水稻土的潜育化

水稻土的潜育化

土壤耕作是所有水土有机特征。潜育化过程(gleyprocess),也称灰粘化作用或青泥化过程。它是指土壤受积滞水分的长期浸渍,土体封闭于静水状态下,得不到通气与氧化;同时,在易分解的有机物还原影响下,使土壤及积滞水的Eh值下降,土壤矿质中的Fe、Mn处于还原低价状态,土体显青色或青黑色。土壤次生潜育化(soilsecondarygleization)是丘陵地区特殊地形引起地表暂时渍水造成的。水稻土(paddysoil)潜育化是一个严重的土壤退化(soildegradation)问题,据调查研究我国潜育化水稻土分布广,在洞庭湖一带约20%的水稻土发生了潜育化,江西、河北、江苏、广西等省市水稻土潜育化也相当严重。潜育化水稻土主要特点是还原性物质较多,重金属移动性增强,生物活性降低,甲烷排放量增加,有不同厚度的青泥层,通气性差,土温低,供肥缓慢,易造成水稻秧苗发僵或坐蔸,每公顷产量比一般稻田低1500～2250kg。因此,本文就土壤潜育化的有关问题作一综合讨论,以期为控制水稻土潜育化的发展提供参考。1对有机及无机还原物质的影响过去一般认为潜育化过程是以铁的还原作用为主的化学过程,随着研究的不断深入,至今已认识到此过程是一个由生物化学过程和化学过程相互联系,相互影响的复杂成土过程。土壤潜育化的必要条件是有充分水分和丰富有机质(VonBrummerG,1973),有机质易分解部分在淹水条件下被微生生物厌气分解,土壤中大量氧消耗,形成土壤强还原条件,在还原条件下有机质分解产生有机和无机还原物质及一系列中间产物。其中间产物(包括酸类、低分子量的碳水化合物、硫化物和酚类化合物等一系列物质)能影响土壤矿物如铁、锰的溶解和活化,导致铁、锰的淋失和SiO2的富集,也能与铁、锰等形成水溶性络合物。在铁、锰活化的同时,有SiO2和Al2O3的溶解和迁移及Ca、Mg和K等盐基离子的变化,可伴有粘粒的损失,产生的粘土矿物蚀变导致土壤潜育化的原因是多方面的,它是自然因素和人为因素综合作用的结果。现将这些因素对水稻土潜育化的影响分述如下。1.1沉积型水稻土土壤水位水是土壤潜育化的前提条件之一,因而没有水土壤就不存在潜育化。潜育土类型不同,受水分类型影响也不尽相同,如潜育土与矿质潜育土,主要受地下水影响,而假潜育土与滞水潜育土则主要受表潜水的影响(Schlichting,1973)。高的地下水位往往是导致水稻土潜育化的主要水文类型。地下水、地表水、降水、河水等几方面综合作用造成常年或季节性渍水也是水稻土潜育化的一个重要原因。土壤地下水位的高低与水稻土潜育化程度关系密切。据有关研究者对湖北省洪湖市国营小港农场3种不同类型潜育化土壤地下水位观察,地下水位越低,其潜育化程度越轻。如地下水位40～50cm,水稻土轻度潜育,剖面特征A-P-W-C且无Fe2+反应;地下水位10～50cm,水稻土中度潜育,剖面特征A-P-Wg-C且Fe2+反应轻;地下水位小于30cm,水稻土重度潜育,剖面特征A-Pg-G且表层出现Fe2+反应,Fe2+含量多。造成土壤地下水位较高的原因是多方面的,如地势低洼,围湖垦殖,降水导致河水、湖泊水面上涨,水土流失河湖淤积导致河床抬高等。