新型土壤調(diào)理劑對土壤質(zhì)量及水稻產(chǎn)量的影響

朱小花，趙利敏，王榮輝，秦永華

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510642；2.深圳市綠詩源生物技術(shù)有限公司，廣東深圳 518120；3.廣東省海洋生物廢棄物綜合利用重點實驗室，廣東湛江 524051；4.深圳市深博泰生物科技有限公司，廣東深圳 518120)

我國長期不合理施用化肥，使得土壤酸化較嚴重，酸性土壤面積約2.04×108hm2，主要分布在長江以南的廣大熱帶和亞熱帶地區(qū)，大部分土壤的pH小于5.5，其中一部分小于4.5[1]，隨著時間的發(fā)展，土壤酸化現(xiàn)象還在不斷加劇[2-4]。土壤酸化會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差、養(yǎng)分流失嚴重、肥力下降，導(dǎo)致作物爛根，影響植物正常生長，降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等；同時，土壤酸化還會破壞土壤微生態(tài)平衡，導(dǎo)致有害病菌大量滋生，土傳病害肆虐，以及土壤有毒金屬元素的活性增強，進而潛在危害人體健康[5-13]。因此，提高酸性土壤的pH對作物生長、土壤健康及農(nóng)產(chǎn)品安全等均具有重要意義。目前土壤酸化較常用的處理措施是撒生石灰或用高鈣高鎂的土壤調(diào)理劑，撒石灰可以短時間內(nèi)迅速提高土壤pH并取得一定的增產(chǎn)效果，但如果長期施用會加劇土壤板結(jié)且有可能導(dǎo)致土壤“復(fù)酸化”[14]。高鈣高鎂土壤調(diào)理劑利于改良酸化土壤，平衡植物營養(yǎng)，提高植物的產(chǎn)量和品質(zhì)[15]。但這些固體土壤調(diào)理劑用量較大，運輸成本較高，且大田施用過程費時費力。

廣東省是海洋大省，年養(yǎng)殖對蝦達50萬t以上，年產(chǎn)生蝦加工下腳料超過10萬t，蝦下腳料富含蛋白質(zhì)、甲殼素、蝦青素及礦物元素等成分，具有較好的再利用價值[16]。目前，蝦下腳料少部分用于生產(chǎn)飼料，大部分用于制備附加值較高的甲殼素，甲殼素生產(chǎn)過程用到強酸強堿，會產(chǎn)生大量的酸堿有機廢水，環(huán)境污染大。該研究中的新型土壤調(diào)理劑是利用甲殼素加工廢水通過特殊的技術(shù)處理生產(chǎn)而成的液體土壤調(diào)理劑，產(chǎn)品富含有機活性成分，具有較好的改良酸性土壤和增產(chǎn)增收作用，其推廣應(yīng)用對環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)健康發(fā)展均具有現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況田間試驗在廣東省惠州市惠東縣梁化洞試驗基地進行，試驗地為壤土，根據(jù)土壤肥料等級標準判斷屬中等肥力，肥力均勻。試驗地土壤基本性質(zhì)：pH 5.29，有機質(zhì)21.8 g/kg，全氮1.04 g/kg，速效磷65.7 mg/kg，速效鉀72.5 mg/kg，活性硅88.9 mg/kg，活性鋁61.3 mg/kg。

1.2 試驗材料供試水稻品種為稻華航33號，前茬作物為水稻。

供試肥料新型土壤調(diào)理劑，主要技術(shù)指標：有機質(zhì)≥100 g/L、游離氨基酸≥20 g/L、甲殼寡聚糖≥10 g/L、pH為10.0～12.0，產(chǎn)品由湛江市博泰生物化工科技實業(yè)有限公司提供。

1.3 試驗設(shè)計采用單因素隨機區(qū)組試驗設(shè)計，田間試驗共設(shè)3個處理：①對照(CK)，常規(guī)施肥，常規(guī)施肥為試驗點區(qū)域的中等施肥水平；②常規(guī)施肥+新型土壤調(diào)理劑等養(yǎng)分量的有機質(zhì)、游離氨基酸和鉀肥混配的對照調(diào)理劑(T1)；③常規(guī)施肥+75 kg/hm2調(diào)理劑(T2)，稀釋1 000倍沖施，每個處理重復(fù)3次，共9個小區(qū)，每個小區(qū)面積50 m2，隨機排列。早稻水稻于2019年3月5日播種，4月2日插秧，基本苗數(shù)27萬株/hm2，7月10日收割；晚稻水稻于7月18日播種，8月4日移栽，基本苗數(shù)27萬株/hm2，11月4日收割。各小區(qū)間作埂隔離，并用塑料薄膜覆蓋埂體，單獨排灌，避免串排串灌。兩造水稻各處理施肥情況：整地前施新農(nóng)科水稻控釋肥(23-7-20，總養(yǎng)分≥50%)525 kg/hm2作生育肥，移栽7 d后施尿素60 kg/hm2作回青肥。小區(qū)分開進行水分管理并保持相同的水層。田間管理與對照組管理一致。

