南方典型酸化土壤改良與水稻安全種植同步應(yīng)用技術(shù)

童文彬， 江建鋒*， 楊海峻， 陳喜靖， 林義成， 劉琛， 張露華， 方俊， 郭彬

(1.衢州市衢江區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 衢州 324022； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

土壤酸化是我國(guó)南方土壤退化的重要表現(xiàn)之一[1]。浙江省地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降雨量大于年蒸發(fā)量，降雨引起土壤中堿基化合物(主要為鈣和鎂)淋失，交換性氫及鋁含量增加，土壤整體上呈酸性。在此影響下，紅壤、黃壤成為浙江省主要的土壤類型，約占全省土壤面積70%左右[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，浙江省范圍內(nèi)采集的2 457個(gè)土壤樣品中，土壤pH平均值為5.2，其中pH 值低于5.5的樣品占61.2%[3]。此外，人類活動(dòng)引起的酸沉降，不當(dāng)?shù)氖┓史绞揭约案馗邚?qiáng)度利用等因素，加重了土壤酸化的趨勢(shì)[1]。土壤酸化不僅影響土壤生物活性，降低養(yǎng)分有效性，同時(shí)還促使游離的錳、鋁離子以及重金屬離子溶入土壤溶液中，農(nóng)作物可食部分有毒重金屬超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)加大，危害農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量安全[4]。因此，改良酸化土壤是保障浙江省糧食安全的必然選擇，對(duì)于實(shí)現(xiàn)浙江省耕地質(zhì)量動(dòng)態(tài)平衡，保障浙江省糧食安全和促進(jìn)農(nóng)民增收，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

施用堿性改良調(diào)理劑是土壤調(diào)酸的重要措施[5]。除此之外，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量也可顯著增強(qiáng)土壤的化學(xué)緩沖性，減輕土壤酸化的趨勢(shì)。例如，張倩等[6]對(duì)江蘇省典型茶園土壤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤 pH 與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。另外，許多研究也已表明，pH是土壤重金屬生物有效性的重要影響因子之一，土壤pH越低，重金屬有效態(tài)含量越高[7]。但目前針對(duì)南方典型酸化土壤進(jìn)行提質(zhì)、降酸、降鎘的同步改良技術(shù)研究還不多見。為此，本研究選擇了浙江省衢州市典型酸化稻田，開展降酸礦物與有機(jī)肥料配合施用田間試驗(yàn)研究，以期為我國(guó)南方酸化土壤改良與水稻安全種植同步應(yīng)用技術(shù)提供理論基礎(chǔ)與支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 水稻品種

選用早秈品種中組143[8]作為試驗(yàn)材料。早晚稻輪作是衢州地區(qū)主要種植模式之一，肥料等農(nóng)業(yè)投入品一般在冬季閑田時(shí)一次性施用。根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植管理模式，本研究采用早稻種植前一次性物料施用的田間施用方式。為此，選擇浙江省已經(jīng)廣泛推廣種植的早稻品種中組143，該品種由中國(guó)水稻研究所選育，適宜在浙江省作早稻種植。該品種株高適中，莖稈堅(jiān)韌，具有穗大粒多、產(chǎn)量高、生育期短且谷色好等優(yōu)勢(shì)。

1.1.2 降酸改良礦物材料

白云石粉，化學(xué)成分為CaMg(CO3)2，其中MgO含量為22%，CaO含量為32%，購(gòu)自浙江某碳酸鈣廠家，礦石經(jīng)機(jī)器研磨后過200目篩制得，重金屬(Cd、As、Pb、Hg、Cr)含量均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土壤調(diào)理劑通用要求》(NY/T3034—2016)相關(guān)限值。有機(jī)肥購(gòu)自衢江區(qū)本地某有機(jī)肥廠，主要原料包含堆制后的豬糞、稻草和木屑，其中有機(jī)質(zhì)含量28%、氮含量2.1%、磷含量2.0%、鉀含量1.4%、pH 7.2。重金屬(Cd、As、Pb、Hg、Cr)含量均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《有機(jī)肥料》(NY/T 525—2021)相關(guān)限值。

