林 誠，李清華，王 飛*，劉啟鵬，林麗紅，何春梅，鐘少杰

(1 福建省農業(yè)科學院土壤肥料研究所，福州 350013；2 福建省順昌縣土壤肥料技術站，福建順昌 353200)

長期深窄溝排水對冷浸田土壤脫潛特性及水稻產量的影響①

林 誠1，李清華1，王 飛1*，劉啟鵬2，林麗紅2，何春梅1，鐘少杰1

(1 福建省農業(yè)科學院土壤肥料研究所，福州 350013；2 福建省順昌縣土壤肥料技術站，福建順昌 353200)

冷浸田為江南稻區(qū)廣泛分布的一種中低產田。以福建省順昌縣持續(xù)運行約30 年的石砌深窄溝為監(jiān)測平臺,通過田間土壤速測與室內檢驗，研究長期深窄溝排水對離溝不同距離冷浸田土壤脫潛特性及水稻產量的影響。結果表明：冷浸田經過長期深窄溝排水，在離溝25 m范圍內，與典型冷浸田(離溝75 m位點)土壤相比，土壤Eh提高幅度為288.2% ~ 323.4%，土壤水分下降幅度為7.5% ~ 36.2%，土壤還原性物質總量、Fe2+、Mn2+等含量均有不同降低，并表現為離溝越近，提高或降幅越大的趨勢。開溝后0 ~ 25 m范圍內，土壤pH降低0.13 ~ 0.69個單位，土壤微生物生物量碳、氮分別提高66.0% ~ 99.0%、77.0% ~ 275.1%，土壤有效養(yǎng)分含量提高，土壤耕性得到明顯改善，離溝15 m以內位點可以實現機耕。開溝后，25 m范圍內作物產量可提高6.6% ~ 20.7%，且離溝越近增幅越大。在冷浸田特殊的環(huán)境下，土壤還原強度大小是制約作物產量的主要因素。長期開溝排水促進了土壤有機質礦化，增強了土壤微生物活性，產量提升明顯。從綜合改造效果看，距溝15 ~ 20 m以內對土壤理化性質改良與產量提升效果較為明顯。

深溝排水；冷浸田；還原性物質；脫潛育化；水稻產量

冷浸田是指常年冷泉水淹灌或終年積水，土體存在“冷、漬、爛、銹”等為主要障礙特征的一類水田，是我國低產水稻土的一個主要類型。福建地處亞熱帶季風區(qū)，雨水充沛、山地丘陵多，為冷浸田形成創(chuàng)造了自然條件，加之浸冬及串灌串排等不良管理，因而在閩北山區(qū)形成了分布廣泛的冷浸田。經統(tǒng)計，全省冷浸田面積約 16.7萬 hm2，占全省耕地總面積的12.0%[1]。冷浸田障礙因子多，但增產潛力大，若采取有效的改良措施，對提高土壤肥力、促進福建糧食增產具有重要意義。長期漬水是冷浸田土壤形成的重要條件，因而開溝排漬是冷浸田改良的一個重要工程措施。研究表明，冷浸田起壟或通過明溝排水能有效地改善冷浸田土壤特性，并顯著提高水稻產量[2–4]。王飛等[5]通過開溝排漬與優(yōu)化施肥研究對比發(fā)現，在冷浸田上開溝排漬增產效應明顯高于優(yōu)化施肥。但目前工程措施改造對冷浸田的影響研究多集中在田間的簡易排水工程上，且多為短期效應研究，對石砌深窄溝和埋暗管等長期性工程措施對冷浸田改良研究甚少。

