深耕修復除草劑污染土壤提高馬鈴薯的產量

高中超，王秋菊*，張勁松，劉 峰

（1.黑龍江省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.黑龍江省土壤環境與植物營養重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086）

栽培生理

深耕修復除草劑污染土壤提高馬鈴薯的產量

高中超1,2，王秋菊1,2*，張勁松1，劉 峰1

（1.黑龍江省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.黑龍江省土壤環境與植物營養重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086）

土壤污染是導致生態環境質量下降、限制土壤生產力發揮，制約農業發展的瓶頸問題。為了修復被除草劑污染的土壤，試驗通過深耕的方式開展被除草劑污染土壤的改土研究，采用自主研發的土層置換犁、心土耕作犁深耕改土并與常規耕作進行對比試驗。結果表明，土層置換犁分層深耕方法可以消除土壤殘留氯嘧磺隆對馬鈴薯敏感期生育的影響。改土后表層土壤的農藥殘留量較對照降低84.2%～86.7%；深耕及心土耕可以改善土壤物理性質，降低土壤硬度，改變土壤三相比；深耕處理后馬鈴薯出苗率較對照提高7.8～10.6個百分點，心土耕較對照提高3.1～6.1個百分點；深耕和心土耕可以提高馬鈴薯干物質積累量；深耕馬鈴薯總產量較對照、心土耕分別提高12.7%～22.1%、11.6%～16.9%，商品薯產量分別提高18.0%～32.5%、13.8%～23.0%，差異達到顯著水平，深耕效果好于心土耕。應用土層置換犁深耕法可有效消除土壤中殘留除草劑對馬鈴薯的藥害，為促進農業種植結構調整提供技術支撐。

深耕；除草劑；殘留；污染土壤；馬鈴薯；產量

除草劑污染問題是制約農業生產的關鍵問題之一，黑龍江省作為全國農業大省和國家重要的商品糧生產基地，由于長期應用除草劑，耕地土壤面臨著除草劑殘留、污染等問題。2015年黑龍江省耕地面積約1 187.1萬hm2，占全國農業耕地面積12.6%[1]。農業人口平均占有耕地0.8 hm2，為全國人均占有耕地面積的4.7倍，是全國農業生產集約化、規模化最高的省份[2]。農作物病草害常年發生面積約在1 000 hm2[3]。特殊的農業生產條件和病蟲草害發生特點決定了除草劑在農業生產中占有重要的地位，2011年全省農藥總用量（商品量）約達5.2萬t，其中除草劑約4.4萬t，占84.6%[4]。據統計，農藥使用在黑龍江省農業病蟲草害鼠防控中的貢獻率達到70%～80%，投入產出比為1∶12，年平均挽回糧食損失在1 000萬t以上[5]。農藥在黑龍江省農業生產中對有效防治病蟲草害，提高糧食產量、加快農村勞動力轉移，推動現代農業生產集約化、規模化等都發揮了重大作用。但農藥的大量應用、尤其是一些藥效好高殘留除草劑的使用，以及農民缺乏對除草劑殘留方面的認識和宏觀技術指導，藥劑污染問題日益突出。某些地塊土壤中除草劑不斷積累，導致后茬作物受藥害減產甚至絕產，土壤環境受到破壞，生態環境受到威脅[6-9]。各地在治理農藥污染土壤方面做了大量工作，相繼開展了物理修復、化學修復和生物修復相關技術研究[10-12]，并取得一定效果。在物理修復技術中，其中一項是工程措施，主要包括客土、換土和深耕翻土等。客土和換土是重污染區的常用方法，但費用高，工作量大。對于輕度污染土壤，原位改土是經濟有效的措施。課題組前期對改良除草劑殘留問題進行了相關研究，通過土層置換深耕技術明確了改土效果及對甜菜、大豆產量的影響[13]。本研究在此基礎上，進一步調查農藥污染土壤空間分布特點，應用相應的“分層轉置”深耕改土技術，明確特殊深耕技術改良農藥污染土壤的作用效果及其改土后對馬鈴薯生育、產量的影響，為改良除草劑污染土壤提出有效的改土技術，推動馬鈴薯產業發展。

