土壤調(diào)理劑對降低土壤酸性和水稻鎘含量的影響

溫權(quán)州，冉露，周富忠，李亞東，楊蘭芳

(1. 利川市土肥站， 湖北 恩施 445400；2. 湖北大學生命科學學院， 湖北 武漢 430062；3. 湖北大學資源環(huán)境學院， 湖北 武漢 430062)

0 引言

在雨水作用下，由于致酸離子Al3+和H+與土壤膠體的吸附能力強，首先被淋失的是鹽基離子，當致酸離子達到一定比例時，土壤就會呈酸性.因此，濕潤地區(qū)土壤酸化是一個漫長的自然過程，但是人為活動會加劇土壤酸化過程.由于存在酸害、鋁毒和養(yǎng)分缺乏等植物生長的限制因子，導致酸性土地區(qū)的植物生產(chǎn)潛力就難充分發(fā)揮出來[1]，故土壤酸化是土壤退化的重要表現(xiàn)，對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響[2].全球酸性土壤占陸地總面積的30%，50%的耕地和潛在可耕地屬于酸性土，我國約有22.7%的國土面積為酸性土壤[1].我國酸化土壤呈現(xiàn)面積大、分布廣及酸化程度高等特點[3]，因此通過人工干預措施改良酸性土壤，對于發(fā)揮酸性土壤生產(chǎn)潛力、保護生態(tài)環(huán)境和保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4].湖北恩施州利川市是以亞高山為主的山地地貌，耕地土壤酸化問題相當突出，相關部門對其成因及改良措施進行了較多研究[5-6]，特別是近10年來，各種新型土壤調(diào)理劑不斷涌現(xiàn)，應用越來越廣泛，并取得較好效果[7-9].為驗證武漢市秀谷科技有限公司開發(fā)的秀谷春天土壤調(diào)理劑對酸性土壤的改良效果，以及對土壤鎘的固定作用和對作物鎘吸收的抑制利用，進行了土壤施用秀谷春天土壤調(diào)理劑種植水稻的田間小區(qū)實驗，為土壤調(diào)理劑在改良酸性土和抑制植物吸收重金屬方面的推廣利用提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 地點及土壤本實驗采用田間小區(qū)實驗，試驗地點在湖北恩施土家族苗族自治州利川市南坪鄉(xiāng)五谷村18組，地處東經(jīng)108.835 3°、北緯30.440 1°、海拔1 094 m.土壤為水稻土，土種為第四紀粘土發(fā)育的馬肝泥田，質(zhì)地重壤，試驗前取樣檢測pH 6.09，呈酸性.土壤交換性鋁為0.33 cmol kg-1，土壤有效錳為99.60 mg kg-1，鹽基飽和度為77.1%，總鎘和有效鎘分別為0.263和0.141 mg kg-1.

1.2 供試材料所用土壤調(diào)理劑為武漢市秀谷科技有限公司生產(chǎn)的秀谷春天土壤調(diào)理劑，以下簡稱XG調(diào)理劑，外觀為灰白色粉末，其CaO≥28.0%，SiO2≥25.0%，MgO≥4.0%，pH值11.06.所用常規(guī)肥料為宜施壯水稻專用配方肥，含N、P2O5和K2O的含量分別為20%、8%和12%.供試作物為水稻(Oryzasativa)，品種為繁優(yōu)609.

1.3 試驗設計設置CK(不施肥)、PF(配方肥，宜施壯配方肥50 kg/畝, 1畝為666.7 m2,全文同)、XG75(配方肥+XG調(diào)理劑75 kg/畝)、XG100(配方肥+XG調(diào)理劑100 kg/畝)、XG125(配方肥+XG調(diào)理劑125 kg/畝)、XG150(配方肥+XG調(diào)理劑150 kg/畝)共6個處理，每處理設置4次重復，隨機區(qū)組排列.小區(qū)面積30 m2，10 m×3 m，小區(qū)之間筑30 cm×30 cm的田埂覆膜間隔，保證不串肥串水，區(qū)組間留50 cm的通道，便于田間觀察.

