雙季稻酸紫泥田土壤健康對連續(xù)單施有機(jī)肥、石灰的響應(yīng)

尹澤潤，盛浩，劉鑫，肖華翠，張麗娜，李源釗，田宇，周萍

雙季稻酸紫泥田土壤健康對連續(xù)單施有機(jī)肥、石灰的響應(yīng)

尹澤潤1，盛浩，劉鑫1，肖華翠1，張麗娜1，李源釗1，田宇1，周萍

1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，長沙 410128；2中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410125

【目的】為明確雙季稻酸紫泥田土壤健康對連續(xù)單施有機(jī)肥、石灰的響應(yīng)規(guī)律，驗(yàn)證不同土壤健康評價(jià)方法在水稻土健康評價(jià)中的適應(yīng)性、敏感性及篩選敏感指示指標(biāo)。【方法】選取長江中下游植稻區(qū)雙季稻酸紫泥田作為研究對象，基于配對試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則，設(shè)置對照和處理田塊，研究連續(xù)6年單施有機(jī)肥、石灰后，土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)共24項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律，應(yīng)用康奈爾土壤健康評價(jià)（CASH）、Haney土壤健康測試（HSHT）及主成分分析結(jié)合最小數(shù)據(jù)集（MDS），構(gòu)建綜合土壤健康指數(shù)，評估土壤健康的響應(yīng)差異。【結(jié)果】與對照相比，單施有機(jī)肥的土壤容重、緊實(shí)度、微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）含量分別顯著下降14%、25%和32%，0.5—1 mm團(tuán)聚體、銨態(tài)氮、活性有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳和氮、土壤呼吸與檸檬酸鹽可浸提蛋白含量分別顯著上升100%、37%、54%、21%、44%、59%和8%，最小數(shù)據(jù)集（MDS）、康奈爾土壤健康（CASH）、2015、2018及Ward實(shí)驗(yàn)室（SHS）版本的Haney土壤健康測試（HSHT）指數(shù)，分別顯著提高75%、20%、42%、95%和55%（＜0.05）；與對照相比，連續(xù)石灰處理土壤的緊實(shí)度、微團(tuán)聚體、水溶性有機(jī)氮和pH分別顯著上升44%、22%、61%和0.57個單位，但0.5—1 mm團(tuán)聚體、有效態(tài)鋅含量和土壤呼吸分別顯著下降39%、14%和52%，MDS、CASH和SHS HSHT指數(shù)分別顯著下降59%、15%和47%（＜0.05）。【結(jié)論】連續(xù)6年單施有機(jī)肥和石灰后，總體上對雙季稻酸紫泥田的土壤健康分別產(chǎn)生了正面和負(fù)面作用。土壤健康指數(shù)無法反映本試驗(yàn)土壤的總鎘累積量及其有效性的變化，鎘超標(biāo)水稻土健康評價(jià)方法仍有待開發(fā)。

