覆膜水稻修复荒漠化土壤过程中的物质循环

Material Circulation in the Process of Repairing Desertified Soil by Coated Rice

摘要: 为了对沙化的土壤进行修复，采用双膜覆盖技术进行水稻种植，并选择自2014年以来采用该技术种植的水稻土作为研究对象，对比了水稻土、草地与荒漠的氮素循环，研究了科尔沁奈曼旗沙地和稻田的氮、磷、钾、有机质含量。结果表明，水稻土中氮、磷、钾、有机质含量皆随着水稻种植年数的增加而增加。至2018年，与未修复的沙化土壤相比，采用双膜覆盖技术种植的水稻土中，总氮增加了230%，总磷增加了750%，总钾增加了100%，有机质增加了146%。总的来说，双膜覆盖技术的应用可以修复沙化土壤，逐步将土壤养分增加到正常土壤水平。沙漠化土壤得到恢复，并为日后植物的生长提供所需营养。

Abstract: In order to restore the sandy soil, double-film mulching technique is applied to the cultivation of desert rice. The un-restored sandy soil and the paddy soil planted by this technique were selected from 2014 to 2018 as the research object by comparing nutrient bridging in paddy soil, grassland and desert. The variation in soil nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K) and organic matter (SOM) contents in sand and paddy soils of Horqin Naiman Qi were studied. Results showed that paddy soil N, P, K and SOM contents increased with the increase of this technology application years. Compared to un-restored sandy soil, the content of soil total N in the paddy soil planted by double-film mulching technique increased by 230%; total P content increased by 750%; total K content increased by 100%; SOM content increased by 146%. Overall, double-film mulching tech-nique can improve the sandy paddy soil, restore the sandy land and provide the essential nutrients to the next generation of desert rice.

1. 引言

长期以来，由于土壤资源的过度开发利用、缺乏有效管理等因素，使得土壤退化问题十分严重，根据第五次全国荒漠化和沙化检测结果显示，我国荒漠化的土地面积达2.61 × 10⁶ km²，占我国国土面积的27.1% [1] 。

土地荒漠化是指由于气候变化和人类不合理的生产和生活活动导致干旱、半干旱和干燥半湿润地区的土地发生退化的现象 [2] ，它是目前世界上最重要的环境问题之一 [3] ，荒漠化将破坏土地资源及生态环境，对生物多样性造成了极大的威胁，对农民的生产活动造成了极大困难 [4] 。

本研究通过膜技术的应用，在荒漠化土壤上实现水稻的种植，既能遏制荒漠化扩散，修复荒漠化土壤，又增加了耕地面积，提高农民收入。待荒漠化土壤的营养水平修复至普通草原土壤的营养水平后，将稻田退田还草，并开辟新的荒漠化土地作为覆膜水稻田，按计划有序的进行荒漠化土壤的修复。本文将已进行4年水稻种植试验的荒漠土壤与未进行水稻种植的荒漠土壤进行对比分析，模拟物质循环过程，得出荒漠化土壤的修复速率，为将来扩大种植修复面积、规划修复计划提供理论帮助。

2. 双膜覆盖技术

双膜覆盖技术是指将沙地表面平整后，在沙层下80 cm深处铺设衬膜，以减少水的渗漏；为防止表面蒸发，使用厚度为5~7 μm的塑料薄膜覆盖表面，并且在整个生长期不形成水层，在分蘖中期之前，保持根层土壤基本饱和，之后维持根成土壤在不饱和状态。与传统的沙漠绿化相比，双膜覆盖技术具有快速绿化、有效减少地表水体氮流失和渗漏污染地下水的风险，减少用水量等特点，由表1可以看出，每亩传统水稻的需水量是1400 m³ [5] ，每亩衬膜水稻的需水量是800 m³ [5] ，而采用双膜覆盖技术种植的水稻，每亩仅需500 m³的水。

Table 1. Comparison of rice water requirement

表1. 水稻需水量对比

3. 衬膜技术

水稻衬膜技术是基于无土栽培原理，将不能保水保肥的沙子作为床土，在沙土下铺设塑料薄膜以防止水肥渗漏，并通过定期计划性的浇水施肥，使作物获得良好的生长环境而获得高产的新技术 [6] 。在相同的条件下，采用水稻衬膜技术种植的水稻与普通水稻相比，能节省约30%的水、10%的肥料、生育期缩短7~10天；进行衬膜工程改造的水稻田能连续种植10~12年，无需翻耕 [7] 。1994年，内蒙古自治区奈曼旗进行了衬膜水稻试验种植，23亩试验田平均产量为每亩649公斤 [8] 。20世纪60年代中期，日本水稻专家松岛省三等进行了小规模的衬膜水稻种植试验，获得了一定的成果 [9] 。

