土壤酸化对双季早、晚稻产量的影响
[曾勇军
, 周庆红, 吕伟生, 谭雪明, 潘晓华, 石庆华* ]
, 周庆红, 吕伟生, 谭雪明, 潘晓华, 石庆华]
引用本文
曾勇军, 周庆红, 吕伟生, 谭雪明, 潘晓华, 石庆华. 土壤酸化对双季早、晚稻产量的影响. 作物学报, 2014, 40(5): 899-907[ZENG Yong-Jun, ZHOU Qing-Hong, LÜ Wei-Sheng, TAN Xue-Ming, PAN Xiao-Hua, SHI Qing-Hua. Effects of Soil Acidification on the Yield of Double Season Rice. 作物学报, 2014, 40(5): 899-907] 
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土壤酸化对双季早、晚稻产量的影响
* 通讯作者(Corresponding author):石庆华, E-mail:qinghua.shi@163.com
第一作者联系方式: E-mail:zengyj2002@163.com
摘要
土壤pH是影响水稻生长的重要因素, 目前还不清楚土壤酸化对双季水稻产量的影响。本研究利用硫酸调节土壤pH结合移栽后浇灌不同pH的水使土壤酸化。结果表明, 随着土壤pH的下降, 双季早、晚稻生育期延长, 物质生产量下降, 产量降低, 当浇灌水pH下降至4.5以下, 土壤pH下降至5.0以下时, 双季早、晚稻产量下降明显, 其中早稻平均下降7.82%, 晚稻平均下降8.06%; 当浇灌水pH下降至3.5以下, 土壤pH下降至4.5以下时, 双季早、晚稻产量下降幅度更大。土壤酸化主要抑制双季早、晚稻前期分蘖的发生, 导致每穗粒数降低, 结实率和千粒重也表现出下降的趋势。
关键词:
土壤酸化; 双季水稻; 产量; 产量构成
Effects of Soil Acidification on the Yield of Double Season Rice
Abstract
Soil pH is one of the important factors affecting rice growth and development, but little is known about the impact of soil acidification on the yield of double season rice. In the pot experiment, sulfuric acid was added to the soil and low pH water was used for irrigation after transplanting. The results showed that with the decrease of soil pH the plant growth duration extended, the dry mass accumulation and the grain yield decreased in double season rice. When the pH of irrigated water lowered than 4.5 and soil pH lowered than 5.0, the yield of double season rice decreased significantly, by 7.82% for early season rice and by 8.06% for late season rice. When the pH of irrigated water lowered than 3.5 and the soil pH lowered than 4.5, the yield of double season rice decreased even more sharply. Under the condition of soil acidification, the early tillering for double season rice was suppressed, leading to decrease of number of spikelets per panicle, seed setting rate and 1000-grain weight.
Keyword:
Soil acidification; Double season rice; Yield; Yield components
