紫云英還田對土壤養(yǎng)分和重金屬含量的影響

陳 慧，周曉月，譚 誠，張永春，汪吉東，馬洪波

（1南京市六合區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，南京 210044；2海南大學園藝學院，海口 570228；3江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部江蘇耕地保育科學觀測實驗站，南京 210014）

0 引言

中國水稻產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一位，2019年產(chǎn)量為2.093億t[1]。為了追求高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，江蘇某些地區(qū)平均施氮量達345 kg/hm2，沿海地區(qū)甚至高達562.5 kg/hm2[2]，而過量的化肥施用也帶來了很多問題，如大量養(yǎng)分損失造成的土壤面源污染[3]、土壤酸化問題[4]，最終導致土壤質(zhì)量降低[5]。加上長期高強度開發(fā)和超負荷消耗使耕地難以恢復到先前水平，耕地土壤有機質(zhì)含量下降，引發(fā)耕地質(zhì)量退化、地力透支等一系列問題，不利于土壤可持續(xù)生產(chǎn)。其實，緩釋肥和有機肥替代化肥都是提升土壤質(zhì)量和減少化肥施用量的有效手段。然而，以低成本的畜禽糞便為原料的有機肥存在抗生素和重金屬污染的風險[6]，緩控釋肥的價格又高昂。綠肥作為一種低成本且綠色環(huán)保的肥料資源得到廣泛的認可和應用。紫云英是中國稻區(qū)最主要種植的冬季綠肥作物，其在增加耕層土壤總氮含量、提高土壤有機質(zhì)含量、活化土壤磷、改善土壤物理結(jié)構(gòu)、增加土壤孔隙度、提高水稻品質(zhì)和增產(chǎn)等方面效果突出[7-9]。

南京六合地區(qū)稻麥種植普遍，雖然面積大但土壤質(zhì)量一般，特別是六合北部丘陵與山區(qū)的土壤養(yǎng)分低，稻麥產(chǎn)量較低、口感差，亟需通過冬閑綠肥還田的休耕方式優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，小麥種植面積隨之變小，同時肥料的投入量也減少了，也減緩對土壤肥力的耗竭，起到了培肥土壤的作用。近年來，有關(guān)冬閑紫云英對土壤理化性質(zhì)的研究主要聚焦在一年期田間試驗上，比如連澤晨[10]研究一年期的綠肥還田對水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收和土壤肥力的影響時發(fā)現(xiàn)，冬種紫云英比常規(guī)處理降低了土壤耕層容重，為水稻提供了有利生長環(huán)境。Li等[11]發(fā)現(xiàn)一年期紫云英還田提高了土壤有機質(zhì)含量，以及土壤中過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶等相關(guān)酶的活性。王丹英等[12]研究指出，將一年的紫云英用做綠肥種植并還田后，不但能夠顯著提高土壤有機質(zhì)和全氮含量，還能明顯提高土壤堿解氮的含量。周國朋[13]研究表明，冬種紫云英全量還田有利于增加土壤的速效鉀、有效磷。但在南京六合地區(qū)，有關(guān)定位試驗條件下冬種紫云英對水稻產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分和重金屬含量影響的研究鮮見報道。本研究通過連續(xù)2年的紫云英-水稻定位試驗，研究冬種紫云英對水稻產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分和重金屬含量的影響，并進行耕地質(zhì)量提升效果綜合評價，希望能為南京六合區(qū)耕地質(zhì)量提升提供基礎理論數(shù)據(jù)，以期為區(qū)域農(nóng)業(yè)長期良性發(fā)展和糧食安全提供重要支撐和保障。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

六合區(qū)位于南京北部地區(qū)，長江北岸，地域面積達1485.5 km2，氣候條件為亞熱帶季風氣候。年均氣溫約16℃，全年降水量為796.8 mm，全年日照總時數(shù)為1722 h。全區(qū)耕地面積6.33萬hm2，地勢北高南低，北部為丘陵山崗地區(qū)，中南部為河谷平原、崗地區(qū)，南部為沿江平原圩區(qū)。地處六合區(qū)北部的冶山、馬鞍、竹鎮(zhèn)街道的丘陵山崗地區(qū)，土壤質(zhì)量低下，屬六合稻麥產(chǎn)量低效區(qū)，需通過輪作休耕來培肥地力，提升土壤質(zhì)量。

