灌水对有机重构土壤电导率有极显著影响，其中，适水处理（W2）土壤的电导率均较低（173～187 μs·cm-1），脱盐效果较好。施肥对有机重构土壤pH有显著影响，与有机重构土本底值相比，各处理土壤pH均出现不同程度的降低。除W1F3和W3F3处理外，其他处理土壤电导率均有不同程度的降低。且施肥对土壤总孔隙度影响显著，土壤孔隙度随施肥量的增加逐渐升高，W1F1、W1F2、W2F1、W3F1和W3F2处理的总孔隙度均超过48%，有利于水稻根系呼吸作用的进行。施肥和水肥耦合对重构土壤大团聚体含量有显著影响，有机重构土壤中大团聚体含量越高，土壤抗冲性能力越强。W2F2和W2F3处理有机重构土壤大团聚体含量最高，分别为93.54%和93.35%，土壤肥力状况和稳定性最好。水稳性团聚体对保持土壤结构的稳定性有着重要作用，而施肥和水肥耦合均对有机重构土壤水稳性团聚体含量有显著影响，W3F1、W2F2、W1F1和W2F1处理水稳性团聚体含量均超过28%，抗侵蚀能力较好。土壤微团聚体对有机重构土壤理化特性和生物特性具有显著影响，而施肥和水肥耦合对有机重构土壤微团聚体含量有极显著影响，其中W3F1处理微团聚体含量最高，为3.62%；其次为W3F2和W2F1处理，分别为3.55%和3.52%；W1F3处理最低，仅为3.23%。总体来看，W2F1处理有机重构土壤总孔隙度及大团聚体、水稳性团聚体以及微团聚体含量均较高，且土壤pH和电导率较低，对有机重构土壤物理性质的改善效果较好。

表4 水肥耦合下有机重构土的土壤物理性质Table 4 Soil physical properties of organically reconstituted soil under coupling of water and fertilizer

2.2 水肥耦合对有机重构土壤养分的影响

土壤养分为植物提供必需的营养元素，养分含量的多少是评价土壤肥力水平的重要内容之一。对不同处理下土壤养分含量进行分析，结果（表5）表明，W2F2处理土壤有机质、NH+4-N、有效磷和速效钾含量均处于较高水平，保肥性能最佳。灌水、施肥对有机重构土壤有机质含量有影响显著，且水肥耦合作用对有机重构土壤有机质含量有极显著影响。适水条件下，有机重构土壤有机质含量较高，且随施肥量的增加而增大，W2F1处理有机质含量最高，为14.42 g·kg-1；高水低肥条件下有机质含量较低，其中W1F1处理最低，仅为9.15 g·kg-1。NO-3-N在土壤中运移遵循“氮随水动”的规律，高水条件下各处理NO-3-N含量的平均值为108.15 mg·kg-1，较适水和节水处理分别降低了5.98%和13.90%，表明随着灌水量的增加，有机重构土壤中NO-3-N随水分向深层土壤运移，导致土壤中NO-3-N含量降低，造成氮肥利用效率降低。灌水对有机重构土壤NH+4-N含量无显著影响，但施肥和水肥耦合对其影响显著；适水条件下NH+4-N含量最高，平均为36.82 mg·kg-1，分别较高水和节水处理提高了29.51%和48.23%；相同灌水条件下，高肥处理土壤NH+4-N含量较高。施肥、灌水和水肥耦合对有机重构土壤有效磷和速效钾含量均有显著影响，均表现为适水条件下含量最高，其次为节水处理。适水条件下土壤有效磷含量平均值为19.09 mg·kg-1，较节水和高水处理分别增加了27.78%和56.35%；速效钾含量平均值为142.58 mg·kg-1，较节水和高水处理分别增加了15.97%和19.63%。相同灌水量条件下，有效磷含量随施肥量的增加而增加；速效钾含量表现为中肥处理较高，高肥和低肥处理较低。

