高原水旱轮作区养分管理研究与实践

摘 要：本项目研究表明：水旱轮作提高了土壤有机质累积，改善了土壤物理、化学性状和生物性状，从而促进作物生长，提高土地及养分利用率；水旱轮作养分管理应根据土壤性能和作物轮作的需求规律制定不同的施肥方案，重点是减少氮素流失，旱季集中施用磷钾肥，并提高有机肥的施用。

关键词：水旱轮作；土壤性状；养分管理；土壤物理、化学和生物性状；

1 高原水旱轮作概况

近年来，云贵高原地区由于受气候持续干旱、灌溉水供应影响，水稻种植面积呈下降趋势，导致总体水旱轮作的面积有所减少，蔬菜及各种经济作物旱作面积逐年增加。特别是该地区很早以来就以生产优质烤烟著称，为减少烤烟连作障碍问题，一直以来，水稻-烤烟年际间轮作的情况就比较普遍，面积也比较大，超过50万hm2，轮作方式一般是2至3年一轮或5年两轮。云南南部（文山、普洱、德宏）等地区，十年前，烟草种植面积很少，近年受经济利益驱使，种植结构调整较大，烤烟（包括香料烟）种植面积逐渐增加，加上部分香蕉、中药材等经济作物下山进田种植面积不断增加，也挤占了部分水稻种植面积。与全国其它地区不同的是，云贵高原地区水旱轮作模式具有复杂及多样化特点。除包含全国所有的轮作模式外，年际间水旱轮作面积比例较大，并且是与烤烟、香蕉、中药材等比较特殊的经济作物轮作。年内水旱轮作模式类型也较复杂，既有水旱两熟（一水一旱）和水旱三熟（两水一旱或两旱一水），水热条件好的地区甚至有水旱多熟（水稻与生育期较短的各种蔬菜轮作）。

2 水旱轮作模式对土壤性状的影响

2.1 水旱轮作系统的特征

水旱轮作系统的一个显著特点就是作物系统的水旱交替轮换，导致土壤季节间干湿交替、氧化还原更替频繁，水热条件转换强烈。[5]水旱轮作土壤多为潴育型水稻土，淹育型及潜育型水稻土较少。这类土壤由于长期种植水稻，并与麦类、豆类、油菜、各种蔬菜等旱地作物轮作，形成了特殊的土壤生态环境，与单纯的旱地土壤及水田土有较大差别，构成一个在物质循环及能量流动及转换方面都有明显特点的农田生态系统。

水旱轮作土壤旱作季以氧化条件为主，水作时以还原条件为主。由于干湿交替，氧化还原反应特别活跃，土壤中氧化还原电位变异很大（在水稻种植季节以还原条件为主，土壤氧化还原电位（Eh）一般为-200～300 mv，在旱作季变为氧化条件后，Eh可高到600～700 mv）。水旱轮作土壤氧化还原电位的变化，主要受水分影响，氧化还原性的变化，反过来又影响土壤的一系列性质，包括土壤养分的形态、转化以及作物对养分的吸收，也影响土壤的物理性状及生物学性状。

2.2 水旱轮作对土壤化学性状的影响

水旱轮作对土壤养分的形态、转化及养分的有效性均有影响。[5]水旱轮作干湿交替影响土壤有机质的累积和分解，旱作氧化状态可促进有机质的分解，不利于有机态氮的累积，在淹水种稻时，土壤还原菌占优势，有机物质进行嫌气分解，一方面增加了有机质的累积，氮素供应形态以NH4-N为主，另一方面又促进了甲烷和一些有毒物质如有机酸、硫化氢的产生。干湿交替能抑制甲烷的排放，但却会促进N2O的生成。土壤通气、厌气交替发生时，土壤中硝化细菌及反硝化细菌的活性增加，N2O的产生和排放量增大。[5]水旱轮作体系中，随着季节性的干湿交替及氧化还原过程更替进行，土壤中一些变价元素的形态和有效性也随之发生变化，从而影响水稻及后季作物的生长。如淹水还原条件下，随着氧化还原电位降低，NO3-、Fe3+、Mn4+、SO4-会转化为NH4+、Fe2+、Mn2+、S2-，这种转化增加了磷、钾、硅、钼、铜等元素的有效性，却降低了氮、硫、锌的有效性，氧化还原作用对锰的影响尤其明显。云南红壤类土壤比例较大，旱作时，土壤中大量氧化铁、铝、钙对磷固定形成沉淀会极大的降低磷的有效性，因此云南旱地土壤缺磷现象比较普遍，磷肥利用率也较低。旱地改水作后，在还原条件下，磷酸铁铝的活化可提高磷的有效性，同时还可解离被土壤胶体吸附的钙、钾离子，使其成为速效性，部分满足水稻对钙、钾的需求，但在地下水位较高的地区，这个过程也加速了盐基离子下渗淋失。

