全 文 ：植物营养与肥料学报 ２０１５，２１（２）：５０９－５１６ ｄｏｉ牶１０１１６７４／ｚｗｙｆ．２０１５０２２７
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｌａｎｔＮｕｔｒｉｔｉｏｎａｎｄＦｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｈｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｌａｎｔｎｕｔｒｉｆｅｒｔ．ｏｒｇ
收稿日期：２０１４－０８－２６　　　接受日期：２０１４－１１－１７
基金项目：公益性行业（农业）科研专项（２０１００３０１６）；国家重点基础研究发展计划课题（２０１３ＣＢ１２７４０５）资助。
作者简介：刘占军（１９８４—），男，河南新密人，博士，主要从事土壤养分循环与高效利用研究。Ｅｍａｉｌ：ｌｉｕｚｈａｎｊｕｎ０７＠１２６ｃｏｍ
 通信作者 Ｅｍａｉｌ：ｗｚｈｏｕ＠ｃａａｓ．ａｃ．ｃｎ
低产水稻土改良与管理研究策略
刘占军１，２，艾 超１，徐新朋１，张 倩１，吕家珑２，周 卫１
（１中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 １０００８１；
２西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 ７１２１００）
摘要：我国耕地后备资源极端缺乏，改良低产田是提高粮食产量的重要途径。低产水稻土作为低产田的重要组成
部分，相关肥力特征及其改良技术研究比较零散，缺乏系统科学的调控管理策略。本文从低产水稻土类型、新的改
良研究方法角度，探索可能的技术突破。基于农业部统计数据，因环境条件不良或土壤自身存在障碍因素，全国约
有７６７×１０６ｈｍ２低产水稻土。按其主导成因，低产水稻土可分为冷潜型、粘结型、沉板型、毒质型四类。土壤质量
评价是低产水稻土研究的重要方面，其评价方法主要包括土壤质量动力学法、土壤质量综合评分法、多变量指标克
立格法、土壤相对质量评价法，现已发展了基于ＧＩＳ的区域尺度水稻土质量评价方法，以及基于土壤生物学性状的
质量评价方法。低产水稻土改良研究更多关注新技术和新方法，稳定性同位素探针技术、傅里叶变换红外光谱法
（ＦＴＩＲ）和固相交叉极化魔角自旋１３Ｃ核磁共振（ＣＰＭＳ１３Ｃ－ＮＭＲ）波谱技术的应用，将土壤有机碳的微团聚体分布、
腐殖质的转化及其与土壤矿物结合机制深入到微观水平；同时高通量测序、土壤宏基因组学、宏转录组学等方法将
相关研究推向分子水平。低产水稻土改良与管理的技术主要涉及到冷潜型、粘结型、沉板型、毒质型四大类低产水
稻土的改良技术，基于产量反应和农学效率的推荐施肥方法是水稻土养分管理方法的重要发展方向。１）在低产水
稻土质量评价方面，未来要结合不同低产类型的障碍因素开展个性化的土壤质量评价，如白土的质地和耕层厚度，
加强引入土壤生物学指标进行土壤质量评价研究。２）在低产水稻土改良方面，要研究稻田障碍层次的形成机理与
调控途径；研究其他低产类型如新垦水稻土、盐渍化水稻土、石灰化水稻土和污染水稻土的改良技术；研究长期改
良措施对不同粒级团聚体腐殖质结构、酶类、微生物多样性和功能基因的影响。３）在低产水稻土管理方面，着重研
究秸秆还田技术、推荐施肥技术、抗逆品种技术、群体控制技术。
关键词：低产水稻土；改良；策略
中图分类号：Ｓ１５５．２＋９２；Ｓ１５６．９３　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００８－５０５Ｘ（２０１５）０２－０５０９－０８
Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｆｏｒｌｏｗｙｉｅｌｄｒｉｃｅｐａｄｄｙｓｏｉｌｓ
ＬＩＵＺｈａｎｊｕｎ１，２，ＡＩＣｈａｏ１，ＸＵＸｉｎｐｅｎｇ１，ＺＨＡＮＧＱｉａｎ１，ＬＪｉａｌｏｎｇ２，ＺＨＯＵＷｅｉ１
（１ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅａｎｄＲｅｇｉｏｎａｌＰｌａｎｎｉｎｇ，ＣＡＡＳ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ；
２ＣｏｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＡ＆ＦＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ７１２１００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｌａｎｄｒｅｓｅｒｖｅｓｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｙｏｐｅｎｅｄｆｏｒｆａｒｍｉｎｇｐｕｒｐｏｓｅａｒｅｅｘｔｒｅｍｅｌｙｌｉｍｉｔｅｄｉｎＣｈｉｎａ，