除此,长年污水灌溉也会造成土壤潜育化,例如,长期引用含硫化物煤井水灌溉形成的黄淦田;长期引用纸厂、氮肥厂废水灌溉形成的烂根田等。地貌对土壤潜育化的影响主要是通过对水文的影响来实现的。在南方丘陵山区,处于丘陵、山体上部的水稻土,一般排水通畅,土壤很少发生潜育化;处于两丘或两山之间冲沟形成的沟槽田,沟坡形成的滂田,由于长期受地表水(沟槽田)、地表水或侧渗水(滂田)的作用,土壤多发生潜育化或沼泽化。沟谷的宽窄和比降对水稻土的潜育化也产生重要影响,比降小的宽谷,流水缓慢易滞水,往往导致土壤潜育化;而比降大的窄谷则很少出现潜育化现象。在平原区,微地形的变化引起水稻土水型的变化十分明显。在沿江一级阶地的带状低槽以及与二级阶地接壤的凹形低洼地带或排水不畅的古河道,地下水位较高且常有地表水汇集,往往形成潜育性水稻土。除此,屯水田、鱼塘、藕田等长期受地表水影响的土壤也不可避免会发生潜育化或沼泽化。1.2对水稻水质的影响富营养化(eutrophication)是指水体在演化过程中营养积累的过程,它伴随着化学物质生物组成和生物量的同步发展。据有关研究,在水体特别是浅水水体中放养鱼类[12～15]、虾类、蟹类有促进富营养化的作用。稻田属于一种浅水水体,因而长期稻田养鱼、虾、蟹等能够导致水体的富营养化,致使栅藻(Scenedesnus)、蓝球藻(Chroococcus)、蓝纤维藻(Dactytoroccopsis)及其它水生植物大量繁殖。这主要是由于放养的鱼、虾等抑制了浮游动物特别是大型甲壳类浮游动物的生长,减少浮游动物对浮游植物的压力,因而造成了浮游植物大量出现。同时,由于大量鱼、虾、蟹饲料的投放,鱼、虾、蟹粪便的积累加之浮游植物死亡后腐烂,使得土壤有机质含量提高。据研究,稻田养鱼比不养鱼的有机质提高28.2%。高有机质条件,加之长期渍水,造成了水稻土的潜育化。因此,长期稻田养鱼、虾、蟹等也是水稻土潜育化的一个重要原因。1.3渍害、潜育化农田不合理的耕作制度是造成水稻土潜育化的因素之一。据向万胜(2000)等研究,不当的耕作是造成江汉平原农田渍害和潜育化的一个重要原因,常年采用肥-稻或肥-稻-稻的耕作制度,土体长期渍水,土壤结构不良,通气透水性能差,从而导致土壤潜育化。同样,长期不注意水分的管理,重灌轻排(特别是在雨汛同期的平原湖区),排灌设备不配套也是导致土壤潜育化的原因。1.4对土壤理化性质的影响潜育化作用发展的程度随成土母质的化学组成的不同差异较大。据研究,在酸性和中性母质上潜育化作用能得到较充分发展,在富钙及三氧化物的母质上潜育化作用则会受到抑制。在碳酸盐存在下,铁的还原与溶解作用减弱,潜育作用便以Ca、Mg和其它元素的淋溶作用为主,并抑制有机酸、苯酚、多酚和其它化合物的破坏作用(ZaidelmanFR,1986)。同时,赖庆旺等对水稻土潜育化与成土母质关系研究表明,最易发生潜育化的成土母质顺序为河湖沉积物>泥质岩类>第四纪红色粘土>下蜀系黄土>石灰岩类;红砂岩和紫色砂岩发育的水稻土潜育化现象较少。以上研究结果表明,成土母质对潜育化作用产生影响似乎与其风化后土壤质地(机械组成)有关,质地越粘重潜育化作用越强(在其它条件充分时)。除此,土壤潜育化强弱还与真菌(ZaidelmanFR,1979)、梭菌(Clostridium)等土壤微生物的含量有关。