水稻土的潛育化

水稻土的潛育化

土壤耕作是所有水土有機(jī)特征。潛育化過程(gleyprocess),也稱灰粘化作用或青泥化過程。它是指土壤受積滯水分的長(zhǎng)期浸漬,土體封閉于靜水狀態(tài)下,得不到通氣與氧化;同時(shí),在易分解的有機(jī)物還原影響下,使土壤及積滯水的Eh值下降,土壤礦質(zhì)中的Fe、Mn處于還原低價(jià)狀態(tài),土體顯青色或青黑色。土壤次生潛育化(soilsecondarygleization)是丘陵地區(qū)特殊地形引起地表暫時(shí)漬水造成的。水稻土(paddysoil)潛育化是一個(gè)嚴(yán)重的土壤退化(soildegradation)問題,據(jù)調(diào)查研究我國潛育化水稻土分布廣,在洞庭湖一帶約20%的水稻土發(fā)生了潛育化,江西、河北、江蘇、廣西等省市水稻土潛育化也相當(dāng)嚴(yán)重。潛育化水稻土主要特點(diǎn)是還原性物質(zhì)較多,重金屬移動(dòng)性增強(qiáng),生物活性降低,甲烷排放量增加,有不同厚度的青泥層,通氣性差,土溫低,供肥緩慢,易造成水稻秧苗發(fā)僵或坐蔸,每公頃產(chǎn)量比一般稻田低1500～2250kg。因此,本文就土壤潛育化的有關(guān)問題作一綜合討論,以期為控制水稻土潛育化的發(fā)展提供參考。1對(duì)有機(jī)及無機(jī)還原物質(zhì)的影響過去一般認(rèn)為潛育化過程是以鐵的還原作用為主的化學(xué)過程,隨著研究的不斷深入,至今已認(rèn)識(shí)到此過程是一個(gè)由生物化學(xué)過程和化學(xué)過程相互聯(lián)系,相互影響的復(fù)雜成土過程。土壤潛育化的必要條件是有充分水分和豐富有機(jī)質(zhì)(VonBrummerG,1973),有機(jī)質(zhì)易分解部分在淹水條件下被微生生物厭氣分解,土壤中大量氧消耗,形成土壤強(qiáng)還原條件,在還原條件下有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生有機(jī)和無機(jī)還原物質(zhì)及一系列中間產(chǎn)物。其中間產(chǎn)物(包括酸類、低分子量的碳水化合物、硫化物和酚類化合物等一系列物質(zhì))能影響土壤礦物如鐵、錳的溶解和活化,導(dǎo)致鐵、錳的淋失和SiO2的富集,也能與鐵、錳等形成水溶性絡(luò)合物。在鐵、錳活化的同時(shí),有SiO2和Al2O3的溶解和遷移及Ca、Mg和K等鹽基離子的變化,可伴有粘粒的損失,產(chǎn)生的粘土礦物蝕變導(dǎo)致土壤潛育化的原因是多方面的,它是自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果。現(xiàn)將這些因素對(duì)水稻土潛育化的影響分述如下。1.1沉積型水稻土土壤水位水是土壤潛育化的前提條件之一,因而沒有水土壤就不存在潛育化。潛育土類型不同,受水分類型影響也不盡相同,如潛育土與礦質(zhì)潛育土,主要受地下水影響,而假潛育土與滯水潛育土則主要受表潛水的影響(Schlichting,1973)。高的地下水位往往是導(dǎo)致水稻土潛育化的主要水文類型。地下水、地表水、降水、河水等幾方面綜合作用造成常年或季節(jié)性漬水也是水稻土潛育化的一個(gè)重要原因。土壤地下水位的高低與水稻土潛育化程度關(guān)系密切。據(jù)有關(guān)研究者對(duì)湖北省洪湖市國營小港農(nóng)場(chǎng)3種不同類型潛育化土壤地下水位觀察,地下水位越低,其潛育化程度越輕。