4. 覆膜技术

水稻覆膜技术是一种节水栽培方法，将水稻种植在有塑料薄膜覆盖的田地上，然后在不被水淹没的条件下进行旱管旱长 [10] 。将稻田保护起来，具有节约水肥、节省劳动力成本等效果 [11] 。20世纪70年代末，中国从日本引进了覆膜种植技术，取得了显著的效果，很大程度上提高了作物产量 [12] 。2007年安岳县的两个村进行了共计60亩的试点种植试验，取得了良好的结果 [13] 。

5. 材料与研究方法

5.1. 研究区域概况

研究区位于科尔沁沙地的南部，东经120˚18'30''~121˚30'40''，北纬42˚13'30''~43˚31'20''，属内蒙古自治区通辽市奈曼旗，气候属大陆性温带半干旱气候，年平均降水量为366 mm，降水主要集中在6月到8月，年平均气温为6.3℃，年蒸发量为1935 mm [14] 。目前该区域已有一万亩的覆膜水稻田。

5.2. 土壤样品采集

为确保田间采样的科学性，在环境基本相同的沙地中选取了未进行修复的沙地和自从2014年以来采用双膜覆盖技术进行水稻种植的样地于2014年和2018年分别采样。分别选取4个10 m × 10 m的样方，以梅花法进行划点采样，采样深度为0~30 cm，采样结束后将每个样品以四分法缩分，去除杂质后带回实验室处理保存。

5.3. 测定方法

土壤总氮利用元素分析仪测定，土壤总磷采用酸熔–钼锑抗比色法测定，土壤总钾采用氢氟酸–高氯酸消煮法测定 [15] ，土壤有机质采用高温外热氧化–亚铁滴定法(GB9834-88)测定 [16] 。

6. 结果与分析

采用双膜覆盖技术种植水稻以修复荒漠化土壤，在环境相同的未修复沙地与已修复沙地分别采样，测量并分析其氮、磷、钾和有机质含量。对荒漠化土壤进行修复，主要是提高土壤肥力 [17] ，而土壤肥力是通过土壤中的养分来衡量的 [18] ，因此，荒漠化土壤的修复表现为土壤养分的增加。其中以氮、磷为限制因素 [19] 。

6.1. 氮循环

水稻生长所需的氮50%~70%是土壤提供的 [20] ，土壤供氮能力的强弱影响着水稻的产量 [21] 。土壤中的氮素转化是生物–土壤生态系统中氮循环的重要组成部分 [22] ，所以需要进一步探究覆膜水稻田的氮循环，并用草原与荒漠的土壤氮循环进行对比(见图1~6)。

6.1.1. 覆膜水稻氮循环

如图1、图2所示，覆膜水稻田的氮循环中，氮的输入项有降水氮、生物固氮、有机肥施用氮和种子带入氮，氮的输出项有作物收获氮、反硝化损失氮和农田氨挥发氮。

Figure 1. Desert rice nitrogen cycle

图1. 覆膜水稻氮循环图

Figure 2. Desert rice nitrogen cycle flow chart

图2. 覆膜水稻氮循环流程图

1) 降水氮

通过计算近几年内蒙古自治区年平均降水量 [24] ，得出降水氮为4.93 kg/hm²∙a (328.6 g/亩∙a)。

2) 生物固氮

由作物固氮与土壤生物固氮组成，其中水稻固氮系数为30 kg/hm²，土壤生物固氮系数为25 kg/hm² [23] 。得出生物固氮为55 kg/hm²∙a (3666.7 g/亩∙a)。

