不同有機(jī)物料對灘涂鹽堿地有機(jī)碳損失?重金屬含量及水稻產(chǎn)量的影響

汪帆　彭昊　李文平　陳超　傅鵬霄　姚宇闐

摘要 通過田間小區(qū)試驗，研究不同有機(jī)物料（對照CK、雞糞T1、羊糞T2、菌菇渣T3、生物腐植酸T4）在等有機(jī)碳投入量下灘涂鹽堿地中有機(jī)碳損失、土壤各類有機(jī)質(zhì)分布及其對土壤重金屬含量及水稻產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，不同有機(jī)物料施入土壤后，T1、T2、T3、T4有機(jī)碳損失率分別為64.52%、58.69%、47.04%和29.56%；未損失部分轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)，雖然T3處理有機(jī)碳損失率較低，但土壤中的活性有機(jī)質(zhì)占比低于其他處理。T3、T4能降低灘涂鹽堿地土壤中的有效態(tài)汞、砷、鎘、鉛、鉻含量，其中以T4效果最好，T1、T2處理能降低汞、鎘、鉻有效態(tài)含量，但在一定程度上分別增加有效態(tài)砷、有效態(tài)鉛含量。T1～T4對水稻有效穗、穗粒數(shù)有顯著提高作用，較對照分別增產(chǎn)10.17%、14.03%、6.65%和24.52%，其中T4能顯著增加水稻穗粒數(shù)。由此可見，在灘涂鹽堿地綜合改良利用中，生物腐植酸在有機(jī)碳損失率、增加土壤活性有機(jī)質(zhì)、降低土壤重金屬含量及提高水稻產(chǎn)量方面具有較顯著優(yōu)勢，是灘涂鹽堿地改良的優(yōu)良有機(jī)物料投入品。

關(guān)鍵詞 灘涂鹽堿地；有機(jī)碳損失率；有機(jī)物料；重金屬含量；水稻產(chǎn)量

中圖分類號 S156文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）08-0083-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.08.019

Effects of Different Organic Materials on Organic Carbon Loss，Heavy Metal Content and Rice Yield in Saline-alkali Mudflats

WANG Fan，PENG Hao，LI Wen-ping et al

（Jiangsu Coastal Ecological Technology Development Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 210019）

Abstract A field plot experiment was conducted to study the loss of organic carbon，the distribution of soil organic matter，and their effects on soil heavy metal content and rice yield under the same amount of organic carbon input of different organic materials （CK，chicken manure T1，sheep manure T2，mushroom residue T3，and biological humic acid T4） in mudflat saline alkali land.The results showed that after applying different organic materials to the soil，the organic carbon loss rates of T1，T2，T3 and T4 were 64.52%，58.69%，47.04%，and 29.56%，respectively;the undisturbed portion was converted into soil organic matter.Although the T3 treatment had a lower organic carbon loss rate，the proportion of active organic matter in the soil was lower than other treatments.T3 and T4 could reduce the content of available mercury，arsenic，cadmium，lead and chromium in mudflat saline alkali soil，of which T4 was the best.T1 and T2 treatments could reduce the content of available mercury，cadmium and chromium，but to a certain extent，they could increase the content of available arsenic and available lead respectively.T1-T4 significantly increased the effective panicle and grain number of rice，with an increase of 10.17%，14.03%，6.65% and 24.52% compared to the control，respectively.Among them，T4 significantly increased the grain number of rice panicles.It could be seen that in the comprehensive improvement and utilization of mudflat saline alkali land，biological humic acid had significant advantages in terms of organic carbon loss rate，increasing soil active organic matter，reducing soil heavy metal content and improving rice yield，and was an excellent organic material input for the improvement of mudflat saline alkali land.

