-
东北是我国水稻的重要产区，常年种植面积约 507.1 万 hm2，总产量为 10335 万 t 左右[1]。有研究表明在农民习惯施肥管理模式下，近 30 年黑土肥力和生产力水平整体提高，但持续提升肥力后效不足[2]。如何进一步提升水稻土的肥力和土壤生产力，对耕地面积限制和保障人口增长对粮食需求增加双重压力下的农业生产具有重要作用。土壤肥力是土壤物理、化学和生物学性质的综合反映，是水稻丰产的基础[3-4]，土壤肥力质量与作物产量存在显著的相关关系[5]。因此，研究稻田不同肥力水平土壤肥力特征，对于稻田高肥力土壤的定向培育和中、低肥力土壤提升措施具有重要的指导意义。
-
郑圣先等[6]研究不同生产力水稻土的有机质和养分含量状况，结果表明湖南省双季稻种植区高产水稻土的有机质、全氮和速效磷含量均达到丰富的水平，低产水稻土有机质、全氮和速效磷含量显著低于高产水稻土。李忠辑[7]研究东北平原盐渍区、南方河网平原双季稻区和西南山地丘陵区 3 种典型稻区的高、中和低肥力水稻土，有机碳和微生物量碳含量随土壤肥力水平降低也呈递减规律，高肥力水平土壤有机碳含量明显高于中、低肥力水平土壤。高产稻田剖面土壤中，养分含量分布随深度增加而降低，质地上重下轻，pH 值由上而下呈升高趋势[8]，土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量随土壤深度的增加而减少[9]。中、低产水稻土的耕层浅薄，氮、磷、钾养分不平衡，障碍因素较多[10]。
-
林圣玉等[11]选取了土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、pH 等 10 个评价指标，用模糊数学隶属度函数模型对鄱阳湖区坡耕地土壤肥力质量进行了综合评价，表明不同肥力因子对水稻产量和稻田综合肥力的影响各异。武红亮等[12]研究结果表明，影响作物产量的主要肥力因子是土壤速效钾、有效磷和有机质。其中，对早稻、晚稻和单季稻产量影响最大的肥力因子为土壤速效钾。王远鹏等[13] 为明确东北典型县域稻田土壤肥力空间变异特征，以黑龙江省方正县为例，2017 年在研究稻区采取 114 个代表性点位的土壤，利用主成分分析得到各项肥力指标的综合得分值由大到小依次为土壤有效磷、速效钾、有机质、阳离子交换量、全氮、pH 和容重。而研究该区域稻田高肥力土壤剖面肥力特征、土壤综合肥力评价及产量影响因子等，能为进一步提升东北稻田的肥力和土壤生产力提供依据。
-
目前针对东北地区高、中、低肥力土壤剖面采样，研究不同肥力水平水稻土壤肥力变化特征的研究报道尚少见。本研究采集东北典型稻作区方正县高、中、低肥力土壤的剖面土样，研究分析不同发生层次土壤厚度、容重、土壤团聚体组成、pH、有机质、全量和速效养分、锰离子（Mn2+）、硫离子（S2-）和阳离子交换量（CEC）、土壤微生物量碳、氮含量，采用 FUZZY 法进行土壤肥力综合评价以及产量与各土壤肥力指标的逐步回归分析，综合化学、物理、生物多个因子进行土壤肥力评价[14]，阐明东北典型县域高肥力土壤的肥力特征及中、低肥力土壤的关键障碍因素与调控途径，揭示高肥力土壤的肥力特征及影响综合肥力的关键因子，为进一步提升水稻土肥力和提高水稻产量提供理论依据。
-
1 材料与方法
-
1.1 研究区域概况
-
方正县属黑龙江省哈尔滨市辖县（45°32′— 46°09′N，128°13′—129°33′E），地处寒温带大陆性季风气候区，年均气温 2.6℃，年均降水量为 579.70 mm，水稻种植制度为一年一熟。
-
1.2 样品采集
-
方正县境内多为草甸型水稻土，因此以该类型土壤为研究对象。以水稻实测产量为依据，根据各乡镇不同肥力水稻田和历年水稻生长状况，在水稻收获季节，按照高肥力（产量大于 10000 kg/hm2）、中肥力 （产量介于 7500～10000 kg/hm2）、低肥力（产量介于 5500～7500 kg/hm2）划分水稻土壤肥力水平[15-16]。
-
于 2019 年水稻收获期，现场挖掘稻田高、中、低肥力土壤剖面各 3 个，各剖面深约 1.2 m，各点位置见表1。根据土壤松紧度、植物根系分布和土壤结构体类型等划定耕作层（A）、犁底层（P）、底土层（C），并采集各层次土壤样品。土壤样品除去石砾、粗根及其他侵入体后带回实验室，保留新鲜土样用于测定土壤微生物量碳、氮，原状土用于团聚体分级测定，其他土样自然风干后研磨制样，用于测定土壤基本理化性质。
