种稻年限对盐碱土微量元素及水稻产量和品质的影响

罗成科，田蕾，毕江涛，肖国举

1. 宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2. 宁夏大学环境工程研究院，宁夏 银川 750021

宁夏银北地区为典型的干旱、半干旱地区，该区域降雨稀少，蒸发强烈，地下水埋深浅，在强烈的蒸发作用下，盐分不断累积于土壤表层，发生不同程度的土壤盐渍化（严海霞等，2010；代金霞等，2019）。土壤盐渍化影响了作物生长，严重制约着该地区农业生产的发展（Zhang et al.，2017；Wang et al.，2017）。银北地区现有盐碱土面积约1.0×105hm2，占宁夏盐碱地总面积的58%以上（雷晓萍等，2016），盐碱化土壤主要以惠农县燕子墩乡一带的盐化土壤和平罗县西大滩一带的碱化土壤为典型代表（李淑玲等，2014）。作为宁夏主要商品粮生产基地之一（张红娟，2013），银北地区现已恶化为宁夏河套灌区盐渍化最为严重的地区（邓丽等，2007），由于该地区土地平整，水资源便利，适合大面积种植水稻。生产实践和科学研究表明，采用种稻方式改良盐碱地是盐碱地改良和利用最有效的途径之一，也对保障国家粮食安全具有重要作用（Fan et al.，2012；邵玺文等，2018）。

文献报道，不同种稻年限影响吉林苏打盐碱土壤理化性质（陆水凤等，2019；王巍巍等，2016）、养分（王巍巍等，2016；刘胜楠等，2018）、酶活性（王巍巍等，2016）、真菌群落（陆水凤等，2019）和Zn的形态转化（张楠等，2018）。种稻年限的增加能够显著降低盐碱土pH、电导率、总碱度以及水溶性盐分总量，同时提高土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、微生物量碳和腐殖酸等养分含量（陆水凤等，2019；王巍巍等，2016；刘胜楠等，2018），在不同种稻年限下，土壤过氧化氢酶、过氧化物酶活性总体呈下降趋势，脲酶、蔗糖酶活性总体呈上升趋势（王巍巍等，2016）。真菌群落多样性随种稻年限延长而先增加后逐渐减小，种稻5 a时真菌群落多样性最高（陆水凤等，2019）。值得关注的是盐碱地种稻改良可促进土壤Zn非生物有效态向生物有效态转化，尤以种稻1 a最为显著，连续种稻5 a后进入平缓上升阶段（张楠等，2018）。遗憾的是，有关种稻年限对盐碱地土壤微量元素含量影响的研究相对较少，尤其是不同种稻年限下水稻的产量和品质状况也不清楚。