2.3 水旱轮作对土壤物理性状的影响

水旱轮作对土壤物理性状的影响既有利也有弊。[6]水旱轮作的干湿交替变化，直接影响土壤孔隙的大小和土壤团聚体的形成及稳定性。土壤水稳性团聚体数量多少是土壤物理结构好坏最重要的指标，水稳性团聚体与土壤保肥、供肥能力密切相关，能协调土壤的水、肥、气、热。一般情况下，干湿循环会降低团聚体的比例，破坏团聚体的稳定性。由旱地轮换为水田时，由于淹水耕耙打田，土壤大颗粒会分散成细小粘粒，多年周而复始，粘粒在犁底层淀积形成紧实层，对根系穿插形成阻力，将水稻根系大部分限制在表层浆状层内，从而影响根系对犁底层养分的吸收。这种不良的紧实粘闭层，在由水田轮换为旱地时容易造成土壤板结，会阻碍后季旱作作物根系生长进而影响根系对下层养分的吸收利用，成为后季作物生长的主要障碍因素。但对地下水位较高，潜育化现象明显的土壤，水旱轮作能使土壤团粒结构及非毛管孔隙增加，提高氧化还原电位，消除次生潜育化，改善土壤物理性状。在实际生产中，土壤团聚体的稳定性，除受干湿交替影响外，还取决于耕作方式及轮作情况。通过有机物料及有机肥施用，适当进行保护性耕作，减少土壤的人为扰动，可降低干湿交替对团聚体的破坏。 2.4 水旱轮作对土壤生物性状的影响

水旱轮作对土壤生物性状的影响主要表现为影响土壤微生物的种群及数量，很少有生物既能在好氧又能在厌氧条件下生长，所以水旱轮作的更替，直接表现就是好氧微生物及厌氧微生物群落的轮回消长。通过水旱轮作，能减低某些旱地土传病虫害的感染及发生，但对水稻病虫害的发生影响不大，主要原因是淹水能使旱地病原菌死亡或减少，例如油菜菌核病、小麦条锈病、烟草立枯病等病菌在淹水几个月后能完全灭绝。淹水还能抑制线虫的繁殖，淹水两年以上能杀死线虫。长期的水旱轮作也会增加某些病虫害的传播和影响，例如水稻钻心虫、卷叶虫等原本至危害水稻，水旱轮作后也能危害小麦；一些茎腐病、叶枯病在稻麦上均有发生。此外，在排水不良的稻田种植旱地作物时，会加重霜霉病、大豆紫斑病等病害的发生。土壤生物的变化，反过来还能影响土壤养分的分解转化及形态。

2.5 不同水旱轮作模式对土壤性状的影响

水旱轮作对土壤环境质量的影响，与旱作季作物及其栽培模式有关。[6]不同的水旱轮作模式，对土壤肥力的影响有较大差异，养分循环也明显不同。水稻-小麦（或大麦）、水稻-油菜、水稻-豆类、水稻-蔬菜等主要的轮作方式中，稻-豆轮作模式比较符合作物特性互补的原则，是一种较好的轮作模式，对土壤氮的累积有积极作用。但豆类生物量一般较低，根系发达不如麦类且根系入土较浅，所以对土壤结构的改善及有机质的自然累积不如稻-麦轮作好，稻-油轮作的情况介于两者之间，稻-菜轮作及水稻与其它经济作物轮作的情况比较复杂多样，因作物不同差异较大。