这些微生物在淹水条件下对土壤有机质厌气分解,消耗了土壤中大量的氧,使土壤处理强还原条件,从而导致土壤潜育化。2水稻潜育率、主要指标和障碍2.1水土流失量及土壤结构一般来说,凡潜育性水稻土都具有共同特点,如质地粘重,结构性差或无结构,通透性能差,水、气、热、肥协调能力弱,属典型的低产稻田。潜育性水稻土表层积累大量有机质,成黑色粘糊状腐殖质层或黑色泥炭层,其下为潜育层(G层)。土体颜色呈灰、黑或蓝色(Crompton,1952),而一旦暴露于空气中,又会呈棕或黄棕色或黄褐、灰白色。地下水位较高,剖面结构为A-Pg-W-C或Ag-Pg-W-C、A-Pg-G或A-Pg-Wg-G和A-G型,水稻生长期间处于还原状态,氧化还原电位(Eh)低。还原物质中以亚铁含量多少最为重要,因为亚铁量的多少直接关系到土壤潜育化作用的强弱。据研究,沼泽土中,亚铁比重可达83%,重潜土为70%,而脱潜土仅14%。因此,常引起稻根发黑,生活机能减退,影响植株生长,甚至使植株死亡。潜育性水稻土由于长期渍水,土粒高度分散,土质粘重,因此,湿时软烂,耕作不便,插秧时又易浮棵。土体内常残留碳酸钙,又因地势较低,盐基富集,pH值多现中性至微碱性;有机质含量在2-4%之间,也有的甚至高达5%。但因长期渍水,微生物活动微弱,因此有机质分解不完全,C/N比甚至高达13以上。氮素含量为0.1-0.25%,但有效性差;全磷含量为0.10-0.15%,有效性较高,但落干时,由于低价铁被氧化,使部分磷固定,降低其有效性;全钾含量约2%左右;阳离子交换量为每1千克土15-25厘摩尔,甚至高达30厘摩尔以上。所以,潜育性水稻土的养分贮量高,保肥性能强,但由于水分过多,微生物活动弱,养分释放缓慢,加之还原性物质过多,水稻生长不好。2.2有关潜土的主要类型和指标2.2.1潜育土的主要指标根据土壤潜育化程度的强弱可将潜育化土壤划分为沼泽型、重潜育型、中轻度潜育型、潴育型四种类型,其有关诊断指标见表1。除表中所述指标外,还有一些较重要的诊断指标,它们是:(1)活化度,主要指土壤中氧化铁的活化,潜育土壤活化度一般为16.3%～73.5%,大多为20%以上;(2)游离度(游离铁/全铁),通常潜育土中游离度小于50%;(3)潜育度,有两种含义,第一种为土壤潜育化程度的相对大小,第二种为铁分化与淋溶的程度,但由于第二种含义在实际运用中存在较大困难,因而多采用第一种含义,一般认为沼泽土的潜育度可达85%以上,潜-沼型水稻土在30%～45%之间;(4)硅铁率和钛锰率。2.2.2潜育化水稻土eh根据水稻土潜育强度、潜育部位及土体构型等剖面特征,将潜育化水稻土划分为三个类型(见表2)。另外水稻土潜育化程度的强弱(尤其是土壤Eh的高低)与甲烷气体排放关系密切。随土壤潜育化作用加强(Eh值降低),甲烷排放通量增大。至于不同潜育化水稻土类型甲烷排放通量有多大,即以甲烷排放通量作为潜育化水稻土类型的诊断指标有待进一步研究。潜育化水稻土对水稻生长不利的主要障碍因素有:(1)水多渍害;(2)水、土温度低;(3)土粘、烂、深、硬;(4)通透性能差;(5)还原性物质多;(6)速效养分缺乏。3生物环境恢复的适用范围潜育化水稻土水、气、热、肥不协调,属典型低产耕地,其分布范围广。如果其生态环境得到改善,其增产潜力巨大。