南方典型酸化土壤改良與水稻安全種植同步應用技術

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.衢州市衢江區農業農村局，浙江 衢州 324022； 2.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)

土壤酸化是我國南方土壤退化的重要表現之一[1]。浙江省地處亞熱帶季風氣候區，年降雨量大于年蒸發量，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]。據統計，浙江省范圍內采集的2 457個土壤樣品中，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，人類活動引起的酸沉降，不當的施肥方式以及耕地高強度利用等因素，加重了土壤酸化的趨勢[1]。土壤酸化不僅影響土壤生物活性，降低養分有效性，同時還促使游離的錳、鋁離子以及重金屬離子溶入土壤溶液中，農作物可食部分有毒重金屬超標風險加大，危害農產品產量與質量安全[4]。因此，改良酸化土壤是保障浙江省糧食安全的必然選擇，對于實現浙江省耕地質量動態平衡，保障浙江省糧食安全和促進農民增收，具有十分重要的現實意義。

施用堿性改良調理劑是土壤調酸的重要措施[5]。除此之外，提高土壤有機質含量也可顯著增強土壤的化學緩沖性，減輕土壤酸化的趨勢。例如，張倩等[6]對江蘇省典型茶園土壤調查發現，土壤 pH 與有機質含量呈極顯著負相關關系。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，重金屬有效態含量越高[7]。但目前針對南方典型酸化土壤進行提質、降酸、降鎘的同步改良技術研究還不多見。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肥料配合施用田間試驗研究，以期為我國南方酸化土壤改良與水稻安全種植同步應用技術提供理論基礎與支撐。

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]作為試驗材料。早晚稻輪作是衢州地區主要種植模式之一，肥料等農業投入品一般在冬季閑田時一次性施用。根據當地種植管理模式，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，選擇浙江省已經廣泛推廣種植的早稻品種中組143，該品種由中國水稻研究所選育，適宜在浙江省作早稻種植。該品種株高適中，莖稈堅韌，具有穗大粒多、產量高、生育期短且谷色好等優勢。

1.1.2 降酸改良礦物材料

白云石粉，化學成分為CaMg(CO3)2，其中MgO含量為22%，CaO含量為32%，購自浙江某碳酸鈣廠家，礦石經機器研磨后過200目篩制得，重金屬(Cd、As、Pb、Hg、Cr)含量均低于國家標準《土壤調理劑通用要求》(NY/T3034—2016)相關限值。有機肥購自衢江區本地某有機肥廠，主要原料包含堆制后的豬糞、稻草和木屑，其中有機質含量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)含量均低于國家標準《有機肥料》(NY/T 525—2021)相關限值。

1.1.3 土壤

田間試驗布置于衢州市衢江區全旺鎮某酸化稻田，于2019年3月至2019年8月進行。土壤類型為水稻土，土壤pH 4.96，有機質含量為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Cd含量為0.13 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

田間試驗設4個處理，分別為：處理(1)對照：不添加改良劑；處理(2)每667 m2白云石粉 75 kg+有機肥300 kg；處理(3)每667 m2白云石粉150 kg+有機肥300 kg；處理(4)每667 m2白云石粉225 kg+有機肥300 kg。每個處理設3個重復，共計12個小區。小區面積25 m2(5 m×5 m)，每個小區均設進水與排水口，小區間構筑寬30 cm、高25 cm的田埂，田埂覆蓋薄膜，以防止竄水竄肥，四周設置2 m保護行，水稻全生育期其他管理措施與當地常規管理制度保持一致。在田面平整時，將白云石粉和有機肥按照各處理施用量均勻施用于土壤表層，早稻插秧前機械翻耕，充分與土壤耕層混勻。各小區水稻種植密度一致，種植規格為25 cm×25 cm。

白云石粉、有機肥全部基施，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，各小區其余農事操作措施相同。

