新型土壤調理劑對土壤質量及水稻產量的影響

朱小花，趙利敏，王榮輝，秦永華

(1.華南農業大學，廣東廣州 510642；2.深圳市綠詩源生物技術有限公司，廣東深圳 518120；3.廣東省海洋生物廢棄物綜合利用重點實驗室，廣東湛江 524051；4.深圳市深博泰生物科技有限公司，廣東深圳 518120)

我國長期不合理施用化肥，使得土壤酸化較嚴重，酸性土壤面積約2.04×108hm2，主要分布在長江以南的廣大熱帶和亞熱帶地區，大部分土壤的pH小于5.5，其中一部分小于4.5[1]，隨著時間的發展，土壤酸化現象還在不斷加劇[2-4]。土壤酸化會導致土壤結構變差、養分流失嚴重、肥力下降，導致作物爛根，影響植物正常生長，降低農產品品質等；同時，土壤酸化還會破壞土壤微生態平衡，導致有害病菌大量滋生，土傳病害肆虐，以及土壤有毒金屬元素的活性增強，進而潛在危害人體健康[5-13]。因此，提高酸性土壤的pH對作物生長、土壤健康及農產品安全等均具有重要意義。目前土壤酸化較常用的處理措施是撒生石灰或用高鈣高鎂的土壤調理劑，撒石灰可以短時間內迅速提高土壤pH并取得一定的增產效果，但如果長期施用會加劇土壤板結且有可能導致土壤“復酸化”[14]。高鈣高鎂土壤調理劑利于改良酸化土壤，平衡植物營養，提高植物的產量和品質[15]。但這些固體土壤調理劑用量較大，運輸成本較高，且大田施用過程費時費力。

廣東省是海洋大省，年養殖對蝦達50萬t以上，年產生蝦加工下腳料超過10萬t，蝦下腳料富含蛋白質、甲殼素、蝦青素及礦物元素等成分，具有較好的再利用價值[16]。目前，蝦下腳料少部分用于生產飼料，大部分用于制備附加值較高的甲殼素，甲殼素生產過程用到強酸強堿，會產生大量的酸堿有機廢水，環境污染大。該研究中的新型土壤調理劑是利用甲殼素加工廢水通過特殊的技術處理生產而成的液體土壤調理劑，產品富含有機活性成分，具有較好的改良酸性土壤和增產增收作用，其推廣應用對環境保護和農業健康發展均具有現實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況田間試驗在廣東省惠州市惠東縣梁化洞試驗基地進行，試驗地為壤土，根據土壤肥料等級標準判斷屬中等肥力，肥力均勻。試驗地土壤基本性質：pH 5.29，有機質21.8 g/kg，全氮1.04 g/kg，速效磷65.7 mg/kg，速效鉀72.5 mg/kg，活性硅88.9 mg/kg，活性鋁61.3 mg/kg。

1.2 試驗材料供試水稻品種為稻華航33號，前茬作物為水稻。

供試肥料新型土壤調理劑，主要技術指標：有機質≥100 g/L、游離氨基酸≥20 g/L、甲殼寡聚糖≥10 g/L、pH為10.0～12.0，產品由湛江市博泰生物化工科技實業有限公司提供。

1.3 試驗設計采用單因素隨機區組試驗設計，田間試驗共設3個處理：①對照(CK)，常規施肥，常規施肥為試驗點區域的中等施肥水平；②常規施肥+新型土壤調理劑等養分量的有機質、游離氨基酸和鉀肥混配的對照調理劑(T1)；③常規施肥+75 kg/hm2調理劑(T2)，稀釋1 000倍沖施，每個處理重復3次，共9個小區，每個小區面積50 m2，隨機排列。早稻水稻于2019年3月5日播種，4月2日插秧，基本苗數27萬株/hm2，7月10日收割；晚稻水稻于7月18日播種，8月4日移栽，基本苗數27萬株/hm2，11月4日收割。各小區間作埂隔離，并用塑料薄膜覆蓋埂體，單獨排灌，避免串排串灌。兩造水稻各處理施肥情況：整地前施新農科水稻控釋肥(23-7-20，總養分≥50%)525 kg/hm2作生育肥，移栽7 d后施尿素60 kg/hm2作回青肥。小區分開進行水分管理并保持相同的水層。田間管理與對照組管理一致。