如地下水位40～50cm,水稻土輕度潛育,剖面特征A-P-W-C且無Fe2+反應(yīng);地下水位10～50cm,水稻土中度潛育,剖面特征A-P-Wg-C且Fe2+反應(yīng)輕;地下水位小于30cm,水稻土重度潛育,剖面特征A-Pg-G且表層出現(xiàn)Fe2+反應(yīng),Fe2+含量多。造成土壤地下水位較高的原因是多方面的,如地勢(shì)低洼,圍湖墾殖,降水導(dǎo)致河水、湖泊水面上漲,水土流失河湖淤積導(dǎo)致河床抬高等。除此,長(zhǎng)年污水灌溉也會(huì)造成土壤潛育化,例如,長(zhǎng)期引用含硫化物煤井水灌溉形成的黃淦田;長(zhǎng)期引用紙廠、氮肥廠廢水灌溉形成的爛根田等。地貌對(duì)土壤潛育化的影響主要是通過對(duì)水文的影響來實(shí)現(xiàn)的。在南方丘陵山區(qū),處于丘陵、山體上部的水稻土,一般排水通暢,土壤很少發(fā)生潛育化;處于兩丘或兩山之間沖溝形成的溝槽田,溝坡形成的滂田,由于長(zhǎng)期受地表水(溝槽田)、地表水或側(cè)滲水(滂田)的作用,土壤多發(fā)生潛育化或沼澤化。溝谷的寬窄和比降對(duì)水稻土的潛育化也產(chǎn)生重要影響,比降小的寬谷,流水緩慢易滯水,往往導(dǎo)致土壤潛育化;而比降大的窄谷則很少出現(xiàn)潛育化現(xiàn)象。在平原區(qū),微地形的變化引起水稻土水型的變化十分明顯。在沿江一級(jí)階地的帶狀低槽以及與二級(jí)階地接壤的凹形低洼地帶或排水不暢的古河道,地下水位較高且常有地表水匯集,往往形成潛育性水稻土。除此,屯水田、魚塘、藕田等長(zhǎng)期受地表水影響的土壤也不可避免會(huì)發(fā)生潛育化或沼澤化。1.2對(duì)水稻水質(zhì)的影響富營養(yǎng)化(eutrophication)是指水體在演化過程中營養(yǎng)積累的過程,它伴隨著化學(xué)物質(zhì)生物組成和生物量的同步發(fā)展。據(jù)有關(guān)研究,在水體特別是淺水水體中放養(yǎng)魚類[12～15]、蝦類、蟹類有促進(jìn)富營養(yǎng)化的作用。稻田屬于一種淺水水體,因而長(zhǎng)期稻田養(yǎng)魚、蝦、蟹等能夠?qū)е滤w的富營養(yǎng)化,致使柵藻(Scenedesnus)、藍(lán)球藻(Chroococcus)、藍(lán)纖維藻(Dactytoroccopsis)及其它水生植物大量繁殖。這主要是由于放養(yǎng)的魚、蝦等抑制了浮游動(dòng)物特別是大型甲殼類浮游動(dòng)物的生長(zhǎng),減少浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的壓力,因而造成了浮游植物大量出現(xiàn)。同時(shí),由于大量魚、蝦、蟹飼料的投放,魚、蝦、蟹糞便的積累加之浮游植物死亡后腐爛,使得土壤有機(jī)質(zhì)含量提高。據(jù)研究,稻田養(yǎng)魚比不養(yǎng)魚的有機(jī)質(zhì)提高28.2%。高有機(jī)質(zhì)條件,加之長(zhǎng)期漬水,造成了水稻土的潛育化。因此,長(zhǎng)期稻田養(yǎng)魚、蝦、蟹等也是水稻土潛育化的一個(gè)重要原因。1.3漬害、潛育化農(nóng)田不合理的耕作制度是造成水稻土潛育化的因素之一。據(jù)向萬勝(2000)等研究,不當(dāng)?shù)母魇窃斐山瓭h平原農(nóng)田漬害和潛育化的一個(gè)重要原因,常年采用肥-稻或肥-稻-稻的耕作制度,土體長(zhǎng)期漬水,土壤結(jié)構(gòu)不良,通氣透水性能差,從而導(dǎo)致土壤潛育化。