ｔｈｅａｍｅｌｉｏｒａｔｉｏｎｏｆｆａｒｍｌａｎｄｓｗｉｔｈｌｏｗｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙｐｌａｙｓａｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｓｉｎｔｈｅｇｒａｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎｃｒｅｍｅｎｔ．Ｌｏｗ
ｙｉｅｌｄｒｉｃｅｐａｄｄｙｓｏｉｌｓｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｈｉｇｈｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｔｈｅｔｏｔａｌｌｏｗｆｅｒｔｉｌｉｔｙｓｏｉｌｓ，ｍａｎｙｓｔｕｄｉｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｃａｒｉｅｄｏｕｔｔｏ
ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｉｒｆｅｒｔｉｌｉｔｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｅｆｅｃｔｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｔｈｅｉｒｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｓｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ
ａｒｅｓｃａｔｅｒｅｄ，ｌａｃｋｏｆｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｈａｖｅｎｏｔｆｏｒｍｅｄｓｔｒａｔｅｇｉｃｍａｎａｇｅｍｅｎｔｒｕｌｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｔｙｐｅｓｏｆ
ｌｏｗｙｉｅｌｄｒｉｃｅｐａｄｄｙｓｏｉｌｓ，ｔｈｅｎｏｖｅｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄａｐｐｒｏａｃｈｅｓａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｏｓｓｉｂｌｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ
ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄａｔａｆｒｏｍｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｏｆｔｈｅＰｅｏｐｌｅｓ’Ｒｅｐｕｂｌｉｃｏｆ
Ｃｈｉｎａ，ｔｈｅｒｅａｒｅａｂｏｕｔ７６７×１０７ｈａｌｏｗｙｉｅｌｄｒｉｃｅｐａｄｄｙｓｏｉｌｎａｔｉｏｎｗｉｄｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｆｏｕｒｍａｊｏｒ
ｇｒｏｕｐｓ：ｃｏｌｄｇｌｅｙｅｄｐａｄｄｙｓｏｉｌ，ｂｏｎｄｅｄｐａｄｄｙｓｏｉｌ，ｈａｒｄｅｎｐａｄｄｙｓｏｉｌａｎｄｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄｐａｄｄｙｓｏｉｌ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏ
ｔｈｅｉｒｉｎｔｒｉｎｓｉｃｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｏｒｄｅｔｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｏｉｌｑｕａｌｉｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｗａｓｃｒｕｃｉａｌｆｏｒｃｈｏｓｉｎｇｓｕｉｔａｂｌｅ
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 ２１卷
ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｌｏｗｙｉｅｌｄｒｉｃｅｐａｄｄｙｓｏｉｌ．Ｆｏｕｒａｐｐｒｏａｃｈｅｓｗｅｒｅｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｔｏｅｖａｌｕａｔｅｓｏｉｌｑｕａｌｉｔｙ：
