不同基础肥力水稻土对施肥响应的差异性研究进展

董一漩 屠乃美魏征

（湖南农业大学农学院，长沙 410128；第一作者：2364277920＠qq.com；*通讯作者：tnm505＠163.com）

土壤肥力按成因可分为自然肥力和人为肥力。自然肥力受气候、生物、母质、地形和年龄五大因素影响；人为肥力受人为劳作活动的影响，如耕作、施肥、灌溉等行为。土壤肥力是衡量土壤能够提供作物生长所需的各种养分的能力。水稻土是以种植水稻为主的耕作制度下，人为管理措施影响下形成的[1]。我国中低产田占耕地总面积的2/3，改良中低产田土壤质量、提高粮食作物单产成为解决粮食安全问题的有效途径，是实现藏粮于地战略的重要基础。不同基础肥力土壤生产力、施肥技术和培肥技术不相同，如何根据不同肥力水平做到合理施肥、有效培肥对水稻生产具有指导性的意义。

1 我国粮食主产区土壤基础地力状况

据全国第二次土壤普查统计，全国耕地按质量等级由高到低依次划分为一至十等。其中，评价为一至三等的耕地面积为3 320.0万hm2，占耕地总面积的27.3%；评价为四至六等的耕地面积为5 453.3万hm2，占耕地总面积的44.8%；评价为七至十等的耕地面积为3 400.0万hm2，占耕地总面积的27.9%[2]。我国不同区域土壤等级比例见表1。我国水稻土面积为2 978.0万hm2，约占全国耕地面积的1/5。我国粮食主产区水稻土分为4大区域：东北区，主要分布在吉林、黑龙江；长江中下游区，主要分布在江苏、上海、浙江、安徽、江西、湖北、湖南；西南区，主要分布在四川、重庆、云南、贵州；华南区，主要分布在福建、广东、广西、海南[3]。全国不同省份水稻土土壤基础肥力见表2。

2 不同肥力土壤特性的差异

2.1 不同肥力土壤的物理特性

土壤容重和孔隙度是土壤重要的物理指标。土壤容重直接影响土壤孔隙度与孔隙的大小，其对土壤的持水性及溶质迁移有一定的影响，从而影响植物的根系生长和生物量的积累[12]。王宜伦等[13]认为，超高产田土壤容重普遍低于高产田，土壤孔隙度明显高于高产田。耕层土壤容重小、孔隙度大，结构性良好，有利于作物根系的生长，促进作物的生长发育，从而提高作物产量[14-16]。土壤团聚体被认为是土壤养分的“贮藏库”，其数量的多少能够反映土壤供储养分能力的强弱，其稳定性主要受土壤肥力的影响[17-18]。团聚体稳定性包括机械稳定性、水稳定性和化学稳定性等。相关研究表明，土壤团聚体破坏率与土壤有机质含量呈负相关，即土壤有机质含量越高，团聚体破坏率越低[19]。高产肥力土壤有机质含量普遍较高，其团聚体破坏率较低。此外，土壤团聚体的化学稳定性受盐溶液浓度和土壤肥力水平的共同作用，中、低肥力土壤对氮肥溶液的响应较为强烈，而高肥力土壤对其响应较弱[20]。高肥力土壤较中、低肥力土壤耕层土壤结构好，有利于作物的生长发育和产量的提高。

表1 我国不同区域不同土壤等级比例 （%）

2.2 不同肥力土壤的化学特性

土壤化学指标包括全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、pH值等。氮是作物正常生长发育所需的主要养分，高肥力土壤和中肥力土壤的可溶性氮含量均高于低肥力土壤。郑圣先等[1]认为，高产水稻土有机质、全氮和速效磷含量非常丰富；中产水稻土的有机质、全氮和速效磷含量处于丰富水平；低产水稻土的有机质、全氮和速效磷养分显著低于高产和中产水稻土。而李锐[21]认为，不同肥力土壤差异主要表现在全氮、速效钾、有机质含量的不同，高肥力土壤的全氮、速效钾和有机质含量高，而不同肥力土壤pH值和速效磷含量差异不大。不同研究的结果不同可能是由于两者所研究的土壤质地不同，土壤物理特性存在差异所导致。阳离子交换量（CEC）反映了土壤的保肥、供肥和缓冲性能，其与土壤肥力呈正相关。低肥力土壤中有机质含量低、粘粒少，土壤阳离子交换量低[22]。