表5 水肥耦合下有机重构土的土壤养分Table 5 Soil nutrients of organically reconstituted soil under coupling of water and fertilizer

2.3 水肥耦合对水稻生长和产量的影响

水肥耦合与水稻生长和产量存在密切关系。不同处理下水稻的产量及相关性状的结果（表6）表明，W2F2处理每平方米穗数、百粒重、理论产量和实际产量均最高，分别为352 m-2、2.03 g、30.82 kg·hm-2和 25.28 kg·hm-2。灌水对水稻株高、单穗穗粒数以及每平方米穗数无显著影响，对单株分蘖数、百粒重以及产量影响显著；施肥对分蘖数和每平方米穗数无显著影响，但对其他产量性状有显著影响；水肥耦合对水稻分蘖、单穗穗粒数以及每平方米穗数无显著影响，对株高和每平方米穗数影响显著，对百粒重和产量有极显著影响。相同灌水量下，株高随着施肥量的增加而升高，W1F1、W2F1和W3F1处理株高均超过75 cm，显著高于其他处理。水稻分蘖数随灌水量的增加而增加，高水处理的平均值为17.5，较适水和节水处理分别提高了18.97%和22.38%。W2F3处理的单穗穗粒数最高，达到100粒，其次为W3F2、W2F2、W1F3以及W1F2处理，表明高肥处理可显著增加穗粒数。

表6 水肥耦合下有机重构土的水稻生长和产量Table 6 Rice growth and yield in organically reconstituted soil under coupling of water and fertilizer

2.4 水肥耦合对水稻经济效益的影响

经济效益是农业生产活动追求的最终目标，根据韩城下峪口地区农业灌溉用水和肥料价格综合来看，灌水为黄河抽水灌溉，水费综合单价为0.8元·m-3，肥料价格为1 850元·t-1，田间管理及人工费综合单价为12 750元·hm-2，水稻收获后售出价格为4.5元·kg-1。对不同处理水稻的经济效益进行比较，结果（表7）表明，经济投入随灌水量和施肥量的增大而增大；灌水和施肥对水稻产量有显著影响，且水肥耦合对产量影响极显著。相同施肥量下，适水处理水稻的平均净收益为8 524.5元·hm-2，较高水和节水处理分别显著提高了47.40%和36.99%；而相同灌水量下，中肥处理水稻的平均净收益为6 542.25元·hm-2，较高肥和低肥处理分别显著降低了9.19%和3.13%。由此表明，灌水、施肥过量或不足，均不利于水稻产量和经济效益的提高。灌水和施肥对水稻净收益和产投比有显著影响，且水肥耦合对水稻净收益和产投比有极显著影响。其中，W2F2处理净收益达9 506元·hm-2，投入产出比最小，为0.63。

表7 水肥耦合下有机重构土的水稻经济效益以吸收、富集土壤中多余的盐Table 7 Rice economic benefits of organically reconstituted soil under the coupling of water and fertilizer

3 讨论

土体有机重构技术是近几年提出的一项新技术，其将无生命体特征、状态不良的土体通过工程措施转变为具有生命特征、适宜生命体生存和繁衍土体。目前，有关土体有机重构的相关研究还较少，相关技术的推广还处于初级阶段。因此，本研究基于有机重构土体，开展水稻种植试验，探究水、肥耦合对重构土体理化性质以及水稻生长和产量的影响，以期为丰富土体有机重构技术应用提供理论参考。