1 材料與方法

1.1試驗區概況

試驗于2014～2015年設在黑龍江省嫩江縣海江鎮（N 48°32′，E 125°26′）和海倫市長發鎮長發村（N 46°58′，E 47°52′），選擇前茬應用除草劑為氯嘧磺隆75%WDG，其施入量為75 g/hm2的大豆田上進行。試驗區年平均降水量550 mm左右，均屬于中溫帶大陸性氣候，無霜期120 d左右，有效積溫2 200～2 400℃。

供試土壤：嫩江試驗區土壤為中厚層黑土，黑土層厚度30～40 cm；海倫試驗區土壤為厚層黑土，黑土層厚度40～50 cm（表1）。

表1 供試土壤化學性質Table 1 Chemicalcharacteristics oftested soil

1.2試驗設計與方法

試驗設以下3個處理：

處理1：對照區。土壤上層0～15 cm進行翻地，深松鉤深松到土體25 cm。

處理2：深耕區。采用自主研發的土層置換犁[14]進行分層轉置（0～20和20～40 cm）深耕技術，具體耕作方法參照高中超等[15]的方法。

處理3：心土耕作區。土壤上層0～20 cm進行翻地，采用自主研發的新型前置式心土耕作犁深耕到土體30～40 cm[16]。

試驗于2013年秋季進行土壤耕作處理后，耙地2次后起壟，壟距為65 cm，待下一年播種。小區寬13 m、長20 m，3次重復。

供試品種為‘克新13號’，播種密度為60 000株/hm2。化肥施用量尿素（N 46%）235 kg/hm2、磷酸二銨（N 18%，P2O546%）130 kg/hm2、硫酸鉀（K2O 50%）360 kg/hm2。全部的磷肥和鉀肥及1/3的氮肥作基肥，剩余的2/3氮肥作追肥在馬鈴薯開花初期追施。試驗區人工除草3次，培土2次，同正常管理。2014～2015年連續調查土層置換改土后消除藥害的效果。

1.3測定項目

1.3.1 土壤中除草劑殘留量

土壤取樣：第1年秋季收獲后，采用S型5點取樣法，應用專業取土鉆分層（0～10，10～20，20～30和30～40 cm）取土，混合后保鮮，帶回實驗室分析。

土樣前處理：100 mg土樣加入100 mL 0.1 mol/L NaHCO3溶液，攪拌，超聲振蕩3 min，在3 000 r/min離心機上離心分離10 min，分離提取液，重復2次，合并提取液約300 mL，用鹽酸酸化使pH=2，加2 mL甲醇，用Empore C18固相萃取柱凈化樣品，柱預先用10 mL乙酸乙酯，10 mL甲醇，2×10 mL去離子水淋洗，并用含有樣品的C18干燥柱干燥30 min，用10 mL乙酸乙酯淋洗數次，混合淋洗液，用無水硫酸鈉干燥，旋轉蒸發儀上濃縮，用乙酸乙酯定容至1 L，與重氮甲烷衍生，用甲苯定容，進行氣相色譜分析[17]。

1.3.2 馬鈴薯生長指標調查

在馬鈴薯現蕾期取植株樣，每區隨機選取3個有代表性的點，每點選連續5株，測定株高和結薯數（馬鈴薯薯塊直徑＞20 mm的個數）。植株株高采用莖基部到生長點的距離；植株地上部干物質包括地上部莖、葉的總和，地下部干物質包括塊莖及根系總重量。

1.3.3 馬鈴薯產量調查

在馬鈴薯成熟期，每區選3點，每點面積5 m2，實測產量，分別記錄大薯（＞150 g）、中薯（75 g＜中薯≤150 g）、小薯（50 g＜小薯≤75 g）、特小薯（≤50 g），并計算大、中、小、特小薯公頃產量。商品薯定義為單個薯重量＞50 g。

1.4數據分析

采用Excel2007制圖和DPS（v3.01專業版）軟件進行數據分析和制圖。

2 結果與分析

2.1深耕對殘留除草劑空間分布影響

不同處理殘留除草劑在土壤中分布特點如表2所示，深耕改變了殘留除草劑在土層（0～40 cm）中的垂直分布，由于深耕將上下土層置換翻轉，表層土壤中除草劑含量較對照低84.2%～86.7%，對其生育不構成毒害，隨著馬鈴薯生長和發育，其抗藥性增強，即使根系下扎到下層土壤，此時土壤中除草劑的量對馬鈴薯生育已不能產生藥害。