表2 我国部分省份水稻土土壤基础地力

2.3 不同肥力土壤的生物学特性

土壤微生物量碳是土壤有机质中的活性部分，可较为直观地反映土壤微生物和土壤肥力状况，是评价土壤微生物数量和活性及土壤肥力的重要指标[23-24]。土壤微生物量碳和氮的变化趋势都表现为高肥水稻土＞低肥水稻土＞旱地高产土壤＞旱地低产土壤，即随着土壤肥力水平的提高，土壤微生物量C、N也相应的增加[25]。微生物数量是土壤肥力的重要指标，与土壤养分含量呈正相关[26-27]。土壤细菌、放线菌数量大，表明土壤肥力水平较高。超高肥力土壤细菌、自生固氮菌和纤维素分解菌数量显著高于高肥力土壤，而真菌和放线菌数量略低[13]。有机质、速效钾与各微生物指标之间均呈极显著正相关，碱解氮、速效磷与各微生物指标之间的相关性不明显[28]。可见，高肥力土壤养分含量高，土壤中微生物种类和数量也高于低肥力土壤。此外，土壤酸碱度对微生物数量也有一定影响，酸性土壤中真菌数量多，中性或碱性土壤中细菌和放线菌数量较多[29]。土壤酶是土壤中产生专一生物化学反应的生物催化剂，由微生物、动植物活体分泌以及动植物残体分解释放[30]。酶活性是评价土壤肥力的重要指标之一，它不仅能反映土壤生物活性的高低，而且能表征土壤养分转化能力的强弱。在高、低肥力区域，随施氮量的增加，过氧化氢酶活性先降低而后升高，而中等肥力区所表现的规律恰好相反。脲酶活性强弱间接反映了土壤的供氮水平的高低，且碱解氮与脲酶活性呈极显著相关[31]。高氮水平下，碱解氮的含量增加，但脲酶的活性反而低于中氮水平[32]。

3 不同肥力土壤对水稻的影响

3.1 不同肥力土壤对水稻生长发育的影响

高肥力土壤自身氮素含量高于低肥力土壤，能满足水稻分蘖的养分需求，其水稻茎蘖数和最终成穗率均高于低肥力土壤。低肥力土壤自身氮素养分贫瘠对水稻前期分蘖有很大影响，但其有效分蘖期和最高分蘖期与高肥力土壤之间无明显差异[33]。李杰等[34]研究发现，Q优6号孕穗期SPAD值在低肥水平下，上部叶片高于下部叶片；中肥水平下，4张叶片值较接近；高肥水平下，下部叶片值高于上部叶片。准两优527不同肥力水平下叶片SPAD值均表现为4叶位＞3叶位＞2叶位＞1叶位。陈晓阳等[35]研究表明，随肥力水平的提升，抽穗期SPAD值表现为顶1叶＞顶2叶＞顶3叶＞顶4叶。前人研究表明，同一生育时期同一叶位SPAD值可能因品种的不同存在差异；不同生育时期同一叶位的SPAD值也可能存在差异。总体来讲，高肥力土壤的水稻生长发育状况显著好于低肥力土壤。