-
图1 方正县采样点分布
-
1.3 分析方法与数据统计
-
采用实地调查测量的方法，根据土壤的坚实度、根系分布和土壤结构的变化、片状结构体的出现、新生体的出现等划分出耕作层、犁底层、底土层界限，再用卷尺测量出各层次厚度。采用环刀法野外实测土壤容重。采用《土壤农化分析》中所介绍的方法[17]测定理化特征指标 pH（水土比为 2.5∶1）、有机质、全量和速效养分、Mn2+、S2- 和 CEC、土壤微生物量碳、氮含量，采用湿筛法进行土壤团聚体分组测定[18]。土壤综合肥力指数采用 FUZZY 法，本研究选用包括土壤容重、pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、S2-、Mn2+、微生物量碳和微生物量氮等共 13 项土壤肥力特性作为此次土壤肥力评价的参考指标[19-20]。
-
除本文剖面样外，结合方正县域调查数据对水稻产量与耕作层土壤肥力指标的相关性结果进行比较，其中县域数据以方正县第二次土壤普查的点位为基础，兼顾稻田分布格局和高、中、低肥力土壤特点的 58 个具有代表性的采样点。
-
经 Excel2007 整理数据后，采用 SPSS 22.0 软件进行不同处理之间方差分析（ANOVA）、Pearson相关性分析和多重比较（采用 Duncan 新复极差法），采用 Excel2007 和 SigmaPlot 12.5 作图。
-
2 结果与分析
-
2.1 稻田不同肥力土壤剖面物理、化学、生物肥力变化
-
2.1.1 物理肥力
-
稻田高、中、低肥力土壤耕作层和犁底层厚度分别为 20.7、16.0、14.0 cm 和 15.0、26.3、12.7 cm （图2），高肥力土壤的耕作层厚度较中肥力和低肥力土壤提高 29.4% 和 47.9%，高肥力土壤显著高于低肥力土壤（P<0.05）。中肥力土壤犁底层厚度显著高于高肥力和低肥力土壤（P<0.05）。稻田不同肥力土壤耕作层和犁底层容重分别在 1.29～1.47 和 1.39～1.68 g/cm3 之间，差异不显著。
-
稻田不同肥力土壤耕作层土壤团聚体组成以 2～0.25 mm 粒级团聚体比例最大（ 图3），为 41.6%～47.3%，0.25～0.053 mm 次之。与低肥力土壤相比，中、高肥力土壤 >2 mm 粒级团聚体比例分别提高了 288.5%、645.5%，中、高肥力土壤 0.25～0.053 mm 粒级团聚体比例较低，分别为 24.0%、19.8%；低肥力土壤最高，为 30.0%。
-
图2 稻田不同肥力土壤不同土层容重和厚度
-
注：小写字母不同表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
-
图3 稻田不同肥力土壤耕作层团聚体组分变化
-
2.1.2 化学肥力
-
由表2 可知，稻田不同肥力土壤剖面土壤有机质、全氮和全磷含量随土层深度增加逐渐降低，且均表现为高肥力土壤 >中肥力土壤 >低肥力土壤。稻田高、中、低肥力土壤剖面各层次土壤 pH 在耕作层（A）、犁底层（P）和底土层（C）分别为 5.95～6.59、5.99～6.42 和 5.92～6.30，不同肥力土壤间无显著差异。有机质含量 A 至 C 层高肥力土壤为 16.00～46.02 g/kg，中肥力土壤为 12.85～32.88 g/kg，低肥力土壤为 6.90～23.30 g/kg。在 A 和 P 层，高肥力土壤较中、低肥力土壤分别显著增加了 40.0%、97.5% 和 71.7%、259.3%（P<0.05），中、低肥力土壤无显著差异。A 至 C 层土壤全氮含量，高肥力土壤为 0.43～1.93 g/kg，中肥力土壤为 0.27～1.15 g/kg，低肥力土壤为 0.20～0.81 g/ kg，在 A 和 C 层，高肥力土壤较中肥力土壤分别显著增加了 67.8% 和 59.3%，较低肥力土壤显著增加了 115.0%～313.5%（P<0.05），中、低肥力土壤无显著差异。高、中肥力土壤 A 层的全磷含量显著高于低肥力土壤，分别增加了 113.6%、68.2%，高肥力土壤 P 层全磷含量较中、低肥力土壤分别显著增加了 57.1%、241.4%（P<0.05），中、低肥力土壤 P、C 层的全磷含量无显著差异。稻田不同肥力土壤剖面各层次之间土壤全钾含量差异不显著。
-
注：同一列不同小写字母表示在 0.05 水平上差异显著。下同。