水稻土；土壤健康；土壤性質(zhì)；土壤呼吸；有機(jī)肥；石灰

0 引言

【研究意義】近40年來，伴隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，耕地利用強(qiáng)度和集約度日益提高，一些土壤的功能和質(zhì)量呈退化趨勢，培育健康耕地土壤，發(fā)展健康農(nóng)業(yè)，已成為政府、學(xué)界和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)[1-4]。耕地土壤健康是維系土壤功能可持續(xù)性和保障糧食安全的關(guān)鍵[5]，它對土地利用方式和人為管理措施的響應(yīng)非常敏感[6]。準(zhǔn)確評價(jià)耕地土壤健康，不僅是科學(xué)管護(hù)耕地土壤、助力農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，也對指導(dǎo)耕地保育、維持和提升耕地質(zhì)量具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】目前，國內(nèi)外針對土壤質(zhì)量/健康的評價(jià)體系、指標(biāo)與程序、評價(jià)方法與工具已有一定研究，針對耕地地力與土壤養(yǎng)分相關(guān)指標(biāo)開展大量試驗(yàn)，提出了土壤生物肥力概念，但有關(guān)土壤物理、生物學(xué)指標(biāo)，仍有待加強(qiáng)研究[7-8]。盡管在《耕地質(zhì)量等級》（GB/T 33469—2016）國標(biāo)中，引入了土壤健康概念，以清潔程度和生物多樣性表征土壤健康狀況，但仍然存在土壤生物學(xué)指標(biāo)數(shù)量少、量化程度低、實(shí)際應(yīng)用中操作困難等問題。迄今，國外已開發(fā)多個土壤健康評價(jià)方法，例如：康奈爾土壤健康評價(jià)（CASH）、Haney土壤健康測試（HSHT）和Müencheberg土壤質(zhì)量定級（M-SQR）方法，但這些土壤健康評價(jià)方法，主要針對北美、歐洲的旱地開發(fā)[9-10]。水稻土是指旱地/自然土壤在長期淹水植稻、頻繁灌排及耕作攪拌的人為水耕熟化作用下，土體形成耕作層、犁底層和水耕氧化還原層等特殊發(fā)生層的人為土。水稻土的成土過程與旱地/自然土壤的成土過程迥異。目前，不僅國內(nèi)外尚無專門針對水稻土研發(fā)的土壤健康評價(jià)方法，且基于旱地開發(fā)的土壤健康評價(jià)工具和方法，能否適用于水稻土，也仍有待探究。【本研究切入點(diǎn)】在我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2015年頒布的《耕地質(zhì)量保護(hù)與提升行動方案》中指出，長江中下游平原水稻區(qū)耕地的主要問題為土壤酸化、潛育化和局部地區(qū)土壤重金屬污染比較嚴(yán)重，推薦增施有機(jī)肥、石灰以改善土壤肥力與結(jié)構(gòu)、鈍化土壤重金屬活性和改良土壤酸化。大量研究報(bào)道，長期增施有機(jī)肥，可改善土壤物理性狀，擴(kuò)增土壤養(yǎng)分庫容，提升土壤肥力水平，或許有利于土壤健康[11]。盡管施石灰已廣泛應(yīng)用于治理酸化水稻土和應(yīng)急性修復(fù)鎘超標(biāo)水稻土[12]，但連續(xù)過量施石灰，也存在土壤物理性質(zhì)惡化，土壤板結(jié)，土壤有效含水量降低的負(fù)面作用[13]。盡管如此，連續(xù)施有機(jī)肥、石灰對水稻土總體健康狀況的影響，仍難以準(zhǔn)確評估和精準(zhǔn)量化。鑒于此，本研究選取長江中下游典型雙季稻酸紫泥田為研究對象，在野外和室內(nèi)測定連續(xù)6年施有機(jī)肥、石灰后水稻土的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，應(yīng)用主流土壤健康評價(jià)方法（CASH和HSHT）和主成分分析結(jié)合最小數(shù)據(jù)集（MDS）法，構(gòu)建土壤健康指數(shù)，綜合評估水稻土健康狀況。【擬解決的關(guān)鍵問題】（1）明確雙季稻酸紫泥田土壤健康指數(shù)對連續(xù)單施有機(jī)肥、石灰后的響應(yīng)規(guī)律；（2）評估CASH、HSHT方法在水稻土健康評價(jià)中的適應(yīng)性與敏感性；（3）篩選指示水稻土健康總體變化的敏感指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于湖南省東部（株洲市淥口區(qū)）的低丘坡麓，盛行中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。2016—2020年，當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁睾湍昃涤炅糠謩e為17.6 ℃和1 476 mm。土種為酸紫泥田，土系為石板橋系，雙季稻種植歷史大于70年，灌排水利基礎(chǔ)設(shè)施良好。試驗(yàn)前，土壤基本理化性質(zhì)參見表1。有關(guān)試驗(yàn)地的自然地理環(huán)境、土壤剖面形態(tài)與理化性質(zhì)的更詳細(xì)介紹，還可參考薛毅等[14]、YIN等[15]、SHENG等[16]和李源釗等[17]已報(bào)道文獻(xiàn)。

表1 試驗(yàn)處理前0—15 cm表土基本理化性質(zhì)

1.2 供試材料

供試早稻品種為湘早秈17號，晚稻品種為天優(yōu)華占。有機(jī)肥為商品有機(jī)肥，主要由雞糞和草木灰混合發(fā)酵而成（山田悅5%有機(jī)肥，綠豐源生物有機(jī)肥料有限公司，湖南長沙），pH 8.4，有機(jī)碳、總氮、總磷和總鉀含量分別為325、23、12和8 g·kg-1，總鎘含量0.90 mg·kg-1。石灰為石灰?guī)r經(jīng)高溫煅燒后的生石灰粉（生石灰，老浦石灰公司，湖南寧鄉(xiāng)），CaO含量約76%，pH 12.7，總鎘含量0.06 mg·kg-1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2015年春耕前，隨機(jī)選取形狀規(guī)則、土地利用史清晰和管理措施一致的6塊稻田。每塊田的面積約0.2 hm2，田塊中央筑修高30 cm的田埂，將田塊一分為二做配對試驗(yàn)，分設(shè)處理和對照。田埂覆膜，修筑獨(dú)立的灌、排水渠。試驗(yàn)處理分單施有機(jī)肥和石灰，每種處理3塊稻田。

雙季稻田同時(shí)存在鎘污染和土壤酸化，根據(jù)試驗(yàn)前土壤基本理化性質(zhì)（例如：pH、有機(jī)質(zhì)和黏粒含量、陽離子交換量、酸堿緩沖性能），計(jì)算pH中和到6.5的石灰需用量。并結(jié)合LIAO等[18]對全球范圍內(nèi)稻田施用石灰的降鎘效果分析，確定本研究的石灰施用量為每季2.25 t·hm-2。為了比較不同處理之間的效果差異，有機(jī)肥施用量也為每季2.25 t·hm-2。