ｄｙｎａｍｉｃｓｍｅｔｈｏｄ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｃｏｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｍｕｌｔｉｐｌｅｖａｒｉａｂｌｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｋｒｉｎｇ（ＭＶＩＫ）ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅ
ｑｕａｌｉｔｙｍｅｔｈｏｄ．Ｂａｓｉｃａｌｙ，ｔｈｅｓｏｉｌｑｕａｌｉｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓａｒｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｍｐｌｏｙｍｅｎｔｏｆＧＩＳａｎｄｔｈｅｓｏｉｌｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｕｓｅｏｆｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｉｓｏｔｏｐｅｐｒｏｂｉｎｇ，ｆｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｏｒｏｓｃｏｐｙ
（ＦＴＩＲ）ａｎｄＣＰＭＳ１３Ｃ－ＮＭＲｓｐｅｃｔｒａ，ｔｈｅａｎａｌｙｓｅｓｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｍｉｃｒｏａｇｇｒｅｇａｔｅ，ｈｕｍｕｓ
ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｒｂｉｎｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｗｉｔｈｓｏｉｌｍｉｎｅｒａｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｅｐｉｎｔｏｍｉｃｒｏｌｅｖｅｌ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｎｅｗａｎａｌｙｔｉｃｍｅｔｈｏｄｓｓｕｃｈａｓｈｉｇｈｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ，ｓｏｉｌｍａｃｒｏｇｅｎｏｍｉｃｓａｎｄｍａｃｒｏ
ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｏｍｅａｌｓｏｍａｄｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｔｏｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｅｖｅｌ．Ｒｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｙｉｅｌｄ
ｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄａｇｒｏｎｏｍｙｅｆｉｃｉｅｎｃｙｗｉｌｃｏｎｔｉｎｕａｌｙｔｏｂｅｔｈｅｃｏｒｅｏｆｎｕｔｒｉｅｎｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｐａｄｄｙｆｉｅｌｄｓｆｏｒｅｘｐｌｏｒｉｎｇ
ｔｈｅｙｉｅｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ．Ｆｏｒｔｈｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｓｏｉｌｑｕａｌｉｔｙ，ｓｐｅｃｉｆｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｅｓａｒｅｓｔｉｌｎｅｅｄｅｄｆｏｒｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ
ｌｉｍｉｔｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｉｎｄｉｆｅｒｅｎｔｌｏｗｙｉｅｌｄｐａｄｄｙｓｏｉｌｓ．Ｔｈｅｃｒｉｔｅｒｉａｏｆｓｏｉｌｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｒｅａｌｓｏｎｅｅｄｔｏｂｅ
ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｉｎｔｈｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｓｏｉｌｑｕａｌｉｔｙ．Ｆｏｒｔｈｅａｍｅｌｉｏｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｏｗｙｉｅｌｄｐａｄｄｙｓｏｉｌｓ，ｓｔｕｄｉｅｓｒｅｌａｔｅｄｔｏ
ｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｏｉｌｂａｒｉｅｒａｎｄｔｈｅｃｏｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｍｅｎｄｍｅｎｔｗａｙｓｓｔｉｌｎｅｅｄｔｏｂｅｃａｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅ
ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｏｔｈｅｒｔｙｐｅｓｏｆｌｏｗｙｉｅｌｄｐａｄｄｙｓｏｉｌｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｎｅｗｒｅｃｌａｉｍｅｄ，ｓａｌｉｎｉｚｅｄ，ｃａｌｃｉｆｉｅｄａｎｄｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄ
ｐａｄｄｙｆｉｅｌｄｓａｒｅａｌｓｏｎｅｅｄｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ．Ｔｈｅｅｆｅｃｔｓｏｆｌｏｎｇｔｅｒｍａｍｅｎｄｍｅｎｔｓｏｎｓｏｉｌｈｕｍｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｎｚｙｍｅｓ，
ｍｉｃｒｏｂｉａｌｄｉｖｅｒｓｉｔｙａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｇｅｎｅｉｎａｇｇｒｅｇａｔｅｌｅｖｅｌａｒｅａｌｗａｙｓｎｅｅｄｔｏｂｅｔｒａｃｅｄ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｒｏｐ
ｒｅｓｉｄｕｅｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙｏｆｒｅｓｉｓｔａｎｔｃｕｌｔｉｖａｒｓａｎｄｍａｓｓｃｏｎｔｒｏｌｄｅｓｅｒｖｅｆｏｃｕｓｅｄ
ｉｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｌｏｗｙｉｅｌｄｒｉｃｅｐａｄｄｙｓｏｉｌ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｌｏｗｙｉｅｌｄｐａｄｄｙｓｏｉｌｓ牷ｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ牷ｓｔｒａｔｅｇｙ
　　水稻土是关乎我国粮食安全的重要土壤资
源［１］。据统计，２０１１年我国稻谷种植面积占全国粮
食作物总面积的 ２２％，产量占粮食总产量的
２８％［２］。根据全国水稻平均产量及参考我国耕地
地力等级划分标准［２－３］，将单季水稻平均产量低于
６０００ｋｇ／ｈｍ２划分为低产水稻土。因环境条件不良
或自身存在的障碍因素，我国低产水稻土面积约
７６７×１０６ｈｍ２，占水稻土总面积的３２％。我国当前
耕地后备资源极端缺乏，改良低产田是提高我国粮
食综合生产能力，保证国家粮食安全的重要途径之
一［４］。低产水稻土面积大、分布广，其肥力特征与
改良技术研究比较零散，没有形成系统的理论和应
用体系，缺乏科学的调控管理策略。为此，本文从低
产水稻土的类型、改良研究新方法及其技术突破等
方面入手对相关问题进行探讨。
１　低产水稻土类型及特点
我国低产水稻土类型复杂，按照其主导成因，大
致可分为冷潜型、粘结型、沉板型和毒质型四类［５］。
１）冷潜型低产水稻土　面积约４×１０６ｈｍ２，包
括沿湖水网地区长期沤水的潜育化水稻土，以及冷
浸田如烂泥田、冷水田、锈水田、鸭屎泥田等。潜育
化水稻土还原性强，有机质积累，铁的活化和迁移损
失明显，土壤团聚体易遭破坏，土壤粘闭，通气性能
差；冷浸田水稻土长期渍水，土壤温度低、还原性物
质多，有机质和全氮含量高，土壤有效养分偏低［１］。
２）粘结型低产水稻土　面积约１３×１０６ｈｍ２，
质地粘重、耕性发僵、土体粘结力大以及石灰含量逐
渐增高。根据成土母质及其粘性程度不同可分为黄
泥田、胶泥田和石灰泥田。该类水稻土土体粘粒含
量高，一般在３０％以上；结构不良，耕性差；有机质
含量低，供肥保肥能力差［６］。
３）沉板型低产水稻土　沉板型低产水稻土是
指土壤质地过砂或粗粉粒含量过高的一类低产水稻
