新型土壤调理剂对土壤质量及水稻产量的影响

朱小花，赵利敏，王荣辉，秦永华

(1.华南农业大学，广东广州 510642；2.深圳市绿诗源生物技术有限公司，广东深圳 518120；3.广东省海洋生物废弃物综合利用重点实验室，广东湛江 524051；4.深圳市深博泰生物科技有限公司，广东深圳 518120)

我国长期不合理施用化肥，使得土壤酸化较严重，酸性土壤面积约2.04×108hm2，主要分布在长江以南的广大热带和亚热带地区，大部分土壤的pH小于5.5，其中一部分小于4.5[1]，随着时间的发展，土壤酸化现象还在不断加剧[2-4]。土壤酸化会导致土壤结构变差、养分流失严重、肥力下降，导致作物烂根，影响植物正常生长，降低农产品品质等；同时，土壤酸化还会破坏土壤微生态平衡，导致有害病菌大量滋生，土传病害肆虐，以及土壤有毒金属元素的活性增强，进而潜在危害人体健康[5-13]。因此，提高酸性土壤的pH对作物生长、土壤健康及农产品安全等均具有重要意义。目前土壤酸化较常用的处理措施是撒生石灰或用高钙高镁的土壤调理剂，撒石灰可以短时间内迅速提高土壤pH并取得一定的增产效果，但如果长期施用会加剧土壤板结且有可能导致土壤“复酸化”[14]。高钙高镁土壤调理剂利于改良酸化土壤，平衡植物营养，提高植物的产量和品质[15]。但这些固体土壤调理剂用量较大，运输成本较高，且大田施用过程费时费力。

广东省是海洋大省，年养殖对虾达50万t以上，年产生虾加工下脚料超过10万t，虾下脚料富含蛋白质、甲壳素、虾青素及矿物元素等成分，具有较好的再利用价值[16]。目前，虾下脚料少部分用于生产饲料，大部分用于制备附加值较高的甲壳素，甲壳素生产过程用到强酸强碱，会产生大量的酸碱有机废水，环境污染大。该研究中的新型土壤调理剂是利用甲壳素加工废水通过特殊的技术处理生产而成的液体土壤调理剂，产品富含有机活性成分，具有较好的改良酸性土壤和增产增收作用，其推广应用对环境保护和农业健康发展均具有现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况田间试验在广东省惠州市惠东县梁化洞试验基地进行，试验地为壤土，根据土壤肥料等级标准判断属中等肥力，肥力均匀。试验地土壤基本性质：pH 5.29，有机质21.8 g/kg，全氮1.04 g/kg，速效磷65.7 mg/kg，速效钾72.5 mg/kg，活性硅88.9 mg/kg，活性铝61.3 mg/kg。

1.2 试验材料供试水稻品种为稻华航33号，前茬作物为水稻。

供试肥料新型土壤调理剂，主要技术指标：有机质≥100 g/L、游离氨基酸≥20 g/L、甲壳寡聚糖≥10 g/L、pH为10.0～12.0，产品由湛江市博泰生物化工科技实业有限公司提供。

1.3 试验设计采用单因素随机区组试验设计，田间试验共设3个处理：①对照(CK)，常规施肥，常规施肥为试验点区域的中等施肥水平；②常规施肥+新型土壤调理剂等养分量的有机质、游离氨基酸和钾肥混配的对照调理剂(T1)；③常规施肥+75 kg/hm2调理剂(T2)，稀释1 000倍冲施，每个处理重复3次，共9个小区，每个小区面积50 m2，随机排列。早稻水稻于2019年3月5日播种，4月2日插秧，基本苗数27万株/hm2，7月10日收割；晚稻水稻于7月18日播种，8月4日移栽，基本苗数27万株/hm2，11月4日收割。各小区间作埂隔离，并用塑料薄膜覆盖埂体，单独排灌，避免串排串灌。两造水稻各处理施肥情况：整地前施新农科水稻控释肥(23-7-20，总养分≥50%)525 kg/hm2作生育肥，移栽7 d后施尿素60 kg/hm2作回青肥。小区分开进行水分管理并保持相同的水层。田间管理与对照组管理一致。

1.4 样品采集与测定项目

1.4.1样品的采集。在进行小区试验前及晚稻收割完的当天，按照随机、等量的原则，采用“S”型采集土壤样品，采集0～20 cm土层土样带回实验室风干、研磨、过筛备用。土壤检测项目为pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾及活性硅、活性铝。在水稻种植过程统计株高，水稻成熟后，将每个处理的稻穗收割带回实验室进行统计分析，并测定实际产量。

1.4.2测定方法。土壤的常规理化性质按照鲍士旦[17]的《土壤农化分析》中的方法测定，土壤pH采用pH计法测量；土壤有机质、全氮、速效钾、速效磷分别用重铬酸钾-外加热法、半微量开氏法、NH4F-HCl分光光度法、NH4OAc提取-火焰光度计法测定。土壤活性硅和活性铝采用NaOH水浴浸提法测定[18]。水稻产量及经济效益指标测定：于成熟期普查每个小区50穴，计算每穴有效穗数；将水稻风干脱粒，计算千粒质量和结实率，并实收小区折计产量，计算理论产量和经济效益。