每季旋耕前，人工撒施有機(jī)肥或石灰，在雙季稻生育期內(nèi)，自插秧起直至水稻黃熟期前15 d，全程淹水管理。處理田塊除施用有機(jī)肥或石灰外，其他耕作、施肥和除草殺蟲等農(nóng)藝管理措施均與對照田塊共同按當(dāng)?shù)亓?xí)慣方式進(jìn)行。其中，施肥為“一基一追”法，基肥和追肥均為復(fù)合肥（15﹕15﹕15），基肥450 kg·hm-2，追肥225 kg·hm-2，每年早稻收獲后秸稈部分還田，晚稻收獲后秸稈全部還田。當(dāng)?shù)仉p季稻生產(chǎn)習(xí)慣水稻收獲前半個月落干排水曬田。

1.4 樣品采集和室內(nèi)分析

連續(xù)6年施有機(jī)肥、石灰后，于2020年晚稻黃熟期，使用自制非金屬土鉆按“S”形取樣法，采集0—15 cm表層土壤樣品15份，混合均勻，并分離1份新鮮土壤樣品，自封袋保存，冰袋運(yùn)輸。同時(shí)，在采樣點(diǎn)1 m2范圍內(nèi)，應(yīng)用緊實(shí)度速測儀（TJSD-750，托普云龍科技股份有限公司，浙江杭州）測定表土緊實(shí)度。在田塊中央，挖掘0—15 cm土層深度的土坑，用鐵盒采集原狀土保存。同時(shí)，用環(huán)刀采集原狀土，用自封袋保存。采集的土壤混合樣品和新鮮土壤樣品，當(dāng)天帶回室內(nèi)，迅速剔除礫石、動植物殘?bào)w。新鮮土壤保存于低溫冰箱，供生物學(xué)指標(biāo)測試。混合土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后（5—7 d），石缽研磨，分別過60目和100目尼龍篩，供化學(xué)指標(biāo)測試。原狀土在室內(nèi)自然風(fēng)干2—3 d，并在風(fēng)干過程中，沿自然結(jié)構(gòu)體面，手工剝離為體積約1 cm3的小土塊，供土壤團(tuán)聚體測試。

土壤容重和有效含水量采用環(huán)刀法；土壤緊實(shí)度采用緊實(shí)度儀法；土壤團(tuán)聚體采用濕篩法；pH采用電位法；有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法；速效鉀采用中性乙酸銨溶液浸提-火焰光度法；銨態(tài)氮采用流動分析儀法；有效態(tài)鐵、錳、鋅及交換態(tài)鎂采用火焰原子吸收法；土壤有機(jī)質(zhì)采用容量法；土壤呼吸速率采用室內(nèi)密閉培養(yǎng)法，以C為單位（mg·kg-1·d-1）；水溶性有機(jī)碳、氮采用總碳分析儀法；活性有機(jī)碳采用比色法；土壤蛋白采用檸檬酸鹽浸提法。測試標(biāo)準(zhǔn)和流程參見康奈爾土壤健康實(shí)驗(yàn)室土壤健康綜合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)操作程序[19]。

1.5 土壤健康評價(jià)方法

（1）最小數(shù)據(jù)集法（MDS）

采用極差法，進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。應(yīng)用主成分分析法，針對24項(xiàng)土壤指標(biāo)，計(jì)算各指標(biāo)的綜合載荷值與Norm值。Norm值代表指標(biāo)對土壤健康的解釋量。基于載荷值與Norm值，選取各主成分指標(biāo)，構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集。Norm值算式如下：

式中，為第個指標(biāo)在特征值＞1的主成分Norm值；U為第個指標(biāo)在第個主成分上指標(biāo)載荷；E為第個主成分特征值。

最小數(shù)據(jù)集中，各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重通過主成分分析得出，權(quán)重算式如下：

式中，為第個指標(biāo)的權(quán)重；C為第個主成分的貢獻(xiàn)率。

土壤健康指數(shù)（）算式如下：

式中，V為第個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

（2）康奈爾土壤健康評價(jià)法（CASH）

根據(jù)各土壤健康指標(biāo)的范圍和報(bào)告臨界值，固定上閾值、下閾值、基線值（土壤參數(shù)值評分為0.5）和評分曲線斜率。根據(jù)不同土壤類型，賦予相應(yīng)閾值與曲線斜率，再應(yīng)用正態(tài)累積評分函數(shù)（CND），將不同單位土壤參數(shù)轉(zhuǎn)化為單位得分。土壤參數(shù)分為3類：正向指標(biāo)（得分=100×CND）、負(fù)向指標(biāo)（得分=100×(1–CND)）和中間最優(yōu)指標(biāo)。CASH指數(shù)為所有土壤參數(shù)得分的均值[16]。正態(tài)累積評分函數(shù)算式如下：

式中，Score為土壤參數(shù)轉(zhuǎn)化的得分；為土壤參數(shù)的基準(zhǔn)值；為土壤參數(shù)值評分，取0.5；為土壤參數(shù)測定值。

