調(diào)理劑對(duì)酸性富硒土壤改良效果的初步研究

張陽陽, 王夢(mèng)園, 周 偉, 汪 丹, 閆加力

(1.湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院(湖北省富硒產(chǎn)業(yè)研究院),湖北 武漢 430034; 2.湖北省硒生態(tài)環(huán)境效應(yīng)檢測(cè)中心,湖北 武漢 430034)

硒(Se)是人體必需的微量元素之一,能提高人體免疫力、預(yù)防癌癥、治療糖尿病,并對(duì)鉛、鎘、汞、砷、鉈等重金屬有拮抗作用[1-2]。硒在環(huán)境中的分布極不均衡[3],中國是缺硒最嚴(yán)重的國家之一,貧硒地區(qū)占國土面積的72%[4]。因此,營養(yǎng)學(xué)家呼吁全社會(huì)抓好貧硒地區(qū)居民的補(bǔ)硒工作[5]。目前,通過食用富硒農(nóng)產(chǎn)品補(bǔ)硒,被認(rèn)為是一種較為安全有效的方式,因此合理提高農(nóng)產(chǎn)品硒含量是人類獲取硒營養(yǎng)的重要途徑。

湖北省土地質(zhì)量調(diào)查工作在恩施州發(fā)現(xiàn)了大量?jī)?yōu)質(zhì)富硒土壤資源[6]。但是,近年來受多種因素影響,恩施州耕地土壤日漸酸化[7],影響了水稻對(duì)硒的吸收利用,從而導(dǎo)致富硒水稻占比較低?，F(xiàn)階段富硒農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)主要有2種:①利用天然富硒土壤,通過施加土壤調(diào)理劑,提高土壤硒的生物有效性;②通過施加外源硒(硒肥),提高土壤硒含量。但施用硒肥存在一定風(fēng)險(xiǎn),對(duì)土壤的影響未知,可能會(huì)引起一定的污染,并且對(duì)于土壤硒資源也是一種浪費(fèi)[8]。因此,通過施加土壤調(diào)理劑提高土壤有效硒含量是較為理想的一種方式。

在諸多土壤調(diào)理劑中,磷肥、生物炭和生石灰被證明對(duì)提高土壤硒的生物有效性具有積極作用。前人研究表明,土壤中的硒和磷在化學(xué)行為上具有一定的相似性,二者在土壤中存在競(jìng)爭(zhēng)吸附作用,增加磷肥可使硒從土壤中釋放出來,提高土壤硒的生物有效性[9]。另外,有機(jī)質(zhì)是土壤中固定和貯存硒的重要媒介,生物炭的施用是提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的有效途徑。相關(guān)研究表明有機(jī)質(zhì)含量與可供作物吸收的硒形態(tài)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[10]。除此之外,土壤中的硒形態(tài)易受土壤酸堿性的影響,生石灰可以中和酸性土壤,提高土壤pH值,從而提高土壤硒的生物有效性[11]。因此,基于前人的研究結(jié)果,針對(duì)恩施州利川市富硒酸性土壤,以水稻為研究對(duì)象,開展盆栽試驗(yàn),研究磷肥、生物炭、生石灰的不同配施方式對(duì)土壤改良效果及硒生物有效性的影響,旨在為推進(jìn)恩施州天然富硒水稻種植關(guān)鍵技術(shù)研究提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

盆栽試驗(yàn)場(chǎng)所位于湖北省武漢市蔡甸區(qū)張灣街富硒產(chǎn)業(yè)實(shí)驗(yàn)研究基地內(nèi),試驗(yàn)全程都在網(wǎng)室中進(jìn)行,保持通風(fēng)與足夠的光照,且作物生長(zhǎng)全程均使用去離子水澆灌,保障盆栽中的作物與土壤不會(huì)受到外部因素的影響。

1.2 試驗(yàn)土壤

1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)項(xiàng)目在利川市汪營鎮(zhèn)采集了水田土壤樣品110件,其中硒含量達(dá)到富硒標(biāo)準(zhǔn)(≥0.4 mg/kg)的有88件,占采樣總數(shù)的80%。根據(jù)利川市汪營鎮(zhèn)富硒土壤分布情況,選擇該鎮(zhèn)梨樹村水稻田(地理坐標(biāo):東經(jīng)108°45′42.05″,北緯30°16′25.54″)土壤作為盆栽試驗(yàn)土壤,其理化性質(zhì)見表1,可知試驗(yàn)土壤偏酸性,硒含量達(dá)到了富硒標(biāo)準(zhǔn),且重金屬含量不超標(biāo),符合試驗(yàn)要求。同時(shí),該項(xiàng)目共采集水稻籽粒樣品135件,其中45件的硒含量≥0.04 mg/kg,對(duì)應(yīng)的根系土硒含量為0.1～1.43 mg/kg。