-
由表3 可知，稻田不同肥力土壤剖面各层次土壤碱解氮、有效磷、速效钾、CEC 随产量水平降低而呈下降趋势，表现为高肥力土壤 >中肥力土壤 >低肥力土壤，随土层深度增加逐渐降低。A 至 C 层土壤碱解氮含量以高肥力土壤最高（33.25～135.18 mg/kg），中肥力土壤次之（19.66～91.36 mg/kg），低肥力土壤最低（19.78～69.21 mg/kg），高肥力土壤在 A 和 P 层较中、低肥力土壤分别显著增加了 48.0%、95.3% 和 128.5%、292.3%（P<0.05），中肥力土壤和低肥力土壤之间无显著差异。高肥力、中肥力和低肥力土壤 A 至 C 层土壤有效磷含量分别为 13.4～48.59、11.98～33.47 和 10.00～20.57 mg/kg，高肥力和中肥力土壤各层次无显著差异，高肥力土壤 A 和 C 层较低肥力土壤分别显著增加了 136.2% 和 34.0%（P<0.05）。土壤速效钾含量以高肥力土壤最大，剖面各层次无显著差异。
-
A 层土壤 Mn2+ 含量以高肥力土壤最高（112.23 mg/kg），较中、低肥力土壤显著增加了 164.6%～212.1%（P<0.05），C 层土壤 Mn2+ 含量以高肥力土壤最低，低肥力土壤最高。A 至 C 层土壤 S2- 含量均表现为低肥力土壤 >中肥力土壤 >高肥力土壤，低肥力土壤较高肥力土壤增加了 7～11 倍，在 A 和 P 层差异显著（P<0.05），中肥力土壤和低肥力土壤无显著差异。高肥力、中肥力和低肥力土壤 A 层土壤 CEC 含量分别为 29.05、24.83 和 15.16 mg/kg，高、中肥力土壤较低肥力土壤分别显著增加 91.6%、 63.8%（P<0.05），C 层高肥力土壤较中、低肥力土壤分别显著增加 46.3%、70.7%（P<0.05）。
-
2.1.3 耕作层土壤微生物量碳、氮含量
-
稻田高肥力、中肥力和低肥力土壤耕作层土壤微生物量碳分别为 239.4、129.1 和 126.9 mg/kg，土壤微生物量氮含量分别为 14.1、12.6、11.3 mg/kg （图4），均以高肥力土壤最高，其中微生物量碳较中、低肥力土壤增加了 85.5%～88.7%，差异显著 （P<0.05）。不同肥力土壤之间土壤微生物量氮含量差异不显著。
-
2.2 土壤肥力综合评价
-
稻田高、中、低肥力土壤耕作层土壤综合肥力指数（IFI）分别为 0.83、0.49、0.26，犁底层 IFI 分别为 0.70、0.42、0.21（图5）。高肥力土壤耕作层 IFI 显著高于中肥力土壤和低肥力土壤，分别增加了 69.4% 和 219.2%，中肥力土壤较低肥力土壤增加了 88.5% （P<0.05）。犁底层高肥力土壤 IFI 显著高于中肥力土壤和低肥力土壤，分别增加了 66.2% 和 230.0%（P<0.05）。
-
图4 稻田不同肥力土壤耕作层土壤微生物量碳、氮含量变化
-
图5 稻田不同肥力土壤耕作层和犁底层土壤肥力综合指数
-
产量（y）随着土壤综合肥力指数（x）的提升而增加（y=5590.6x+5661.4，R2 =0.6807**，n=9），土壤综合肥力指数每提升 0.1 个单位，水稻产量可以增加 559 kg/hm2。
-
图6 产量与土壤综合肥力指数的关系
-
注：** 表示在 0.01 水平（双侧）上显著相关。
-
2.3 水稻产量与各土壤肥力指标的逐步回归分析
-
偏相关分析是指当两个变量同时与第 3 个变量相关时，将第 3 个变量的影响剔除，只分析另外两个变量之间相关程度的过程，相关系数的绝对值越大，相关性越强。经逐步回归分析，水稻产量与耕作层土壤各因子的偏相关关系的系数排序为：全磷 >有机碳 >全氮 >有效磷 >Mn2+>碱解氮 >S2->容重 >微生物量碳 >全钾 >速效钾 >微生物量氮 >pH，可见，耕作层土壤中全磷对产量的影响最大，有机碳和全氮次之，有效磷、Mn2+ 和碱解氮对产量的影响相对较大，全钾、速效钾、微生物量碳 / 氮和 pH 对产量影响较小。
-
水稻产量与犁底层土壤各因子的偏相关关系的系数排序为全磷 >有机碳 >碱解氮 >S2->全氮 >容重 >速效钾 >pH>Mn2+>有效磷 >全钾，犁底层全磷、有机碳、碱解氮和 S2- 含量对产量的影响最大， pH、Mn2+、有效磷和全钾对产量影响较小。
-
