黔中不同播期水稻土壤理化性狀分析

張皓 袁碩 張學彬

摘要：以4段分期移栽水稻（Oryza sativa L. ）土壤作為研究對象，收集氣溫、泥溫逐日數據，同時測定了土壤pH、養分含量、機械組成、交換性鹽基離子等指標，通過方差分析和相關性分析探討了不同播期水稻土壤理化性狀的差異，利用主成分分析計算出不同播期土壤綜合得分。結果表明，土壤養分含量為適宜到豐富;交換性鹽基組分中Ca2+比例最高;土壤組成以粉粒為主;5月9日移栽的水稻土壤中黏粒含量最高，對應的分形維數最大。相關性分析結果表明，K+與Mg2+之間表現為協同，相關系數為0.953;有機質、全氮與Na+表現為顯著正相關;pH與平均氣溫相關性極顯著;速效鉀與積溫為顯著正相關;黏粒含量在相關性分析中與多數指標表現出較強的正相關。針對不同播期進行的各因子主成分分析表明，5月9日更適宜試驗地點進行水稻移栽。

關鍵詞：水稻（Oryza sativa L. ）播期;土壤;理化性狀;黔中地區

Abstract： Soil of four stages of rice （Oryza sativa L. ） transplanting were used as research objects to explore the differences of physical and chemical properties of rice soil at different sowing date. Daily data of air temperature and mud temperature were collected， and soil pH， nutrient content， mechanical composition and exchangeable base cations were measured. Through variance analysis and correlation analysis， the differences of physical and chemical properties of rice soil at different sowing date were discussed， and the soil comprehensive scores at different sowing date were calculated by principal component analysis. The results showed that soil nutrient content was from suitable to rich. The proportion of Ca2+ in the exchangeable base components was the highest， and the soil composition was mainly composed of silty grains. The content of clay grains of rice soil transplanted May 9 was the highest， and the corresponding fractal dimension was the largest. The results of correlation analysis showed that the correlation coefficient between K+ and Mg2+ was 0.953; Organic matter， total nitrogen and Na+ showed significant positive correlation; pH was significantly correlated with average temperature， while available potassium was significantly positively correlated with accumulated temperature; The clay content showed strong positive correlation with most indexes. Principal component analysis of various factors for different sowing date showed that the suitable date for rice transplanting was May 9.

Key words： sowing date of? rice （Oryza sativa L. ）; soil;? physical and chemical properties; central Guizhou province

據研究，水稻（Oryza sativa L.）生育期內的養分大約有 1/3 來自土壤，故有“水稻靠地力”之說。土壤是在自然和社會因素綜合作用和影響下存在并變化的開放型復雜體系，通過水、肥、氣、熱4方面的作用表現其肥力。土壤養分狀況是土壤肥力的核心研究內容[1]，分形維數可以較好地作為肥力特性的定量化指標[2]。通過分析土壤肥力水平，制定合理施肥措施，確保土壤養分的平衡供應，從而實現維持或提高水稻增產潛力的目標[3]。

20世紀60年代以來，中國主要糧食作物種植區農業氣候資源分布受溫度上升、日照減少與降水格局變化影響正在發生深刻改變[4]，并且氣候變化對糧食產量的不利影響比有利影響更為顯著[5]。在農業生態系統中，水稻生產系統對氣候變化響應尤為突出。有研究表明，溫度每升高 1.5 ℃可能會引起水稻減產2%[6]。貴州省作為中國南方喀斯特地貌中心，生態環境脆弱，環境承載力低，氣候變化敏感[7]，水稻受低溫危害的風險也比較大[8，9 ]，在氣候“暖干化”背景下，2020—2050年糧食生產受氣候變化的嚴重沖擊會變得更加嚴峻[10]。因此，充分利用貴州省熱量較豐富的氣候特點進行水稻分期播種，可以有效提高資源利用率，對加強水稻生產、降低氣候變化對產量帶來的負效應具有積極意義[11]。本試驗研究了土壤養分、分形維數、溫度對不同播期水稻土壤理化性質的影響，以期為當下貴州省水稻穩定、優質、高效、生態、安全生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于貴陽市清鎮市暗流鎮，地處云貴高原東斜坡中部、苗嶺山脈北側，境內海拔高差962 m，地形為典型的高原山地，土壤母質為紫色巖。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 以10 d為間隔，從2018年4月29日至5月29日分4期對水稻進行移栽，品種為香早優2017，每播期設置4次重復，每小區面積不小于30 m2，各播期的田間管理均一致。