土壤微量元素铁（Fe）、锰（Mn）、铜（Cu）、锌（Zn）、硼（B）等元素作为生物体内酶、辅酶、激素和维生素等生物大分子的组成成分或活化剂，对叶绿素和蛋白质的合成、光合作用或代谢过程，以及对氮（N）、磷（P）、钾（K）等养分的吸收和利用有重要的促进和调节作用（丁少男等，2017；Neha et al.，2019）。微量元素Fe、Mn、Cu、Zn、B是水稻生长中必不可少的营养元素，直接或间接地影响水稻的产量和品质。鄢建宾等（2007）用250.5 mL·hm-2速效Zn喷施水稻孕穗期叶面，试验结果表明Zn肥的施用可明显增加穗粒数、千粒重和产量，产量达到了9500 kg·hm-2，高出对照26.65%，说明施用Zn肥能促进水稻生殖生长，提高结实率，增加粒重，增产增效；胡金定等（1995）研究表明，在合理使用氮磷钾肥的基础上，增施Mn肥也能使水稻明显增产，平均增产达到121.5 kg·hm-2；胡秀芳等（2005）利用0.1% B肥溶液喷施齐穗期叶面，试验结果表明施用B肥的水稻千粒重较对照提高0.5 g，增产4.4%；杨志珍等（2003）利用0.1%微量元素肥料的混合溶液（包含Zn、Cu、Mn、Mo、B）分别对杂交水稻新香优77、香两优68和常规稻湘早籼31号进行叶面施肥，研究结果表明喷施微肥混合液后，水稻产量较对照分别增产5.5%、5.6%、5.9%，稻米的垩白粒率比对照分别降低6%、3.4%、3.2%，稻米蛋白质含量较对照分别提高1.6%、1.5%、1.7%，说明施用微肥混合液能够提高水稻产量，改善稻米品质。宁夏银北地区在利用连续种稻改良盐碱地的生产实践中，发现水稻产量和品质降低问题，推测与盐碱土壤微量元素含量相关。因此，本研究开展种稻年限对盐碱土壤微量元素含量及水稻产量和品质的影响，为种稻改良盐碱地示范推广和平衡施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于宁夏银北地区前进农场三站，属贺兰山东麓洪积平原与黄河冲积平原过度地带，地形较为平坦，海拔1100 m左右。试验地土壤类型为龟裂碱土（俗称白僵土），高度碱性，弱度盐化。一般地下水埋深1.5 m左右，地下水主要含硫酸盐、氯化物，并且普遍含有碳酸盐。土壤pH值8.5以上，碱化度20%以上，含盐量0.15%以上，盐分类型主要有NaCl、Na2SO4、Na2CO3，土壤有机质少，土质粘重，氮、磷含量低，钾含量较高（赵小霞等，2016；李明等，2018）。供试土壤基本性质见表1。

1.2 试验设计

田间大区对比试验设在宁夏银北地区前进农场三站进行，以前茬种植玉米、轮作种植1 a的稻田土壤作为对照，选择相邻的连续种稻2、5、10、15 a盐碱地稻田土壤为研究对象，试验设5个处理，每条稻田中随机选取3个667 m2小区，作为3个重复，每条稻田面积约为33350 m2。供试品种为耐盐碱品种富源4号（96D10），水稻种植方式为旱直播，播种量为337.5 kg·hm-2。播前施足底肥，基施N15P15K15复合肥225 kg·hm-2，磷酸二铵300 kg·hm-2，苗期追施过磷酸钙375 kg·hm-2。田间管理按常规进行。

1.3 土壤样品采集与测定方法

分别在水稻种植前、幼苗期、开花期和收获期4个时期采集0-20 cm表层土壤，每个年限中每个时期的样品为多点采集的混合样品。采集的样品去除杂质后混合均匀装入自封袋中带回，经室内自然风干，研磨过筛，用于土壤微量元素测定，测定时每个样品3次重复。

按质量比1:5配制水土混合液，混合均匀后放置过夜，得到上清液，然后分别采用pH计和电导率仪测定土壤的pH值和电导率；参照农业行业标准NY/T 1121.6—2006，采用重铬酸钾-浓硫酸容量法-外加热法测定有机质含量；参照农业行业标准NY/T 1613—2008，土壤样品采用硝酸-高氯酸-盐酸消煮法进行前处理并适当稀释后，利用火焰原子吸收光谱仪分别测定Fe、Mn、Cu、Zn、B元素含量，每个样品平行测定3次，取平均值作为样品测定最终含量。采用标准土样控制准确度，以空白值控制误差和污染。具体方法参照文献（颜秋晓等，2015；董起广等，2017）进行。

表1 不同种稻年限下盐碱土壤基本性质 Table 1 Basic properties of saline-alkaline soil with different rice planting year

1.4 水稻样品采集与测定方法

水稻成熟后，针对每个处理的条田随机选取3个667 m2小区，在每个667 m2小区内随机取5穴有代表性的稻株，脱粒后计算千粒重；并对每个处理的每个667 m2小区进行收割，分别统计实际产量。分别对收获的每个处理样品进行晾晒，待理化性质稳定后，按每个处理称取3份稻谷，每份300 g，将这些水稻样品送至农业部稻米及制品质量监督检验测试中心，委托其测定水稻品质指标，其中糙米率、精米率、透明度和碱消值按照NY/T 83—1988测定，整精米率按照GB/T 21719—2008测定，粒长、长宽比、垩白粒率、垩白度按照GB/ T 17891—1999测定。胶稠度按照GB/T 22294—2008测定，直链淀粉按照GB/T 15683—2008测定，蛋白质按照NY/T 3—1982测定。