表1 試驗(yàn)土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.3 試驗(yàn)材料

調(diào)理劑:①鈣鎂磷肥,荊門市高園磷肥有限公司生產(chǎn),有效磷(P2O5)含量≥120 g/kg,pH值為7～10;②小麥生物炭,河南譽(yù)中奧農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn),碳含量≥950 g/kg,pH值為8.34;③過磷酸鈣,湖北豐樂生態(tài)肥業(yè)有限公司生產(chǎn),有效磷含量≥120 g/kg,pH值為2.55;④生石灰,建德市新安江永合塑料廠生產(chǎn),氧化鈣含量≥990 g/kg,pH值為12.39。

水稻種:榮優(yōu)華占,北京金色農(nóng)華種業(yè)科技有限公司江西分公司提供,為利川市當(dāng)?shù)刂髟云贩N。

1.4 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)土壤風(fēng)干、過2 mm篩,準(zhǔn)確稱量18 kg裝進(jìn)花盆(花盆直徑30 cm,高35 cm),與基肥(按農(nóng)戶種植正?；视昧?及調(diào)理劑混合均勻。

本研究中除對(duì)照組(CK,常規(guī)基肥用量,不施調(diào)理劑)外,設(shè)置了鈣鎂磷肥、過磷酸鈣、小麥生物炭、生石灰單獨(dú)施用和復(fù)配施用共5種不同處理方式的試驗(yàn)組,即T1:鈣鎂磷肥(6 g/kg);T2:鈣鎂磷肥(6 g/kg)+小麥生物炭(2.4 g/kg);T3:過磷酸鈣(6 g/kg);T4:過磷酸鈣(6 g/kg)+小麥生物炭(2.4 g/kg);T5:生石灰(6 g/kg)+小麥生物炭(2.4 g/kg)。盆栽試驗(yàn)于2021年4月布置完成,并于同年9月進(jìn)行土壤及水稻樣品的采集。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目與方法

水稻成熟期收獲水稻植株,將其按不同的器官(根和籽粒)進(jìn)行分離,并用去離子水沖洗干凈后烘干、磨碎,保存于密封塑料袋用于生物量及化學(xué)測(cè)定。所有玻璃器皿均置于10%稀鹽酸溶液中浸泡過夜,用去離子水洗凈后烘干使用。

樣品由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行測(cè)試,土壤pH值采用水浸提電位法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)含量采用油浴外加熱重鉻酸鉀氧化—容量法測(cè)定;全硒采用氫化物—原子熒光光譜法測(cè)定;有效硒含量的測(cè)定,采用0.1 mol/L的磷酸二氫鉀溶液浸提,硝酸+雙氧水(體積比為7∶1)混酸進(jìn)行微波消解后,用氫化物—原子熒光光譜法測(cè)定;水稻植株樣硒含量的測(cè)定,采用硝酸、氯酸消解,用氫化物—原子熒光光譜法測(cè)定。實(shí)驗(yàn)方法及過程均滿足NY/T 1004—2006、NY/T 3420—2019、GB 5009.93—2017等規(guī)范的要求。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,采用DPS9.01軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的單因素方差分析,采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯著性檢驗(yàn),并用Origin21及SigmaPlot10.0軟件進(jìn)行圖件繪制。

2 分析與結(jié)果

2.1 不同處理對(duì)土壤pH值的影響

通過提高土壤pH值來提高土壤有效硒含量是一種常用手段,土壤有效硒含量與其pH值呈正相關(guān)關(guān)系,pH值越大,有效硒含量越高[12]。圖1是不同處理對(duì)土壤pH值影響的柱狀圖,結(jié)果顯示幾種處理均能在一定程度上提高土壤pH值,增幅為0.55～1.12。CK土壤pH值為5.65,呈弱酸性,各處理與CK之間存在極顯著差異(P<0.01),土壤pH值由高到低依次是T5>T2>T3>T1>T4>CK。其中T5處理的土壤pH值最高,為6.77;T4處理的土壤pH值最低,為6.20,說明一定量的生石灰與小麥生物炭組合對(duì)土壤酸化的改良效果最明顯。

注:圖中大寫字母表示不同處理間差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01),后圖同。圖1 不同處理對(duì)土壤pH值的影響Fig.1 Effects of different treatments on soil pH