1.2 試驗設計

試驗共設2個處理，處理1為夏季種稻田、冬季種小麥，處理2為夏季種水稻、冬季種紫云英，大田試驗，面積為667 m2，各3個重復。處理中農(nóng)民習慣施肥的水稻化肥用量純N為240 kg/hm2，P2O5為90 kg/hm2，全部用作底肥，K2O為120 kg/hm2，全部用作底肥；小麥化肥用量純N為180 kg/hm2，P2O5為75 kg/hm2，全部用作底肥，K2O為60 kg/hm2；冬天種植紫云英，期間不施肥，盛花期收割紫云英還田做綠肥。4月中下旬耕翻還田，耕翻深度為30 cm。6月測定容重，并用土鉆按S形在試驗區(qū)取0～20 cm土層土壤樣品。樣品去除各種雜質(zhì)后，風干后粉碎過10目和100目篩備用，用來測定土壤主要理化性質(zhì)。供試水稻品種為‘南粳46’，紫云英為‘萍寧72’。

1.3 測定內(nèi)容和方法

土樣測試指標包括pH、容重、全氮、有機質(zhì)、有效磷、速效鉀、有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅、有效硫、有效硼、總砷汞鎘鉻鉛。pH用電位法；容重用環(huán)刀法；有機質(zhì)用重鉻酸鉀油浴滴定法；有效磷用鉬銻抗比色法；速效鉀用乙酸銨交換，火焰光度法；總氮用凱式蒸餾法；有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅用DTPA浸提，原子吸收光譜法；有效硼用沸水浸提，姜黃素比色法；有效硫用硫酸鋇比濁法；有效鉬用草酸銨浸提，等離子體質(zhì)譜法；鉛、鎘用石墨爐原子吸收分光光度法；鉻用火焰原子吸收分光光度法；汞、砷用原子熒光法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理與制圖，用SPSS 23.00軟件進行統(tǒng)計分析，采用Duncan法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻綠輪作對土壤基本理化性質(zhì)的影響

如表1所示，經(jīng)過2018—2020年的稻綠輪作定位試驗，土壤酸堿度平均值從pH 6.36升高到pH 6.51，增加2.35%，稻麥輪作對照土壤pH降低2.39%，可見，稻綠輪作的pH平均值與稻麥輪作相比更趨向中性，表明稻綠輪作可以減緩土壤酸化。稻綠輪作后的土壤全氮平均值從1.47 g/kg下降到1.42 g/kg，降幅3.40%，稻麥輪作對照的土壤全氮平均值從1.04 g/kg降低到0.96 g/kg，降幅7.69%，可見，與稻麥輪作相比，稻綠輪作可以相對提高示范區(qū)的全氮庫存。稻綠輪作的土壤有效磷含量平均值從13.01 mg/kg降低到11.62 mg/kg，降幅10.68%，稻麥輪作對照的土壤有效磷含量平均值從11.63 mg/kg升高到13.55 mg/kg，增幅16.51%，與稻麥輪作對照相比，稻綠輪作降低了土壤有效磷含量。稻綠輪作的土壤速效鉀含量平均值從103.40 mg/kg升高到144.17 mg/kg，增幅39.43%，稻麥輪作對照的土壤速效鉀含量平均值從104.30 mg/kg升高到121.00 mg/kg，增幅16.01%，表明與稻麥輪作相比，稻綠輪作可以提高土壤速效鉀含量。稻綠輪作的土壤有機質(zhì)含量平均值從23.58 g/kg升高到25.51 g/kg，增幅8.18%，稻麥輪作對照的土壤有機質(zhì)含量平均值從22.67 g/kg升高到22.88 g/kg，增幅0.93%，與稻麥輪作對照相比，稻綠輪作明顯提高了土壤有機質(zhì)含量；稻綠輪作的土壤容重平均值從1.32 g/cm3降低到1.21 g/cm3，降幅8.33%；稻麥輪作的土壤容重平均值從1.4 g/cm3降低到1.35 g/cm3，降幅3.57%，可見，與稻麥輪作相比，稻綠輪作可以減少土壤容重，對土壤結(jié)構(gòu)有明顯的改善作用。

