灘涂水產養殖池復墾種稻短期內土壤特性變化及水稻產量表現

張蛟 陳澎軍 陳艷 韓繼軍 崔士友

（1 江蘇沿江地區農業科學研究所，226012，江蘇南通；2 江蘇省地質局/自然資源部濱海鹽堿地生態改良與可持續利用工程技術創新中心，210007，江蘇南京；3 如東縣自然資源和規劃局，226400，江蘇如東）

我國海岸線蜿蜒曲折，沿岸灘涂資源豐富，北起遼寧，南至廣西，沿海地區均有分布，海岸線總長達4000km[1-2]。新中國成立后，我國灘涂開發迅速發展，各沿海省份對灘涂資源進行了大規模的開發利用，由單一地擴大耕地逐步向水產養殖、港口碼頭建設、觀光旅游等多元化、綜合性發展[3-4]。自20 世紀80 年代開始，沿海地區掀起了圍海曬鹽、灘涂圍墾和灘涂養殖的熱潮，一方面解決了人口眾多、土地資源不足的問題，另一方面也推動了經濟的快速發展[5]。隨著海水養殖業的快速發展和人們生活水平的不斷提高，消費者對海水養殖產品的需求不僅是質量上的高要求，而且表現出由季節性需求轉變成了常年需求，與耕地、鹽田等土地類型的經濟收益相比明顯偏高，這也導致了海水養殖面積的增加。以江蘇沿海灘涂養殖面積變化為例，1985年灘涂養殖池面積為208.72km2，到2010 年養殖池面積達到了1267.95km2，年變化率為16.92%[5-6]。但養殖池面積的不斷擴張勢必會導致自然濱海濕地的萎縮甚至消失、生態系統多樣性喪失、瀕危物種棲息地受損、水質污染等生態環境問題[5]。

隨著2017 年農業部印發了《養殖水域灘涂規劃編制工作規范》和《養殖水域灘涂規劃編制大綱》，要求合理布局水產養殖生產，劃定禁養區、限養區和養殖區[7]。2018 年，全國上下陸續制定了各地養殖水域灘涂規劃（2018-2030 年），水產養殖面積將面臨大規?？s減，特別是一些粗放的、尾水排放污染嚴重的養殖方式會受到限制，如何調整灘涂養殖區域和養殖區復墾利用是當前沿海灘涂有效開發利用過程中迫切需要解決的關鍵問題之一。水稻由于其特殊的栽培方式，常常會作為沿海灘涂鹽堿地改良的首選糧食作物[8-10]。同時，通過圍墾熟化利用開發沿海灘涂鹽堿地，實現非耕地產糧特別是鹽堿地耐鹽水稻種植產糧是增加國家糧食總產量的重要途徑之一[1,11]。筆者前期在新圍墾灘涂地區的試驗研究[9,12]也發現，種植水稻可以顯著降低新圍墾灘涂土壤鹽分含量，穩定土壤鹽分變化，提高土壤有機碳、活性有機碳及碳庫管理指數，進而改善沿海灘涂稻田土壤質量，提高土壤肥力。然而，沿海灘涂海水養殖復墾區種植水稻對灘涂土壤特性變化及種植年限變化對復墾區水稻產量的影響還鮮有報道。因此，本研究以江蘇南通沿海灘涂水產養殖池復墾種稻區為研究對象，開展研究灘涂水產養殖復墾區種稻短期內土壤鹽分、質地、養分、碳庫等土壤特性變化規律及灘涂水稻產量變化特征，為沿海灘涂水產養殖復墾區土地利用與評價提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點為江蘇省南通市通州灣江海聯動開發示范區核心區北側國土資源部海岸帶―南通野外基地試驗田（121°25′8″E，32°16′16″N）。該地區屬亞熱帶海洋性季風氣候區，氣候四季分明，冬季寒冷少雨，夏季炎熱多雨。該區年均氣溫約15.1℃，全年無霜期約225d，年均日照約2136h，年均降水量1042mm，降水量年內分配不均，汛期（6-9 月）降水量相對集中，約占全年總降水量的55%～80%。試驗區為江蘇沿海灘涂圍墾區，前期為水產養殖魚蝦等的池塘，2016 年國土部鹽堿地快速改良項目落戶通州灣示范區后，將項目區原地推平進行復墾改良，逐步開展種植耐鹽堿水稻或田菁等鹽堿地改良先鋒作物。試驗區整體上地下水位較高，地下水埋深0.95～1.60m，土質以沙壤土或輕沙土為主，土壤類型為濱海鹽土，鹽分離子組成主要以Na+和Cl-為主。試驗區種植水稻前，均按照加水→旋耕→靜止→放水進行淡水或微咸水洗鹽3～5次，每次洗田周期為5～7d，截至插秧期使表層土壤水分飽和下鹽分維持在3g/kg 以下。水稻后茬作物以種植大麥或小麥為主，且水稻與小麥收獲后秸稈均全部還田到土壤中。