20 世紀 70 年代末，福建省順昌縣冷浸田采用石砌深窄溝的工程改造后，短期內地下水位明顯降低，土壤理化性質得到改善，并明顯提高了水稻產量[6]。“石砌深窄溝”作為工程排水中的一種類型，其影響范圍以距溝 25 m 范圍較為顯著，距溝 45 m 仍有一定改土增產效益[7]。目前這些排漬工程距今已有約30 年歷史，冷浸田在長期深窄溝改造下土壤性質會如何變化？不同離溝距離的土壤養(yǎng)分含量特別是作物產量的變化趨勢又是如何？為此，本研究以福建省順昌縣鄭坊鄉(xiāng)興元垅 1980 年建立的 64 hm2水改試驗區(qū)為研究對象，針對離溝不同距離處的土壤特性及作物產量開展研究，旨在為冷浸田工程改造技術和效果評估提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗點位于福建省順昌縣鄭坊鄉(xiāng)興元垅1980年建立的64 hm2水改試驗區(qū)(26°42′ N, 117°42′ E)，海拔高度 262 m，地形為山地丘陵間長垅，縱坡降在 3°以下，沖溝呈U形，中部垅寬200 m左右。地表水與淺位地下水混合，串排串灌，常年澇漬，土壤表層或整個土體潛育化。原主要土壤類型為深腳爛泥田與淺腳爛泥田。試驗區(qū)年平均溫度18.5℃，年均降雨量1 691.3 mm，年日照時數2 292 h。該試驗區(qū)修建了深1 m，底寬 30 cm的“石砌深窄溝”3條共600多m

(圖1)。本研究從2013年將試驗地以每隔“石砌深窄溝”5 m為一個處理，共有距離5、10、15、20、25、75 m (代表典型深腳爛泥田，未受開溝影響，CK)(圖1)，6個位點作為6個處理，每個處理在同一水平上共3次重復，每小區(qū)面積25 m2。每個處理施肥管理、田間管理方式均一致。

圖1 冷浸田石砌深窄溝結構及采樣點分布圖Fig. 1 Structure of stony open-deep-narrow drainage ditch and sampling sites in cold-waterlogged paddy field

1.2 樣品采集與分析

于2014年10月水稻收獲后采集每個處理0 ~ 20 cm耕層土樣，每個重復取3個點混勻作為一個樣品，土壤樣品裝入自封袋，帶回實驗室，一份鮮樣用于測定土壤水分、土壤浸水體積質量(容重)、還原性物質總量、亞鐵(Fe2+)、亞錳(Mn2+)含量、微生物生物量碳氮，一份土樣經自然風干后研磨過篩用于測定pH、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀。土壤氧化還原電位采用田間速測儀(Spectrum，IQ150)測定。其中土壤浸水體積質量：稱取一定量鮮樣放入量筒中浸泡分散，通過干土質量/沉淀體積求得[8]；土壤理化性狀測定參照《土壤農業(yè)化學分析方法》[9]：土壤含水量采用烘干法；還原性物質總量采用硫酸鋁溶液浸提?重鉻酸鉀溶液容量法測定；Fe2+含量采用鄰菲羅啉法；Mn2+含量采用高碘酸鉀比色法；土壤pH采用pH酸度計法(水浸提)；有機碳含量用高溫外熱重鉻酸鉀氧化–容量法；堿解氮含量用堿解擴散法；有效磷含量用碳酸氫鈉提取–鉬銻抗比色法；速效鉀含量用醋酸銨浸提–火焰光度計法。微生物生物量碳和氮：采用氯仿熏蒸–K2SO4浸提法，振蕩提取的過濾液用日本島津TOC/TN自動分析儀測定碳、氮含量，微生物生物量碳和氮的換算系數分別為0.45、0.38。

1.3 數據分析與處理

采用DPS 7.05軟件和Excel 2003軟件進行數據分析，不同處理采用LSD法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 石砌深窄溝改造對冷浸田土壤物理特性的影響

2.1.1 對冷浸田土壤水分的影響 從圖2可以看出，冷浸田經過長期深窄溝排水后距溝25 m內土壤水分含量均下降。與CK相比，0 ~ 25 m位點土壤水分含量下降幅度達7.5% ~ 36.2%，均達到顯著差異，且離溝越近，下降幅度越大，表現出脫潛干化特性越明顯，離溝15 m以內位點基本可以實現機耕。將0 ~ 25 m位點土壤質量含水量與離溝距離擬合方程后發(fā)現，二者間呈對數關系，且達到極顯著水平。表明石砌深窄溝對冷浸田土壤干化效果明顯，但隨著離溝距離的增加，對土壤水分的影響效果在減弱。