土壤酸化是当今国际社会最引人注目的环境问题之一。从世界范围来看, 酸性土壤主要分布在热带、亚热带以及温带, 包括北欧和北美的灰化土地区, 而我国的土壤酸化主要发生在长江以南地区[ 1], 面积约为200万公顷[ 2]。目前南方大部分土壤的pH值已下降至5.5以下, 其中很大一部分小于5.0, 甚至是4.5[ 1]。王志刚等[ 3]研究表明, 不同土壤类型的酸化程度存在差异, 与潮土、棕壤土等其他土壤类型相比, 水稻土酸化现象最为严重。魏林根等[ 4]对江西省472个土壤监测点的土壤pH研究表明, 49个县市中有41个县市的土壤平均pH在5.5以下, 为典型的酸性土, 占总县市数的83.7%, 全省土壤的平均pH已由1980年的5.56下降至目前的5.22。土壤酸化的成因一般认为与化肥特别是氮肥的过量施用、工业污染以及农药的不科学使用有关[ 1, 5]。随着人口的增加和工业的发展, 我国南方的土壤酸化问题将日趋严重。土壤酸化条件下, H+和Al3+增加, 造成Ca2+、Mg+、K+等盐基离子的大量淋失和有毒重金属的活化[ 6], 进而影响作物的生长, 但目前关于土壤酸化对作物生长影响的研究主要集中在玉米[ 7]、烟草[ 8]、油菜[ 9]等旱地作物, 对水稻方面的研究则相对较少。
水稻是我国的主要粮食作物, 对粮食安全有举足轻重的地位。一般认为, 水稻是耐酸性较强的作物, 在pH 5.0~6.0条件下也能正常生长, 苗期甚至能耐受pH 4.5的酸性环境, 但生育中后期对酸性的耐受力则有所下降。随着土壤酸化问题的日趋严重, 土壤酸化对水稻生长的影响正逐渐引起人们的重视。汪晓丽等[ 10]研究认为低pH对水稻幼苗通气组织的形成有较大影响; 刘拥海等[ 11]研究认为低pH对水稻幼苗根系生长存在显著影响; 时丽冉等[ 12]研究认为低pH条件下旱稻的保护酶活性显著上升。但关于土壤酸化对水稻产量的影响鲜有报道。本研究拟探明土壤酸化对双季稻产量的影响, 为评估土壤酸化对双季水稻产量的影响提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验设计
2010—2012年在江西农业大学农业科技示范园网室进行盆栽试验, 供试土壤为该示范园的水稻土, 其pH 6.13, 含有机质25.8 g kg-1、碱解氮 71.2 mg kg-1、速效磷51.6 mg kg-1、速效钾127.3 mg kg-1。将土壤晒干粉碎后装入上部直径为32 cm、底部直径为25 cm、高为30 cm的塑料桶, 每桶装干土16.0 kg。移栽前根据预备试验所得参数用硫酸将土壤pH分别调整为5.5、4.5和3.5左右, 对照不予酸处理。移栽后分别浇灌pH 5.5、4.5、3.5的水, 对照浇灌自来水, 各处理返青期灌2~3 cm的浅水, 分蘖期灌1~2 cm的薄水, 每蔸茎蘖数达8根时晒田, 孕穗至抽穗期保持2~3 cm的浅水, 抽穗后田间实行干湿交替处理, 自来水pH为6.5, 试验区网室顶部用透明塑料薄膜遮盖以防止雨水进入, 其他管理条件均相同, 每处理重复10次, 浇灌水的pH用H2SO4逐步稀释法配制。试验过程中, 每20 d测定一次土壤pH。
1.2 材料种植
双季早、晚稻供试品种分别为淦鑫203、金优458、先农25和淦鑫688、天优华占、汕优10号。每桶施纯氮1.65 g, 折合尿素3.59 g, 按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶2∶3施用; 施钾(K2O)量为1.8 g, 折合氯化钾3.0 g, 按基肥∶分蘖肥∶穗肥=7∶0∶3施用; 施磷(P2O5)量为0.9 g, 折合钙镁磷肥7.5 g, 全部作基肥施用。早稻于2010年3月27日播种, 4月27日移栽, 2011年于3月29日播种, 4月27日移栽, 2012年3月28日播种, 4月28日移栽, 每桶移栽3蔸苗, 每蔸插2粒谷苗; 晚稻于2010年和2011年6月28日播种, 7月26日移栽, 2012年6月29日播种, 7月27日移栽, 每桶移栽3蔸苗, 每蔸插2粒谷苗。
移栽后每5 d调查一次茎蘖动态; 于分蘖期、幼穗分化II期、齐穗期和成熟期各取1桶(3株)植株在105℃下杀青, 80℃下烘干称重, 测定干物质生产量, 成熟期取6株考种, 调查理论产量, 并实割12株测定实际产量。
1.3 分析和统计方法
用1 mol L-1的NaCl溶液浸提后以电位法测定土壤pH。
利用DPS统计软件和Microsoft Excel统计分析, 用LSD测验同一品种处理与对照间差异显著性。由于3年结果较为一致, 文中数据除特别说明外均为3年平均数。
2 结果与分析
2.1 土壤酸化处理下土壤pH的变化