1.2 試驗設計與采樣

2019 年6 月，選擇試驗區典型的養殖復墾區水稻種植田塊，分別選擇2017 年開始種植水稻田塊（3 年田塊，3Y）、2018 年開始種植水稻田塊（2Y）和2019 年開始種植水稻田塊（1Y），并以鄰近養殖復墾進行土地平整后的灘涂荒地作為對照田塊（CK，0Y），對照田塊有部分堿蓬、田菁或蘆葦等野生耐鹽或鹽生作物生長。種植水稻品種均為揚農稻1 號，機插秧行距30cm，穴距15cm，每穴4 株。水稻移栽前，基肥施用有機肥22.5～30.0t/hm2，黑魔粒復合肥（N:P2O5:K2O=16:7:7）750kg/hm2；分蘗肥為移栽后7 和12d 分2 次均施用尿素約150kg/hm2；穗肥分2 次施用，倒4 葉期施尿素180kg/hm2，倒2 葉期施尿素112.5kg/hm2。其中有機肥由豬糞、牛糞及菌渣復混發酵而成。整個生育期始終保持淡水層，在返青活棵期，每天換一次淡水，日浸夜露。分蘗期3～5d 換一次淡水，保持10～15cm 的淡水層。拔節至灌漿后期7～10d更換一次淡水，保持10～15cm 的淡水層。

10 月底，水稻收獲期在不同水稻種植年限田塊內采用5 點取樣法測產，每個樣點9.0m2左右。測產前測量株高，選1 行測定連續10 穴的穗數，取其中5 穴植株樣品帶回室內測定穗粒數、實粒數及結實率等，隨后收割樣方并運回進行人工脫粒，脫粒后選擇飽滿的籽粒測定千粒重和樣方產量，測籽粒含水量，折算為籽粒含水量為14.5%的樣方產量。水稻收獲后，在每個收獲樣方內分為0～20cm和20～40cm 土層采集土樣，并對鄰近對照田塊分樣方相同方式采集土樣，每個樣方內進行多點采樣混合后將混合樣帶回實驗室。土壤樣品分為2 份，一份用于新鮮樣品測定，另一份風干處理后待用。其中，新鮮土壤分別測定土壤水分和水溶性有機碳；風干土壤磨細過篩后，用于測定土壤鹽分、pH、有機碳和全氮等理化指標。

1.3 測定項目與方法

分別采用環刀法、pH 計法（土水比1:5）、電導率法（土水比1:5）和烘干法測定土壤容重、pH、電導率（EC）和土壤質量含水量；采用比重計法測定土壤顆粒組成（過2mm 篩土樣）；分別采用重鉻酸鉀外加熱法、凱氏消煮法、碳酸氫鈉浸提鉬藍比色法、堿解擴散法和乙酸銨浸提―火焰光度法測定土壤有機碳、全氮、有效磷、堿解氮、有效鉀，上述測定方法均參照《土壤農業化學分析方法》[13]。采用1.0mol/L KCl 溶液提取，然后用連續流動自動分析儀[14]測定硝態氮和銨態氮含量。

土壤水溶性有機碳（WSOC）含量的測定[15]如下，稱取20g 新鮮土樣，按照水土比2:1 進行浸提，在25℃下振蕩0.5h（100 轉/min），離心10min（8000 轉/min），然后通過0.45μm 濾膜過濾到塑料瓶中。然后用有機碳分析儀（TOC-VCPH，島津公司）測定濾液中的有機碳含量。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2010 和DPS 7.05 軟件進行數據分析與作圖，采取隨機區組單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同數據組間的差異，用Pearson 相關系數評價不同因子間的相關關系。