1.2.2 土樣采集 2018年11月水稻收獲后進行土壤樣品的采集，采樣前一周研究區未見雨雪，樣品選擇多云天氣下，在1 d內完成采集。每播期的土樣采集按“S”形分布，取樣量1 kg，土壤樣品采集深度控制在0～20 cm，去除其中的大塊礫石與植物須根，分別進行編號，密封保存。

1.2.3 土樣測定與數據來源 土壤pH測定采用電位測定法（水土比2.5∶1）;全氮含量測定采用凱氏定氮法;堿解氮含量測定采用堿解擴散法;有效磷含量測定采用碳酸氫鈉浸提鉬藍比色法;有機質含量測定采用重鉻酸鉀外加熱法;速效鉀含量測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法;土壤機械組成測定采用吸管法;交換性鹽基離子（K+、Na+、Mg2+、Ca2+）含量測定采用1 mol/L乙酸銨交換-原子吸附分光光度法[12]。氣象數據（氣溫、降水、空氣濕度、地溫、土壤濕度、光合有效輻射）由貴州省氣象局統一建設的農田小氣候站采集。

1.2.4 數據處理 采用Excel 2003對數據進行處理，借助SPSS 23.0進行單因子方差分析、相關性分析、主成分分析，通過楊培嶺等[13]提出的土壤顆粒重量分布計算分形維數。

2 結果與分析

2.1 各播期溫度

溫度對水稻生長發育的影響表現在其生長狀況及生長量上，孕穗期高溫阻礙植物葉片光合作用，降低干物質積累速率、積累量和干物質在植物中分配比率，從而導致產量和品質下降[14]，一般而言，水稻全生育期溫度在28 ℃左右最為適宜。適宜的泥溫有利于加速有效養分的釋放和土壤水分運動。試驗中水稻從移栽到成熟，各播期經歷的時間不同，播期越晚生育期越短[15]。由表1可知，≥10 ℃積溫、≥10 ℃泥積溫按照播期從早到晚依次減少;同一播期的平均氣溫、平均泥溫趨勢一致，不同播期中第二播期水稻自移栽至成熟階段平均溫度最高，第四播期最低。水稻根系在25～30 ℃的泥溫中有利于根細胞的分裂和伸長，增強礦質養料及水分的供應，水稻分蘗要求在20 ℃以上的泥溫中進行。通過表1統計數據比較得出，第二播期相對更適宜，溫度指標雖未達最優狀態，但可以保障水稻生長不受高溫脅迫。

2.2 土壤養分

土壤pH是土壤溶液中游離的H+和OH-濃度比例不同而表現出來的酸堿性質，其大小通過H+濃度的負對數來表示。它作為土壤肥力的一項重要指標，能夠綜合反映土壤化學性質以及土壤母質狀況。高產水稻田要求土壤為弱酸性到中性（6.0～7.0）。由表2可知，4個播期下土壤pH表現為第二播期>第三播期>第一播期>第四播期，pH介于6.22～7.36，第二播期、第三播期土壤為中性，更加適宜水稻生長。變異強度評價參照薛正平等[16]的3級評價法進行分析，即變異系數CV<10%，弱變異;10%≤CV≤30%，中等變異;CV>30%，強變異。各播期之間為弱變異，pH無顯著差異。

土壤有機質是土壤質量的核心，其數量和質量影響土壤性質，在維持土壤質量和控制養分方面起重要作用[17]。土壤作為土壤養分的儲存庫和微生物活動的主要能量來源，其含量在很大程度上決定了土壤的理化性質和肥力水平[18]。4個播期下土壤有機質含量范圍為47.80～75.83 g/kg，有機質含量表現為第三播期（68.92 g/kg）>第二播期（62.55 g/kg）>第四播期（54.95 g/kg）>第一播期（53.45 g/kg）。依據養分分級標準（表3），各播期土壤有機質含量極豐富，變異系數為10.36%，各播期間無顯著差異。