2020年3月26日播種，塑料棚保溫旱育方式育苗.移栽前按處理設計施入肥料和處理，5月20日移栽.移栽規(guī)格為30 cm×15 cm，種植密度14 815蔸/畝.5月27日用細土拌除草劑撒施防除田間雜草，始穗期防稻飛虱、稻縱卷葉螟及穗脛稻瘟.10月9日收獲，按小區(qū)計實產(chǎn).

1.4 樣品采集與制備試驗前、水稻收獲后分別取表層0～30 cm土樣，帶回實驗室自然晾干后過1 mm篩混勻裝瓶備分析pH、交換性鋁、有效錳、鹽基飽和度、有效鎘之用.從過1 mm篩的土壤中取約50 g磨細過0.15 mm篩，裝瓶備測定總鎘或全量分析之用.

水稻收割時按小區(qū)單打單收，計實產(chǎn)，并取稻谷樣品.稻谷樣品采回后，70 ℃烘干，磨細過0.25 mm篩裝瓶備用.

1.5 化學分析土壤與稻谷相關指標檢測方法見表1.

表1 稻谷及土樣相關指標檢測標準及方法表

1.6 數(shù)據(jù)處理所有數(shù)據(jù)利用Excel 2007 計算平均值、標準差、進行成對數(shù)據(jù)t檢驗、相關分析和作圖，利用SPSS 26進行方差分析和多重比較，多重比較用LSD法，顯著水平取0.05.

2 結(jié)果

2.1 施用調(diào)理劑對土壤pH的影響由圖1可見，與實驗前土壤BF相比，CK和PF導致了土壤pH的降低，而施用調(diào)理劑后土壤pH均有增加，除XG75差異不顯著外，其余施用調(diào)理劑處理的土壤pH均顯著高于實驗前.與CK相比，施用調(diào)理劑均顯著增加了土壤pH，隨著調(diào)理劑用量增加，土壤pH增加了0.23～0.60個單位，增加率3.9%～10.3%，相關分析表明，土壤調(diào)理劑施用量與土壤pH呈極顯著的線性相關(pH=0.030x+5.836，R2=0.952**，x表示調(diào)理劑施用量，R為相關系數(shù)，下同).

圖1 施用對土壤調(diào)理劑pH的影響柱形圖上的不同字母表示各處理之間的差異達到了0.05的顯著水平，下同.

2.2 施用調(diào)理劑對土壤交換性鋁含量的影響圖2可見，無論是與實驗前土壤BF還是與對照CK相比，PF和XG75與他們之間從差異均不顯著，當調(diào)理劑用量大于75 kg畝-1時，施用調(diào)理劑顯著降低了土壤交換性鋁含量.與CK相比，施用土壤調(diào)理劑使土壤交換性鋁降低了9.4%～34.4%，相關分析表明，土壤調(diào)理劑的施用量與土壤交換性鋁含量呈顯著的負相關(交換性鋁=-0.007 1x+0.325，P<0.05)，與土壤交換性鋁的降低率呈顯著正相關(土壤交換性鋁降低率=0.221x-1.870，P<0.05).

圖2 施用土壤調(diào)理劑對土壤交換性鋁的影響

2.3 施用調(diào)理劑對土壤有效錳含量的影響圖3表明，施用土壤調(diào)理劑顯著影響土壤有效錳含量.實驗前土壤BF有效錳含量與對照無顯著差異，但顯著高于其余處理.同CK相比，所有處理的土壤有效錳含量均顯著降低，以XG150最低，施用XG調(diào)理劑使土壤有效錳降低了7.0%～21.9%，隨調(diào)理劑用量增加，土壤有效錳降低率呈增加的趨勢.相關分析表明，土壤調(diào)理劑施用量與土壤有效錳含量呈顯著負相關(有效錳=-0.135x+99.750，P<0.05)，與土壤有效錳的降低率呈顯著的線性正相關(有效錳降低率=0.1360x-0.668，P<0.05).