（3）HSHT土壤健康測試法

采用不同地區(qū)校準(zhǔn)的3種HSHT評價(jià)方法（2015HSHT、2018HSHT和SHSHSHT），算式分別如下[8]：

式中，1-day CO2-C為24 h土壤呼吸，以C為單位計(jì)算；WEOC和WEON分別為水溶性有機(jī)碳、氮含量。

1.6 數(shù)據(jù)處理與制圖

土壤指標(biāo)對連續(xù)單施有機(jī)肥和石灰的響應(yīng)敏感性指數(shù)算式如下：

（%）=（處理-對照）/對照×100

式中，處理和對照分別為對照和處理的土壤指標(biāo)值。

基于Microsoft Excel（Excel 2010，微軟公司，美國）軟件，計(jì)算各指標(biāo)的描述統(tǒng)計(jì)量，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。基于SPSS（SPSS 13.0，SPSS公司，美國）軟件，應(yīng)用配對t檢驗(yàn)法，比較施有機(jī)肥、石灰處理與其對照之間變量均值的差異，顯著性水平設(shè)為0.05。基于SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，R軟件（www.r-project.org）進(jìn)行相關(guān)分析。

應(yīng)用Origin函數(shù)繪圖軟件（Origin 2018，Origin Lab公司，美國）繪制柱狀圖，應(yīng)用R軟件中g(shù)gplot2和corrplot程序包，繪制相關(guān)系數(shù)熱圖。

2 結(jié)果

2.1 土壤物理性質(zhì)

表2顯示，與對照相比，有機(jī)肥處理的土壤0.5—1 mm和0.25—0.5 mm團(tuán)聚體含量，分別顯著提高51%和9%，但＜0.25 mm團(tuán)聚體含量顯著降低25%；石灰處理田塊0.5—1 mm團(tuán)聚體含量顯著低于對照39%，但＜0.25 mm團(tuán)聚體含量比對照顯著提高22%。此外，施有機(jī)肥處理的土壤容重、土壤緊實(shí)度，分別顯著低于對照14%和25%，而石灰處理的土壤緊實(shí)度顯著高出對照44%。連續(xù)單施有機(jī)肥、石灰處理的土壤有效含水量與其對照田塊無顯著差異。

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

與對照相比，施有機(jī)肥處理土壤pH和銨態(tài)氮含量，分別顯著高出0.2個單位和37%，但土壤有效磷含量并無顯著變化；施石灰處理土壤pH和有效磷含量分別顯著高出0.5個單位和40%，但有效態(tài)鋅含量顯著降低14%，銨態(tài)氮含量無顯著變化。此外，施有機(jī)肥、石灰處理與對照田塊的土壤速效鉀、交換態(tài)鎂、有效態(tài)鐵、錳含量，均無顯著差異（表3）。

圖1表明，與對照相比，施有機(jī)肥處理土壤總鎘含量顯著提高15%，但是土壤DTPA浸提鎘和交換態(tài)鎘含量分別顯著下降8%和17%。與對照相比，石灰處理土壤總鎘含量無顯著變化，但土壤DTPA浸提鎘和交換態(tài)鎘含量分別顯著降低22%和26%。

表2 雙季稻田連續(xù)6年單施有機(jī)肥和石灰后土壤物理性質(zhì)

同列同一配對不同字母表示差異顯著（＜0.05）。下同

Different letters in the same column and the same pair meant significant difference at 0.05 level. The same as below

表3 雙季稻田連續(xù)6年單施有機(jī)肥和石灰后土壤化學(xué)性質(zhì)

* 表示同一配對間差異顯著（P＜0.05）。下同 Different letters in the same pair meant significant difference at 0.05 level. The same as below

2.3 土壤生物學(xué)性質(zhì)

與對照相比，有機(jī)肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳和氮、ACE（autoclaved citrate extractable）蛋白含量和土壤呼吸分別顯著提高6%、54%、21%、44%、8%和59%。石灰處理田塊土壤水溶性有機(jī)氮含量比對照顯著提高61%，但是土壤呼吸比對照顯著降低52%，土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳和ACE蛋白含量均與對照無顯著差異（＞0.05）（圖2）。

圖2 雙季稻田連續(xù)6年單施有機(jī)肥和石灰后土壤生物學(xué)性質(zhì)

2.4 土壤健康評價(jià)最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)

主成分分析共提取出6個主成分（特征值≥1），總方差解釋度為90%（表4）。基于每個土壤健康影響因子的荷載值，共劃分出6組。基于Norm值與各因子間相關(guān)性篩選指標(biāo)。

