稻草不同还田方式对盐渍型水稻土铁形态的影响

关连珠，潘林林，张 昀，高晓丹，张广才，姜雪楠，张 婷，赵 雅，叶 超，张雅楠，李 丽

（沈阳农业大学土地与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室/农业部东北耕地保育重点实验室，沈阳 110866）

滨海盐渍型水稻土是辽宁省主要农业土壤之一，分布在渤海沿岸。滨海区水稻田是辽宁省重要的粮食生产基地，但是，滨海盐渍型水稻土的土壤肥力发展很不平衡，影响着大面积均衡增产[1]。土壤中的微量元素是表征土壤质量的重要因子[2]，铁是土壤中含量比较高的微量元素，也是植物必需的营养元素[3]。全球尺度范围内，土壤中全铁含量很高，仅次于硅和铝，但主要是以不可被作物利用的残渣态存在[4]。因此，提高土壤铁有效性，对于提升土壤肥力尤为重要。已有研究表明，与对照相比，小麦玉米秸秆50%、100%还田处理使土壤有效铁含量两年平均增加10.9%和8%[5]。游萍等[6]研究表明，在光照条件下，添加生物炭对水稻土铁氧化有促进作用，且增加量与水稻土类型和生物炭粒度有关。可见，不同稻草还田方式对土壤中铁形态有很大的影响，前人关于施用有机肥对土壤铁的形态的影响研究较多[7-16]，但对于不同稻草还田处理对铁形态影响的研究较少，尤其是稻草生物炭还田处理的对比研究鲜有报道。本文研究不同稻草还田处理对铁形态的影响，以期为稻草资源化利用和盐渍型水稻土合理施肥提供科学依据和数据支持。

1 材料和方法

1.1 供试土壤的采集与处理

供试土壤为采集于辽宁省盘锦市大洼区的典型滨海盐渍型水稻土（40°56′9″N,122°3′51″E），采用多点混合采样法，取0～20 cm耕层土壤，将土壤样品风干后过2 mm尼龙筛备用。供试土壤的基本性状见表1。

1.2 试验设计

本试验共设4个处理，分别为对照组（CK），不添加任何物质；直还稻草（Z），将稻草粉碎至1.5 mm后添加；腐熟稻草（F），将稻草粉碎后加水湿润，使含水量保持在50%，在25℃恒温培养箱中培养12个月至完全腐熟后添加，完全腐熟的秸秆呈黑褐色，易结团、易拉断；稻草生物炭（S），将稻草粉碎后经1 h从室温升温至450℃，在450℃高温缺氧条件下烧制5 h，冷却后添加。培养容器为直径20 cm、高26 cm的圆柱形不透明塑料桶，每桶装入1.5 kg风干土，每个处理5次重复。在室内培养过程中，稻草直接还田采用烘干土重的1%与土混匀施入，腐熟稻草和炭化稻草采取与直还稻草等碳添加。不同处理稻草的基本性状见表2。2016年6月初将供试土壤在25℃恒温培养箱中淹水培养（不种植水稻），定期补水，保持淹水高度为5 cm，培养时间为180 d。分别在2016年7月初、8月初、9月初及12月初采用多点混合采样法进行采样测定。

1.3 测定项目与方法

表1 供试土壤的基本化学性质Table 1 Basic properties of tested soils

表2 供试不同处理稻草的基本性状Table 2 Basic properties of rice straw dealt with different ways

供试土壤和不同处理稻草全碳、全氮含量采用德国Elementar公司的VARIO EL III元素分析仪测定；土壤全磷含量测定采用NaOH熔融-钼锑抗比色法，土壤全钾含量测定采用NaOH熔融-火焰光度计法，不同处理稻草样品的全磷含量测定采用H2SO4-H2O2消煮-钒钼黄比色法，其全钾含量测定采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度计法，土壤和稻草的pH测定采用电位法[17]；土壤有效铁采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法[18]；土壤中铁元素各形态的测定参照改进的BCR连续提取法[19]，具体步骤为：准确称取土样1.000 g，加入 25 mL蒸馏水（煮沸、冷却，pH=7.0），（22±5）℃振荡（80 r/min，下同）2 h，离心（3 000 r/min，下同）20 min，清液测水溶态；残渣中加40 mL 0.11 mol/L醋酸溶液，振荡，离心，清液测弱酸溶态；继续向残渣中加入40 mL 0.5 mol/L盐酸羟胺溶液（预先用2 mol/L HNO3调pH至1.5），振荡，离心，清液测可还原态；用30%H2O2氧化有机质，再加50 mL 1.0 mol/L乙酸铵溶液（用硝酸调pH至2），振荡，离心，清液测可氧化态；残渣态采用HF-HNO3-HClO4溶解。以上过程中保存的待测清液均采用原子吸收分光光度计测定。

