《中國灌溉稻田起源與演變及相關古今水稻土的質(zhì)量》評述

孟賜福

（1 浙江農(nóng)林大學環(huán)境與資源學院，浙江臨安 311300）

（2 浙江省農(nóng)業(yè)科學院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021）

我國水稻栽培已有七千多年的歷史，大約距今1萬年前后，居住在我國長江中下游、珠江流域一帶的先民就完成了野生稻馴化為栽培稻的實踐，逐步開發(fā)了水稻栽培和稻米主食。水稻土是中國重要的土地資源，也是面積最大、分布最廣的耕地土壤類型。目前，中國水稻種植面積3 300多萬hm2，占全國糧食作物播種面積的1/4，占全世界水稻面積的23%，其產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的二分之一，占全世界水稻總產(chǎn)量的39%。

隨著我國人口數(shù)量的增長、人們生活質(zhì)量的提高和對自身健康的關切，對水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)的要求愈來愈高。因此，自20世紀90年代以來，對土壤質(zhì)量的研究受到全世界各方面人士的廣泛關注。1999年10月由曹志洪和周健民主持的“土壤質(zhì)量演變與持續(xù)利用”項目成為我國土壤學界獲批的第一個“973”項目（No.G19990118）。該項目的研究成果集中反映在科學出版社出版的“中國土壤質(zhì)量研究系列專著”，其中《中國土壤質(zhì)量》（曹志洪和周健民等著）是其代表作。

中國灌溉稻田起源與演化的研究不僅關系到水稻土質(zhì)量的培育方向和演變趨勢，而且關系到健康水稻土生態(tài)系統(tǒng)的建設。有鑒于此，曹志洪在國家自然科學基金重點項目（2005―2008）、德中合作DFG項目（2008―2013）和中德科學中心資助的項目（2010―2013）等資助下，聯(lián)合國內(nèi)外多學科的60位專家進行了長達10余年的室內(nèi)外調(diào)查、考察與研究。內(nèi)容涵蓋了對以潮汐灌溉稻作和漁獵為特征的河姆渡文化的探究，對埋藏古水稻田的診斷及標準的建立，水稻、稻田和稻作文化在華夏大地、周邊國家及世界各地的傳播，杭州灣南岸淺海沉積物上50～2 000年時間序列水稻土的形成與發(fā)育的機理，史前埋藏水稻土肥力質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量的研究，不同時間序列水稻土與旱地土土壤質(zhì)量的比較，灌溉稻田生態(tài)和環(huán)境功能的探討等等。這些研究成果集中反映在曹志洪編著的《中國灌溉稻田起源與演變及相關古今水稻土的質(zhì)量》一書中（科學出版社出版，2015年，北京）。這是迄今為止國內(nèi)外首部全面、系統(tǒng)研究灌溉稻田起源與演變的專著。該專著內(nèi)容豐富，數(shù)據(jù)翔實，科學考證嚴謹，分析問題深入、辯證，極具創(chuàng)新性，為灌溉稻田起源與演化研究及水稻土可持續(xù)發(fā)展提供了一個全新的視角，因此出版以來受到國內(nèi)外專家的一致好評，許多著名專家建議將此專著翻譯成英文出版，以便讓更多的國外同行了解我國在灌溉稻田起源與演化方面的研究進展。

在該書出版之前，我有幸仔細地研讀了全書，一股新鮮之感撲面而來。該專著的創(chuàng)新之處和研究成果主要體現(xiàn)在以下七個方面：

首先，該書選取土壤學和考古學均有待深度挖掘的研究內(nèi)容。以人工灌溉稻田為依托的馬家浜文化、崧澤文化、良渚文化等璀璨的稻作文明，通過考古學家和土壤學家的通力合作，鑒定了蘇州綽墩遺址6 000年前馬家浜時期面積較小、形狀不定的44塊灌溉稻田（平均面積為5.5 m2/塊），澄湖遺址5 000年前崧澤時期面積較大、形狀漸定的20多塊灌溉稻田（平均面積為12 m2/塊），杭州臨平茅山遺址4 000年前良渚時期面積很大、形狀規(guī)范的5塊灌溉稻田（平均面積約為0.67 hm2/塊），從而闡明了史前灌溉稻田的發(fā)展與演變是一個面積從小到大、形狀由不規(guī)則到統(tǒng)一的矩形的漫長過程，為土壤學和考古學拓展了研究領域，深化了理論認識。