表1 2018—2020年間稻綠輪作和稻麥輪作土壤理化性質(zhì)變化

從土壤中量元素看，稻綠輪作的土壤交換性鈣含量平均值從1695.23 mg/kg升高到1746.63 mg/kg，增幅3.03%，稻麥輪作的土壤交換性鈣含量平均值從1786.95 mg/kg降低到1684.28 mg/kg，降幅5.74%，與稻麥輪作相比，稻綠輪作提高了土壤交換性鈣含量。稻綠輪作的土壤交換性鎂含量平均值從98.69 mg/kg升高到105.77 mg/kg，增幅7.17%，稻麥輪作的土壤交換性鎂含量平均值從96.63 mg/kg增加到114.66 mg/kg，增幅18.65%，與稻麥輪作相比，稻綠輪作降低了土壤交換性鎂含量。稻綠輪作的土壤有效硫含量平均值從29.88 mg/kg降低到28.83 mg/kg，降幅3.51%，稻麥輪作的土壤有效硫含量平均值從34.84 mg/kg降低到27.62 mg/kg，降幅20.72%。與稻麥輪作相比，稻綠輪作的降幅小，表明稻綠輪作可以相對提高土壤有效硫含量。

從土壤微量元素看，2018—2020年的稻綠輪作土壤有效鐵平均值從141.61 mg/kg下降到134.69 mg/kg，降幅4.88%，稻麥輪作的土壤有效鐵含量平均值從136.80 mg/kg降低到130.69 mg/kg，降幅4.46%。與稻麥輪作相比，稻綠輪作的降幅大，表明稻綠輪作降低了土壤有效鐵含量。稻綠輪作的土壤有效錳含量平均值從59.42 mg/kg升高到71.28 mg/kg，增幅19.95%，稻麥輪作的土壤有效錳含量平均值從45.88 mg/kg升高到46.63 mg/kg，增幅1.63%。與稻麥輪作相比，稻綠輪作的增幅大，表明稻綠輪作可以提高土壤有效錳含量。稻綠輪作的土壤有效銅含量平均值從3.75 mg/kg降低到3.10 mg/kg，降幅17.33%，稻麥輪作的土壤有效銅含量平均值從2.91 mg/kg升高到2.94 mg/kg，增幅1.03%。與稻麥輪作相比，稻綠輪作降低了土壤有效銅的含量。稻綠輪作的土壤有效鋅含量平均值從2.12 mg/kg降低到2.04 mg/kg，降幅3.77%，稻麥輪作的土壤有效鋅含量平均值從2.14 mg/kg降低到1.76 mg/kg，降幅17.75%。與稻麥輪作對照相比，稻綠輪作可以相對的增加土壤有效鋅含量。稻綠輪作的土壤有效硼含量平均值從0.59 mg/kg升高到0.64 mg/kg，增幅8.47%，稻麥輪作的土壤有效硼含量平均值保持在0.62 mg/kg。與稻麥輪作相比，稻綠輪作增加了土壤有效硼含量。稻綠輪作的土壤有效鉬含量平均值從0.186 mg/kg升高到0.190 mg/kg，增幅2.15%，稻麥輪作的土壤有效鉬含量平均值從0.203 mg/kg降低到0.201 mg/kg，降幅0.98%。與稻麥輪作相比，稻綠輪作增加了土壤有效鉬含量。總體上，與稻麥輪作相比，稻綠輪作相對提高了土壤微量元素有效錳、有效鋅、有效硼和有效鉬的含量，但降低了土壤有效鐵、有效銅含量，表明稻綠輪作能夠提高部分微量元素的含量。

2.2 稻綠輪作的耕地質(zhì)量評價

選擇改進后的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對稻綠輪作實施前后示范區(qū)耕地質(zhì)量進行綜合評價。分別對2018—2019年和2019—2020年的稻綠輪作實施前后土壤質(zhì)量進行評價，選擇的評價因子主要有土壤pH、全氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)、容重，中量元素有效硫、交換性鈣鎂，微量元素有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅、有效硼、有效鉬。先對上述因子數(shù)據(jù)進行標準化，經(jīng)過標準化處理后，各指標值處于同一數(shù)量級別，可進行綜合測評分析，標準化處理如式(1)。

式中，Qi為單土壤耕地質(zhì)量指數(shù)，Di為單個土壤耕地質(zhì)量的實測值，Ti為單土壤耕地質(zhì)量的臨界標準，i為參與評價因子的個數(shù)。土壤質(zhì)量評價因子的分級標準參考1979年全國土壤普查數(shù)據(jù)（表2）。