Key words Mudflat saline alkali land;Organic carbon loss rate;Organic materials;Heavy metal content;Rice yield

鹽堿地是我國重要的耕地后備資源，其開發(fā)利用對于保障我國糧食安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義［1］。江蘇灘涂鹽堿地約占全國海涂面積的1/4［2］，具有重要的開發(fā)價值，但是新開墾的灘涂鹽堿地具有pH高、含鹽量高、有機(jī)質(zhì)低、結(jié)構(gòu)差等問題，一直是制約江蘇灘涂農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素［3-4］。灘涂鹽堿地的綜合改良利用一是外源投入大量有機(jī)物料以改善土壤的基本理化性狀；二是種植具有一定耐鹽堿能力的作物，水稻在鹽堿脅迫下表現(xiàn)為中度敏感，因此種植水稻是有效利用鹽堿地的重要途徑。近些年，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于有機(jī)物料對鹽堿地改良方面進(jìn)行了大量研究，嚴(yán)漪云等［4］研究表明施用污泥蚯蚓糞能有效培肥灘涂鹽堿地土壤；左文剛［5］利用生活污泥來改良灘涂鹽堿地，能顯著降低土壤鹽分和土壤pH，提高有機(jī)碳含量，且對水稻、玉米等作物具有顯著的增產(chǎn)效果；安豐華等［6］研究表明植物秸稈能有效降低濱海鹽土全鹽含量和pH，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤微生物數(shù)量和酶活性?？梢?，通過外源投入不同有機(jī)物料來提高灘涂鹽堿地中的有機(jī)質(zhì)含量，可以明顯改善土壤的物理性狀，從而改變土壤水鹽運(yùn)移狀況，促進(jìn)土壤脫鹽，并同時促進(jìn)作物生長。然而，目前關(guān)于不同有機(jī)物料進(jìn)入鹽堿地后，在鹽堿地中的礦化速率、對鹽堿地土壤基本理化性狀、土壤重金屬含量以及水稻產(chǎn)量的影響鮮有研究。該試驗以水稻為試驗作物，在江蘇灘涂鹽堿地開展田間試驗，從礦化損失率、土壤理化性狀、土壤重金屬含量及水稻產(chǎn)量等角度評價不同有機(jī)物料對鹽堿土改良的綜合效益，以期為鹽堿土改良利用確定合適的有機(jī)物料和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江蘇省鹽城市東臺市金東臺農(nóng)場，屬亞熱帶和暖溫帶的過渡區(qū)，季風(fēng)顯著，常年平均氣溫15.0 ℃，無霜期220 d，年降水量1 061.2 mm，年日照時數(shù)2 130.5 h。試驗地為灘涂圍墾后經(jīng)過工程改良的輕度鹽堿地，土壤具體理化性狀為pH 8.66、含鹽量0.153%、有機(jī)質(zhì)11.9 g/kg、堿解氮25.61 mg/kg、有效磷12.00 mg/kg、速效鉀320 mg/kg、速效鈉660 mg/kg。

1.2 供試材料

試驗所用雞糞有機(jī)質(zhì)含量為45.8%、pH 7.9，羊糞有機(jī)質(zhì)含量為45.4%、pH 7.8，菌菇渣有機(jī)質(zhì)含量為47.4%、pH 8.3，上述3種有機(jī)物料均為腐熟后的有機(jī)肥，購自江蘇豐大肥業(yè)有限公司；所用生物腐植酸是餐廚廢棄物經(jīng)生物強(qiáng)化腐殖化發(fā)酵制備而成，有機(jī)質(zhì)含量75.0%、pH 4.5，購自北京嘉博文生物科技有限公司。

1.3 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置5個處理：不使用外源有機(jī)物料處理（CK），施用雞糞處理（T1），施用羊糞處理（T2），施用菌菇渣處理（T3），施用生物腐植酸處理（T4），4種有機(jī)物料按折純有機(jī)質(zhì)4 500 kg/hm2投入，每個處理4次重復(fù)，共計20個小區(qū)，小區(qū)面積為15 m2（3 m×5 m），采用隨機(jī)區(qū)組方式排列。

氮肥施用總量為純氮150 kg/hm2，氮肥施用時期與比例為基肥∶蘗肥∶調(diào)節(jié)肥∶穗肥=3∶4∶1∶2，鉀肥施用總量為90 kg/hm2，鉀肥按基肥∶穗肥＝1∶1施用，磷肥施用總量為120 kg/hm2，磷肥、有機(jī)物料均作為基肥一次性施入。

