红壤丘陵区稻田土壤剖面肥力特征及其与产量的关系

李秀秀，涂田华，柳开楼，陈先茂，谢 江，邓国强，梁喜欢，黄 晶，关贤交，邱才飞，钱银飞，彭春瑞，陈 金*

（1 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所 / 农业农村部长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室 / 国家红壤改良工程技术研究中心 / 国家农业环境宜春试验站，江西南昌 330200；2 井冈山红壤研究所 / 江西省农业科学院井冈山分院，江西吉安 343016；3 江西省农业科学院农产品质量安全与标准研究所，江西南昌 330200；4 江西省红壤研究所 / 国家红壤改良工程技术研究中心，江西南昌 330200；5 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 / 耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081）

红壤性水稻土是保障我国粮食安全重要的土壤资源[1]，以江西省为例，红壤性水稻土约占全省水稻土的67%。但是，红壤性水稻土存在大量稻田产量不稳，中低产田比例高(约占70%)的问题，给粮食生产带来巨大挑战[2-4]。稻田土壤肥力与水稻产量密切相关，以往研究多关注耕作层土壤，忽略了土壤剖面不同，即土层肥力的作用。因此，深入探究不同产量土壤肥力的剖面分布特征，明确调控作物产量的关键环境因子，对于提高低产田、稳定高产田粮食产量，实现“藏粮于地”的国家战略目标具有重要意义。

水稻土耕作层土壤性质与作物产量密切相关。李圆宾等[5]通过Meta 分析发现，土壤容重与稻麦周年产量呈显著负相关。Liu 等[6]研究表明，土壤团聚体稳定性与水稻产量有显著正相关性。相比土壤物理性质，前人对化学性质的重要性研究更多。Liu 等[7]对江西水稻土长期定位施肥试验点耕作层土壤的研究结果表明，全氮和碳氮比与水稻产量呈显著性正相关。对浙江省6 个典型水稻土耕作层土壤采样调查结果显示，水稻产量与pH、土壤有机质和有效氮含量显著正相关，与全氮、有效磷和有效钾含量的相关性不显著[8]。Li 等[9]发现在湖南省11 年定位施肥的水稻土中，耕作层土壤微生物生物量与水稻产量存在显著正相关，且比土壤化学性质更为重要。而Liu 等[6]却报道，耕作层土壤微生物生物量碳氮比值及碳磷比值与湖南、江西84 个潜育水稻土水稻产量显著负相关。综上所述，耕作层土壤性质显著影响着作物产量，但目前研究大多集中于稻田耕作层土壤。

土壤剖面肥力特征对作物生长也具有重要影响。Merrill 等[10]将美国两种壤质土小麦和玉米产量出现差异的原因归于亚表层土壤导水率、浅层土壤水分耗竭及根系生长，强调了关注土壤剖面性质的重要性。Liu 等[11]对华北平原3 个不同产量水平土壤0—120 cm 剖面的研究结果表明，土壤剖面有效水分、养分指标以及粉粘粒含量是影响玉米和小麦产量的关键因子。但目前研究主要关注旱地剖面，对红壤性稻田土壤剖面的肥力分布与作物产量关系的研究仍然不足。

因此，本研究选取南方红壤丘陵区不同产量水平的红壤性水稻土，通过分析土壤剖面性质以及作物产量，系统探究土壤剖面物理、化学、生物肥力特征及其与水稻产量的关系，明确不同层次肥力特征对水稻产量的影响，以期为南方红壤丘陵区红壤性稻田土壤肥力和水稻产量提升提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究地点及样品采集

