典型稻作区土壤肥力时空变化与提升原理

**章　高产稻田及土壤肥力评价进展 “民以食为天，国以粮为本”，中国是世界上人口*多的发展中国家，始终对粮食安全问题给予高度关注。中国如何在其有限的土壤资源上生产足够的食物，一直是世界关注的热点问题之一。要以占世界不足 10%的耕地养活占世界 24%的人口始终是我国土壤及农业科学工作者面临的挑战。提高单产是解决粮食安全问题的唯一途径，但作物高产的前提条件必须是种植超高产品种的土壤具有提供实现目标产量所必需的营养和水分等物质基础。因此，开展提供土壤肥力质量和土地生产力的研究，为优质超高产新品种提供适宜的土壤条件是现代土壤学研究的*要任务（曹志洪和周健民等，2008）。 **节　高产稻田的分布与特征 一、高产稻田的概念和特点 水稻是中国主要粮食作物之一，据统计， 2016年中国水稻播种面积 3.02×107 hm2，仅次于印度。 2008年中国水稻总产量达 2.07×l08 t，占世界总产量的 28%，居世界之*（FAO，2009；中华人民共和国国家统计局， 2017）。同时，水稻土是我国粮食生产的一类重要土壤类型，面积大，分布广，高、中、低产水稻土分别占土壤总面积的 10%、58%和 32%，其中我国南方地区的高产水稻土面积约为 252万 hm2（周卫， 2014）。从水稻土肥力评价看，高产水稻田多集中于平原圩区与河谷盆地。这是自然因素与人为培肥措施共同作用的结果，其共同的特点是田块平整、高低适中、渠系配套、灌排合理，还具有土壤肥沃、耕层养分丰足、土体构型均匀、协调水气能力强、土壤疏松、耕性较好、供肥保肥能力强和抗逆性强等特点（徐琪，1998；黄光忠，2012）。 从土体构型来看，高产稻田的土体构型一般为 A-P-W1-W2-C型、A-P-W-C型或 A-P-W-G型（上海市农科院土保所土壤组， 1978）。深、软、松、肥的耕作层（ A）：深度达 15～ 20 cm，暗棕色，容重低，孔隙度高，同时具有深而不陷、软而不烂、肥而不腻、爽而不漏等特点；紧实适度的犁底层（ P）：犁底层不松不紧，厚度为 5～ 8 cm，灰棕色，块状结构，具有一定的托水保肥性能；水、气协调的潴育层（ W）。斑纹层及埋藏较深的淀积层（Bs）和潜育层（ Br），其厚度可达 50 cm以上，有垂直裂缝可以透水，有小孔隙可以透气，这是高产稻田爽水的重要原因。 从土壤物理性状来看，高产稻田应该有适宜的土壤质地。高产水稻土的质地一般以重壤*适宜，中壤和轻黏壤次之。这类土壤质地不仅使土壤保持有一定的通气透水性和保水保肥性，而且具有较好的供肥性和生产性能。其＜ 0.001 mm黏粒的含量为 15%～ 30%，黏粒含量为 15%～ 25%*好，在粉砂中粗、中、细互相搭配，粗粉砂含量不宜超过 40%（费槐林， 2001），同时有良好的土壤结构。结构良好的稻田，泡水犁耙时，土块易碎成水稳性微粒，泥质绵软；干后整地时，土块易碎成水稳性团粒，土质疏松。这样的土壤结构既便于耕作，以利于水稻等作物的生长，同时也是协调水、肥、气、热的重要基础。 从土壤化学性状来看，高产稻田具有适量而协调的土壤养分，高产稻田一般含有较高的有机质含量，双季稻的土壤有机质一般为 2%～ 4%，单季稻的土壤有机质一般为 2%～3.5%；土壤全氮含量为 0.14%～ 0.30%，全磷 0.10%～ 0.20%，阳离子代换量＞ 10 cmol/kg，盐基饱和度为 70%～ 90%（费槐林，1995）。 作物产量是土壤肥力、气候条件及人为管理措施等因素的综合表现（孙永健等， 2014）。前人研究中，一般将水稻产量的等级按如下标准划分：单季水稻产量高于 9000 kg/hm2为高产水稻土，6000～ 9000 kg/hm2为中产水稻土，低于 6000 kg/hm2为低产水稻土（周卫，2014）。