表2 土壤耕地質(zhì)量評價因子分級標準值

土壤耕地質(zhì)量評價如式(2)。

式中，Q為土壤耕地質(zhì)量指數(shù)，Qi為樣品中單土壤耕地質(zhì)量指數(shù)的平均值，Qimin為樣品中單土壤耕地質(zhì)量指數(shù)的最小值，i為某種評價因子的個數(shù)，n為參與評價因子的總個數(shù)。

根據(jù)土壤耕地質(zhì)量指數(shù)及1979年土壤普查數(shù)據(jù)，可將土壤耕地質(zhì)量分為4級（表3）。

表3 土壤質(zhì)量等級劃分標準

通過改進后的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評價2018—2019年的稻綠輪作實施前后的耕地質(zhì)量，得出實施前后土壤的內(nèi)梅羅指數(shù)分別為2.431和2.496，屬于二級水平，土壤質(zhì)量肥沃。稻綠輪作的耕地質(zhì)量比實施前有了一定的提高，提高幅度達3.33%。

2019—2020年的稻綠輪作實施前后土壤的內(nèi)梅羅指數(shù)分別為2.154和2.236，屬于二級水平，土壤質(zhì)量肥沃。輪作休耕項目實施后比實施前有了一定的提高，提高幅度達3.80%。

2.3 稻綠輪作對土壤重金屬的影響

從土壤重金屬看，稻綠輪作的土壤總鎘含量平均值從0.142 mg/kg升高到0.153 mg/kg，增幅7.74%，稻麥輪作對照的土壤總鎘含量平均值保持在0.152 mg/kg（表4）。與稻麥輪作相比，稻綠輪作增加了土壤總鎘含量。稻綠輪作的土壤總鉻含量平均值從66.88 mg/kg降低到62.03mg/kg，降幅7.25%，稻麥輪作對照的土壤總鉻含量平均值從68.40 mg/kg升高到68.85 mg/kg，增幅0.65%。與稻麥輪作相比，稻綠輪作相對降低了土壤總鉻含量。稻綠輪作的土壤總鉛含量平均值從25.46 mg/kg升高到26.00 mg/kg，增幅2.12%，稻麥輪作對照的平均值從26.56 mg/kg增加到27.86 mg/kg，增幅4.89%。與稻麥輪作相比，稻綠輪作降低土壤總鉛含量幅度大，相對降低了土壤總鉛含量。稻綠輪作的土壤總砷含量平均值從11.72 mg/kg降低到11.61 mg/kg，降幅0.94%，稻麥輪作對照的土壤總砷含量平均值從11.04 mg/kg升高到12.25 mg/kg，增幅10.96%，與稻麥輪作相比，稻綠輪作能夠降低土壤總砷含量。稻綠輪作的土壤總汞含量平均值從0.045 mg/kg升高到0.046 mg/kg，增幅2.22%，稻麥輪作對照的土壤總汞平均值從0.041 mg/kg增加到0.043 mg/kg，增幅4.88%。與稻麥輪作相比，稻綠輪作相對降低了土壤總汞含量?？傮w來講，與稻麥輪作對照相比，稻綠輪作有效降低了土壤總鉻、總鉛、總砷、總汞含量，對于土壤生態(tài)恢復具有極其重要的作用。

表4 2018—2020年間稻綠輪作和稻麥輪作土壤重金屬變化mg/kg

3 結(jié)論

與稻麥輪作相比，2年的紫云英-水稻輪作休耕提高了土壤pH、全氮、有機質(zhì)、速效鉀、交換性鈣、有效硫、有效錳、有效鋅、有效硼、有效鉬含量，降低了土壤容重、速效磷、交換性鎂、有效鐵、有效銅含量，內(nèi)梅羅綜合指數(shù)提高了7.13%，降低了土壤重金屬總汞、總鉻、總鉛、總砷含量，但增加了土壤鎘的含量，依據(jù)土壤重金屬污染國家質(zhì)量標準(GB 15618—1995)中二級標準(≤0.3 mg/kg)，未達到污染水平?？傮w上，紫云英-水稻輪作休耕有利于土壤質(zhì)量提升，達到減肥增效的目的。

