葉昌 黃秀 褚光 徐春梅 陳松 章秀福 王丹英

（中國水稻研究所/水稻生物學(xué)國家重點實驗室，杭州 311400；*通訊作者：wangdanying＠caas.cn）

土壤是作物生長的基礎(chǔ)，既為作物的形態(tài)建成提供支撐，又為作物生長發(fā)育供給養(yǎng)分。依據(jù)直徑可將土壤顆粒劃分為石礫、砂粒、粉粒、粘粒等不同的粒級。土壤質(zhì)地是各個粒級成土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，反映了土壤的機(jī)械組成，是土壤物理性質(zhì)之一。土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)有國際制、美國制、卡慶斯基制（前蘇聯(lián)制）和中國制等。目前，我國研究學(xué)者在土壤質(zhì)地相關(guān)研究中多以美國制為標(biāo)準(zhǔn)。美國制的質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)用等邊三角形（圖1）將土壤分為砂土、壤土、粘壤土和粘土4組，其下又分12級類[1-2]。圖1中3個頂點分別代表100%的砂粒（0.05～2 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm） 及粘粒（＜0.002 mm）。

1 土壤質(zhì)地與土壤肥力的關(guān)系

土壤肥力是土壤為植物生長供應(yīng)和協(xié)調(diào)養(yǎng)分、水分、空氣和熱量的能力，也是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合反應(yīng)。土壤質(zhì)地對土壤養(yǎng)分含量、蓄水導(dǎo)水、保肥供肥、保溫導(dǎo)熱、耕性、微生物種類及其活動等性能起著重要的影響[3]。

土壤質(zhì)地對土壤物理屬性的影響主要表現(xiàn)在土壤通氣性、入滲特性、吸水和持水能力，以及導(dǎo)熱和保溫性上。1）土壤通氣性：與土壤中大孔隙的數(shù)量、比例和含水量有關(guān)[4]。在不同質(zhì)地的土壤類型中，砂土的大孔隙數(shù)量最多。陳家軍等[5]對不同粒徑的砂土進(jìn)行模擬土柱導(dǎo)氣實驗表明，粒徑越大導(dǎo)氣系數(shù)越大。但朱敏等[6]卻認(rèn)為，壤土由于具有較多的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)氣能力高于砂質(zhì)壤土。2）土壤入滲性：從砂土、壤土到粘土，隨著土壤成土顆粒粒徑的減小，土壤孔隙減少，水分的滲入速度逐漸變緩，飽和入滲時長增加，田間持水量遞增[7]。3）土壤導(dǎo)熱和保溫性：土壤質(zhì)地越粗，土壤孔隙度越高，導(dǎo)熱率越大，且隨水分含量變化的幅度也越大[8]，而質(zhì)地較輕的土壤熱量傳遞速度較慢[9]。正是因為砂土導(dǎo)熱率較大，土壤晝夜溫差較大，而粘土土溫則變化緩慢，晝夜溫差較小。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，農(nóng)民習(xí)慣將砂土與粘土分別稱呼為“熱性土”和“冷性土”。