然而，在具体的水稻种植中，受外界因素的影响，往往出现土壤肥力等级与水稻产量不匹配的问题，因此，本研究综合作物产量和土壤肥力综合评价指标体系，构建了土壤肥力指数与水稻产量的模型，并通过模型验证，将高产稻田定义如下：某一区域全部田块连续三年的水稻产量高低排序中前 25%的稻田即为高产稻田。 高产稻田具有如下特征：排灌设施良好，土壤无明显退化趋势和障碍因子（水稻周年产量：北方一熟稻区＞ 10 500 kg/hm2；西南水旱轮作稻区丘陵区＞ 9000 kg/hm2、平原区＞ 10 500 kg/hm2；长江中游和长江中下游双季稻区丘陵区＞ 14 250 kg/hm2、平原区＞ 15 000 kg/hm2；长江下游水旱轮作稻区丘陵区＞ 8250 kg/hm2、平原区＞ 9750 kg/hm2）（表 1-1）。 表1-1　我国各稻区高产稻田土壤性状及主要培肥措施 由表 1-1可知，我国北方一熟稻区、西南和长江下游水旱轮作稻区、长江中游和中下游双季稻区高产水稻土肥力特征主要表现为：耕层厚度基本维持在＞ 12 cm，大都在 15 cm以上；土壤容重在 0.9～ 1.3 g/cm3；土壤综合肥力指数（ IFI）＞ 0.7，在 0.7～ 0.8范围内；土壤有机质和全氮含量高，微生物量碳含量丰富，土壤 pH适中。 二、高产稻田地域分布 刘玉等（ 2012）定量分析了 1998年以来中国粮食生产的时空演变特征，发现粮食总产量较高的区域集中在东北平原、黄淮海平原、成都平原和江汉平原等。在此基础上，本研究按照水稻种植的分布区域划分为北方（东北）一熟稻区、西南稻区、长江中游（中下游）双季稻区、长江中下游水旱轮作稻区等典型稻作区域。各典型稻作区域的高产稻田地域分布特点有所不同。 （一）北方（东北）一熟稻区 东北地区水稻种植集中分布在西北部、中部和南部的平原地区，主要种植区为三江平原、松嫩平原、辽河平原，基本沿松花江、辽河分布。该区域的水稻产量整体呈现出由西南向东北逐渐降低的趋势，而高产水稻田则主要分布在辽宁省辽河平原中西部稻区、吉林省松花江流域、东辽河流域、大柳河流域和图们江流域稻区，以及黑龙江省松嫩平原、中部平原及牡丹江流域稻区。这些区域的地势较为平坦，适合机械化作业，土壤肥沃，土层深厚，水资源丰厚，主要农作区≥ 10℃年积温为 2200～ 3600℃，全年雨量丰沛，周期均衡，年平均降水量为 400～ 1000 mm（曹丹等，2018；王晓煜，2018）。 从土壤类型来看，该区域的土壤多为由草甸土、沼泽土、白衆土、盐碱土等发育而成的水稻土，大部分为养分含量较高的黑土、黑钙土和草甸土，土壤有机质含量相对较高，土壤中含有较为丰富的氮、磷、钾及各种微量元素（徐德海，2016）。 （二）西南稻区 西南稻区主要包括四川、重庆、贵州、云南等 4省（直辖市），水稻的种植格局以成都平原为主。重庆的水稻土多分布在海拔 1500 m以下的河谷阶地、丘陵、平坝及溶蚀槽坝内，分属于 3个亚类，即淹育型水稻土、潴育型水稻土和潜育型水稻土，且以肥力较高的淹育型水稻土为主，占水稻土的 80%以上。其中，高产水稻土主要分布在渝西丘陵区和渝中低山丘陵区、河谷平坝及浅丘地带，海拔低，水热条件优越，宜种性广，土地垦殖指数、复种轮作指数和农业生产水平较高。河谷平坝浅丘地区平均气温为 17.5～ 19.0℃，海拔 400～ 600 m地区为 16.5～ 17.5℃，海拔 600～ 800 m地区为 14.5～ 16.5℃，大部分地区年平均降水量在 1000～ 1200 mm（袁天凤， 2007）。从不同区域来看，重庆市稻田的水稻基础地力产量从高到低依次为渝东北＞渝西＞渝中＞渝东南，而高产稻田的土壤（ 33个样本）pH为 6.3，有机质含量为 28.7 g/kg，碱解氮、有效磷和速效钾的含量分别为 136 mg/kg、 13 mg/kg和 105 mg/kg（梁涛等， 2018）。重庆渝西和渝中地区有机质含量较高的土属主要是暗紫色水稻土、矿子黄泥水稻土、矿子黄泥土。