2 結果與分析

2.1 灘涂水產養殖復墾區種植水稻對土壤pH 和EC 的影響

由圖1a 可見，沿海灘涂養殖復墾區種植水稻后，與未種植水稻田塊（0Y）相比，第1 年種植水稻（1Y）0～20cm 土層pH 沒有明顯變化，第2 年和第3 年種植水稻（2Y 和3Y）0～20cm 土層pH 均顯著降低（P＜0.05），且隨著種植年限增加pH 呈現一定降低趨勢；種植水稻后20～40cm 土層隨種植年限變化土壤pH 沒有明顯的差異性。由圖1b 可知，與0Y 相比，種植水稻后0～20cm 和20～40cm土層EC 均顯著降低（P＜0.05），1Y、2Y 和3Y稻田0～20cm 土層EC 分別降低了79.77%、80.82%和83.48%，20～40cm 土層EC 分別降低了55.45%、59.86%和60.64%，且隨著種植年限增加0～40cm 土層EC 均沒有顯著的變化趨勢。同時，種植水稻改變了EC 在土壤中的垂直分布規律，表現為0Y 田塊土壤EC 在0～20cm 明顯高于20～40cm，但種植水稻后不同種植年限稻田EC 均表現為0～20cm 土層均不同程度低于20～40cm 土層。

圖1 灘涂水產養殖復墾區種植水稻對土壤pH 和EC 的影響Fig.1 Effects of rice planting on soil pH and EC in tidal flat aquaculture reclamation area

2.2 灘涂水產養殖復墾區種植水稻對土壤容重、孔隙度及質地的影響

由表1 可知，灘涂水產養殖復墾區種植水稻對土壤容重和孔隙度具有顯著影響。與0Y 相比，種植水稻表層土壤容重顯著增加了4.40%以上，土壤孔隙度顯著降低了4.15%以上（P＜0.05），且隨著種植水稻年限的增加，土壤容重和孔隙度沒有明顯的變化。同時，種植水稻短期內沒有改變土壤質地性質，與0Y 相比，1Y、2Y 和3Y 稻田表層土壤的砂粒、粉粒和黏粒含量均沒有明顯的差異性（P＞0.05），土壤質地均屬于輕粉質壤土。

表1 灘涂水產養殖復墾區種稻對耕層土壤容重、孔隙度及質地的影響Table 1 Effects of rice planting on surface soil bulk density,porosity and texture in tidal flat aquaculture reclamation area

2.3 灘涂水產養殖復墾區種植水稻對土壤氮、磷、鉀含量的影響

由表2 可知，與0Y 相比，1Y、2Y 和3Y 稻田表層0～20cm 土壤總氮含量均有不同程度增加，分別增加了4.52%、5.16%和12.58%，而稻田20～40cm土層均沒有明顯的差異。灘涂水產養殖復墾區種植水稻后0～20cm 和20～40cm 土壤銨態氮含量均顯著降低（P＜0.05），1Y、2Y 和3Y 稻田0～20cm 土層分別降低了19.75%、26.79%和24.05%，20～40cm土層分別降低了39.11%、44.38%和43.52%。種植水稻后0～20cm 和20～40cm 土壤硝態氮含量均一定程度降低，1Y、2Y 和3Y 稻田0～20cm 土層降低了11.18%、19.44%和12.69%，20～40cm 土層降低了9.37%、11.32%和4.86%。種植水稻后0～20cm 土壤速效鉀含量顯著降低（P＜0.05），而1Y、2Y 和3Y 稻田土壤分別降低了25.70%、45.06%和42.01%；2Y 和3Y 種植水稻田塊20～40cm 土層速效鉀含量顯著低于0Y 田塊，且0～40cm 土壤速效鉀含量均表現為種植水稻2 年趨于穩定。另外，短期內（1Y 和2Y）種植水稻對0～40cm 土壤有效磷含量均沒有顯著影響，但3Y 種植田塊有效磷含量顯著增加（P＜0.05）。

表2 灘涂水產養殖復墾區種植水稻對氮、磷、鉀含量的影響Table 2 Effects of rice planting on N,P and K contents in tidal flat aquaculture reclamation area

