基于土體有機重構的水肥耦合對土壤理化性質和水稻產量的影響

何振嘉， 范王濤， 杜宜春， 王啟龍

（陜西省土地工程建設集團有限責任公司，西安 710075）

我國土地利用類型復雜多樣，耕地后備資源不足。隨著后備資源的不斷減少和人口的進一步增多，土地整治開發利用難度不斷加大。工業化進程和城鎮化進程的不斷推進進一步造成了土地資源污染、損毀等危害。針對污損土地修復成本高、效率低、修復質量與技術標準缺乏等問題，韓霽昌等［1］提出了一項污損土地修復的核心技術——土體有機重構技術。該技術是根據種植作物種類、地形坡度、土層厚度、勞動力和機械化程度等因素，通過客土、復配等方法調配土壤機械組成、確定復配土層厚度、優化土體剖面構型，改良土體物理性質以滿足作物正常生長［2］。該技術目前已在陜西省毛烏素沙地治理、陜北地區鹽堿地改造、延安地區治溝造地、礦區土壤修復以及生態修復中進行了廣泛應用。韓霽昌等［3］在陜北毛烏素沙地研究了砒砂巖與沙復配成土技術對玉米生長的影響，研究表明1∶2復配比例適宜玉米生長；龐喆等［4］利用土體有機重構技術對陜北鹽堿地進行修復改造，結果表明，改造后的土壤質量及作物產量均逐年提高；張騰飛［5］研究了土體有機重構對鹽堿地鹽分和土壤養分含量的影響，結果表明，不同土壤有機重構方式對鹽堿地改良均具有一定效果；劉哲等［6］通過土體有機重構技術使延安治溝造地工程土壤理化性質得到改善，能夠滿足農作物的正常生長；胡雅［7］采用土體物理重構和土體生物重構相結合的方式整治了潼關金礦污染土體，并歸納出適宜作物種植的剖面物理構型；關紅飛等［8］利用土體有機重構方法對陜西省神木縣孫家岔礦區耕作層進行構建，實現了試驗區的生態恢復，為陜北礦區整治的有效措施；魏靜等［9］采用土體有機重構技術重建生態河道并進行土壤修復，為石川河流域提供了清潔的土壤環境、穩定的土體結構，有效改善了生態環境，提高了土地質量。

我國陜西省韓城市下峪口黃河灘涂地未利用土地資源廣闊，地下水位較高，且臨近黃河，水資源較為充足，十分適宜水稻生長。但由于該區域土壤主要為沙土，砂粒含量高，孔隙大，透水透氣性強，土體內的養分易隨水淋溶到下層，造成表土層養分匱乏，不利于水稻健康生長和產量的提高。因此，通過土體有機重構措施將原有沙地土壤改變為適宜水稻生長的重構土體進行水稻種植具有重要意義［10］。

水和肥是水稻生長的2個重要影響因素，適宜的水肥制度能顯著改善水稻生長發育狀況，提高水稻產量和品質。水肥過量不僅會降低水肥利用效率，還能在一定程度上造成水稻減產或引發土壤深層滲漏等問題。因此，探究適合水稻種植的水肥耦合制度、提高水肥利用效率是當前農業發展的重要任務。呂艷東等［11］研究了膜下滴灌水肥耦合對寒地水稻產量的影響，結果表明，膜下滴灌旱種下分蘗肥與穗肥用量為87.15 kg·hm-2能顯著提高水稻生物產量和經濟系數，而分蘗肥與穗肥用量為70.12 kg·hm-2適合膜下滴灌旱種水稻；陳濤濤等［12］研究表明，干濕交替灌溉下水氮耦合顯著降低了耗水量和施肥量，且水稻產量提高10.6%；徐飛等［13］開展水肥耦合對寒地水稻生長發育及產量的影響研究表明，葉齡灌溉模式與葉齡調控側深施肥模式較常規種植模式使產量和氮肥農學利用率顯著提高，適宜在我國北方寒地水稻種植中推廣應用；張超等［14］進行了水肥耦合條件下寒地黑土區水稻盆栽試驗，結果表明，氮磷鉀施加量分別為1.01、0.63和0.46 g·盆-1，分蘗末期土壤含水率占飽和含水率的75.2%時，水稻產量最高；鄭恩楠等［15］對控制灌溉和全面淹灌條件下水肥耦合模式對水稻器官C、N含量以及產量的影響進行研究，結果表明，控制灌溉條件下施氮量為110 kg·hm-2時產量較高，氮素減排及節水效應顯著。