1.5 数据处理

运用Excel 2010进行数据处理与作图；运用SPSS 12.0软件统计分析数据，采用LSD法进行多重比较（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 种稻年限对水稻不同生育时期土壤化学性质的影响

由图1可知，不同种稻年限下，土壤pH值和全盐量均随水稻生育期进程总体呈下降趋势（图1A、B），而土壤有机质含量均随水稻生育期进程总体呈上升趋势（图1C）。与种稻1 a相比，不同种稻年限（种稻2、5、10、15 a）对水稻不同生育时期内土壤pH值和全盐量的下降幅度、有机质含量的增加幅度有一定程度的影响，其中种稻5-10 a条件下的影响较大。比较分析表明，种稻1 a条件下水稻成熟期土壤pH值和全盐量较种植前仅下降了0.09、0.03%，有机质较种植前仅增加了2.0 g·kg-1，而种稻5-10 a条件下，水稻成熟期土壤pH值和全盐量较种植前下降幅度分别达到0.22-0.24、0.07%-0.1%，有机质含量较种植前增加幅度达到3.9-5.0 g·kg-1。

2.2 种稻年限对水稻不同生育时期土壤微量元素的影响

图1 不同种稻年限下水稻不同生育期土壤化学性质的变化趋势 Fig. 1 Change trend of the basic chemical properties of saline-alkaline soil with different rice planting year in different growth period

由图2可知，不同种稻年限下，土壤中5种微量元素含量均随水稻生育期进程总体呈增加趋势，不同种稻年限对盐碱土壤中5种微量元素含量的影响程度不同，种稻1 a条件下水稻成熟期土壤Fe和Cu含量较种植前分别提高53.7%、62.9%，连续种稻2 a下两种元素含量的增幅分别为51.7%、68.7%，随着种稻年限的加长，土壤Fe和Cu含量的增幅随之降低，至连续种稻15 a，水稻成熟期土壤中两种元素含量较种植前分别提高46.9%、59.3%，但连续种稻15 a较连续种稻2 a土壤Fe和Cu的增幅分别下降了4.8%、9.4%。随着种稻年限的加长，水稻成熟期土壤B、Mn和Zn含量较种植前的增幅呈先增加后降低趋势，3种元素含量在种稻1 a下的增幅分别为170%、22.8%和65.4%，在连续种稻5 a下的增幅分别达到240%、24.6%和82.2%，而在连续种稻15 a下的增幅分别为150%、20.6%和69.5%，连续种稻15 a较连续种稻5 a土壤B、Mn和Zn元素含量的增幅分别下降了90% 、4%和13.7%。

图2 不同种稻年限下水稻不同生育时期土壤微量元素含量的变化趋势 Fig. 2 Change trend of different microelements of saline-alkaline soil with different rice planting year in different growth period

2.3 种稻年限对水稻产量及其构成因素的影响

不同种稻年限对水稻产量及其构成因素的影响研究表明（图3），随着种稻年限的增加，水稻千粒重和结实率均呈现先增加再减少的趋势，种稻1 a和连续种稻2 a的水稻千粒重差异不明显，结实率差异显著（P＜0.05），连续种稻5-10 a有利于促进千粒重和结实率的增加（P＜0.05），随着种稻年限的加长，水稻千粒重和结实率开始下降，连续种稻15 a明显降低了水稻千粒重和结实率（P＜0.05），与连续种稻5 a相比，它们分别下降了18.8%和6.2%（图3A）。千粒重和结实率是水稻产量的重要构成因素，不同种稻年限对产量构成因素的影响相应地造成了对水稻产量的影响。由图3C可知，水稻产量的变化也随种稻年限的加长呈先增后降趋势，连续种稻2 a和连续种稻10 a的水稻产量略低于种稻1 a产量，连续种稻5 a的产量增加最明显（P＜0.05），达到11475 kg·hm-2。种稻年限太长对水稻产量造成不利影响，连续种稻15 a显著降低水稻产量（P＜0.05），产量为8625 kg·hm-2，相比连续种稻5 a，减产率达24.8%（图3B）。