2.4 灘涂水產養殖復墾區種植水稻對土壤有機碳及水溶性有機碳的影響

由圖2 可知，灘涂水產養殖復墾區種植水稻后，短期內0～20cm 土層土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）含量均顯著提高（P＜0.05）。1Y、2Y 和3Y 田塊在0～20cm 土層SOC 含量分別為3.84、3.91 和6.12g/kg，與0Y 相比分別提高了32.18%、34.67%和111.03%；20～40cm 與0～20cm土層SOC 變化具有相似的增加趨勢，但20～40cm SOC 含量增加幅度較為緩慢。同時，灘涂水產養殖池發展水稻種植后，短期內0～40cm 土層土壤水溶性有機碳（water-soluble soil organic carbon，WSOC）含量均顯著提高（P＜0.05）。與0Y 相比，1Y、2Y 和3Y 在0～20cm 土層WSOC 含量分別增加了15.90%、11.82%和22.72%，在20～40cm 土層WSOC含量分別增加了23.19%、18.96%和23.08%。不同種植年限之間，在0～20cm 土層3Y 田塊WSOC 含量顯著高于1Y 和2Y 田塊（P＜0.05），在20～40cm土層1Y、2Y 和3Y 田塊的WSOC 含量沒有明顯差異（P＞0.05）。

圖2 灘涂水產養殖復墾區種植水稻對土壤有機碳及水溶性有機碳的影響Fig.2 Effects of rice planting on SOC and WSOC in reclamation area of tidal flat aquaculture

由圖3 可知，在灘涂水產養殖復墾區，0～20cm和20～40cm 土層C/N 變化幅度分別為4.92～8.78 和4.43～5.87。種植水稻后，在0～20cm 土層土壤的C/N有顯著提高，且隨著種植年限的增加，土壤C/N 有一定的增加趨勢；在20～40cm 土層C/N 與0～20cm土層有相似的增加規律，但變化幅度較為緩慢些。在灘涂水產養殖復墾區0～40cm 土層中，WSOC/SOC 均在0.68%～1.24%，且種植水稻后WSOC/SOC在0～20cm 呈現顯著降低的趨勢，在20～40cm 土層WSOC/SOC 沒有明顯的變化差異（P＞0.05）。

圖3 灘涂水產養殖復墾區種植水稻對土壤C/N 及WSOC/SOC 的影響Fig.3 Effects of rice planting on soil C/N and WSOC/SOC in tidal flat aquaculture reclamation area

2.5 灘涂水產養殖復墾區種稻年限對水稻產量及其構成因素的影響

從表3 可知，灘涂水產養殖復墾區種植水稻后，隨著種植年限的增加，灘涂水稻產量顯著增加，2Y和3Y 水稻產量相比1Y 產量（5224.2kg/hm2）分別增加了26.33%和42.89%（P＜0.05）。就水稻產量構成因素而言，灘涂水稻穗粒數與產量變化規律一致，隨著種植年限的增加穗粒數顯著增加，2Y 和3Y 田塊的穗粒數相比1Y 田塊（103.0）分別增加了19.19%和32.13%（P＜0.05）。同時，相關性分析（圖4）表明，水稻產量與穗粒數（R2=0.827）、實粒數（R2=0.796）均呈極顯著正相關（P＜0.01）。水稻千粒重隨著種植年限的增加也呈現一定的增加趨勢，2Y 和3Y 田塊相比1Y 田塊（21.3g）分別增加了3.61%和8.38%，且3Y 田塊相比1Y 田塊千粒重表現為顯著增加（P＜0.05）；不同種植年限間灘涂水稻的穗數和結實率均沒有明顯的差異性。由此可見，就產量構成因素而言，說明隨著灘涂水稻種植年限的增加，水稻產量提高主要是穗粒數和千粒重增加引起的，特別是穗粒數的增加。

表3 灘涂水產養殖復墾區不同種植年限水稻產量及其構成因素Table 3 Comparison of rice yield and its components in different planting years of tidal flat aquaculture reclamation area

圖4 灘涂水產養殖復墾區種稻水稻產量與穗粒數的相關性Fig.4 Correlations between rice yield and grains number per panicle in rice cultivation of tidal flat aquaculture reclamation area