1.4 樣品采集與測定項目

1.4.1樣品的采集。在進行小區(qū)試驗前及晚稻收割完的當(dāng)天，按照隨機、等量的原則，采用“S”型采集土壤樣品，采集0～20 cm土層土樣帶回實驗室風(fēng)干、研磨、過篩備用。土壤檢測項目為pH、有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀及活性硅、活性鋁。在水稻種植過程統(tǒng)計株高，水稻成熟后，將每個處理的稻穗收割帶回實驗室進行統(tǒng)計分析，并測定實際產(chǎn)量。

1.4.2測定方法。土壤的常規(guī)理化性質(zhì)按照鮑士旦[17]的《土壤農(nóng)化分析》中的方法測定，土壤pH采用pH計法測量；土壤有機質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷分別用重鉻酸鉀-外加熱法、半微量開氏法、NH4F-HCl分光光度法、NH4OAc提取-火焰光度計法測定。土壤活性硅和活性鋁采用NaOH水浴浸提法測定[18]。水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟效益指標測定：于成熟期普查每個小區(qū)50穴，計算每穴有效穗數(shù)；將水稻風(fēng)干脫粒，計算千粒質(zhì)量和結(jié)實率，并實收小區(qū)折計產(chǎn)量，計算理論產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。

1.5 數(shù)據(jù)處理采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 新型土壤調(diào)理劑對土壤pH和交換性鋁的影響

2.1.1新型土壤調(diào)理劑對土壤pH的影響。新型土壤調(diào)理劑對土壤pH的影響見圖1。由圖1可知，新型土壤調(diào)理劑(T2)和對照調(diào)理劑(T1)均能提高土壤pH，新型土壤調(diào)理劑(T2)和對照調(diào)理劑組(T1)比對照組(CK)土壤pH分別提高0.2和0.4，增幅為3.6%和7.3%，其中新型土壤調(diào)理劑處理(T2)與對照(CK)有顯著差異(P<0.05)，而對照調(diào)理劑處理(T1)與對照(CK)無顯著差異(P>0.05)。由此可見，新型土壤調(diào)理劑的施入能夠?qū)λ嵝酝寥榔鸬斤@著的改良作用。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicated significant level of difference(P<0.05)圖1 土壤調(diào)理劑對土壤pH的影響Fig.1 Effect of soil conditioner on soil pH

2.1.2新型土壤調(diào)理劑處理對土壤硅鋁率的影響。通常認為土壤中的SiO2含量相對穩(wěn)定，一般變化較小，因此可用硅鋁率來表達土壤調(diào)理劑對酸性土壤的改變，硅鋁率越高，表明土壤中活性鋁含量越低，植物生長受影響越小；硅鋁率越低，表明土壤中活性鋁含量越高，植物生長受抑制影響越大[19]。從圖2可以看出， T1和T2處理均能提高土壤硅鋁率，其中T2處理的土壤硅鋁率最高，與CK和T1處理均差異顯著，T2處理分別比CK和T1處理的土壤硅鋁率高14.5%和10%，而T1處理與CK無顯著差異。這表明新型土壤調(diào)理劑能較好地提高土壤硅鋁率。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference(P<0.05)圖2 土壤調(diào)理劑對土壤硅鋁率的影響Fig.2 Effect of soil conditioner on soil silicon and aluminum ratio

2.2 新型土壤調(diào)理劑處理對土壤有機質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分含量的影響試驗土壤的有機質(zhì)含量較高，屬于中上水平[17]。從圖3可以看出，T1和T2處理均能提高土壤有機質(zhì)含量，分別比CK提高5.35%和15.07%，T2處理的提升作用優(yōu)于T1處理，但各處理組之間無顯著差異。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference (P<0.05)圖3 土壤調(diào)理劑對有機質(zhì)含量的影響Fig.3 Effect of soil conditioner on organic matter content

試驗土壤的全氮含量較高，屬于中上水平[17]，從圖4可以看出，T2處理比CK土壤全氮含量提高3.84%，而T1處理比CK全氮含量降低1.37%，但各處理之間差異不顯著。試驗后，土壤中的全氮含量均有所提高，這可能是施用尿素和復(fù)合肥等較多引起的。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference(P<0.05)圖4 土壤調(diào)理劑對全氮含量的影響Fig.4 Effect of soil conditioner on total nitrogen content