圖1 美國制土壤質(zhì)地分類三角坐標(biāo)圖

不同質(zhì)地土壤的養(yǎng)分含量存在很大差異。首先，不同粒徑土壤顆粒的主要礦物類型不同。粒徑較粗的砂粒與粉粒以穩(wěn)定性較強(qiáng)原生礦物為主，多為石英與原生硅酸鹽礦物，富含的常量元素與微量元素需經(jīng)風(fēng)化作用釋放后才能供植物吸收利用；而粘粒中則以顆粒較細(xì)的次生礦物為主[9]，主要是簡單鹽、次生氧化物與次生鋁硅酸鹽，其礦質(zhì)元素更利于植物吸收利用。其次，土壤次生礦物具有一定的膠體特性，對土壤養(yǎng)分具有一定的吸附能力。由于壤質(zhì)土壤中具有膠體吸附性的粘粒含量相對較高，其對于營養(yǎng)元素的吸附速率與飽和點都遠(yuǎn)高于砂質(zhì)土壤[10]。此外，不同質(zhì)地土壤由于吸附性、通透性和保溫保水等物理性質(zhì)的差異，又導(dǎo)致有機(jī)和無機(jī)肥料在土壤中固定、轉(zhuǎn)化和流失的差異。土壤粘粒之間通透性較差，有利于土壤水、肥、熱的儲積，且粘粒有利于土壤微團(tuán)聚體的形成，能有效地固定有機(jī)質(zhì)[11]，通常土壤有機(jī)質(zhì)含量隨質(zhì)地粘重程度增加而增加[12]。研究表明，土壤氮素有95%以上存在于有機(jī)物質(zhì)中[13]，同時，由于砂性土壤的硝化作用及硝態(tài)氮的運(yùn)移深度遠(yuǎn)大于粘質(zhì)土壤[14]，更易形成氮的淋失，砂性土壤的堿解氮和全氮含量極顯著低于其他質(zhì)地土壤[15]。

不同質(zhì)地的土壤會直接或間接影響土壤中微生物的數(shù)量和酶活性[16]。研究表明，土壤微生物數(shù)量和活性與土壤粘粒含量具有相關(guān)性[17]，粘粒含量較高的土壤水分含量相對穩(wěn)定，土壤中有機(jī)質(zhì)含量相對較高且保存完整，故粘粒含量較高的土壤中微生物的數(shù)量及活性也相對較高[18]。土壤中的酶主要來源于植物根系分泌物與微生物[19]。研究表明，粘粒含量較高的土壤的磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性相對較高[17]。李潮海等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在不同質(zhì)地的土壤中玉米根際的酶活性，在播種前期脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶及轉(zhuǎn)化酶的活性都呈現(xiàn)出重壤＞中壤＞砂壤的趨勢；而在玉米的關(guān)鍵生育期各種酶活性發(fā)生變化，表現(xiàn)為中壤＞重壤＞砂壤。

2 土壤質(zhì)地對作物生長和產(chǎn)量形成的影響

土壤是植物根系生長的直接環(huán)境，其養(yǎng)分狀況和理化性質(zhì)都會對作物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響[20]。首先土壤空氣不僅提供作物根系生長發(fā)育時呼吸所需的氧氣，也間接影響著植物根際土壤中的氧化還原作用和微生物的種群及活性等變化[21]。土壤微生物能不僅直接參與土壤有機(jī)質(zhì)分解、氮素轉(zhuǎn)化等養(yǎng)分循環(huán)和土壤結(jié)構(gòu)的維持，而且能夠?qū)χ参锏纳L發(fā)育進(jìn)行調(diào)節(jié)，并抑制病害微生物的生長[22-23]。其次，土壤機(jī)械阻力能夠影響作物的根系生長。砂粒含量較多的土壤，土壤孔隙度大，作物根系生長的機(jī)械阻力較小，根系發(fā)育更快，在前期生長迅速，根系在土壤中分布更為廣泛，但由于沙質(zhì)土壤的保肥能力相對較差，在生育后期根系缺乏充足的營養(yǎng)供給，根系衰減速度也快，進(jìn)而導(dǎo)致植株早衰；而在粘度較大的粘質(zhì)土中，根系生長緩慢，根系在穿過土壤顆粒較小的輕粘土?xí)r所遇到的阻力較大，下扎難度更大，導(dǎo)致根系分布土層較淺，根系直徑和彎曲度更大[24]。馬革新[25]對不同質(zhì)地滴灌棉花根系生長狀況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在生育前期棉花根長密度在沙土中最大，但在生育后期的下降勢顯著大于壤土和粘土。相關(guān)研究表明，土壤氧的擴(kuò)散、非毛管孔隙與植物產(chǎn)量呈線性正相關(guān)[26]。王忠孝[27]的研究結(jié)果也表明，在較高的施肥水平下，土壤氧氣狀況是土壤生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的主要限制因子。