3 討論

3.1 灘涂水產養殖復墾區種植水稻對土壤理化特性的影響

研究[9,16-20]表明，通過生物覆蓋（如秸稈）、植被種植（如耐鹽作物、鹽生作物、水稻等）等途徑可以進行鹽堿地土壤改良，通過利用植物生長或生物覆蓋改善表層土壤結構，減少土壤中水分的蒸發，充分利用降雨加速鹽分淋洗、延緩或防止積鹽返鹽現象。水稻基于其特殊的水田栽培方式，常常被作為改良灘涂鹽堿地的重要途徑[10,12]。董起廣等[20]在沿黃地區鹽堿地上的研究表明，水稻種植短期內可以有效降低土壤pH 和EC，但鹽堿土稻田土壤機械組成沒有發生明顯的改變。張蛟等[9,12]在沿海灘涂新圍墾地區的研究表明，沿海灘涂鹽堿地種植水稻后耕層土壤鹽分顯著降低，同時種植水稻可以改變土壤鹽分的垂直分布規律。本研究在灘涂水產養殖復墾區也發現，種植水稻后耕層土壤pH 和EC 均顯著降低，同時種稻后土壤容重顯著增加，孔隙度顯著降低，但土壤質地如黏粒、砂粒、粉粒含量等沒有顯著的變化，這與前人[9,12,20]的研究結果相似。出現這些結果的可能原因主要有以下2 點，首先是灘涂水產養殖復墾區種稻過程中，水稻生長期間田間管理需要不斷補充淡水資源或微咸水資源進行灌溉，以保障水稻的正常生長需求；同時灌溉過程不僅可以起到洗鹽和稀釋表層土壤鹽分濃度的作用，也可以起到控鹽壓鹽的作用，進而使土壤耕層鹽分降低[9,12,21]；其次灘涂養殖復墾區種稻短期內土壤機械組成沒有明顯的變化，是由于土壤質地改變需要一個長期的過程，本研究區域中水稻種植年限較短，還不足以使土壤機械組成發生質的變化[20]。

水稻種植不僅可以改變土壤物理性質，也會改變土壤化學或養分性質[12,22-23]。本研究也發現，灘涂水產養殖復墾區種稻后，耕層土壤總氮、SOC、WSOC 和C/N 均顯著增加或呈增加趨勢，且隨種植年限增加，SOC、WSOC、C/N 和有效磷等肥力指標均呈增加趨勢，這與張蛟等[12]和霍朝晨等[23]的研究結果相似。同時，土壤中可溶性碳與有機碳的比值可反映土壤微生物量的活性，本研究中灘涂水產養殖復墾區荒地和稻田土壤的WSOC/SOC 變化范圍均在0.68%～1.24%，這與前人[24-25]的研究報道一致。出現這些結果主要原因可能是：一方面從灘涂復墾區荒地轉變為灘涂稻田，土地利用方式變化改變了地面植被組成結構和生物多樣性，從而影響了生態系統的有機碳含量、組成及穩定性[26]；另一方面，由于灘涂地區鹽分高、養分少的原因，灘涂地區種植水稻前2 年較常規水稻種植管理（如耕作、施肥等）需要額外施入22.5～30.0t/hm2有機肥補充土壤養分，外源有機碳的輸入以及水稻生長過程中作物根系分泌物和作物殘渣根系枯葉等進入土壤增加了SOC 和WSOC 含量[27-28]；另外，種植水稻過程中通過淡水或微咸水洗鹽、灌溉等，使灘涂水稻種植區耕層土壤鹽分逐漸降低，這在一定程度上促進了灘涂土壤有機碳和活性有機碳的積累[12,28-29]。但需要注意的是，本研究中隨著水稻種植年限增加，耕層土壤全氮、銨態氮和硝態氮含量均沒有顯著變化（表2），原因可能是，水稻生長過程中需從土壤中吸取大量的銨態氮或硝態氮，水稻施肥管理主要以速效的尿素及復合肥為主，由于灘涂土壤養分本身比較匱乏，人為肥料補充僅僅可以滿足水稻的生長而無法在土壤中形成積累。此外，水稻種植需要大量的淡水資源，但灘涂地區淡水資源不足且時空分布不均極大地限制了灘涂大面積快速發展水稻種植，然而灘涂地區擁有十分豐富的微咸水和咸水資源[9,21]。因此，如何合理利用微咸水資源灌溉技術，并配合以一系列水肥管理和品種管理技術進行優化品種和栽培技術（如適當施用緩控釋肥或綠肥種植的補充到灘涂土壤），進而發展灘涂水稻高產栽培和潛在稻田，將有助于鹽堿地土壤的持續改良，使灘涂水稻實現增產增效，保障國家糧食安全。