PCA1中，土壤有機(jī)質(zhì)的荷載值、Norm值均最高，且與荷載值＞0.8的有效含水量、有效態(tài)鋅和交換態(tài)鎂呈顯著相關(guān)（圖3），故選擇土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。PCA2中，土壤活性有機(jī)碳的荷載值、Norm值均最高，且無其他荷載值＞0.8的指標(biāo)，故選土壤活性碳進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。PCA3中，土壤呼吸和總鎘分別為荷載值與Norm值最高，但總鎘荷載值＜0.7，且與PCA1中土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，故選擇土壤呼吸進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。PCA4中，0.5—1 mm土壤團(tuán)聚體的荷載值、Norm值均最高，但與PCA3中土壤呼吸呈極顯著正相關(guān)，故選擇荷載值、Norm值第二的0.5—1 mm土壤團(tuán)聚體進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。PCA5和PCA6中，均只有一個因子進(jìn)入分組，故ACE蛋白和有效態(tài)鐵進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。主成分分析權(quán)重計(jì)算表明，最小數(shù)據(jù)集中土壤活性有機(jī)碳、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤呼吸、有效態(tài)鐵、ACE蛋白和0.5—1 mm土壤團(tuán)聚體的權(quán)重分別為0.23、0.21、0.19、0.16、0.15和0.06。

2.5 土壤健康指數(shù)

與對照相比，施有機(jī)肥MDS、CASH土壤健康指數(shù)，分別顯著提高75%和20%，但是施石灰田塊的MDS、CASH土壤健康指數(shù)，分別顯著低于對照田塊59%和15%（圖4）。

表4 土壤健康影響因子的荷載矩陣、Norm值及主成分因子篩選

有機(jī)肥處理田塊2015 HSHT、2018 HSHT和SHS HSHT土壤健康指數(shù)比對照分別顯著提高42%、95%和55%（圖5）。石灰處理田塊SHS HSHT土壤健康指數(shù)顯著低于對照47%，而2015 HSHT、2018 HSHT土壤健康指數(shù)與對照均無顯著差異。這表明，MDS、CASH和SHS HSHT評價(jià)方法對水稻土健康評價(jià)，具有良好的適應(yīng)性。

* P＜0.05，** P＜0.01，*** P＜0.001。下同The same as below

圖4 雙季稻田連續(xù)6年單施有機(jī)肥和石灰后MDS和CASH土壤健康指數(shù)

圖5 雙季稻田連續(xù)6年單施有機(jī)肥和石灰后Haney土壤健康指數(shù)

2.6 土壤健康指數(shù)與土壤性質(zhì)的相關(guān)性

相關(guān)性分析表明，2015 HSHT和SHS HSHT土壤健康指數(shù)均與0.5—1 mm土壤團(tuán)聚體和土壤呼吸呈極顯著正相關(guān)；2018 HSHT土壤健康指數(shù)與活性有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳和土壤呼吸呈顯著正相關(guān)；CASH土壤健康指數(shù)與0.5—1 mm土壤團(tuán)聚體、活性有機(jī)碳和土壤呼吸呈顯著正相關(guān)，與緊實(shí)度呈顯著負(fù)相關(guān)；MDS土壤健康指數(shù)與緊實(shí)度、容重和＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體呈顯著負(fù)相關(guān)，與有效含水量、0.5—1 mm土壤團(tuán)聚體、有效態(tài)鋅、土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)碳和ACE蛋白呈顯著正相關(guān)（圖6）。0.5—1 mm土壤團(tuán)聚體均與土壤呼吸均和4種土壤健康指數(shù)呈顯著正相關(guān)（＜0.05），這表明，這兩個指標(biāo)或?yàn)闆Q定水稻土健康水平的關(guān)鍵指標(biāo)。

圖6 水稻土健康指數(shù)與土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)熱圖

2.7 土壤性質(zhì)、土壤健康對連續(xù)單施有機(jī)肥和石灰響應(yīng)的敏感性指數(shù)

連續(xù)單施有機(jī)肥和石灰6年后，土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)和污染指標(biāo)的響應(yīng)敏感性指數(shù)分別介于-39% —52%、-14%—42%、-52%—64%和-26%—19%，在24項(xiàng)土壤指標(biāo)中，土壤生物學(xué)指標(biāo)的響應(yīng)敏感性更高（圖7）。此外，物理、化學(xué)、生物學(xué)和污染指標(biāo)中敏感性指數(shù)最高的指標(biāo)分別是0.5—1 mm土壤團(tuán)聚體、銨態(tài)氮、土壤呼吸和交換態(tài)鎘，其中，土壤呼吸對連續(xù)單施有機(jī)肥響應(yīng)最敏感。5種土壤健康指數(shù)對連續(xù)單施有機(jī)肥的響應(yīng)敏感性為21%—193%，均為正響應(yīng)，但對連續(xù)單施石灰的響應(yīng)敏感性為-60%—-6%，均為負(fù)響應(yīng)。與連續(xù)單施石灰相比，水稻土健康指數(shù)對連續(xù)單施有機(jī)肥的響應(yīng)更加敏感。

圖7 土壤性質(zhì)和土壤健康對連續(xù)6年單施有機(jī)肥和石灰響應(yīng)的敏感性指數(shù)（SI）

3 討論

3.1 酸性水稻土健康狀況對連續(xù)施有機(jī)肥、石灰的響應(yīng)

