施用堿性物料對稻-稻-菜三熟耕作土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響

黃巧義，藍華生，唐拴虎，易 瓊，黃 旭，張 木，李 蘋，付弘婷

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部南方植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室/廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點實驗室，廣東 廣州 510640；2. 廣東省農(nóng)業(yè)科學院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東 廣州 510610）

【研究意義】稻-菜輪作體系的化肥施用量高，不僅導致養(yǎng)分資源浪費、引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染，同時還導致耕地土壤酸化［1-3］。長期監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，稻-菜輪作種植制度的土壤酸化程度較水稻連作種植制度嚴重［4］。鄭超等［5］調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2015年廣東省農(nóng)田土壤pH值的平均數(shù)和中位數(shù)分別為5.49和5.3。而我們對“稻-稻-菜”三熟種植區(qū)耕地土壤pH值取樣發(fā)現(xiàn)，大部分土壤pH值均在5.0以下。耕地土壤酸化導致土壤中銨態(tài)氮、鉀、鈣、鎂等養(yǎng)分離子更易流失，磷有效性降低，土壤肥力下降；同時，土壤中鋁、錳、鎘等金屬活性提高，降低土壤質(zhì)量；強酸土壤環(huán)境還威脅作物根系生長，影響作物產(chǎn)量［6-8］。因此，開展稻-稻-菜”三熟種植土壤酸性土壤改良試驗研究，篩選適宜的土壤改良技術(shù)，對促進廣東省“稻-稻-菜”三熟種植系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

【前人研究進展】施用石灰是改良土壤酸性的常規(guī)農(nóng)業(yè)措施，研究表明，在稻油輪作區(qū)施用石灰可有效提高土壤pH值，并提高土壤速效氮、交換性鈣鎂含量及油菜和水稻產(chǎn)量［9］。短期和長期田間試驗結(jié)果均表明，施用石灰具有明顯的改良土壤酸性、提高作物產(chǎn)量的效果［10］。也有研究認為，石灰的溶解性和移動性較差，易引起土壤板結(jié)［8,11］。施用富含堿性物料的酸性土壤改良劑是近年進行酸性土壤改良的一種新措施［6,11-12］。研究表明，土壤調(diào)理劑也可有效提高土壤pH值，有效降低土壤交換性鋁含量，促進作物根系生長，提高作物產(chǎn)量［11-12］。施用石灰和土壤調(diào)理劑改良土壤酸性的效果受不同種植制度影響，以及對作物產(chǎn)量的影響也有所差異［10］。

【本研究切入點】某一作物或者單一作物連作系統(tǒng)施用石灰或者土壤調(diào)理劑的研究已較多［6,10-13］，在稻-油輪作系統(tǒng)也有石灰改酸的相關(guān)研究［9］，華南地區(qū)稻-菜輪作體系的土壤酸化程度及酸化特征有別于其他種植系統(tǒng)，而采用石灰和酸性土壤調(diào)理劑進行土壤改良的系統(tǒng)研究尚未見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為了明確稻-稻-菜三熟種植體系下采用石灰和土壤改良劑對土壤酸性的改良效果，本研究通過田間試驗，研究了石灰和酸性土壤調(diào)理劑對廣東省典型稻-稻-菜三熟種植區(qū)域土壤pH值、其他土壤理化形狀和作物產(chǎn)量等方面的影響，為稻-稻-菜三熟種植區(qū)域土壤酸性改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

田間試驗于2015年4月至2017年4月在廣東省臺山市都斛鎮(zhèn)南村（22°15' 39'' N，112°49'36'' E）進行。臺山市試驗點位于廣東省珠三角西南部，屬于南亞熱帶海洋性季風氣候，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，熱量豐富。年平均氣溫22.3 ℃，年平均日照2 006 h，年均降水量3 500.5 mm以上，無霜期360 d。

供試土壤為砂壤土，試驗前0～20 cm土層的基本理化性質(zhì)為：pH 4.98，有機質(zhì)21.50 g/kg，堿解氮116.18 mg/kg，有效磷46.21 mg/kg，速效鉀80.15 mg/kg。供試石灰采購自市面上普通的生石灰；供試酸性土壤調(diào)理劑是廣東省農(nóng)業(yè)科學院資源與環(huán)境研究所自研的調(diào)理劑，其生產(chǎn)原料包括白云石、堿渣、石灰等，pH值為10.4。

