李成芳+胡紅青+曹湊貴+黃見良+周勇+朱建強+秦魚生+杭曉寧+堯水紅+張衛(wèi)建

摘要：綜述了再生稻發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀及存在的問題，重點剖析了再生稻田土壤培肥途徑與機制，提出了秸稈還田、茬口期利用、深耕改土和合理施用有機肥等多途徑培肥措施，旨在為中國再生稻生產(chǎn)和高產(chǎn)稻田培肥研究與實踐提供科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：再生稻；培肥；途徑與機制

中圖分類號：S158 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）14-2666-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.016

Abstract： The history， research and problem of ratoon rice in China was reviewed. The approaches and mechanisms of improvement of ratoon rice soil fertility， and thus proposed several agronomic measures for improving soil fertility， including straw returning， planting green manure crops during stubbles period， deep tillage and rational fertilization were analyzed， which would provide a scientific basis for high yield of ratoon rice and improvement of paddy soil fertility in China.

Key words： ratoon rice； improvement of soil fertility； approaches and mechanisms

再生稻是利用第一季水稻收割后稻茬上存活的休眠芽，采取一定的栽培管理措施使之再生蘗、抽穗、成熟與收割的一季水稻[1]。再生稻具有生育期短、省工、省種、節(jié)水、生產(chǎn)成本低、稻谷品質(zhì)好與經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，已成為中國南方稻作區(qū)水稻種植的一種重要的輕簡化耕作制度，對于保障國家糧食安全起著重要作用。

當(dāng)前，國內(nèi)外已從栽培角度對再生稻的形態(tài)、生理與生態(tài)等方面開展了廣泛的研究，特別是中國在再生稻研究上取得了豐碩的成果[1-5]。然而，由于持續(xù)種植同一品種水稻、收獲后茬口期積溫不足、頭季稻秸稈直接覆蓋還田、再生稻季肥料來源于頭季稻中后期施入的促芽肥等原因，導(dǎo)致再生稻稻田土壤養(yǎng)分失調(diào)、冬季稻田空閑、再生稻季土壤碳排放量高、再生季土壤容重增加。當(dāng)前研究往往忽略了再生稻栽培過程中出現(xiàn)的土壤環(huán)境問題。

針對以上問題，圍繞再生稻稻田土壤培肥與耕作技術(shù)優(yōu)化，重點分析湖北、四川、重慶等?。ㄊ校┑咀鲄^(qū)再生稻稻田土壤肥力變化特征與障礙因子，綜述了再生稻稻田生物培肥、秸稈還田、耕作與施肥技術(shù)，在此基礎(chǔ)上提出機械化的土壤培肥途徑，進行再生稻生物培肥與周年輪耕技術(shù)集成，為提高再生稻土壤肥力與保障中國糧食安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 再生稻栽培技術(shù)

在種植一季稻熱量有余，而種植雙季稻熱量又不足的地區(qū)及雙季稻區(qū)只種一季中稻的稻田發(fā)展再生稻，是提高復(fù)種指數(shù)、增加稻田單位面積稻谷產(chǎn)量和經(jīng)濟收入的有效措施之一[5]。再生稻一次播種，兩次收割，是實現(xiàn)水稻輕簡栽培的捷徑之一[5]。同時，水稻再生季葉片具有短而直、窄而厚的特點，且稻田通風(fēng)、透光性得到了改善，有利于群體進行光合作用；且其抽穗至灌漿期多在9月上中旬以后，晝夜溫差大，日照充足，有利于光合產(chǎn)物的積累，使得再生稻米品質(zhì)變優(yōu)[6]。因此，除中國外，還有許多國家和地區(qū)也發(fā)展再生稻，如美國德克薩斯與路易斯安那州、印度、日本、伊朗、泰國、菲律賓與巴西，也具有一定面積的再生稻[1，4，6，7]。