土，面积约２×１０６ ２７×１０６ｈｍ２［７］。根据土壤的
性状以及沉板的特点，可分为淀浆田、沉砂田和砂漏
田，白土是典型的沉板型低产水稻土，其土壤粘粒含
量低，水耕过程中，粗颗粒容易下沉，淀浆板结，土体
紧实，土壤养分匮乏，保肥性能差。
４）毒质型低产水稻土　毒质型低产水稻土是
指土壤中含有的化学组成超过水稻适应的浓度，致
使水稻生长受到毒害的一类低产水稻土，按其毒源
可分为咸田、反酸田、重金属和矿毒田。咸田又称盐
渍化水稻土，面积约为 １３×１０５ｈｍ２，盐分含量在
０１％ １％之间，表层多在０６％以上，盐分组成以
氯化钠为主［１］。反酸田又称磺酸田，面积约１０×
１０５ｈｍ２［８］，其含有大量的硫化物，酸性强，土壤水溶
液中硫酸铝含量高［９］。矿毒田是由矿毒水污染而
０１５
２期　　　 刘占军，等：低产水稻土改良与管理研究策略
导致低产的水稻土，按矿毒水的成分不同可分为重
金属污染稻田、硫磺田、锰毒田和炭浆水田。
２　低产水稻土评价与改良研究新方法
２１低产水稻土质量评价
土壤质量评价可以量化不同农田管理措施对土
壤质量的影响，进而规范和改进土地利用方式及农
田管理措施［１０－１１］。国际上比较常用的土壤质量评
价方法主要包括：土壤质量动力学法、土壤质量综
合评分法、多变量指标克立格法、土壤相对质量评价
法。目前有关水稻土质量评价的报道多局限于某一
农田管理措施如长期施肥或不同土地利用方式对水
稻土质量的影响，不能完全揭示区域尺度下不同生
产力水稻土质量变化规律［１２］。同时我国水稻土质
量评价研究虽已取得较大进展，但对低产水稻土关
注则相对较少［１３］。
Ｙａｏ等［１４］对沿海区域典型盐土耕作区土壤质
量评价表明，土壤有机质对作物产量产生显著影响，
是盐土耕作区必不可少的土壤质量评价指标。
Ｂｏｌｕｄａ等［１５研究指出准确的土壤质量评价需要大量
土壤指标的测定分析。Ｑｉ等［１６］和 Ｌｉｍａ等［１７］研究
表明，最小数据集能够代替全量数据集对稻田土壤
质量进行准确评价，且节约时间，降低成本。Ｌｉ
等［１８］对江西稻田土壤质量进行评价，并建立最小数
据集：有机质、碱解氮、有效磷、缓效钾和砂粒。Ｌｉｕ
等［１９－２１］通过最小数据集法对我国南方黄泥田、反酸
田和白土三大低产水稻土土壤质量状况进行研究，
发现较低水平的全氮、速效钾和有效硅是黄泥田的
限制因子；较低水平的 ｐＨ、有效硅和全氮是反酸田
的限制因子；较低水平的有机质、全氮、速效钾和ｐＨ
是白土的限制因子。
土壤质量指标包括土壤物理指标、化学指标和
生物学指标，而当前土壤质量评价研究仍集中在土
壤物理指标和化学指标，对土壤生物学指标的应用
相对较少［２２］。由于土壤生物学指标对土壤质量变
化反应灵敏，能够较好的区分不同农田管理措施效
果［２３］。因此，在今后土壤质量研究尤其是低产水稻
土质量评价方面要给予足够重视。Ｒｏｍａｎｉｕｋ等［２４］
通过测定土壤微生物多样性揭示了有机和传统农业
下土壤质量差异；Ｌｉｍａ等［１７］研究表明，在水稻土生
态系统内，土壤生物学指标比理化指标更能灵敏地
反映土壤质量变化。此外，在区域尺度上将模型和
地理信息系统（ＧＩＳ）技术相结合是准确定位低产水
稻土分布，综合评价土壤肥力差异的有效手段，如
Ｏｂａｄｅ和Ｌａｌ［２５］将ＧＥＭＳ模型与 ＧＩＳ相结合用于研
究不同区域尺度土壤碳储量，以表征土壤质量变化。
２２低产水稻土改良研究的新技术与新方法
现代分子生物学技术的发展，为我们研究低产
水稻土改良的生物学过程提供了先进技术手段。目
前，高通量测序技术在土壤微生物研究中得以广泛
应用，它极大地降低了测序成本，实现了大规模的土
壤微生物基因直接测序［２６］；基于第二代测序方法
（ＮＧＳ）的土壤宏基因组学（Ｍｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｓ）和宏转录
组学（Ｍｅｔａｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｏｍｉｃｓ），为研究人员提供了丰富
的土壤微生物学信息，尤其是不同肥力水平下微生
物功能多样性研究得到了不断的深入和发展。宏基
因组学研究结果表明，在土壤低氮条件下，水稻根系
微生物组拥有更多的代谢氮、硫、铁和芳香族化合物
的相关功能基因，以及更加丰富的伯克氏菌
（Ｂｕｒｋｈｏｌｄｅｒｉａ）、慢生根瘤菌（Ｂｒａｄｙｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）、甲基
弯曲菌（Ｍｅｔｈｙｌｏｓｉｎｕｓ）［２７］。然而，宏基因组学以
ＤＮＡ为研究对象，所得到的分析结果只能说明其具
有某种潜在功能，并不能对相关功能基因是否表达
给出明确结论。宏转录组学的出现克服了宏基因组
学不能对相关功能基因是否表达给出明确结论的短