结合方正县域调查数据[16]，采用相同肥力指标（pH、有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾和容重），对本研究中水稻产量与耕作层土壤肥力指标的相关性结果（表5）进行比较。方正县不同肥力土壤调查点位和县域调查数据均表明，水稻产量与耕作层土壤有机碳、碱解氮和有效磷呈显著正相关关系（P<0.05），与其他土壤肥力指标的相关性不显著。
-
注：* 表示在 0.05 水平（双侧）上显著相关。
-
3 讨论
-
3.1 稻田高肥力土壤改善了土壤剖面物理、化学、生物肥力状况
-
3.1.1 物理肥力
-
良好的土壤物理性状是提高水稻产量的重要基础。李广等[21]研究表明高肥力水平土壤耕作层厚度均在 18 cm 以上，犁底层厚度在 5～8 cm 之间。中、低产水稻土的耕层浅薄，障碍因素较多[10]。本研究中稻田高肥力土壤耕作层和犁底层厚度分别为 20.7 和 15 cm，中、低肥力土壤耕层厚度为 14～16 cm，这与张闫[22]的研究一致。
-
土壤容重大小可反映土壤孔隙度和松紧程度，代表土壤通气性的强弱。本研究中高肥力土壤耕作层和犁底层土壤容重分别为 1.29、1.39 g/cm3，较中肥力土壤和低肥力土壤容重有所降低。土壤生产力的高低在很大程度上取决于土壤的结构状况，而土壤结构与土壤团聚体的组成密切相关[23]。本研究结果中，与中、低肥力土壤相比，高肥力土壤增加了 >2 mm 粒级团聚体，降低了 0.25～0.053 mm 粒级团聚体。高肥力土壤大团聚体含量提高，可能是因为稻田高肥力土壤作物残茬、地下残留根系多，土壤有机质增加，胶结小团聚体形成大团聚体[24]，从而改善土壤结构，促进农作物生长，提高作物产量。
-
3.1.2 化学肥力
-
水稻生产以获得高产为目标，而有机质和氮、磷、钾等养分是基本保证。康日峰等[25]发现东北黑土监测区土壤经过 10～26 年农民常规施肥管理的耕作，有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量呈逐年上升趋势。本研究中高肥力土壤耕作层和犁底层有机质含量为 46.02 和 32.88 g/kg，中肥力土壤为 32.88 和 22.24 g/kg，低肥力土壤为 23.30 和 10.63 g/kg。按在水稻土上建立的全氮养分分级标准[26]，本研究中高肥力土壤耕作层和犁底层土壤全氮含量高，分别为 1.93 和 1.53 g/kg；中肥力土壤和低肥力土壤耕作层全氮含量中等，分别为 1.15 和 0.81 g/kg，高肥力土壤显著高于中、低肥力土壤 （P<0.05）。这与郑圣先等[6]研究结果基本一致。
-
郑圣先等[6]通过研究湖南省双季稻种植区高产、中产和低产 8 个水稻土的肥力特征变化得出，耕层土壤全磷含量与水稻土生产力水平关系极为密切，随着水稻生产力的下降，土壤全磷呈明显降低趋势。本研究中高、中肥力土壤耕作层全磷含量分别为 0.94、0.74 g/kg，较低肥力土壤分别增加了 113.64%、 68.18%，犁底层高肥力土壤显著高于中、低肥力土壤，增幅为 57.14%～241.38%。李广等[21]通过对沈阳、铁岭、辽阳、抚顺等地不同肥力水平的棕壤型水稻土研究得出，高肥力土壤碱解氮含量在 110 mg/kg 以上的占总数的 76.92%；低肥力土壤的碱解氮含量在 110 mg/kg 以下的田块占总数的 53.85%。本研究中，不同肥力土壤剖面碱解氮含量在耕作层和犁底层高肥力土壤最高，为 119.33～135.18 mg/kg，显著高于中、低肥力土壤（P<0.05）。
-
按照在水稻土上建立的有效磷养分分级标准[27]，水稻土以有效磷含量 <5 mg/kg 为低供磷水平，6～10 mg/kg 为中供磷水平，>10 mg/kg 为高供磷水平。本研究中方正县高肥力土壤耕作层至底土层均 >10 mg/kg，属于高供磷水平，中、低肥力土壤也多属于高供磷水平。按照在水稻土上建立的速效钾养分分级标准[28]，本研究中方正县高、中、低肥力土壤耕作层速效钾含量均 >200 mg/kg，含量极高。
-
李锐[29]认为，不同地力稻田土壤差异主要表现在有机质、全氮、速效钾含量的不同，土壤 pH 值和有效磷含量差异不大，高肥力地块的全氮、速效钾和有机质含量高。本研究中，与低肥力土壤相比，高肥力土壤显著提高了耕作层和犁底层有机质、全氮和全磷含量；与中肥力土壤相比，高肥力土壤显著提高耕作层和犁底层有机质含量，且增加了耕作层和底土层全氮含量和犁底层全磷含量。不同肥力土壤剖面各层次土壤 pH 无显著差异，逐步回归分析结果也证实，该区域土壤 pH 对水稻产量的影响相对较小。