1.2 試驗方法

試驗設(shè)施用熟石灰（Lime）、酸性土壤調(diào)理劑（ASC）和常規(guī)施肥對照3個處理，每個處理4次重復，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積31.14 m2（4.84 m×6.95 m）。小區(qū)間筑埂后用塑料薄膜包覆隔離，實行單獨排灌，防止水、肥滲透。

石灰和酸性土壤調(diào)理劑均作基肥施用，在每一季作物移栽前1 d施用，每茬施用量為450 kg/hm2，施用后采用農(nóng)用機具將其與土壤混勻。早、晚稻化肥采用“新農(nóng)科”牌水稻控釋肥（廣州新農(nóng)科肥業(yè)科技有限公司生產(chǎn)），在水稻移栽前全部基施。冬種蔬菜施用18∶7∶15復合肥，分4次進行，其中基肥10%，移栽后15、25、35 d各追施30%。

1.3 田間管理

早造水稻品種為常規(guī)稻品種黃絲占，晚造水稻品種為新寧絲苗。每年早稻于4月下旬至5月上旬移栽，7月中下旬收獲，全生育期約為83 d；晚稻于8月上中旬移栽，11月上旬收獲，全生育期約為93 d；冬種蔬菜為四季豆，品種為泰優(yōu)15號玉豆（由泰國引進，茂名南方良種蔬菜公司選育）。四季豆于12月中旬播種，1月中旬上架，2月下旬開花，3月下旬開始收獲第一批豆，4月底全部收獲完畢，全生育期約為125 d，全年作物覆蓋天數(shù)約為301 d。

1.4 測產(chǎn)與樣品采集

田間試驗開始前采集0～20 cm耕層土樣，用于測定pH、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀。

于2016年7月早稻成熟期和11月晚稻成熟期，各小區(qū)單獨收獲，測產(chǎn)。2017年3—4月四季豆收成季節(jié)每小區(qū)單獨收獲，稱重，記錄四季豆產(chǎn)量。水稻收獲前，每小區(qū)取樣5株，進行室內(nèi)考種，包括有效穗數(shù)、實粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重。在各種作物收獲時，每個小區(qū)取樣2株，用于作物養(yǎng)分含量分析。

生物量測定：樣品采集后立即洗凈、擦干，將稻谷和稻草分開，105 ℃殺青30 min，隨后75 ℃烘干至恒重。

植株含氮量測定：將各處理莖葉和穗部樣品在105 ℃下殺青30 min，隨后在75 ℃下烘干至恒重，粉碎后過0.5 mm 篩，采用H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮法測定。

2016年7月早稻收獲期和11月晚稻收獲期，以及2017年4月四季豆收獲期采集每個試驗小區(qū)的耕層土壤樣品。一部分土壤樣品風干處理，用于基本理化性狀分析；另取一部分樣品放于4℃冰箱，用于土壤酶活性分析。

土壤樣品經(jīng)風干過篩后，采用常規(guī)土壤農(nóng)化分析方法進行理化分析［14］。土壤pH（2.5∶1）用酸度計電位法，有機碳用重鉻酸鉀容量法，土壤堿解氮用堿解擴散法，有效磷用Olsen 法，速效鉀用醋酸銨浸提－火焰光度法測定。

土壤關(guān)鍵胞外酶活性，包括土壤過氧化氫酶、脫氫酶、蔗糖酶、β-1,4-葡萄糖苷酶、脲酶和酸性磷酸酶活性的測定：土壤過氧化氫酶、脫氫酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性依次采用高錳酸鉀滴定法、TTC還原法、3，5-二硝基水楊酸比色法、靛酚藍比色法和磷酸苯二鈉比色法進行測定，β-1,4-葡萄糖苷酶采用熒光微型板酶檢測方法測定［15］。

采用MS Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理。試驗數(shù)據(jù)采用R軟件的agricolae包進行方差分析，各處理之間的多重比較采用LSD-test法；采用R軟件的ggplot2包進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤不同改良措施的作物產(chǎn)量