圖2 不同離溝距離冷浸田土壤水分含量Fig. 2 Soil moisture contents of cold-waterlogged paddy fields with different distances from stony open deep-narrow drainage ditches

2.1.2 對冷浸田土壤浸水體積質量及pH的影響 土壤浸水體積質量的大小在一定程度上能反映出水稻土在泡水時的淀漿、板結和肥沃程度。一般認為南方水田土壤浸水體積質量為0.5 ~ 0.6 g/cm3土壤耕性最好，0.5 g/cm3以下的易起漿[10]。冷浸田由于土體糊爛發(fā)漿而具有較低的土壤浸水體積質量。從本研究結果來看(圖 3)，冷浸田經過石砌深窄溝改造后，0 ~ 25 m位點土壤浸水體積質量均提高，提高幅度為3.2% ~ 45.5%，且離溝越近，提高幅度越大，特別是離溝5 m位點較CK達顯著差異。土壤pH趨勢與浸水體積質量相反，離溝越近，土壤pH越低。與CK相比，0 ~ 25 m位點土壤pH分別降低0.13 ~ 0.69個單位，除25 m位點外，其余位點pH均顯著下降。

圖3 不同離溝距離冷浸田土壤浸水體積質量及pHFig. 3 pH and water immersed bulk densities of cold-waterlogged paddy fields with different distances from stony open deep-narrow drainage ditches

2.2 石砌深窄溝改造對冷浸田土壤化學特性的影響

2.2.1 對冷浸田土壤還原性指標的影響 冷浸田經過石砌深窄溝改造后，對土壤還原性物質總量等指標均有顯著影響(圖 4)。氧化還原電位(Eh)是反映土壤中氧化還原狀況的強度指標。與CK相比，石砌深窄溝改造后0 ~ 25 m位點土壤Eh均顯著提高，提高幅度為288.2% ~ 323.4%。與CK相比，不同離溝距離的土壤還原性物質總量均顯著降低，且離溝越近下降幅度越大。離溝距離10 m內土壤Fe2+含量顯著低于CK，5 m位點Fe2+含量顯著低于10 m位點，離溝距離5 m內土壤Mn2+含量顯著低于CK，其余位點Fe2+、Mn2+含量差異不顯著。

圖4 不同離溝距離冷浸田土壤Eh與還原性物質含量Fig. 4 Redox potentials and soil reducing substances contents of cold-waterlogged paddy fields with different distances from stony open deep-narrow drainage ditches

2.2.2 對冷浸田土壤有機質及速效養(yǎng)分含量的影響 冷浸田由于長期漬水，有機質礦化緩慢，因此造成土壤有機質的積累。從圖5來看，冷浸田經過石砌深窄溝改造后，與CK相比，0 ~ 25 m位點土壤有機質含量呈總體下降趨勢，下降幅度為10.8% ~ 22.5%。但0 ~ 25m位點土壤有機質含量差異不明顯。

冷浸田改造可顯著提高土壤堿解氮、速效鉀的含量(圖5)。0 ~ 25 m位點土壤堿解氮、速效鉀含量分別較CK提高39.7% ~ 53.9%、16.1% ~ 83.7%，其中堿解氮與CK有顯著差異，速效鉀除25 m位點外，與CK差異顯著。從有效磷含量來看，開溝排水有提高有效磷含量的趨勢，但與CK差異不顯著。

2.2.3 對冷浸田土壤微生物生物量碳氮含量的影響 冷浸田經石砌深窄溝改造后土壤微生物生物量碳、氮含量顯著提高(圖6)。與CK相比，0 ~ 25 m位點土壤微生物生物量碳、氮分別提高 66.0% ~ 99.0%、77.0% ~ 275.1%，其中均以15 m位點含量最高。由于土壤微生物生物量碳、氮均是土壤活性有機碳的重要組成，二者增加反映了冷浸田長期開溝排水有利于增強微生物活性，從而促進了有機質礦化，農田生產力正向高產方向演化。

