水稻土是关乎我国粮食安全的重要土壤资源。据统计，2011 年我国稻谷种植面积占全国粮食作物总面积的22%，产量占粮食总产量的28%。根据全国水稻平均产量及参考我国耕地地力等级划分标准，将单季水稻平均产量低于6000 kg/hm2 划分为低产水稻土。因环境条件不良或自身存在的障碍因素，我国低产水稻土面积约7.67×106 hm2，占水稻土总面积的32%。
我国当前耕地后备资源极端缺乏，改良低产田是提高我国粮食综合生产能力，保证国家粮食安全的重要途径之一。低产水稻土面积大、分布广，其肥力特征与改良技术研究比较零散，没有形成系统的理论和应用体系，缺乏科学的调控管理策略。为此，本文从低产水稻土的类型、改良研究新方法及其技术突破等方面入手对相关问题进行探讨。
1、低产水稻土类型及特点
我国低产水稻土类型复杂，按照其主导成因，大致可分为冷潜型、粘结型、沉板型和毒质型四类。
1) 冷潜型低产水稻土
面积约4×106 hm2，包括沿湖水网地区长期沤水的潜育化水稻土，以及冷浸田如烂泥田、冷水田、锈水田、鸭屎泥田等。潜育化水稻土还原性强，有机质积累，铁的活化和迁移损失明显，土壤团聚体易遭破坏，土壤粘闭，通气性能差; 冷浸田水稻土长期渍水，土壤温度低、还原性物质多，有机质和全氮含量高，土壤有效养分偏低。
2) 粘结型低产水稻土
面积约1.3×106 hm2，质地粘重、耕性发僵、土体粘结力大以及石灰含量逐渐增高。根据成土母质及其粘性程度不同可分为黄泥田、胶泥田和石灰泥田。该类水稻土土体粘粒含量高，一般在30% 以上；结构不良，耕性差; 有机质含量低，供肥保肥能力差。
3) 沉板型低产水稻土
沉板型低产水稻土是指土壤质地过砂或粗粉粒含量过高的一类低产水稻土，面积约2×106～2.7×106 hm2。根据土壤的性状以及沉板的特点，可分为淀浆田、沉砂田和砂漏田，白土是典型的沉板型低产水稻土，其土壤粘粒含量低，水耕过程中，粗颗粒容易下沉，淀浆板结，土体紧实，土壤养分匮乏，保肥性能差。
4) 毒质型低产水稻土
毒质型低产水稻土是指土壤中含有的化学组成超过水稻适应的浓度，致使水稻生长受到毒害的一类低产水稻土，按其毒源可分为咸田、反酸田、重金属和矿毒田。咸田又称盐渍化水稻土，面积约为1.3×105 hm2，盐分含量在0.1%～1%之间，表层多在0.6% 以上，盐分组成以氯化钠为主。反酸田又称磺酸田，面积约1.0×105 hm2，其含有大量的硫化物，酸性强，土壤水溶液中硫酸铝含量高。矿毒田是由矿毒水污染而导致低产的水稻土，按矿毒水的成分不同可分为重金属污染稻田、硫磺田、锰毒田和炭浆水田。
2、低产水稻土评价与改良研究新方法
2.1 低产水稻土质量评价
土壤质量评价可以量化不同农田管理措施对土壤质量的影响，进而规范和改进土地利用方式及农田管理措施。国际上比较常用的土壤质量评价方法主要包括：土壤质量动力学法、土壤质量综合评分法、多变量指标克立格法、土壤相对质量评价法。目前有关水稻土质量评价的报道多局限于某一农田管理措施如长期施肥或不同土地利用方式对水稻土质量的影响，不能完全揭示区域尺度下不同生产力水稻土质量变化规律。同时我国水稻土质量评价研究虽已取得较大进展，但对低产水稻土关注则相对较少。
Yao 等对沿海区域典型盐土耕作区土壤质量评价表明，土壤有机质对作物产量产生显著影响，是盐土耕作区必不可少的土壤质量评价指标。Boluda 等研究指出准确的土壤质量评价需要大量土壤指标的测定分析。Qi 等和Lima 等研究表明，最小数据集能够代替全量数据集对稻田土壤质量进行准确评价，且节约时间，降低成本。Li 等对江西稻田土壤质量进行评价，并建立最小数据集；有机质、碱解氮、有效磷、缓效钾和砂粒。