-
土壤中 S2- 超过一定浓度将对土壤-水稻-土壤微生物系统产生显著负效应，S2- 与土壤中二价铁、锰等结合形成硫化物沉积在秧苗根系导致根系变黑甚至腐烂[30]，本研究稻田不同肥力土壤剖面各层次土壤 S 2- 含量表现为低肥力土壤最高，为 0.82～1.21 mg/kg；中肥力土壤次之，为 0.43～0.48 mg/kg； 高肥力土壤最低，为 0.11～0.12 mg/kg。低肥力土壤较高肥力土壤增加了 7～11 倍，稻田低肥力土壤更易产生土壤 S2- 毒害。
-
土壤 Mn2+ 含量间接反映稻田土壤通气状况，可以较好地反映稻田的肥力水平。本研究高肥力土壤耕作层 Mn2+ 含量最高，为 112.23 mg/kg，显著高于中、低肥力土壤稻田，高肥力土壤增加了耕作层 Mn2+ 在根表面或附近氧化沉积。可能是因为稻田高肥力土壤有机质含量高，还原的 Mn2+ 量较大[31]。高、中、低肥力土壤剖面各层次土壤 CEC 含量分别为 24.49～29.05、19.59～24.83、15.16～19.33 mg/kg，杨曾平[8]也得出相似的结论，低肥力土壤中土壤阳离子交换量低[32]。
-
本研究结果表明，稻田不同肥力土壤剖面土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、 CEC 含量均随土层深度增加逐渐降低，且均表现为高肥力土壤 >中肥力土壤 >低肥力土壤。这与袁红等[9]研究结果相似，其研究表明水稻土耕作层、渗育层有机质含量显著高于母质层，土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量随土壤深度的增加而减少。这可能是因为除人为耕作管理和施肥集中在表层以外，作物残茬、地下残留根系、活根分泌物等新鲜有机物也集中在表层[33]。
-
3.1.3 生物肥力
-
薛菁芳等[34]研究表明土壤微生物量碳和氮的变化趋势都表现为高肥水稻土 >低肥水稻土，随着土壤肥力水平的提高，土壤微生物量碳、氮也相应的增加。本研究中耕作层土壤微生物量碳含量均以高肥力土壤最高，为 239.4 mg/kg，较中、低肥力土壤显著增加了 85.5%～88.7%（P<0.05）。高肥力土壤养分含量高，土壤中微生物种类和数量也高于低肥力土壤，可能是因为稻田高肥力土壤有较深的根系分布、较大的根长密度、较强的根系氧化力等[35]，根系分泌物、脱落物增加，丰富的基质促进了土壤微生物的繁殖[36]，加速了土壤原有的和新鲜的有机物质的分解、矿化。
-
3.2 土壤肥力综合评价及产量主控因素
-
按照汪景宽等[37]在东北典型黑土地区土壤肥力质量分级参考标准：IFI ≥ 0.80、IFI 为 0.80～0.70、 0.70～0.60、0.60～0.40 和 IFI<0.40 分别为 1～5 级土壤。胡建利等[38]采用综合指数法评价土壤肥力指数，结果表明，高产水稻土的综合肥力指数大于 0.6，中产水稻土为 0.3～0.6，低产水稻土为 0.15～0.45。本研究中方正县高、中、低肥力土壤的耕作层 IFI 分别为 0.83、0.49、0.26，高肥力土壤为 1 级，中、低肥力土壤分别为 4 级和 5 级。
-
康日峰等[25]研究得出黑土区土壤有机质和全氮是影响土壤综合肥力的关键因素，谢军等[39]通过分析土壤单项肥力指标与作物产量的相关关系表明，土壤有机质、全氮和有效磷对紫色土土壤肥力贡献大。本研究中典型点位和县域范围的水稻产量与各土壤肥力指标的相关分析表明，有机碳和全磷对产量的影响最大，水稻产量与耕作层土壤有机碳、碱解氮和有效磷呈显著正相关关系。中肥力土壤全磷含量低，有机质较高但未达到丰富水平，全氮和碱解氮含量中等；低肥力土壤全磷含量极低，有机质、全氮和碱解氮含量中等，限制了中、低肥力土壤产量的提升。同时，土壤肥力与作物产量之间存在显著的正相关关系也已得到证明[40-41]。本研究说明，在方正县应通过秸秆还田、增施有机肥和磷肥等措施提升土壤肥力，从而增加水稻产量。这与王远鹏等[13]研究结果不同，王远鹏等采用模糊数学法得出方正县稻田土壤综合肥力指数在 0.18～0.99，平均值为 0.60，利用主成分分析得到土壤有效磷和速效钾含量是造成土壤肥力差异的主要因子。这可能是因为方正县高、中、低肥力土壤有效磷均 >20 mg/kg，速效钾 >200 mg/kg，均达到高供磷 / 钾水平，碱解氮含量处于中等及中等以上水平 （69.21～135.18 mg/kg），速效养分均处于供应丰富水平或盈余状态，各个生育期不易发生速效养分亏缺。