3.2 不同肥力土壤对水稻产量的影响

土壤肥力是影响作物产量的重要因素。高地力土壤有较高的土壤供氮、供钾能力，生物量随生育期的延长不断高于低地力土壤[36]。刘艳阳[37]研究表明，在砂土、粘土土壤种植的水稻产量、有效穗数、每穗粒数均表现出高地力＞中地力＞低地力。千粒重在两种土壤类型上存在差异，在砂土上表现为低地力＞中地力＞高地力，而粘土中不同地力种植的水稻千粒重差异不显著。同样，结实率在两种土壤类型上也存在差异，粘土上水稻结实率高、中地力＞低地力，砂土上不同地力种植的水稻结实率差异不显著。郭丽等[38]认为，高、中肥力条件与低肥力条件下的产量差异达极显著水平，而高肥力与中肥力产量差异不明显。孙义祥等[33]认为，虽然高肥力土壤条件下水稻前期供氮养分充足，分蘖旺盛，成穗率高，但后期群体间的自动调节作用导致结实率与千粒重下降。这与张军等[39]的观点相同。总之，土壤地力水平高，单位面积有效穗数和穗粒数多，产量就高。

4 不同肥力土壤的培肥措施

4.1 化肥的合理施用

近年来，农民一味地追求高产而大量增施化肥，导致肥料利用率降低和环境条件的恶化。不同土壤肥力所需外源养分量不同，如何根据土壤所需补充养分，提高肥料利用率，成为现今研究者急切需要解决的问题。

低地力土壤基础供氮量少，氮肥的贡献率与高地力条件下相比较大，增施氮肥对低地力土壤水稻产量增加的影响较大[40]。张军等[39]认为，随施氮量增加，氮素收获指数与生理利用率均表现为高地力＜中地力＜低地力的趋势，合理施氮有利于提高作物的氮素生理利用率。张洪程等[41]研究认为，氮肥利用率随施氮量的增加而增加，至中肥处理达最大值，而高肥处理则显著降低。低地力土壤需足量氮肥，以满足水稻前期分蘖所需养分，促使水稻形成大的群体，增加穗数；高、中地力土壤条件下要适时控氮，氮素过量，作物后期易出现贪青晚熟和倒伏现象。额外添加氮肥，对低肥力土壤的活性氮组分含量的增幅最大，而对高肥力土壤增幅最低，对高肥力土壤外添大量氮肥，可能会导致氮素利用率降低和养分损失[42]。可见，根据土壤地力来调整水稻的施氮量及合理运筹，是提高水稻产量和氮素利用率的一条有效途径。当然，同一类型土壤的不同肥力水平下氮肥利用率有差异[43]，不同土壤类型同一肥力水平下氮肥利用率也有差异。在实际生产中，合理施用氮肥要同时考虑土壤类型和肥力两因素。

大量研究表明，施钾可提高水稻产量，利于养分向籽粒的转运和分配，促进有效穗数、每穗粒数和粒重的增加，从而提高产量[43-45]。作物对钾元素的吸收、利用与土壤中钾素含量的高低有关。在低肥力土壤条件下，增施钾肥可以满足籽粒产量形成的钾素需求，增加植株养分中钾素的比例，获得高产。在高肥力土壤条件下，增施钾肥，产量增加不明显，且钾肥过量施用，水稻产量反而下降[46]。适量的氮、磷、钾肥有利于养分向籽粒的转运，增加籽粒养分积累量，三者之间的转运量存在显著的协同效应[47]。孙义祥等[33]认为，在低肥力土壤上增施钙肥可增加水稻的茎蘖数，显著提高产量；在高肥力土壤上增施钙肥在水稻生育后期千粒重却降低。低肥力土壤与高肥力土壤相比，施肥有必要添加钙元素。湖南土壤以红壤较多，红壤偏酸性，钙肥的施用可以提高土壤酸碱度，同时还能消除某些离子如H+、Al3+、Na+等过多造成的毒害。