眾多學者對不同灌水和施肥條件水稻生長和產量的影響及水肥耦合條件引起的水稻產量和品質變化進行了一定研究，但對于重構土體種植水稻適宜性方面的研究尚未見報道。因此，本文以土體有機重構為基礎，研究了韓城市下峪口黃河灘地不同水肥耦合條件對土壤理化性質及水稻生長發育和產量的影響，以期為在土體有機重構條件下推廣水稻種植提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2017年6—10月在陜西省韓城市下峪口黃河西岸土地生態環境恢復治理區進行。試驗區位于東經 110°30′34″—110°33′36″，北緯35°31′02″—35°34′01″，海拔 357～1 783 m。試驗區地下水埋深0.2～1.0 m，屬暖溫帶半濕潤、半干旱季風氣候，年均降水量555.2 mm，年內分配不均，干旱頻繁；年均氣溫13.7℃，6—10月月均氣溫25℃，極端最高溫度40.1℃，極端最低溫度-20.1℃，晝夜溫差較大，有利于水稻干物質的積累。全年≥20℃積溫為2 718℃；年均無霜期 208 d，年均風速3.2 m·s-1，年均日照2 436 h，≥10℃期間輻射總量為83.25 kcal·cm-2。試驗地土壤為有機重構土，外運客土土壤質地為粉砂壤土，土壤飽和導水率16.2%，0—30 cm土層范圍內，土壤pH 8.3，全氮、有效磷和速效鉀含量分別為 0.75 g·kg-1、5.02 mg·kg-1和 99.45 mg·kg-1，有機質含量為5.52 g·kg-1。整體來看，有機質含量較低，土壤肥力不足。試驗區各土層土壤理化指標詳見表1。

表1 試驗區土壤理化指標Table 1 Soil physical and chemical indicators in the test area

1.2 土體有機重構工程設計

研究區土壤粘粒含量2.9%、粉粒含量40.8%、砂粒含量56.3%，土壤以砂粒為主，質地為砂壤土。項目區土壤容重1.52 g·cm-3，土壤飽和導水率53.28%，由于粘粒含量較高，土體經水沉后結構變化并不明顯，水肥滲漏嚴重，因此需通過土體有機重構措施進行改良。首先通過外運客土構造犁底層土體。選用客土粘粒（含量12.19%，土壤容重1.6～1.7 g·cm-3，飽和導水率8%～16%，滲漏量0.9%～1.5%）作為土體重構人造犁底層土源，經覆土碾壓后構建水田的人造犁底層，厚度為5 cm，在保證水田土體通氣性的同時，將灌溉水有效保水時間最大化；然后，根據水稻生長需求構建耕作層，厚度為25 cm。其后經過松土精平、放水泡田、打漿磨地操作后進行水稻種植；打漿整平工程采用拖拉機專用打漿器械對水田進行打漿操作，形成10 cm深度的泥面層，對完成打漿的地塊進行磨地，泥漿靜置后平整高差控制在±3 cm（圖1）。

圖1 土體有機重構示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil organic reconstruction

1.3 試驗方案及處理

供試水稻品種為“吉宏6號”，試驗小區規格為100 m×3 m（長×寬），面積300 m2。試驗地四周起壟后，劃分為3個大田塊，內部再劃分為27個小田塊，將小田塊地表進行人工平整，在翻耕種植前采集土壤樣品。試驗田的播種育苗、插秧、灌溉及施肥等田間具體情況參考當地生產實際進行。試驗以陜西省韓城市下峪口地區常年水稻種植需要的灌水量和施肥量（適水中肥）為對照，分別設置傳統灌水量和施肥量的80%（節水低肥）和120%（高水高肥），共設置3個水分處理和3個施肥量處理，分別為高水4 500 m3·hm-2（W1）、適水3 750 m3·hm-2（W2）和節水3 000 m3·hm-2（W3）；高肥162 kg·hm-2（F1）、中肥 135 kg·hm-2（F2）和低肥 108 kg·hm-2（F3）。試驗為正交處理，共9個處理，每處理3次重復。選擇尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O520%）和硫酸鉀（K2O 50%）為供試肥料。灌溉水源為黃河水，經過沉沙、加壓和過濾處理后進入灌溉管網。各生育期灌水量和施肥量詳見表2和表3。