稻-稻-菜三熟種植制度下，不同土壤改良措施的周年產(chǎn)量總體表現(xiàn)為ASC＞CK＞Lime，但差異不顯著（表1）。Lime和ASC處理冬種蔬菜產(chǎn)量均高于CK，但差異不顯著，表明四季豆對石灰和酸性土壤調(diào)理劑的反應(yīng)相對較小，其產(chǎn)量差異不顯著。施用石灰和酸性土壤調(diào)理劑對早稻和晚稻的產(chǎn)量也沒有顯著影響。因Lime和ASC處理冬種蔬菜季產(chǎn)量高于CK，其周年作物產(chǎn)量也均高于CK。Lime處理冬種蔬菜季、早稻季和晚稻季產(chǎn)量與ASC處理非常接近。

表1 土壤改良措施對稻-稻-菜三熟種植體系作物產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of adding acid soil conditioner on yield of crops in rice-rice-vegetable rotation system（t/hm2）

2.2 土壤不同改良措施的水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素

由表2可知，Lime和ASC處理早、晚稻有效穗數(shù)均較CK有一定的提高，但差異不顯著。Lime和ASC處理早、晚稻每穗實粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重較CK沒有規(guī)律性的變化趨勢。同時，Lime處理早、晚稻產(chǎn)量構(gòu)成因素與ASC處理基本一致。

2.3 土壤不同改良措施對作物氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的影響

由表3可知，冬種蔬菜季作物氮、磷、鉀含量均高于早稻季和晚稻季。Lime和ASC處理蔬菜磷含量均高于CK，但差異不顯著。Lime和ASC處理早稻和晚稻氮、磷、鉀含量較CK沒有表現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢。

表2 土壤改良措施對稻-稻-菜三熟種植體系水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of adding acid soil conditioner on yield components of rice in rice-rice-vegetable rotation system

表3 土壤改良措施對稻-稻-菜三熟種植體系植株氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的影響Table 3 Effects of adding acid soil conditioner on N, P, K contents of crops in rice-rice-vegetable rotation system

2.4 土壤不同改良措施對土壤理化形狀的影響

從表4可以看出，“稻-稻-菜”三熟種植體系下，不同作物顯著影響絕大部分土壤理化性狀（P＜0.0001），土壤改良措施僅顯著影響土壤pH值（P＜0.0001）。

為了更清楚地表征土壤改良措施對土壤理化形狀的影響，對不同處理的土壤理化性狀進行單因素方差分析。從表5可以看出，Lime處理和ASC處理土壤容重較CK沒有明顯的變化趨勢，表明施用石灰和酸性土壤調(diào)理劑對“稻-稻-菜”三熟種植體系的土壤容重沒有明顯影響。Lime處理和ASC處理土壤pH值均高于CK，Lime處理對冬種蔬菜季、早稻季和晚稻季土壤pH值均有顯著的提升作用；ASC處理早稻季土壤pH值均顯著高于CK，ASC處理晚稻季土壤pH值稍高于CK，但差異不顯著。與CK相比，Lime處理和ASC處理土壤有效磷含量均有一定的提高，其中冬種蔬菜季的增幅較大。Lime處理和ASC處理對稻-稻-菜三熟種植體系下土壤有機碳含量有一定的提升作用，但效果不顯著。施用石灰和酸性土壤調(diào)理劑對土壤堿解氮和速效鉀沒有明顯影響。

2.5 不同土壤改良措施對土壤胞外酶活性的影響

對稻-稻-菜三熟種植體系不同土壤改良措施的土壤胞外酶活性進行測定，結(jié)果（表6）表明，不同生長季節(jié)的土壤胞外酶活性差異顯著（P＜0.0001），土壤改良措施僅顯著影響土壤酸性磷酸酶活性。圖1進一步表示了不同作物生長季期間不同土壤改良措施對土壤胞外酶活性的影響。與CK相比，Lime處理和ASC處理的酸性磷酸酶活性有所提高，其中冬種蔬菜季的增幅達到顯著水平。Lime處理和ASC處理的脲酶和β-葡糖苷酶也較CK處理有一定的增加趨勢，但差異不顯著。不同土壤改良措施的土壤過氧化氫酶、蔗糖酶和脫氫酶沒有表現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢。

表4 不同生長季節(jié)和土壤改良措施對土壤理化性狀影響的方差分析Table 4 Variance analysis of the effects of different growth season and treaments on the soil physical and chemical properties