3.1 水肥耦合显著改善有机重构土壤物理性质

种植水稻对有机重构土壤改良和土壤结构的改善具有显著影响。朱珠等［17］研究了滴灌条件下水肥耦合对枣园土壤盐分的影响，结果表明，适宜灌溉定额和施肥配比能够达到抑盐、脱盐的效果。水稻生长过程中能分泌一定量的有机酸，可在一定程度上疏松土壤，降低土壤碱性；同时还可以吸收、富集土壤中多余的盐分，进一步降低土壤含盐量。本研究发现，除W1F3和W3F3处理外，其他处理土壤电导率均存在不同程度的降低，适水条件下土壤电导率最低，脱盐效果最佳。张瑜等［18］研究发现，施加肥料可有效改善土壤通气度，增加土壤孔隙度。臧明等［19］通过增加地下氧气改善了土壤通气性，促进了番茄生长和产量的提高。本研究表明，土壤孔隙度随施肥量的增加而增加，W1F1、W1F2、W2F1、W3F1和W3F2处理总孔隙度均较高，有利于水稻根系进行呼吸作用。这主要是由于水稻根系与重构土的相互作用对于促进土壤团聚体形成以及改善土壤结构具有显著影响，增加了土壤孔隙度；同时，孔隙度的增加对水稻根系生长发育起促进作用，有利于提高水稻的水肥利用效率。土壤中大团聚体含量越多土壤的抗冲性越高，W2F2和W2F3处理土壤大团聚体含量最高，土壤肥力和稳定性均较好，这与翟龙波等［20］研究结果一致。陈轩敬等［21］研究表明，施肥显著增加了耕层土壤中水稳性团聚体含量。本研究发现，W3F1、W2F2、W1F1和W2F1处理水稳性团聚体含量均超过28%，抗侵蚀能力较好。林清美等［22］研究表明，不同类型化肥和施用量均影响土壤微团聚体含量，本研究表明，施肥量越低，土壤微团聚体含量越高。

3.2 水肥耦合有效提高有机重构土壤养分

土壤养分对作物产量和土壤肥力具有显著影响。贾正茂等［23］研究表明，水肥耦合对土壤养分含量具有显著影响，灌水量越高，土壤有机质、-N、有效磷含量越低，但-N含量增加。本研究表明，适水条件下，土壤有机质含量随施肥量增加而增加，表明稻田生态系统改善了土壤的理化性状，提高了土壤微生物量碳，有助于土壤有机质的积累［24］。李玉等［25］研究发现，施用有机肥对盐碱地土壤全氮含量无显著影响。本研究表明，种植水稻显著增加有机重构土壤全氮含量，这可能是由于试验地土壤条件和施用化肥种类不同所导致。高水条件下，-N含量较适水和节水处理分别降低了5.98%和13.90%，这可能是由于-N在土壤中运移遵循“氮随水动”的规律，灌水量越大，土壤-N随水分向深层土壤运移的量也越大；而适水条件下，-N含量较高水和节水分别提高了29.51%和48.23%。相同灌水量条件下，高肥处理的土壤-N含量均较高。唐海龙等［26］研究表明，土壤有效磷和速效钾含量随施肥量的增加而增加。本研究表明，相同灌水量下，有效磷含量随施肥量的增加而增加，速效钾含量表现为中肥处理较高，高肥和低肥处理较低。这可能是由于种植水稻能有效地防止稻田中氮、磷、钾的流失，促使土壤中磷酸盐类的溶解和被固定磷、钾的释放。

3.3 水肥耦合有效促进水稻生长和产量

土体有机重构的主要目的是改善污染、损毁以及利用效率低下土地的理化性质，重构后的土地能够种植作物，产生一定的经济效益，合适的水肥配比有利于提高作物产量。吴得峰等［27］研究了不同施肥模式对有机重构土体中黄瓜生长和产量的影响，结果表明，重构土体可基本满足黄瓜生长并取得了较高的产量，但需要增施微生物型土壤调理剂以提升土壤肥力。陈立冬等［28］研究了秸秆还田条件下水肥耦合对水稻产量和品质的影响，结果表明，适宜范围内增加灌水量、氮肥施用量和秸秆还田量，有利于提高水稻产量。本研究也表明，适水、中肥条件下，即W2F2处理产量及其相关性状表现较好，且具有最低的投入产出比。