不同酸化处理下, 土壤pH均随着移栽日数的增加表现出上升的趋势(图1), 移栽后20~40 d内土壤pH迅速上升, 此后又有所下降, 但土壤不同酸化处理下早、晚稻移栽后土壤pH上升的幅度存在差异, 随着浇灌水pH的降低, 土壤pH上升幅度增加。pH 3.5、4.5、5.5和对照处理的早稻移栽后土壤pH分别在3.52~4.49、4.51~5.04、5.53~5.77、6.01~6.15范围内波动; 晚稻移栽后土壤pH分别在3.49~4.53、4.52~5.02、5.51~5.70、6.15~6.21范围内波动。
 | 图1 不同土壤酸化处理下早、晚稻移栽后土壤的pH变化Fig. 1 Changes of soil pH after transplanting for early and late rice under soil acidification condition |
2.2 土壤酸化对双季稻产量的影响
表1显示, 随着浇灌水pH的下降, 早、晚稻各品种各年度的产量及平均产量均表现出下降的趋势, 但年度间差异不显著。与对照相比, pH为5.5酸处理各品种的产量均有所下降, 但差异未达显著水平; 当浇灌水pH下降至4.5, 土壤pH下降至5.0以下时, 早稻3品种产量平均下降7.82%, 晚稻3品种产量平均下降8.06%; 当浇灌水pH下降至3.5, 土壤pH下降至4.0以下时, 双季稻产量下降幅度更大, 早、晚稻产量分别下降30.09%和19.15%。
 | 表1 土壤酸化对双季早、晚稻产量的影响 Table 1 Effects of soil acidification on yield of double season rice |
从早、晚稻不同品种对土壤酸化的反应看(图2和图3), 当浇灌水pH分别为5.5和4.5时, 各品种产量下降的百分率之间没有显著差异, 但当浇灌水pH下降至3.5时, 早稻中淦鑫203和先农25产量下降幅度均显著大于金优458, 表明这2个品种对土壤酸化的耐性相对较差; 而产量下降幅度以晚稻中的淦鑫688最大, 天优华占次之, 汕优10号最小, 淦鑫688与汕优10号下降幅度差异达显著水平, 表明淦鑫688对土壤酸化的耐性相对较差。从图中还可以看出, 当浇灌水pH下降至3.5时, 早稻各品种产量的下降幅度平均为30.09%, 而晚稻为19.15%, 表明在本试验条件下早稻耐土壤酸化的能力要弱于晚稻。
 | 图2 早稻不同酸处理下各品种产量下降百分率Fig. 2 Rates of yield dropped for different early rice cultivars under soil acidification condition |
 | 图3 晚稻不同酸处理下各品种产量下降百分率Fig. 3 Rates of yield dropped for different late rice cultivars under soil acidification condition |
2.3 土壤酸化对双季稻产量构成的影响
表2、表3显示, 除pH 3.5处理的早稻品种有效穗数较低外, 早、晚稻其余处理间有效穗数差异较小, 表明土壤酸化对双季稻有效穗数影响较小。但随着土壤酸化程度的增加, 早晚每穗粒数、结实率和千粒重均表现下降趋势。
| 表2 土壤酸化对双季早稻产量构成的影响 Table 2 Effects of soil acidification on yield components of early rice |
| 表3 土壤酸化对双季晚稻产量构成的影响 Table 3 Effects of soil acidification on yield components of late rice |
2.4 土壤酸化对双季稻分蘖的影响
由图4和图5可知, 双季早、晚稻的茎蘖动态除pH 5.5处理的与对照基本一致外, 其他处理与对照有较大差异。土壤酸化处理下双季早、晚稻各品种的分蘖发生速率、高峰苗数量均低于对照, 其后期分蘖的下降速率也较小, 各处理间的成穗数量差异不大, 表明土壤酸化处理主要对双季早、晚稻前期分蘖有一定的抑制作用, 但其后期发生的小分蘖也能成穗, 从一定程度上弥补了穗数的不足。
 | 图4 土壤酸化对早稻分蘖动态的影响Fig. 4 Effects of soil acidification on tillering dynamics of early rice |
 | 图5 土壤酸化对晚稻分蘖动态的影响Fig. 5 Effects of soil acidification on tillering dynamic of late rice |
2.5 土壤酸化对双季稻物质生产的影响
表4和表5表明, 双季早、晚稻各主要生育时期的物质积累量有随pH的降低而下降的趋势。各品种分蘖期和幼穗分化II期的物质积累明显下降, pH 3.5和pH 4.5处理与对照差异显著, 至齐穗期以后, 除pH 3.5处理的干物质积累量下降严重外, 其余各酸处理的干物质积累量差异较小。齐穗至成熟期物质生产量则有随土壤pH下降而下降的趋势。