其次，深化了灌溉稻田和水稻土發(fā)育的認識。杭州灣南岸淺海沉積物上發(fā)育的50～2 000年時間序列水稻土的研究結(jié)果顯示，在平原沉積物上連續(xù)種植灌溉水稻或?qū)嵭泄喔人鲸D小麥（油菜）輪作發(fā)育為成熟水稻土需要300年和700年的時間。

第三，采用野外調(diào)查與室內(nèi)分析并重的研究方法，比較了在相同的母質(zhì)、地形、氣候、植被條件下形成的50、100、300、500、700及2 000年的水稻土和相鄰旱地土的肥力質(zhì)量和健康質(zhì)量的演變趨勢，從而探明了時間序列水稻土的肥力質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量是隨著種植年限的延長而提高，表現(xiàn)為全氮和有效氮、速效磷、速效鉀含量是逐漸提升的，有機碳含量不斷增加，碳匯的功能愈加突出，因此稻田的生產(chǎn)力也是漸次提高的，同時探明灌溉稻田是環(huán)境友好的人工濕地系統(tǒng)、水稻土是可持續(xù)利用的土地利用模式。

第四，大量的數(shù)據(jù)表明，灌溉稻田是人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，它具有自然濕地的基本生態(tài)功能，因而是環(huán)境友好和可持續(xù)利用的土地使用方式，其主要的生態(tài)功能是：具有調(diào)節(jié)土壤蓄水保水抗旱防澇的能力；在淹水嫌氧條件下土壤能積累更多的有機質(zhì)、產(chǎn)生更多的生物碳以及通過秸稈焚燒、草木灰或秸稈還田等而殘留在灌溉稻田中的植硅體碳（phytolith-occluded organic carbon，PhytOC）是陸地土壤長期固碳的重要機制之一；在水旱輪作條件下有利于生物多樣性的保持、增強有益微生物的活動，因而具有更大的生物固氮效率；在水旱輪作和氧化還原條件的循環(huán)下，有利于土壤中潛在礦物養(yǎng)分的釋放和有毒有機物質(zhì)的分解；大面積表面有淹水層的稻田有利于調(diào)節(jié)城市熱島效應，調(diào)節(jié)城市氣溫，減少PM2.5等揚塵和霧霾等災害天氣；稻田淹水保護了表層土壤不被流失，不僅土壤肥力得以保持，也減少了氮磷向水體的排放，從而降低了水體面源污染的威脅；隨著水稻種植年限的延長，產(chǎn)甲烷優(yōu)勢種群的數(shù)量減少而甲烷氧化菌的優(yōu)勢種群增加，產(chǎn)甲烷勢逐漸下降。因此，在水資源充分、降雨量足夠的地方應盡量地保持有足夠多的灌溉稻田面積，既有利于糧食安全保障，也有利于生態(tài)和環(huán)境的保護。

第五，通過不同時間序列水稻土和旱地土的比較，明確了水耕種稻加速了水稻土的形成，從而提出了從淺海沉積物發(fā)育為水稻土需要經(jīng)歷的三個階段：第一階段僅需幾十年的時間（0～50年）即可完成，其形成的特點是快速脫鹽，初步形成犁底層，從而完成使沖積土向人為雛形水耕土的發(fā)展；第二階段是人為雛形水耕土向成熟水耕土過渡的階段，這個階段視母質(zhì)質(zhì)地的不同大約需要300～700年的時間來完成，具體表現(xiàn)為水耕與旱耕措施對成土影響之差異漸趨明顯，水稻土的脫鈣加速、表層有機碳儲量持續(xù)增加，表土有機質(zhì)含量趨于穩(wěn)定；第三階段大約也需300～700年的時間，其形成特征是心土層的形成，鐵錳氧化物的形成和轉(zhuǎn)化，伴隨著表征水耕土主要形態(tài)特征的銹斑和銹紋的形成，從而完成人為成熟水耕土向人為老年水耕土轉(zhuǎn)變。水稻土中非晶質(zhì)鐵氧化物是水稻土中黏土礦物表面積聚和覆蓋有機碳的物質(zhì)，有機碳和鐵氧化物起著互相保護的作用；從淺海灘涂濕地發(fā)育為水稻土的初期成土過程中就有大量新鮮有機質(zhì)的積累可能與有機質(zhì)―鐵氧化物的形成有關。

