土壤改良劑和有機(jī)肥對旱改水磚紅壤稻田的改良效果

李 菊，楊永志，甘 良，吳明鋒，高 偉*，阮云澤

（1.海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，海南 海口 570228；2.海南農(nóng)墾自然資源開發(fā)運(yùn)營有限公司，海南 ?？?570100）

我國人口眾多，城市化、工業(yè)化快速發(fā)展使一些耕地變成非農(nóng)業(yè)用地。自國土資源部執(zhí)行“占一補(bǔ)一”占補(bǔ)平衡的政策以來，后備耕地資源的開發(fā)成為補(bǔ)充耕地的重要途徑［1］。在土地整治過程中，為滿足“占水田補(bǔ)水田”的要求，旱田改水田已成為一個普遍現(xiàn)象［2-3］。在海南磚紅壤區(qū)域，眾多旱改水農(nóng)田普遍存在土壤酸化和土壤貧瘠的問題，結(jié)合國家“占優(yōu)補(bǔ)優(yōu)”的要求，旱改水農(nóng)田土壤改良成為土地整治的重點(diǎn)內(nèi)容。施用土壤改良劑和有機(jī)肥是土壤改良的有效措施，能夠提高土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量和土壤養(yǎng)分含量［4-6］。已有研究表明，生石灰、白云石粉、鈣鎂磷肥、碳酸鈣粉、草木灰、硅鈣鉀鎂等土壤改良劑能有效提高酸性土壤pH值［7-9］，秸稈、稻草等植物源有機(jī)肥以及豬糞、羊糞、雞糞等動物源有機(jī)肥則能提高土壤有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量［10-13］。海南等南方磚紅壤地區(qū)，氣候高溫多雨，土壤有機(jī)質(zhì)礦化和養(yǎng)分淋溶損失快［14-15］，眾多經(jīng)濟(jì)作物過量施用化肥也造成土壤酸化［16］，加上復(fù)種指數(shù)高，土壤地力下降迅速，而關(guān)于土地整治過程中土壤改良具體措施的研究相對缺乏。本研究通過大田試驗，設(shè)置土壤改良劑種類和用量以及有機(jī)肥種類和用量的處理，探究土壤改良劑和有機(jī)肥對旱改水稻田土壤的改良效果，以期為南方磚紅壤地區(qū)旱改水農(nóng)田土壤改良提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗田位于海南省東方市廣壩農(nóng)場（19°6′46″N，108°51′26″ E），海拔高度68.7 m，年降水量1150 mm。試驗田土壤為磚紅壤，且為2020年5月進(jìn)行的旱改水土地整治農(nóng)田，主要整治流程包括清理附屬物、表土（25 cm）剝離、機(jī)械壓實、表土回填等工序，以形成犁底層而降低漏水漏肥現(xiàn)象的發(fā)生。整治前主要種植的作物為檳榔、芒果等，試驗田初始pH值為5.54，有機(jī)質(zhì)含量0.77%，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為33.76、2.93和98.67 mg/kg。土壤改良試驗于2020年6月12日進(jìn)行了水稻種植，種植品種為“博II優(yōu)泰占”，屬雜交稻，生育期約為120 d。

1.2 試驗設(shè)計

采用正交試驗設(shè)計，試驗處理包括不同類型土壤改良劑和有機(jī)肥（表1），土壤改良劑包括石灰、硅鈣鉀鎂肥和草木灰，每種改良劑施用量設(shè)定3個水平。有機(jī)肥包括羊糞、秸稈和混合發(fā)酵有機(jī)肥（商品化有機(jī)肥大多是由畜禽糞便和秸稈類物料混合發(fā)酵而成），每種有機(jī)肥3個水平，分別為0、30、60 t/hm2，土壤改良劑和有機(jī)肥的基本性質(zhì)見表2。正交試驗采用L27（313）的設(shè)計，其中處理1為對照處理，既不施用土壤改良劑又不施用有機(jī)肥。

表1 田間試驗處理詳情 （t/hm2）

表2 土壤改良劑和有機(jī)肥化學(xué)性質(zhì)

水稻于2020年5月13日開始育秧，育秧30 d后移栽插秧，采用小區(qū)種植模式，小區(qū)面積20.25 m2（4.5 m×4.5 m），隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)間設(shè)子埂隔離施肥，試驗田總面積0.24 hm2。土壤改良劑和有機(jī)肥在移栽前1周一次性施用。化肥氮肥（尿素）總施用量（N）180 kg/hm2，底肥施用40%，秧苗移栽后7 d進(jìn)行第1次追肥，施肥量為30%，秧苗移栽后33～35 d進(jìn)行第2次追肥，施用量為30%；磷肥（鈣鎂磷肥，pH值=8.35）總施用量（P2O5）為120 kg/hm2，全部作為底肥施用；鉀肥（氯化鉀）總施用量（K2O）為150kg/hm2，60%作為底肥施用，40%在秧苗移栽后45 d施用。