板，能将特定条件下的微生物群落与其功能联系起
来，对土壤微生物发挥的实际作用给予准确地分析。
在有机污染土壤研究中，ｄｅＭｅｎｅｚｅｓ等［２８］首次利用
宏转录组技术发现微生物重金属Ｐ－型ＡＴＰ酶和硫
氧还蛋白与土壤多环芳烃胁迫关系密切。应用于实
际生产中，宏基因组和宏转录组学的相关理论和进
展则有利于我们优化微生物功能的执行效率、提高
作物养分供给，并进一步减少能耗和对生态环境的
负面影响。国外在土壤微生物组学方面已经开展了
有力的研究，而我国还处于起步阶段，针对水稻土改
良的相关研究国内外更是未见报道。
近年来，稳定性同位素探针技术（ＳｔａｂｌｅＩｓｏｔｏｐｅ
Ｐｒｏｂｉｎｇ，ＳＩＰ）已成为揭示复杂土壤环境中重要微生
物生理生态过程的有利工具之一。Ｍｕｒａｓｅ等［２９］利
用１３Ｃ－ＳＩＰ技术发现１３Ｃ标记的水稻秸秆在稻田土
壤中主要被 Ｍｏｒｔｉｅｒｅｌａ、Ｇａｌａｃｔｏｍｙｃｅｓ、Ｓｙｎｃｅｐｈａｌｉｓ等
真菌分解利用；１５Ｎ－ＳＩＰ研究表明，不同 Ｃ／Ｎ比秸
秆能够显著诱导不同的微生物对其进行分解代
谢［３０］，进而影响秸秆还田的降解过程。目前分子生
态学技术与稳定同位素探针技术的结合，为我们原
位研究水稻土改良下根际微生物效应提供了新的思
路，该方法不仅可以准确地展示微生物多样性，而且
能够综合地揭示根际微生物群落的生态功能。未来
１１５
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 ２１卷
研究的重点应是土壤改良下根际碳沉积在根－微生
物－土壤中的分配和调节机制，以及如何利用这一
微生物学机制来提高水稻产量，实现农业可持续
发展。
对于土壤改良的物理化学过程，研究人员已经
开始大量引入傅里叶变换红外光谱法（ＦＴＩＲ）和固
相交叉极化魔角自旋１３Ｃ核磁共振（ＣＰＭＳ１３Ｃ－
ＮＭＲ）波谱技术，并已深入到土壤有机碳的微团聚
体分布、腐殖质的转化及其与土壤矿物结合机制的
微观水平。Ｓｐａｃｃｉｎｉ等［３１］采用１３Ｃ稳定同位素结合
ＣＰＭＳ－ＮＭＲ技术研究表明，玉米秸秆释放出来的
新有机化合物能够被土壤腐殖质疏水组分所稳定，
阐明了土壤原有腐殖质有利于新有机质积累的化学
机理。罗璐等［３２］采用ＦＴＩＲ技术对我国长期施肥稻
田土壤有机质结构分析后发现，长期施用有机肥或
秸秆还田能显著增加稻田土壤化学抗性化合物（脂
族性、芳香族）、碳水化合物以及有机硅化合物的官
能团吸收强度，在一定程度上揭示了稻田土壤有机
质积累的化学稳定机制；同时也说明了肥料长期定
位试验在揭示稻田土壤肥力演变过程中的重要地
位，其阐明改良措施的效果以及试验结论的确切性
是短期试验所不能比拟。
３　低产水稻土改良与管理的技术突破
低产水稻土改良与管理的技术主要涉及到冷潜
型、粘结型、沉板型、毒质型四大类低产水稻土的改
良技术，以及水稻土养分管理技术。
３１　冷潜型低产水稻土改良技术
还原性物质多、通气性差、土温低、供肥缓慢是
冷潜型水稻土低产的主要原因［３３］。董稳军等［３４］研
究表明，施用生物炭及脱硫灰等土壤改良剂可有效
改善冷浸田土壤特性和水稻群体质量。徐富贤
等［３５］通过研究川东南冬水田杂交中稻进一步高产
技术，提出了稀植足肥促进扩“库”增“源”的高产栽
培策略。紫娟娟等［３６］对我国冷浸田主要分布的 ７
个省份土样分析表明，土壤 ｐＨ偏低、部分地区土壤
速效磷和速效钾严重亏缺是影响我国冷浸田生产力
的重要障碍因子。曹芬芳等［３７］研究指出选择适宜
冷浸田的水稻品种，采用垄厢栽培方式有利于获得
高产。同时采用“田”字型明沟排水措施也是改善
冷浸田土壤理化性状和提高稻谷产量的重要措施
之一［３８］。
３２　粘结型低产水稻土改良技术
土壤熟化度低、有机质缺乏、酸性强及耕性不良
是黄泥田低产的主要原因。冀建华等［３９］研究表明，
长期有机无机肥料配施可增加黄泥田土壤全氮、有
机质及微生物量，提高土壤质量和肥力；同时有机无
机肥料配施也是红壤性稻田生产实践中的优推模
式［４０］。王飞等［４１］研究表明紫云英翻压可明显提高
单季稻区黄泥田的农田生产力；王建红等［４２］研究
进一步指出翻压紫云英鲜草６０ｔ／ｈｍ２时可获得较
高的肥料利用率和水稻产量。长期秸秆还田能有效
缓解不良农田管理措施对稻田生产力的负面影响，
具有较好的稳产和增产效果［４３］。杨帆等［４４］研究发
现稻田秸秆还田配施秸秆腐熟剂对稻田地力培肥和
增产效果更为明显。因此，有机熟化技术是黄泥田
改良的主要措施，而稻田秸秆腐熟菌剂的研究应给
予足够重视。
３３　沉板型低产水稻土改良技术
土壤质地过砂、淀浆板结、漏水漏肥、养分贫乏
是造成沉板型水稻土低产的主要因素。其中，淀浆
田的主要低产因素是淀浆板结，而沙漏田的主要低
产因素是漏水漏肥。白土作为典型的沉板型低产水
稻土近年来备受关注。王培燕等［４５］研究表明强烈