目前在小麥、玉米和煙草上開展的土壤質(zhì)地與作物生長發(fā)育的相關(guān)研究表明，壤質(zhì)土最有利于小麥產(chǎn)量的形成[28]，在中壤與重壤上具有更高的產(chǎn)量[29-30]。壤質(zhì)土壤具有良好的水氣狀況，土溫相對穩(wěn)定，基礎(chǔ)肥力水平較高，有利于作物苗期的生長和分蘗的發(fā)生，且土壤肥力持久，分蘗生長的所需營養(yǎng)供給相對充足，更利于小麥高產(chǎn)群體結(jié)構(gòu)的形成。在灌漿后期，沙質(zhì)土壤小麥葉面積指數(shù)與葉片光合速率下降迅速，葉片功能期和籽粒灌漿期相對較短，籽粒產(chǎn)量的形成主要依靠前期所積累的干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，而壤質(zhì)土與粘質(zhì)土在灌漿后期葉片衰老緩慢，后期持續(xù)的養(yǎng)分供給能夠促進(jìn)籽粒蛋白含量的合成與產(chǎn)量的積累[31]。研究表明，在一定范圍內(nèi)，小麥籽粒蛋白含量隨土壤質(zhì)地由砂變粘逐漸升高，但當(dāng)質(zhì)地過粘時蛋白含量又有所降低[32]。這主要是由于粘質(zhì)土壤中的粘粒和微團(tuán)聚體對肥料元素吸附能力和豐富的微生物對營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化能力較強(qiáng)，在作物灌漿期粘質(zhì)土壤仍然能夠持續(xù)的為作物提供所需的養(yǎng)分，有利于籽粒蛋白質(zhì)的合成。但當(dāng)土壤粘粒含量過高時，土壤透水性和透氣性受到影響，土壤中微生物群落的正常生命活動受到抑制，不利于作物根系對養(yǎng)分的吸收，反而會導(dǎo)致籽粒蛋白質(zhì)含量的降低。棉花在壤質(zhì)土中具有較高的成鈴數(shù)和鈴重，籽棉和皮棉產(chǎn)量相對較高，砂壤土更有利于棉花根系的建成，較高的氮素利用能力更利于產(chǎn)量的形成[33]。在砂質(zhì)土中棉花易出現(xiàn)早衰，導(dǎo)致中上部成鈴數(shù)和鈴重降低；而粘質(zhì)土低溫回升緩慢，水肥供應(yīng)不及時，從而易導(dǎo)致下部果枝成鈴數(shù)的降低[34]。煙葉是以葉片為收獲產(chǎn)物，其產(chǎn)量與土壤中的粘粒呈極顯著負(fù)相關(guān)，在砂質(zhì)土下的產(chǎn)量和氮肥利用效率都顯著高于其他類型土壤[35]。熊杰等[36]探究土壤質(zhì)地對玉米產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量表現(xiàn)為砂質(zhì)粘壤土＞砂質(zhì)壤土＞砂土。林超等[37]認(rèn)為，這主要是由單穗粒重和千粒重的變化引起。楊青華等[38]的研究也表明，粘重的土壤更利于玉米產(chǎn)量的形成。在水稻上，廖莉莉等[39]研究表明，沙土水稻的結(jié)實率隨施肥水平的升高而升高，而粘土則呈現(xiàn)降低趨勢；唐海明等[40]認(rèn)為，在南方稻作區(qū)黃泥田的水稻產(chǎn)量最高；邱才飛等[41]認(rèn)為，在江西省相較于紅壤土，沖積土種植水稻具有更高的產(chǎn)量與氮肥利用效率。