表2 不同生育期的灌水量Table 2 Amount of irrigation in different growth periods （m3·hm-2）

表3 不同生育期的施肥量Table 3 Amount of fertilization in different growth stages （kg·hm-2）

1.4 測定項目與方法

分別對水稻種植前后使用四分法采集土樣，采樣深度為0—30 cm。土樣經風干、過篩后測定土壤基本理化性質。土壤pH采用S220型酸度計（梅特勒-托利多）測定；電導率采用EC215型電導率儀（梅特勒-托利多）測定；土壤粒度及微團聚體采用MS3000型粒度分析儀（英國馬爾文儀器有限公司）測定；NO-3-N和NH+4-N含量采用UDK129型凱氏定氮儀（意大利VELP公司）測定；有機質含量采用DU-30G油鍋法測定［16］；有效磷含量采用752 N紫外可見分光光度計（美國PE公司）測定；速效鉀含量采用M420火焰光度計（英國Sherwood公司）測定；土壤離子利用數字瓶口滴定器（德國普蘭德公司）測定。

在作物關鍵生育期（苗期、分蘗期、拔節期等）選取長勢比較有代表性的3～5株植株，定期利用卷尺等試驗設備測定株高。在作物收獲后每個小區及時劃定樣方，樣方內隨機選取3株水稻，統計穗數和單株產量，其中單株產量采用精度為0.1 g的電子稱稱量；選取10穗，統計穗粒數和百粒重。以小區實收產量計算水稻單產（kg·hm-2）。

1.5 數據分析方法

采用Microsoft Excel 2007軟件進行試驗數據的整理和分析，采用SPSS 22.0軟件進行統計分析。

2 結果分析

2.1 水肥耦合對有機重構土壤物理性質的影響

土壤物理性狀是土壤肥力的重要影響因子，直接或間接地影響著土壤水、肥、氣、熱等狀況。不同處理的理化性狀（表4）表明，W2F1處理使有機重構土壤的總孔隙度、大團聚體、水穩性團聚體以及微團聚體含量均處于較高水平，且土壤pH和電導率較低，即對土壤物理性質的改善效果較好。灌水對有機重構土壤電導率有極顯著影響，其中，適水處理（W2）土壤的電導率均較低（173～187 μs·cm-1），脫鹽效果較好。施肥對有機重構土壤pH有顯著影響，與有機重構土本底值相比，各處理土壤pH均出現不同程度的降低。除W1F3和W3F3處理外，其他處理土壤電導率均有不同程度的降低。且施肥對土壤總孔隙度影響顯著，土壤孔隙度隨施肥量的增加逐漸升高，W1F1、W1F2、W2F1、W3F1和W3F2處理的總孔隙度均超過48%，有利于水稻根系呼吸作用的進行。施肥和水肥耦合對重構土壤大團聚體含量有顯著影響，有機重構土壤中大團聚體含量越高，土壤抗沖性能力越強。W2F2和W2F3處理有機重構土壤大團聚體含量最高，分別為93.54%和93.35%，土壤肥力狀況和穩定性最好。水穩性團聚體對保持土壤結構的穩定性有著重要作用，而施肥和水肥耦合均對有機重構土壤水穩性團聚體含量有顯著影響，W3F1、W2F2、W1F1和W2F1處理水穩性團聚體含量均超過28%，抗侵蝕能力較好。土壤微團聚體對有機重構土壤理化特性和生物特性具有顯著影響，而施肥和水肥耦合對有機重構土壤微團聚體含量有極顯著影響，其中W3F1處理微團聚體含量最高，為3.62%；其次為W3F2和W2F1處理，分別為3.55%和3.52%；W1F3處理最低，僅為3.23%。總體來看，W2F1處理有機重構土壤總孔隙度及大團聚體、水穩性團聚體以及微團聚體含量均較高，且土壤pH和電導率較低，對有機重構土壤物理性質的改善效果較好。

表4 水肥耦合下有機重構土的土壤物理性質Table 4 Soil physical properties of organically reconstituted soil under coupling of water and fertilizer