國際上已從栽培角度對再生稻的形態(tài)、生理與生態(tài)等方面開展了廣泛的研究。在美國，研究者主要針對再生稻光合特性、產(chǎn)量與品質(zhì)，分析了留茬高度、施肥等的影響，強調(diào)了再生稻在環(huán)境效益、不可再生資源、居民生活質(zhì)量方面的作用，以期發(fā)展可持續(xù)的再生稻生產(chǎn)[4，8]；馬來西亞主要研究了再生稻的生長規(guī)律與產(chǎn)量構(gòu)成，探討發(fā)展再生稻適應(yīng)該國氣候地形特點，以解決糧食不足問題[1，9]；伊朗研究者探討了頭季稻收獲時間、肥料施用、留茬高度、茬口期種植作物對再生稻產(chǎn)量、農(nóng)藝性狀、干物質(zhì)形成與分配等影響[6，10，11]；在日本，研究者探究了播種量、行距、水分、頭季稻留茬高度等對再生稻生育期、產(chǎn)量與肥料利用率的影響[7，12]，且許多國家與地區(qū)根據(jù)自身的氣候、土壤等特點提出了相應(yīng)的推薦標(biāo)準(zhǔn)[1，4]。顯然，國際上關(guān)于再生稻的研究主要考慮了農(nóng)藝措施對再生稻形態(tài)、生態(tài)等的影響，很少涉及再生稻種植對土壤的影響，導(dǎo)致對評估再生稻的生態(tài)、社會與經(jīng)濟效益產(chǎn)生偏差，最終影響再生稻的推廣。

自20世紀(jì)60年代美國、日本等開始種植再生稻以來，已經(jīng)明確了再生稻的生育規(guī)律，形成了相應(yīng)的再生稻栽培技術(shù)，并進行了商業(yè)化生產(chǎn)。但是沒有關(guān)注其需肥規(guī)律、種植后對土壤肥力和生態(tài)環(huán)境的影響，未見有關(guān)再生稻土壤培肥與耕作的報道。

2 再生稻稻田土壤障礙因子分析與生態(tài)特征

再生稻是南方稻區(qū)提高復(fù)種指數(shù)、增加稻谷單產(chǎn)和提高種稻比較效益的有效措施[5]。由于中國南方主要稻作區(qū)勞動力緊張，種植再生稻可以緩解勞動力緊張的問題。同時，與雙季稻作和水旱輪作相比，再生稻稻谷品質(zhì)優(yōu)且經(jīng)濟效益高[13]，已逐漸發(fā)展成為中國重要的水稻種植制度，種植面積達73萬hm2 [13]，其中四川省、重慶市的雙季稻已有相當(dāng)部分被中稻—再生稻取代，湖北、湖南、浙江和安徽等省也在大力恢復(fù)和發(fā)展再生稻種植[5]。

現(xiàn)有研究主要針對再生稻自身的形態(tài)、生理、生態(tài)進行了探討，忽略了再生稻種植可能對土壤肥力和生態(tài)環(huán)境造成影響。與雙季稻或水旱輪作不同，再生稻由于特殊的栽培與管理措施，導(dǎo)致了一系列土壤問題。雖然研究表明中稻—再生稻模式較水旱輪作或雙季稻模式提高了稻田產(chǎn)出效益，然而再生稻單產(chǎn)較低（中國平均單產(chǎn)1 600～2 200 kg/hm2），一定程度上影響再生稻的推廣及其產(chǎn)業(yè)化[5，13]。較低的再生稻產(chǎn)量除與水稻自身特性有關(guān)外，再生稻稻田土壤肥力與耕作技術(shù)也是重要的制約因素[13，14]。

研究表明，再生稻田限制稻谷產(chǎn)量的主要土壤因素有：①再生季稻田土壤實施免耕，因此土壤容重提高，土壤易板結(jié)，同時稻田熟化層變淺，有待加深；②稻田長時間淹水，導(dǎo)致還原性物質(zhì)積累；③頭季與再生季水稻持續(xù)對土壤養(yǎng)分的吸收，且施肥不平衡，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失調(diào)；④單一種植制度導(dǎo)致土壤生物多樣性降低，緩沖性和抗逆性減弱[15]。