1.1.3 土壤

田間試驗(yàn)布置于衢州市衢江區(qū)全旺鎮(zhèn)某酸化稻田，于2019年3月至2019年8月進(jìn)行。土壤類型為水稻土，土壤pH 4.96，有機(jī)質(zhì)含量為24. 9 g·kg-1，全氮含量為1.55 mg·kg-1，堿解氮含量為139 mg·kg-1，有效磷含量為19. 0 mg·kg-1，速效鉀含量為30.9 mg·kg-1，Cd含量為0.28 mg·kg-1，有效態(tài)Cd含量為0.13 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為：處理(1)對(duì)照：不添加改良劑；處理(2)每667 m2白云石粉 75 kg+有機(jī)肥300 kg；處理(3)每667 m2白云石粉150 kg+有機(jī)肥300 kg；處理(4)每667 m2白云石粉225 kg+有機(jī)肥300 kg。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共計(jì)12個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積25 m2(5 m×5 m)，每個(gè)小區(qū)均設(shè)進(jìn)水與排水口，小區(qū)間構(gòu)筑寬30 cm、高25 cm的田埂，田埂覆蓋薄膜，以防止竄水竄肥，四周設(shè)置2 m保護(hù)行，水稻全生育期其他管理措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理制度保持一致。在田面平整時(shí)，將白云石粉和有機(jī)肥按照各處理施用量均勻施用于土壤表層，早稻插秧前機(jī)械翻耕，充分與土壤耕層混勻。各小區(qū)水稻種植密度一致，種植規(guī)格為25 cm×25 cm。

白云石粉、有機(jī)肥全部基施，基肥為每667 m2紅四方控釋肥(20-10-13)40 kg，追肥用尿素、氯化鉀各12.5 kg，施肥總量折合N、P2O5、K2O分別為13.75 kg、4.0 kg和12.7 kg?；试诎姨锴胺艤\水后施入耙入土中，分蘗肥于移栽后10 d左右與除草劑混合施用。除施肥外，各小區(qū)其余農(nóng)事操作措施相同。

1.3 分析檢測(cè)

1.3.1 土壤

試驗(yàn)前和試驗(yàn)后分別取耕層(0～20 cm)土樣測(cè)定常規(guī)理化性質(zhì)，包括土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH，全氮、有效磷和速效鉀含量，測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[9]。土壤有效態(tài)Cd含量分析參照BCR酸可提取態(tài)提取法：稱取土壤樣品1.0 g置于50 mL塑料離心管中，加入0.11 mol·L-1乙酸溶液40 mL，恒溫振蕩16 h后，3 000g離心10 min，取上清液進(jìn)行電感耦合等離子體-質(zhì)譜法(ICP-MS)分析[10]。

1.3.2 水稻

考種樣品：各小區(qū)采用3點(diǎn)取樣的方法，每一個(gè)點(diǎn)取1叢水稻進(jìn)行考種，為使樣品采集更具有代表性，需在調(diào)查各小區(qū)平均穗數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。根據(jù)各小區(qū)平均穗數(shù)取3點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)取1叢，即每個(gè)小區(qū)取3叢。樣品采集后放入尼龍網(wǎng)線袋中自然干燥。對(duì)試驗(yàn)各處理的稻谷產(chǎn)量進(jìn)行單收單打。

稻米Cd：稻米研磨成粉，稱取0.25 g置于聚四氟乙烯消解罐中，加入純硝酸5 mL，160 ℃消煮8 h至澄清透明后，轉(zhuǎn)移定容ICP-MS分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH及養(yǎng)分含量變化

如表1所示，供試小區(qū)土壤呈酸性，有機(jī)質(zhì)與全氮含量適中，速效氮(堿解氮)和磷含量充足，但速效鉀含量不足。針對(duì)酸化土壤，目前常用的改良方法主要為施用白云石粉、石灰、選施堿性化肥等。施用石灰不僅可以中和土壤中的酸根離子，還可以補(bǔ)充鈣素，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的生物活性和養(yǎng)分循環(huán)能力，從而改善根系生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)根系生長(zhǎng)和吸收，改善植株?duì)I養(yǎng)和生長(zhǎng)狀況，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[11]。石灰改良劑主要有生石灰(主要成分CaO)和石灰石粉(主要成分CaCO3)。雖然生石灰較白云石粉的施用效果顯著，但由于生石灰施入土壤里反應(yīng)較為劇烈，調(diào)酸的持效性較白云石粉低，同時(shí)對(duì)施用人具有潛在的傷害性[12]，因此，選用較為溫和的白云石粉作為土壤調(diào)酸改良劑。