1.3 分析檢測

1.3.1 土壤

試驗前和試驗后分別取耕層(0～20 cm)土樣測定常規理化性質，包括土壤有機質含量、pH，全氮、有效磷和速效鉀含量，測定方法參照《土壤農化分析》[9]。土壤有效態Cd含量分析參照BCR酸可提取態提取法：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，取上清液進行電感耦合等離子體-質譜法(ICP-MS)分析[10]。

1.3.2 水稻

考種樣品：各小區采用3點取樣的方法，每一個點取1叢水稻進行考種，為使樣品采集更具有代表性，需在調查各小區平均穗數的基礎上進行。根據各小區平均穗數取3點，每個點取1叢，即每個小區取3叢。樣品采集后放入尼龍網線袋中自然干燥。對試驗各處理的稻谷產量進行單收單打。

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，轉移定容ICP-MS分析。

2 結果與分析

2.1 土壤pH及養分含量變化

如表1所示，供試小區土壤呈酸性，有機質與全氮含量適中，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，還可以補充鈣素，改善土壤結構，提高土壤的生物活性和養分循環能力，從而改善根系生長環境，促進根系生長和吸收，改善植株營養和生長狀況，提高作物產量和品質[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較為劇烈，調酸的持效性較白云石粉低，同時對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酸改良劑。

結果表明，每667 m2施用白云石粉75 kg+有機肥300 kg(處理1)，對土壤pH和有機質影響不顯著，對其他指標影響也均不顯著，說明該處理對于降酸改土的作用不大。而每667 m2施用白云石粉150 kg+有機肥300 kg(處理2)和每667 m2施用白云石粉225 kg+有機肥300 kg(處理3)，土壤pH平均提升0.2個單位；每667 m2施用300 kg有機肥，土壤平均有機質含量為26.1 g·kg-1，比對照提升4.8%。同時，各處理的堿解氮和有效磷沒有規律性的變化，每667 m2施用白云石粉150 kg+有機肥300 kg和每667 m2施用白云石粉225 kg+有機肥300 kg處理的全氮和速效鉀則有提高的趨勢。

表1 各處理土壤pH及養分含量

2.2 水稻產量及構成因子

酸化土壤中存在大量Al3+和H+等交換性陽離子，一方面對植物的根系產生毒害，降低植物對營養元素的吸收能力；另一方面，土壤pH 下降，土壤微生物生長和活動也受到抑制，從而影響了土壤養分循環和有機質的分解過程，導致供肥能力下降，作物生長受阻[5]。據統計，土壤酸化可使水稻減產達20%以上[13]。本研究結果(表2)表明，通過實施降酸改土措施，每穗實粒數有提高表現，秕谷數降低，結實率有所提高，理論產量提高。但株高、有效穗、千粒重、結實率、單位產量均沒有顯著變化。因此，降酸改土措施對于水稻產量的提高作用還有待于進一步試驗加以明確。

表2 各處理作物產量及構成因子比較

酸化土壤中的H+離子會對土壤重金屬離子(如Cd)產生交換吸附作用，也會使難溶化合物產生溶解作用，從而增強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，未施用土壤調理劑的情況下，稻米Cd含量為0.18 mg·kg-1，接近于國家稻米食用安全標準(0.2 mg·kg-1)，存在一定的安全生產風險。添加降酸調理劑后土壤有效態Cd含量顯著降低，且隨著施加量的增加，降低幅度加大，同時稻米中的Cd含量也呈現逐漸下降的趨勢。其中每667 m2施用白云石粉150 kg+有機肥300 kg(處理2)處理的有效態Cd和稻米Cd含量下降幅度最為明顯，稻米Cd含量與對照相比下降了72%，土壤有效態鎘Cd含量下降了54%。

表3 各處理作物產量及構成因子比較

3 小結

施用白云石粉+有機肥，土壤有機質、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+有機肥300 kg，土壤pH平均提升0.2個單位，土壤有機質含量有所提升。

通過實施降酸改土措施，每穗實粒數有所提高，秕谷數有降低趨勢，結實率提高，水稻的產量構成有所提升。

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