渝西地区高产稻田主要分布在海拔 400 m以下、坡度 15°以下的平缓坡区域，地势平缓，属于川东平行岭谷区。该区气温高，热量丰富，年日照时数在 1000 h以上，年均气温为 18.6℃，无霜期*长可达 350天；年降水量大多在 980～ 1200 mm，年降水日数一般在 140～ 160天。渝中地区高产稻田主要分布在海拔 500 m以下，土壤类型以紫色土和水稻土为主。该区气温较高，热量较为丰富，年日照时数为 1200～ 1400 h；年均气温 18℃，极端*低气温一般不低于 -4℃；年降水量集中在 1230～ 1302 mm，年降水日数多为 150～ 160天。渝东南地区高产的秀山县等地区年日照时数为 1100～ 1200 h，无霜期 270～ 300天；年均气温 17.4℃，极端气温不低于 -4℃；年降水量 1100～ 1200 mm，年降水日数多在 150～ 160天；土壤类型以黄壤为主，还有部分红壤（梁涛，2017）。 四川省水稻主要分布于 26°01′N（攀枝花市）～ 32°52′N（青川县、广元市一带），97°26′E～ 110°12′E范围内的盆地平坝和丘陵地区，该范围内水稻面积占全省水稻总面积的 85%左右（孙园园等， 2015）。而水稻生长季热量资源和日照资源以盆地东南部*丰富，由东南向西北递减（彭国照和邢开瑜， 2017），东部盆地属于亚热带湿润气候，冬暖，春早，夏热，秋雨，生长季长（庞艳梅，2016）。 四川成都平原高产水稻土一般为重壤型，耕层厚度 15～ 20 cm，物理性黏粒含量为 46%～55%，很少有黏质土。土壤容重1.27～1.36 g/cm3，总孔隙度52%，毛管孔隙度49%，非毛管孔隙度 3%。有机质含量较高，平均达26.3 g/kg，全氮1.8 g/kg，碱解氮为137 mg/kg，有效磷 15 mg/kg，全钾 2.78%，速效钾 45 mg/kg，pH 6.5～ 7.5，阳离子代换量 0.91 cmol/kg（黄光忠，2012）。 云南省内，水稻生产在单产水平和种植面积等方面具有综合优势的州（市）为楚雄市、景洪市、大理市、丽江市、普洱市、文山市、蒙自市等（段永华等， 2016）。土壤类型以红壤、棕壤和紫色土为主（李娅娟和何晓滨， 2014）。潘丽媛等（ 2016）研究得出云南永胜县涛源乡超高产水稻土肥力性状表现为： pH 7.84，土壤有机质含量 17.9 g/kg，全氮 1.3 g/kg，全磷 0.7 g/kg，全钾 6.9 g/kg，碱解氮 102 mg/kg，有效磷 56 mg/kg，速效钾 143 mg/kg。 贵州省高产稻田的土壤有机质和速效养分含量大致分别为：有机质 49.0 g/kg，全氮 2.5 g/kg，碱解氮 194 mg/kg，有效磷 24 mg/kg，速效钾143 mg/kg，耕层土壤容重0.96 g/cm3，总孔隙度 61.9%，土壤质地以黏壤为主，土壤养分缓冲性能好（滕飞龙等，2008）。 （三）长江中游（中下游）双季稻区 长江中游（中下游）双季稻区包括湖南、湖北、江西三省。前期研究表明，湖北省荆州市、孝感市、武汉市一线的江汉平原，湖南省益阳市、岳阳市、常德市和怀化市等，江西省景德镇市、南昌市、赣州市等地区具有热量、日照、降水同步增加的趋势，气候变化特点呈暖湿化，光、热、水同季且同步增加，有利于双季稻产量及产量潜力的增加（艾治勇，2012）。该地区中，高产稻田主要分布在低海拔冲积湖积平原、低海拔冲积平原、低海拔河流低阶地、低海拔湖积平原等低海拔平原类型的地貌上。土壤类型主要以潮土和水稻土为主，地势平坦，土质较好，肥力水平也较高，基本上都能满足灌溉排水。 湖南省高产稻田土壤主要分布在海拔 40～ 90 m的丘陵谷地和冲积平原，地势低平、开阔。其主要成土母质有河流沉积物、第四纪红色黏土和石灰岩风化物。土壤肥力水平高