圖3 施用土壤調(diào)理劑對土壤有效錳含量的影響

2.4 施用調(diào)理劑對土壤鹽基飽和度的影響圖4顯示，施用土壤調(diào)理劑顯著影響土壤鹽基飽和度.同實驗土壤BF相比，CK顯著降低，PF變化不顯著，其余處理均顯著增加.與CK相比，所有處理的土壤鹽基飽和度巻顯著增加，施用土壤調(diào)理劑XG的鹽基飽和度增加率在11%～22%，并隨調(diào)理劑施用量增加而增加.相關分析表明，XG調(diào)理劑施用量與土壤鹽基飽和度和鹽基飽度的增加率之間均呈極顯著的線性相關(鹽基飽和度=0.079x+76.260，P<0.01；增加率=0.149x+0.564，P<0.01).

圖4 施用土壤調(diào)理劑對土壤鹽基飽和度的影響

2.5 施用調(diào)理劑對土壤有效鎘的影響圖5可見，同實驗前BF相比，各處理土壤有效鎘均顯著降低，降低率在15.2%～30.3%；同CK相比，除了PF無差異外，其余施用調(diào)理劑的處理均顯著低于CK，施用調(diào)理劑使土壤有效鎘降低了12.2%～15.4%， 但不同調(diào)理劑用量之間的差異不顯著.

圖5 施用土壤調(diào)理劑對土壤有效鎘的影響

2.6 施用調(diào)理劑對稻谷產(chǎn)量和鎘含量的影響圖6顯示，施用土壤調(diào)理劑對稻谷產(chǎn)量及其鎘含量均有顯著影響.水稻產(chǎn)量中，所有處理的產(chǎn)量均顯著高于CK，而XG100、XG125、XG150三處理之間無顯著差異，但顯著高于PF，而PF與XG75無顯著差異，但顯著低于其余施用XG調(diào)理劑的處理.與CK相比，施用XG調(diào)理劑的稻谷增產(chǎn)率在36.7%～44.2%，相關分析發(fā)現(xiàn)，XG調(diào)理劑施用量與稻谷產(chǎn)量和稻谷增產(chǎn)率之間均呈極顯著的二次函數(shù)相關(稻谷產(chǎn)量=-0.010x2+2.423x+326.300，P<0.01；稻谷增產(chǎn)率=-0.003x2+0.741x-0.084，P<0.01).但與PF相比，調(diào)理劑的稻谷增產(chǎn)率只有2.2%～7.9%，調(diào)理劑用量與產(chǎn)量和增產(chǎn)率之間的相關性不顯著.

圖6 實驗土壤調(diào)理劑對稻谷產(chǎn)量和鎘含量的影響

稻谷的鎘含量中，PF與CK無顯著差異，施用土壤調(diào)理劑的處理均顯著低于CK和PF，并隨調(diào)理劑用量增加而呈降低的趨勢.與CK相比，稻谷鎘含量的降低率在32%～56%.相關分析表明，土壤調(diào)理劑施用量與稻谷鎘含量呈極顯著的線性負相關(稻谷鎘含量=-0.002x+0.557，P<0.01)，與稻谷鎘含量的降低率呈極顯著線性正相關(稻谷鎘含量降低率=0.376x+2.483，P<0.01).

