科尔沁沙地衬膜水稻土壤基本营养元素，Si，Fe²⁺含量变化

Changes of Basic Nutrient Elements, Si, Fe²⁺ Content in Film-Bottomed Rice Soil in Horqin Sandy Land

摘要: 为达到修复荒漠化土壤的目的，自2014年起，在科尔沁奈曼旗沙地应用双膜覆盖技术种植水稻。对该稻田中的土壤进行研究，对比未经修复的沙地和修复后稻田土壤中氮、磷、钾、有机质、有效硅和亚铁的含量及变化。结果表明，双膜覆盖水稻技术的应用，使土壤中氮、磷、钾、有机质含量明显增加，与2014年未修复沙地土壤相比，应用双膜覆盖技术稻田土壤在2018年和2019年总氮含量分别增加了84%、116%，总磷含量分别增加了87%、97%，总钾含量分别增加93%、104%，有机质含量分别增加了187%、203%。经过5年的双膜覆盖水稻种植，稻田土壤中有效硅含量较2014年增长了15%，达到60.4 mg/kg，但增长速率较慢，且远低于缺硅临界值100 mg/kg，属于缺硅土壤；同时，稻田土壤中亚铁含量较2014年增长了68%，达到69 mg/kg。土壤中亚铁含量会在9月份达到峰值，约为151.8 mg/kg，低于亚铁毒害临界值300 mg/kg。但双膜覆盖水稻种植过程中不透气，亚铁逐年积累，增长较快，需要定时监测。研究表明在荒漠化土壤使用双膜覆盖技术种植水稻可以使土壤中基本营养元素得到有效的增加，使荒漠化土壤逐步修复。对于土壤中缺乏有效硅和亚铁浓度增长较快的问题，可以通过施加发酵稻壳来解决。

Abstract: In order to restore desertified soil, the double-film mulching technology was applied to rice cultivation. Paddy soils planted with this technology from 2014 were selected as research objects. It was found that with the increase in the number of years of application of this technology, the contents of nitrogen, phosphorus, potassium, and organic matter in paddy soils increased. Compared with unrepaired sandy soils in 2014, paddy soils with double-membrane mulch technology increased total nitrogen content by 84% and 116%, total phosphorus content by 87%, 97%, and total potassium in 2018 and 2019, respectively. The contents increased by 93% and 104%, and the organic matter contents increased by 187% and 203%, respectively. After five years of double-mode rice planting, the effective silicon content in the soil reached 60.4 mg/kg, an increase of 15% compared to 2014, but the growth rate was slower and far below the critical silicon deficiency threshold of 100 mg/kg, which is a silicon deficiency soil. Meanwhile, the ferrous content reached 69 mg/kg, an increase of 68% over 2014. The ferrous content in the soil will reach a peak in September, about 151.8 mg/kg, which is lower than the threshold of 300 mg/kg for ferrous poisoning. However, during the planting process of double-film covered rice, air tightness, ferrous accumulation accumulates year by year, and the growth is fast, which requires regular monitoring. The results show that the application of double-film mulching technology can repair desertified soil, gradually bring the nutrients in the soil to the level of normal soil, restore the desertified soil, and provide the necessary nutrients for the next generation of film-covered rice. For the lack of effective silicon and ferrous iron in the soil, the problem of rapid growth can be solved by applying fermented rice husks.

1. 引言

土地荒漠化是因自然环境变化和人类活动导致的植被退化，生态系统被破坏的现象 [1]，位列世界六大生态问题之首 [2]。建国以来，我国土地荒漠化面积不断增加，据调查结果显示，至2016年，我国已有27.1%的土地发生了不同程度的荒漠化现象 [3]。荒漠化破坏基础设施，阻碍经济发展，恶化生态环境，威胁人们的生命财产安全 [4]。

本文利用双膜覆盖技术改造荒漠化土壤并种植水稻，这样不但能固定沙化土壤，并通过水稻的生物作用和施加有机肥等人工干预修复荒漠化土壤，又将无法利用的荒漠变为可以耕作的田地，增加耕地面积。本文将自2014年起进行双膜覆盖改造，至2019年已进行5年水稻种植试验的荒漠土壤与试验地附近未修复土壤进行采样测定，研究氮、磷、钾、有机质、有效硅、亚铁等影响水稻生长元素的含量及变化，确定土壤修复成果，为下一步研究工作做好准备。