水稻是喜氮作物，土壤氮豐缺與水稻穩產、高產密切相關。4個播期下土壤全氮含量范圍為2.74～2.97 g/kg，第二播期（2.92 g/kg）、第三播期（2.93 g/kg）含量基本相當，略大于第一播期（2.81 g/kg）、第四播期（2.84 g/kg）。土壤堿解氮含量范圍為179.29～215.81 mg/kg，含量表現為第三播期（206.40 mg/kg）>第二播期（204.74 mg/kg）>第四播期（198.38 mg/kg）>第一播期（182.61 mg/kg）。各播期土壤全氮、堿解氮含量極豐富，含量間為弱變異，無顯著差異。水稻收獲后，水稻地下部分腐爛過程促進了有機物質累積，土壤對氮的吸附增強，土壤液相中銨態氮含量明顯下降，進而抑制了氨揮發[19，20]，同時能夠降低NH4+淋洗，提高土壤中氮素含量[21]。同時應注意，有機質或氮素過量會導致水稻分蘗期延長，營養生長抑制生殖生長，造成穎花稀疏，影響產量，故認為第一播期土壤有機質、氮素含量更適宜水稻生長。

4個播期下土壤有效磷含量范圍為10.10～39.52 mg/kg，含量表現為第一播期（37.70 mg/kg）>第二播期（22.85 mg/kg）>第三播期（14.45 mg/kg）>第四播期（10.85 mg/kg）。第一播期、第二播期水稻土壤所含有效磷豐富，第三播期、第四播期為最適宜。土壤中磷含量較高，其原因是南方土壤含有大量的無定型氧化鐵、鋁，對磷肥有極強的吸附固定作用，使磷肥成為難溶性磷，利用率極低[22]，造成每年施用的磷肥大部分殘留于土壤中[23]。另外，當有效磷含量低于60 mg/kg時不易產生淋溶流失是造成有效磷含量較高的主要原因[24]。各播期土壤有效磷含量達到了強變異（CV為48.16%）。第三播期與第四播期之間土壤有效磷含量無顯著差異，第一播期下土壤有效磷含量極顯著高于其他3個播期，第二期土壤有效磷含量也極顯著高于第三和第四播期。磷素適宜能夠促進水稻根系發育，保障適時分蘗、抽穗，以第三播期為最優。

鉀在植物體內流動性大，并且可以再利用。試驗中土壤速效鉀含量范圍為72.01～175.00 mg/kg，含量表現為第一播期（141.00 mg/kg）>第二播期（132.50 mg/kg）>第三播期（108.50 mg/kg）>第四播期（82.50 mg/kg）。第一播期、第二播期、第三播期水稻土壤所含速效鉀最適宜，第四播期為適宜，各播期土壤速效鉀為中等變異（CV為19.62%），各播期間含量無顯著差異。研究區土壤母質為紫色巖，由紫色巖發育的土壤表現出很高的供鉀能力[25]。

2.3 土壤交換性鹽基離子

交換性K+、Na+、Mg2+、Ca2+是水稻生長必需營養元素，其含量與組成的變化直接影響作物的生長與品質。如表4所示，各播期水稻土壤中交換性鹽基離子總量平均為26.48 cmol/kg，第四播期最高。交換性鹽基組分中以Ca2+優勢最大，占交換性鹽基總量的85.42%，其他離子占比依次為Mg2+（12.42%）、K+（1.28%）、Na+（0.87%），這與范慶鋒等[26]的研究結論一致。土壤膠體中Na+、K+、Mg2+、Ca2+之間為互補離子[12] ，一種離子含量的顯著增加直接導致了其他離子在鹽基離子總量中所占比例的降低[27]。

