磷石膏與石灰石粉配施對新墾紅壤耕地的改良效果

嚴建立，章明奎，王道澤

（1杭州市農業科學研究院，杭州 310024；2浙江大學環境與資源學院，杭州 310058；3杭州市植保土肥總站，杭州 310020）

0 引言

亞熱帶低丘新墾耕地土壤生產力低下，普遍存在酸性和磷素等礦質養分缺乏問題[1-3]，降酸與增加礦質養分是這一地區土壤改良的重要內容[4-7]。傳統上，施用石灰是降低亞熱帶低丘土壤酸性和消除鋁毒的較為有效的方法[8-9]，但長期高量施用石灰可引起土壤板結，導致土壤鈣、鉀、鎂等元素的失衡。磷石膏是磷復肥與磷化工行業的副產物，其主要成分是硫酸鈣，并含有少量游離的磷酸、硅[10-11]。過去幾十年，磷石膏已被用于國內北方地區鹽堿土的改良[12-16]，其可有效降低土壤堿度，并能促進土壤質量的提高。試驗表明[17-19]，磷石膏雖然呈酸性，但其具有“自動加石灰”效應[19-21]，也可作為酸性土壤改良劑，在降低土壤酸度方面具有明顯的效果，在降低心土層酸度方面有特別的效應。磷石膏進入土壤后其中的硫酸鈣與土壤反應生成堿式硫酸鋁，從而降低了土壤中的交換性Al3+[19]、提高土壤的pH。為了解磷石膏與石灰石粉配施對新墾紅壤耕地降酸、增加土壤礦質養分中的作用，以新墾黃筋泥為研究對象，設計磷石膏、石灰石粉不同用量及其組合的盆栽試驗，旨在為同時改善新墾紅壤酸堿度和養分狀況提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為第四紀紅土母質發育的黃筋泥，系浙江省低丘地區典型的紅壤。土樣采自近年開墾但尚未改良的耕地，為表層土壤，其基本性狀見表1。

表1 供試土壤基本性狀

供試石灰石粉為常規的市售農用物品，含CaCO397%。供試磷石膏采自貴州某磷肥廠，為灰白色粉砂顆粒，含CaSO473%，含磷(P2O5)量13 g/kg；總Pb、As、Cr、Cd、Hg、Ni、Cu、Zn 含量分別為33.4、15.3、5.2、1.9、0.85、18.5、13.5、132.4 mg/kg。

1.2 試驗設計

盆栽試驗設7 個處理，分別為：（1）對照組不施石灰石粉和磷石膏；（2）低量石灰石粉（1.00 g/kg土，相當于0.225 kg/m2）；（3）低量磷石膏（1.00 g/kg 土，相當于0.225 kg/m2）；（4）1/2 低量石灰石粉+1/2 低量磷石膏（即石灰石粉0.50 g/kg土+磷石膏0.50 g/kg土）；（5）中量石灰石粉（1.67 g/kg 土，相當于0.375 kg/m2）；（6）中量磷石膏（1.67 g/kg土，相當于0.375 kg/m2）；（7）1/2中量石灰石粉+1/2 中量磷石膏（即石灰石粉0.84 g/kg土+磷石膏0.84 g/kg土）。每個處理用土量為15 kg，重復3次。

盆栽土壤經與石灰石粉或磷石膏充分混勻后，在室溫條件下保持75%的土壤田間持水量放置6 個月后，種植蔬菜，每盆移栽4株25天齡的青菜幼苗（品種為‘蘇州青’）。在種植蔬菜前，每盆施尿素和氯化鉀各1.5 g。蔬菜生長60天后收獲蔬菜，用稱重法測量蔬菜地上部分生物量，同時混合各盆土壤，采集土壤樣品用于分析。采集的土壤樣品經風干后分別過2 mm 和0.15 mm塑料土篩，用于土壤養分和重金屬測定；蔬菜樣用去離子水沖洗2～3次后切碎、混勻，用于重金屬分析。