圖5 不同離溝距離冷浸田土壤有機質與速效養(yǎng)分含量Fig. 5 Organic matter and available soil nutrients contents of cold-waterlogged paddy fields with different distances from stony open deep-narrow drainage ditches

圖6 不同離溝距離冷浸田土壤微生物生物量碳、氮含量Fig. 6 Microbial biomass carbon and nitrogen contents of cold-waterlogged paddy fields with different distances from stony open deep-narrow drainage ditches

2.3 石砌深窄溝改造對冷浸田水稻產量的影響

從圖7可以看出，冷浸田經過長期深窄溝排水，0 ~ 25 m各位點水稻籽粒產量較CK提高6.6% ~ 20.7%，差異均顯著。且距溝越近，產量越高，其中5 m位點水稻產量顯著高于其余位點。將水稻產量與離溝距離擬合方程后發(fā)現，二者呈極顯著負指數關系(y=566.6e(0.764/x)，R2=0.99**)，表明冷浸田經過石砌深窄溝長期改造后可顯著提高作物產量，即使離溝較遠的25 m位點。

圖7 不同離溝距離冷浸田水稻產量Fig. 7 Rice yields of cold-waterlogged paddy fields with different distances from stony open deep-narrow drainage ditches

2.4 冷浸田土壤理化特性與產量的關系

表1顯示，水分與土壤還原性指標Eh、還原性物質總量、Fe2+、Mn2+含量呈顯著的正相關。土壤pH與土壤還原狀態(tài)性指標還原性物質總量、Fe2+、Mn2+含量均呈極顯著正相關，而與產量呈顯著負相關；土壤速效鉀含量與Eh呈顯著正相關，而與還原性物質總量呈顯著負相關，土壤有機磷含量與Fe2+、 Mn2+呈顯著負相關。從產量關聯因子來看，產量與pH呈極顯著負相關，與土壤有效磷呈顯著正相關，而與土壤還原性物質總量、Fe2+、Mn2+還原性指標呈顯著的負相關。上述說明，對特定的冷浸田而言，土壤有效磷、速效鉀含量與還原性物質呈彼消此長的關系，而土壤還原強度大小與有效磷含量均是影響水稻產量的主要因素。

表1 土壤理化性質與產量間相關性Table 1 Correlation coefficients between soil chemical characteristics and rice yields

3 討論

3.1 石砌深窄溝改造長期排水對冷浸田土壤環(huán)境的影響及工程借鑒

冷浸田在長期漬水條件下土壤中的氧氣逐漸被消耗掉，在強烈的厭氧環(huán)境下，還原性物質如S2–、Fe2+、Mn2+以及有機酸等在土壤中大量累積，使冷浸田土壤產生毒害[8,11]。本課題組前期研究結果表明[12]，冷浸田經過長期深窄溝排漬可降低地下水位，離溝越近常年平均地下水位越低，地下水位變幅也越大，土壤干濕交替較為明顯。從本研究結果來看，冷浸田經過石砌深窄溝改造后，離溝較近的位點，由于地下水位降低，使得土壤水分含量下降，土壤通氣狀況得到明顯改善，因此氧化還原電位顯著提高，一部份土壤Fe2+、Mn2+還原性物質通過氧化沉淀，這可通過離溝較近位點土體銹紋、銹斑明顯得到證實[12]，另一部分還原性物質隨著水分通過石砌的縫隙而逐漸排除，從而提高了土壤耕性條件，生產力水平隨之提升，這與以往研究結果相一致[3,5,13]。進一步研究表明，0 ~ 25 m位點土壤質量含水量與離溝距離二者間呈極顯著對數關系(圖 1)，表明隨著離溝距離的增加，石砌深窄溝改造對冷浸田土壤水分的影響效果在減弱，而土壤水分是影響冷浸田還原狀況的首要因素，因此土壤還原性物質也隨著離溝距離的增加其削減效果在逐漸減弱。綜合分析，離溝20 m范圍內改造效果較好，離溝15 m內尤為明顯，可實現機耕。石砌深窄溝改造冷浸田可為當前開溝布局與溝渠工程結構提供供鑒，如本研究表明，一條深窄溝可管控溝兩側15 ~ 20 m的有效距離，這可為區(qū)域冷浸田開溝工程的溝渠密度提供依據。值得一提的是，隨著當前拋荒山壟田復墾改造的興起，水泥砂漿砌面多數替代了傳統(tǒng)的石砌深溝工程，但從石砌溝得到的借鑒是應該在工程設計時預留有充足的排漬洞口，使溝渠兼具排泄與排漬的功能。但石砌深窄溝通過孔隙排漬降潛的機理還有待進一步研究。