與雙季稻作或水旱輪作不同，再生稻頭季和再生季為同一品種；同時，再生稻的肥料主要來源于頭季施入的促芽肥，即在頭季稻齊穗的中后期追施少量氮肥和鉀肥以促芽[5]，雖然促進了頭季稻的根系生長及再生稻再生芽萌發(fā)，但造成再生稻中后期缺肥。因此，再生稻從土壤吸收營養(yǎng)難以滿足中后期生長發(fā)育對營養(yǎng)物質(zhì)的需求。所以，相對于傳統(tǒng)的雙季稻作與水旱輪作，持續(xù)的再生稻種植可能會造成土壤養(yǎng)分失調(diào)，特別是土壤磷、鉀含量相對短缺，氮則出現(xiàn)盈余。

此外，與雙季稻作和水旱輪作不同，為防止秸稈從稻田移走造成對再生稻休眠芽的機械損傷，同時減少勞動強度與節(jié)約成本，頭季稻收獲后秸稈直接還田。雖然秸稈還田能作為一種有機肥投入，改善土壤的理化性質(zhì)，增加土壤有機碳的積累[16，17]，但同時也提高了土壤微生物活性[18]，導(dǎo)致微生物對秸稈的分解加速，從而增加稻田CO2排放。頭季稻秸稈覆蓋在稻田表面，雖然減少秸稈與土壤的接觸，使部分秸稈進行有氧降解，但秸稈的降解產(chǎn)物為土壤內(nèi)部產(chǎn)甲烷菌提供了養(yǎng)料，導(dǎo)致再生稻稻田CH4排放高于雙季稻作與水旱輪作。

在中國南方，湖北、四川、重慶等?。ㄊ校┎捎妙^季稻與再生稻種植模式，其頭季加再生季水稻生育期一般從4月上旬到10月中下旬；而10月中下旬到次年3月積溫不足以發(fā)展糧食作物，大多地區(qū)在再生稻收獲后土地撂荒，造成光、溫、水等氣候資源與土地資源嚴重浪費。因此，充分利用再生稻收獲后茬口期的光熱水與土地資源，不僅可以獲得更大的經(jīng)濟效益及社會效益，也能有效地培肥土壤。

3 再生稻田土壤培肥途徑

土壤肥力是從環(huán)境條件和營養(yǎng)條件兩方面供應(yīng)和協(xié)調(diào)作物生長、發(fā)育的能力，是土壤物理、化學(xué)和生物等性質(zhì)的綜合反映[19]。當(dāng)前，中國已開展了大量不同稻作類型下稻田土壤肥力的研究，主要針對土壤肥力的時空演變規(guī)律，土壤肥力對水稻產(chǎn)量與品質(zhì)的影響，以及土壤肥力對土壤耕作的響應(yīng)等，明確了不同農(nóng)藝措施下土壤肥力對水稻產(chǎn)量與肥料利用率的影響[20]。有研究表明高產(chǎn)水稻子粒中氮素有30%以上來自土壤[21]。與雙季稻和水旱輪作稻田不同，再生稻稻田由于特殊的田間管理與栽培耕作措施，其土壤肥力及變化動態(tài)明顯不同；同時再生稻也具有特定的養(yǎng)分吸收規(guī)律，即在頭季稻成熟—再生稻齊穗期，再生稻因再生芽的萌發(fā)與伸長，肥料吸收利用率高；在齊穗期，因子粒灌漿，再生稻對肥料吸收依然旺盛[5]。然而，有關(guān)再生稻稻田土壤肥力與水稻肥料吸收、產(chǎn)量關(guān)系方面的研究尚未見報道，這不僅制約了再生稻的合理施肥，也帶來了潛在的環(huán)境危害。

1）稻草還田培肥。稻草還田可以利用生物效應(yīng)改善土壤緩沖能力，調(diào)節(jié)土壤的酸堿度；增加土壤孔隙，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，提高土壤內(nèi)陽離子吸收能力，提高土壤肥力；提高微生物活力，有利于微生物生長繁殖；增加土壤中鉀含量，提高土壤的供鉀能力[22-24]。陳道友等[16]研究表明，稻草還田后土壤有機質(zhì)含量持續(xù)增大，土壤中速效養(yǎng)分含量增加明顯，容重持續(xù)下降，孔隙度持續(xù)增加。因此推廣稻草還田技術(shù)將成為培肥再生稻稻田與平衡再生稻稻田土壤肥力的重要措施之一。