的机械淋溶是漂白层形成的主要原因。汪建飞
等［４６］研究发现施用有机物料可以提高土壤磷等养
分有效性，提高白土的保水性能及生物活性。吴萍
萍等［４７］研究表明逐年深耕结合施用有机肥或秸秆
还田，有利于形成厚沃耕层，是白土改良的主要
措施。
３４　毒质型低产水稻土改良技术
酸度高、毒性强是反酸田最主要的限制因子。
李伯欣等［４８］研究表明，筛选并种植耐酸水稻品种，
是提高反酸田水稻产量的有效途径之一。易琼
等［４９］研究表明，施用土壤改良剂能有效提高反酸田
土壤ｐＨ值和改善水稻长势，并指出钙镁磷肥及石
灰等偏碱性且富含有效钙或磷的无机矿物质是农业
生产中改良反酸田的适宜改良剂。
水稻控制灌溉技术是盐渍化稻田改良的主要措
施之一［５０］。刘广明等［５１］研究表明，控制灌溉或控
制灌溉加淋洗模式均能明显降低水稻生育期土壤含
盐量。Ｐｅｎｇ等［５２］研究发现，合理的钾肥种类及其
配比和稻草覆盖，可有效降低水旱轮作制度下旱季
作物生长期内土壤总盐分量。
重金属污染稻田土壤主要改良措施：１）施用土
壤改良剂。Ｌｉａｎｇ等［５３］研究表明，施用钢渣或炉渣
等富硅物质均可有效降低稻田土壤重金属镉的生物
有效性，降低稻谷镉含量。周歆等［５４］研究表明组配
２１５
２期　　　 刘占军，等：低产水稻土改良与管理研究策略
改良剂（石灰石＋海泡石）对矿区重金属 Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｕ
和Ｚｎ复合污染稻田有较好的修复效果。２）植物修
复。Ｙａｎｇ等［５５］研究发现东南景天可超富集Ｃｄ、Ｐｂ、
Ｚｎ等重金属，降低水稻土重金属含量。此外，Ｂｏｌａｎ
等［５６］研究表明增施有机肥也可降低污染水稻土中
Ａｓ、Ｃｕ和Ｃｒ的生物有效性，降低糙米中的重金属
含量。
３５　水稻土养分管理技术
稻田养分管理是低产水稻土改良和产量提升的
重要方面。针对我国肥料利用率低、小农户经营为
主体、作物种植茬口紧、测土施肥困难等难题，研究
适用于没有土壤测试条件的作物推荐施肥方法，即
基于水稻产量反应和农学效率的作物养分管理方
法，是作物推荐施肥方法的重大变革和创新［５７］。主
要研究内容包括：１）水稻高产品种氮磷钾养分需求
特征参数，基于田间多年多点试验的作物产量和氮
磷钾养分吸收数据，应用 ＱＵＥＦＴＳ模型分析水稻现
代高产品种养分需求特征参数，建立作物籽粒产量
与养分需求之间的关系；２）土壤养分供应与肥料农
学效率的量化关系，研究典型区域土壤基础养分供
应特征，不同种类肥料养分供给与作物养分需求的
同步协调机制，主要作物肥料农学效率及作物产量
反应，建立土壤基础养分供应、肥料农学效率与作物
产量反应的量化关系；３）农田养分协同优化原理与
施肥模型，基于水稻最佳养分管理的“４Ｒ”（最佳肥
料种类、用量、时间、位置）原理，以及秸秆还田、有
机肥施用、土壤条件和作物生长环境（温度和水分）
等对施肥参数的校正，构建水稻养分协同优化的推
荐施肥模型。该方法已在小麦［５８］和玉米［５９－６０］上得
到较好的验证。
４　未来研究策略
通过对低产水稻土改良和管理现状综合分析，
未来研究策略如下：
１）在低产水稻土质量评价方面，未来要结合不
同低产类型的障碍因素开展个性化的土壤质量评
价，如白土的质地和耕层厚度，冷泥田和潜育化水
稻土亚铁和亚锰含量，黄泥田的团聚体以及反酸田
的硫含量等；加强引入土壤生物学指标进行土壤质
量评价研究。
２）在低产水稻土改良方面，要研究稻田障碍层
次的形成机理与调控途径；研究其他低产类型如新
垦水稻土、盐渍化水稻土、石灰化水稻土和污染水稻
土的改良技术及改良制剂；研究长期改良措施对不
同粒级团聚体腐殖质结构、酶类、微生物多样性和功
能基因的影响。
３）在低产水稻土管理方面，①秸秆还田技术，
研究机械化下的秸秆还田时期和还田量、秸秆还田
的碳氮互作与氮肥运筹和秸秆腐熟剂研制等；②推
荐施肥技术，重点研究基于水稻产量反应和农学效
率的养分管理方法，水稻专用缓释肥等；③抗逆品种
技术，加强耐酸品种、耐潜品种、氮磷钾养分高效品
种的选育；④群体控制技术，重点研究氮磷钾肥用量
与栽插密度的互作效应与机制，提出适宜的氮磷钾
肥用量与栽插密度组合。
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ｒｅｓｉｄｕｅｓｉｎａｔｒｏｐｉｃａｌＶｅｒｔｉｓｏｌｕｓｉｎｇ１５Ｎ－ＤＮＡｓｔａｂｌｅｉｓｏｔｏｐｅ
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４１５
２期　　　 刘占军，等：低产水稻土改良与管理研究策略
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ＺｈｏｕＸ，ＺｈｏｕＨ，ＺｅｎｇＭｅｔａｌ．Ｅｆｅｃｔｓｏｆｃｏｍｂｉｎｅｄａｍｅｎｄｍｅｎｔ
（ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ＋ｓｅｐｉｏｌｉｔｅ）ｏｎｈｅａｖｙｍｅｔａｌａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｂｒｏｗｎ
ｒｉｃｅ［Ｊ］．ＡｃｔａＰｅｄｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１４，５１（３）：５５５－５６３
［５５］　ＹａｎｇＸＣ，ＬｉｎＬ，ＣｈｅｎＭＹｅｔａｌ．ＡｎｏｎｐａｔｈｏｇｅｎｉｃＦｕｓａｒｉｕｍ
ｏｘｙｓｐｏｒｕｍｓｔｒａｉｎｅｎｃｈａｎｃｅｓｐｈｙｔｏｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｂｙｔｈｅ
ｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒＳｅｄｕｍ ａｌｆｒｅｄｉ Ｈａｎｃｅ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
ＨａｚａｒｄｏｕｓＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１２，２２９：３６１－３７０
［５６］　ＢｏｌａｎＮ，ＫｕｎｈｉｋｒｉｓｈｎａｎＡ，ＴｈａｎｇａｒａｊａｎＲｅｔａｌ．Ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｏｆ
ｈｅａｖｙｍｅｔａｌ（ｌｏｉｄ）ｓｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄｓｏｉｌｓ－Ｔｏｍｏｂｉｌｉｚｅｏｒｔｏ
ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅ？［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｚａｒｄｏｕｓＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，２６６：
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［５７］　何萍，金继运，ＰａｍｐｏｌｉｎｏＭＦｅｔａｌ．基于作物产量反应和农
学效率的推荐施肥方法［Ｊ］．植物营养与肥料学报，２０１２，
１８（２）：４９９－５０５
ＨｅＰ，ＪｉｎＪＹ，ＰａｍｐｏｌｉｎｏＭＦｅｔａｌ．Ａｐｐｒｏａｃｈａｎｄｄｅｃｉｓｉｏｎ
ｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄｏｎｃｒｏｐｙｉｅｌｄｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄａｇｒｏｎｏｍｉｃ
ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ［Ｊ］．ＰｌａｎｔＮｕｔｒｉｔｉｏｎａｎｄＦｅｒｔｉｌｉｚｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，２０１２，１８
（２）：４９９－５０５
［５８］　ＣｈｕａｎＬＭ，ＨｅＰ，ＪｉｎＪＹｅｔａｌ．Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇｎｕｔｒｉｅｎｔｕｐｔａｋｅ
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｗｈｅａｔｉｎＣｈｉｎａ［Ｊ］．ＦｉｅｌｄＣｒｏｐｓＲｅｓｅａｒｃｈ，
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［５９］　ＸｕＸＰ，ＨｅＰ，ＰａｍｐｏｌｉｎｏＭＦｅｔａｌ．Ｎｕｔｒｉｅｎｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒ
ｍａｉｚｅｉｎＣｈｉｎａｂａｓｅｄｏｎＱＵＥＦＴＳａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＦｉｅｌｄＣｒｏｐｓ
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ｆｏｒｍａｉｚｅｉｎＣｈｉｎａｂａｓｅｄｏｎｙｉｅｌｄｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄａｇｒｏｎｏｍｉｃ
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