新型礦基土壤調理劑對濱海鹽土理化性狀和水稻產量的影響

朱 蕓，郭 彬，林義成，傅慶林，*，劉 琛，李凝玉，李 華

(1.浙江農林大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 311300； 2.浙江省農業(yè)科學院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

土壤質量直接關系糧食安全。我國濱海鹽土面積約為3 600萬hm2[1]，是重要的耕地后備資源。針對濱海鹽土鹽分高、結構差、肥力低等問題，前人圍繞濱海鹽土快速改良技術開展了大量的研究，研發(fā)出平地松土、地膜覆蓋等物理改良技術[2]，以改善土壤結構、提高土壤養(yǎng)分和微生物學性狀為重點的化學改良技術[3]，種植耐鹽植物和施加有機肥的生物改良技術[4]，以及構建排鹽系統(明溝、暗渠等)的工程改良技術等[5]。其中，土壤調理劑施用是鹽土快速改良技術中一項十分重要的農藝措施，也是近年來濱海鹽土改良方面的研究熱點。

施用土壤調理劑一方面可以改善土壤理化性狀，另一方面還可增加土壤肥力，從而降低土壤鹽害，提高作物產量。研究表明，施用土壤調理劑有利于土壤團聚體的形成，可增加孔隙度，提高土壤的速效養(yǎng)分(如堿解氮、有效磷、速效鉀)含量[6-8]，以及土壤有機質、全氮含量[3，9-12]，降低土壤pH值和全鹽含量、Na+含量，提高交換性陽離子含量[13-19]。本研究以土壤調理劑對濱海鹽土理化性狀的影響為切入點，利用自主研發(fā)的礦基土壤調理劑為試驗材料，通過盆栽試驗探索土壤調理劑的不同施用量對濱海鹽土理化性狀、水稻養(yǎng)分吸收和產量的影響，以期為合理應用土壤調理劑改良濱海鹽土，提高水稻產量提供理論與技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自浙江省慈溪市觀海衛(wèi)鎮(zhèn)，土壤類型為濱海鹽土，基本理化性狀如下：pH值8.87，鹽分含量3.5 g·kg-1，電導率(EC)1.3 dS·cm-1，有機質16.8 g·kg-1，全氮0.53 g·kg-1，堿解氮45.3 mg·kg-1，速效鉀120.1 mg·kg-1，有效磷4.3 mg·kg-1，土壤質地為壤土。

供試水稻品種為秀水134。

試驗所用的土壤調理劑系作者團隊自主研發(fā)的礦基土壤調理劑，是一種多孔狀的硅鋁酸鹽礦物，由硅氧四面體、鋁氧四面體組成。其基本理化性狀如下：pH值6.5，陽離子交換量(CEC)71.5 cmol·kg-1，交換性鋁1.5 g·kg-1。主要成分：沸石>60%，有機質>20%，MgO>5%，Al2O3>5%。

試驗儀器主要包括：PB-30L型酸度計，德國賽多利斯(Sartorius)；DDS-307型電導率儀，上海儀電科學儀器股份有限公司；EvolutionTM201型紫外可見光分光光度計，賽默飛世爾科技公司(Thermo Scientific)；棱光FP6431型火焰光度計，上海儀電分析儀器有限公司；Vario MACRO cube元素分析儀，德國Elementar。

1.2 試驗方案

試驗共設6個處理：CK-0，不種水稻，不施土壤調理劑；CK-1，種植水稻，不施土壤調理劑；T1，種植水稻，施用5.0 g·kg-1的土壤調理劑；T2，種植水稻，施用7.5 g·kg-1的土壤調理劑；T3，種植水稻，施用10.0 g·kg-1的土壤調理劑；T4，種植水稻，施用12.5 g·kg-1的土壤調理劑。每個處理重復4次，以1盆作為1個重復，共計24盆。種植水稻的花盆直徑28 cm、高40 cm，每盆裝土7 kg，移栽3株秧苗。參照常規(guī)施肥量，各處理均施尿素0.1 g·kg-1、過磷酸鈣3.3 g·kg-1作為基肥，于水稻栽插前1周與土壤調理劑一道拌入土壤中混合均勻。淹水插秧時，保持水層12～15 cm。于2020年4月13日移栽，7月25日收獲，全生育期106 d。試驗在浙江省農業(yè)科學院環(huán)境資源與土壤肥料研究所大棚內進行。