2. 材料与方法

2.1. 衬膜技术

水稻衬膜技术指在沙层下铺设塑料衬膜以防止水肥流失，将衬膜上的沙土作为基质种植作物，并利用科学的水肥管理措施，使作物缩短生长周期并提高产量的新技术 [5]。衬膜水稻较常规水稻水肥消耗减少10%~30%，并能提早一周收获；地下衬膜寿命长达10年 [6]。20世纪90年代，奈曼旗试验种植的1.5 hm²衬膜水稻，产量达到9750 kg/hm² [7]。

2.2. 覆膜技术

水稻覆膜技术是将塑料薄膜铺设在稻田土壤表面，以达到减少水分和氮肥挥发的目的 [8]，能够有效减少水肥消耗和降低劳动力成本 [9]。20世纪70年代，我国学者引进了这项新技术，增产效果十分明显 [10]。2007年有研究人员在安岳县种植4 hm²覆膜水稻，也达到了不错的效果 [11]。

2.3. 双膜覆盖技术

双膜覆盖技术是指将荒漠化土壤进行工程改造以达到能够种植水稻的目的。通过地下衬膜，地上覆膜的方式减少水肥流失，保证水稻在沙土中的正常生长。常规水稻每个生长周期需水量为21,000 m³/hm²，衬膜水稻为12,000 m³/hm² [12]，而双膜覆盖水稻仅为7500 m³/hm²。与其他生态修复技术相比，双膜覆盖技术修复速率快，无肥料渗漏，节约淡水资源，还能收获农作物，产生经济价值。

2.4. 研究区域概况

课题组自2014年起于内蒙古通辽市奈曼旗设立试验田用于双膜覆盖技术的研究，奈曼旗地处科尔沁沙地南部，主要以风蚀堆积沙地为主，东经120˚39'，北纬42˚51'，大陆性季风气候，年平均降水量335.9 mm，年平均气温6.8℃，年最大蒸发量1104.6 mm，最小蒸发量871.5 mm。

2.5. 土壤样品采集

本研究在2014年进行双膜覆盖工程改造前于试验地采取土样，以确定未修复沙地土壤中各营养元素底值。并分别于2018年和2019年的5月、10月在试验田及其附近环境相似的未修复荒漠土壤中采样。每个采样点选取4个10 m × 10 m的样方，以梅花法进行采样，采取深度0~30 cm得土壤样品，剔除石子等杂质后阴干，研磨过筛，以备实验测定使用。

2.6. 测定方法

土壤总氮用开氏消煮法测定，总磷用碳酸钠熔融法测定，总钾用氢氧化钠熔融法测定，有机质用高温外热重铬酸钾氧化–容量法测定，有效硅用柠檬酸提取–钼蓝比色法测定，亚铁用邻菲罗啉比色法测定 [13]。

3. 结果与分析

通过对土样中氮、磷、钾、有机质等基本营养元素的测定可以得知荒漠化土壤修复速率及修复成果 [14] [15]。而硅是水稻的重要元素组成，土壤中有效硅的含量直接影响到水稻的产量，有效硅的测定有助于做出水稻增产计划 [16]。同时，由于双膜覆盖水稻种植过程中土壤不与空气接触，导致土层缺氧，还原性强，可能会导致亚铁浓度升高，毒害水稻根系，故对土壤中亚铁浓度进行测定分析是十分必要的。

3.1. 土壤总氮含量变化

氮素是植物体不可缺少的重要营养元素 [17]，占植物体比重很大 [18]，土壤中氮素含量水平直接决定其肥力水平 [19]，它在人类农业和自然生态平衡中都有着重要的作用 [20]。通过对比未进行改造修复的沙地土壤和已进行双膜覆盖改造及数年水稻种植的稻田土壤中各采样点总氮含量平均值，可知双膜覆盖水稻种植对荒漠化土壤中总氮含量的影响。由图1可知，2014年未进行双膜覆盖改造的沙地土壤中总氮含量为0.019%，而双膜覆盖水稻田中的土壤经过数年的种植修复，2018年稻田土壤中总氮含量为0.035%，较未修复土壤增长了84%；2019年稻田土壤中总氮含量为0.041%，较未修复土壤增长了116%。实验数据表明，通过双膜覆盖水稻种植可使荒漠化土壤中总氮含量明显增加，土壤肥力得到有效提升，为植物在土壤中生长提供必要的营养元素。