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Office Excel 2007进行数据计算，采用ORIGIN8.0作图，采用IBM SPSS22.0统计软件进行方差分析。统计分析时，将相同培养时间的4个处理（S、F、Z和CK）结果进行单因素方差分析和描述性分析，将不同培养时间的各个处理进行单因素方差分析，采用Duncan进行多重比较再将培养180 d的pH、有效铁和5种形态铁进行双变量相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同稻草还田方式对水稻土铁形态的影响

2.1.1 不同稻草还田方式对水稻土水溶态铁含量的影响

由表3可知，S、F、Z处理的水稻土水溶性铁含量与CK相比均有增加，S处理在培养180 d土壤中水溶态铁含量显著高于对照；F处理在培养60～180 d土壤中水溶态铁含量显著高于对照；Z处理在培养后30～180 d土壤中水溶态铁含量显著高于对照。

2.1.2 不同稻草还田方式对水稻土弱酸态铁含量的影响

由表4可知，Z处理在培养后30～180 d土壤弱酸态铁含量显著高于对照组和S处理。S处理在培养后30～60 d土壤中弱酸态铁含量低于对照组，S处理在培养90～180 d土壤中弱酸态铁含量逐渐高于对照处理，但不显著。CK、S、F和Z处理在培养30～180 d期间，土壤中弱酸态铁含量变化均呈现逐渐增加的趋势。

2.1.3 不同稻草还田方式对水稻土可还原态铁含量的影响

表3 不同培养时间不同处理下水溶态铁含量Table 3 The content of water soluble iron under different treatments

表4 不同培养时间不同处理下弱酸态铁含量Table 4 The content of weak acid iron under different treatments

由表5可知，F和Z2种处理在培养30～90 d土壤可还原态铁含量均显著高于CK处理，在培养180d，Z处理可还原态铁含量显著高于S、F和CK，即 Z＞F＞CK＞S。

2.1.4 不同稻草还田方式对水稻土可氧化态铁含量的影响

由表6可知，在培养30～60 d期间，Z处理的可氧化态铁含量低于CK处理；在培养90 d，Z处理逐渐高于CK处理，但不显著；在培养180 d，S处理的可氧化态铁含量显著高于CK处理。CK、S、F和Z处理在0～180 d培养期间土壤可氧化态铁均呈先减低再增加的趋势。

2.1.5 不同稻草还田方式对水稻土残渣态铁含量的影响

从表7可以看出，S、F、Z和CK4种处理在0～180 d培养时间内呈先增加后减少的变化趋势。F和CK处理的土壤残渣态铁含量在培养60 d时达到最高，S和Z处理的土壤残渣态铁含量在培养90 d达到最高。在培养180 d，Z和F处理的残渣态铁含量显著低于CK处理，S处理残渣态铁含量均低于CK处理，但不显著。

2.2 不同稻草还田方式对土壤不同形态铁组分的影响

表5 不同培养时间不同处理下可还原态铁含量Table 5 The content of reducible iron under different treatments

表6 不同培养时间不同处理下可氧化态铁含量Table 6 The content of oxidizable iron under different treatments

表7 不同培养时间不同处理下残渣态铁含量Table 7 The content of residual iron under different treatments

由图1可知，S、F、Z处理的土壤水溶态铁占全铁比例均比CK处理增加，其中Z处理增加最多，其土壤水溶态铁占全铁比例为0.07%～0.17%，平均0.12%；而CK处理土壤水溶态铁占全铁比例为0.04%～0.06%，平均0.05%。F、Z处理的土壤弱酸态铁占全铁比例均比CK处理增加，其中Z处理增加最多，其土壤弱酸态铁占全铁比例为0.53%～1.63%，平均1.16%；而CK处理土壤弱酸态铁占全铁比例为0.39%～1.25%,平均 0.87%。S、F、Z 处理的土壤可还原态铁占全铁比例均比CK处理增加，其中Z处理增加最多，其土壤可还原态铁占全铁比例为12.22%～13.36%，平均12.82%；而CK处理土壤可还原态铁占全铁比例为8.63%～11.03%，平均为10.11%。S、F处理的土壤可氧化态铁占全铁比例均比CK处理增加，其中S处理增加最多，其土壤可氧化态铁占全铁比例为1.94%～2.99%，平均2.32%；而CK处理土壤可氧化态铁占全铁比例为1.74%～2.16%,平均1.88%。S、F、Z处理的土壤残渣态铁占全铁比例均比CK处理减少，其中Z处理减少最多，其土壤残渣态铁占全铁比例为 82.89%～85.41%，平均84.02%；而CK处理土壤残渣态铁占全铁比例为86.11%～89.02%，平均87.09%。