1.3 樣品的采集與測定

分別在秧苗移栽后15、30、60、90和120 d進(jìn)行土壤取樣，每個小區(qū)按照5點(diǎn)法取樣后混合為1個樣品，取樣深度為20 cm，測定耕作層土壤pH值和有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀含量的變化情況。pH值測定采用電位法（HJ 962-2018），土水比1∶2.5，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法（NY/T 1121.6-2006），堿解氮含量用堿解擴(kuò)散法（LY/T 1228-2015），有效磷含量采用Olsen法（NY/T 1121.7-2014），速效鉀含量采用火焰光度法（LY/T 1234-2015）。水稻收獲前采集土壤鮮樣，保存于4℃冰箱測定微生物群落數(shù)量。土壤中微生物數(shù)量的測定用稀釋平板計數(shù)法，吸取用10 g土樣和90 mL無菌水制備的懸濁液，制備10-6～10-1稀釋液。細(xì)菌、真菌、放線菌的培養(yǎng)基分別采用10-4～10-2、10-3～10-1、10-4～10-2的稀釋度。細(xì)菌、真菌和放線菌分別采用LB培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基和高氏一號培養(yǎng)基培養(yǎng)。吸取100 μL土壤懸濁液，均勻涂抹于培養(yǎng)基表面。細(xì)菌、放線菌和真菌分別置于30、28和28℃恒溫箱培養(yǎng)3、5和7 d。培養(yǎng)結(jié)束后，選取具有合適菌落數(shù)的平板并計數(shù)。水稻收獲時采集植株樣品，烘干粉碎后測定植株的生物量和氮、磷、鉀含量。同時，將收獲的每個處理小區(qū)種植面積一半的水稻用來測定水稻產(chǎn)量。

1.4 統(tǒng)計與分析

采用SPSS 20.0對土壤理化性質(zhì)、微生物群落數(shù)量以及水稻氮磷鉀含量和產(chǎn)量進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤改良劑和有機(jī)肥對土壤pH值的影響

施用羊糞、秸稈以及混合有機(jī)肥對土壤pH值均有顯著提升效果（P＜0.05，圖1）。正交試驗結(jié)果分析表明，施用羊糞60 t/hm2與不施用羊糞相比，在水稻收獲時（120 d），能夠提高土壤pH值0.43個單位；秸稈有機(jī)肥提升效果和羊糞類似，土壤pH值能提升0.35個單位；石灰和草木灰等土壤改良劑提升水稻田土壤pH值的單獨(dú)效應(yīng)不明顯。正交試驗結(jié)果表明，石灰和草木灰不同施用量和不施用處理間土壤pH值差異均不顯著。施用硅鈣鉀鎂4.50 t/hm2時，在試驗開始初期能顯著提高土壤pH值約0.16個單位，但在種植120 d后，差異不明顯。

圖1 施用土壤改良劑和有機(jī)肥對土壤pH值的影響

2.2 不同類型有機(jī)肥施用對土壤有機(jī)質(zhì)的提升效果

羊糞、秸稈以及混合有機(jī)肥的施用均能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量（圖2）。施用羊糞60 t/hm2和不施用羊糞相比，在試驗初期（移栽后15 d），羊糞提升土壤有機(jī)質(zhì)的效應(yīng)達(dá)到33.8%，在水稻收獲時（120 d），提升效應(yīng)為29.5%。施用秸稈60 t/hm2時，在水稻移栽后15和120 d，土壤有機(jī)質(zhì)含量分別有32.6%和31.9%的提升；施用混合有機(jī)肥60 t/hm2時，土壤有機(jī)質(zhì)含量相對不施用混合有機(jī)肥處理則分別有25.5%和28.5%的提高。不同類型有機(jī)肥在提升土壤有機(jī)質(zhì)含量的能力上則無顯著差異。

圖2 施用有機(jī)肥對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

2.3 有機(jī)肥施用對土壤速效氮、磷、鉀含量的影響

作物生長養(yǎng)分來源主要是土壤的有效態(tài)和速效態(tài)養(yǎng)分，如堿解氮、有效磷、速效鉀等。本研究結(jié)果表明，施用羊糞、秸稈和混合有機(jī)肥均能有效提高土壤堿解氮、有效磷、速效鉀養(yǎng)分的含量，如施用羊糞30 t/hm2時，比不施用羊糞處理的土壤堿解氮含量提升15.5%，有效磷和速效鉀含量分別提升90.3%和40.2%（表3）。秸稈和混合有機(jī)肥對土壤速效態(tài)氮、磷、鉀含量有顯著的提升效果，但是不同類型的有機(jī)肥對提高土壤速效態(tài)氮、磷、鉀含量的效果差異不顯著，因此對各處理有機(jī)肥施用總量和土壤速效養(yǎng)分做相關(guān)性分析，結(jié)果表明，隨著有機(jī)肥施用總量的提高，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀均呈顯著上升的趨勢（數(shù)據(jù)未給出），表明土壤速效養(yǎng)分的提升主要來源于有機(jī)肥的施用。綜上，有機(jī)肥的施用，能提高土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分的含量，還能提高土壤地力水平。