1.3 樣品采集與制備

在水稻收獲期采集土壤和水稻地上部樣品。將植物根系土壤去除后，風干、研磨，過80目篩后用于土壤理化性狀分析。將水稻地上部樣品分為籽粒與秸稈2部分，考查水稻的株高、有效穗數、每穗粒數、千粒重、生物量和產量。將水稻樣品在105 ℃殺青30 min后，于80 ℃烘至恒重，稱量，粉碎過篩后用于氮、磷、鉀含量分析。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 土壤理化性狀

土壤pH值用電位計法(浸提液中的土水質量體積比為1∶2.5)測定；土壤EC值用電導率儀測定(浸提液中的土水質量體積比為1∶5)；土壤有機碳(SOC)和全氮含量采用元素分析儀進行檢測；土壤堿解氮、速效鉀、有效磷含量分別采用堿解擴散法、火焰光度法、鉬藍比色法測定。

1.4.2 植株養(yǎng)分

稱取0.5 g植株樣品，用H2SO4-H2O2消煮至澄清。植株全氮、全磷、全鉀含量分別采用堿解擴散法、釩鉬黃比色法和火焰光度計法測定。

1.5 數據處理與分析

利用Excel 2010軟件整理數據，利用SPSS 16.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和皮爾遜(Pearson)相關性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤的pH、EC值和養(yǎng)分含量變化

CK-0處理下，土壤的pH值、EC值和基本理化性狀同試驗前。種植水稻后，CK-1處理的土壤pH值、EC值和速效鉀含量均較CK-0處理顯著(P<0.05)降低(圖1)，且施用調理劑各處理的土壤pH值、EC值和速效鉀含量較CK-0處理進一步顯著(P<0.05)降低。上述指標中，以土壤EC值的降幅最為明顯，CK-1處理的土壤EC值較CK-0處理下降38.5%，T1處理的土壤EC值較CK-0處理下降52.3%，T4處理的土壤EC值較CK-0處理下降62.1%。

與CK-0和CK-1處理相比，其他處理的土壤有機質、全氮、堿解氮和有效磷含量均顯著(P<0.05)增加，與CK-1處理相比，T1～T4處理上述指標的增幅分別為18.8%～32.3%、22.4%～41.7%、19.5%～42.1%和16.5%～40.6%。隨著土壤調理劑施用量的增加，土壤有機質、全氮、堿解氮和有效磷含量均表現出先增加后降低的趨勢，在T3處理下達到最大值。與T3處理相比，T4處理的土壤有機質、全氮、堿解氮和有效磷含量分別顯著(P<0.05)下降12.5%、11.7%、18.7%和19.1%。

2.2 水稻植株養(yǎng)分含量變化

水稻不同部位的養(yǎng)分含量差異明顯，秸稈中的N、P含量分別約為籽粒中的1/3、1/5，而K含量則約為籽粒中的8倍(表1)。施用土壤調理劑后，水稻秸稈和籽粒中的N、P、K含量均較CK-1處理顯著(P<0.05)增加。當土壤調理劑的施用量在5.0～10.0 g·kg-1，隨著施用量的增加，秸稈和籽粒中的N、P、K含量均相應增加，在秸稈中的增幅分別為19.9%～49.8%、22.2%～49.7%、26.2%～36.2%，在籽粒中的增幅分別為6.7%～33.0%、16.9%～41.2%和7.1%～34.5%。T4處理下水稻秸稈和籽粒中的N、P、K含量與T3處理相比均顯著(P<0.05)下降，但仍均顯著(P<0.05)高于CK-1處理。

2.3 水稻的生物量與產量及其構成因子

施用土壤調理劑的各處理的株高、每盆生物量和每盆產量均較CK-1處理顯著(P<0.05)增加(表2)，當土壤調理劑的施用量為7.5～12.5 g·kg-1，水稻的每穗粒數和千粒重亦與CK-1處理相比顯著(P<0.05)增加。綜合來看，T3處理的表現最好，有效穗數、每穗粒數、株高、千粒重、每盆生物量和每盆產量均最高，較CK-1處理分別顯著(P<0.05)增加8.0%、17.8%、8.8%、31.8%、18.7%和23.4%。T4與T3處理相比，雖然土壤調理劑的施用量增加，但其有效穗數、每盆生物量和每盆產量卻顯著(P<0.05)下降。

2.4 水稻產量與土壤理化性狀的相關性分析

相關性分析結果顯示，水稻產量、生物量、株高、有效穗數、每穗粒數、千粒重均分別與土壤pH值和EC值呈極顯著(P<0.01)負相關，與土壤有機質、全氮、堿解氮和有效磷含量呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關，但與土壤速效鉀含量無顯著相關性。