-
4 结论
-
方正县稻田高肥力土壤耕作层土壤厚度 20.7 cm，容重 1.29 g/cm3，>2 mm 粒级团聚体比例为 17.58%，耕作层有机质含量达到丰富水平，全氮含量高，全磷含量中等，犁底层有机质、全氮和碱解氮含量高。中肥力土壤耕作层有机质含量高，全氮含量中等，全磷含量低。除土壤 S2- 外，低肥力土壤各指标均低于高肥力土壤，高、中、低肥力土壤有效磷和速效钾养分达到供应丰富水平。稻田不同肥力土壤剖面土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、CEC 含量均随深度增加呈下降趋势。高肥力土壤耕作层和犁底层综合肥力指数为 0.70～0.83，耕作层土壤有机碳和全磷对产量的影响最大，针对中、低肥力土壤有机碳和全磷养分供应不充足的状况，建议采用增施有机肥和磷肥等措施，加强土壤改良和培肥管理，以实现高肥力水稻土的产量目标。
-
参考文献
-
[1] 国家统计局．中国统计年鉴［M］．北京：中国统计出版社，2019.
-
[2] 武红亮，王士超，槐圣昌，等.近30年来我国典型黑土肥力和生产力演变特征［J］．植物营养与肥料学报，2018，24（6）：1456-1464.
-
[3] 黄昌勇．土壤学［M］．北京：中国农业出版社，2000.
-
[4] 颜雄，彭新华，张杨珠，等.长期施肥对红壤性水稻土理化性质的影响及土壤肥力质量评价［J］．湖南农业科学，2015（3）：49-52.
-
[5] Shang Q，Ling N，Feng X，et al．Soil fertility and its significance to crop productivity and sustainability in typical agroecosystem：a summary of long-term fertilizer experiments in China［J］．Plant and Soil，2014，381（1）：13-23.
-
[6] 郑圣先，廖育林，杨曾平，等.湖南双季稻种植区不同生产力水稻土肥力特征的研究［J］．植物营养与肥料学报，2011，17（5）：1108-1121.
-
[7] 李忠辑.不同肥力水平水稻土氧化铁形态和土壤有机碳组分状况分析［D］．沈阳：沈阳农业大学，2018.
-
[8] 杨曾平．高产稻田土壤肥力特征及其退化研究［D］．长沙：湖南农业大学，2006.
-
[9] 袁红，盛浩，廖超林，等．湖南省几种母质类型水稻土土壤肥力特征［J］．中国农学通报，2014，30（3）：151-156.
-
[10] 范业成，叶厚专．江西红壤性水稻土肥力特性及其管理［J］． 江西农业学报，1998，15（3）：70-74.
-
[11] 林圣玉，李英，张华明，等．鄱阳湖区坡耕地土壤肥力质量评价［J］．中国水土保持，2018（11）：60-63，67.
-
[12] 武红亮，王士超，闫志浩，等．近30年我国典型水稻土肥力演变特征［J］．植物营养与肥料学报，2018，24（6）：1416-1424.
-
[13] 王远鹏，黄晶，柳开楼，等．东北典型县域稻田土壤肥力评价及其空间变异［J］．植物营养与肥料学报，2020，26（2）：256-266.
-
[14] 骆东奇，白洁，谢德体．论土壤肥力评价指标和方法［J］． 土壤与环境，2002，11（2）：202-205.
-
[15] 周卫．低产水稻土改良与管理——理论·方法·技术［M］． 北京：科学出版社，2014.
-
[16] 张会民，张卫建，黄晶，等．典型稻作区土壤肥力时空变化与提升原理［M］．北京：科学出版社，2022.
-
[17] 鲍士旦．土壤农化分析［M］．北京：中国农业出版社，2000.
-
[18] Elliott E T．Aggregate structure and carbon，nitrogen，and phosphorus in native and cultivated soils［J］．Soil Science Society of America Journal，1986，50（7）：627-633.