表5 土壤改良措施對稻-稻-菜三熟種植體系土壤理化性狀的影響Table 5 Effects of adding acid soil conditioner on the soil physical and chemical properties in rice-rice-vegetable rotation system

表6 不同生長季節(jié)和土壤改良措施對土壤胞外酶活性影響的方差分析Table 6 Variance analysis of the effects of different growing season and treatments on soil extracellular enzyme activities

圖1 不同土壤改良措施對“稻-稻-菜”三熟種植體系土壤胞外酶活性的影響Fig. 1 Effects of adding acid soil conditioner on soil enzyme activities under rice-rice-vegetable rotation system

3 討論

3.1 不同土壤改良措施對土壤理化形狀的影響

本研究結(jié)果表明，稻-稻-菜三熟種植體系中，土壤pH值在冬種蔬菜季節(jié)下降明顯，而通過早、晚稻輪作，土壤pH值逐步提高，表明稻-稻-菜三熟種植制度具有獨特的酸化特征。酸性土壤的改良措施主要采用施用碳酸鹽、白云石等堿性物料［6,8］。這些堿性物料溶解后釋放出HCO3-和OH-離子，中和土壤中的H+和Al3+等酸性離子［6］。土壤培養(yǎng)試驗結(jié)果表明，添加石灰等堿性物料后，土壤交換性鋁含量減少2.01 mg/kg，交換性氫離子減少0.4 cmol/kg，土壤交換性酸總量降低1.5 cmol/kg以上，pH值提高0.66個單位［11］。田間應(yīng)用試驗結(jié)果也表明，施用石灰和酸性土壤調(diào)理劑可顯著提煙草、稻-菜輪作、大豆、玉米、小麥等作物農(nóng)田的土壤pH值［9-10,12,16］。本研究結(jié)果也表明，在稻-稻-菜三熟種植體系中，施用石灰和酸性土壤調(diào)理劑均可有效提高土壤pH值，其中石灰處理在冬種蔬菜季、早稻季和晚稻季的pH值均顯著高于對照處理，酸性土壤調(diào)理劑僅在早稻季達到顯著水平。土培試驗結(jié)果也表明，石灰的改酸效果優(yōu)于酸性土壤調(diào)理劑，因其堿性強于酸性土壤調(diào)理劑［11］。

堿性物料提高了耕層土壤的pH值，可促進磷酸鐵鋁的溶解性，從而提高土壤有效磷含量［9,17］。本研究結(jié)果表明，稻-稻-菜三熟種植體系中施用石灰和酸性土壤調(diào)理劑處理的土壤有效磷含量有一定的提高趨勢，但差異不顯著，這可能是由于該種植體系中磷肥用量較大，土壤本身有效磷含量較高。研究表明，施用石灰和酸性土壤調(diào)理劑可促進土壤有機質(zhì)的降解，有機質(zhì)礦化釋放出無機氮，從而提高土壤堿解氮含量［13］。本研究結(jié)果表明，在稻-稻-菜三熟種植體系中，施用石灰和酸性土壤調(diào)理劑處理的土壤有機碳含量反而表現(xiàn)出一定的增高趨勢，其中早稻季較明顯，這可能是由于施用堿性物料提高了水稻根系和地上部分的生長，從而提高了水稻根系輸出的有機碳量，從而提高土壤有機碳含量。石灰和酸性土壤調(diào)理劑溶解釋放出Ca2+、Mg2+，與K+競爭土壤膠體的吸附點位，可能降低土壤交換性鉀的含量［9,13］。本研究結(jié)果表明，稻-稻-菜三熟種植系統(tǒng)中，石灰和酸性土壤調(diào)理劑處理對土壤速效鉀含量的影響沒有表現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢，這可能是水旱輪作管理模式影響了土壤中鉀離子的溶解和遷移，尚需長期監(jiān)測驗證。采用石灰進行酸性土壤改良，通常是將石灰撒施于農(nóng)田表面。但是，石灰的移動性較差，在耕層土壤中轉(zhuǎn)化為石（CaSO4·H2O），并大量累積，從而導致土壤板結(jié)的次生危害［10,12］。本研究結(jié)果表明，在稻-稻-菜三熟種植系統(tǒng)中，施用石灰和酸性土壤改良劑對土壤容重沒有顯著影響，這可能是由于水稻輪作過程中長期淹水過程加快了石灰的溶解和遷移。有研究發(fā)現(xiàn)，石灰對西洋參連作系統(tǒng)的土壤微生物具一定抑制作用，并降低土壤脲酶活性［18］。而長期定位試驗結(jié)果表明，在強風化的酸性土壤中施用石灰可顯著提高土壤微生物活性，從而提高胞外酶活性［19］。本研究結(jié)果表明，在稻-稻-菜三熟種植體系中，施用石灰和酸性土壤調(diào)理劑對土壤胞外酶活具有一定的提高效果，其中冬種蔬菜季的酸性磷酸酶活性顯著提高，該結(jié)果與長期定位試驗結(jié)果基本吻合［19］。稻-稻-菜三熟種植體系中，冬種蔬菜季處于干旱狀態(tài)，對堿性物料的響應(yīng)可能較早稻季和晚稻季更強烈。