3 討論

濱海鹽土具有物理結構差、鹽堿重、通氣性差等缺點，嚴重影響了土壤養(yǎng)分的有效性和作物對養(yǎng)分的吸收利用。針對此問題，本研究利用新型礦基土壤調理劑改良濱海鹽土，結果表明，施用土壤調理劑后，土壤EC值顯著降低。這是由于自主研發(fā)的高吸附、偏酸性、高陽離子交換量的礦基土壤調理劑，可有效吸附土壤溶液中的Na+[20]。土壤pH值隨著土壤調理劑施用量的增加而降低并趨于中性。這是由于本研究所選用的土壤調理劑中含有一定量的Al3+，其水解后產生的H+可中和土壤中的OH-，從而使得土壤pH值顯著降低[21]。所使用的土壤調理劑中還含有一定量的有機質，施用后明顯提高了土壤有機質、全氮和堿解氮含量。此外，施用土壤調理劑還改善了土壤的物理結構性狀，有助于間接提高土壤養(yǎng)分的生物有效性[5，22-23]。有研究表明，在濱海鹽土上輪作水稻與小麥后，土壤pH值和EC值均顯著降低，土壤有機碳含量、酶活性，以及微生物數量有所增加，土壤肥力有所改善[24-25]。本研究結果顯示，種植水稻(CK-1)與未種水稻(CK-0)相比，土壤pH值、EC值和速效鉀含量顯著降低，土壤有機質、全氮、堿解氮和有效磷含量卻顯著增加。這是因為，種植水稻期間，一方面施用了尿素和過磷酸鈣，另一方面水稻植株葉片和根系殘留于土壤中，增加了土壤的有機質和氮、磷等養(yǎng)分的含量，有利于降低土壤鹽害，提高土壤肥力。這些都進一步證實了種植水稻有利于濱海鹽土pH值和EC值降低，并能提高土壤養(yǎng)分的結論[24-25]。

柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05 within treatments.圖1 不同處理對土壤理化性狀的影響Fig.1 Effect of different treatments on soil physiochemical properties

表1 不同處理對水稻秸稈和籽粒中N、P、K含量的影響

表2 不同處理對水稻生物量和產量及其構成因子的影響

表3 水稻生物量和產量及其構成因子與土壤理化性狀的相關性

本研究結果顯示，水稻有效穗數、千粒重、每穗粒數、株高、生物量和產量與土壤中的堿解氮、有效磷和有機質含量呈顯著正相關，這與劉潔等[26]和高輝等[27]的研究結果相似。在本研究中，水稻產量構成因子與速效鉀含量沒有顯著相關性，與土壤pH值和EC值呈顯著負相關。這是因為過高的pH值和EC值會影響土壤有效養(yǎng)分和有機質的轉化，降低水稻有效穗數、千粒重、株高、生物量和每穗粒數，從而導致作物產量降低。然而，濱海鹽土鉀含量豐富，能夠完全滿足水稻生長所需，換言之，土壤鉀并不會成為限制水稻生長的因素，因而在本研究中表現為水稻產量構成因子與速效鉀含量沒有顯著相關性。

施用土壤調理劑后，土壤pH值、EC值，以及土壤養(yǎng)分得到改善，水稻的有效穗數、每穗粒數、株高、千粒重、生物量和產量顯著增加。不同的施用量下，以10 g·kg-1施用量的效果最佳。過量施用后，土壤各項指標均較最佳施用量下有所下降，水稻產量也有所降低。分析其原因：一方面，可能是因為土壤調理劑本身具有較強的吸附作用，過量施用可能會對養(yǎng)分離子產生吸附，導致土壤速效養(yǎng)分含量有所降低；另一方面，土壤調理劑中含有一定量的活性Al3+，施用量過大，可能會對水稻根系產生鋁毒作用[28-29]，且土壤調理劑中含有鎂，隨著土壤調理劑用量的增加，土壤鎂量也會增加，土壤的微環(huán)境可能會受到變化，從而改變土壤有效養(yǎng)分的協調供給，影響作物生長，導致增產不明顯[30]。

綜上，合理施用本研究選用的自主研發(fā)的礦基土壤調理劑可有效改善濱海鹽土理化性狀，使土壤pH值和EC值下降，有機質、全氮、堿解氮含量增加，并提高水稻產量，在本試驗條件下的最佳施用量為10 g·kg-1。