Liu 等通过最小数据集法对我国南方黄泥田、反酸田和白土三大低产水稻土土壤质量状况进行研究，发现较低水平的全氮、速效钾和有效硅是黄泥田的限制因子; 较低水平的pH、有效硅和全氮是反酸田的限制因子; 较低水平的有机质、全氮、速效钾和pH 是白土的限制因子。
土壤质量指标包括土壤物理指标、化学指标和生物学指标，而当前土壤质量评价研究仍集中在土壤物理指标和化学指标，对土壤生物学指标的应用相对较少。由于土壤生物学指标对土壤质量变化反应灵敏，能够较好的区分不同农田管理措施效果。因此，在今后土壤质量研究尤其是低产水稻土质量评价方面要给予足够重视。
Romaniuk 等通过测定土壤微生物多样性揭示了有机和传统农业下土壤质量差异；Lima 等研究表明，在水稻土生态系统内，土壤生物学指标比理化指标更能灵敏地反映土壤质量变化。此外，在区域尺度上将模型和地理信息系统( GIS) 技术相结合是准确定位低产水稻土分布，综合评价土壤肥力差异的有效手段，如Obade 和Lal 将GEMS 模型与GIS 相结合用于研究不同区域尺度土壤碳储量，以表征土壤质量变化。
2.2 低产水稻土改良研究的新技术与新方法
现代分子生物学技术的发展，为我们研究低产水稻土改良的生物学过程提供了先进技术手段。目前，高通量测序技术在土壤微生物研究中得以广泛应用，它极大地降低了测序成本，实现了大规模的土壤微生物基因直接测序；基于第二代测序方法( NGS) 的土壤宏基因组学和宏转录组学，为研究人员提供了丰富的土壤微生物学信息，尤其是不同肥力水平下微生物功能多样性研究得到了不断的深入和发展。
宏基因组学研究结果表明，在土壤低氮条件下，水稻根系微生物组拥有更多的代谢氮、硫、铁和芳香族化合物的相关功能基因，以及更加丰富的伯克氏菌 、慢生根瘤菌、甲基弯曲菌。然而，宏基因组学以DNA 为研究对象，所得到的分析结果只能说明其具有某种潜在功能，并不能对相关功能基因是否表达给出明确结论。
宏转录组学的出现克服了宏基因组学不能对相关功能基因是否表达给出明确结论的短板，能将特定条件下的微生物群落与其功能联系起来，对土壤微生物发挥的实际作用给予准确地分析。
在有机污染土壤研究中，de Menezes 等首次利用宏转录组技术发现微生物重金属P－型ATP 酶和硫氧还蛋白与土壤多环芳烃胁迫关系密切。应用于实际生产中，宏基因组和宏转录组学的相关理论和进展则有利于我们优化微生物功能的执行效率、提高作物养分供给，并进一步减少能耗和对生态环境的负面影响。国外在土壤微生物组学方面已经开展了有力的研究，而我国还处于起步阶段，针对水稻土改良的相关研究国内外更是未见报道。
近年来，稳定性同位素探针技术( Stable Isotope Probing，SIP) 已成为揭示复杂土壤环境中重要微生物生理生态过程的有利工具之一。
Murase 等利用13C－SIP 技术发现13C 标记的水稻秸秆在稻田土壤中主要被Mortierella、Galactomyces、Syncephalis 等真菌分解利用；15N－SIP 研究表明，不同C/N 比秸秆能够显著诱导不同的微生物对其进行分解代谢，进而影响秸秆还田的降解过程。目前分子生态学技术与稳定同位素探针技术的结合，为我们原位研究水稻土改良下根际微生物效应提供了新的思路，该方法不仅可以准确地展示微生物多样性，而且能够综合地揭示根际微生物群落的生态功能。未来研究的重点应是土壤改良下根际碳沉积在根－微生物－土壤中的分配和调节机制，以及如何利用这一微生物学机制来提高水稻产量，实现农业可持续发展。