基于全县近100 个样点土壤肥力指数和产量调查的结果，分别于2018 和2019 年10 月下旬，在典型红壤丘陵区江西省进贤县，按照高产稻田年产量＞15000 kg/hm2、中产稻田年产量12000～15000 kg/hm2、低产稻田年产量＜10000 kg/hm2的标准，选取高、中、低3 个产量水平样点各3 个，其中，中、高产田耕作时间＞50 年，低产田耕作时间为10～20 年，高、中、低产田肥料管理措施均为日常施用化肥、不施有机肥，秸秆全部直接还田。高肥力产田采样点在温圳镇东岗村(116.15°E，28.33°N，潴育型水稻土，中潴灰黄泥田)、前坊镇大池村(116.25°E，28.47°N，潴育型水稻土，中潴灰黄泥田)、三阳集乡石山村(116.25°E，28.59°N，潴育型水稻土，中潴灰黄泥田)，中肥力采样点在前坊镇和平村(116.20°E，28.51°N，潴育型水稻土，中潴灰黄泥田)、张公镇邵窝村(116.16°E，28.30°N，潴育型水稻土，中潴灰黄泥田)、泉岭乡义垄村(116.11°E，28.41°N，潴育型水稻土，中潴灰黄泥田)，低肥力采样点在三阳集乡藕塘村(116.27°E，28.52°N，淹育型水稻土，弱烟灰黄泥田)、三阳集乡荆陵村(116.27°E，28.59°N，淹育型水稻土，弱烟灰黄泥田)和梅庄镇新庄村(116.43°E，28.57°N，淹育型水稻土，弱烟灰黄泥田)。高中低肥力田晚稻平均产量分别为7766.7、6238.9 和4938.9 kg/hm2。在采样点随机选择3 个取样点，用土钻分别采集3 个土层的土壤剖面样品，按土层分别混合成3 个土样。所得土样一部分保存于4℃用于微生物指标的测定，另一部分风干后过2 mm 筛用于化学性质测定。

1.2 测定方法

土壤pH (土水比1∶5)采用pH 计测定；土壤容重(BD)采用环刀法测定；土壤紧实度使用土壤紧实度测量仪(澳大利亚，Rimik CP40Ⅱ)测试；阳离子交换量(CEC) 采用醋酸铵法测定；土壤有机质(SOM)采用K2Cr2O7和浓H2SO4加热法测定；全氮(TN)含量采用H2SO4—H2O2联合消煮，凯氏定氮法测定；碱解氮(AN) 采用碱解扩散法测定；全磷(TP)采用H2SO4—H2O2联合消煮后钼锑抗比色法测定；有效磷(AP)采用0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)浸提—钼锑抗比色法测定；全钾(TK) 采用NaOH 熔解—火焰光度法测定；速效钾(AK) 采用1 mol/L NH4OAc (pH 7.0)浸提—火焰光度法进行测定；微生物生物量碳(MBC) 和氮(MBN) 采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法测定[12]。在每个样点随机选取3 个1 m×1 m 的样方收割水稻，晾干、脱粒后测定水稻产量。

1.3 统计分析

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 25.0 对数据进行整理并绘图，所有数据均为2018 和2019 两年的数据均值。利用单因素方差检验不同产量水平和不同土层间变量的显著性差异，使用R 4.0.1 中的“psych”包评估土壤变量与水稻产量间的相关性，利用“randomForest”包进行随机森林分析，“rfPermute”包检验变量的显著性。

2 结果与分析

2.1 不同产量水平稻田土壤物理性质分析

高产田和中产田为潴育型，发生层段完整，剖面层次分为耕作层(A)、犁底层(P)、潴育层(W)和母质层(C)，耕作层厚度16 cm 左右，犁底层较厚。低产田为淹育型，处于水稻土发育的初步阶段，剖面初步分化，分为耕作层(A)、犁底层(P)和母质层(C)，耕作层13 cm 左右，犁底层较薄(图1a, b)。不同产量水平稻田土壤容重在耕作层表现为低产田最高，为1.21 g/cm3，高产田最低，为1.09 g/cm3(图1c)。土壤紧实度随土层深度呈现出先增加后降低的趋势，在20 cm 左右达到峰值；不同产量水平土壤紧实度在耕作层和潴育层没有显著差异，在犁底层表现为高产田最高，说明高产田可有效阻止养分和水分下渗，具有较强的保水保肥能力(图1d)。

图1 不同产量水平稻田剖面构型(a)、耕作层深度(b)、耕作层容重(c)及土壤紧实度(d)Fig.1 Soil profile configuration (a), depth of plough layer (b), bulk density of plough layer (c) and penetration resistance (d)of paddy fields with different yield levels

