土壤調(diào)理劑與有機(jī)肥對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

皮 杰，顧祝禹，涂圣梅，唐東海，周志遠(yuǎn)，王進(jìn)文

（1.松滋市農(nóng)村社會(huì)事業(yè)發(fā)展中心，湖北松滋 434200；2.武漢市秀谷科技有限公司，武漢 430000）

土壤是農(nóng)業(yè)發(fā)展之要，糧食安全之基，農(nóng)民立命之本。土壤是中國(guó)最為寶貴的資源，要持續(xù)加大土壤保護(hù)力度，土壤一旦遭到污染，不僅會(huì)影響糧食的品質(zhì)，而且會(huì)通過食物鏈對(duì)人民群眾的生產(chǎn)生活和身體健康造成一定影響，并成為制約中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問題。

土壤生產(chǎn)力的核心是土壤肥力，土壤中有機(jī)質(zhì)含量的高低對(duì)土壤保水保肥、改善土壤環(huán)境起到重要作用，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一［1-3］。有機(jī)肥作為常見的培肥手段，對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀的含量變化起到?jīng)Q定作用［4-7］。施用有機(jī)肥是提升土壤有機(jī)質(zhì)含量最好方式之一，研究表明，與施用單一的氮、磷、鉀肥相比，有機(jī)肥能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，同時(shí)也能為土壤補(bǔ)充大量的微量元素［8］。有機(jī)質(zhì)能提高土壤腐殖酸的含量，腐殖酸含量的增加對(duì)土壤酸堿度變化具有緩沖性能，在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定酸堿度對(duì)于作物生長(zhǎng)也是良好的環(huán)境［9，10］。土壤調(diào)理劑能夠調(diào)節(jié)土壤pH，改善土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)，降低土壤中重金屬元素的活性，減少農(nóng)作物對(duì)重金屬元素的吸收，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量與品質(zhì)［11，12］。隨著對(duì)糧食經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量需求的增加，化肥、復(fù)合肥等化學(xué)肥料投入量大幅增加，土壤肥力呈下降趨勢(shì)。人類不合理的活動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致土壤中重金屬含量增加，影響土壤的質(zhì)量與可耕作能力?，F(xiàn)有研究大部分都是對(duì)土地進(jìn)行輪作或單一施肥方式來改善土壤理化性質(zhì)，從不同用量的施肥方法有機(jī)組合對(duì)理化性質(zhì)的研究較少。因此，本研究選取荊州紙廠河鎮(zhèn)為研究對(duì)象，分析不同用量的有機(jī)肥與土壤調(diào)理劑對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善效果，并對(duì)土壤中重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，旨在闡明不同用量的有機(jī)肥與土壤調(diào)理劑對(duì)土壤理化性質(zhì)和重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)的影響，為江漢平原土壤理化性質(zhì)的改善與生產(chǎn)力的提高提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

紙廠河鎮(zhèn)位于湖北省荊州市松滋市東南部，該地區(qū)地處平原至丘陵過渡地帶，屬亞熱帶過渡性季風(fēng)氣候，年平均氣溫16 ℃，年平均無霜期270 d，多年降雨量1 050～1 250 mm，4—10 月降水量占全年的80%，有足夠的氣候資源供農(nóng)作物生長(zhǎng)。耕作方式采用旋耕，主要以種植水稻和玉米為主，耕地類型主要包括旱地、水田和水澆地。在研究區(qū)內(nèi)采集0～20 cm 的土壤樣品，分析土壤中有機(jī)質(zhì)、pH、土壤容重、可溶性鹽、交換性鈣、交換性鎂含量，同時(shí)對(duì)土壤中重金屬鉛、鎘、鉻、砷的含量進(jìn)行分析。試驗(yàn)前土壤中有機(jī)質(zhì)為19.2 g/kg、pH 6.09、土壤容重為1.54 g/cm3、可溶性鹽為1.94 g/kg、交換性鈣25.7 cmol/kg、交換性鎂2.12 cmol/kg、鉛15.9 mg/kg、鎘0.34 mg/kg、鉻91.30 mg/kg、砷含量13.40 mg/kg。