結(jié)果表明，每667 m2施用白云石粉75 kg+有機(jī)肥300 kg(處理1)，對(duì)土壤pH和有機(jī)質(zhì)影響不顯著，對(duì)其他指標(biāo)影響也均不顯著，說明該處理對(duì)于降酸改土的作用不大。而每667 m2施用白云石粉150 kg+有機(jī)肥300 kg(處理2)和每667 m2施用白云石粉225 kg+有機(jī)肥300 kg(處理3)，土壤pH平均提升0.2個(gè)單位；每667 m2施用300 kg有機(jī)肥，土壤平均有機(jī)質(zhì)含量為26.1 g·kg-1，比對(duì)照提升4.8%。同時(shí)，各處理的堿解氮和有效磷沒有規(guī)律性的變化，每667 m2施用白云石粉150 kg+有機(jī)肥300 kg和每667 m2施用白云石粉225 kg+有機(jī)肥300 kg處理的全氮和速效鉀則有提高的趨勢(shì)。

表1 各處理土壤pH及養(yǎng)分含量

2.2 水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子

酸化土壤中存在大量Al3+和H+等交換性陽離子，一方面對(duì)植物的根系產(chǎn)生毒害，降低植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收能力；另一方面，土壤pH 下降，土壤微生物生長(zhǎng)和活動(dòng)也受到抑制，從而影響了土壤養(yǎng)分循環(huán)和有機(jī)質(zhì)的分解過程，導(dǎo)致供肥能力下降，作物生長(zhǎng)受阻[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，土壤酸化可使水稻減產(chǎn)達(dá)20%以上[13]。本研究結(jié)果(表2)表明，通過實(shí)施降酸改土措施，每穗實(shí)粒數(shù)有提高表現(xiàn)，秕谷數(shù)降低，結(jié)實(shí)率有所提高，理論產(chǎn)量提高。但株高、有效穗、千粒重、結(jié)實(shí)率、單位產(chǎn)量均沒有顯著變化。因此，降酸改土措施對(duì)于水稻產(chǎn)量的提高作用還有待于進(jìn)一步試驗(yàn)加以明確。

表2 各處理作物產(chǎn)量及構(gòu)成因子比較

酸化土壤中的H+離子會(huì)對(duì)土壤重金屬離子(如Cd)產(chǎn)生交換吸附作用，也會(huì)使難溶化合物產(chǎn)生溶解作用，從而增強(qiáng)重金屬的生物有效性[7]。由表3可知，土壤Cd含量為0.28 mg·kg-1，未施用土壤調(diào)理劑的情況下，稻米Cd含量為0.18 mg·kg-1，接近于國(guó)家稻米食用安全標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg·kg-1)，存在一定的安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。添加降酸調(diào)理劑后土壤有效態(tài)Cd含量顯著降低，且隨著施加量的增加，降低幅度加大，同時(shí)稻米中的Cd含量也呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。其中每667 m2施用白云石粉150 kg+有機(jī)肥300 kg(處理2)處理的有效態(tài)Cd和稻米Cd含量下降幅度最為明顯，稻米Cd含量與對(duì)照相比下降了72%，土壤有效態(tài)鎘Cd含量下降了54%。

表3 各處理作物產(chǎn)量及構(gòu)成因子比較

3 小結(jié)

施用白云石粉+有機(jī)肥，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀含量有所提高，而堿解氮、有效磷含量無顯著變化。針對(duì)pH 5.0左右的酸性土壤，通過每667 m2施用白云石粉150 kg+有機(jī)肥300 kg，土壤pH平均提升0.2個(gè)單位，土壤有機(jī)質(zhì)含量有所提升。

通過實(shí)施降酸改土措施，每穗實(shí)粒數(shù)有所提高，秕谷數(shù)有降低趨勢(shì)，結(jié)實(shí)率提高，水稻的產(chǎn)量構(gòu)成有所提升。

施用白云石粉+有機(jī)肥同時(shí)還起到了降低稻米鎘含量累積的效果，促進(jìn)了水稻安全種植。