2.2 水肥耦合對有機重構土壤養分的影響

土壤養分為植物提供必需的營養元素，養分含量的多少是評價土壤肥力水平的重要內容之一。對不同處理下土壤養分含量進行分析，結果（表5）表明，W2F2處理土壤有機質、NH+4-N、有效磷和速效鉀含量均處于較高水平，保肥性能最佳。灌水、施肥對有機重構土壤有機質含量有影響顯著，且水肥耦合作用對有機重構土壤有機質含量有極顯著影響。適水條件下，有機重構土壤有機質含量較高，且隨施肥量的增加而增大，W2F1處理有機質含量最高，為14.42 g·kg-1；高水低肥條件下有機質含量較低，其中W1F1處理最低，僅為9.15 g·kg-1。NO-3-N在土壤中運移遵循“氮隨水動”的規律，高水條件下各處理NO-3-N含量的平均值為108.15 mg·kg-1，較適水和節水處理分別降低了5.98%和13.90%，表明隨著灌水量的增加，有機重構土壤中NO-3-N隨水分向深層土壤運移，導致土壤中NO-3-N含量降低，造成氮肥利用效率降低。灌水對有機重構土壤NH+4-N含量無顯著影響，但施肥和水肥耦合對其影響顯著；適水條件下NH+4-N含量最高，平均為36.82 mg·kg-1，分別較高水和節水處理提高了29.51%和48.23%；相同灌水條件下，高肥處理土壤NH+4-N含量較高。施肥、灌水和水肥耦合對有機重構土壤有效磷和速效鉀含量均有顯著影響，均表現為適水條件下含量最高，其次為節水處理。適水條件下土壤有效磷含量平均值為19.09 mg·kg-1，較節水和高水處理分別增加了27.78%和56.35%；速效鉀含量平均值為142.58 mg·kg-1，較節水和高水處理分別增加了15.97%和19.63%。相同灌水量條件下，有效磷含量隨施肥量的增加而增加；速效鉀含量表現為中肥處理較高，高肥和低肥處理較低。

表5 水肥耦合下有機重構土的土壤養分Table 5 Soil nutrients of organically reconstituted soil under coupling of water and fertilizer

2.3 水肥耦合對水稻生長和產量的影響

水肥耦合與水稻生長和產量存在密切關系。不同處理下水稻的產量及相關性狀的結果（表6）表明，W2F2處理每平方米穗數、百粒重、理論產量和實際產量均最高，分別為352 m-2、2.03 g、30.82 kg·hm-2和 25.28 kg·hm-2。灌水對水稻株高、單穗穗粒數以及每平方米穗數無顯著影響，對單株分蘗數、百粒重以及產量影響顯著；施肥對分蘗數和每平方米穗數無顯著影響，但對其他產量性狀有顯著影響；水肥耦合對水稻分蘗、單穗穗粒數以及每平方米穗數無顯著影響，對株高和每平方米穗數影響顯著，對百粒重和產量有極顯著影響。相同灌水量下，株高隨著施肥量的增加而升高，W1F1、W2F1和W3F1處理株高均超過75 cm，顯著高于其他處理。水稻分蘗數隨灌水量的增加而增加，高水處理的平均值為17.5，較適水和節水處理分別提高了18.97%和22.38%。W2F3處理的單穗穗粒數最高，達到100粒，其次為W3F2、W2F2、W1F3以及W1F2處理，表明高肥處理可顯著增加穗粒數。

表6 水肥耦合下有機重構土的水稻生長和產量Table 6 Rice growth and yield in organically reconstituted soil under coupling of water and fertilizer

2.4 水肥耦合對水稻經濟效益的影響

經濟效益是農業生產活動追求的最終目標，根據韓城下峪口地區農業灌溉用水和肥料價格綜合來看，灌水為黃河抽水灌溉，水費綜合單價為0.8元·m-3，肥料價格為1 850元·t-1，田間管理及人工費綜合單價為12 750元·hm-2，水稻收獲后售出價格為4.5元·kg-1。對不同處理水稻的經濟效益進行比較，結果（表7）表明，經濟投入隨灌水量和施肥量的增大而增大；灌水和施肥對水稻產量有顯著影響，且水肥耦合對產量影響極顯著。相同施肥量下，適水處理水稻的平均凈收益為8 524.5元·hm-2，較高水和節水處理分別顯著提高了47.40%和36.99%；而相同灌水量下，中肥處理水稻的平均凈收益為6 542.25元·hm-2，較高肥和低肥處理分別顯著降低了9.19%和3.13%。由此表明，灌水、施肥過量或不足，均不利于水稻產量和經濟效益的提高。灌水和施肥對水稻凈收益和產投比有顯著影響，且水肥耦合對水稻凈收益和產投比有極顯著影響。其中，W2F2處理凈收益達9 506元·hm-2，投入產出比最小，為0.63。

表7 水肥耦合下有機重構土的水稻經濟效益以吸收、富集土壤中多余的鹽Table 7 Rice economic benefits of organically reconstituted soil under the coupling of water and fertilizer

3 討論

土體有機重構技術是近幾年提出的一項新技術，其將無生命體特征、狀態不良的土體通過工程措施轉變為具有生命特征、適宜生命體生存和繁衍土體。目前，有關土體有機重構的相關研究還較少，相關技術的推廣還處于初級階段。因此，本研究基于有機重構土體，開展水稻種植試驗，探究水、肥耦合對重構土體理化性質以及水稻生長和產量的影響，以期為豐富土體有機重構技術應用提供理論參考。