3 高原水旱轮作区系统养分管理

3.1 高原水旱轮作养分管理现状及问题

云贵高原虽然山区面积大（占93%），但水旱轮作区基本都位于地形较平坦，地理位置较好的坝子及山间平地、河谷地区，是农民赖以生存的主要土地资源，这些地区的基础设施建设配套较好，生产提供了大部分的农产品。气候类型多属典型的低纬高原季风气候，冬无严寒、夏无酷暑。农田复种指数偏高，一年多熟现象较普遍，用地养地矛盾突出。长期大量施用化肥维持较高的复种指数，造成土壤退化，表现为土壤酸化、碱化和次生盐渍化，有机质含量、阳离子交换量降低，土壤板结，缺少团粒结构，自净能力、缓冲能力降低。土壤养分含量虽高，有效供肥能力却不足，普遍存在农业产投比较低的现象。自1990年代以来，高原水旱轮作区作物生产力呈现徘徊不前甚至下降的趋势，多与这些因素有关。部分地区还由于化肥农药等农资过多使用造成Pb、As、Cd等重金属含量升高。

针对高原地区水旱轮作模式中旱地作物品种多、杂、乱，轮作模式多且复杂，农田复种指数高的特点，在进行养分施用及管理时，既要满足水稻高产高效生产需要，又要兼顾各种旱作配置作物的营养需求特点，重视土壤有机质累积和土壤物理、化学、生物学性状改善，并考虑肥料形态配比等条件，建立不同轮作模式作物高效生产的养分管理体系。

3.2 高原水旱轮作区系统养分管理

3.2.1 从水旱轮作系统整体考虑进行养分管理

水旱轮作系统土壤季节间的干湿交替，不利于土壤氮素的保持，主要原因是氮在水作、旱作条件下，存在的形态不同。[5]旱季时，氮主要以NO3--N存在，而在淹水还原条件下，无机氮主要以NH4+-N存在。旱季作物收获后，虽然有相当一部分累积在土壤中，但这部分氮很难被水稻利用，在稻田淹水后的很短时间内，累积的无机氮就会从土壤-作物系统中损失。研究表明，在成都平原的稻麦轮作系统中，土壤在旱季作物后累积的无机氮每hm2约为80～100kg，但累积的无机氮在淹水后13d就从土壤-作物系统中损失。而无机氮的累积，与施氮量呈正相关关系，所以旱季作物氮的合理施用，对整个水旱轮作系统氮的有效利用有主要影响。

磷的形态及对作物的有效性在水作、旱作条件下的差异也很大，大部分红壤类水稻土，在旱作时，大量氧化铁、铝、钙对磷固定形成沉淀会极大的降低磷的有效性，在稻田淹水还原条件下，磷酸铁、铝，包括部分磷酸钙可不同程度的被活化、溶解，从而提高磷的有效性。因此，从整个水旱轮作系统角度来统筹调控磷的施用也很必要。

3.2.2 根据土壤性能及作物需求规律管理养分

土壤保肥供肥性能与土壤复合胶体有关，对养分的吸收与释放起决定作用。根据土壤保肥供肥性能并结合作物营养需求规律进行施肥，是实现养分优化管理的重要手段。

土壤质地较黏重，有机质含量较多的土壤，保肥性能好，施入的肥料不易流失，容易贮存。而砂性及有机质含量低的土壤，施肥后不易保存养分，虽然供肥性好，但养分易流失，发小苗不发老苗。所以保肥、供肥能力不同的土壤，施肥上有所区别。保肥能力差和有机质含量少的土壤，可以在基肥中多施有机肥料，增加保肥、供肥能力，化肥施用要“少吃多餐”，防止流失及后期脱肥。而对保肥性能较好或有机质含量多的土壤，养分不易流失，肥料可集中施用，重前轻后，及早追肥。