2.2 不同产量水平稻田土壤化学性质分析

不同产量水平稻田土壤化学指标在不同土层存在差异(图2)。红壤性稻田土壤pH 随土层深度增加而增大，同一土层pH 均为高产田、中产田大于低产田。高产田CEC 在土层深度上的变化趋势与pH 一致，但是中、低产田CEC 随土层加深先降低后增加；耕作层土壤CEC 在低产田最高，犁底层土壤CEC 在高产田最大，潴育层CEC 在不同产量水平稻田土壤间无显著差异。土壤有机质、全氮、有效氮、全磷和有效磷含量均随土层深度逐渐降低，呈现出明显的“表聚”特征，在耕作层土壤中均表现为高产田显著高于中低产田，但在犁底层和潴育层差异不显著；其中，高产田耕作层土壤有机质、全氮、有效氮、全磷和有效磷含量分别为38.82 g/kg、2.33 g/kg、198.54 mg/kg、0.81 g/kg 和33.04 mg/kg，而低产田耕作层分别为29.75 g/kg、1.89 g/kg、158.71 mg/kg、0.62 g/kg 和23.51 mg/kg。土壤速效钾含量虽呈现出随土层加深而降低的趋势，但不同产量水平土壤速效钾含量在耕作层无显著差异，在犁底层和潴育层则以低产田土壤最高。与其他养分不同，土壤全钾含量随着土层加深而逐渐增加，尤其是低产田，全钾含量在耕作层为8.12 g/kg，但在母质层为10.77 g/kg。同时，全钾含量在耕作层和犁底层均表现为低产田显著低于高中产田，而在潴育层各产量水平土壤间没有显著差异。

图2 不同产量水平稻田土壤物理化学性质剖面分布特征Fig.2 Soil physical and chemical properties in different layers of paddy fields

2.3 不同产量水平稻田土壤微生物生物量碳、氮分析

由图3 可知，高产田、中产田耕作层土壤MBC、MBN 和MBC/MBN 均显著高于低产田。高产田、中产田和低产田土壤MBC 含量分别为929.2、767.2和533.6 mg/kg，MBN 含量分别为42.5、37.4 和30.8 mg/kg。

图3 不同产量水平稻田耕作层土壤微生物生物量碳、氮含量Fig.3 Microbial biomass carbon and nitrogen (MBC and MBN) contents in the arable layer of paddy fields

2.4 土壤剖面肥力指标与水稻产量的关系

相关性分析结果表明，耕作层土壤除CEC、全钾、速效钾和容重与水稻产量无显著相关性，其余变量均与水稻产量呈显著正相关；在犁底层和潴育层，只有pH 与水稻产量显著正相关 (表1，只列出有显著相关的数据)。选取与水稻产量显著相关的土壤剖面变量进行随机森林分析，评估各变量对水稻产量的相对重要性，发现所选变量可以解释水稻产量变化的53.7%，微生物生物量碳、微生物生物量碳氮比、耕作层深度以及潴育层pH 对水稻产量具有显著影响，解释能力分别为9.2%、8.7%、7.9%和6.4%(图4)。

表1 耕作层、犁底层和潴育层土壤指标与水稻产量的相关性分析Table 1 Correlation analysis of rice yield and soil indexes in arable layer, plough pan and waterlogged layer

图4 基于随机森林法分析的各变量对水稻产量变化的相对重要性Fig.4 The relative importance of variables to changes in rice yield based on random forest analysis

3 讨论

3.1 不同产量水平稻田土壤剖面肥力特征

土壤的耕作层深度及保水保肥能力是影响水稻产量的重要因素。一般认为，80%的水稻根系集中于20 cm 以上的土层[8]，水稻土的适宜耕作深度为15—20 cm[13-14]。本研究中，高产田耕作层厚度为16 cm，而低产田耕作层厚度仅为13 cm，低于水稻根系生长的适宜深度。有研究认为高产田犁底层厚度应为5—10 cm 且发育良好[8]，这与本研究中高产田具有较厚犁底层的现象一致。高产田耕作层土壤容重较低，土壤孔隙度较大，有利于水分和养分在耕作层间的运移及水稻根系对养分的吸收[15-16]，而犁底层土壤紧实度最大，保水保肥性好，减少了养分和水分向下流失，从而促进水稻生长。而低产田耕作层土壤容重和犁底层土壤紧实度与高产田相反，不利于水稻生长。另外，红壤区土壤酸化是制约其土地生产力的关键因素，本研究中，土壤pH 呈现出高产田＞中产田＞低产田的规律，低产田pH 均值约为5.1，接近水稻生长的酸害阈值4.7[17]，是限制其水稻产量的又一重要因子。值得一提的是，不同产量水平稻田土壤CEC 均在10 cmol/kg 左右，说明红壤性稻田土壤酸性缓冲能力和养分保持能力均较弱[18]。