試驗土壤中的速效磷含量較低，屬于中下水平[17]，從圖5可以看出，T2處理比CK速效磷含量提高5.01%，T1處理較CK速效磷含量降低2.07%，但各處理之間差異不顯著。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference (P<0.05)圖5 土壤調(diào)理劑對速效磷含量的影響Fig.5 Effect of soil conditioner on available phosphorus content

試驗地土壤的鉀含量為起始速效鉀72.5 mg/kg，屬于低等水平(84 mg/kg以下為低等水平)[17]。從圖6可以看出，T1和T2處理均能提高土壤速效鉀含量，與對照組相比，T1和T2處理分別提高速效鉀含量10.86%和14.29%，T2處理優(yōu)于T1處理，但各處理組之間差異不顯著。雖然在試驗初期以底肥形式補充了鉀素，在作物生長期也追施了鉀素，同時，土壤調(diào)理劑中也含有鉀素，但隨著作物生長吸收，土壤有效鉀含量呈逐漸減少趨勢，水稻收割后中各處理之間土壤的速效鉀含量無明顯變化。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference (P<0.05)圖6 土壤調(diào)理劑對速效鉀含量的影響Fig.6 Effect of soil conditioner on available potassium content

2.3 新型土壤調(diào)理劑對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響新型土壤調(diào)理劑對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響見表1。由表1可知，早造水稻和晚造水稻T1和T2處理株高分別比CK增加0.82%、1.63%、1.54%和3.63%，各處理間差異不顯著；早造水稻和晚造水稻T1、T2處理有效穗數(shù)分別比CK增加-0.40%、4.84%、3.42%和5.86%，T2處理顯著優(yōu)于CK和T1處理，T1處理和CK之間無顯著差異。早造水稻和晚造水稻T1、T2處理每穗總粒數(shù)分別較CK增加-1.60%、3.96%、2.41%和7.84%，早造水稻各處理組之間無顯著差異，但對于晚造水稻T2處理與CK、T1處理差異顯著，T1處理與CK差異不顯著。早造水稻和晚造水稻T1、T2處理結(jié)實率分別比CK增加-0.73%、2.56%、2.21%、5.64%，對于早造水稻，各處理間無顯著差異，但晚造水稻T2處理的結(jié)實率顯著高于CK和T1處理，CK和T1處理間無顯著差異。早造水稻和晚造水稻T1、T2處理千粒重分別比CK增加-1.00%、3.00%、1.48%、2.46%，但各處理間差異不顯著。T1和T2處理后，早造水稻和晚造水稻理論產(chǎn)量分別比CK增加-3.06%、12.39%、7.56%和16.94%，實際產(chǎn)量分別比CK增加1.10%、7.69%、4.04%、12.91%。早造水稻和晚造水稻的理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量T2處理與T1、CK處理之間差異顯著，T1處理與CK差異不顯著。

2.4 水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素與土壤肥力的相關(guān)性水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素與土壤肥力的相關(guān)性見表2。由表2可知，pH與土壤硅鋁率、有機質(zhì)含量、水稻有效穗數(shù)和水稻產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，與土壤速效鉀含量、水稻千粒重呈顯著正相關(guān)，表明土壤pH升高，土壤硅鋁率、有機質(zhì)含量和速效鉀含量會提高，水稻有效穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量均會增加。土壤硅鋁率與土壤有機質(zhì)含量、有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、水稻結(jié)實率和水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，表明土壤硅鋁率越高，土壤有機質(zhì)含量、水稻結(jié)實率和產(chǎn)量就越高。土壤全氮含量與土壤速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，表明土壤中全氮含量顯著影響土壤速效鉀含量。土壤速效鉀含量、水稻有效穗數(shù)和千粒重相互協(xié)同正向影響水稻產(chǎn)量。

3 結(jié)論與討論

3.1 新型土壤調(diào)理劑對土壤性質(zhì)的影響土壤酸化問題是影響作物生長和土傳病害肆虐的重要因素，目前對酸性土壤改良效果較好的生石灰、石灰石和硅鈣粉等進行研究[20-22]，但固體土壤改良劑用量大，大面積推廣應(yīng)用費時費力且成本較高。該研究所用的新型土壤調(diào)理劑是以甲殼素生產(chǎn)廢液為主要原料，產(chǎn)品含多種氨基酸、殼聚糖、殼寡糖、礦物質(zhì)及有機質(zhì)等成分，經(jīng)稀釋后直接施用，施入土壤后表現(xiàn)出較好的調(diào)酸和增產(chǎn)效果。此外，該研究的新型土壤調(diào)理劑是液體，可用于滴灌，施用方便，用量少。該試驗對兩造水稻移栽前均施入調(diào)理劑，試驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)T1和T2處理的土壤pH分別比對照提高0.2和0.4，增幅為3.6%和7.3%。這是因為土壤調(diào)理劑是堿性的，可以直接中和土壤中的酸性，其次，土壤調(diào)理劑中含有機物，經(jīng)土壤微生物分解后會產(chǎn)生各種腐殖酸物質(zhì)，從而調(diào)節(jié)土壤pH。