4個播期下土壤交換性K+含量平均為0.34 cmol/kg，范圍為0.23～0.46 cmol/kg，平均含量關系為第一播期（0.39 cmol/kg）>第二播期（0.38 cmol/kg）>第三播期（0.30 cmol/kg）>第四播期0.27 cmol/kg）。各播期交換性K+為中等變異（CV為15.29%），各播期間含量無顯著差異。各播期土壤交換性Na+含量平均為0.23 cmol/kg，范圍為0.15～0.37 cmol/kg，平均含量表現為第三播期（0.31 cmol/kg）>第二播期（0.27 cmol/kg）>第四播期（0.17 cmol/kg）>第一播期（0.16 cmol/kg）。各播期交換性Na+為中等變異（CV為28.21%），各播期間含量無顯著差異。土壤交換性Mg2+含量為3.29 cmol/kg，范圍為2.80～3.71 cmol/kg，平均含量表現為第二播期（3.70 cmol/kg）>第一播期（3.50 cmol/kg）>第三播期（3.00 cmol/kg）>第四播期（2.95 cmol/kg）。各播期交換性Mg2+為弱變異（CV為9.76%），第一播期與第二播期無顯著差異，第三播期與第四播期無顯著差異，而前兩期與后兩期表現為極顯著差異。各播期土壤交換性Ca2+含量平均為22.62 cmol/kg，范圍為18.00～47.00 cmol/kg，平均含量表現為第四播期（33.50 cmol/kg）>第二播期（19.50 cmol/kg）>第三播期（19.00 cmol/kg）>第一播期（18.50 cmol/kg）。各播期交換性Ca2+為中等變異（CV為27.80%），含量無顯著差異。

2.4 土壤機械組成與分形維數

土壤機械組成是構成土壤結構體的基本單元，各粒級含量受成土母質影響深刻，同時與理化性質關系密切[28]。許多研究表明， 土壤分形維數（Dm）對表征土壤結構、土壤保肥供肥性能、土壤透氣性等[29，30]都具有重要意義。根據國際制土壤質地劃分標準，第三播期下土壤為粉沙質黏壤土，其余3個播期下均為粉沙質壤土。由表5可知，各播期土壤黏粒含量變異強度大（CV為78.25%），第二播期土壤中<0.002 mm的顆粒含量最高（7.46%），與其他3個播期相比差異極顯著，對應的土壤分形維數（Dm為2.66）最大，一般結構良好的土壤粒徑分布分形維數應接近2.75[31]，因此認為第二播期水稻土壤土體結構更優，因為土壤質地細，包含的小粒徑土粒多，形成的微小孔隙也多，結構也更復雜，分形維數高，土壤肥力特性好;粉粒含量以第四期最高（86.34%），極顯著高于其他3個播期，第二播期與第一播期、第三播期土壤粉粒含量之間差異顯著，總體變異較弱;第一播期土壤沙粒含量與第二播期相當，同時顯著高于第三播期、第四播期。Dm與粉粒和沙粒的離散程度遠遠大于黏粒，因此分形維數與黏粒含量表現出更高的一致性[32]。

2.5 相關性分析

不同環境因子的相互重疊并沒有使土壤性質的分布呈現出相似的重疊趨勢，反而使土壤性質的分布特征變得更為復雜[33]。由表6可知，溫度指標中泥積溫與積溫為極顯著正相關，平均氣溫與平均泥溫的相關系數達到了0.946;養分指標之間相關性未達到顯著水平，pH與各養分含量間均為正相關，相關性最強的為全氮含量，有機質與含氮含量為正相關，與有效磷、速效鉀為負相關;鹽基離子中交換性K+與交換性Mg2+含量為顯著正相關，相關系數為0.953，說明K+與Mg2+之間為協同，與交換性Na+、Ca2+為拮抗。一般而言，土壤中過量的K+會抑制Mg2+、Ca2+吸收，表明試驗中K+含量達到了抑制Na+、Ca2+的水平，尚未影響Mg2+吸收的區間。（K++Mg2+）/（Na++Ca2+）值越大越有利于水稻生長，經計算第一播期該比值最大，交換性鹽基離子配比最適宜。王國梁等[34]發現，Dm與黏粒含量之間呈顯著正相關，本研究中黏粒與Dm為正相關，未達顯著水平，可能是應試土壤質地為粉沙壤，黏粒含量較低造成的。