整地前將有機(jī)物料、肥料按照比例作為基肥撒施、旋耕，隨后灌水漚田1～2 d，最后進(jìn)行耙地和插秧，根據(jù)當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行移栽，秧苗行株距為30 cm×12 cm，每穴2～3株。水稻品種為 9108，于2022年6月10日插秧，10月25日收獲，其他按田間生產(chǎn)常規(guī)管理進(jìn)行。

1.4 測定內(nèi)容與方法

1.4.1 有機(jī)碳損失率。有機(jī)物料施入土壤后，土壤微生物的作用下，會同時存在腐殖化、礦化2個過程，其中腐殖化過程中的一些中間產(chǎn)物在微生物作用下重新合成一種更復(fù)雜的有機(jī)化合物，形成土壤有機(jī)碳，是土壤有機(jī)質(zhì)的重要來源。不同有機(jī)物料的腐殖化、礦化速率不同，施用等有機(jī)質(zhì)物料后給土壤增加的有機(jī)質(zhì)也有差異，為更好表述有機(jī)物料的有機(jī)碳損失，提出有機(jī)碳損失率，計算公式如下：

ω=[（S×h×（M1×ρ1-M2×ρ2）+W）/W]×100%

式中：ω為有機(jī)碳損失率（%）；S為單位面積（m2），取值1 m2；h為耕地耕層深度（m），取值0.2 m；M1為施肥前土壤有機(jī)質(zhì)含量（%）； M2為收獲后土壤有機(jī)質(zhì)含量（%）；ρ1為施肥前土壤容重（kg/m3）；ρ2為水稻收獲后土壤容重（kg/m3）；W為折純有機(jī)質(zhì)投入量（kg）。

1.4.2 土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)。

于水稻收獲后取0～20 cm耕層土壤，四分法取土、風(fēng)干。土壤有機(jī)質(zhì)檢測方法參照文獻(xiàn)［7］進(jìn)行，土壤活性有機(jī)質(zhì)參照文獻(xiàn)［8］方法檢測。

1.4.3 土壤汞、砷、鎘等重金屬含量? 。

檢測土壤中汞、砷、鎘、鉛、鉻5類重金屬含量，檢測方法參照文獻(xiàn)［7］進(jìn)行。

1.4.4 水稻產(chǎn)量。于水稻收獲期采用每塊田對角線 3 點取樣法；每點取連續(xù) 21 行、測量行距；選取連續(xù) 21 株、測量株距，計算穴數(shù)（穴/hm2）；順序選取 20 穴計算穗數(shù)（穗/hm2）。在測產(chǎn)單元內(nèi)取具有代表性的稻株 2～3 穴（不少于 50 穗），調(diào)查有效穗粒數(shù)，并取其中1 000粒有效籽粒烘干測定千粒重。理論產(chǎn)量計算如下：

產(chǎn)量（kg/hm2）= 有效穗數(shù)（萬穗/hm2）×每穗粒數(shù)（粒）×千粒重（g）×10-2×85%

1.5 統(tǒng)計分析方法

采用Microsoft Excel軟件處理數(shù)據(jù)，用SPSS 11.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)物料有機(jī)碳損失率

不同有機(jī)物料因木質(zhì)素、纖維素等大分子碳含量的差異，在土壤中的礦化、腐殖化速度存在差異。從圖1可以看出，等有機(jī)質(zhì)不同有機(jī)物料施入鹽堿地135 d后，其有機(jī)碳損失率差異明顯，其中生物腐植酸處理（T4）有機(jī)碳損失率較小，僅為29.56%，與雞糞（T1）、羊糞（T2）和菌菇渣（T3）呈顯著差異；其次為菌菇渣（T3），有機(jī)碳損失率為47.04%，顯著低于雞糞、羊糞處理，雞糞（T1）、羊糞（T2）有機(jī)碳損失率較大，分別為64.52%、58.69%，兩者無顯著差異，羊糞略優(yōu)于雞糞。