3.2 灘涂水產養殖復墾區種稻利用的水稻產量及其構成因素表現特征

在耕地資源日益趨緊情況下，將沿海大面積不長植物的鹽堿地和灘涂等非耕地轉變成為耕地進行產糧，這對保障糧食安全意義重大[11]。鹽堿地種植水稻是改良鹽堿地的重要途徑[9,12,21]。但研究[9,30-32]表明，鹽逆境對水稻產量有明顯的不利影響，但造成產量下降的原因卻有所差異。如楊福等[30]在吉林鹽堿地種稻的研究表明，鹽堿環境對水稻單位面積的有效穗數影響不顯著，但鹽堿環境使水稻每穗實粒數顯著減少，千粒重減輕，從而降低了水稻的產量。周根友等[31]利用鹽池設施研究了鹽脅迫對不同品種水稻產量的影響，結果表明鹽逆境下水稻單位面積穗數略有下降，穗粒數和千粒重則表現為顯著下降，其中穗粒數下降幅度達49.1%，是鹽逆境下水稻減產的主導因素。在盆栽模擬不同鹽分水平下種稻的研究[32]表明，中鹽（0.15%）和高鹽（0.30%）處理的產量降幅分別為23.7%和56.7%，且中鹽下的穗數、穗粒數和千粒重分別下降6.4%、14.8%和4.8%，高鹽下則分別下降18.8%、36.0%和11.0%，其得出穗粒數是鹽逆境下水稻減產的主導原因。本研究也表明，灘涂水產養殖復墾區種植水稻過程中，隨著種植年限的增加，單位面積穗數沒有明顯的增加，但穗粒數和千粒重均有所增加，進而提高了灘涂水稻產量；同時，水稻穗粒數與產量變化規律一致，且水稻產量與穗粒數和實粒數均呈極顯著正相關（表3 和圖4），因此我們得出灘涂水產復墾區種稻生產中的水稻產量提高主要是穗粒數增加引起的，這與前人[30-32]的大部分報道一致?；谶@些研究可以推測，鹽逆境對水稻產量的影響主要發生在孕穗期，這一時期主要影響穗粒數。拔節孕穗期是水稻生長發育的關鍵時期，此時水稻進入幼穗分化期，鹽脅迫對穗分化產生不利的影響，穗長縮短，穗粒數減少[33]。在灘涂水稻生產上要注重孕穗期水肥及鹽分調控，如在孕穗期使用生長調節劑或葉面肥，從莖葉吸收補充營養物質來緩解因鹽脅迫影響根部吸收土壤養分的不足，或者探索適宜灘涂水稻的水肥鹽管理措施，盡量增加水稻的穎花數和促進穗粒數的形成，進而減輕鹽脅迫對水稻產量的不利影響。

4 結論

綜上可知，灘涂養殖復墾區種稻短期內有利于降低耕層土壤鹽分，提高土壤有機碳和水溶性有機碳含量，進而改善了灘涂土壤質量和提高了土壤肥力；但需注意灘涂土壤全氮、速效氮含量等隨著種植年限增加沒有明顯的變化，還均處于較低的水平。灘涂復墾區水稻產量提高主要是穗粒數增加引起的，隨著種植年限的增加，穗粒數與水稻產量變化規律一致。今后灘涂水稻種植過程中需要探索適宜灘涂特色的水肥鹽協同管理措施，特別要注重水稻孕穗期的水肥鹽調控，如使用生長調節劑或葉面肥，從莖葉吸收補充營養來緩解鹽脅迫下根部吸收養分的不足，盡量增加水稻的穎花數和促進穗粒數的形成；或者利用合理的還田、輪作措施（如水稻―綠肥輪作），增加土壤碳氮儲量，進而減輕鹽脅迫對水稻產量的不利影響。