同樣,長(zhǎng)期不注意水分的管理,重灌輕排(特別是在雨汛同期的平原湖區(qū)),排灌設(shè)備不配套也是導(dǎo)致土壤潛育化的原因。1.4對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響潛育化作用發(fā)展的程度隨成土母質(zhì)的化學(xué)組成的不同差異較大。據(jù)研究,在酸性和中性母質(zhì)上潛育化作用能得到較充分發(fā)展,在富鈣及三氧化物的母質(zhì)上潛育化作用則會(huì)受到抑制。在碳酸鹽存在下,鐵的還原與溶解作用減弱,潛育作用便以Ca、Mg和其它元素的淋溶作用為主,并抑制有機(jī)酸、苯酚、多酚和其它化合物的破壞作用(ZaidelmanFR,1986)。同時(shí),賴慶旺等對(duì)水稻土潛育化與成土母質(zhì)關(guān)系研究表明,最易發(fā)生潛育化的成土母質(zhì)順序?yàn)楹雍练e物>泥質(zhì)巖類>第四紀(jì)紅色粘土>下蜀系黃土>石灰?guī)r類;紅砂巖和紫色砂巖發(fā)育的水稻土潛育化現(xiàn)象較少。以上研究結(jié)果表明,成土母質(zhì)對(duì)潛育化作用產(chǎn)生影響似乎與其風(fēng)化后土壤質(zhì)地(機(jī)械組成)有關(guān),質(zhì)地越粘重潛育化作用越強(qiáng)(在其它條件充分時(shí))。除此,土壤潛育化強(qiáng)弱還與真菌(ZaidelmanFR,1979)、梭菌(Clostridium)等土壤微生物的含量有關(guān)。這些微生物在淹水條件下對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)厭氣分解,消耗了土壤中大量的氧,使土壤處理強(qiáng)還原條件,從而導(dǎo)致土壤潛育化。2水稻潛育率、主要指標(biāo)和障礙2.1水土流失量及土壤結(jié)構(gòu)一般來說,凡潛育性水稻土都具有共同特點(diǎn),如質(zhì)地粘重,結(jié)構(gòu)性差或無結(jié)構(gòu),通透性能差,水、氣、熱、肥協(xié)調(diào)能力弱,屬典型的低產(chǎn)稻田。潛育性水稻土表層積累大量有機(jī)質(zhì),成黑色粘糊狀腐殖質(zhì)層或黑色泥炭層,其下為潛育層(G層)。土體顏色呈灰、黑或藍(lán)色(Crompton,1952),而一旦暴露于空氣中,又會(huì)呈棕或黃棕色或黃褐、灰白色。地下水位較高,剖面結(jié)構(gòu)為A-Pg-W-C或Ag-Pg-W-C、A-Pg-G或A-Pg-Wg-G和A-G型,水稻生長(zhǎng)期間處于還原狀態(tài),氧化還原電位(Eh)低。還原物質(zhì)中以亞鐵含量多少最為重要,因?yàn)閬嗚F量的多少直接關(guān)系到土壤潛育化作用的強(qiáng)弱。據(jù)研究,沼澤土中,亞鐵比重可達(dá)83%,重潛土為70%,而脫潛土僅14%。因此,常引起稻根發(fā)黑,生活機(jī)能減退,影響植株生長(zhǎng),甚至使植株死亡。潛育性水稻土由于長(zhǎng)期漬水,土粒高度分散,土質(zhì)粘重,因此,濕時(shí)軟爛,耕作不便,插秧時(shí)又易浮棵。土體內(nèi)常殘留碳酸鈣,又因地勢(shì)較低,鹽基富集,pH值多現(xiàn)中性至微堿性;有機(jī)質(zhì)含量在2-4%之間,也有的甚至高達(dá)5%。