3.1 水肥耦合顯著改善有機重構土壤物理性質

種植水稻對有機重構土壤改良和土壤結構的改善具有顯著影響。朱珠等［17］研究了滴灌條件下水肥耦合對棗園土壤鹽分的影響，結果表明，適宜灌溉定額和施肥配比能夠達到抑鹽、脫鹽的效果。水稻生長過程中能分泌一定量的有機酸，可在一定程度上疏松土壤，降低土壤堿性；同時還可以吸收、富集土壤中多余的鹽分，進一步降低土壤含鹽量。本研究發現，除W1F3和W3F3處理外，其他處理土壤電導率均存在不同程度的降低，適水條件下土壤電導率最低，脫鹽效果最佳。張瑜等［18］研究發現，施加肥料可有效改善土壤通氣度，增加土壤孔隙度。臧明等［19］通過增加地下氧氣改善了土壤通氣性，促進了番茄生長和產量的提高。本研究表明，土壤孔隙度隨施肥量的增加而增加，W1F1、W1F2、W2F1、W3F1和W3F2處理總孔隙度均較高，有利于水稻根系進行呼吸作用。這主要是由于水稻根系與重構土的相互作用對于促進土壤團聚體形成以及改善土壤結構具有顯著影響，增加了土壤孔隙度；同時，孔隙度的增加對水稻根系生長發育起促進作用，有利于提高水稻的水肥利用效率。土壤中大團聚體含量越多土壤的抗沖性越高，W2F2和W2F3處理土壤大團聚體含量最高，土壤肥力和穩定性均較好，這與翟龍波等［20］研究結果一致。陳軒敬等［21］研究表明，施肥顯著增加了耕層土壤中水穩性團聚體含量。本研究發現，W3F1、W2F2、W1F1和W2F1處理水穩性團聚體含量均超過28%，抗侵蝕能力較好。林清美等［22］研究表明，不同類型化肥和施用量均影響土壤微團聚體含量，本研究表明，施肥量越低，土壤微團聚體含量越高。

3.2 水肥耦合有效提高有機重構土壤養分

土壤養分對作物產量和土壤肥力具有顯著影響。賈正茂等［23］研究表明，水肥耦合對土壤養分含量具有顯著影響，灌水量越高，土壤有機質、-N、有效磷含量越低，但-N含量增加。本研究表明，適水條件下，土壤有機質含量隨施肥量增加而增加，表明稻田生態系統改善了土壤的理化性狀，提高了土壤微生物量碳，有助于土壤有機質的積累［24］。李玉等［25］研究發現，施用有機肥對鹽堿地土壤全氮含量無顯著影響。本研究表明，種植水稻顯著增加有機重構土壤全氮含量，這可能是由于試驗地土壤條件和施用化肥種類不同所導致。高水條件下，-N含量較適水和節水處理分別降低了5.98%和13.90%，這可能是由于-N在土壤中運移遵循“氮隨水動”的規律，灌水量越大，土壤-N隨水分向深層土壤運移的量也越大；而適水條件下，-N含量較高水和節水分別提高了29.51%和48.23%。相同灌水量條件下，高肥處理的土壤-N含量均較高。唐海龍等［26］研究表明，土壤有效磷和速效鉀含量隨施肥量的增加而增加。本研究表明，相同灌水量下，有效磷含量隨施肥量的增加而增加，速效鉀含量表現為中肥處理較高，高肥和低肥處理較低。這可能是由于種植水稻能有效地防止稻田中氮、磷、鉀的流失，促使土壤中磷酸鹽類的溶解和被固定磷、鉀的釋放。

3.3 水肥耦合有效促進水稻生長和產量

土體有機重構的主要目的是改善污染、損毀以及利用效率低下土地的理化性質，重構后的土地能夠種植作物，產生一定的經濟效益，合適的水肥配比有利于提高作物產量。吳得峰等［27］研究了不同施肥模式對有機重構土體中黃瓜生長和產量的影響，結果表明，重構土體可基本滿足黃瓜生長并取得了較高的產量，但需要增施微生物型土壤調理劑以提升土壤肥力。陳立冬等［28］研究了秸稈還田條件下水肥耦合對水稻產量和品質的影響，結果表明，適宜范圍內增加灌水量、氮肥施用量和秸稈還田量，有利于提高水稻產量。本研究也表明，適水、中肥條件下，即W2F2處理產量及其相關性狀表現較好，且具有最低的投入產出比。