濱海鹽土地力提升與土著微生物協同促生應用技術研究

裘高揚， 徐君言,2， 馬寧,3， 郭彬， 林義成， 劉琛， 傅慶林*

(1.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.中國計量大學 質量與安全工程學院，浙江 杭州 310018；3.浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 杭州 311302)

濱海鹽土是海相沉積物在海潮或高濃度地下水作用下發育形成的全剖面含鹽的土壤，1 m土體含鹽量在0.6%～1.0%，其中氮、磷和有機質含量偏低，土壤貧瘠、鹽堿化嚴重[1-2]。該土類約占浙江省土壤總面積的4.1%，主要分布于杭州、臺州、溫州、寧波等地區，浙江省山多地少，通過濱海鹽土的圍墾和改良種稻，對浙江省農業生產能力的提升、耕地數量的增加及糧食安全的保障具有重要意義[3]。降低鹽分、堿度，改良土壤結構，是解決土壤鹽堿問題的根本途徑。傳統的鹽堿土壤改良措施主要包括水利和化學改良。但水利改良需要建立較大的排灌系統，成本較高；化學方法雖然見效較快，卻易引發二次污染[4]。目前，濱海鹽土的改良逐漸由水利工程為主的物理化學改良向生物改良轉變。生物改良包括植物措施和微生物措施，植物措施主要通過種植耐鹽植物，其在生長過程中可直接攝取土壤中的鹽分，同時增加土壤養分，增加微生物數量和多樣性[5]，但植物措施受植物種類、生長周期等因素的限制。微生物改良主要通過投加微生物菌肥實現對濱海鹽土的修復，但該技術存在以下問題：(1)需要篩選富集適應濱海鹽土高鹽高堿環境的特定微生物；(2)濱海鹽土有機質含量不足以支撐外源微生物生長，需要通過外加有機物料補充碳源；(3)濱海鹽土土著微生物多樣性低，外源微生物可能對原生態系統帶來風險。因此，原位增加土著微生物的數量和活性是實現濱海鹽土改良的關鍵[6]。

微生物作為植物的潛在養分庫，可以生成胞外酶礦化土壤有機質，通過胞內周轉，從而為植物提供養分[7-8]。此外，微生物參與植物殘體和分泌物的分解過程，能夠通過底物分解，釋放植物可再次利用的無機養分。因此，微生物在農業生態系統的養分動態中具有關鍵作用。土壤鹽漬化會對土壤土著微生物產生生長脅迫，土著微生物生長緩慢，限制了其數量和活性，從而間接影響土壤養分周轉和植物生長發育，嚴重制約了土壤生態功能。由此可見，加快土著微生物的生長是解決問題的關鍵。研究表明，沸石具有很強的吸附能力和離子交換能力，能夠為微生物的生長提供附著位點，促進土壤團聚體的膠結形成，改善土壤團粒結構，同時能夠吸附土壤中的Na+、Cl-等離子[9]。陳江等[10]研究發現，添加沸石可降低土壤pH值和堿化度，增加鹽堿土保肥能力，提高養分有效性，這為微生物的生長提供了有利環境。但目前通過沸石對濱海鹽土進行提質、降鹽和土著微生物活性提升的協同改良技術研究還不多見。為此，本研究選擇浙江省臺州市典型鹽漬化稻田，開展沸石與有機肥料施用結合灌溉泡田等農藝措施的中早39水稻種植試驗，探究有機肥和沸石投加入鹽漬化土壤后對土壤鹽分含量等理化性質、微生物數量、微生物活性和水稻產量的影響，旨在通過測定相關參數的變化和水稻生長情況，評估沸石和有機肥對當地鹽漬化土壤的改良效果，以期為我國東部濱海鹽土改良與土著微生物促生協同應用技術提供一定的理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間原位試驗地點位于臺州市路橋區農墾場某鹽堿化稻田(28°50′E，121°57′N)，試驗區屬中亞熱帶季風區，全年平均氣溫17.5 ℃，年降雨量1 537.1 mm，年日照時數1 736.4 h。土壤類型為濱海鹽土，土壤鹽分、全氮和有機質含量分別為1.34、0.82、19.8 g·kg-1，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為60.4、6.2、91.3 mg·kg-1，土壤pH值為7.95，土壤微生物生物量碳濃度為223 μg·g-1，三磷酸腺苷(ATP)濃度為2.23 nmol·g-1。

1.2 供試材料

1.2.1 水稻品種

供試水稻品種為中早39[11]，由中國水稻研究所選育，2009年通過浙江省審定，連續多次列為農業農村部的主推品種，是浙江省產量最高的早稻品種，2009年引入臺州地區，由于種植效益高，在當地推廣迅速，截至目前已累計推廣超4萬hm2[12]。該品種綜合性狀優異，具有良好的抗病性和耐肥抗倒性，適合輕型栽培和機械化種植。水稻種子在播種前4 d浸種，浸種前曬種1 d，然后用25%氰烯菌酯懸浮液300倍浸種48 h，大田直播每667 m2用種量為6 kg，每667 m2基本苗10萬～11萬苗。水稻直播栽培于2021年4月24日播種，全生育期平均為105～110 d，始穗期7月2日，齊穗期7月5日，成熟期7月31日。