高原水旱轮作区，旱作季作物品种较多，对养分的需求差别较大，一些作物还对某些元素表现较敏感（如忌氯作物），在水旱轮作系统中，除在当季根据不同作物对养分的需求规律，提供适量的养分种类及数量外，在前季作物施肥时就要统筹考虑一些特殊的后季作物的养分需求，如水旱轮作中的旱作作物品种为烟草、番茄、辣椒、薯类、西瓜等忌氯作物时，在水稻种植季节就要避免含氯肥料的过多施用。高原水旱轮作养分管理，除考虑上述各种因素外，还要遵循以下原则：

3.2.2.1 氮素供应与作物需求同步，减少氮素流失

根据作物的氮素需求规律进行施肥管理是实现氮供应与作物需求同步的有效方法。高原水旱轮作虽然多、杂、乱，但各种作物对氮的需求特性是基本固定且有规律可循的，在充分了解各种作物对氮营养需求规律后，进行氮肥施用与作物氮素需求同步是可行的。

3.2.2.2 磷素管理重旱轻水、集中施用 磷的移动性差，且在旱作条件下容易被固定，失去肥效，所以磷肥不宜分散施用，最好的施用方法是先将磷肥与有机肥料混合堆捂后，沟施或穴施于作物根系附近。淹水种稻后，铁、锰的还原及含磷化合物的溶解，均能增加磷的供应，水稻季节应少施磷肥还能促进土壤磷的释放。[8]所以在水旱轮作系统中，旱季作物磷肥的施用要充足，以满足作物对磷的吸收及土壤固定，水稻则少施。

3.2.2.3 水旱轮作系统中的钾素管理

3.2.2.4 重视有机肥施用

土壤有机质是土壤肥力的主要指标，长期水旱轮作，土壤有机质的积累高于旱地但低于长期渍水的稻田，但较高的复种指数，对土壤养分的耗竭较大，而且干湿循环水旱交替的特点不利于良好的土壤物理性状形成，紧实粘闭犁底层的存在，会影响土壤通气透水性，阻碍旱作季作物根系生长进而影响根系对下层养分的吸收利用。长期不施或少施有机肥，会加重这种障碍的影响。化肥与配合有机肥合理施用，能明显提高土壤有机质及氮含量，极大的改善土壤物理性状，促进作物生长，提高养分利用率。

3.2.3 综合应用其它农作技术的养分管理

现代农业生产体系，是一个多种因素综合影响的复杂系统，单一的某项技术很难实现资源的高效利用和环境保护的目标。水旱轮作系统养分管理也必须综合考虑应用免耕、覆盖等保护性农业技术，现代节水农业技术，作物高产、高效栽培等农作技术，才能实现养分资源的高效利用及优化管理。

4 总结

针对水旱轮作土壤特殊的生态变化条件，以及各种轮作模式配置作物的差异，除考虑作物营养需求规律外，应结合水旱轮作条件下土壤养分供应的基本规律，既满足水稻高产高效生产，又兼顾各种旱作配置作物的营养需求及可持续生产，着重从土壤有机质累积，土壤物理、化学、生物学性状改善，肥料施用形态配比方面深入研究，建立不同轮作模式作物高效生产的土壤保育体系。

参考文献

[2] 刘金山.水旱轮作区土壤养分循环及其肥力质量评价与作物施肥效应研究[D].华中农业大学，2011.

[3] 兰全美，张锡洲，李廷轩.水旱轮作条件下免耕土壤主要理化特性研究[J].水土保持学报，2009，23（1）：145-149.

[6] 范明生，樊红柱，吕世华等.西南地区水旱轮作系统养分管理存在问题分析与管理策略建议 [J].西南农业学报，2008，21（6）：1564-1567

[7] 王子芳， 高明， 秦建成等.稻田长期水旱轮作对土壤肥力的影响研究[J].西南农业大学学报，2003，25（6）：514-517

[8] 谢建昌. 钾与中国农业 [M]. 南京：河海大学出版社，2000.

作者简介：郭玉蓉，女，云南省农业科学院农业环境资源研究所，高级实验师，主要从事农业环境综合治理方面的研究。通讯作者：潘艳华，女，云南省农业科学院农业环境资源研究所，研究员。