图1 不同处理土壤各形态铁占总量的比例Figure 1 Relative proportions of different forms of Fe in soil

2.3 不同稻草还田方式对土壤有效铁含量的影响

由表8可以看出，在培养0～180 d，腐熟稻草和直还稻草处理有效铁含量显著高于空白对照处理。在培养60 d，稻草生物炭处理有效铁含量显著低于空白对照处理；在培养90～180 d，稻草生物炭处理有效铁含量显著高于空白对照处理。

2.4 不同稻草还田方式对土壤pH的影响

由表9可以看出，在培养60 d，CK和S处理土壤的pH显著高于F和Z处理土壤的pH；在培养90 d，S处理土壤的pH显著高于CK、F和Z处理土壤的pH；在培养180 d，CK处理土壤的pH显著高于S、F和Z处理土壤的pH值，且CK＞S＞F＞Z。

2.5 水稻土各形态铁与有效态的相关关系

由表10可以看出，pH值与有效态铁、水溶态铁、弱酸态铁和可还原态铁呈极显著负相关关系；有效态铁与水溶态铁和弱酸态呈极显著正相关关系，与可还原态铁呈显著相关关系与残渣态铁呈极显著负相关关系。此外，水溶态铁与残渣态铁呈极显著负相关关系，弱酸态铁与可还原态铁呈显著正相关关系，弱酸态铁与残渣态铁呈极显著负相关关系，可还原态铁与残渣态铁呈显著负相关关系，说明各形态之间有可能存在一定的相互影响。

表8 不同处理不同培养时间下有效铁含量Table 8 The content of available iron under different treatments

表9 不同处理不同培养时间下pH的变化Table 9 Changes of pH under different treatments

表10 培养后180d土壤pH、有效铁与各形态铁之间的相关系数Table 10 The correlation coefficients among pH，available Fe and their various forms after 180 days of culture

3 讨论

土壤环境是决定土壤铁赋存形态、转化和生物有效性的主要因素之一[20-22]。通过不同稻草处理施用来调控土壤因子，以提高土壤铁的生物有效性，是一条可行的、具有实践意义的途径。已有研究表明，土壤pH值与土壤铁的有效性密切相关，是控制土壤有效铁含量的主要土壤因子[23]。本文试验结果表明，土壤有效铁、水溶态铁、弱酸态铁与土壤pH呈极显著负相关。

关于有机物料添加对土壤铁形态的影响研究可见一些报道。袁程等[24]研究表明，长期施肥处理能提高土壤中水溶态和弱酸态铁含量，残渣态铁有不同程度的减少，且土壤中铁形态以残渣态为主。本研究表明，在培养180 d，S、F和Z处理的土壤水溶态铁分别平均提高了53.8%、107.5%和134.7%；与CK处理相比，S处理的弱酸态铁平均降低了5.4%，F和Z处理的弱酸态铁平均提高了21.3%和33.2%；而S、F和Z处理较CK处理残渣态铁平均分别降低了0.4%、1.3%和1.8%。说明不同稻草处理的添加均能活化土壤残渣态铁向土壤水溶态和弱酸态铁转化。

本研究还表明，水稻土中水溶态铁和弱酸态铁与有效态铁呈极显著正相关，可氧化态铁与有效态铁呈显著正相关，残渣态铁与有效态铁呈极显著负相关。相较于S处理，在培养180 d，Z和F处理的土壤中水溶态铁和弱酸态铁及有效态铁含量更高。前人研究发现[25-27]，伴随着铁矿物生物还原作用，亚铁离子在被释放进入土壤溶液后会重新被土壤吸附/络合，或形成碳酸盐沉淀，或转化成新的铁氧化物，从而实现在土壤中的重新分布。Z和F处理带来更显著的铁还原溶出，也促进了土壤中可交换态和酸可提取态铁含量的增加。S处理土壤铁的有效性偏低，这是由于炭化稻草具有很高的pH,添加到土壤中提高了土壤的pH[28]，降低了土壤铁的有效性，而F和S在土壤中分解、转化产生的各种有机酸使土壤pH降低，还原性增强，在还原条件下，土壤Fe3+转化为Fe2+，溶解度增加导致有效态铁含量增加[29-30]。本试验是室内培养试验，不同处理的培养时间较短，尤其是炭化稻草，还需要进行长时间、大面积的田间试验，来进一步探究不同稻草还田方式对铁形态的长期影响。

4 结论

①炭化稻草、腐熟稻草和直还稻草处理均能降低水稻土中残渣态铁含量，使滨海盐渍型水稻土的残渣态铁向水溶态铁和弱酸态铁转化，促进土壤铁的活化，提高水稻土铁有效性。

②在本试验条件下，与炭化稻草处理相比，腐熟稻草和直还稻草处理显著提高了土壤有效铁含量。

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