3 土壤質(zhì)地對作物養(yǎng)分吸收與利用的影響

土壤作為作物生長所需養(yǎng)分供應(yīng)源之一，其氮素供應(yīng)所占比例甚至能夠高于肥料供應(yīng)所占比例，可達(dá)到42.5%～74.7%[42]。水稻每季從土壤中吸收的N在熱帶地區(qū)為 35～95 kg/hm2，溫帶為 32～91 kg/hm2[43]，在我國南方灌溉稻田，稻田土壤供氮量可達(dá)50～116 kg/（hm2·季），約0.6～0.9 kg/（hm2·d）[44]。研究表明，肥力較低的砂質(zhì)土的基礎(chǔ)產(chǎn)量遠(yuǎn)低于其他土壤，且沙質(zhì)土到達(dá)最高產(chǎn)量所需的施氮量高于其他質(zhì)地的土壤[45]。熊淑萍[28]針對不同土壤小麥氮肥利用效率研究指出，氮肥當(dāng)季利用效率表現(xiàn)為壤土＞粘土＞沙土，而氮肥生理效率和氮收獲指數(shù)則表現(xiàn)為沙土＞壤土＞粘土。羅新寧等[33]也得出相似結(jié)論，在砂壤土中棉花對氮素具有較高的吸收利用效率。砂質(zhì)土壤中由于粘粒的缺乏，土壤微團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體相對較少，不利于土壤對氮肥的吸收與固定，氮素更易淋溶損失，且不同土層氮素分布不均，進(jìn)而導(dǎo)致砂質(zhì)土壤的氮肥當(dāng)季利用效率偏低[46]。在粘質(zhì)土中毛管孔隙較少，灌溉水難以下滲，致使犁底層易形成上層滯水，不利于作物根系的生長，且由于粘質(zhì)土壤的孔隙易被水所占據(jù)，好氣性微生物的活動受到抑制更易影響作物根系的下扎[33]，而在砂質(zhì)土壤與之相反，作物的根系能夠下扎到更深的土層中，發(fā)達(dá)的根系結(jié)構(gòu)導(dǎo)致砂質(zhì)土壤的氮素生理利用效率高于粘質(zhì)土壤。不同土壤質(zhì)地也會對植株氮素積累和分配產(chǎn)生影響，小麥在壤土中氮素積累量和氮素再分配量最高，但在砂土中氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)效率最高，花前氮素再分配對籽粒氮素的貢獻(xiàn)率高達(dá) 82.5%～95.8%[47]。

4 水稻因土質(zhì)高效施肥方法的探討

土壤既是作物賴以生存的基質(zhì)，又是作物生長發(fā)育所需養(yǎng)分的主要來源。我國幅員遼闊，地形與氣候條件復(fù)雜，土壤成土母質(zhì)與形成過程的多元化，以及不同地域農(nóng)民差異化的種植習(xí)慣，導(dǎo)致了我國土壤狀態(tài)的多元化。不同土壤的養(yǎng)分含量、理化性質(zhì)以及對作物生長的影響各不相同，對于如何協(xié)調(diào)好作物、土壤和肥料三者的關(guān)系，提高水稻產(chǎn)量和肥料利用效率，我國科研工作者展開了大量研究，也提出了許多切實可行的方法，其中應(yīng)用面積最廣、影響最大的是測土配方施肥技術(shù)。

測土配方施肥以土壤養(yǎng)分含量測試和肥料田間試驗為基礎(chǔ)，根據(jù)土壤供肥性能、作物需肥規(guī)律和肥料效應(yīng)，在合理施用有機(jī)肥的基礎(chǔ)上，提出氮磷鉀和中微量養(yǎng)分的適宜比例、用量以及相應(yīng)的施用技術(shù)。其主要包含測土、配方和合理施肥三個部分。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2005年開始啟動“測土配方施肥試點補(bǔ)貼資金項目”，2013年發(fā)布了由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部測土配方施肥專家組以“大配方、小調(diào)整”為技術(shù)思路研究制定的《小麥、玉米、水稻3大糧食作物大配方與施肥建議（2013）》，提出了3大糧食作物的14大配方。該建議將我國水稻主產(chǎn)區(qū)分為5個大區(qū)，即東北單季稻區(qū)、長江流域單雙季稻區(qū)、江南華南單雙季稻區(qū)、西南高原山地單季稻區(qū)和其他稻區(qū)。根據(jù)大區(qū)內(nèi)的氣候條件、栽培條件和土壤條件進(jìn)一步細(xì)分為9個亞區(qū)。在配方設(shè)計上，依據(jù)區(qū)域內(nèi)土壤養(yǎng)分供應(yīng)特征、作物需肥規(guī)律和肥效反應(yīng)，結(jié)合“氮素總量控制、分期調(diào)控，磷肥衡量監(jiān)控，鉀肥肥效反應(yīng)”的推薦施肥基本原則，提出了推薦配方和施肥建議（表1）。據(jù)統(tǒng)計，區(qū)域大配方對我國水稻種植面積的覆蓋率達(dá)到了98.6%，有效地降低了水稻生產(chǎn)的肥料用量，促進(jìn)了節(jié)本增效。