3.2 不同土壤改良措施對作物產(chǎn)量的影響

本研究結(jié)果表明，施用石灰和土壤調(diào)理劑可有效提高稻-稻-菜三熟種植體系的土壤pH值，并對冬種四季豆的產(chǎn)量有一定的提升效果，但差異不顯著。類似研究結(jié)果也均表明，施用石灰和土壤調(diào)理劑可有效提高提高馬鈴薯、煙草、大豆等作物的產(chǎn)量和品質(zhì)［10,12-13,19-20］，并對稻-菜輪作體系的中水稻和油菜也有增產(chǎn)效果［9］。強酸土壤環(huán)境影響土壤養(yǎng)分離子的有效性，并提高有害金屬離子的活性，對作物生長產(chǎn)生毒害作用［8,21］。施用石灰和土壤調(diào)理劑改善了土壤酸環(huán)境，從而有利于作物生長。研究表明，酸性土壤施用石灰和土壤調(diào)理劑后，作物的養(yǎng)分吸收累積量顯著高于常規(guī)施肥處理［9,13］，改善作物營養(yǎng)狀況。本研究結(jié)果也表明，稻-稻-菜三熟種植體系中施用石灰和酸性土壤調(diào)理劑處理的作物氮、磷、鉀含量有一定的提高趨勢，其中冬種蔬菜季的趨勢更明顯，但差異不顯著。這可能是由于水稻根系系統(tǒng)較四季豆更龐大，其養(yǎng)分吸收能力本身較強，從而抗逆能力更強。相似研究結(jié)果也表明，施用大豆對石灰等堿性物料的產(chǎn)量響應(yīng)較水稻、小麥等糧食作物更明顯［10］。另外，強酸土壤環(huán)境高濃度的Al3+危害作物根系細胞，抑制作物根系生長［8］。盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，當土壤pH值為3.9時，大麥的根系生長顯著受限；而施用石灰和酸性土壤調(diào)理劑提高土壤pH后，大麥的根長、根系總表面積和根系活力均顯著提高，其地上部分生物量也顯著提高［11］。稻-稻-菜三熟種植系統(tǒng)中，早稻季和晚稻季處于淹水狀態(tài)，Al3+濃度可能相對低于冬種蔬菜季，這也可能是冬種蔬菜季對石灰和酸性土壤改良劑更敏感的原因。

4 結(jié)論

稻-稻-菜三熟種植體系下，施用石灰和酸性土壤調(diào)理劑可顯著提高耕層土壤pH值，增加土壤有效磷含量，提高土壤酸性磷酸酶活性，有利于提高作物產(chǎn)量。稻-稻-菜三熟種植體系中不同作物對石灰和酸性土壤調(diào)理劑的響應(yīng)程度有所不同，冬種蔬菜季期間，石灰和酸性土壤調(diào)理劑處理的pH值增幅最大，同時土壤有效磷和酸性磷酸酶活性的提高幅度也大于早稻季和晚稻季，作物增產(chǎn)幅度也最明顯。石灰提升土壤pH值的效果優(yōu)于酸性土壤調(diào)理劑，但酸性土壤調(diào)理劑處理的周年產(chǎn)量最高。在本試驗條件下，施用石灰或者酸性土壤調(diào)理劑可作為廣東省稻-稻-菜三熟種植區(qū)域酸性土壤的有效改良措施，其中冬種蔬菜季施用的必要性更大，可實現(xiàn)該區(qū)域土壤可持續(xù)利用。