3) 有机肥施用氮

施用的有机肥为猪粪，猪粪的含氮量约为2 g/kg [25] 。得出的结果为43.0 kg/hm²∙a (2866.7g/亩∙a)。

4) 种子带入氮

水稻种子的氮系数为2.25 kg/hm² [23] 。得出的结果是2.25 kg/hm²∙a (150 g/亩∙a)。

5) 作物收获氮

收获水稻含氮系数为19.1 kg/t [23] 。得出的结果是42.98 kg/hm²∙a (2865.0 g/亩∙a)。

6) 反硝化损失氮

有机肥反硝化损失量为含氮量乘以13% [23] 。得出的结果是5.6 kg/hm²∙a (373.0 g/亩∙a)。

7) 农田氨挥发氮

有机肥农田氨挥发量为含氮量乘以20% [23] 。得出的结果是8.6 kg/hm²∙a (573.0 g/亩∙a)。

沙漠水稻土壤氮的输入有降水氮、生物固氮、有机肥施用氮、种子带入氮，结果如下表2：

Table 2. Input of soil nitrogen in desert rice

表2. 沙漠水稻土壤氮的输入

沙漠水稻土壤氮的输出有：作物收获氮、反硝化损失氮、农田氨挥发氮，结果如下表3：

Table 3. Output of soil nitrogen in desert rice

表3. 沙漠水稻土壤氮的输出

计算覆膜水稻土壤氮素的输入项与输出项，得出剩余氮的量为48 kg/hm²∙a。

6.1.2. 草原氮循环

如图3、图4所示，草原的氮循环中，氮的输入项有降水氮、生物固氮和动物粪便施入氮，氮的输出项有动物觅食和反硝化损失氮。

Figure 3. Grassland nitrogen cycle

图3. 草原氮循环图

1) 降水氮

通过计算近几年内蒙古自治区年平均降水量 [24] ，得出降水氮为4.93 kg/hm²∙a (328.6 g/亩∙a)。

Figure 4. Grassland nitrogen cycle flow chart

图4. 草原氮循环流程图

2) 生物固氮

生物固氮为9.3 kg/hm²∙a (620g/亩∙a) [26] 。

3) 反硝化损失氮

反硝化损失氮为3.2 kg/hm²∙a (213.3g/亩∙a) [27] 。

4) 动物觅食

折算为绵羊，平均0.41只/亩，日食草3 kg，草含氮率3%，动物觅食输出氮为101 kg/hm²∙a (6734.3 g/亩∙a) [28] 。

5) 动物排泄

折算为绵羊，平均0.41只/亩，年排便1吨，粪便含氮量0.6%，动物排泄投入氮为36.9 kg/hm²∙a (2460 g/亩∙a) [28] 。

6) 牧草收获

每年秋季收割牧草，平均每亩收割10 kg (干草)，干草含氮率6%，牧草收获9 kg/hm²∙a (600 g/亩∙a) [28] 。

草原土壤氮的输入有降水氮、生物固氮、动物排泄，结果如下表4：

Table 4. Input of soil nitrogen in grassland

表4. 草原土壤氮的输入

草原土壤氮的输出有：反硝化损失氮、动物觅食、牧草收获，结果如下表5：

Table 5. Output of soil nitrogen in grassland

表5. 草原土壤氮的输出

计算草原土壤氮素的输入项与输出项，得出剩余氮的量为−62.07 kg/hm²∙a。

6.1.3. 荒漠氮循环

如图5、图6所示，荒漠氮循环中，氮的输入项有降水氮和生物固氮，氮的输出项有反硝化损失氮。土壤养分循环中的输入量和输出量的大小决定了土壤肥力的盈亏 [23] 。

Figure 5. Desert nitrogen cycle

图5. 荒漠氮循环图

Figure 6. Desert nitrogen cycle flow chart

图6. 荒漠氮循环流程图

1) 降水氮

通过计算近几年内蒙古自治区年平均降水量 [24] ，得出降水氮为4.93 kg/hm²∙a (328.6 g/亩∙a)。

2) 生物固氮

生物固氮为8.78 kg/hm²∙a (585.0 g/亩∙a) [29] 。

3) 反硝化损失氮

反硝化损失氮为0.89 kg/hm²∙a (59.5g/亩∙a) [30] 。

荒漠土壤氮的输入有降水氮、生物固氮，结果如下表6：

Table 6. Input of soil nitrogen in desert

表6. 荒漠土壤氮的输入

荒漠土壤氮的输出是反硝化损失氮，结果如下表7：

Table 7. Output of soil nitrogen in desert

表7. 荒漠土壤氮的输出

计算荒漠土壤氮素的输入项与输出项，得出剩余氮的量为12.82 kg/hm²∙a。

6.1.4. 覆膜水稻、草原和荒漠氮循环对比

草原生态系统中由于饲养牲畜且牲畜被贩卖、屠宰，残骸不能回归，导致输出氮大于输入氮，总氮含量逐年减少。荒漠生态系统中虽然输入氮大于输出氮，但由于氮的输入项和输入量均过于稀少，总氮的增长也很少。覆膜水稻由于水稻共生的根瘤菌有固氮作用，又定量施入有机肥料，总氮含量稳定增加，加快荒漠化土壤的修复速度。