但因長(zhǎng)期漬水,微生物活動(dòng)微弱,因此有機(jī)質(zhì)分解不完全,C/N比甚至高達(dá)13以上。氮素含量為0.1-0.25%,但有效性差;全磷含量為0.10-0.15%,有效性較高,但落干時(shí),由于低價(jià)鐵被氧化,使部分磷固定,降低其有效性;全鉀含量約2%左右;陽離子交換量為每1千克土15-25厘摩爾,甚至高達(dá)30厘摩爾以上。所以,潛育性水稻土的養(yǎng)分貯量高,保肥性能強(qiáng),但由于水分過多,微生物活動(dòng)弱,養(yǎng)分釋放緩慢,加之還原性物質(zhì)過多,水稻生長(zhǎng)不好。2.2有關(guān)潛土的主要類型和指標(biāo)2.2.1潛育土的主要指標(biāo)根據(jù)土壤潛育化程度的強(qiáng)弱可將潛育化土壤劃分為沼澤型、重潛育型、中輕度潛育型、潴育型四種類型,其有關(guān)診斷指標(biāo)見表1。除表中所述指標(biāo)外,還有一些較重要的診斷指標(biāo),它們是:(1)活化度,主要指土壤中氧化鐵的活化,潛育土壤活化度一般為16.3%～73.5%,大多為20%以上;(2)游離度(游離鐵/全鐵),通常潛育土中游離度小于50%;(3)潛育度,有兩種含義,第一種為土壤潛育化程度的相對(duì)大小,第二種為鐵分化與淋溶的程度,但由于第二種含義在實(shí)際運(yùn)用中存在較大困難,因而多采用第一種含義,一般認(rèn)為沼澤土的潛育度可達(dá)85%以上,潛-沼型水稻土在30%～45%之間;(4)硅鐵率和鈦錳率。2.2.2潛育化水稻土eh根據(jù)水稻土潛育強(qiáng)度、潛育部位及土體構(gòu)型等剖面特征,將潛育化水稻土劃分為三個(gè)類型(見表2)。另外水稻土潛育化程度的強(qiáng)弱(尤其是土壤Eh的高低)與甲烷氣體排放關(guān)系密切。隨土壤潛育化作用加強(qiáng)(Eh值降低),甲烷排放通量增大。至于不同潛育化水稻土類型甲烷排放通量有多大,即以甲烷排放通量作為潛育化水稻土類型的診斷指標(biāo)有待進(jìn)一步研究。潛育化水稻土對(duì)水稻生長(zhǎng)不利的主要障礙因素有:(1)水多漬害;(2)水、土溫度低;(3)土粘、爛、深、硬;(4)通透性能差;(5)還原性物質(zhì)多;(6)速效養(yǎng)分缺乏。3生物環(huán)境恢復(fù)的適用范圍潛育化水稻土水、氣、熱、肥不協(xié)調(diào),屬典型低產(chǎn)耕地,其分布范圍廣。如果其生態(tài)環(huán)境得到改善,其增產(chǎn)潛力巨大。因此,建立良好的潛育化水稻土生態(tài)環(huán)境,提高稻田生產(chǎn)力,對(duì)我國人民生活水平的提高和社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。3.1改善潛育化水稻土生態(tài)環(huán)境土壤潛育化一個(gè)重要原因就是漬水,因而要改善潛育化水稻土的生態(tài)環(huán)境,首先要排除土壤積水,降低地下水位,以增加土壤的通透性,降低土壤還原物質(zhì),促進(jìn)潛在養(yǎng)分的釋放。這就需要搞好農(nóng)田水利建設(shè),排灌溝渠配套,使農(nóng)田能排能灌,排灌自如,特別對(duì)低洼地區(qū)埋設(shè)暗管,能有效控制地下水位,是改善潛育化水稻土生態(tài)環(huán)境的重要措施之一。