1.2.2 土壤降鹽和土著微生物促生材料

沸石，分子式通式為Mn/2·Al2O3·xSiO2·yH2O，式中M為堿金屬和堿土金屬陽離子，n、x、y代表結合系數[9]。購自河北的礦粉廠家，沸石礦為經碎石研磨機粉碎后過48 μm篩制得，沸石原料和有害物質含量均符合國家標準《土壤調理劑通用要求》(NY/T 3034—2016)規定。有機肥購自臺州市路橋區本地的有機肥廠，通過豬糞和水產養殖廢棄物的堆肥制得，養分含量(以干物質計)為N 1.96%、P2O51.51%、K2O 1.73%，pH值為7.1。有機肥養分指標符合國家標準《有機肥料》(NY/T 525—2021)中的規定。

1.3 處理設計

首先平整田塊，進行泡田洗鹽，灌水深度為20 cm。農田翻耕第一次灌新鮮水，泡田2～3 d，迅速排出后；灌第二次新鮮水，第二次翻耕，第二次泡田1～2 d排出；再灌第三次新鮮水，第三次翻耕，第三次泡田1～2 d，然后排水；灌第四次新鮮水。統一施化肥基肥，旋耕，耙平待播種。

田間試驗設4個處理。以旋耕+化肥+耙田為對照；在此基礎上，翻耕2次，以667 m2施250 kg沸石、500 kg有機肥以及250 kg沸石+500 kg有機肥為處理，每處理重復3次，共計12個小區，小區面積75 m2(5 m×15 m)。每小區均設獨立農灌渠和排水溝，小區間構筑頂寬40 cm、高30 cm的田埂，田埂覆蓋薄膜，確保肥水不互竄，試驗區外設置1.5 m的保護行。

沸石和有機肥隨基肥一同施入，基肥為碳銨、尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀，肥料分為基肥和追肥。在播前耙田時施基肥，每667 m2施碳銨19 kg，過磷酸鈣20 kg；分蘗肥分2次施，當葉齡達3葉期時施第1次用尿素5.0 kg+硫酸鉀8 kg，當達到6葉時施第2次，用尿素6.5 kg；當水稻第9葉露尖時施穗肥，用尿素10 kg+硫酸鉀5 kg。施肥總用量折合N、P2O5、K2O分別為13.0、6.2和14.4 kg。除施肥外，各小區其余田間管理措施保持一致。

1.4 分析檢測

1.4.1 水稻產量及其構成

水稻產量測定包括理論產量和實際產量。在水稻成熟期，理論產量通過各小區隨機人工收割5塊1 m2水稻田進行考種，測定有效穗數、每穗粒數和千粒重(水稻產量三要素)。實際產量為各小區隨機收割20 m2水稻，曬干、脫粒、風干后稱質量，折算實產。

1.4.2 土壤理化特性測定

試驗前后通過五點采樣法采集耕層(0～20 cm)土壤，并混合為一個土樣，一部分土壤經風干、研磨、過篩后測定常規理化性質，另一部分土壤去除石礫等雜質后過2 mm篩，調節到40%最大田間持水量用于微生物指標測定。土壤全鹽含量采用烘干殘渣法測定，土壤pH值用玻璃電極測定(土水比1∶2.5)，土壤有機質和全氮通過元素分析儀(Elementarvario EL cube)測定，土壤堿解氮采用堿解擴散法測定，土壤有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定。

1.4.3 土壤微生物量碳

微生物量碳采用熏蒸提取法測定[13]。簡要來說，稱取2份40%最大田間持水量的新鮮土壤10 g(干重)，一份置于真空干燥器中，用燒杯取30 mL無酒精氯仿，一同放入干燥器，連通真空泵抽真空，氯仿沸騰2 min后關閉真空泵，隨后將土壤暴露在氯仿蒸汽下避光培養24 h。培養結束后，通過真空泵將干燥器抽真空多次去除殘留的氯仿。另一份不熏蒸土壤作為對照。添加40 mL 0.5 mol·L-1的硫酸鉀到熏蒸和不熏蒸的土壤中，在搖床中以250 r·min-1振蕩30 min。硫酸鉀提取液用Whatman 42號定量濾紙過濾，過濾液通過總有機碳自動分析儀分析(MultiN/C 2100，Analytic Jena，Germany)。通過熏蒸土壤和不熏蒸土壤提取液的有機碳濃度差值和轉換系數0.45(Kec)，換算成樣品微生物生物量碳濃度[14]。