| 表4 土壤酸化对双季早稻各生育期物质积累量的影响 Table 4 Effects of soil acidification on dry matter accumulation of different stages for early rice (g hill-1) |
| 表5 土壤酸化对双季晚稻各生育期物质积累量的影响 Table 5 Effects of soil acidification on dry matter accumulation of different stages for late rice (g hill-1) |
2.6 土壤酸化对双季稻生育进程的影响
表6和表7显示, 随着浇灌水pH的下降, 双季早、晚稻始穗期推迟, 全生育期延长。与对照相比, pH 5.5、4.5和3.5的早稻各处理始穗期平均推迟0.6 d、2.3 d和4.8 d, 生育期分别延长0.8 d、3.9 d和6.7 d, 与对照差异显著; 晚稻各处理始穗期平均推迟0.6 d、3.8 d和9.0 d, 生育期则分别延长1.1 d、4.4 d和 8.4 d, 与对照差异显著。
| 表6 土壤酸化对双季早稻生育进程的影响 Table 6 Effects of soil acidification on growth process of early rice |
| 表7 土壤酸化对双季晚稻生育进程的影响 Table 7 Effects of soil acidification on growth process of late rice |
3 讨论
由于水稻是耐酸性较强的作物[ 13], 因此长期以来土壤酸化对水稻生长的影响未被引起重视。随着近年来土壤酸化的不断加剧, 该影响已开始引起人们的关注[ 14, 15, 16], 但到目前为止, 关于土壤酸化对水稻生长及产量的影响并不明确。一般认为, 水稻苗期耐酸性较强, 但生育后期耐酸能力则有所下降。
全松华等[ 17]研究表明苗床土壤pH值为5.0时, 秧苗百株干重大, 带蘖率高, 秧苗素质好, 耐低温能力较强, 是水稻苗床的适宜pH值。而刘少华等[ 18]以两优培九为材料研究根际pH对水稻幼苗生长的影响后认为, 土壤pH为6.0条件下水稻的幼苗生长最好。喻崎雯等[ 19]研究不同土壤pH对普通野生稻生理特性的影响表明, 普通野生稻对中性偏碱环境的适应性较强, 适宜的环境pH范围为6.0~7.4。本研究表明, 当土壤pH下降至5.0以下时, 水稻生长明显受阻, 产量显著下降, 特别是当土壤pH下降至4.5以下时, 产量下降更为明显。本研究采用盆栽试验, 土壤采用酸化后结合酸水浇灌处理, 土壤pH变化与大田土壤有一定差异, 盆栽中的秧苗生长与大田生长也有一定区别, 另外, 土壤pH下降还会带来活性铝的溶出和有毒重金属的活化等一系列深层次问题, 因此, 相关研究还有待于进一步深入。
关于土壤酸化影响双季稻产量的原因目前还未见有任何报道。本研究条件下, 随着浇灌水和土壤pH的降低, 双季稻前期分蘖生长受到抑制, 由于前期发生的分蘖均为低位分蘖, 因此土壤酸化处理影响了大穗形成, 导致每穗粒数下降。同时, 土壤酸化条件下双季稻始穗期推迟、齐穗至成熟期物质生产量下降, 结实率和千粒重也表现出下降的趋势, 产量降低。本文仅从双季稻产量构成、分蘖动态、物质积累及生育进程等方面做了初步研究, 而土壤酸化对双季稻生长的影响是多方面的, 因此有必要从根系生长、养分吸收、光合生产等方面进一步深入研究。
由于土壤酸化主要与化肥特别是氮肥的过量施用有关[ 1, 5], 因此, 从农业措施上说, 要防治土壤酸化最主要的是减少化肥特别是氮肥的施用, 通过增加有机肥和生物肥料的施用, 防止土壤进一步酸化, 对于已经酸化的土壤, 可以通过适量施用石灰来提高土壤pH。另外, 本研究结果也表明, 双季稻品种对土壤酸化的耐性存在差异, 因此, 通过培育和筛选耐土壤酸化的双季稻品种进而减轻土壤酸化带来的产量损失有可能是应对土壤酸化的重要方面, 同时, 本试验中, 早稻品种的耐酸化能力要弱于晚稻, 其原因可能与早稻生长前期温度较低, 分蘖的发生受到的抑制作用较重, 而晚稻生长前期温度较高, 分蘖受抑制的程度较轻有关, 因此, 通过加强田间管理, 如提高土壤温度等也有可能从一定程度上缓解土壤酸化对水稻产量的影响。
4 结论
随着土壤pH的下降, 双季早、晚稻始穗期推迟, 生育期延长, 物质生产量下降, 产量降低。土壤酸化主要抑制双季早、晚稻前期分蘖的发生, 导致每穗粒数降低, 结实率和千粒重也表现出下降的趋势。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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