1.2 土樣的采集與處理

2021 年初，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行了調(diào)查。試驗(yàn)設(shè)置3 種不同的處理和空白對(duì)照，處理1（T1），土壤調(diào)理劑（1 500 kg/hm2）+有機(jī)肥（4 500 kg/hm2）；處理2（T2），土壤調(diào)理劑（1 500 kg/hm2）+有機(jī)肥（2 250 kg/hm2）；處理3（T3），土壤調(diào)理劑（750 kg/hm2）+有機(jī)肥（2 250 kg/hm2）；處理4（CK），對(duì)照區(qū)。每個(gè)處理3 次重復(fù)，共12 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積均為50 m2，各小區(qū)隨機(jī)排列。為防止各小區(qū)間相互影響，將每個(gè)處理之間進(jìn)行隔離，并對(duì)田埂進(jìn)行加高加固，防止修復(fù)材料、灌溉水等相互影響。蔬菜種植前10 d，將土壤調(diào)理劑與有機(jī)肥進(jìn)行1 次性撒施，然后整地翻耕，使土壤調(diào)理劑、有機(jī)肥與土地充分混合均勻。各處理田間管理一致。研究區(qū)域種植蔬菜，土壤樣品按5點(diǎn)取樣法采集耕作層土樣，將其混勻后去除雜質(zhì)，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干并進(jìn)行測(cè)定。供試土壤調(diào)理劑pH 為10.56，主要成分為二氧化硅、氧化鈣，其中31.67%氧化鈣、25.87%二氧化硅、5%氧化鎂。供試有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)含量為52.40%，總養(yǎng)分占6.43%。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

土壤的理化性質(zhì)按照常規(guī)的測(cè)定方法進(jìn)行檢測(cè)［13］。土樣pH 測(cè)定采用電位計(jì)法，水土比為2.5∶1.0；有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀加熱滴定法，土壤容重的測(cè)定采用環(huán)刀稱重法，可溶性鹽的測(cè)定采用重量法，交換性鈣、鎂采用乙酸銨交換-原子吸收分光光度法，鉛、鎘、鉻、砷的測(cè)定采用王水提取—電感耦合等離子體質(zhì)譜法，同時(shí)做空白試驗(yàn)。

1.4 重金屬評(píng)價(jià)方法

1.4.1 單項(xiàng)污染指數(shù)法 單項(xiàng)污染指數(shù)法是用于評(píng)價(jià)某一種重金屬元素的污染程度［14，15］。

式中，Pi為土壤重金屬元素i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為土壤重金屬元素i實(shí)際檢測(cè)值；Si為土壤重金屬元素i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，選取湖北省土壤重金屬背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值［14］。當(dāng)Pi≤0.7 時(shí)，污染等級(jí)為1，表示土壤清潔；當(dāng)0.7＜Pi≤1.0 時(shí)，污染等級(jí)為2，表示土壤尚清潔；當(dāng)1.0＜Pi≤2.0 時(shí)，污染等級(jí)為3，表示土壤輕度污染；當(dāng)2.0＜Pi≤3.0 時(shí)，污染等級(jí)為4，表示土壤中度污染；當(dāng)Pi＞3.0 時(shí)，表示土壤重度污染；且Pi越大表明受重金屬污染程度越嚴(yán)重。

1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是比較常用的一種評(píng)價(jià)重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，能夠較全面地評(píng)價(jià)研究區(qū)域內(nèi)土壤中重金屬污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)［16］。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法計(jì)算公式如下。