碳、氮、磷是植物生长过程中从土壤获取的最基本营养元素，其含量高低是表征土壤肥力的重要指标[19-20]。根据全国第二次土壤普查养分分级标准，3 个产量水平稻田土壤有机质、全氮、全磷和有效磷含量均在第二级，有效氮含量为第一级，速效钾含量为第三级，全钾含量为第五级，整体表明该地区土壤有机质和养分含量丰富，在产量提升方面拥有巨大潜力。土壤有机质和养分含量在剖面上表现出耕作层＞犁底层＞潴育层的变化规律，在垂直方向上呈现出“表聚”特征，这与前人[21-23]报道一致。这种现象主要是由常年种植过程中，施肥、秸秆覆盖、根茬保留等耕作措施造成的[24-25]。但是，全钾和低产田速效钾含量与其他养分变化趋势相反，随土层深度逐渐增加。这一方面可能是因为我国农业生产中，钾肥施用量往往不足，而水稻是需钾量较高的作物，每季水稻钾 (K2O) 吸收量一般在150～300 kg/hm2，大量钾素在水稻收获和秸秆移除过程中损失，从而造成表层土钾素亏缺[26]。另一方面，由于低产田为淹育型水稻土，土壤CEC、犁底层厚度及其紧实度较低，保水保肥能力差，大量钾素随地下水位降低累积到深层土壤，造成深层土壤钾素富集。

土壤微生物直接影响着养分的循环转化，是农业生产力的重要指标。本研究中，微生物生物量碳氮含量在高产田中明显高于低产田，这一结果与前人研究[27]一致。这可能是因为高产田水稻大量根系分泌物为微生物生长提供了丰富养分，刺激了微生物生长代谢，加快了有机质的分解和养分的释放，进而为作物生长提供了充足的有效养分，增加了作物产量。

3.2 土壤剖面相关指标对水稻产量的影响

相关性分析结果表明，耕作层有机质 (r=0.74)、微生物生物量碳 (r=0.84)、微生物生物量氮 (r=0.68)、微生物生物量碳氮比 (r=0.76)、耕作层深度(r=0.68) 以及土壤剖面不同土层pH 与水稻产量具有较强的、显著的正相关关系，而随机森林模型分析显示微生物生物量碳、微生物生物量碳氮比、耕作层深度及潴育层土壤pH 是影响水稻产量最重要的环境因子。有机质矿化可以为作物生长提供有效养分，同时，有机质也可以作为胶结剂，促进土壤团聚体的形成，改良土壤结构，增强土壤透气保水保肥的能力[28]，从而提高作物产量，这一结果与前人研究[29-30]一致。较高的微生物生物量有利于有机质和养分的循环转化，进而促进作物养分吸收。Li 等[9]对湖南8 个长期定位施肥试验的水稻土采样分析，发现微生物生物量碳氮与作物产量呈正相关；而微生物生物量碳氮比与水稻产量呈负相关，与本研究结果不一致，可能是因为高微生物生物量碳氮比倾向于大量固定氮，从而降低水稻土中有效氮含量，不利于水稻生产。廖育林等[27]报道，湖南双季稻区微生物生物量碳氮与水稻产量无关，而细菌生物量则与水稻产量显著正相关，说明相比于微生物生物量，微生物类群对于作物生长可能更加重要，在以后的研究中应更加关注。耕作层深度对水稻产量的重要影响则可能是因为水稻大部分根系位于耕作层，耕作层土壤性质直接影响着水稻对养分的吸收和利用，因此，较厚的耕作层深度能为水稻生长提供更多的养分，进而促进水稻的生长。pH 也对水稻产量有重要影响，pH 提高有利于水稻的生长，这归因于pH 提高增加了土壤固持养分的能力，提升了微生物活性，缓解了铝对水稻根系的毒害作用，进而促进了作物生长[31-32]。

4 结论

1)高产田耕作层深度最大，土壤容重最小，犁底层厚度和紧实度均最高，而低产田则最低。

2)碳、氮、磷养分含量表现为高产田＞中产田＞低产田，在土壤剖面上呈现“表聚”特征。

3) 稻田土壤中钾素含量随土层深度增加而增加，尤其是低产田，全钾含量在耕作层为8.12 g/kg，但在母质层为10.77 g/kg。

4)相关性分析和随机森林分析结果表明，水稻产量与耕作层土壤pH、有机质、全量和有效氮磷钾含量、微生物生物量碳氮以及微生物生物量碳氮比、耕作层厚度均呈显著正相关，这些变量可以解释水稻产量变化的53.7%，其中，微生物生物量碳、微生物生物量碳氮比和耕作层厚度是影响作物产量最重要的环境因素，其解释能力分别为9.2%、8.7%和7.9%。