pH、有機質、全氮、速效鉀及交換性K+、Na+、Mg2+與溫度指標間為正相關。根系在土壤中腐化分解的過程中釋放出大量有機酸，如乙酸、丁酸等，造成土壤pH在一定程度呈下降趨勢[1]。H+半徑小，運動能力強，水化弱，因此具有強烈的代換能力，土壤膠體吸附的K+、Na+、Mg2+、Ca2+依次被交換后進入土壤溶液，先后發生淋溶。因交換性Ca2+含量高且代換能力強于K+、Na+、Mg2+，當H+濃度增加不顯著時未造成對鈣離子的代換，導致pH與交換性K+、Na+、Mg2+為正相關，與交換性Ca2+為負相關。有機質中富含腐殖質，后者因帶有大量負電荷，對K+、Na+、Mg2+、Ca2+都具有吸附性，避免這些離子隨水淋失，但是在相關性上表現出差異，其中有機質與Na+含量表現為顯著正相關，與K+、Mg2+、Ca2+含量為負相關，可能是土壤中不同直徑的膠體比例差異或團粒結構的特異性造成的。有機質與全氮含量存在高度的正相關，也是引起全氮與交換性Na+顯著正相關的原因之一。pH與平均氣溫相關性極顯著，速效鉀與積溫為顯著正相關。由于土壤自由溶液中的K+濃度變小時或 K+相對于其他陽離子的濃度變小時，有更多的交換性K+通過解離或交換進入溶液中[12]，所以交換性鉀與速效鉀為顯著正相關，交換性Ca2+除與堿解氮為正相關外，與其他指標均為負相關。土壤中交換性鹽基離子的凝聚能力為 Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+，可見，Na+是高強度的分散劑，會直接導致團聚體的破壞[35，36]。這說明土壤中K+、Na+的存在促使了土壤的分散作用，有利于黏粒的形成，引起交換性K+、Na+含量與黏粒含量呈正相關。

作為影響土壤中物質吸附和交換最重要的部分，黏粒有著土壤母質的礦物學特性[37]，因而在相關性分析中與多數指標表現出較強的正向相關。

2.6 主成分分析

根據水稻生長發育特性及以上分析，選取了泥溫、泥積溫、pH、有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、（K++Mg2+）/（Na++Ca2+）、分形維數這10個指標進行降維，得分系數矩陣如表7所示。可知全氮在第一主成分中的因子荷載最大，速效鉀、（K++Mg2+）/（Na++Ca2+）在第二主成分中荷載最大。

把因子載荷矩陣中的第 i 列向量除以第 i個特征根再開根以后就得到第i個主成分Fi的特征向量;將得到的系數向量與標準化后的原始數據相乘，然后就可以得出主成分Fi 的表達式;以各主成分的方差貢獻率為權重進行加權匯總，得到各播期主成分的綜合值（F綜合）[38]，見表8。由表8可知，第二播期的綜合得分最高，為最適播期。

3 結論

隨著播期推遲，水稻生育期逐漸縮短。土壤養分含量為適宜到豐富，僅有效磷在不同播期間表現出極顯著差異。交換性鹽基組分中Ca2+比例最高，第一、第二播期水稻土交換性Mg2+與第三、第四播期存在極顯著差異。按照國際制土壤質地劃分標準，各播期土壤粉粒含量最高，第二播期黏粒含量在各處理中最高，對應的分形維數最大。K+與Mg2+之間表現為協同，相關系數為0.953。黏粒與Dm為正相關，未達顯著水平。pH、有機質、全氮、速效鉀、交換性K+、Na+、Mg2+與溫度指標間為正相關。有機質、全氮與Na+表現為顯著正相關。pH與平均氣溫相關性極顯著，速效鉀與積溫為顯著正相關。黏粒含量在相關性分析中與多數指標表現出較強的正相關。通過主成分分析得出第二播期為最適宜播期。

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