式中，Eir為土壤中單項(xiàng)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；T ri為單項(xiàng)重金屬毒性影響系數(shù)；Cfi為重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)。本研究T ri采用Hakanson 制定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性系數(shù)［17，18］，鉛、鎘、鉻、砷的毒性系數(shù)分別為5、30、2、10。土壤中重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土壤中重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel、Origin 軟件和SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，并進(jìn)行相應(yīng)的圖表繪制，各處理間采用單因素方差分析（ANOYA）和Duncan 法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

不同處理下土壤中pH、有機(jī)質(zhì)、土壤容重、可溶性鹽、交換性鈣、鎂的含量如表2 所示。

2.1.1 不同處理對(duì)pH 的影響 土壤pH 是衡量土壤酸堿強(qiáng)度的重要指標(biāo)，直接影響土壤鈣鎂磷等離子的形態(tài)與有效性，同時(shí)還影響土壤微生物的種類與分布。由表2 可知，與對(duì)照組（CK）相比，T1、T2、T3處理下土壤pH 均有一定程度的提高，分別提高了2.96%、2.30%和0.82%，且與對(duì)照組相比均無顯著差異（P＞0.05）。由于長(zhǎng)期施用化學(xué)肥料導(dǎo)致土壤中pH 偏低，而通過施用有機(jī)肥與土壤調(diào)理劑能夠有效地調(diào)節(jié)土壤的pH，使土壤環(huán)境能夠更好的適應(yīng)植物的生長(zhǎng)與發(fā)育。

2.1.2 不同處理對(duì)有機(jī)質(zhì)含量的影響 有機(jī)質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一，是微生物生命活動(dòng)能量的來源，為植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供養(yǎng)分［3］。由表2可知，與對(duì)照組（CK）相比，T1 至T3 處理有機(jī)質(zhì)含量均有所增加，分別增加了16.40%、10.71%和9.6%，且T1 處理與對(duì)照組差異顯著（P＜0.05），表明T1 處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的提升效果最好。

2.1.3 不同處理對(duì)土壤容重的影響 土壤容重是指一定容積內(nèi)烘干后土壤的重量與同體積水的比值［19］。土壤容重能夠很好地反映土壤的密實(shí)程度、透氣性、透水性和土質(zhì)情況。由表2 可知，與對(duì)照組相比，各個(gè)處理土壤容重均有所下降，其中T1 處理土壤容重最小，比對(duì)照組低0.18 g/cm3，且T1 與對(duì)照組差異顯著（P＜0.05），T2、T3 處理與對(duì)照組差異不顯著（P＞0.05）。T1 處理效果較好，能有效提高土壤的透氣性、透水性和保水保肥能力，更有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.1.4 不同處理對(duì)可溶性鹽含量的影響 土壤中可溶性鹽是指在一定的水土比例條件下、一定時(shí)間內(nèi)浸提出土壤中含有的可溶性鹽分。土壤中可溶性鹽含量達(dá)到一定數(shù)量后，會(huì)嚴(yán)重影響作物的正常生長(zhǎng)。由表2 可知，與對(duì)照組相比，T1 至T3 處理土壤可溶性鹽的含量均有所下降，分別下降了4.60%、1.02%、1.53%，但與對(duì)照組相比均無顯著差異（P＞0.05）。

2.1.5 不同處理對(duì)交換性鈣、鎂含量的影響 鈣、鎂元素是植物生長(zhǎng)所需大量元素之一［20］。鈣是細(xì)胞代謝的總調(diào)節(jié)者，維持著植物的正常生長(zhǎng)，而鎂是葉綠素的重要組成成分［20，21］。由表2 可知，T1 至T3 處理均能夠有效地增加土壤中交換性鈣、鎂的含量。T1 處理交換性鈣、鎂的含量最高，交換性鈣、鎂較對(duì)照組分別增加了19.13%和32.85%，且與對(duì)照組差異顯著（P＜0.05）。

表2 不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.2 不同處理養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析