2）茬口期種植綠肥。作為耗地作物，水稻需要從稻田土壤中吸取大量的氮、磷等營養(yǎng)元素，只有少部分以殘茬和根系等形式歸還土壤，大部分被子粒與秸稈帶出稻田。茬口期種植綠肥，其根系對土壤有良好的刺空和擠壓作用，能促使土壤黏粒團聚與容重降低。綠肥種植后還田能提高土壤全氮、堿解氮含量，加速土壤礦化，促進水稻對磷素和鉀素的吸收[25]。高菊生等[26]報道，在湘南地區(qū)水田冬種綠肥，即把綠肥作有機肥施用，不僅能充分利用該地區(qū)第二雨季的水熱資源，還可以在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時改善和提高土壤肥力，這是因為綠肥具有更新土壤腐殖質(zhì)、提高土壤有機質(zhì)、改善土壤理化性狀和提高土壤磷有效性等作用。

3）增施有機肥。施用化肥可以使作物產(chǎn)量有較大的增加，但有研究表明，長期只施化肥不施有機肥會導(dǎo)致土壤板結(jié)，結(jié)構(gòu)破壞，肥力下降[27]。施用腐熟有機肥來培肥土壤在中國有著悠久的歷史，而且在化肥大范圍使用前，有機肥是改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力和增加作物產(chǎn)量的有效措施[28，29]。

4）合理施肥。中國稻田背景氮明顯高于其他國家的稻田。土壤背景氮高是由于長期施用大量無機肥和有機肥在稻田土壤中積累所致。土壤背景氮過高，將導(dǎo)致休耕期更多的氮素損失進入環(huán)境，而因水稻在低背景氮的土壤條件下應(yīng)比高背景氮條件下對氮肥的反應(yīng)更為敏感，當(dāng)?shù)适┯昧看髸r將導(dǎo)致水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率降低[30]。因此，依據(jù)水稻生長對養(yǎng)分的需要進行合理與平衡施肥，將有效地降低肥料使用量，降低土壤肥力失衡的幾率[31]。

5）加深耕作層，促進團聚體形成。合理耕層構(gòu)建是中國目前高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)和中低產(chǎn)田開發(fā)研究的共性問題，對大幅度提升耕地質(zhì)量及綜合生產(chǎn)能力具有重要意義。其耕層結(jié)構(gòu)直接關(guān)系作物產(chǎn)量和生態(tài)環(huán)境。目前，對稻田的連續(xù)高強度開發(fā)和不合理利用，致使稻田土壤耕層變淺、犁底層加厚、土壤容重偏高，致使水稻植株根系分布淺、營養(yǎng)吸收范圍小、肥水利用率低[32]。因此，加深耕作層，改善耕作層通氣性，將有利于水稻田土壤生產(chǎn)力的提高。目前可通過由多耕到少免耕，由表層松土到殘茬覆蓋再到秸稈（含殘茬）覆蓋，由機械除草到化學(xué)除草，由單一機械耕作到土壤施肥、灌溉、種植機械作業(yè)一體化[32]等多種途徑加深稻田耕作層。

4 近期的研究問題與突破點

針對中國再生稻生產(chǎn)過程土壤肥力失調(diào)，土壤碳排放大與茬口期氣候與土壤資源浪費、機械化程度低等突出問題，在再生稻稻作區(qū)應(yīng)開展再生稻稻田生物培肥與周年輪耕集成研究，重點研究再生稻的土壤肥力變化特征與障礙因子、茬口期生物培肥技術(shù)、秸稈還田技術(shù)，在此基礎(chǔ)上提出機械化的培肥技術(shù)。

