鹽化草甸土春秋整地對(duì)土壤性狀及水稻產(chǎn)量的影響

王秋菊，劉 峰，常本超，姜 輝，孫 兵，劉艷霞,焦 峰

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，黑龍江 哈爾濱 150086;2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；4.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遙感技術(shù)中心,黑龍江 哈爾濱 150086；5.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319)

黑龍江省是國(guó)家重要粳稻產(chǎn)區(qū)，水稻種植面積達(dá)到400萬(wàn)hm2，為保障國(guó)家糧食安全做出重要貢獻(xiàn)[1]。受大陸季風(fēng)氣候影響，黑龍江省氣候雨熱同季，秋季短促，冬季寒冷漫長(zhǎng)，每年11月初土壤進(jìn)入凍結(jié)后，直到翌年4月才開(kāi)始逐漸解凍[2]。由于水稻收獲后土壤封凍早，秋季來(lái)不及翻耕就進(jìn)入結(jié)凍期，整地時(shí)期往往延遲至翌年春季進(jìn)行。有研究認(rèn)為旱田秋季整地有利于提高土壤碎土，改善耕層土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤保墑，提高作物保苗率及作物產(chǎn)量[3-4]。由于水田土壤管理與旱田明顯不同，特別是在春季入水泡田后要進(jìn)行水耙、攪漿，然后插秧，之后一直保持水層管理。很多水稻生產(chǎn)者因此認(rèn)為春、秋整地沒(méi)有本質(zhì)差別，所以將耕翻整地時(shí)間拖延到春季。日本學(xué)者認(rèn)為長(zhǎng)期淹水的水田土壤經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的干燥后，可以提高土壤氮素的有效性，并將其稱(chēng)之為干土效應(yīng)[5]，可見(jiàn)，水田土壤秋季耕翻整地后土壤迅速脫水干燥必然會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分變化[6]。黑龍江省水田土壤多分布在地勢(shì)較低，土質(zhì)黏重，地下潛水位高，土壤排水不良的地區(qū)，加之水稻收獲后土壤在飽和狀態(tài)下越冬，來(lái)年春季升溫后溶化的冰雪長(zhǎng)期滯留在地表，影響土壤養(yǎng)分礦化，土壤養(yǎng)分釋放慢[7]；春季整地后直接入水，幾乎沒(méi)有曬垡時(shí)間，必然對(duì)水稻生育和產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響。本文通過(guò)分析春、秋整地對(duì)水田土壤理化性質(zhì)及水稻生育和產(chǎn)量的影響，為提出合理的耕作措施提供理論科學(xué)依據(jù)，為改善土壤結(jié)構(gòu)、提高肥力和構(gòu)建合理水田耕層環(huán)境提供技術(shù)支撐[8]。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江省哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng)黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院示范園區(qū)水田試驗(yàn)區(qū)(東經(jīng)127°08′，北緯45°47′)，土壤類(lèi)型為鹽化草甸土。從表1供試土壤基本化學(xué)性質(zhì)看出，交換性鈣、鎂含量低，而鈉飽和度高達(dá)39.34%，呈堿性，速效養(yǎng)分屬于較低水平；從表2列出的土壤物理性質(zhì)看出，供試土壤土質(zhì)粘重，固相率高達(dá)55.81%～66.06%，土壤緊實(shí)、通透性差。供試地塊長(zhǎng)期種植水稻，耕作方式一直采用春季旋耕，然后水泡田整地模式。

表1 供試土壤化學(xué)性質(zhì)

表2 供試土壤物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)方法，每個(gè)處理面積400 m2，設(shè)秋季旋耕區(qū)和春季旋耕區(qū)，3次重復(fù)，耕深8～10 cm。2014年秋旋耕區(qū)于水稻收獲后10月進(jìn)行處理，春旋耕區(qū)于翌年4月入水前處理；2015年10月下旬、2016年4月上旬分別在上年處理圃場(chǎng)上繼續(xù)進(jìn)行相同處理。應(yīng)用旋耕機(jī)械型號(hào)：GAN200。春旋及秋旋處理均采用旋耕機(jī)械進(jìn)行，旋耕深度為8～10 cm。

2015年4月25日入水泡田，5月1日打漿，5月10日插秧；2016年4月27日入水泡田，5月3日打漿，5月15日插秧，各區(qū)田間施肥、灌水等管理一致。施肥種類(lèi)分別為尿素、二銨和氯化鉀。施肥方法及施肥量：總施肥量為N 165 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2,K2O 60 kg·hm-2；其中N肥施用比例按照基肥∶返青肥∶穗肥=4∶3∶3，K肥按照基肥∶穗肥=3∶2施用，P肥作為基肥1次性施入?；什捎萌珜邮┓?，即在人工撒施后進(jìn)行水整地；追肥人工表施，返青肥在水稻返青后，穗肥在拔節(jié)期；灌溉模式在水稻分蘗期和孕穗期、灌漿期一直保持有水層，其它時(shí)期均采用淺-濕-干間歇灌溉模式；供試水稻品種為龍稻5。