表1 土壤調(diào)理劑對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響Table1 Effects of soil conditioner on rice yield and yield components

表2 水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素與土壤肥力的相關(guān)Table 2 Correlation between rice yield components and soil fertility

土壤硅鋁率是土壤中活性SiO2和 Al2O3含量的比值，礦物鋁在酸性條件下易被活化而被植物吸收，土壤酸化加速土壤中鋁的活化，使土壤溶液中活性鋁的含量明顯增加。鋁被認為是酸化土壤上引起作物減產(chǎn)和制約作物生長的重要障礙因子[3]。該試驗施用調(diào)理劑后的土壤硅鋁率可增加4.61%～17.76%，其中T2處理與CK、T1處理之間有顯著差異，而T1處理與CK無顯著差異，表明新型土壤調(diào)理劑對降低土壤鋁毒有明顯效果。研究表明，有機物料類改良劑能調(diào)節(jié)酸性土壤pH和降低土壤鋁含量，Chen等[23]用小麥秸稈和腐熟豬糞混施，不但能提高酸性紅壤的pH，還能緩解植物鋁中毒；王寧等[24]發(fā)現(xiàn)施用稻草、花生秸稈和紫云英均能不同程度提高酸性紅壤的pH，降低土壤交換性鋁含量；矯威[25]研究發(fā)現(xiàn)，施用氨基酸類改良劑能提高土壤pH 0.3，且土壤pH隨改良劑用量的增加而升高。

有機質(zhì)、氮、磷、鉀是衡量土壤肥力的重要指標，該試驗中施用新型土壤調(diào)理劑能夠提高土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷等養(yǎng)分含量，但與對照相比，差異均不顯著，可見，調(diào)理劑可以在一定程度上活化土壤中的磷鉀及增加土壤有機質(zhì)。研究結(jié)果與齊釗等[26]、周吉祥[27]、林阿典等[28]的類似。

3.2 新型土壤調(diào)理劑對水稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響研究表明，土壤酸化會影響作物生長，導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降[29],施用調(diào)理劑可以促進作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量[30-31]。該研究結(jié)果表明，施用新型土壤調(diào)理劑和對照調(diào)理劑可以提高水稻結(jié)實率，增加水稻株高、有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、千粒重，從而促進水稻生長發(fā)育，提高水稻地上部生物量，增加其產(chǎn)量，這與矯威[25]、周吉祥[27]研究結(jié)果相似。其中早造水稻增產(chǎn)率1.10%～7.69%，晚造水稻增產(chǎn)率4.04%～12.91%，新型土壤調(diào)理劑處理與對照、對照調(diào)理劑處理有顯著差異，說明施用新型土壤調(diào)理劑能較好地提高水稻產(chǎn)量。

研究表明，甲殼寡聚糖能促進有益微生物的生長，抑制土壤中病蟲害的發(fā)生，改善土壤質(zhì)量[32]。Dzung等[33]研究發(fā)現(xiàn)，施用殼聚糖的土壤中，氮磷鉀含量顯著增加。曹琪等[34]研究發(fā)現(xiàn)，施用不同濃度殼聚糖均可提高土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量，且在一定范圍內(nèi)隨濃度增加土壤速效養(yǎng)分含量增大，并提高土壤多種酶活性。高瑞杰等[35]研究表明水溶性甲殼素能增加土壤速效養(yǎng)分。該試驗研究表明，水稻產(chǎn)量與土壤pH、硅鋁率、有效穗數(shù)和千粒重呈一定的正相關(guān)，在改善土壤性質(zhì)上，新型土壤調(diào)理劑處理的效果優(yōu)于對照調(diào)理劑處理，且在提高土壤pH，降低土壤活性鋁及提高水稻產(chǎn)量上，新型土壤調(diào)理劑處理的效果顯著優(yōu)于對照調(diào)理劑處理，這可能與產(chǎn)品中含有一定量的甲殼寡聚糖以及產(chǎn)品自身pH較高有關(guān)。

綜上所述，新型土壤調(diào)理劑處理較對照調(diào)理劑和對照顯著增加土壤pH、土壤硅鋁率以及水稻產(chǎn)量，并增加土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量，這說明新型土壤調(diào)理劑可以有效提升土壤pH，降低土壤活性鋁，增大土壤硅鋁率，活化土壤養(yǎng)分，增加水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟效益。