2.2 不同處理對(duì)土壤硒形態(tài)的影響

土壤硒的生物有效性與硒形態(tài)有關(guān),硒形態(tài)包括:水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐殖酸結(jié)合態(tài)、鐵錳結(jié)合態(tài)、強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)。由圖2可知,CK土壤中腐殖酸結(jié)合態(tài)、強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)硒含量占比較高,分別為35.0%、32.3%、27.2%,說明這三者為硒的主要存在形態(tài);而其他4種形態(tài)的硒含量占比較小,水溶態(tài)、鐵錳結(jié)合態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒含量占比分別為2.5%、1.6%、0.8%、0.6%,其中可供作物吸收的水溶態(tài)和離子交換態(tài)硒僅占3.3%。以上說明,雖然試驗(yàn)土壤中總硒含量達(dá)到了富硒土壤標(biāo)準(zhǔn)(≥0.4 mg/kg),但土壤中硒的生物有效性較低。

圖2 不同處理對(duì)土壤硒形態(tài)的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil selenium forms

不同處理的土壤硒形態(tài)分析表明,施用調(diào)理劑后,土壤中水溶態(tài)和離子交換態(tài)硒含量占比均高于CK組,提升效果依次是T4>T1>T2>T3>T5>CK,說明5種處理都能促進(jìn)提高土壤有效硒含量。其中,T4、T1和T2處理對(duì)土壤水溶態(tài)和離子交換態(tài)硒含量提高效果最好。T4處理提高至3.8%,較CK增加了0.5%;T1處理提高至3.7%,較CK增加了0.4%;T2處理提高至3.7%,較CK增加了0.4%(圖2)。

2.3 不同處理對(duì)土壤有效硒含量的影響

土壤的有效硒含量與作物對(duì)土壤硒的吸收利用程度存在良好的相關(guān)性,能夠更加全面地反映出土壤硒的生物有效性[13-14]。水溶態(tài)與可交換態(tài)硒被稱為有效硒,是能夠被植物直接吸收利用的部分,是決定食物鏈中硒水平的關(guān)鍵因素之一[15]。分析各處理的效果(圖3)發(fā)現(xiàn),與CK相比,不同處理的土壤中有效硒含量均有不同程度地提高,除T5之外,其他處理與CK之間均存在極顯著差異(P<0.01)。各處理對(duì)土壤有效硒含量的提高效果從高到低依次是T4>T3>T1>T2>T5>CK,土壤有效硒含量提高了1.58～4.82 μg/kg,增幅為20.6%～62.8%。其中T4、T3、T1處理的土壤有效硒含量增加值最多,分別較CK提高了4.82、3.33、3.21 μg/kg,增幅分別為62.8%、43.4%、41.9%。

圖3 不同處理對(duì)土壤有效硒含量的影響Fig.3 Effects of different treatments on available selenium content in soil

2.4 不同處理對(duì)水稻籽粒與根系硒含量的影響

水稻植株的硒含量是評(píng)價(jià)土壤調(diào)理劑改良效果的重要指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明,各處理均能提高水稻籽粒和根系硒含量(圖4)。各處理對(duì)水稻籽粒硒含量的提高效果從高到低依次是T4>T3>T1>T2>T5>CK,硒含量提高了0.05～0.38 mg/kg,增幅為14.7%～111.8%。其中T4、T3、T1處理的水稻籽粒硒含量與CK的差異達(dá)到了極顯著水平(P<0.01),較CK分別提高了0.38、0.37、0.24 mg/kg,增幅分別為111.8%、108.8%、70.6%;水稻根系硒含量較CK分別提高了0.37、0.34、0.16 mg/kg,增幅分別為56.9%、52.3%、24.6%。各處理對(duì)水稻籽粒和根系硒含量的影響與對(duì)土壤有效硒含量的影響趨勢(shì)基本一致。

注:圖中小寫字母表示不同處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。圖4 不同處理對(duì)水稻籽粒、根系硒含量的影響Fig.4 Effects of different treatments on selenium content in rice grains and roots

2.5 不同處理對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響

水稻的產(chǎn)量主要由3個(gè)“可見”的農(nóng)藝性狀——粒重、穗粒數(shù)和有效分蘗數(shù)構(gòu)成,這些農(nóng)藝性狀又受到營養(yǎng)利用效率、光合作用效率等“不可見”的生理性狀的影響[16]。水稻的分蘗數(shù)直接決定了其有效分蘗數(shù)的多寡[16],葉綠素值可以反映其光合作用效率的大小[17],合理的株高有利于形成較高的產(chǎn)量和較強(qiáng)的抗逆性[18],因此本研究選用千粒重、分蘗數(shù)、葉綠素、株高等4個(gè)農(nóng)藝性狀作為評(píng)價(jià)水稻生長(zhǎng)發(fā)育狀況的指標(biāo)。