3 討論

3.1 土壤調(diào)理劑對酸性土的改良效果土壤酸化在中國土壤退化分類中屬于土壤性質(zhì)惡化中的一種退化類型[10]，氣候、生物、施肥、灌溉、酸沉降等是引起土壤酸化的主要因素，酸化土壤由于存在酸性強、鹽基飽和度低，負電荷少，緩沖性能弱，易產(chǎn)生氫、鋁、錳毒害、結(jié)構(gòu)性差等植物生長障礙因子而不利于植物生長[11].我國酸性土壤分布廣，酸性土壤占耕地面積的27%，養(yǎng)活了我國近43%的人口[12].20世紀80年代以來，我國有近90%的農(nóng)田土壤均發(fā)生了不同程度的酸化，土壤pH平均下降了0.5個單位[13].為了保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，必須對酸化土壤進行改良.本實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤施用XG調(diào)理劑顯著增加了土壤pH和鹽基飽和度，降低了土壤交換性鋁和有效錳，而且XG調(diào)理劑施用量與土壤pH、鹽基飽和度呈顯著的線性正相關，與交換性鋁和有效錳呈線性負相關.這說明本實驗所用的XG調(diào)理劑具有明顯的改良酸化土壤效果，不僅能提高土壤pH，同時也能降低交換性鋁和有效錳的危害.與對照相比，施用配方肥的稻谷增產(chǎn)率為33.6%，施用調(diào)理劑的稻谷增產(chǎn)率在36.7%～44.2%，調(diào)理劑的稻谷增產(chǎn)率只比配方肥高3.1%～7.5%，說明稻谷增產(chǎn)的貢獻主要是肥料，表明供試酸性土壤缺乏養(yǎng)分，這與酸性土一般缺乏氮、磷、鈣、鎂等養(yǎng)分的肥力特性[14]是相符合的.因此在酸性土壤改良中，合理施肥與改良酸性相結(jié)合十分重要.王孟等[15]在酸性土施用Ca(OH)2種植玉米的結(jié)果顯示，施用量與土壤pH呈線性相關，玉米產(chǎn)量與施用量呈二次函數(shù)相關，這與本實驗結(jié)果一致.施用石灰是改良酸性土的主要措施，石灰施用除了中和酸以外，還能供應鈣、鎂等營養(yǎng)元素，但施用石灰也影響土壤其他養(yǎng)分，如降低有效鐵、錳、銅、鋅的含量[16]，因此石灰施用過量也會導致這些元素缺乏而不利于植物生長.酸性土施用石灰除了增加植物產(chǎn)量外，也會影響植物氮、磷、鈣、鎂、錳的含量和粗蛋白和灰分含量[17].除了施用石灰類改良酸性外，土壤調(diào)理劑[18]、生物炭[19]的運用也正在興起.本實驗結(jié)果證明供試調(diào)理劑具有明顯的改良土壤酸性、降低鋁、錳毒害的效果，可以用于改良酸性土壤.

3.2 施用土壤調(diào)理劑對稻谷的降鎘作用由于鎘是常見重金屬中毒性最強元素，我國鎘污染現(xiàn)象也比較嚴重[20-21]，近些年來土壤鎘污染備受關注.本實驗發(fā)現(xiàn)，施用土壤調(diào)理劑使稻谷鎘含量降低了32%～56%，稻谷鎘含量與調(diào)理劑施用量極呈顯著的線性負相關，說明供試XG調(diào)理劑具有十分有效的降低稻谷鎘含量的作用.這種效果的主要原因是調(diào)理劑通過降低土壤酸性，增加土壤pH而降低土壤鎘的有效性來實現(xiàn)的.因為本實驗中實驗后土壤有效鎘與實驗前相比，土壤有效鎘的降低率與調(diào)理劑施用量呈極顯著的線性相關，將稻谷鎘含量與土壤有效鎘含量進行相關分析也發(fā)現(xiàn)，二者呈顯著的線性相關.這與有關酸性土壤施用土壤調(diào)理劑能降低土壤有效重金屬含量[22]，施用土壤調(diào)理劑降低土壤有效鎘含量和稻谷鎘含量[23]，施用土壤調(diào)理劑增加水稻干物質(zhì)產(chǎn)量和降低稻谷鎘和鉛含量[24]等結(jié)果一致，文典等[25]研究發(fā)現(xiàn)，施用不同土壤調(diào)理劑使稻米的鎘含量降低18%～48%，而且能改善稻米的品質(zhì).上述結(jié)果和本實驗結(jié)果都表明土壤調(diào)理劑降低植物鎘含量的主要機理是土壤調(diào)理劑通過降低土壤酸性而降低了土壤鎘的有效性，從而阻止了土壤鎘進入植物體.

4 結(jié)論

施用秀谷春天土壤調(diào)理劑能夠顯著增加土壤pH、鹽基飽和度和稻谷產(chǎn)量，降低土壤交換性鋁、有效錳、有效鎘和稻谷鎘含量，土壤調(diào)理劑的用量與pH和鹽基飽和度呈線性正相關，與土壤交換性鋁、有效錳、有效鎘和稻谷鎘含量呈線性負相關，與稻谷產(chǎn)量呈二次函數(shù)相關.所用XG調(diào)理劑具有明顯降低土壤酸性和稻谷鎘含量想效果，可以作為減酸降鎘的土壤調(diào)理劑在酸性土地區(qū)推廣應用.