2.2 不同有機(jī)物料對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)含量是衡量土壤理化性狀和肥力水平的重要指標(biāo)。從表1可以看出，不同類型有機(jī)肥對土壤有機(jī)質(zhì)含量、活性有機(jī)質(zhì)含量、中活性和高活性有機(jī)質(zhì)含量影響明顯，其中對土壤有機(jī)質(zhì)含量提升效果依次為生物腐植酸（T4）＞菌菇渣（T3）＞羊糞（T2）＞雞糞（T1），生物腐植酸顯著優(yōu)于其他物料，這與生物腐植酸的碳損失率低直接相關(guān)。不同有機(jī)物料進(jìn)入灘涂鹽堿地后的活性有機(jī)質(zhì)與普通有機(jī)質(zhì)含量存在差異，雞糞（T1）、羊糞（T2）雖然在提升灘涂鹽堿地土壤有機(jī)質(zhì)效果上略低于菌菇渣（T3），但卻能提高土壤中的活性、中活性和高活性有機(jī)質(zhì)；而生物腐植酸對鹽堿土壤中的有機(jī)質(zhì)及各類活性均有較顯著的提升效果。

2.3 不同有機(jī)物料對土壤重金屬含量的影響

土壤重金屬含量由2個來源組成，一個是土壤重金屬本底值，另一個是外源帶入。從表2可以看出，菌菇渣（T3）、生物腐植酸（T4）可在一定程度上降低灘涂鹽堿地土壤中的汞、砷、鎘、鉛、鉻有效態(tài)含量。施用雞糞（T1）處理的土壤中有效態(tài)砷含量較對照略有上升，其原因可能是雞糞中含有一定量砷；施用羊糞（T2）處理的土壤有效態(tài)鎘含量有一定升高。可見不同有機(jī)物料雖然對鹽堿地土壤中的重金屬有降低作用，但是有機(jī)物料本身含有的重金屬可能會導(dǎo)致土壤重金屬含量升高。

2.4 不同有機(jī)物料對水稻產(chǎn)量構(gòu)成及產(chǎn)量的影響 作物產(chǎn)量是衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)價值的重要指標(biāo)。從表3可以看出，與CK處理相比，不同類型有機(jī)物料均顯著影響鹽堿地水稻產(chǎn)量，其中生物腐植酸處理（T4）水稻產(chǎn)量最高，較對照增產(chǎn)24.61%，并顯著高于其他處理，其次為羊糞（T2）、雞糞（T1）處理，其水稻產(chǎn)量較對照分別增產(chǎn)14.08%、10.20%；菌菇渣處理（T3）最低，其水稻產(chǎn)量較對照增產(chǎn)6.65%。通過對水稻產(chǎn)量構(gòu)成分析，發(fā)現(xiàn)雞糞、羊糞、菌菇渣、生物腐植酸均能顯著提高水稻有效穗數(shù)，而羊糞、菌菇渣、生物腐植酸較雞糞在提高水稻有效穗數(shù)具有顯著性優(yōu)勢。不同有機(jī)物料處理的穗粒數(shù)差異明顯，雞糞、羊糞和生物腐植酸處理均顯著優(yōu)于CK處理，其中以生物腐植酸處理穗粒數(shù)最高，較CK增加20.80%；不同有機(jī)物料對水稻千粒重?zé)o顯著影響。

3 討論與結(jié)論

土壤有機(jī)碳在維持和提高土壤肥力方面有十分重要的作用，被認(rèn)為是土壤質(zhì)量和功能的核心［9］。但不同有機(jī)物料養(yǎng)分特性、有機(jī)碳礦化特性存在明顯差異［10-12］。該研究結(jié)果表明，在等有機(jī)質(zhì)量投入情況下，雞糞、羊糞施入灘涂鹽堿地后有機(jī)碳損失率較大，其原因是有機(jī)糞肥中含有大量易分解的有機(jī)碳，通過礦化作用損失［13］。菌菇渣木質(zhì)素、纖維素等大分子有機(jī)碳占比較高，所以在土壤中的礦化作用較弱，其損失率較小。該試驗中所采用的生物腐植酸是餐廚廢棄物通過生物強(qiáng)化腐殖化產(chǎn)生［14］，其大分子有機(jī)碳占比約60%，減緩了有機(jī)碳礦化損失。另外，生物腐植酸中富含多種小分子碳源，能有效增加土壤中的活性、中活性和高活性有機(jī)碳，這一部分碳源能為微生物、作物提供最直接的碳源。相比菌菇渣，雖然雞糞、羊糞進(jìn)入土壤后有機(jī)碳損失率比較大，但可以與生物腐植酸一樣，能夠有效增加土壤中的活性有機(jī)碳。