1.4.4 三磷酸腺苷

土壤三磷酸腺苷(ATP)的提取采用TIP提取-熒光素酶法[15]，TIP試劑由1.1 mol·L-1的三氯乙酸(T)、0.6 mol·L-1的咪唑(I)和0.25 mol·L-1的磷酸二氫鈉(P)溶液混合配制而成。提取液分為2種，提取液A為TIP試劑，提取液B通過將5 mL 0.1 mol·L-1的ATP(A2383，Sigma，USA)用TIP試劑定容到1 L配制而成。應用提取液B是為了對未完全提取的土壤ATP部分進行計算修正。將25 mL提取液A或B分別加入干重2.5 g的土壤中，通過VCX750細胞超聲破碎儀在50%功率下超聲提取2 min，提取結束后冰浴降溫2 min。取10 μL土壤ATP提取液，依次添加50 μL熒光素-熒光素酶(GN202-01，YPH-Bio，China)，150 μL砷酸鈉緩沖液和13 μL氫氧化鈉，通過生物熒光計數儀測定發光值(GloMax 96，Promega，USA)[16]。

1.5 數據分析

試驗所得數據采用統計分析軟件SPSS 21.0進行處理，采用單因素方差分析方法分析不同處理間的差異。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質變化

由表1可知，有機肥處理下的土壤pH值下降0.13個單位，沸石處理下土壤pH下降0.19個單位，有機肥+沸石處理下土壤pH顯著下降了0.49個單位。在土壤養分方面，有機肥+沸石處理顯著提升了土壤有機質和全氮含量，增幅分別為10.19%和16.67%。此外，有機肥+沸石處理能夠顯著增加堿解氮濃度，增幅為26.35%。沸石及有機肥+沸石處理下的土壤有效磷濃度顯著高于對照，增幅分別為65.08%和32.20%。此外，所有沸石和有機肥處理均顯著增加了土壤速效鉀濃度，增幅范圍為16.27%～72.15%。綜合各處理對土壤養分的影響可知，有機肥+沸石混合施用對土壤堿化緩解和肥力提升的效果最佳。研究表明，沸石加入到土壤后，可通過吸附增加土壤對銨根離子、磷酸氫根離子和鉀離子的保持能力，提高養分有效性[21]；沸石可以減少有機肥中養分的揮發、淋溶等損失，從而起到保肥供肥的作用。

表1 各處理土壤理化性質變化情況

2.2 水稻產量及構成因子

土壤中施用沸石不僅可以增加土壤養分的有效性，同時可以緩解鹽分對植物的脅迫，減少鹽分在植物體內的累積，有利于水稻生長[2,22]。由表2可知，有機肥和沸石處理下的水稻理論產量和實收產量相比對照的平均產量增加明顯，理論產量增幅為12.81%～16.02%，實際產量增幅11%；從產量構成因素分析，有機肥和沸石土壤調理劑處理下水稻的每穗實粒數明顯多于對照，沸石或有機肥單施增加了水稻的千粒重。綜上表明，有機肥和沸石土壤調理劑處理在保障穗數穩定的基礎上，可增加水稻每穗實粒數和千粒重，從而實現水稻產量的提升。

表2 各處理水稻667 m2產量及構成因子比較

2.3 土壤鹽分、微生物數量和活性

沸石表面帶有負電荷，可吸附鹽堿土中的Na+、Cl-，從而降低土壤鹽分。周恩湘等[23]研究發現，沸石可增加濱海鹽土的鹽基交換能力，減少土壤可溶性鹽分。

由圖1可知，對照土壤的鹽分含量為1.02 g·kg-1，在沸石和沸石+有機肥處理下，土壤鹽分含量顯著下降，降幅分別為39.2%和42.2%，土壤鹽堿化情況得到較大改善。微生物量碳是評估土壤微生物總量的經典和有效指標[24]。ATP僅存在于活細胞中，胞外ATP的半衰期非常短，一般不足1 h[25]，因此，ATP可作為土壤微生物活性的有效指標。本研究結果表明，每667 m2施用沸石250 kg+有機肥500 kg處理下，微生物量碳和ATP濃度均顯著增加，且在所有處理中增幅最大，較對照分別增長39.3%和34.2%。隨著鹽分含量的減少，鹽堿對微生物的生長脅迫降低，同時沸石投加后，土壤有機質等養分有效性增加，為土著微生物的生長創造了有利環境[10]。

柱上無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖1 各處理鹽分、微生物生物量碳和三磷酸腺苷含量比較

3 小結

本研究表明，通過泡田洗鹽，施用沸石+有機肥后，濱海鹽土的有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均顯著提高，pH和土壤鹽分顯著下降。每667 m2施用沸石粉250 kg+有機肥500 kg，能夠改善臺州農墾場土壤肥力狀況，緩解土壤鹽堿化，提高水稻產量，同時還能增加土壤微生物數量和活性，實現濱海鹽土降鹽、提質、增產和微生物協同促生的改土目標。