不同處理土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果見表3。由表3 可知，土壤pH 與交換性鎂呈顯著正相關(guān)，與可溶性鹽呈顯著負(fù)相關(guān)，因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)土壤偏弱酸性，通過不同處理能有效提高土壤的pH，使pH 向中性靠近，而增施有機(jī)肥與土壤調(diào)理劑均增加了土壤的有機(jī)質(zhì)與交換性鈣、鎂的含量，從而導(dǎo)致pH 與交換性鎂呈顯著正相關(guān)。有機(jī)質(zhì)與交換性鎂呈極顯著正相關(guān)，交換性鈣與交換性鎂呈正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)與交換性鈣成正相關(guān)但不顯著，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)中含有大量的礦質(zhì)元素，當(dāng)土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加時(shí)，交換性鎂與交換性鈣也會(huì)相應(yīng)增加，相互作用共同提高土壤肥力，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

表3 不同處理土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

2.3 不同處理對(duì)土壤鎘、鉛、鉻、砷元素的影響

不同處理下土壤中重金屬含量的變化情況見表4。由表4 可知，T1 至T3 處理土壤中鎘、鉛、鉻、砷含量無明顯差異。與對(duì)照組相比，T1 處理鎘、鉛、砷的含量有所下降，鉻含量增加了0.07 mg/kg。該結(jié)果表明，不同處理方式不能明顯改變土壤重金屬含量，土壤調(diào)理劑、有機(jī)肥都只能提高土壤有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)元素的含量，增強(qiáng)土壤的肥力，同時(shí)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)土壤酸堿度，使土壤環(huán)境更加適宜作物的生長(zhǎng)與發(fā)育，但不能有效地降低土壤中重金屬的含量。湖北省土壤中鎘、鉛、鉻和砷背景值分別為0.17、26.70、86.00 mg/kg和12.30 mg/kg，而試驗(yàn)區(qū)、對(duì)照組重金屬鎘、鉛、鉻、砷 的 含 量 均 值 分 別 為0.34、16.70、92.70 mg/kg 和13.80 mg/kg，其中鎘、鉻、砷的含量均超過了湖北省土壤的背景值。還需要對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤中重金屬元素做進(jìn)一步生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，判斷該區(qū)域受污染程度。

表4 不同處理對(duì)土壤重金屬含量的影響（單位：mg/kg）

2.4 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

通過單因子指數(shù)分析法對(duì)土壤中重金屬元素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，分析結(jié)果見表5。由表5 可知，不同處理Pb 的單因子污染指數(shù)均小于0.7，污染等級(jí)為清潔，表明研究區(qū)域Pb 無污染。Cd 的單因子污染指數(shù)T2＞CK＞T3＞T1，其中T2 處理的污染指數(shù)為2.12，表現(xiàn)為中度污染，T1、T3、CK 的污染指數(shù)為1～2，表現(xiàn)為輕度污染。Cr、As 單因子污染指數(shù)在1.00～1.21，且均表現(xiàn)為輕度污染。該結(jié)果表明，研究區(qū)域內(nèi)土壤中Cd 污染最嚴(yán)重，其中T2 處理表現(xiàn)為重度污染，CK 處于輕度污染與中度污染的臨界值，若在條件合適的情況下，可以采取適當(dāng)?shù)拇胧p輕該區(qū)域土壤中重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn)。

表5 不同處理土壤中重金屬的單因子分析

研究區(qū)域內(nèi)重金屬進(jìn)行單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析與綜合污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析見表6。由表6 可知，不同處理土壤中Pb、Cr、As 的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于40，屬低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Cd 的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均介于40～80，屬于中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。土壤中單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)順序依次為，Cd＞As＞Pb＞Cr。不同處理土壤重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）分別為T2＞CK＞T3＞T1，且RI均小于150，土壤中重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為低。研究區(qū)域內(nèi)Cd 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高，造成該現(xiàn)象的原因可能是由于當(dāng)?shù)厝祟惒缓侠淼幕顒?dòng)。