第六，發(fā)現(xiàn)了水耕人為土累積有機質(zhì)的兩個新途徑：其一是用苯-多甲酸比值微生物標記來評價土壤中黑炭的累積程度，黑炭積累會隨著耕作年限的延長而增加。當海涂圍墾種稻300年左右總有機碳達到平衡時，黑炭占耕作表層總有機碳的7%～11%，即每公頃可達13 t黑炭，其速率是相鄰旱地土的1.8倍。其二是水稻土中殘留有大量的稻植硅體，植硅體碳是水稻土有機碳的組分之一。植硅體可在土壤中長期保存數(shù)百至千年之久。這兩點是水耕人為土累積有機質(zhì)的新機制。

第七，對時間序列水稻土的微生物學特性研究表明：微生物生物量碳和土壤DNA含量是隨水耕年限的延長而逐漸提高的；隨水耕年限的延長，微生物多樣性模式的變化較那些功能基因豐度的變化更明顯，水稻土中氨氧化古菌基因拷貝的絕對數(shù)量（以g-1dw 計算）高于旱地土，而灘涂濕地則是最低的。不同耕作年限水稻土氨氧化古菌基因拷貝的相對豐度無顯著性的差異，說明氨氧化古菌在水稻土中能很好地適應變化著的環(huán)境條件。

《中國灌溉稻田起源與演變及相關古今水稻土的質(zhì)量》一書共分五篇。第一篇為原始稻作的起源與發(fā)展，主要敘述新石器時期中國南方的生態(tài)條件、新石器時期中國南方古人類文明及野生稻馴化、新石器晚期中國南方的稻作文明；第二篇為新石器時期我國南方的灌溉稻田，主要介紹長江中游澧縣城頭山遺址埋藏的稻田、太湖流域馬家浜文化時期埋藏的灌溉稻田、長江下游菘澤文化時期埋藏的灌溉稻田、長江下游良渚文化時期埋藏的灌溉稻田，以及可能發(fā)現(xiàn)埋藏有史前灌溉稻田的其他遺址；第三篇為史前埋藏水稻土質(zhì)量的研究，主要介紹史前埋藏水稻土的剖面描述、史前埋藏水稻土的物理特性、史前埋藏水稻土的肥力質(zhì)量、史前埋藏水稻土的微生物學特性、史前埋藏水稻土的健康質(zhì)量、史前埋藏水稻土的環(huán)境質(zhì)量；第四篇為時間序列水稻土的生物地球化學特性，主要論述杭州灣南岸平原的海塘與時間序列土壤、時間序列水稻土與旱地土成土過程的比較，時間序列水稻土的土壤質(zhì)量、時間序列水稻土的微生物學特性；第五篇為稻作文化之傳布，主要介紹了發(fā)源于長江下游的灌溉稻田為特征的稻作農(nóng)業(yè)和稻作文化在國內(nèi)外，從陸上和海上傳布的幾條路線的依據(jù)和傳說。

全書約有47萬余字，圖文并茂，內(nèi)容深入淺出，在闡明研究結(jié)果的同時，還介紹了一些新技術如13C固（液）體核磁共振、生物標記、植硅體、基因分析和分子生物學等在土壤研究上的應用。本書可供土壤學、農(nóng)學、生態(tài)學、環(huán)境學、農(nóng)業(yè)考古學等學者和大學生、研究生等參考。