表2 殘留除草劑在土壤中含量的垂直分布（mg/kg）（2014）Table 2 Verticaldistribution of herbicide-contaminated soils(mg/kg)(2014)

2.2深耕對土壤物理性質的影響

2.2.1 深耕對土壤硬度的影響

嫩江試驗區2014年不同耕作處理對土壤硬度影響如圖1所示，深耕和心土耕作處理與對照相比，0～50 cm土層土壤硬度減小，結構較疏松，利于水氣在土壤中擴散，從而促進殘留除草劑在土壤中降解。而對照處理土壤硬度大，特別是10～25 cm土層大于2 000 kpa，透水透氣較差，不利于殘留除草劑在土壤中降解。由于0～10 cm耕層受中耕培土影響，不同處理間土壤硬度差異不明顯。是10～40 cm土層范圍內，土壤三相比更趨于合理化，利于土壤中水肥氣熱的傳導，更有利于殘留除草劑在土壤中淋溶、降解，同時土壤疏松，利于塊莖膨大。

圖1 不同耕作處理對土壤硬度影響（2014年，嫩江）Figure 1 Soilhardness in differenttillage treatments(Nenjiang in 2014)

圖2 不同耕作處理對土壤三相分布影響（2014年，嫩江）Figure 2 Soil three-phase distribution in different tillage treatments(Nenjiang in 2014)

2.3深耕對馬鈴薯生育的影響

2.3.1 深耕對馬鈴薯出苗率的影響

2個試驗點，耕作方式對出苗率的影響如表3所示，3種耕作方式對馬鈴薯出苗率影響差異較大。2014年的出苗率：深耕為93.2%～94.1%、心土耕為88.7%～89.4%、對照為82.6%～86.3%；2015年的出苗率：深耕為91.1%～92.4%、心土耕為88.3%～89.3%、對照為86.9%～88.2%。2014年深耕處理馬鈴薯出苗率較對照提高7.8～10.6個百分點，心土耕較對照提高3.1～6.1個百分點。深耕與對照相比，嫩江試驗點連續2年均達到差異極顯著水平；海倫試驗點2014年差異顯著，2015年不顯著，這可能與不同試驗點土壤受殘留農藥污染程度有關，心土耕與對照差異不顯著。

表3 不同耕作處理對馬鈴薯出苗率的影響（%）Table 3 Emergence percentage of potato in different tillage treatments

2.3.2 深耕對馬鈴薯生育指標的影響

在始花期分別在嫩江、海倫調查不同耕作處理馬鈴薯生育指標，結果如表4所示。在嫩江，2014年不同處理間株高差異顯著，其中深耕與對照相比差異極顯著；地上部分干物質重量，心土耕處理高于深耕和對照，差異分別達到顯著和極顯著水平；地下部分干物質重量表現深耕處理分別高于心土耕和對照，達到差異極顯著水平；結薯數表現深耕處理高于心土耕和對照，其中深耕與對照相比差異達顯著水平。2015年不同耕作處理對馬鈴薯的株高、結薯數影響小，差異不顯著；但對干物質的影響，深耕、心土耕與對照相比，地上、地下干物質重量差異均達到極顯著水平。

海倫試驗點，不同耕作處理對馬鈴薯株高影響，2014年深耕與對照相比差異達到顯著水平，其他各處理間對株高影響差異不顯著；地上部分干物質重量深耕與心土耕、對照相比差異極顯著，而心土耕與對照間差異不顯著；地下部分干物質重量受耕作措施影響最大，各處理間差異達到極顯著水平；結薯數各耕作處理間差異不顯著。2015年馬鈴薯干物質重量不同處理間存在差異，地上部分干物質重量深耕與對照和心土耕間差異極顯著，地下部分干物質重量各處理間差異極顯著。2年調查結果表明，深耕利于馬鈴薯地下干物質積累。

2.4深耕對馬鈴薯產量的影響

2年的試驗結果（表5）表明，深耕處理產量較心土耕、對照處理增產明顯，分別較心土耕、對照處理增產11.6%～16.9%、12.7%～22.1%，產量差異達到顯著水平。心土耕處理較對照增產0.6%～4.3%，但差異不顯著。馬鈴薯商品薯產量表現深耕處理較心土耕、對照處理提高13.8%～23.0%、18.0%～32.5%，差異達到極顯著水平。心土耕與對照相比，除嫩江試驗點2014年差異顯著外，其他差異不顯著。