因此,建立良好的潜育化水稻土生态环境,提高稻田生产力,对我国人民生活水平的提高和社会主义经济建设具有重要意义。3.1改善潜育化水稻土生态环境土壤潜育化一个重要原因就是渍水,因而要改善潜育化水稻土的生态环境,首先要排除土壤积水,降低地下水位,以增加土壤的通透性,降低土壤还原物质,促进潜在养分的释放。这就需要搞好农田水利建设,排灌沟渠配套,使农田能排能灌,排灌自如,特别对低洼地区埋设暗管,能有效控制地下水位,是改善潜育化水稻土生态环境的重要措施之一。实践证明,开“四沟”(即截洪沟、排泉沟、排水沟、灌溉沟),排“四水”(即山洪水、冷泉水、毒锈水、串灌水)能收到洪水不进田、肥水不出田、冷泉引出田、毒质排出田的明显效果;地面开30～40cm深的明沟与60～70cm深的暗沟相结合,既能排除地表水又能快速降低地下水位。田间开沟后,土壤理化性状得到明显改善,土温升高(开沟间距1.5m区比对照区土温在5cm深处高0.7～1.8℃;10cm深处高0.5～1.3℃;15cm深处高0.3～0.7℃),地下水位降低年均值为20.2～22.8cm,土壤容重增加0.17g/cm3,通气孔隙增加。氧化还原电位提高,还原物质总量降低50%,土壤速效养分明显增加。除此,水稻根系活力增强,总根量、白根量增加,禾苗高度、根长、分蘖数、绿叶数和鲜(干)物重明显增加,因而改善了水稻经济性状,提高了稻谷产量。3.2改种粮食为养稻共作水利措施是治渍的根本,但由于种种原因,目前很难收到预期效果,因而以种养兼顾的生物措施为主,结合水利措施对潜育化水稻土进行综合整治才是切实可行的方案。对于不宜种稻及其他作物、渍害严重的重潜育化水稻土,实行退田还湖(塘)、种植水生经济作物(如莲藕、菱、席草等)、垄稻沟鱼或稻鱼鸭模式加以利用。据研究,将低湖田改挖鱼塘,不仅可以增加内湖的调蓄能力,还由于退田还湖(塘)后,改种粮食为养鱼或其它特种养殖,可以极大提高经济效益,也有助于生态系统的良性循环。在湖北小港农场,养鱼的收入为两季稻的2.2倍,种莲藕是单季稻的5.5～9倍。对于中轻度潜育化水稻土,变传统的稻-稻,稻-冬水田为水旱轮作并适时晒田,能明显改善土壤生态环境状况。据古汉虎(1995)研究,水旱轮作两年后,0～10cm土层,土壤体积质量分别比对照大0.23Mg/m3、0.24Mg/m3、0.25Mg/m3和0.09Mg/m3,土壤通气孔隙0～10cm土层比对照分别高2.7%、2.65%、2.58%和0.52%,说明经过水旱轮作后,土壤体积质量、通气孔隙增加。除此,水旱轮作后,土壤微生物总量增加,好气性细菌增多,厌气性细菌减少;氧化还原电位(Eh)提高,还原物质减少,速效养分增加,稻谷产量得以提高。另外,长期有机无机肥配施、增施钾肥等施肥措施对潜育化水稻土生态环境也具有积极作用;选用耐潜品种也能显著提高水稻产量。4关于研究4.1s毒、养分、有效性、腐殖酸的积累水稻土的潜育化过程研究报道较多,但多从水温、氧化还原电位(Eh值),还原物质Fe、Mn运移、H2S毒害、养分有效性、腐殖酸的积累以及诊断层Pg、G的出现等方面去研究。对重金属在土壤潜育层中的变迁、富积,特别是长期稻田养鱼模式下,随除草剂、鱼饲等带入土壤的重金属砷(As)在潜育层中的变迁、累积,有机砷无机砷之间的相互转化,以及不同形态砷对水稻、土壤微