長期培育健康水稻土是實(shí)現(xiàn)稻米安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。連續(xù)施有機(jī)肥、石灰是酸性水稻土改良與保育的傳統(tǒng)措施。然而，連續(xù)單施有機(jī)肥、石灰對水稻土健康的作用，會受到有機(jī)肥源和石灰類型、施用量和施用方式、連續(xù)施用年限和水稻土類型的強(qiáng)烈影響，總體效果評價(jià)仍存在較大不確定性。諸多研究表明，水稻土長期單施有機(jī)肥配施化肥，顯著地改善了水稻土物理結(jié)構(gòu)性、養(yǎng)分有效性和土壤代謝功能，有助于水稻土健康[20]。但也有報(bào)道，水稻土長期施豬糞有機(jī)肥，顯著提高了水稻土中抗生素濃度和抗性基因豐度，也為水稻土健康帶來了一定潛在風(fēng)險(xiǎn)[21]。此外，水稻土單施一定年限的石灰是改良酸化水稻土的主要農(nóng)藝措施，能顯著提高水稻土養(yǎng)分有效性，降低水稻土中鎘生物有效性[12]。但也有研究顯示，需要長期保持中性或微堿性的土壤pH，才能維持石灰對水稻土中鎘的鈍化效果[22]。有報(bào)道稱，水稻土長期大量施用石灰，顯著地破壞了水稻土團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，造成耕作層板結(jié)、養(yǎng)分有效性降低[23]，不利于長期培育健康水稻土。本研究針對湘東地區(qū)典型的雙季稻酸紫泥田，連續(xù)6年單施有機(jī)肥、石灰后，綜合水稻土物理、化學(xué)和生物指標(biāo)，評價(jià)水稻土健康指數(shù)分別呈正、負(fù)響應(yīng)，這暗示長期連續(xù)單施有機(jī)肥、石灰后，對水稻土總體健康狀況分別產(chǎn)生了正面和負(fù)面效果。

3.2 酸性水稻土健康的關(guān)鍵指示指標(biāo)

適宜的土壤物理、化學(xué)性質(zhì)，不僅有利于提高土壤生物活性，也是培育健康土壤的條件。據(jù)報(bào)道，水稻土連續(xù)34年施有機(jī)肥，通過增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用，提高了＞0.25 mm大團(tuán)聚體含量和比例，從而顯著改善土壤物理性狀[24]。本研究中，連續(xù)6年單施有機(jī)肥也促進(jìn)了微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）形成大團(tuán)聚體（0.25—1 mm），但與之不同的是，在0.25—2 mm的大團(tuán)聚體中，本研究只發(fā)現(xiàn)0.25—1 mm大團(tuán)聚體含量顯著提高，這可能與水稻土不同類型、有機(jī)肥類型和施用年限相對較短有關(guān)[25]。雙季稻酸紫泥田連續(xù)6年單施石灰后，土壤緊實(shí)度明顯提高，孔隙性劣化，破壞土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)（表2）。其原因是部分大團(tuán)聚體可能在Ca2+作用下分散成微團(tuán)聚體[26]，降低了土壤大團(tuán)聚體水穩(wěn)性，造成耕作層板結(jié)或黏閉，這對水稻土物理結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生了負(fù)面影響[27]。主成分分析顯示，0.5—1 mm團(tuán)聚體含量為PCA4中荷載值與Norm值最高的指標(biāo)，且與關(guān)鍵土壤微生物指標(biāo)（土壤呼吸）、土壤健康指數(shù)均呈顯著正相關(guān)（表4和圖6）。這表明，0.5—1 mm團(tuán)聚體是水稻土健康變化的關(guān)鍵物理指示指標(biāo)。鑒于此，在水稻土農(nóng)藝管理中，促進(jìn)＜0.25 mm微團(tuán)聚體重新黏結(jié)，形成0.5—1 mm大團(tuán)聚體，成為長期培育健康水稻土的重要物理途徑。

土壤化學(xué)性質(zhì)是土壤健康的重要組成部分[28]。土壤酸度可用土壤pH來表示，強(qiáng)烈影響酸性水稻土壤微生物活性、土壤中養(yǎng)分和重金屬的生物有效性[13]。連續(xù)6年單施堿性有機(jī)肥、石灰后，顯著提高了土壤pH，基于本研究樣地土壤有效磷含量（＞20 mg·kg-1）較豐富，且石灰處理顯著提高土壤pH趨于中性（5.7—6.2）有利于土壤中Fe-P和Al-P分解釋放，因而土壤磷有效性提高。同時(shí)，pH提高還降低了土壤鎘活性，連續(xù)單施石灰的效果更好，這與已有報(bào)道中通過提高土壤pH，降低土壤重金屬的生物有效性相印證[29-30]。此外，連續(xù)6年單施有機(jī)肥后，土壤總鎘含量顯著提升15%（圖1），其主要與有機(jī)肥中含鎘（0.9 mg·kg-1）有關(guān)。盡管所施有機(jī)肥的鎘含量明顯低于國家有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)中鎘允許量（3 mg·kg-1，NY 525—2012），但雙季稻酸紫泥田連續(xù)6年單施有機(jī)肥后，仍產(chǎn)生了顯著的土壤鎘累積。同時(shí)，連續(xù)施用有機(jī)肥還通過提高土壤活性有機(jī)碳組分含量和促進(jìn)微團(tuán)聚體膠結(jié)團(tuán)聚作用，增加了土壤鎘固持量，這也導(dǎo)致了土壤鎘累積[31]。因此，針對長期施用的商品有機(jī)肥，應(yīng)特別關(guān)注其重金屬含量，對有機(jī)肥連續(xù)施用帶來的水稻土健康潛在風(fēng)險(xiǎn)也應(yīng)加以重視。