3.2 石砌深窄溝改造對土壤理化、生化過程及產量的影響

有研究表明[14]，土壤在淹水厭氧條件下部分NO3–-N會發(fā)生反硝化作用，能夠在一定程度上提高土壤pH，而在好氣條件下，易于NH-N的硝化作用和NO3–-N的淋失，導致土壤酸化。冷浸田經過石砌深窄溝改造后土壤水分含量顯著下降，因此在干濕交替環(huán)境下土壤易產生硝化過程而導致pH下降，從水分與土壤pH呈極顯著正相關也可看出水分變化對土壤pH的影響。

土壤水分狀況通過導致土壤通氣狀況、pH和可溶性物質數量的變化，調節(jié)微生物活性，促進或抑制有機碳的分解，改變土壤有機碳的組分分布，進而影響土壤的理化和生物學性質[15]。冷浸田類水稻土有機質含量高，但由于土壤水分過多，長期處于嫌氣分解條件，微生物活動力弱，分解轉化緩慢，有機質礦化率低，導致土壤有效養(yǎng)分貧乏[16–17]，屬典型的“高肥低效型”土壤。而冷浸田經過石砌深窄溝改造后，干化過程土壤膠體表面的有機質碎裂，增大了暴露面，易被微生物所分解；在復水的初期，裂隙面尚未完全密合之前，可使銨化作用加強，因而土壤在干濕交替環(huán)境下有利于促進土壤有機質礦化，并提高土壤微生物生物量碳、氮活性，使得礦質養(yǎng)分得到不同程度提高，這與以往干濕交替提高農田生產力的研究結果一致[18–20]。本研究也進一步顯示，微生物生物量碳、氮最高值區(qū)分布在離溝15 m位點，顯示對冷浸田微生物而言，開溝排水干化過度可能不利于微生物繁殖活動。劉艷麗等[21]研究表明在干濕交替條件下土壤有機質的礦化與微生物數量、土壤pH等之間的相互作用關系復雜，因此不同水分條件下土壤有機質及礦質養(yǎng)分等變化趨勢還有待于進一步研究。

冷浸田在特殊的環(huán)境下，影響作物產量因子與非冷浸稻田有明顯差異?，F有研究表明非冷浸稻田水稻產量與土壤有機質、速效養(yǎng)分以及微生物活性呈顯著正相關關系[22–24]。從本研究結果看，養(yǎng)分含量與產量的相關性僅土壤有效磷與水稻產量有顯著正相關，而冷浸田的還原性物質與產量均有顯著負相關。說明對冷浸田而言，傳統(tǒng)的有機質因子并非限制因素，改良的首要是削減還原性物質，在此基礎上，再提升土壤有效養(yǎng)分、改善土壤結構與土體結型，促進地力進一步提升。從產量與離溝距離呈極顯著負指數關系也可看出，通過石砌深窄溝改造冷浸田影響范圍具有空間局限性。從綜合改造效果來看，離溝0 ~ 20 m范圍內土壤養(yǎng)分含量較對照提高幅度大，土壤障礙因子含量下降較多，改造效果較為明顯。