1.3 調(diào)查項(xiàng)目與方法

土壤取樣方法：理化性質(zhì)調(diào)查分3次取樣，第1次取樣在2015年10月水稻收獲后，第2次取樣在2016年4月水稻春季旋耕作業(yè)前，第3次在2016年10月水稻收獲后進(jìn)行。取樣時(shí)在各處理區(qū)中央部位挖一個(gè)長(zhǎng)×寬×深為40×40×40 cm的土壤剖面，用100 mL環(huán)刀分層取原狀土樣，取樣層次為>5～10、>15～20、>25～30 cm，每層取3個(gè)平行樣，取樣后用膠帶密封環(huán)刀后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤物理性質(zhì)；同時(shí)按照0～10、>10～20、>20～30 cm土層取樣，其中0～10和10～20 cm土層每個(gè)處理按S形取樣5點(diǎn)，混合后，按對(duì)角線(xiàn)四分法留500 g左右土樣進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)測(cè)定。

化學(xué)指標(biāo)分析方法：土壤pH值采用美國(guó)產(chǎn)原位土壤pH計(jì)測(cè)定，測(cè)定位置分別為5、15、25 cm，每層測(cè)5點(diǎn)，取平均值；堿解氮采用擴(kuò)散吸收法測(cè)定；有效磷含量采用碳酸氫鈉提取法測(cè)定[9]；速效鉀含量采用鹽酸浸提-AAS法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；陽(yáng)離子代換量采用乙酸銨交換法測(cè)定[10]。

物理指標(biāo)測(cè)定方法：用DIK-1130土壤三相測(cè)定儀測(cè)定土壤三相比；土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤含水量采用烘干法測(cè)定；土壤飽和導(dǎo)水率采用DIK-4012土壤透水性測(cè)定儀測(cè)定；土壤通氣系數(shù)采用DIK-5001土壤透氣性測(cè)定儀測(cè)定[11]；土壤粒級(jí)組成采用MS-2000激光粒度儀測(cè)定，參照楊金玲等[12]提出的校正系數(shù)進(jìn)行土壤粒級(jí)分級(jí)的校正。

水稻根系活力的測(cè)定：采用根系傷流法測(cè)定，于2015年水稻分蘗末期取代表性植株5株，剪去莖稈，距離地面留茬5 cm，用脫脂棉覆蓋后，用塑封膜密封，經(jīng)過(guò)1 d(24 h)后取下脫脂棉，稱(chēng)重，記下脫脂棉增加的重量[13]。

植株養(yǎng)分測(cè)定：于水稻成熟期每個(gè)處理取有代表性植株10株，帶回實(shí)驗(yàn)室，烘干、粉碎后測(cè)定植株氮、磷、鉀含量。全氮采用凱氏定氮法，全磷采用鉬銻抗比色法，全鉀采用火焰光度法測(cè)定。

作物產(chǎn)量測(cè)定：每個(gè)區(qū)取3點(diǎn)，每點(diǎn)2 m2，室內(nèi)考種調(diào)查產(chǎn)量性狀，并實(shí)測(cè)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2003及DPS 6.85處理數(shù)據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

各處理土壤調(diào)查時(shí)期分別為2015年10月、2016年4月和10月，共3次。從圖1中土壤堿解氮調(diào)查結(jié)果看，不同土層土壤堿解氮含量，3次調(diào)查結(jié)果均是秋旋高于春旋，0～10 cm土層堿解氮含量3次結(jié)果平均增加11.07%，10～20、20～30 cm土層土壤堿解氮含量分別平均增加45.06%和31.75%，0～30 cm堿解氮含量平均增加29.30%。從圖2看出，土壤有效磷在0～10、10～20、20～30 cm土層3次取樣平均值，秋旋比春旋分別增加20.77%、41.60%、68.92%，0～30 cm土層平均增加43.77%，但10～20和20～30 cm土層土壤有效磷含量在2016年4月取樣測(cè)得結(jié)果春旋和秋旋差異不大，甚至有降低趨勢(shì)，可能與取樣誤差或春季土壤處于不同狀態(tài)有關(guān)，有待于深入研究。從圖3看出，土壤速效鉀0～10、10～20、20～30 cm土層秋旋比春旋分別增加20.61%、20.30%、31.26%，0～30 cm土層平均增加24.06%；秋旋可以提高土壤速效養(yǎng)分含量，差異達(dá)顯著或極顯著水平。此外,2015年春季取樣的耕層土壤在恒溫30℃條件下進(jìn)行淹水培養(yǎng)7 d后測(cè)定土壤銨態(tài)氮結(jié)果，秋旋處理為29.87 mg·kg-1，比春旋增加7.94 mg·kg-1，此結(jié)果與多位學(xué)者對(duì)濕土、干土效果的研究結(jié)果一致[14-16]。