不同處理對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育影響的效果見表2。由表2可以看出,各處理分蘗數(shù)均高于CK,以T5、T4、T1處理最高,與CK之間存在顯著差異(P<0.05),由CK的18.33分別提高至28.56、27.67、24.22,說明配施生石灰和小麥生物炭、配施過磷酸鈣和小麥生物炭、單施鈣鎂磷肥均能顯著提高水稻分蘗數(shù)。

表2 水稻農(nóng)藝性狀統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical table of agronomic shapes of rice

葉綠素統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,除T4處理外,其他處理的葉綠素均顯著高于CK(P<0.05),其中T1、T3處理提高至45.44、44.85,較CK(37.53)提高了21.0%、19.5%,說明施用一定量的鈣鎂磷肥或過磷酸鈣具有促進(jìn)光合作用效率的潛力,對(duì)植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)與抗逆性的提高具有積極作用。

株高統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,各處理的株高均高于CK,其中T5、T1、T2處理與CK之間存在顯著差異(P<0.05),其中T5處理為132.33 cm,說明配施一定量的生石灰和小麥生物炭對(duì)于水稻株高這一指標(biāo)的促進(jìn)作用較其他處理更為顯著。

千粒重統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,除T2處理外,其他處理對(duì)水稻千粒重均有提高效果。其中T5處理的水稻千粒重由CK的25.31 g提高至26.16 g,兩者之間存在顯著差異(P<0.05),說明配施一定量的生石灰和小麥生物炭有助于提高水稻千粒重,對(duì)產(chǎn)量的提高具有積極影響。

3 討論

3.1 不同調(diào)理劑對(duì)土壤pH值的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示,不同調(diào)理劑組合均能提高土壤pH值,其中T5處理的土壤pH值最高,呈中性,說明一定量的生石灰和小麥生物炭配施具有改良酸性土壤的效果,其原因可能是生石灰呈堿性,能中和土壤中的氫離子。另一方面可能與小麥生物炭有關(guān),這與已有報(bào)道中反映的趨勢(shì)相同[19],其機(jī)理可能是生物炭表面富含大量羥基、酚羥基等含氧官能團(tuán),這些官能團(tuán)會(huì)與土壤中的氫離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),從而達(dá)到中和土壤酸度的效果[20]。

3.2 不同調(diào)理劑對(duì)土壤有效硒含量的影響

研究顯示,在不同調(diào)理劑配施處理中,提高土壤有效硒含量效果最好的是T5處理,即配施過磷酸鈣和小麥生物炭。磷可以使土壤中的固定態(tài)硒向有效態(tài)硒轉(zhuǎn)變[21],可能與兩者在土壤中均以陰離子形態(tài)存在,化學(xué)行為具有一定的相似性,在土壤膠體的吸附位點(diǎn)上存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系有關(guān)。因此,施用含磷土壤調(diào)理劑可能會(huì)減少亞硒酸鹽在土壤固體表面的吸附[22]。另外,發(fā)現(xiàn)施用過磷酸鈣對(duì)土壤有效硒含量的提升效果優(yōu)于施用鈣鎂磷肥,其可能與鈣鎂磷肥為難溶性磷肥,肥效相較于過磷酸鈣更慢有關(guān)。因此,在實(shí)際施用土壤調(diào)理劑進(jìn)行土壤改良時(shí),應(yīng)注意結(jié)合原料粒徑、可溶性進(jìn)行綜合考慮,以最大程度地提高調(diào)理劑的利用率。研究發(fā)現(xiàn),施用小麥生物炭對(duì)土壤有效硒含量的提高更為顯著,除了對(duì)土壤pH值造成影響外,可能還增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量,后者被證明對(duì)土壤硒的生物有效性具有雙重調(diào)節(jié)作用,一定條件下具有提高土壤硒的生物有效性的效果[23]。

值得注意的是,本研究證明T5處理即配施生石灰和小麥生物炭對(duì)提高土壤pH值效果最好,但土壤有效硒含量提高最多的是T4處理,即配施過磷酸鈣和小麥生物炭,說明土壤pH值與土壤有效硒含量之間可能并不是絕對(duì)的正相關(guān)關(guān)系。嚴(yán)佳[24]研究了不同調(diào)理劑對(duì)土壤pH值和有效硒含量的影響,結(jié)果表明在施用同等用量水平下,鈣鎂磷肥對(duì)酸性茶園土壤pH值的提高效果比生石灰稍差,但對(duì)土壤有效硒的提高效果要優(yōu)于生石灰,這與本研究結(jié)果類似,說明土壤有效硒的提高并不完全取決于土壤pH值,可能與多種因素相關(guān)。