1.4 樣品采集與測定項目

1.4.1樣品的采集。在進行小區試驗前及晚稻收割完的當天，按照隨機、等量的原則，采用“S”型采集土壤樣品，采集0～20 cm土層土樣帶回實驗室風干、研磨、過篩備用。土壤檢測項目為pH、有機質、全氮、有效磷、速效鉀及活性硅、活性鋁。在水稻種植過程統計株高，水稻成熟后，將每個處理的稻穗收割帶回實驗室進行統計分析，并測定實際產量。

1.4.2測定方法。土壤的常規理化性質按照鮑士旦[17]的《土壤農化分析》中的方法測定，土壤pH采用pH計法測量；土壤有機質、全氮、速效鉀、速效磷分別用重鉻酸鉀-外加熱法、半微量開氏法、NH4F-HCl分光光度法、NH4OAc提取-火焰光度計法測定。土壤活性硅和活性鋁采用NaOH水浴浸提法測定[18]。水稻產量及經濟效益指標測定：于成熟期普查每個小區50穴，計算每穴有效穗數；將水稻風干脫粒，計算千粒質量和結實率，并實收小區折計產量，計算理論產量和經濟效益。

1.5 數據處理采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 新型土壤調理劑對土壤pH和交換性鋁的影響

2.1.1新型土壤調理劑對土壤pH的影響。新型土壤調理劑對土壤pH的影響見圖1。由圖1可知，新型土壤調理劑(T2)和對照調理劑(T1)均能提高土壤pH，新型土壤調理劑(T2)和對照調理劑組(T1)比對照組(CK)土壤pH分別提高0.2和0.4，增幅為3.6%和7.3%，其中新型土壤調理劑處理(T2)與對照(CK)有顯著差異(P<0.05)，而對照調理劑處理(T1)與對照(CK)無顯著差異(P>0.05)。由此可見，新型土壤調理劑的施入能夠對酸性土壤起到顯著的改良作用。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicated significant level of difference(P<0.05)圖1 土壤調理劑對土壤pH的影響Fig.1 Effect of soil conditioner on soil pH

2.1.2新型土壤調理劑處理對土壤硅鋁率的影響。通常認為土壤中的SiO2含量相對穩定，一般變化較小，因此可用硅鋁率來表達土壤調理劑對酸性土壤的改變，硅鋁率越高，表明土壤中活性鋁含量越低，植物生長受影響越小；硅鋁率越低，表明土壤中活性鋁含量越高，植物生長受抑制影響越大[19]。從圖2可以看出， T1和T2處理均能提高土壤硅鋁率，其中T2處理的土壤硅鋁率最高，與CK和T1處理均差異顯著，T2處理分別比CK和T1處理的土壤硅鋁率高14.5%和10%，而T1處理與CK無顯著差異。這表明新型土壤調理劑能較好地提高土壤硅鋁率。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference(P<0.05)圖2 土壤調理劑對土壤硅鋁率的影響Fig.2 Effect of soil conditioner on soil silicon and aluminum ratio

2.2 新型土壤調理劑處理對土壤有機質和氮磷鉀養分含量的影響試驗土壤的有機質含量較高，屬于中上水平[17]。從圖3可以看出，T1和T2處理均能提高土壤有機質含量，分別比CK提高5.35%和15.07%，T2處理的提升作用優于T1處理，但各處理組之間無顯著差異。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference (P<0.05)圖3 土壤調理劑對有機質含量的影響Fig.3 Effect of soil conditioner on organic matter content

試驗土壤的全氮含量較高，屬于中上水平[17]，從圖4可以看出，T2處理比CK土壤全氮含量提高3.84%，而T1處理比CK全氮含量降低1.37%，但各處理之間差異不顯著。試驗后，土壤中的全氮含量均有所提高，這可能是施用尿素和復合肥等較多引起的。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference(P<0.05)圖4 土壤調理劑對全氮含量的影響Fig.4 Effect of soil conditioner on total nitrogen content