然而，測土配方技術(shù)也存在明顯的不足之處，除了眾所周知的測土部分需要專業(yè)的技術(shù)人員及配套的設(shè)備、配方肥料的成本相對較高外，測土配方技術(shù)在測定土壤養(yǎng)分含量的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)和重視的是肥料配比和施用量，而忽視了不同質(zhì)地土壤間施用方法的差異。即使在田間試驗中，也只是通過采用單因素、二因素或多因素的多水平回歸設(shè)計，求得產(chǎn)量與施肥量之間的肥料效應(yīng)方程式，計算出經(jīng)濟(jì)施肥量的范圍，并未考慮根據(jù)不同土壤對肥料的固定、轉(zhuǎn)化的差異，而這對肥料的利用和流失的影響很大。

在實際生產(chǎn)活動中，砂質(zhì)土壤作物易早生快發(fā)，但在生育后期易出現(xiàn)早衰的跡象。因此砂質(zhì)土壤在生產(chǎn)過程中應(yīng)該注重作物生育后期的養(yǎng)分補(bǔ)給，在化肥施用時應(yīng)該強(qiáng)調(diào)“少量多次”的施肥原則，且要施用淋溶性小的肥料。而粘質(zhì)土土壤粘重，土壤保肥性能較強(qiáng)，土壤養(yǎng)分不易流失，施肥后肥效緩慢，故追肥的施用時期可以適當(dāng)提前，氮肥施用量不宜過多，防止后期肥效過強(qiáng)而導(dǎo)致貪青晚熟。壤土是介于砂土與粘土之間的土壤質(zhì)地類別，兼具了二者的優(yōu)點，土壤具有良好的透水透氣性，保水保肥能力也相對較強(qiáng)，是較為理想的耕作土壤質(zhì)地類型。

表1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部推薦的水稻施肥配方[48]

一般認(rèn)為，含20%～30%粘粒的土壤適宜水稻的生長[49]，但其中又可分為沙壤、中壤和粘壤等類型，偏沙和偏粘的水稻土對肥料用量的需求不同，施肥方法也存在差異。因此，在測土配方確定肥料用量和肥料配比的基礎(chǔ)上，若能根據(jù)水稻田的土壤質(zhì)地，在施肥方法上給予指導(dǎo)和建議，必能進(jìn)一步提高肥料利用效率，減少肥料的流失，促進(jìn)水稻的增產(chǎn)增效。

綜上所述，土壤質(zhì)地不僅能夠代表土壤的基礎(chǔ)肥力，而且對作物的養(yǎng)分吸收、固定與轉(zhuǎn)化利用也存在較大影響，提高水稻生產(chǎn)的肥料利用效率，促進(jìn)水稻的增產(chǎn)增效，應(yīng)綜合考慮不同區(qū)域田塊的肥料用量、肥料配比和施用方法。探討不同質(zhì)地土壤的肥料固定、轉(zhuǎn)化和流失差異，研究水稻生產(chǎn)中依據(jù)稻田土壤質(zhì)地的肥料高效施用方法，不僅對水稻的節(jié)本高效栽培具有重要意義，對于減少面源污染，培肥和改良土壤均具有重要意義。