表6 不同處理土壤中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3 討論

中國(guó)南方部分地區(qū)由于常年大量施用化學(xué)肥料，導(dǎo)致土壤呈酸化趨勢(shì)，土壤孔隙度小，易板結(jié)，肥力逐漸下降［22，23］。研究表明，有機(jī)肥含有豐富的有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀與礦質(zhì)元素，對(duì)改善土壤肥力和補(bǔ)充土壤養(yǎng)分庫(kù)具有重要作用［24，25］。土壤調(diào)理劑中含有大量的Si、Ca、Mg 等元素，且自身pH 較高，在一定程度上能夠提升土壤pH，并為土壤提供大量礦質(zhì)元素［26］。合理施用有機(jī)肥與土壤調(diào)理劑能有效改善土壤肥力與孔隙度等問題。本研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥與土壤調(diào)理劑后，土壤pH、有機(jī)質(zhì)、容重、可溶性鹽、交換性鈣、交換性鎂均得到改善，其中T1 處理有機(jī)質(zhì)、容重、交換量鈣和交換量鎂與對(duì)照差異顯著，這與邱吟霜等［27］研究結(jié)果一致。不同養(yǎng)分相關(guān)性分析研究表明，土壤pH 與交換性鎂呈顯著正相關(guān)，與可溶性鹽呈顯著負(fù)相關(guān)，有機(jī)質(zhì)與交換性鎂呈極顯著正相關(guān)，進(jìn)一步說明有機(jī)肥與土壤調(diào)理劑在一定程度上能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機(jī)質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤pH，抑制水溶性鹽上移，降低土壤可溶性鹽的含量［28］。

耕地土壤中重金屬含量受人類活動(dòng)影響較大，重金屬一旦進(jìn)入土壤，不能被土壤自凈能力降解而長(zhǎng)期存在于土壤環(huán)境中，并以食物鏈的形式進(jìn)入人體，對(duì)人體的免疫系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害［29］。土壤調(diào)理劑與有機(jī)肥不能改變土壤重金屬含量，而研究區(qū)域鎘、鉻、砷的含量均超過了湖北省土壤的背景值，其中研究區(qū)域內(nèi)土壤中Cd 的污染最嚴(yán)重，屬于中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，造成這種原因可能存在以下幾點(diǎn)，一是由于當(dāng)?shù)乇尘爸灯?；二是?dāng)?shù)毓喔人艿轿廴?，灌溉水中重金屬含量較高；三是附近工業(yè)區(qū)對(duì)此地造成污染；四是化學(xué)肥料的大量施用。因此需要加強(qiáng)對(duì)附近灌溉水檢測(cè)，防治受重金屬污染的灌溉水進(jìn)入農(nóng)田，同時(shí)防止工業(yè)粉塵對(duì)農(nóng)田土壤的污染。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)研究區(qū)域內(nèi)不同處理下的土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)施用1 500 kg/hm2土壤調(diào)理劑與4 500 kg/hm2有機(jī)肥能夠較好地調(diào)節(jié)土壤pH，增加土壤有機(jī)質(zhì)、交換性鈣、交換性鎂的含量，改善土質(zhì)，降低土壤容重，使土壤環(huán)境能夠更好的適應(yīng)植物的生長(zhǎng)與發(fā)育。

2）土壤pH 與交換性鎂呈顯著正相關(guān)，與可溶性鹽呈顯著負(fù)相關(guān)，有機(jī)質(zhì)與交換性鎂呈極顯著正相關(guān)，表明有機(jī)肥與土壤調(diào)理劑在一定程度上能夠改善土壤結(jié)構(gòu)。

3）不同處理對(duì)土壤中鎘、鉛、鉻、砷的影響無明顯差異，研究區(qū)域內(nèi)土壤中Cd 的污染最嚴(yán)重，Cd 的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均介于40～80，屬于中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。RI均小于150，土壤中重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為低。研究區(qū)域內(nèi)Cd 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高，可能是由于當(dāng)?shù)厝祟惒缓侠砘顒?dòng)。