新圍墾的灘涂鹽堿地土壤重金屬主要來源于土壤本底值以及外源投入品帶入。有效態(tài)重金屬含量主要取決于土壤中全量重金屬含量和土壤化學(xué)性質(zhì)，如土壤pH和土壤有機(jī)質(zhì)含量［15］。有研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)物料在生物降解過程中釋放的腐植酸類物質(zhì)能夠有效降低土壤pH，從而提高土壤重金屬的溶解性和有效性［16］，也有研究結(jié)果表明施用有機(jī)物料后產(chǎn)生的活性有機(jī)碳對土壤重金屬有吸附作用，從而降低重金屬有效性［17-19］，可見土壤有機(jī)質(zhì)對土壤重金屬有效性的研究結(jié)果仍存在較大的分歧。該研究結(jié)果表明，在灘涂鹽堿地土壤條件下，施用菌菇渣、生物腐植酸可在一定程度上降低灘涂鹽堿地土壤中重金屬汞、砷、鎘、鉛、鉻的有效性，其中生物腐植酸效果最突出，而施用雞糞、羊糞也會降低一部分重金屬有效態(tài)含量，但在一定程度上分別增加有效態(tài)砷、鎘，這可能與雞糞、羊糞中含有一定量砷、鎘有關(guān)。

長期施用有機(jī)物料可有效改善耕層土壤環(huán)境，提高土壤養(yǎng)分含量、酶活性和土壤微生物生物量，增加土壤微生物群落多樣性，為作物增產(chǎn)打下堅實基礎(chǔ)。在該研究中，在等有機(jī)質(zhì)投入量情況下，施用不同有機(jī)物料均能顯著提高鹽堿地水稻有效穗數(shù)15.21%～23.85%，其中羊糞、菌菇渣和生物腐植酸較雞糞更具有優(yōu)勢；另外，施用雞糞、羊糞和生物腐植酸能有效提高鹽堿地水稻穗粒數(shù)，尤其是生物腐植酸處理穗粒數(shù)較對照增加20.80%；4種不同有機(jī)物料鹽堿地水稻千粒重?zé)o顯著影響。在水稻產(chǎn)量方面，以生物腐植酸處理水稻產(chǎn)量最高，與對照處理相比增產(chǎn)24.61%，核心原因是生物腐植酸處理水稻有效穗數(shù)、穗粒數(shù)均有顯著提高，尤其是穗粒數(shù)顯著高于其他有機(jī)物料處理，這與徐全輝等［20］認(rèn)為腐植酸有機(jī)肥主要以增加水稻的穗粒數(shù)來提高產(chǎn)量的研究結(jié)果一致。菌菇渣處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量雖然高于雞糞、羊糞處理，但其產(chǎn)量卻低于雞糞、羊糞處理，這可能與土壤活性有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)。

該研究結(jié)果表明，在等有機(jī)質(zhì)投入下，不同有機(jī)物料施入鹽堿地土壤經(jīng)過水稻一季種植后均能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、改變水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素，進(jìn)而提高鹽堿地水稻產(chǎn)量，但不同有機(jī)物料對鹽堿地土壤理化性狀和水稻生長的影響有所差異。雞糞、羊糞進(jìn)入土壤后有機(jī)碳損失率較大，生物腐植酸、菌菇渣有機(jī)碳損失率較小，對提升土壤有機(jī)質(zhì)指標(biāo)效果最佳，并且生物腐植酸、菌菇渣在降低土壤有效態(tài)重金屬和安全性方面更具有優(yōu)勢。不同有機(jī)物料均能提高水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，其中羊糞更有利于提高水稻有效穗數(shù)、生物腐植酸更有利于提高水稻穗粒數(shù)。因此綜合考慮，生物腐植酸在灘涂鹽堿地改良、利用方面較雞糞、羊糞、菌菇渣更加實用。

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基金項目 江蘇省沿海開發(fā)集團(tuán)有限公司科研項目（2022YHTDZZ01）。

作者簡介 汪帆（1988—），男，安徽黃山人，農(nóng)藝師，碩士，從事土壤肥料方面的研究。*通信作者，博士，從事土壤改良方面的研究。

收稿日期 2023-06-13