4 討論

4.1 稻綠輪作對土壤理化性質(zhì)的影響

紫云英是一種重要的綠肥作物，其固氮能力強，還田養(yǎng)分利用率高，還能有效改善土壤理化性狀[14]，長期紫云英還田能促進土壤有機質(zhì)積累，增加酸性土壤pH和全氮，但有效磷和速效鉀影響不大[15]。王慧[16]的研究表明，3年紫云英綠肥還田能夠有效增加土壤全氮、有效磷、有機質(zhì)和速效鉀含量。本研究表明，2年紫云英輪作休耕與常規(guī)施肥相比，增加了土壤有機質(zhì)、pH、全氮、速效鉀，與前人的研究[7,17]一致。土壤有機質(zhì)、pH、全氮、速效鉀的增加主要與紫云英腐解產(chǎn)生的有機物有關(guān)，有機物增加使土壤有機質(zhì)增加，有機質(zhì)中堿性物質(zhì)的釋放會增加土壤pH，紫云英有固氮作用，腐解過程中會礦化出氮，增加土壤氮的含量，但對土壤有效磷含量影響很小，這與張璐[15]的研究結(jié)果一致。

鄒長明[18]發(fā)現(xiàn)，定位4年的紫云英輪作休耕除了能增加土壤氮、磷、鉀含量，還可以補充土壤鐵、鋅、硫、錳、銅等中微量元素的作用，高嵩涓[19]也報道了長期定位的紫云英輪作休耕不僅可以提高土壤有效磷和速效鉀含量，還可以增加土壤中微量元素的鐵、鋅、錳、銅、硫養(yǎng)分等作用。另外王朝輝[20]發(fā)現(xiàn)，紫云英綠肥輪作休耕還可以增加耕層土壤交換性鎂和鈣，土壤有效鋅、銅、錳的含量。本研究發(fā)現(xiàn)，與稻麥輪作對照相比，稻綠輪作提高了土壤交換性鈣，土壤有效硫、錳、鋅、硼和鉬的含量，與前人的報道[18-20]相同；但降低了土壤交換性鎂、有效鐵、有效銅含量，土壤有效鐵的降低與李可懿的報道一致，這可能和土壤性質(zhì)、微生物環(huán)境、pH等因素有關(guān)。

4.2 稻綠輪作的耕地質(zhì)量的影響

前人對土壤質(zhì)量影響的評價主要聚焦在土壤肥力[21-22]、土壤有效養(yǎng)分[23]等某一方面或幾方面，對土壤質(zhì)量有影響的有效養(yǎng)分和土壤肥力綜合評價缺少全面的報道。本研究采用內(nèi)梅羅指數(shù)法進行綜合評價，評價了土壤肥力和有效養(yǎng)分，發(fā)現(xiàn)2年的紫云英輪作休耕的土壤質(zhì)量增幅分別為3.33%和3.80%。王志強[24]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過6年的紫云英還田能有效提高稻田土壤質(zhì)量10%～12%。表明紫云英輪作休耕有利于土壤質(zhì)量的提升。

4.3 稻綠輪作對土壤重金屬含量的影響

土壤重金屬的含量高低與活性強弱直接影響糧食作物根部的吸收，然后通過食物鏈影響人體的安全。謝杰[25]研究表明，紫云英長期還田能夠降低稻田土壤Cd含量，在3個定位試驗點得到驗證。湯文光[26]在6年定位試驗中發(fā)現(xiàn)，與稻麥輪作相比，紫云英輪作休耕對土壤砷、汞、鉻、鎘、鉛的有降低作用。本研究表明，與稻麥輪作相比，紫云英輪作休耕能夠有效降低土壤Pb、Hg、Cr、As的污染，與湯文光的報道一致。原因可能為紫云英腐解過程可以產(chǎn)生種類繁多的水溶性有機物，水溶性有機物能夠降低土壤對重金屬的吸附，提高土壤中Pb、Hg、Cr、As的活性[27]。通過淋洗降低了耕層土壤的Pb、Hg、Cr、As的污染。但增加了土壤Cd的污染，這與錢晨晨的研究結(jié)果相同[28]。紫云英輪作休耕會增加土壤Cd的污染，原因可能為土壤Cd容易受pH的升高而鈍化，并存留在土壤耕層。