对于土壤改良的物理化学过程，研究人员已经开始大量引入傅里叶变换红外光谱法( FTIＲ) 和固相交叉极化魔角自旋13C 核磁共振( CPMS13C－NMＲ) 波谱技术，并已深入到土壤有机碳的微团聚体分布、腐殖质的转化及其与土壤矿物结合机制的微观水平。
Spaccini 等采用13C 稳定同位素结合CPMS－NMＲ 技术研究表明，玉米秸秆释放出来的新有机化合物能够被土壤腐殖质疏水组分所稳定，阐明了土壤原有腐殖质有利于新有机质积累的化学机理。
罗璐等采用FTIＲ 技术对我国长期施肥稻田土壤有机质结构分析后发现，长期施用有机肥或秸秆还田能显著增加稻田土壤化学抗性化合物( 脂族性、芳香族) 、碳水化合物以及有机硅化合物的官能团吸收强度，在一定程度上揭示了稻田土壤有机质积累的化学稳定机制；同时也说明了肥料长期定位试验在揭示稻田土壤肥力演变过程中的重要地位，其阐明改良措施的效果以及试验结论的确切性是短期试验所不能比拟。
3、低产水稻土改良与管理的技术突破
低产水稻土改良与管理的技术主要涉及到冷潜型、粘结型、沉板型、毒质型四大类低产水稻土的改良技术，以及水稻土养分管理技术。
3.1 冷潜型低产水稻土改良技术
还原性物质多、通气性差、土温低、供肥缓慢是冷潜型水稻土低产的主要原因。董稳军等研究表明，施用生物炭及脱硫灰等土壤改良剂可有效改善冷浸田土壤特性和水稻群体质量。徐富贤等通过研究川东南冬水田杂交中稻进一步高产技术，提出了稀植足肥促进扩“库”增“源”的高产栽培策略。紫娟娟等对我国冷浸田主要分布的7个省份土样分析表明，土壤pH 偏低、部分地区土壤速效磷和速效钾严重亏缺是影响我国冷浸田生产力的重要障碍因子。曹芬芳等研究指出选择适宜冷浸田的水稻品种，采用垄厢栽培方式有利于获得高产。同时采用“田”字型明沟排水措施也是改善冷浸田土壤理化性状和提高稻谷产量的重要措施之一。
3.2 粘结型低产水稻土改良技术
土壤熟化度低、有机质缺乏、酸性强及耕性不良是黄泥田低产的主要原因。冀建华等研究表明，长期有机无机肥料配施可增加黄泥田土壤全氮、有机质及微生物量，提高土壤质量和肥力；同时有机无机肥料配施也是红壤性稻田生产实践中的优推模式。王飞等研究表明紫云英翻压可明显提高单季稻区黄泥田的农田生产力; 王建红等研究进一步指出翻压紫云英鲜草60 t/hm2 时可获得较高的肥料利用率和水稻产量。长期秸秆还田能有效缓解不良农田管理措施对稻田生产力的负面影响，具有较好的稳产和增产效果。杨帆等研究发现稻田秸秆还田配施秸秆腐熟剂对稻田地力培肥和增产效果更为明显。因此，有机熟化技术是黄泥田改良的主要措施，而稻田秸秆腐熟菌剂的研究应给予足够重视。
3.3 沉板型低产水稻土改良技术
土壤质地过砂、淀浆板结、漏水漏肥、养分贫乏是造成沉板型水稻土低产的主要因素。其中，淀浆田的主要低产因素是淀浆板结，而沙漏田的主要低产因素是漏水漏肥。白土作为典型的沉板型低产水稻土近年来备受关注。王培燕等研究表明强烈的机械淋溶是漂白层形成的主要原因。汪建飞等研究发现施用有机物料可以提高土壤磷等养分有效性，提高白土的保水性能及生物活性。吴萍萍等研究表明逐年深耕结合施用有机肥或秸秆还田，有利于形成厚沃耕层，是白土改良的主要措施。
3.4 毒质型低产水稻土改良技术
酸度高、毒性强是反酸田最主要的限制因子。李伯欣等研究表明，筛选并种植耐酸水稻品种，是提高反酸田水稻产量的有效途径之一。易琼等研究表明，施用土壤改良剂能有效提高反酸田土壤pH 值和改善水稻长势，并指出钙镁磷肥及石灰等偏碱性且富含有效钙或磷的无机矿物质是农业生产中改良反酸田的适宜改良剂。