圖1 整地時(shí)期對(duì)土壤堿解氮的影響

注：大、小寫(xiě)字母分別表示0.01水平差異極顯著、0.05水平差異顯著。下同。

圖2 整地時(shí)期對(duì)土壤有效磷的影響

圖3 整地時(shí)期對(duì)土壤速效鉀的影響

2016年春季和秋季兩次取樣測(cè)定不同土層土壤交換性鈉離子含量(圖4)，結(jié)果表明，秋旋處理土壤中交換性鈉離子含量在0～10和10～20 cm土層比春旋處理降低，其中0～10 cm土層，兩次取樣降低幅度為11.16%～48.89%；10～20 cm土層降低16.31%～129.72%，差異極顯著；20～30 cm土層兩次取樣結(jié)果不一致，有待于進(jìn)一步調(diào)查。秋旋土壤交換性鈉變化不明顯，但春旋處理土壤中交換性鈉離子種稻后明顯升高，可能是由于秋旋地表粗糙程度增加，土壤毛管被切斷，導(dǎo)致地下水上升受阻；而春旋下層土壤水分沿毛管上升到地表，鈉離子在土壤上層聚集?？傊?，秋季整地后，經(jīng)過(guò)秋、冬、春季的晾垡、凍垡和曬垡過(guò)程，可以改善土壤的鹽化。土壤pH值與交換性鈉含量呈正相關(guān)[17]，由于鈉離子含量降低，秋旋區(qū)的土壤pH值也隨之降低，下降幅度為0.10～0.36(圖5)，在10～30 cm土層差異顯著。

圖4 整地時(shí)期對(duì)土壤鈉離子含量的影響

圖5 整地時(shí)期對(duì)土壤pH值的影響

2.2 對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

圖6是2015年水田入水前土壤含水量調(diào)查結(jié)果，秋旋耕區(qū)低于春旋耕區(qū)，0～10 cm土層降低10.07%,差異顯著，10～20 cm降低5.30%，說(shuō)明秋季整地使土壤濕度下降。土壤容重春旋耕區(qū)高于秋旋耕區(qū)，0～10 cm土層下降0.02 g·cm-3，10～20 cm土層下降0.04 g·cm-3(圖7)。

2.3 對(duì)水稻傷流量的影響

水稻傷流量大小直接反映水稻主動(dòng)吸收養(yǎng)分能力，是根系活力的重要表征指標(biāo)。圖8展示了不同處理水稻的傷流量，秋旋耕比春旋耕增加15.01%，差異顯著。水稻根系活力的提高，更有利于根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，從而增加作物產(chǎn)量。

2.4 對(duì)稻谷養(yǎng)分積累和產(chǎn)量的影響

從水稻籽粒養(yǎng)分累積量(圖9)看出，氮素累積量秋旋耕比春旋耕增加4.51 kg·hm-2，磷和鉀累積量分別增加了2.49和1.03 kg·hm-2。

圖6 整地時(shí)期對(duì)土壤含水量的影響

圖7 整地時(shí)期對(duì)土壤容重的影響

圖8 不同整地時(shí)期水稻傷流量

圖9 水稻籽粒養(yǎng)分累積量

產(chǎn)量調(diào)查結(jié)果如表3所示，秋旋耕區(qū)比春旋耕區(qū)平均增產(chǎn)11.82%。雖然第1年和第2年增產(chǎn)幅度不同，但增產(chǎn)趨勢(shì)相同。連續(xù)秋季整地比春季整地提高水稻產(chǎn)量。