另值得一提的是，雖然起壟、簡易開溝排水等措施可提高冷浸田水稻產量，但有研究表明冷浸田在單季很難顯著降低土壤還原性物質含量和改變土壤氧化還原狀況[5,13]，而起壟栽培等耕作方式在下季種植水稻還需重新起壟，土壤還原狀況難以根本改變，且花工較大，從長遠來看，在經濟條件允許情況下冷浸田改造還是以開深溝排水的水利措施為根本途徑。當然，開溝工程擠占部分耕地資源，可結合暗管對明溝工程作進一步優(yōu)化。此外，我國南方水稻受害的Fe2+臨界濃度是50 ~ 100 mg/L[25]。從本研究來看，冷浸田經過改造后Fe2+濃度有不同程度降低，但僅離溝5 m內 Fe2+濃度未超過臨界值，因此在工程改造的基礎上配合適宜的農藝措施抑制土壤鐵的毒害，如水旱輪作、增施磷、鉀肥等，才有助于最大提升改造效果。

4 結論

1) 冷浸田經過石砌深窄溝改造后提高土壤 Eh值，降低土壤水分，降低土壤還原性物質總量、Fe2+、Mn2+等含量，耕性得到明顯改善。在離溝距離25 m范圍內趨勢表現為離溝越近，變幅越大。

2) 開溝降低土壤pH，促進土壤有機質礦化，土壤微生物活性增強，土壤有效養(yǎng)分含量提高。開溝在25 m范圍內作物產量可提高6.6% ~ 20.7%，且離溝越近增幅越大。冷浸田還原性物質含量與作物產量呈極顯著負相關。從綜合改造效果看，距溝15 ~ 20 m以內對土壤理化改良與產量提升效果較為明顯。

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Effects of Long-term Deep-narrow Drainage Ditches on Degleyfication Characteristics of Cold-waterlogged Paddy Soil and Rice Yield

LIN Cheng1, LI Qinghua1, WANG Fei1*, LIU Qipeng2, LIN Lihong2, HE Chunmei1, ZHONG Shaojie1
(1Institute of Soil and Fertilizer,Fujian Academy of Agricultural Sciences,Fuzhou350013,China; 2Shunchang Soil and Fertilizer Station,Shunchang,Fujian353200,China)

Cold-waterlogged paddy fields across Jiangnan rice-growing regions belong to low-yield paddy fields. Deep-narrow drainage is beneficial for such fields in improving grain yield. In this paper, the effects of long-term deep-narrow drainage on the characteristics of cold-waterlogged paddy soil and the yield of rice were studied, using a 30-year investigation system in Shunchang County, Fujian Province. The results showed that compared with the typical cold-waterlogged paddy soil (more than 75 m distance from drainage), the soil Eh was increased by 288.2%–323.4% in long-term deep-narrow drainage paddy soil (within 25 m distance from drainage). And the water contents were decreased by 7.5%–36.2% and the concentrations of total reducing agents, Fe2+and Mn2+were decreased by deep-narrow drainage. The pH, MBC and MBN contents were increased by 0.13–0.69, 66.0%–99.0% and 77.0%–275.1% respectively in paddy soils within 25 m distance from deep-narrow drainage, the nutrient availability and soil tilth were improved and then the agricultural machinery could work in the field within 25 m distance from drainage. The intensity of soil reduction is one of the key elements for crop growth in cold-waterlogged paddy fields. The mineralization of soil organic matter and the activity of soil microbe were improved by drainage and then crop yields were increased by 6.6%–20.7%, and the increasing range of yield was decreased with the distance increasing from drainage. In a word, there was a significant positive impact of deep-narrow drainage within 25 m distance on the characteristics of cold-waterlogged paddy soil and the yield of crop.

Deep-narrow drainage ditch; Cold-waterlogged paddy field; Reducing agents; Degleyfication; Rice yield

S156；S278

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.013

公益性(農業(yè))行業(yè)專項(201003059-08)和福建公益類科研院所基本科研專項(2015R1022-5；2016R1021-2)資助。

* 通訊作者(fjwangfei@163.com)

林誠(1981—)，男，福建永泰人，碩士，助理研究員，主要從事植物營養(yǎng)與肥料研究。E-mail：linchengox@163.com