1.3 分析方法

土壤pH、有機質、交換性酸、CEC、有效磷、速效鉀采用常規方法分析[22]；土壤有效硅用乙酸緩沖液浸提-硅鉬藍比色法測定；有效鈣和有效鎂用乙酸銨提取-原子吸收法測定；土壤容重采用環刀法測定；水穩性團聚體采用濕篩法測定。蔬菜樣品用高氯酸消化，用石墨爐-原子吸收光譜法測定Cu、Zn、Cd和Pb，熒光原子吸收法測定Hg 和As。土壤重金屬采用國標法測定，其中，Cu、Zn、Cd、As、Ni 和Cr 采用鹽酸-硝酸-高氯酸消解，石墨爐原子吸收分光光度法測定Cd，原子光譜吸收法測定Cu、Zn、Cr 和Ni，熒光原子吸收法測定As；Hg用硝酸-高錳酸鉀消解，冷原子吸收光譜法測定；Pb用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，石墨爐原子吸收分光光度法測定。分析過程中采用質量控制，各重金屬測試誤差控制在5%以內，重復樣間相對誤差控制在10%以下。所有數據采用Microsoft Excel 2003 處理，統計分析采用軟件SPSS 12.0 完成，采用LSD 法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 對土壤酸堿性的影響

由表2 可知，無論是施用石灰石粉還是磷石膏均可提高土壤pH、降低土壤的交換性酸，其效果隨石灰石粉或磷石膏用量的增加而增強。在等質量施用下，磷石膏降低土壤酸度的效果低于石灰石粉。低劑量石灰石粉和磷石膏施用后土壤pH 分別提高了0.57、0.23，中劑量石灰石粉和磷石膏施用后土壤pH分別提高了0.82、0.54，其原因是磷石膏對酸的中和值低于石灰石粉。石灰石粉與磷石膏配合施用對土壤酸度的降低效果明顯高于單施磷石膏，但低于石灰石粉，低劑量和中劑量石灰石粉與磷石膏配合施用后土壤pH 分別提高了0.35、0.67。

2.2 對土壤物理性狀的影響

無論是施用低劑量的石灰石粉還是中劑量的石灰石粉對土壤水穩定性團聚體和容重的影響均不明顯（表2），但磷石膏或石灰石粉與磷石膏配合施用均可明顯提高土壤中>0.25 mm水穩定性團聚體的數量，降低土壤容重，表明磷石膏的施用可有效改善土壤物理性狀。低劑量和中劑量磷石膏施用后，土壤中>0.25 mm 水穩定性團聚體分別比對照提高5.56%和14.57%，土壤容重分別比對照降低2.16%、4.43%；低劑量和中劑量石灰石粉與磷石膏配合施用后土壤中>0.25 mm 水穩定性團聚體分別比對照提高8.35%、12.19%，土壤容重分別比對照降低2.88%、3.60%。施用磷石膏促進土壤中水穩定性團聚體的形成可能與施用磷石膏后增加鈣離子濃度有關。

表2 改良劑對土壤酸度和物理性狀的影響

2.3 對土壤肥力狀況的影響

由表3可知，與對照比較，無論是施用石灰石粉還是磷石膏土壤有機質含量均略有下降，其原因可能是改良劑施用后土壤pH提高、土壤微生物活性增強，導致有機質礦化增加。土壤有機質下降幅度為施用石灰石粉的略多。施用石灰石粉和磷石膏均明顯提高了土壤的交換性鈣，等質量條件下土壤交換性鈣的增加程度是單獨施用磷石膏或石灰石粉與磷石膏配合施用略高于單獨施用石灰石粉，且施用量越高土壤交換性鈣增加越明顯。單獨施用石灰石粉對土壤交換性鎂、交換性鉀、有效磷、有效硅及有效硫的影響較小（其中有效鉀略有下降），但單獨施用磷石膏或石灰石粉與磷石膏配合施用均可顯著提高土壤的交換性鎂、交換性鉀、有效磷、有效硅及有效硫。低劑量和中劑量磷石膏施用后，土壤中交換性鎂、交換性鉀、有效磷、有效硅及有效硫分別比對照增加14.04%、11.60%、175.98%、41.74%、207.23% 和21.31%、19.24%、247.30%、52.82%、299.78%；低劑量和中劑量石灰石粉與磷石膏配合施用后，土壤中交換性鎂、交換性鉀、有效磷、有效硅及有效硫分別比對照增加11.56%、7.40%、120.30%、31.64%、188.52% 和19.96%、12.62%、185.47%、36.98%、255.14%。