水稻控制灌溉技术是盐渍化稻田改良的主要措施之一。刘广明等研究表明，控制灌溉或控制灌溉加淋洗模式均能明显降低水稻生育期土壤含盐量。Peng 等研究发现，合理的钾肥种类及其配比和稻草覆盖，可有效降低水旱轮作制度下旱季作物生长期内土壤总盐分量。
重金属污染稻田土壤主要改良措施：1) 施用土壤改良剂。Liang 等研究表明，施用钢渣或炉渣等富硅物质均可有效降低稻田土壤重金属镉的生物有效性，降低稻谷镉含量。周歆等研究表明组配改良剂( 石灰石+ 海泡石) 对矿区重金属Pb、Cd、Cu和Zn 复合污染稻田有较好的修复效果。2) 植物修复。Yang 等研究发现东南景天可超富集Cd、Pb、Zn 等重金属，降低水稻土重金属含量。此外，Bolan 等研究表明增施有机肥也可降低污染水稻土中As、Cu 和Cr 的生物有效性，降低糙米中的重金属含量。
3.5 水稻土养分管理技术
稻田养分管理是低产水稻土改良和产量提升的重要方面。针对我国肥料利用率低、小农户经营为主体、作物种植茬口紧、测土施肥困难等难题，研究适用于没有土壤测试条件的作物推荐施肥方法，即基于水稻产量反应和农学效率的作物养分管理方法，是作物推荐施肥方法的重大变革和创新。
主要研究内容包括：
1) 水稻高产品种氮磷钾养分需求特征参数，基于田间多年多点试验的作物产量和氮磷钾养分吸收数据，应用QUEFTS 模型分析水稻现代高产品种养分需求特征参数，建立作物籽粒产量与养分需求之间的关系。
2) 土壤养分供应与肥料农学效率的量化关系，研究典型区域土壤基础养分供应特征，不同种类肥料养分供给与作物养分需求的同步协调机制，主要作物肥料农学效率及作物产量反应，建立土壤基础养分供应、肥料农学效率与作物产量反应的量化关系。
3) 农田养分协同优化原理与施肥模型，基于水稻最佳养分管理的“4Ｒ”( 最佳肥料种类、用量、时间、位置) 原理，以及秸秆还田、有机肥施用、土壤条件和作物生长环境( 温度和水分)等对施肥参数的校正，构建水稻养分协同优化的推荐施肥模型。该方法已在小麦和玉米上得到较好的验证。
4、未来研究策略
通过对低产水稻土改良和管理现状综合分析，未来研究策略如下:
1) 在低产水稻土质量评价方面，未来要结合不同低产类型的障碍因素开展个性化的土壤质量评价，如白土的质地和耕层厚度，冷泥田和潜育化水稻土亚铁和亚锰含量，黄泥田的团聚体以及反酸田的硫含量等； 加强引入土壤生物学指标进行土壤质量评价研究。
2) 在低产水稻土改良方面，要研究稻田障碍层次的形成机理与调控途径；研究其他低产类型如新垦水稻土、盐渍化水稻土、石灰化水稻土和污染水稻土的改良技术及改良制剂; 研究长期改良措施对不同粒级团聚体腐殖质结构、酶类、微生物多样性和功能基因的影响。
3) 在低产水稻土管理方面，①秸秆还田技术，研究机械化下的秸秆还田时期和还田量、秸秆还田的碳氮互作与氮肥运筹和秸秆腐熟剂研制等；②推荐施肥技术，重点研究基于水稻产量反应和农学效率的养分管理方法，水稻专用缓释肥等；③抗逆品种技术，加强耐酸品种、耐潜品种、氮磷钾养分高效品种的选育；④群体控制技术，重点研究氮磷钾肥用量与栽插密度的互作效应与机制，提出适宜的氮磷钾肥用量与栽插密度组合。
作者单位：刘占军1，2，艾超1，徐新朋1，张倩1，吕家珑2，周卫1 1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 2.西北农林科技大学资源环境学院
中国乡村发现网转自:《植物营养与肥料学报》2015 年02 期
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