1）中稻蓄留再生稻土壤肥力變化特征及其生態(tài)調(diào)控途徑。在再生稻稻作區(qū)原位長期監(jiān)測不同再生稻稻田模式（早稻蓄留再生稻、中稻蓄留再生稻）與不同再生稻品種（秈稻與粳稻）稻田土壤肥力變化特征，并與當(dāng)?shù)刂饕Ｒ?guī)稻作模式（雙季稻、油稻、麥稻）的土壤肥力變化比較分析，闡明中國主要再生稻稻作區(qū)土壤肥力變化特征，明確影響再生稻稻田土壤肥力的障礙因子，提出改善再生稻稻田土壤肥力的生態(tài)調(diào)節(jié)途徑；同時，分析不同模式與品種下再生稻氮、磷、鉀的吸收利用規(guī)律，研究其與土壤肥力的相關(guān)性，提出科學(xué)合理的施肥技術(shù)。

2）再生稻稻田土壤培肥技術(shù)及替代品篩選與應(yīng)用。針對土壤肥力失調(diào)、養(yǎng)分損失大、土壤碳排放大與茬口期土壤資源浪費等問題，在主要再生稻稻作區(qū)研究茬口期生物培肥與土地資源高效利用技術(shù)，即通過在茬口期種植豆科作物、紫云英、三葉苜蓿、飼料油菜等篩選高效生態(tài)的培肥與土壤資源利用技術(shù)；優(yōu)化秸稈還田技術(shù)，探討秸稈處理方式與秸稈配合添加劑等降低稻田碳排放、改良土壤理化性質(zhì)、培肥土壤的作用；周年耕作施肥技術(shù)，即設(shè)計頭季稻施用氮、磷、鉀肥比例、用量與施肥運籌，配合再生稻季耕作，減少肥料損失，建立生態(tài)經(jīng)濟豐產(chǎn)的耕作施肥技術(shù)。

3）再生稻稻田土壤培肥與耕作的關(guān)鍵機具選改型及配套。針對再生稻生長過程中機械化程度低，且肥料利用率低等問題，應(yīng)利用長期定位試驗基地，研究不同機具配合施肥下再生稻稻田頭季稻與再生稻的養(yǎng)分吸收規(guī)律，闡明機械化施肥對再生稻養(yǎng)分吸收利用的影響，明確再生稻稻田機械化施肥技術(shù)，提出適宜中國再生稻機械化的增產(chǎn)增效的再生稻周年施肥模式。

4）再生稻稻田土壤團聚體形成與肥沃耕層構(gòu)建。

5）研究方法創(chuàng)新。一方面，傳統(tǒng)的大田試驗和長期定位研究相結(jié)合。觀察土壤肥力長期演變規(guī)律，分析得出有效培肥措施。另一方面，充分利用現(xiàn)代科技手段。利用環(huán)境分子技術(shù)，如磷脂脂肪酸技術(shù)（PLFA）、熒光定量PCR技術(shù)、高通量測序技術(shù)，分析再生稻稻田土壤微生物群落的變化，結(jié)合結(jié)構(gòu)式方程模型等，明確再生稻稻田土壤肥力的變化特征及其障礙因子；結(jié)構(gòu)方程模型能揭示農(nóng)藝措施與土壤肥力間的內(nèi)在關(guān)系，揭示影響土壤肥力的障礙因子。其是基于變量的協(xié)方差矩陣來分析變量之間關(guān)系的一種方法，是由兩個或兩個以上結(jié)構(gòu)方程的組合表示變量間相互關(guān)系的聯(lián)立方程組；利用同位素技術(shù)、能譜和顯微技術(shù)等手段，揭示團聚體形成過程與機制，探明養(yǎng)分運移規(guī)律與有效化。

5 小結(jié)

再生稻栽培是一項綠色、節(jié)本增效的種植制度，對于保障中國糧食安全，提高農(nóng)民的經(jīng)濟收入具有重要意義。然而，在發(fā)展再生稻時也應(yīng)注意其栽培過程中對稻田土壤肥力的不利影響，因此要在明確再生稻肥料利用規(guī)律、稻田土壤肥力的變化特征及其障礙因子基礎(chǔ)上，確定茬口期生物培肥技術(shù)，明確優(yōu)化秸稈還田與機械化施肥技術(shù)，研制精確的再生稻稻田生物培肥技術(shù)、秸稈還田與耕作技術(shù)，結(jié)合機械化，優(yōu)化、集成、組裝出適宜中國再生稻稻田土壤的培肥與耕作模式。

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