Figure 1. Total nitrogen to soil ratio

图1. 总氮占土壤比率

3.2. 土壤总磷含量变化

磷能够促进植物根系发育，调节代谢过程，增强抗旱抗旱能力，植物的生长发育离不开磷 [21]。通过对比未进行改造修复的沙地土壤和已进行双膜覆盖改造及数年水稻种植的稻田土壤中各采样点总磷含量平均值，可知双膜覆盖水稻种植对荒漠化土壤中总磷含量的影响。由图2可知，2014年未进行双膜覆盖改造的沙地土壤中总磷含量为22.07 mg/kg，而双膜覆盖水稻田中的土壤经过数年的种植修复，2018年稻田土壤中总磷含量为41.33 mg/kg，较未修复土壤增长了87%；2019年稻田土壤中总磷含量为43.56 mg/kg，较未修复土壤增长了97%。实验数据表明，通过双膜覆盖水稻种植可使荒漠化土壤中总磷含量明显增加，为土壤中植物提供生长必要的营养元素。

Figure 2. Total phosphorus content

图2. 总磷含量

3.3. 土壤总钾含量变化

钾能够增强植物抗逆性，促进其光合作用和对氮磷的吸收 [22]，植物主要通过根系从土壤中吸收钾 [23]。通过对比未进行改造修复的沙地土壤和已进行双膜覆盖改造及数年水稻种植的稻田土壤中各采样点总钾含量平均值，可知双膜覆盖水稻种植对荒漠化土壤中总钾含量的影响。由图3可知，2014年未进行双膜覆盖改造的沙地土壤中总钾含量为6.25 g/kg，而双膜覆盖水稻田中的土壤经过数年的种植修复，2018年稻田土壤中总钾含量为12.05 g/kg，较未修复土壤增长了93%；2019年稻田土壤中总钾含量为12.75 g/kg，较未修复土壤增长了104%。实验数据表明，通过双膜覆盖水稻种植可使荒漠化土壤中总钾含量明显增加，从而促进水稻对钾的吸收。

Figure 3. Total potassium content

图3. 总钾含量

3.4. 土壤有机质含量变化

有机质是土壤中最活跃的部分，是土壤肥力的基础 [24]，直接影响农作物的产量 [25]。有机质不但能帮助土壤蓄水保肥，改善土壤结构和理化性质 [26]，还能通过矿质化作用分解出大量营养元素和微量元素 [27]。在荒漠化土壤修复的过程中，有机质含量更是土壤修复程度的直接体现 [28]。通过对比未进行改造修复的沙地土壤和已进行双膜覆盖改造及数年水稻种植的稻田土壤中各采样点有机质含量平均值，可知双膜覆盖水稻种植对荒漠化土壤中有机质含量的影响。由图4可知，2014年未进行双膜覆盖改造的沙地土壤中有机质含量为3.0 g/kg，而双膜覆盖水稻田中的土壤经过数年的种植修复，2018年稻田土壤中有机质含量为8.6 g/kg，较未修复土壤增长了187%；2019年稻田土壤中有机质含量为9.1 g/kg，较未修复土壤增长了203%。实验数据表明，通过双膜覆盖水稻种植可使荒漠化土壤中有机质含量明显增加，改善土壤结构和理化性质，优化植物生长环境。

Figure 4. Organic matter content

图4. 有机质含量

3.5. 土壤有效硅含量变化

硅是植物体重要组成元素 [29]，水稻在生长发育过程中尤其离不开硅。植物吸收的硅能使其表皮细胞硬化，茎、叶挺拔平直，增加光合反应面积，提高光合效率 [30]。硅能增强植物体的通气组织，强化根系的氧化能力 [31]，加速植物根部发育，促进植物对于营养物质的吸收，提高植物的抗病虫害能力 [32]；同时，硅的吸收还能改善植物体矿质养分状况，增加农作物产量 [33]。一般认为，土壤中有效硅含量低于100 mg/kg为缺硅土壤 [34]。

通过测量分析未进行改造修复的沙地土壤和已进行双膜覆盖改造及数年水稻种植的稻田土壤中各采样点有效硅含量平均值，可知双膜覆盖水稻种植对荒漠化土壤中有效硅含量的影响。由图5可知，未进行双膜覆盖改造的沙地土壤中有效硅含量为52.5 mg/kg，而双膜覆盖水稻田中的土壤经过5年的种植，有效硅含量达到60.4 mg/kg，增长了15%。有效硅含量的增长，说明说明双膜覆盖水稻逆转了土壤荒漠化过程，荒漠化土壤开始修复，但增长速率较慢，土壤缺硅情况十分严重。需要改进种植方案，加强硅素的补充。