土壤生物在發(fā)揮土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中起著關(guān)鍵作用，是維系土壤生物健康的核心[32]。土壤呼吸主要源于土壤中微生物的碳、氮代謝活動，對土地利用和人為管理的響應(yīng)非常敏感（圖7）。雙季稻酸紫泥田連續(xù)6年施有機(jī)肥后，由于土壤有機(jī)質(zhì)含量較高（＞30 g·kg-1），且有機(jī)肥施用量相對較低（4.5 t·hm-2），土壤有機(jī)質(zhì)含量并未發(fā)生顯著變化，但土壤呼吸顯著高于對照處理。原因可能是，長期的外源有機(jī)物質(zhì)投入，為土壤微生物群落帶來了大量活性有機(jī)碳組分、ACE蛋白和速效養(yǎng)分（圖2），提高了土壤中微生物活性[33-34]。然而，連續(xù)6年單施石灰后，顯著降低了土壤呼吸。盡管連續(xù)6年單施石灰后，土壤pH趨于中性，土壤活性有機(jī)碳、氮組分含量和養(yǎng)分有效性也呈升高趨勢，但是土壤團(tuán)聚體層次結(jié)構(gòu)劣化，孔隙性降低，土壤緊實(shí)度增加（表2），似乎成為了抑制土壤呼吸的關(guān)鍵因子。值得注意的是，土壤呼吸不僅進(jìn)入土壤健康評價(jià)的最小數(shù)據(jù)集，而且與其他土壤健康指數(shù)均呈顯著正相關(guān)（表4和圖6）。北美124個長期農(nóng)業(yè)試驗(yàn)顯示，在旱地土壤健康評價(jià)中，土壤呼吸是指示土壤有機(jī)碳變化的最優(yōu)指標(biāo)[35]。本研究表明，在酸性水稻土健康評價(jià)中，土壤呼吸是土壤健康變化的關(guān)鍵生物指示指標(biāo)。

3.3 酸性水稻土健康評價(jià)方法

準(zhǔn)確評估水稻土是否健康，是水稻土健康管護(hù)的前提。本研究應(yīng)用3種當(dāng)前主流土壤健康評價(jià)方法，結(jié)果較一致地表明。雙季稻酸紫泥田連續(xù)6年單施有機(jī)肥、石灰后，分別提高、降低了土壤健康指數(shù)。與SHS HSHT和MDS土壤健康指數(shù)相比，CASH土壤健康指數(shù)的敏感性相對較低（圖7）。原因可能是，CASH土壤健康評價(jià)中，應(yīng)用評估指標(biāo)更多且權(quán)重均一（表4），部分指標(biāo)響應(yīng)的敏感性較低。這導(dǎo)致CASH土壤健康指數(shù)的敏感性總體較低。在土壤物理、化學(xué)與生物指標(biāo)中，土壤生物指標(biāo)對連續(xù)單施有機(jī)肥、石灰的響應(yīng)明顯更為敏感。因此，未來的土壤健康評價(jià)框架中，應(yīng)篩選響應(yīng)敏感的土壤生物指標(biāo)（例如：土壤呼吸），并在此基礎(chǔ)上結(jié)合關(guān)鍵的土壤健康物理、化學(xué)指示指標(biāo)（如：＞0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量、pH），準(zhǔn)確、敏感地反映土壤健康變化。同時(shí)，考慮到土壤類型、水稻品種、種植制度、施肥用量與方式的地區(qū)性差異和土壤性質(zhì)（如：pH）高度的空間異質(zhì)性，應(yīng)注重廣泛收集水稻土關(guān)鍵物理、化學(xué)、生物指標(biāo)數(shù)據(jù)，應(yīng)用正態(tài)累積評分函數(shù)建立評分模型，構(gòu)建水稻土健康指數(shù)閾值。