表3 不同改良劑對土壤養分的影響

2.4 對土壤重金屬積累的影響

由表4 可知，由于試驗中石灰石粉和磷石膏的施用量較低，除砷外，無論是施用石灰石粉還是磷石膏或兩者配合施用均沒有顯著改變土壤中重金屬含量，各處理的Cu、Zn、Cd、Cr、Hg、Pb、Ni等7種重金屬元素含量均與對照之間無明顯的差異；但施用磷石膏后土壤中As 有輕微的增加。但所有處理土壤的8 種重金屬元素含量均在安全范圍，表明在試驗條件下，磷石膏的施用不會改變土壤重金屬的狀況。

表4 不同改良劑對土壤重金屬含量的影響 mg/kg

2.5 對蔬菜生長及蔬菜中重金屬含量的影響

試驗結束時蔬菜地上部分鮮重的觀察表明，施用石灰石粉或磷石膏均顯著增加了蔬菜的生物量。對照處理蔬菜地上部分鮮重為78 g/盆，低量石灰石粉、低量磷石膏、1/2 低量石灰石粉+1/2 低量磷石膏、中量石灰石粉、中量磷石膏、1/2 中量石灰石粉+1/2 中量磷石膏處理蔬菜地上部分鮮重分別為107、115、122、123、134、144 g/盆，分別比對照增加37.18%、47.43%、56.41%、57.69%、71.79%、84.62%。在改善蔬菜生長方面的作用，磷石膏與石灰石粉配施或單施磷石膏的效果優于單施石灰石粉。

表5的結果表明，在試驗條件下，因施用石灰石粉或磷石膏后土壤pH的提高（表2），施用石灰石粉或磷石膏后蔬菜中Cd、Cr、Pb 含量有所下降，但As 含量呈輕微增加，對蔬菜中其他重金屬積累的影響不明顯。所有處理的蔬菜中7種元素的重金屬含量均符合農產品安全質量無公害蔬菜要求(GB 18406.1—2001)。

表5 不同改良劑對蔬菜重金屬含量的影響 mg/kg

3 結論

研究結果表明，在磷石膏用量不是很高的條件下，施用磷石膏不會引起土壤重金屬的明顯積累，且因土壤pH的提高蔬菜中Cd、Cr、Pb含量有所下降。但施用磷石膏后，As 含量呈輕微增加，表明磷石膏在施用時施用量需加以控制。鑒于在改善土壤礦物養分、物理性狀和蔬菜生長方面的綜合作用方面磷石膏與石灰石粉配施和單施磷石膏的效果高于單施石灰石粉，研究認為，對于酸化明顯和養分低下的新墾紅壤可采用磷石膏與石灰石粉配施替代單獨施用石灰石粉加以改良。

4 討論

低丘新墾耕地土壤因強酸性、鋁毒和養分缺乏等原因導致農作物生長不良[23-25]，緩解或消除這些限制因素是改良這類土壤的重要內容。本試驗的結果表明，在不施用改良劑的條件下，即使施用氮肥和鉀肥，蔬菜的生長仍不正常，生物量較低。傳統上，酸性土壤改良主要施用石灰石粉（包括熟石灰等），其主要作用機理是中和反應，即利用改良劑中的堿性物質直接中和土壤的酸，從而達到提高土壤pH、降低鋁毒的目的。雖然土壤pH 的提高可在某種程度上改善土壤養分的生物有效性，但由于石灰石粉成分單一，難以從本質上提升土壤的養分狀況，而且鈣與其他元素的競爭作用可能還會導致礦質養分的不平衡，加劇鉀、鎂等元素的缺乏[26-27]。然而，磷石膏因同時含有硫酸鈣、磷、硅、鉀、鎂等物質[10-11]，其在中和土壤酸的同時，還可補充土壤中磷、鎂、鉀元素，改善土壤養分的平衡及土壤物理性狀。本研究的試驗結果發現，雖然石灰石粉在降酸方面明顯優于磷石膏，但在促進蔬菜生長方面卻是磷石膏優于石灰石粉，降酸和提升礦質養分在改良新耕紅壤非常重要，而磷石膏具有降酸與培肥的雙重作用，是一種優于石灰的營養型酸性土壤改良劑。本研究只是一個簡單的比較試驗，至于石灰石粉與磷石膏的最佳比例及不同酸度土壤如何確定合理的石灰石粉與磷石膏的配比及施用量還有待進一步試驗研究。