試驗土壤中的速效磷含量較低，屬于中下水平[17]，從圖5可以看出，T2處理比CK速效磷含量提高5.01%，T1處理較CK速效磷含量降低2.07%，但各處理之間差異不顯著。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference (P<0.05)圖5 土壤調理劑對速效磷含量的影響Fig.5 Effect of soil conditioner on available phosphorus content

試驗地土壤的鉀含量為起始速效鉀72.5 mg/kg，屬于低等水平(84 mg/kg以下為低等水平)[17]。從圖6可以看出，T1和T2處理均能提高土壤速效鉀含量，與對照組相比，T1和T2處理分別提高速效鉀含量10.86%和14.29%，T2處理優于T1處理，但各處理組之間差異不顯著。雖然在試驗初期以底肥形式補充了鉀素，在作物生長期也追施了鉀素，同時，土壤調理劑中也含有鉀素，但隨著作物生長吸收，土壤有效鉀含量呈逐漸減少趨勢，水稻收割后中各處理之間土壤的速效鉀含量無明顯變化。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference (P<0.05)圖6 土壤調理劑對速效鉀含量的影響Fig.6 Effect of soil conditioner on available potassium content

2.3 新型土壤調理劑對水稻產量及產量構成的影響新型土壤調理劑對水稻產量及產量構成的影響見表1。由表1可知，早造水稻和晚造水稻T1和T2處理株高分別比CK增加0.82%、1.63%、1.54%和3.63%，各處理間差異不顯著；早造水稻和晚造水稻T1、T2處理有效穗數分別比CK增加-0.40%、4.84%、3.42%和5.86%，T2處理顯著優于CK和T1處理，T1處理和CK之間無顯著差異。早造水稻和晚造水稻T1、T2處理每穗總粒數分別較CK增加-1.60%、3.96%、2.41%和7.84%，早造水稻各處理組之間無顯著差異，但對于晚造水稻T2處理與CK、T1處理差異顯著，T1處理與CK差異不顯著。早造水稻和晚造水稻T1、T2處理結實率分別比CK增加-0.73%、2.56%、2.21%、5.64%，對于早造水稻，各處理間無顯著差異，但晚造水稻T2處理的結實率顯著高于CK和T1處理，CK和T1處理間無顯著差異。早造水稻和晚造水稻T1、T2處理千粒重分別比CK增加-1.00%、3.00%、1.48%、2.46%，但各處理間差異不顯著。T1和T2處理后，早造水稻和晚造水稻理論產量分別比CK增加-3.06%、12.39%、7.56%和16.94%，實際產量分別比CK增加1.10%、7.69%、4.04%、12.91%。早造水稻和晚造水稻的理論產量和實際產量T2處理與T1、CK處理之間差異顯著，T1處理與CK差異不顯著。

2.4 水稻產量構成因素與土壤肥力的相關性水稻產量構成因素與土壤肥力的相關性見表2。由表2可知，pH與土壤硅鋁率、有機質含量、水稻有效穗數和水稻產量呈極顯著正相關，與土壤速效鉀含量、水稻千粒重呈顯著正相關，表明土壤pH升高，土壤硅鋁率、有機質含量和速效鉀含量會提高，水稻有效穗數、千粒重和產量均會增加。土壤硅鋁率與土壤有機質含量、有效穗數、每穗總粒數、水稻結實率和水稻產量呈顯著正相關，表明土壤硅鋁率越高，土壤有機質含量、水稻結實率和產量就越高。土壤全氮含量與土壤速效鉀含量呈極顯著正相關，表明土壤中全氮含量顯著影響土壤速效鉀含量。土壤速效鉀含量、水稻有效穗數和千粒重相互協同正向影響水稻產量。

3 結論與討論

3.1 新型土壤調理劑對土壤性質的影響土壤酸化問題是影響作物生長和土傳病害肆虐的重要因素，目前對酸性土壤改良效果較好的生石灰、石灰石和硅鈣粉等進行研究[20-22]，但固體土壤改良劑用量大，大面積推廣應用費時費力且成本較高。該研究所用的新型土壤調理劑是以甲殼素生產廢液為主要原料，產品含多種氨基酸、殼聚糖、殼寡糖、礦物質及有機質等成分，經稀釋后直接施用，施入土壤后表現出較好的調酸和增產效果。此外，該研究的新型土壤調理劑是液體，可用于滴灌，施用方便，用量少。該試驗對兩造水稻移栽前均施入調理劑，試驗結束后發現T1和T2處理的土壤pH分別比對照提高0.2和0.4，增幅為3.6%和7.3%。這是因為土壤調理劑是堿性的，可以直接中和土壤中的酸性，其次，土壤調理劑中含有機物，經土壤微生物分解后會產生各種腐殖酸物質，從而調節土壤pH。