Figure 5. Effective silicon content

图5. 有效硅含量

3.6. 土壤亚铁含量变化

由于双膜覆盖水稻种植过程中土壤不与空气接触，导致土层缺氧，还原作用较强，容易产生亚铁和还原态硫等还原性物质，当还原性物质积累过多便会对水稻产生毒害作用 [35]。亚铁作为还原性土壤对水稻的一种主要障碍因子 [36]，占土壤还原性物质总量的60%~80%左右 [37]。随着亚铁在田中不断累积，对水稻的毒害逐渐加强，水稻遭受亚铁毒害时，生物量和产量明显下降，严重时减产30%~60% [38]。所以实时监控调整稻田中亚铁含量对水稻的正常生长有很重要的现实意义。

Figure 6. Ferrous content

图6. 亚铁含量

通过测量分析双膜覆盖水稻田中各采样点亚铁含量平均值，可监测种植过程中稻田中亚铁含量增长速度。由图6可知，未进行双膜覆盖改造的沙地土壤中亚铁含量为41 mg/kg，而双膜覆盖水稻田中的土壤经过5年的种植，亚铁含量达到69 mg/kg，增长了68%。袁大刚 [39] 等经过研究发现，在水稻田中，未在淹水状态下土壤中的亚铁含量基本保持不变，当5月份开始种植水稻淹水时，土壤中亚铁含量开始逐渐积累，到9月份水稻成熟收获前达到峰值，可达未淹水时亚铁含量的220%。本次实验用于测定亚铁含量的土壤于10月份采样，是为未淹水期，可以推断，当年9月土壤中亚铁含量达到峰值时约为151.8 mg/kg。国内外研究学者一致认为，当土壤中亚铁含量达到300 mg/kg时，就会对水稻产生毒害作用 [40]。说明目前稻田土壤中亚铁含量峰值还未达到毒害水稻的临界值。但双膜覆盖水稻种植过程中不透气，亚铁逐年积累，增长较快，需要定时监测。

4. 讨论

科尔沁沙地荒漠化土壤经过5年的双膜覆盖水稻工程修复后，其中基本营养元素均有显著提升，有机质增长比例最高，较2014年增长了203%，荒漠化修复初见成效。而土壤中有效硅仅仅增长了15%，且仍处于严重缺硅的范围，可见目前采取的修复措施对土壤有效硅增长影响有限，有效硅含量过低可能是导致试验地双膜覆盖水稻产量较低的主要原因之一，采取新的方法以加快土壤中有效硅含量增加是下一步研究的重点。双模工程改造后的土壤耕层透气性差，亚铁积累速度快，在加强监测的同时也应通过科学的方法对其进行控制，预防亚铁毒害水稻现象的发生。

水稻中硅含量丰富，其地上部分干物质中硅含量占总干物质重量的10%左右，其中以稻壳中含量最多 [41]；陈娜 [42] 发现，发酵后的稻壳对土壤中的亚铁有吸附作用，且吸附效果稳定。我们可以改进秸秆还田技术，将稻壳发酵后定量施入土壤，既能增加土壤中有效硅的含量，又能吸附土壤中的亚铁，控制亚铁浓度，同时还能增加氮、磷、钾、有机质等土壤基本营养元素的含量，提高修复速率。

5. 结论

应用双膜覆盖技术种植水稻以修复荒漠化土壤，土壤总氮、总磷、总钾和有机质含量呈不断增加的趋势。而土壤中有效硅增长速率较慢，且远低于缺硅临界值，属于缺硅土壤；同时，亚铁含量低于亚铁毒害临界值。但双膜覆盖水稻种植过程中不透气，亚铁逐年积累，增长较快，需要定时监测。

总的来说，应用双膜覆盖水稻技术修复荒漠化土壤，土壤中基本营养元素逐步增加，荒漠化土壤得到修复，同时还可以产出优质稻米，产生经济效益。对于土壤中缺乏有效硅和亚铁浓度增长较快的问题，可以通过施加发酵稻壳来解决。

基金项目

辽宁省教育厅2017年度高等学校基本科研立项：双膜覆盖沙漠水稻种植技术研究(LFW201703)。

NOTES

^*通讯作者。