表3 施用土壤改良劑和有機(jī)肥對土壤速效態(tài)氮磷鉀以及植株氮磷鉀含量和產(chǎn)量的影響

2.4 有機(jī)肥施用對土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物對土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)礦化以及植物生長具有重要的作用。本研究測定了土壤細(xì)菌、真菌以及放線菌的群落數(shù)。結(jié)果表明，羊糞、秸稈以及混合有機(jī)肥的施用，均顯著地提高了土壤細(xì)菌、真菌和放線菌群落的數(shù)量（圖3a、b、c）。例如，施用羊糞60 t/hm2與不施用羊糞相比，細(xì)菌、真菌和放線菌群落數(shù)分別提高176%、119%和52%；施用秸稈60 t/hm2時，細(xì)菌、真菌和放線菌群落數(shù)則能夠分別提高194%、92%和32%；施用混合有機(jī)肥60 t/hm2時，細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量分別提高166%、136%和68%；說明不同類型有機(jī)肥對土壤微生物數(shù)量提高的效果沒有顯著差異。整合不同有機(jī)肥的數(shù)據(jù)結(jié)果，表明施用有機(jī)肥30 t/hm2和不施用相比，土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量分別提高86%、47%和7%；施用有機(jī)肥60 t/hm2時，細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量分別平均提高178%、115%和51%。有機(jī)肥施用提高了土壤微生物的數(shù)量，而微生物數(shù)量與土壤堿解氮含量則呈現(xiàn)很好的正相關(guān)關(guān)系（圖3d），表明微生物數(shù)量的提升有可能增加土壤難分解物質(zhì)的礦化，促進(jìn)土壤礦質(zhì)態(tài)養(yǎng)分的提高。

圖3 施用有機(jī)肥對土壤微生物的影響及微生物總量與土壤堿解氮含量的關(guān)系

2.5 有機(jī)肥施用對水稻生長的影響

有機(jī)肥施用在改良土壤、提高土壤地力水平的同時，對植株氮素營養(yǎng)也有一定的影響。施用羊糞30和60 t/hm2與不施用羊糞處理相比，水稻植株氮含量分別顯著增加了11.8%和14.8%，混合有機(jī)肥的施用對植株氮含量也有顯著的提升效果（表3）。有機(jī)肥施用對植株磷和鉀含量并無顯著影響，可能與土壤磷、鉀較為豐富有關(guān)。各種類型有機(jī)肥的施用對水稻產(chǎn)量均沒有顯著影響（表3），但是綜合各處理有機(jī)肥施用總量和產(chǎn)量進(jìn)行回歸分析表明，過量有機(jī)肥施用會導(dǎo)致水稻倒伏現(xiàn)象（圖4）。當(dāng)有機(jī)肥施用總量小于90 t/hm2時，田間水稻生長未出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象，當(dāng)有機(jī)肥用量超過90 t/hm2時，隨著有機(jī)肥用量的提高，倒伏率顯著上升，施用150～180 t/hm2有機(jī)肥時，倒伏率甚至?xí)^50%。

圖4 施用有機(jī)肥對水稻倒伏的影響

3 討論

3.1 土壤改良劑和有機(jī)肥施用對土壤pH值的提升效果

土壤酸堿度是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，對土壤養(yǎng)分有效性、微生物活性以及植物病蟲害的發(fā)生都有重要的影響［17-20］。因此，調(diào)節(jié)土壤的酸堿度是土壤改良過程中尤為重要的內(nèi)容。淹水條件下，土壤氧化還原電位降低，土壤處于厭氧狀態(tài)，pH值趨于中性而達(dá)到平衡［21-22］。本研究試驗田改良前土壤初始pH值平均為5.54，在淹水種植水稻120 d后，土壤pH值達(dá)到6.83，提升1.29個單位。已有研究表明，生石灰、白云石粉、鈣鎂磷肥、碳酸鈣粉等土壤改良劑均能增加土壤陽離子含量，有效提升酸性土壤pH值［5，7］。硅鈣鉀鎂也是近年來研究的熱點(diǎn)，對提升土壤pH值有很好的效果［8，23］。本研究中施用生石灰和草木灰在水稻種植120 d后對土壤pH值提升效果不顯著（圖1），硅鈣鉀鎂提升土壤pH值的能力也有限，可能與長時間淹水已經(jīng)將土壤pH值提升很高的幅度有關(guān)。有機(jī)肥也是重要的土壤改良劑，Wang等［12］研究表明，連續(xù)15年施用豬糞與施用化肥相比，能顯著提高土壤pH值。本研究中羊糞、秸稈以及混合發(fā)酵有機(jī)肥的施用均能顯著提高土壤pH值（圖1），對調(diào)節(jié)土壤酸度具有重要作用。因此，淹水種植水稻結(jié)合有機(jī)肥的施用，是提高旱改水農(nóng)田土壤pH值的有效措施。