表3 整地時(shí)期對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

注：大寫(xiě)字母代表0.01水平，差異極顯著，小寫(xiě)字母代表0.05水平，差異顯著。

3 討論

秋整地作為一項(xiàng)重要的耕作措施，以其良好的改善耕層土壤結(jié)構(gòu)作用，在東北地區(qū)得到越來(lái)越多的重視[18-19]。本文的研究結(jié)果表明，連續(xù)秋整地，水稻產(chǎn)量明顯高于春整地。這主要得益于秋整地能夠改善土壤物理、化學(xué)性質(zhì)，經(jīng)過(guò)秋季土壤耕作，促進(jìn)土壤脫鹽堿，對(duì)于土壤生化性質(zhì)的改善作用也比較明顯[3,20]；同時(shí)，秋整地能讓田土進(jìn)行充分的凍曬，對(duì)于耕層的風(fēng)干作用明顯，使得土壤耕層微生物活動(dòng)加強(qiáng)，利于土壤養(yǎng)分分解；秋整地也可以破壞土壤的毛細(xì)管，增強(qiáng)透氣性，防止水分散發(fā)，控制返鹽堿，并對(duì)翻壓雜草也有很好的作用；并且秋整地能凍死蟲(chóng)卵，減少害蟲(chóng)的越冬基數(shù)，從而起到防蟲(chóng)目的[21]。本研究結(jié)果顯示，秋整地可以降低土壤容重，這主要是由于土壤中的水分在冬季凍結(jié)過(guò)程中變成冰晶體并充填了土壤孔隙，造成土體體積膨脹，冰晶體在土壤融化過(guò)程中又存在水分的遷移，使得土壤顆粒之間產(chǎn)生推力，導(dǎo)致土壤孔隙度增大，土壤疏松多孔，容重降低[22]，相反，由于春整地在春季進(jìn)行耕作起壟，帶來(lái)耕畜或農(nóng)機(jī)的踐踏壓實(shí)，增加了土壤容重；鄧西民等[23]的研究結(jié)果也表明，經(jīng)過(guò)凍融作用后犁底層容重可降低3.5%～9.3%，土壤總孔隙度增加6.1%～16.3%，飽和導(dǎo)水率可提高1.4～7.7倍，與本文的研究結(jié)果一致。秋整地可以降低土壤含水量，黑龍江地區(qū)水田土壤屬于低濕地，如不及時(shí)收獲曬田，秋季收獲時(shí)土壤還不能達(dá)到完全干燥狀態(tài)，而且黑龍江省秋雨較多，導(dǎo)致土壤過(guò)濕，如不及時(shí)翻耕，土壤則長(zhǎng)年處于還原狀態(tài)，土壤肥力雖高，但有效養(yǎng)分低，土壤潛在肥力得不到發(fā)揮，當(dāng)秋季整地后，土壤達(dá)到疏松狀態(tài)，利于土壤水分的散失，土壤可達(dá)到干燥狀態(tài)，利于養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，冬季的凍融交替作用可能會(huì)加快礦化速率，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分增加[24]。凍融交替會(huì)增加土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮、可溶性磷以及有效鉀的含量[25]，但不同耕作措施下土壤對(duì)凍融交替反應(yīng)不同，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分礦化程度不同，這可能由于土壤團(tuán)聚體發(fā)生改變和碳有效性的差別所致[26-27]。本研究中秋季整地使鹽化草甸土土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和培養(yǎng)的銨態(tài)氮含量均得到提高，可增加單位面積的土體養(yǎng)分含量及總量，在春、秋季整地的過(guò)程中，秋季整地可以根據(jù)土壤養(yǎng)分增加量適當(dāng)減肥，達(dá)到減投保產(chǎn)的效果；鹽化草甸土鹽離子含量高，對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生危害，秋季整地可以有效降低鹽離子含量，減輕鹽基離子高對(duì)作物的危害；鹽化草甸土土質(zhì)粘重，通氣、透水性差，影響作物根系呼吸，根系是作物吸收水分、養(yǎng)分和固持植物的器官，它不僅具有吸收功能，還具有重要合成和代謝功能，對(duì)葉片的衰老起到調(diào)節(jié)作用，旺盛的根系活力對(duì)作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量的形成及養(yǎng)分的吸收利用有重要影響[28]，秋整地改善了土壤的理化性質(zhì)，促進(jìn)了根系生長(zhǎng)，進(jìn)而利于作物的增產(chǎn)，兩年平均增產(chǎn)11.82%。整地時(shí)期不僅可改善土壤質(zhì)量，而且可保持水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，為黑龍江省水稻耕作栽培措施的合理調(diào)整提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

在黑龍江地區(qū)，一年一熟種植制度下，鹽化草甸土不同整地時(shí)期對(duì)土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量影響不同；與春季整地相比，秋季整地可以顯著提高土壤養(yǎng)分有效性，提高土壤的供肥性，促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和累積；秋季整地可降低鹽化草甸土土壤中交換性鈉離子含量，降低鹽基離子濃度高對(duì)植物造成的危害；秋季整地可以降低土壤的含水量，增加干土效果；連續(xù)秋季整地有提高水稻產(chǎn)量的作用，兩年平均增產(chǎn)11.82%。