-
[19] 徐建明．土壤质量指标与评价［M］．北京：科学出版社，2010.
-
[20] 柳开楼，黄晶，张会民，等．基于红壤稻田肥力与相对产量关系的水稻生产力评估［J］．植物营养与肥料学报，2018，24（6）：1425-1434.
-
[21] 李广，肇雪松，孙震，等．不同棕壤型水稻土养分肥力状况的研究［J］．垦殖与稻作，2002，（2）：29-30.
-
[22] 张闫．我国不同区域高产水稻土理想物理性状分析与构建 ［D］．沈阳：沈阳农业大学，2020.
-
[23] 李映强．有机物质与土壤结构［J］．热带亚热带土壤科学，1997，6（1）：45-50．
-
[24] 王子龙，胡斐南，赵勇钢，等．土壤胶结物质分布特征及其对黄土大团聚体稳定性的影响［J］．水土保持学报，2016，30（5）：331-336.
-
[25] 康日峰，任意，吴会军，等．26 年来东北黑土区土壤养分演变特征［J］．中国农业科学，2016，49（11）：2113-2125.
-
[26] 张桃林，鲁如坤，李忠佩．红壤丘陵区土壤养分退化与养分库重建［J］．长江流域资源与环境，1998，7（1）：18-24.
-
[27] 湖南省农业厅．湖南土壤［M］．北京：农业出版社，1989.
-
[28] 陈防，郑圣先．我国南方作物高效施钾技术的研究进展［J］． 土壤肥料，2004（1）：28-32．
-
[29] 李锐．不同基础地力对水稻产量和肥料利用效率的影响［D］． 武汉：华中农业大学，2011.
-
[30] 于天仁，刘志光．水稻土的氧化还原过程及其与水稻生长的关系［J］．土壤学报，1964，12（4）：380-389.
-
[31] 丁昌璞．水稻土中的还原性物质［J］．土壤学进展，1984，12（2）：1-12.
-
[32] 李梅，张学雷．不同土体构型的土壤肥力评价及与容重关系分析［J］．土壤通报，2011，42（6）：1420-1427.
-
[33] 王伟妮，鲁剑巍，鲁明星，等．水田土壤肥力现状及变化规律分析［J］．土壤学报，2012，49（2）：319-330.
-
[34] 薛菁芳，高艳梅，汪景宽，等．土壤微生物量碳氮作为土壤肥力指标的探讨［J］．土壤通报，2007，38（2）：247-250.
-
[35] 褚光．不同水分、养分利用效率水稻品种的根系特征及其调控技术［D］．扬州：扬州大学，2016.
-
[36] 王忠华，叶庆富，舒庆尧，等．转基因植物根系分泌物对土壤微生态的影响［J］．应用生态学报，2002，13（3）：373-375.
-
[37] 汪景宽，李双异，张旭东，等．20 年来东北典型黑土地区土壤肥力质量变化［J］．中国生态农业学报，2007（1）：19-24.
-
[38] 胡建利，王德建，孙瑞娟，等．长江下游典型地区农田土壤肥力变化—以常熟市为例［J］．土壤学报，2008，45（6）：1077-1094.
-
[39] 谢军，方林发，徐春丽，等．西南紫色土不同施肥措施下土壤综合肥力评价与比较［J］．植物营养与肥料学报，2018，24（6）：1500-1507.
-
[40] 柳开楼，黄晶，张会民，等．基于红壤稻田肥力与相对产量关系的水稻生产力评估［J］．植物营养与肥料学报，2018，24（6）：1425-1434.
-
[41] 刘淑军，李冬初，高菊生，等．长期施肥红壤稻田肥力与产量的相关性及县域验证［J］．植物营养与肥料学报，2020，26（7）：1262-1272.