3.3 不同調(diào)理劑對(duì)水稻籽粒和根系硒含量的影響

不同土壤調(diào)理劑對(duì)水稻籽粒和根系硒含量提高效果顯著,T4處理即配施過磷酸鈣和小麥生物炭的水稻籽粒硒含量最高,較CK提高了113.9%,初步分析可能與調(diào)理劑原材料本身對(duì)土壤性狀的影響有關(guān)。姚歡等[9]研究指出,含磷材料具有提高土壤有效硒質(zhì)量比的作用,此外,生物炭在酸性土壤的應(yīng)用中具有促進(jìn)土壤硒的溶解和釋放的作用。雖然有施用生物炭對(duì)根系硒含量有積極影響,但對(duì)地上部分硒含量影響較小的報(bào)道[25],但這可能與生物炭材料不同、作物種類與供試土壤性狀不同有關(guān),也可能與本研究配施材料的相互作用有關(guān)。一定量的過磷酸鈣與小麥生物炭配施,具有促使土壤硒被活化、促進(jìn)水稻植株硒富集與轉(zhuǎn)運(yùn)的作用。

3.4 不同調(diào)理劑對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示,配施生石灰和小麥生物炭對(duì)提高水稻分蘗數(shù)、株高、千粒重效果最好。生石灰被證明對(duì)改良酸性土壤、促進(jìn)作物根系和地上部分發(fā)育具有積極影響[26-27],原因主要是生石灰的施用有利于提高土壤pH值,并降低土壤交換性酸總量和土壤交換性鋁含量,進(jìn)而促進(jìn)根系發(fā)育。也有研究表明,過量施用生石灰會(huì)影響土壤結(jié)構(gòu),造成土壤板結(jié),以及鉀、鈣、鎂等營養(yǎng)元素失調(diào),導(dǎo)致作物減產(chǎn)[28]。因此,在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用適量的生石灰至關(guān)重要。此外,處理中所用到的生物炭也被證明能改善土壤肥力,增強(qiáng)植株光合能力,提高水稻有效分蘗數(shù),進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量[29-30]。這與本研究結(jié)果一致,其原因可能是因?yàn)槭┘由锾坑欣谔岣咄寥烙行юB(yǎng)分含量,從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育[31]。

葉綠素是最重要的光合色素之一,在光合作用過程中扮演著重要角色。此次試驗(yàn)中,單施鈣鎂磷肥和過磷酸鈣對(duì)水稻葉片葉綠素的提升效果最顯著。張?jiān)４╗32]研究認(rèn)為,磷肥對(duì)葉綠素含量有顯著影響(P<0.05),葉綠素含量隨著磷肥施用量的增加而提高,這與此次結(jié)果一致。磷肥的合理施用不僅能提高水稻葉綠素含量,還能促進(jìn)水稻生長(zhǎng),但要注意其用量,過量的磷肥會(huì)導(dǎo)致植株株高降低、莖粗縮小,葉面積指數(shù)逐漸減小[32]。

4 結(jié)論

(1) 本研究設(shè)置的5種處理均能提高土壤有效硒含量,并提高水稻籽粒和根系的硒含量。土壤有效硒含量提升趨勢(shì)與水稻硒含量提升趨勢(shì)一致,從高到低依次是T4>T3>T1>T2>T5>CK,其中T4處理(配施過磷酸鈣(6 g/kg)+小麥生物炭(2.4 g/kg))效果最好,與CK的差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01),土壤有效硒含量從7.67 μg/kg(CK)提高至12.49 μg/kg,較CK增長(zhǎng)了62.8%;水稻籽粒硒含量較CK提高了0.38 mg/kg,增長(zhǎng)111.8%;水稻根系硒含量較CK提高了0.37 mg/kg,增長(zhǎng)56.9%。

(2) 5種處理對(duì)提高土壤pH值均有極顯著效果(P<0.01),對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育也有積極影響。其中T5處理(配施生石灰(6 g/kg)+小麥生物炭(2.4 g/kg))的效果最好,pH值從5.65(CK)提高至6.77;株高、分蘗數(shù)、葉綠素和千粒重均顯著高于CK(P<0.05)。

(3) 基于本研究結(jié)果,針對(duì)利川地區(qū)酸性富硒土壤,推薦使用生石灰與小麥生物炭配施的方式進(jìn)行土壤改良,具體用量應(yīng)在考慮經(jīng)濟(jì)成本的基礎(chǔ)上結(jié)合大田試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。