此外，土壤污染指標(biāo)的敏感性相對較低（圖7），均未進(jìn)入土壤健康評估的最小數(shù)據(jù)集中。土壤健康指數(shù)與土壤pH、總鎘、有效態(tài)鎘和交換態(tài)鎘含量均無顯著相關(guān)性（圖6）。這些證據(jù)均表明，在中度鎘污染酸性水稻土的修復(fù)過程中，當(dāng)前主流土壤健康評價(jià)方法尚難以真實(shí)反映和準(zhǔn)確評估，土壤總鎘累積及其生物有效性降低所引起的土壤健康變化。總體上，SHS HSHT和MDS土壤健康指數(shù)對連續(xù)單施有機(jī)肥、石灰的響應(yīng)敏感，適應(yīng)雙季稻酸紫泥田土壤健康評價(jià)。但是，如何準(zhǔn)確評估鎘污染的酸性水稻土健康狀況，仍有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

4.1 雙季稻酸紫泥田連續(xù)6年單施有機(jī)肥，有利于改善土壤理化性質(zhì)，提升土壤肥力水平，促進(jìn)土壤微生物活性，總體上對土壤健康產(chǎn)生“正面”影響。此外，有機(jī)肥處理顯著降低了土壤鎘有效性，但連續(xù)施用也造成土壤總鎘累積，對土壤健康產(chǎn)生潛在風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 雙季稻酸紫泥田連續(xù)6年單施石灰，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤板結(jié)、黏閉，降低了土壤微生物活性，降低了土壤鎘的有效性，但未顯著改變土壤總鎘含量，總體上對土壤健康造成“負(fù)面”影響。

4.3 基于當(dāng)前主流土壤健康評價(jià)方法，測算的土壤健康指數(shù)一致地指示連續(xù)單施有機(jī)肥、石灰后土壤性質(zhì)的總體變化，但無法指示土壤污染物（例如：土壤鎘積累量和有效態(tài)組分）的變化，針對存在鎘污染的水稻土健康評價(jià)仍需進(jìn)一步深入研究。

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Response of Paddy Soil Health to Continuous Amendments of Organic Fertilizer and LimeSeparately Under Double-Cropping Rice Fields

YIN ZeRun1, SHENG Hao, LIU Xin1, XIAO HuaCui1, ZHANG LiNa1, LI YuanZhao1, TIAN Yu1, ZHOU Ping

1College of Resources, Hunan Agricultural University, Changsha 410128;2Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125

【Objective】 The aim of this study was to investigate the mechanism of the comprehensive soil health of double-cropping rice fields in response to continuous organic fertilizer and quick lime amendments, and to verify the current major soil health assessment methods in terms of the adaptability, sensitivity, and their sensitivity indicators in paddy soils. 【Method】 Here the double-cropping rice fields in the middle and lower reaches of the Yangtze River watershed were selected. Based on the principles of experimental design, the control and treatment fields were set up. It aimed at illuminating the changes in topsoil physical, chemical, and biological indicators (24 indicators) after 6-year biannual continuous organic and quick lime amendments, and assessing the holistic soil health index using the Cornell Soil Health Assessment (CASH), the Haney Soil Health Test (HSHT), and the principal component analysis combined with minimal data set construction (MDS) methods. 【Result】Compared with the control treatment (CK), 6-year continuous organic amendment treatment reduced the soil bulk density, penetration resistance, and microaggregates (＜0.25 mm) significantly by 14%, 25%, and 32%, respectively; however, which rose the soil aggregate (0.5-1 mm), ammonium N, activated C, water extractable organic C and N, respiration rate, and autoclaved-citrate extractable protein significantly by 100%, 37%, 54%, 21%, 44%, 59%, and 8%, respectively; in addition, the minimum data set (MDS), comprehensive assessment of soil health (CASH), 2015, 2018, and Ward Laboratory (SHS) versions of Haney soil health test (HSHT) indexes were significantly enhanced by 75%, 20%, 42%, 95%, and 55% under 6-year continuous organic amendment treatment than that under CK, respectively (＜0.05). After the 6-year continuous liming, the soil penetration resistance, microaggregates, water extractable organic N, and pH were significantly increased by 44%, 22%, 61%, and 0.57 units than that under CK, respectively; whereas 0.5-1 mm soil aggregates, available Zn, and respiration decreased significantly by 39%, 14%, and 52% under 6-year continuous organic amendment treatment than that under CK, respectively; meanwhile, the MDS, CASH and SHS HSHT indexes were significantly decreased by 59%, 15% and 47%, respectively. 【Conclusion】 The 6-year continuous biannual organic and liming amendments separately exerted positive and negative effect on the paddy soil health, and the soil respiration rate sensitively indicated the paddy soil health. However, the soil health index cannot reflect the change in soil Cd accumulation and its phyto-availability, and the assessment tools for paddy soil with excess Cd concentration remained to be further developed.

paddy soil; soil health; soil properties; soil respiration; organic fertilizer; lime

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.19.010

2022-11-10；

2023-02-14

湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023NK2026）、科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)課題（2021FY100504）、2021年湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX20210677）

尹澤潤，E-mail：yinzerun123@163.com。通信作者盛浩，E-mail：shenghao82@hunau.edu.cn。通信作者周萍，E-mail：zhouping@isa.ac.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）