4 种稻年限对水稻品质的影响

图3 不同种稻年限下水稻千粒重和产量的变化 Fig. 3 Changes of the thousand seed weight and yield of rice with different rice planting year

由表2可知，不同种稻年限对水稻糙米率、长宽比、透明度、碱消值、直链淀粉和蛋白质等品质指标影响不明显，但对整精米率、垩白粒率、垩白度和胶稠度的影响较显著。种植1-2 a的水稻较其他种植年限的水稻垩白粒率和垩白度明显增加（P＜0.05），导致稻米外观品质变差，依据NY/T 593—2013《食用稻品种品质》标准，种植1-2 a的水稻样品经检验符合3-4等级食用粳稻品种品质规定要求；连续种稻年限增加至5-10 a较种植1-2 a，其水稻整精米率明显提高（P＜0.05），垩白粒率和垩白度显著降低（P＜0.05），胶稠度也明显降低（P＜0.05），依据NY/T 593—2013，连续种植5-10 a的水稻样品符合二等食用粳稻品质；与种植1 a相比，连续种稻15 a，尽管能够改善稻米外观品质，即降低水稻恶白粒率和恶白度（P＜0.05），但也明显影响稻米碾磨品质，即降低水稻的精米率和整精米率（P＜0.05），从而导致水稻品质变劣。依据NY/T 593—2013，连续种植15 a的水稻样品不符合食用粳稻品质规定要求；以上结果说明，种稻年限主要影响稻米碾磨品质和外观品质，连续种植5-10 a条件下的稻米品质优良，种稻年限达到15 a会使稻米品质变劣。

3 讨论

3.1 种稻年限对盐碱土壤化学性质的影响

土壤pH值和全盐量是反映土壤盐碱化性质的重要指标，pH值和全盐量越高，土壤的盐碱化程度越强，作物越难以生长（李玉波等，2014）。土壤有机质是反映土壤肥力质量的一个综合指标，是土壤各种营养元素特别是N、P的重要来源（王训等，2010）。不同植物连续种植年限对土壤基本理化性质的影响不同，赵峥等（2017）研究表明，不同种植年限对上海郊区葡萄园土壤pH值和有机质含量无显著影响。

本研究发现，种稻年限影响水稻生育期内盐碱土壤的pH值、全盐量和有机质的变化，pH值和全盐量在水稻成熟期的增幅均随种稻年限延长而下降，有机质含量在水稻成熟期的增幅均随种稻年限延长而增加，这些结果与陆水凤等（2019）和王巍巍等（2016）的研究结论基本一致。土壤理化性质的变化可以改善土壤质量（陆水凤等，2019），已有研究表明，种稻年限明显影响吉林苏打盐碱土土壤养分、酶活性以及真菌群落结构的变化（陆水凤等，2019；王巍巍等，2016；刘胜楠等，2018），但种稻年限是否影响宁夏盐碱地土壤养分、酶活性以及真菌群落结构的变化，有待进一步研究。

3.2 种稻年限对盐碱土壤微量元素含量的影响

土壤微量元素的全量分布是母质、地形、地貌、气候以及耕作施肥水平等各种因素综合作用的结果，微量元素全量在一定条件下可以说明土壤微量养分的供应水平（袁颖红等，2009；项剑桥等，2017）。不同植物连续种植年限对土壤微量元素含量的变化规律不同，颜秋晓等（2015）研究表明，土壤中Zn和Cu含量随种植山银花年限的增加而递增，Mo和Mn含量总体呈下降趋势；莫碧琴等（2017）研究表明，典型石漠化区桃树下土壤Fe、Cu、Zn和B含量均随种植年限的增加表现出先降低后增加趋势。而本研究表明，水稻成熟期土壤Cu、B、Mn和Zn含量较种植前的增幅随种植年限的延长呈先增加后降低趋势，一定的种稻年限（2-5 a）有利于促进盐碱土壤Cu、B、Mn和Zn的富集，种稻年限过长（≥10 a）会明显消弱Cu、Zn和B在土壤中的富集，其原因可能是长期的种稻年限加速消耗了这些微量元素，加之种稻洗盐过程中部分微量元素随同盐分一起被排出土体，土壤微量元素偏失，未能得到有效补充而致。因此，需加强对连续种稻10 a后的盐碱土壤进行微量元素的平衡施肥。