實(shí)踐證明,開“四溝”(即截洪溝、排泉溝、排水溝、灌溉溝),排“四水”(即山洪水、冷泉水、毒銹水、串灌水)能收到洪水不進(jìn)田、肥水不出田、冷泉引出田、毒質(zhì)排出田的明顯效果;地面開30～40cm深的明溝與60～70cm深的暗溝相結(jié)合,既能排除地表水又能快速降低地下水位。田間開溝后,土壤理化性狀得到明顯改善,土溫升高(開溝間距1.5m區(qū)比對(duì)照區(qū)土溫在5cm深處高0.7～1.8℃;10cm深處高0.5～1.3℃;15cm深處高0.3～0.7℃),地下水位降低年均值為20.2～22.8cm,土壤容重增加0.17g/cm3,通氣孔隙增加。氧化還原電位提高,還原物質(zhì)總量降低50%,土壤速效養(yǎng)分明顯增加。除此,水稻根系活力增強(qiáng),總根量、白根量增加,禾苗高度、根長(zhǎng)、分蘗數(shù)、綠葉數(shù)和鮮(干)物重明顯增加,因而改善了水稻經(jīng)濟(jì)性狀,提高了稻谷產(chǎn)量。3.2改種糧食為養(yǎng)稻共作水利措施是治漬的根本,但由于種種原因,目前很難收到預(yù)期效果,因而以種養(yǎng)兼顧的生物措施為主,結(jié)合水利措施對(duì)潛育化水稻土進(jìn)行綜合整治才是切實(shí)可行的方案。對(duì)于不宜種稻及其他作物、漬害嚴(yán)重的重潛育化水稻土,實(shí)行退田還湖(塘)、種植水生經(jīng)濟(jì)作物(如蓮藕、菱、席草等)、壟稻溝魚或稻魚鴨模式加以利用。據(jù)研究,將低湖田改挖魚塘,不僅可以增加內(nèi)湖的調(diào)蓄能力,還由于退田還湖(塘)后,改種糧食為養(yǎng)魚或其它特種養(yǎng)殖,可以極大提高經(jīng)濟(jì)效益,也有助于生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。在湖北小港農(nóng)場(chǎng),養(yǎng)魚的收入為兩季稻的2.2倍,種蓮藕是單季稻的5.5～9倍。對(duì)于中輕度潛育化水稻土,變傳統(tǒng)的稻-稻,稻-冬水田為水旱輪作并適時(shí)曬田,能明顯改善土壤生態(tài)環(huán)境狀況。據(jù)古漢虎(1995)研究,水旱輪作兩年后,0～10cm土層,土壤體積質(zhì)量分別比對(duì)照大0.23Mg/m3、0.24Mg/m3、0.25Mg/m3和0.09Mg/m3,土壤通氣孔隙0～10cm土層比對(duì)照分別高2.7%、2.65%、2.58%和0.52%,說明經(jīng)過水旱輪作后,土壤體積質(zhì)量、通氣孔隙增加。除此,水旱輪作后,土壤微生物總量增加,好氣性細(xì)菌增多,厭氣性細(xì)菌減少;氧化還原電位(Eh)提高,還原物質(zhì)減少,速效養(yǎng)分增加,稻谷產(chǎn)量得以提高。另外,長(zhǎng)期有機(jī)無機(jī)肥配施、增施鉀肥等施肥措施對(duì)潛育化水稻土生態(tài)環(huán)境也具有積極作用;選用耐潛品種也能顯著提高水稻產(chǎn)量。4關(guān)于研究4.1s毒、養(yǎng)分、有效性、腐殖酸的積累水稻土的潛育化過程研究報(bào)道較多,但多從水溫、氧化還原電位(Eh值),還原物質(zhì)Fe、Mn運(yùn)移、H2S毒害、養(yǎng)分有效性、腐殖酸的積累以及診斷層Pg、G的出現(xiàn)等方面去研究。對(duì)重金屬在土壤潛育層中的變遷、富積,特別是長(zhǎng)期稻田養(yǎng)魚模式下,隨除草劑、魚飼等帶入土壤的重金屬砷(As)在潛育層中的變遷、累積,有機(jī)砷無機(jī)砷之間的相互轉(zhuǎn)化,以及不同形態(tài)砷對(duì)水稻、土壤微