4.2 增施有机肥

有机肥分为农家肥、绿肥和腐殖酸肥三大类型。农家肥是农户将人畜粪便以及其它原料加工而成，常见的有厩肥、堆肥、草木灰等。常见绿肥作物有紫云英、黑麦草、豌豆等。腐殖质类肥料是利用泥炭、褐煤、风化煤等原料加工而成。绿肥翻压还田可增加土壤有机质含量，促进土壤团聚体的形成和提高团聚体的稳定性，降低土壤容重，改善土壤结构[48-50]。可见，有机肥的施用可改善土壤结构，提高土壤肥力。叶协锋等[51]研究表明，翻压绿肥显著提高了土壤的酶活性和肥力水平，当翻压量为22 500～30 000 kg/hm2时，土壤酶活性和肥力水平达到最高。当有机肥和化肥配合施用时，提高了氮肥的利用率，土壤的微生物数量和活性显著增加，从而提高了土壤肥力[52-53]。且在低肥力的土壤中有机肥无机肥配施其土壤微生物的数量和活性显著增加，对改善土壤肥力有明显效果[54]。鲁艳红[55-56]等研究表明，红壤水稻土长期配合施用化肥与猪粪可以提高磷酸酶活性。此外，有机肥的施入还能够提高土壤微生物量氮和可溶性氮的含量及其比例[57]。可见，有机肥可以改善土壤结构、提升土壤肥力和缓冲能力，增加微生物数量，从而提高作物产量[58]。

作物秸秆内含有大量的氮、磷、钾等营养元素，秸秆还田被普遍认为是一项培肥增产措施。研究表明，在秸秆还田条件下提高土壤养分的同时，可降低土壤容重，增加孔隙度，有利于作物根系生长，提高土壤质量，增加作物产量[59]。在秸秆分解的过程中，增加了土壤有机碳，为土壤微生物生长提供了丰富的碳源和氮源，微生物的活性增强[60]。秸秆还田配施秸秆快腐剂可增加土壤阳离子交换量、土壤腐殖质含量和活性[61]。另有研究表明，秸秆还田是缓解土壤钾素亏缺的有效措施，且施用钾肥可以增加作物产量[62]。中、低肥力土壤均可通过长期秸秆还田方式增加土壤养分，提高土壤肥力。

4.3 耕作方式

耕作通过改变土壤的物理结构而影响土壤肥力。旋耕和常规翻耕均可提高土壤质量，但翻耕处理土壤耕层较深，短时间内土壤养分含量提升幅度低[63]。旋耕处理土壤矿质结合态有机碳、土壤颗粒有机碳含量均高于常规耕作[64]。免耕处理土壤易板结，连续免耕土壤容重显著增加、土壤酸化严重，会导致产量下降[65]。但这与王碧胜等[66]的研究结果不同。可能是因土壤质量、作物生长环境、栽培措施等因素有关。此外，有研究表明，免耕／深松轮耕模式能有效增加土壤有机碳和全氮储量，提高土壤肥力[67]。轮耕促使土壤中层养分量聚集，且有效降低了中下层土壤的镉含量[68]。

5 研究展望

作物生长发育的养分需求主要是从土壤中吸收，而土壤基础地力的高低决定了能够提供养分的能力。近年来，一直有学者针对不同基础肥力土壤对肥料的响应开展研究，且集中在不同氮肥施用量对不同肥力土壤的理化性质、植株养分吸收规律等方面的影响。试验中评价肥力差异性的一些养分指标在等级变化中其增减幅度有所不同，可能因土壤自身所含养分的多少或种植水稻品种对养分吸收能力的不同而导致结果具有差异性。大量研究指出，高肥力稻田水稻产量显著高于中、低肥力稻田，但对于影响水稻产量构成因素的变化没有达到一致认同，有人认为高肥力稻田因结实率、千粒重的增加而增产，也有人认为高肥力稻田千粒重与中、低稻田无明显差异。不同生态环境、土壤类型、栽培品种对水稻产量构成因素有较大的影响。关于产量构成各因素对产量影响的程度还需做大量研究，将试验条件尽量控制在同等水平下。近几年的研究中常采用绿肥作为有机肥无机肥配施中的有机肥营养来源，因绿肥种类较多，试验研究土壤类型不同，还需将绿肥种类及配比比例和土壤类型相联系，进一步探讨其有效培肥的组合方式。目前，常采用一些基本的养分含量指标和与氮源相关的酶活性指标来判断土壤肥力状况，而对土壤微生物数量和种类与土壤肥力水平这方面的报道较少。另外，土壤肥力还受当地自然环境、水稻品种、栽培措施等因素的影响。因此，不同肥力土壤培肥要做到“因地培肥，因肥施量”。