表2 不同种稻年限下水稻品质的变化 Table 2 Changes of rice quality with different rice planting year

3.3 种稻年限对水稻产量和品质的影响

产量与品质也是盐碱地改良过程中农业生产的追求目标，种稻年限太长会对盐碱地水稻产量和品质造成不利影响。本研究结果表明，连续种稻15 a显著降低水稻产量（P＜0.05），连续种稻5 a则有利于促进盐碱地水稻千粒重和结实率增加，进而明显提高水稻产量（P＜0.05），分析其原因可能是，连续种稻5 a的稻田土富集的微量元素较多（Cu、B、Mn和Zn），提高了水稻的抗逆性，促进了水稻根系对微量元素吸收转运能力，它们直接或间接参与了水稻叶绿素的合成和碳水化合物的转化，增强水稻的光合作用，进而促进了水稻产量增加（郑甲成等，2010；饶玉春等，2012）。

有研究表明，水稻籽粒的粒长、长宽比、糙米率、精米率等指标主要由水稻品种本身的遗传特性决定，而整精米率、垩白易受环境条件的影响，其中垩白是对环境生态条件变化反应最敏感的性状（程方民等，2001）。连续种植同一种作物（连作）为一种农业种植方式，本研究中所采取的连作种植方式属于环境生态条件变化，其对稻米的粒长、长宽比、糙米率、精米率等指标影响不明显（P＜0.05），对稻米整精米率、垩白指标影响显著（P＜0.05），连续种稻5-10 a明显提高稻米整精米率，明显降低垩白粒率和垩白度，由于稻米中富集一定量的Cu、Zn、Mn等微量元素，它们是原生质和细胞中许多酶的辅助因子，这些离子能将酶激活，酶在水稻生长发育和授粉过程中起诱导调节作用，因而有利于垩白粒率和垩白度的降低，从而改善稻米品质（杨志珍等，2003）。依据NY/T 593—2013《食用稻品种品质》标准，连续种稻5-10 a的稻米品质较优，能够达到2级标准。然而，连续种稻15 a尽管能够改善水稻外观品质，但明显影响整精米率，从而严重影响稻米品质的评定等级。说明一定的种稻年限（5-10 a）不仅可以增加水稻产量，还可兼顾稻米品质的提升，而种植年限（15 a）过长，对水稻产量和品质造成不利影响，应采取稻旱轮作方式种植或根据盐碱地土壤微量元素丰缺状况平衡施肥。

4 结论

连续种稻5-10 a可有效改善成熟期稻田土壤基本理化性质，pH值和全盐量分别下降0.22-0.24、0.07%-0.1%，有机质含量增加3.9-5.0 g·kg-1；连续种稻时间过长（15 a）会明显影响成熟期稻田土壤中富集的Cu、B和Zn含量，土壤Cu含量的增幅下降9.4%，土壤B和Zn含量的增幅分别下降90%、13.7%；连续种稻5 a能显著增加水稻产量，产量达到11475 kg·hm-2，连续种稻时间过长（15 a）会明显降低水稻产量，减产率达24.8%；种稻年限明显影响整精米率、垩白粒率和垩白度等品质指标，连续种稻5 a的稻米整精米率增加5.2%，垩白粒率和垩白度分别下降20%、2.4%，稻米品质达到2级标准，连续种稻时间过长（15 a）造成稻米整精米率大幅下降（37.8%），稻米品质变劣，不符合评定标准。综合土壤微量元素和水稻产量品质数据，认为连续5-10 a的种植年限可作为盐碱地种稻的合理年限，连续种稻超过10 a，应考虑补充Cu、Zn和B的平衡施肥或采取稻旱轮作种植方式。