表4 深耕對始花期馬鈴薯生育指標影響Table 4 Effects of deep tillage on potato growth at beginning of flowering period

表5 不同耕作處理對馬鈴薯產量影響Table 5 Effects of different tillage treatments on yield of potato

3 討論

除草劑長期應用污染土壤問題，已引起社會廣泛的關注。特別是防闊葉雜草磺酰脲類除草劑，殘效期長，易對下茬的馬鈴薯、甜菜和玉米等多種作物造成藥害[18,19]，研究認為氯嘧磺隆在土壤中經過155～160 d降解，降解率平均為98.3%～98.7%[20]，應用后40～48個月內不能種植馬鈴薯和甜菜等敏感作物[21]。近年來修復除草劑污染土壤的技術研究已取得一定進展，如客土、換土和深耕翻土、植物修復等。客土、換土消耗人力、物力較大，不計成本小面積可以實施，但是在大面積應用有一定難度。植物修復具有操作簡單、成本低等特點[22-28]。雖然經濟、有效，但農民不會放棄眼前利益去種植修復農藥污染的植物。除草劑在土壤空間分布特點，主要集中在土層深度0～20 cm[29]，所以應用自主研發的土層置換犁進行深耕修復便于大面積推廣應用，可以收到立竿見影的效果[13]。但深耕的前提條件是黑土層厚度大于40 cm，另外，在實施深耕同時有必要配合增加肥料用量以避免表層土壤養分降低而導致減產[15]。

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Potato Yield of Herbicide-contaminated SoilModified by Deep Tillage

GAO Zhongchao1,2,WANG Qiuju1,2＊,ZHANG Jinsong1,LIU Feng1
(1.Institute of SoilFertilizer and Environment Resources,Heilongjiang Academy of AgriculturalSciences,Harbin,Heilongjiang 150086, China;2.Key Laboratory of Heilongjiang SoilEnvironment and Plant Nutrient,Harbin,Heilongjiang 150086,China)

ract:Soil pollution is considered as the bottleneck issue that often causes quality degradation of ecological environments,restriction of soil productivity and agriculture development.In order to modify herbicide-contaminated soils,deep tillage was operated on the soils to eliminate the issue,which might significantly impacte the yield of sensitive after crops.Three treatments including self-developed soil-layer reverse plough,subsoil plough and conventional tillage were made to compare the effect.During potato sensitive period,deep tillage with the soil-layer reverse plough could eliminate the influence of residualherbicides,and its residualamount of herbicide on the surface soil was reduced by 84.2%-86.7%when compared with that of the conventionaltillage.In both deep tillage treatments, soil physical properties were improved,soil hardness was decreased and soil three phases percentage were changed positively.Meanwhile,the potato emergence percentage of the soil-layer reverse plough treatment was 7.8-10.6 percentage point higher than that of the conventional tillage,and the subsoilplough treatment was 3.1-6.1 percentage point higher than that of the conventional tillage.The dry matter weight of potato in both deep tillage treatments were increased,and the total potato yields of the soil-layer reverse plough were increased by 12.7%-22.1%and 11.6%-16.9%,respectively,compared with the conventional tillage and subsoil tillage.In addition,the marketable tuberyields were increased by 18.0%-32.5%and 13.8%-23.0%,respectively,the differences being highly significant.Among the deep tillage treatments,the effect produced by the soil-layer reverse plough was better than that of the subsoil plough.Therefore,through deep tillage,phytotoxicity of residualherbicide on potato can be effectively eliminated,and the technique by using deep tillage is helpfulfor the agriculturalplanting structure adjustment.

ords:deep tillage;herbicide;residual;contaminated soil;potato;yield

S532

A

1672－3635（2017）01-0011-07

2016-09-27

國家科技支撐計劃項目（2012BAD06B02，2013BAD07B01）。

高中超（1977-），男，副研究員，碩士，研究方向為土壤改良。

王秋菊，副研究員，博士，從事土壤改良研究，E-mail:bqjwang@126.com。