-
摘要
研究东北典型县域稻田不同肥力土壤剖面特征，阐明东北典型县域高肥力土壤的特征及中、低肥力土壤的关键障碍因素，为进一步提升该区域稻田肥力和水稻产量提供科学依据。在黑龙江省方正县 7 个乡镇采集了 9 个稻田不同肥力土壤剖面样，测定了耕层和犁底层厚度、土壤容重、pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、硫离子（S2-）、锰离子（Mn2+）、阳离子交换量（CEC）、团聚体组分、微生物量碳 / 氮等指标，进行土壤综合肥力评价以及水稻产量与各土壤肥力指标的逐步回归分析，探究肥力差异的主控因子。结果表明，稻田不同肥力土壤剖面有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、CEC、Mn2+ 含量随剖面土层深度增加逐渐降低，且均表现为高肥力土壤 > 中肥力土壤 > 低肥力土壤。方正县高肥力土壤（产量大于 10000 kg/hm2 ） 耕作层厚，容重低，耕作层有机质含量丰富，全氮含量高，全磷含量中等，且犁底层有机质、全氮和碱解氮含量高。中肥力土壤（产量介于 7500 ～ 10000 kg/hm2 ）耕作层有机质含量高，全氮含量中等，全磷含量低。低肥力土壤（产量介于 5500 ～ 7500 kg/hm2 ）耕作层薄，土壤 S2- 含量高，其他养分含量均低于高肥力土壤。高、中、低肥力土壤有效磷和速效钾养分达到丰富水平。高肥力土壤与中肥力土壤耕作层有机质、全氮、碱解氮、微生物量碳、 0.25 ～ 0.053 mm 团聚体含量和 Mn2+ 差异显著，中肥力土壤与低肥力土壤耕作层除全磷和阳离子交换量外，其他指标无显著差异。高、中、低肥力土壤耕作层和犁底层土壤综合肥力指数分别为 0.70 和 0.83、0.42 和 0.49、0.21 和 0.26。水稻产量与各土壤肥力指标的逐步回归分析表明，有机碳和全磷对产量的影响最大，耕作层微生物量氮和 pH 以及犁底层有效磷和全钾对产量影响较小。耕作层土壤有机碳和全磷对产量的影响最大，中、低肥力土壤有机碳和全磷养分供应不充足，全氮和碱解氮含量中等，低肥力土壤耕作层薄，因此，中、低肥力土壤建议采用增施有机肥和磷肥等措施，同时加强改良和培肥管理，以实现高肥力土壤的产量目标。
Abstract
To study the fertility characteristics of paddy soil profiles at different fertility levels in typical northeastern counties， clarify the characteristics of high-fertility soils and the key obstacles factors of medium and low-fertility soil in typical northeastern counties，and provide a scientific basis for further improving paddy field fertility and rice yield in this region．Soil samples from 9 soil profiles with different fertilities were collected in paddy fields in 7 townships of Fangzheng County，Heilongjiang province． The thickness，soil bulk density，pH，organic matter，total nitrogen，total phosphorus，total potassium，alkali-hydrolyzed nitrogen，available phosphorus，available potassium，S2-，Mn2+，cation exchange capacity (CEC)，aggregate composition， microbial biomass carbon/nitrogen，and other indicators of the topsoil and plow layer soil were determined．Comprehensive soil fertility evaluation and stepwise regression analysis between rice yield and soil fertility indicators were carried out to explore the main controlling factors of fertility differences．The result showed that the contents of soil organic matter，total nitrogen，total phosphorus，alkali-hydrolyzed nitrogen，available phosphorus，available potassium，CEC，and Mn2+ in soil profiles with different fertility decreased gradually with the increase of soil depth，and all showed the order of high-fertility soils > mediumhigh-fertility soils > low-fertility soils．The high-fertility soils（the yield greater than 10000 kg/hm2 ）in Fangzheng county have a thick tillage layer，low bulk density，rich organic matter content，high total nitrogen content，medium total phosphorus content， and high organic matter，total nitrogen，and alkali-hydrolyzed nitrogen content in the tillage layer．The tillage layer of mediumfertility soils（the yield between 7500 and 10000 kg/hm2 ）has high organic matter content，medium total nitrogen content and low total phosphorus content．The low-fertility soils（the yield between 5500 and 7500 kg/hm2 ）have thin tillage layers，high soil S 2- content，and other nutrient contents are lower than those of high-fertility soils．Available phosphorus and available potassium nutrients in high，medium and low-fertility soils reached abundant levels．There were significant differences in organic matter， total nitrogen，alkali-hydrolyzed nitrogen，microbial biomass carbon，0.25 ～ 0.053 mm aggregate content and manganese ion between high-fertility soils and low-fertility soils．There were no significant differences in most indexes except total phosphorus and cation exchange capacity between medium-fertility soils and low-fertility soils．The comprehensive soil fertility index of the tillage layer（14 ～ 20.7 cm）and plough layer（12.7 ～ 26.3 cm）of high，medium and low fertility soils were 0.70 and 0.83，0.42 and 0.49， 0.21 and 0.26，respectively．The results of stepwise regression analysis showed that organic carbon and total phosphorus had the greatest effect on rice yield，while microbial biomass nitrogen and pH of tillage layer，available phosphorus and total potassium of plough layer had little effect on rice yield．The supply of organic carbon and total phosphorus nutrients in medium and low fertility soils was insufficient，and the contents of total nitrogen and alkali-hydrolyzed nitrogen were medium，and the tillage layer was thin in low-fertility soils．Therefore，it was suggested to apply organic fertilizer and phosphate fertilizer to medium and low fertility soils， and strengthen the management of fertilizer improvement and cultivation in order to achieve the yield target of high fertility soils.