3.2 有機(jī)肥施用量與土壤有機(jī)質(zhì)的提高

土壤有機(jī)質(zhì)的提升能顯著改善土壤團(tuán)聚體組成，提高土壤透氣性，增加土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分的有效含量，進(jìn)而提高土壤地力［24］。已有研究表明，秸稈、菌渣、豬糞、羊糞、豬糞等有機(jī)肥的施用，能顯著提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量［10-11，25］。本研究中羊糞有機(jī)肥、秸稈有機(jī)肥以及混合有機(jī)肥的施用，均提高了旱改水稻田土壤的有機(jī)質(zhì)水平（圖2）。土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著水稻的生長逐漸下降（數(shù)據(jù)未給出），因此旱改水農(nóng)田在后續(xù)生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)持續(xù)施用有機(jī)肥，來保證土壤的高生產(chǎn)力。由于不同類型有機(jī)肥在提升土壤有機(jī)質(zhì)含量能力上沒有顯著差異，所以整合不同有機(jī)肥的用量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)有機(jī)肥總施用量達(dá)到90 t/hm2時，土壤有機(jī)質(zhì)含量能從0.77%提升至1.50%，若達(dá)到2.00%，需施用180t/hm2有機(jī)肥，但試驗結(jié)果表明，有機(jī)肥施用量超過90 t/hm2時，水稻倒伏率隨有機(jī)肥施用量的增加而顯著提高（圖4）。結(jié)合Zhou等［13］的研究，長期適量施用牛糞，在穩(wěn)步提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的同時，還能保證小麥的產(chǎn)量。因此，建議有機(jī)質(zhì)含量較低的旱改水農(nóng)田有機(jī)質(zhì)提升要循序漸進(jìn)，改良初期有機(jī)肥施用量不超過90 t/hm2。

3.3 有機(jī)肥施用提升土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分的效果

土壤養(yǎng)分含量是旱改水農(nóng)田質(zhì)量得以保證的重要指標(biāo)，關(guān)系到土地整治后土壤能否實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。施用有機(jī)肥是提升旱改水農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量的重要方式［10］。本研究結(jié)果表明，有機(jī)肥施用在提升土壤有機(jī)質(zhì)含量的同時，對土壤堿解氮含量、有效磷和速效鉀含量也有很大的提升（表3）。有機(jī)肥施用還增加了土壤細(xì)菌、真菌和放線菌群落數(shù)量（圖3）。研究表明，微生物含量的提高，能加速土壤中難分解物質(zhì)的分解礦化，增加土壤有效態(tài)養(yǎng)分的含量［10，25-27］。本研究不同處理中微生物總量和土壤堿解氮含量呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖4），表明微生物總量的提升可能對土壤有效態(tài)氮含量的提升具有重要促進(jìn)作用。有機(jī)肥施用能夠有效提高土壤養(yǎng)分含量，但施用化肥的意義也不容忽視。洪瑜等［28］的研究表明，有機(jī)肥化肥配施能更有效地提升土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率。本研究試驗小區(qū)在施用有機(jī)肥的同時，依照《主要農(nóng)作物科學(xué)施肥指導(dǎo)意見》和《全國水稻產(chǎn)區(qū)氮肥定額用量（試行）》，施用適量的化肥，有效提高了土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分的含量。

4 結(jié)論

旱改水農(nóng)田淹水種植水稻并結(jié)合羊糞、秸稈或混合有機(jī)肥的施用，能夠有效提高磚紅壤土壤的pH值。在施用有機(jī)肥的前提下，石灰和草木灰等土壤改良劑提升水稻田土壤pH值的單獨(dú)效應(yīng)不明顯，施用硅鈣鉀鎂僅在水稻種植前期（15 d）有顯著提高的效果。羊糞、秸稈和混合有機(jī)肥的施用均能夠顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提升土壤微生物總量，并提高土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分的含量，達(dá)到改良土壤、提升地力的效果，但土壤改良和地力提升需循序漸進(jìn)，過量施用有機(jī)肥可能造成水稻倒伏，因此，不宜一次性施用過量有機(jī)肥，且最佳施用量為90 t/hm2。