6.2. 覆膜水稻土壤总氮含量变化

氮占植物干重的0.3%~5% [31] ，是植物生长发育所必需物质的组成部分，如蛋白质、核酸、磷脂等 [32] 。它是评价土壤肥力高低的重要指标之一 [33] ，在农作物生长和土壤生态系统中起着十分关键的作用 [34] 。本研究分别测量和分析了未修复沙地和稻田土壤的总氮含量。由图7可知，随着水稻种植年数的增长，稻田土壤中的总氮含量也不断上升。与未进行修复的沙地相比，使用膜技术种植的稻田土壤总氮含量增加了230%。结果表明，使用膜技术种植水稻可以增加水稻土的总氮含量，改善土壤，有助于水稻合成生长发育所需要得养分。

Figure 7. Total nitrogen to soil ratio

图7. 总氮占土壤比率

6.3. 土壤总磷含量变化

植物在生长过程中需要吸收大量的磷，其中大部分是有土壤供给的 [35] 。本研究分别测量和分析了未修复沙地和稻田土壤的总磷含量，由图8可知，随着水稻种植年数的增长，稻田土壤中的总磷含量也不断上升。与未进行修复的沙地相比，使用膜技术种植的稻田土壤总磷含量增加了750%。结果表明，使用膜技术种植水稻可以增加水稻土的总磷含量。

Figure 8. Total phosphorus content

图8. 总磷含量

6.4. 土壤总钾含量变化

钾是植物必须的营养元素之一，植物所需的钾主要是由土壤供给的 [36] 。植物用根系吸收通过扩散或质流等方式到达根表的钾 [37] 。本研究分别测量和分析了未修复沙地和稻田土壤的总钾含量。由图9可知，随着水稻种植年数的增长，稻田土壤中的总钾含量也不断上升。与未进行修复的沙地相比，使用膜技术种植的稻田土壤总钾含量增加了100%。结果表明，使用膜技术种植水稻可以增加水稻土的总钾含量。

Figure 9. Total potassium content

图9. 总钾含量

6.5. 土壤有机质含量变化

土壤有机质是评价土壤肥力的重要指标之一 [38] ，也是影响土地生产力的重要因素 [39] 。土壤中的有机质不仅是植物生长所必需营养素的主要来源，还可以增加土壤蓄水量、保水性和保肥能力 [40] ，改善土壤结构和理化性质(缓冲性能，吸附性能，离子交换性能和络合能力等) [41] 。在荒漠化地区，其含量更是评价该地区土壤质量的重要指标 [42] 。本研究分别测量和分析了未修复沙地和稻田土壤的有机质含量。由图10可知，随着水稻种植年数的增长，稻田土壤中的有机质含量也不断上升。与未进行修复的沙地相比，使用膜技术种植的稻田土壤有机质含量增加了146%。结果表明，使用膜技术种植水稻可以增加水稻土的有机质含量，改善土壤土质，帮助作物更高效的合成生长所需的养分。

Figure 10. Organic matter content

图10. 有机质含量

7. 结论

通过对比草原、荒漠和覆膜水稻的氮素循环得出结论：草原生态系统中由于饲养牲畜且牲畜被贩卖、屠宰，残骸不能回归，导致输出氮大于输入氮，总氮含量逐年减少。荒漠生态系统中虽然输入氮大于输出氮，但由于氮的输入项和输入量均过于稀少，总氮的增长也很少。覆膜水稻由于水稻共生的根瘤菌有固氮作用，又定量施入有机肥料，总氮含量稳定增加，加快荒漠化土壤的修复速度。

采用双膜覆盖技术进行水稻种植，水稻土中氮、磷、钾、有机质含量皆随着水稻种植年数的增加而增加。至2018年，与未修复的沙化土壤相比，采用双膜覆盖技术种植的水稻土中，总氮增加了230%，总磷增加了750%，总钾增加了100%，有机质增加了146%。总的来说，双膜覆盖技术的应用可以修复沙化土壤，逐步将土壤养分增加到正常土壤水平。沙漠化土壤得到恢复，并为日后植物的生长提供所需营养。另一方面，稻田产出的水稻可以为市场提供高质量的绿色稻米，在沙区形成独特的绿色有机稻米产业带，为当地农民增加收入。

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)。