表1 土壤調理劑對水稻產量及產量構成的影響Table1 Effects of soil conditioner on rice yield and yield components

表2 水稻產量構成因素與土壤肥力的相關Table 2 Correlation between rice yield components and soil fertility

土壤硅鋁率是土壤中活性SiO2和 Al2O3含量的比值，礦物鋁在酸性條件下易被活化而被植物吸收，土壤酸化加速土壤中鋁的活化，使土壤溶液中活性鋁的含量明顯增加。鋁被認為是酸化土壤上引起作物減產和制約作物生長的重要障礙因子[3]。該試驗施用調理劑后的土壤硅鋁率可增加4.61%～17.76%，其中T2處理與CK、T1處理之間有顯著差異，而T1處理與CK無顯著差異，表明新型土壤調理劑對降低土壤鋁毒有明顯效果。研究表明，有機物料類改良劑能調節酸性土壤pH和降低土壤鋁含量，Chen等[23]用小麥秸稈和腐熟豬糞混施，不但能提高酸性紅壤的pH，還能緩解植物鋁中毒；王寧等[24]發現施用稻草、花生秸稈和紫云英均能不同程度提高酸性紅壤的pH，降低土壤交換性鋁含量；矯威[25]研究發現，施用氨基酸類改良劑能提高土壤pH 0.3，且土壤pH隨改良劑用量的增加而升高。

有機質、氮、磷、鉀是衡量土壤肥力的重要指標，該試驗中施用新型土壤調理劑能夠提高土壤有機質、全氮、速效磷等養分含量，但與對照相比，差異均不顯著，可見，調理劑可以在一定程度上活化土壤中的磷鉀及增加土壤有機質。研究結果與齊釗等[26]、周吉祥[27]、林阿典等[28]的類似。

3.2 新型土壤調理劑對水稻產量構成的影響研究表明，土壤酸化會影響作物生長，導致作物產量下降[29],施用調理劑可以促進作物生長發育，提高作物產量[30-31]。該研究結果表明，施用新型土壤調理劑和對照調理劑可以提高水稻結實率，增加水稻株高、有效穗數、每穗總粒數、千粒重，從而促進水稻生長發育，提高水稻地上部生物量，增加其產量，這與矯威[25]、周吉祥[27]研究結果相似。其中早造水稻增產率1.10%～7.69%，晚造水稻增產率4.04%～12.91%，新型土壤調理劑處理與對照、對照調理劑處理有顯著差異，說明施用新型土壤調理劑能較好地提高水稻產量。

研究表明，甲殼寡聚糖能促進有益微生物的生長，抑制土壤中病蟲害的發生，改善土壤質量[32]。Dzung等[33]研究發現，施用殼聚糖的土壤中，氮磷鉀含量顯著增加。曹琪等[34]研究發現，施用不同濃度殼聚糖均可提高土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量，且在一定范圍內隨濃度增加土壤速效養分含量增大，并提高土壤多種酶活性。高瑞杰等[35]研究表明水溶性甲殼素能增加土壤速效養分。該試驗研究表明，水稻產量與土壤pH、硅鋁率、有效穗數和千粒重呈一定的正相關，在改善土壤性質上，新型土壤調理劑處理的效果優于對照調理劑處理，且在提高土壤pH，降低土壤活性鋁及提高水稻產量上，新型土壤調理劑處理的效果顯著優于對照調理劑處理，這可能與產品中含有一定量的甲殼寡聚糖以及產品自身pH較高有關。

綜上所述，新型土壤調理劑處理較對照調理劑和對照顯著增加土壤pH、土壤硅鋁率以及水稻產量，并增加土壤有機質和速效養分含量，這說明新型土壤調理劑可以有效提升土壤pH，降低土壤活性鋁，增大土壤硅鋁率，活化土壤養分，增加水稻產量及經濟效益。