1.5 数据处理采用Excel 2007和SPSS 16.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 新型土壤调理剂对土壤pH和交换性铝的影响

2.1.1新型土壤调理剂对土壤pH的影响。新型土壤调理剂对土壤pH的影响见图1。由图1可知，新型土壤调理剂(T2)和对照调理剂(T1)均能提高土壤pH，新型土壤调理剂(T2)和对照调理剂组(T1)比对照组(CK)土壤pH分别提高0.2和0.4，增幅为3.6%和7.3%，其中新型土壤调理剂处理(T2)与对照(CK)有显著差异(P<0.05)，而对照调理剂处理(T1)与对照(CK)无显著差异(P>0.05)。由此可见，新型土壤调理剂的施入能够对酸性土壤起到显著的改良作用。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicated significant level of difference(P<0.05)图1 土壤调理剂对土壤pH的影响Fig.1 Effect of soil conditioner on soil pH

2.1.2新型土壤调理剂处理对土壤硅铝率的影响。通常认为土壤中的SiO2含量相对稳定，一般变化较小，因此可用硅铝率来表达土壤调理剂对酸性土壤的改变，硅铝率越高，表明土壤中活性铝含量越低，植物生长受影响越小；硅铝率越低，表明土壤中活性铝含量越高，植物生长受抑制影响越大[19]。从图2可以看出， T1和T2处理均能提高土壤硅铝率，其中T2处理的土壤硅铝率最高，与CK和T1处理均差异显著，T2处理分别比CK和T1处理的土壤硅铝率高14.5%和10%，而T1处理与CK无显著差异。这表明新型土壤调理剂能较好地提高土壤硅铝率。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference(P<0.05)图2 土壤调理剂对土壤硅铝率的影响Fig.2 Effect of soil conditioner on soil silicon and aluminum ratio

2.2 新型土壤调理剂处理对土壤有机质和氮磷钾养分含量的影响试验土壤的有机质含量较高，属于中上水平[17]。从图3可以看出，T1和T2处理均能提高土壤有机质含量，分别比CK提高5.35%和15.07%，T2处理的提升作用优于T1处理，但各处理组之间无显著差异。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference (P<0.05)图3 土壤调理剂对有机质含量的影响Fig.3 Effect of soil conditioner on organic matter content

试验土壤的全氮含量较高，属于中上水平[17]，从图4可以看出，T2处理比CK土壤全氮含量提高3.84%，而T1处理比CK全氮含量降低1.37%，但各处理之间差异不显著。试验后，土壤中的全氮含量均有所提高，这可能是施用尿素和复合肥等较多引起的。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference(P<0.05)图4 土壤调理剂对全氮含量的影响Fig.4 Effect of soil conditioner on total nitrogen content

试验土壤中的速效磷含量较低，属于中下水平[17]，从图5可以看出，T2处理比CK速效磷含量提高5.01%，T1处理较CK速效磷含量降低2.07%，但各处理之间差异不显著。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference (P<0.05)图5 土壤调理剂对速效磷含量的影响Fig.5 Effect of soil conditioner on available phosphorus content

试验地土壤的钾含量为起始速效钾72.5 mg/kg，属于低等水平(84 mg/kg以下为低等水平)[17]。从图6可以看出，T1和T2处理均能提高土壤速效钾含量，与对照组相比，T1和T2处理分别提高速效钾含量10.86%和14.29%，T2处理优于T1处理，但各处理组之间差异不显著。虽然在试验初期以底肥形式补充了钾素，在作物生长期也追施了钾素，同时，土壤调理剂中也含有钾素，但随着作物生长吸收，土壤有效钾含量呈逐渐减少趋势，水稻收割后中各处理之间土壤的速效钾含量无明显变化。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant level of difference (P<0.05)图6 土壤调理剂对速效钾含量的影响Fig.6 Effect of soil conditioner on available potassium content

2.3 新型土壤调理剂对水稻产量及产量构成的影响新型土壤调理剂对水稻产量及产量构成的影响见表1。由表1可知，早造水稻和晚造水稻T1和T2处理株高分别比CK增加0.82%、1.63%、1.54%和3.63%，各处理间差异不显著；早造水稻和晚造水稻T1、T2处理有效穗数分别比CK增加-0.40%、4.84%、3.42%和5.86%，T2处理显著优于CK和T1处理，T1处理和CK之间无显著差异。早造水稻和晚造水稻T1、T2处理每穗总粒数分别较CK增加-1.60%、3.96%、2.41%和7.84%，早造水稻各处理组之间无显著差异，但对于晚造水稻T2处理与CK、T1处理差异显著，T1处理与CK差异不显著。早造水稻和晚造水稻T1、T2处理结实率分别比CK增加-0.73%、2.56%、2.21%、5.64%，对于早造水稻，各处理间无显著差异，但晚造水稻T2处理的结实率显著高于CK和T1处理，CK和T1处理间无显著差异。早造水稻和晚造水稻T1、T2处理千粒重分别比CK增加-1.00%、3.00%、1.48%、2.46%，但各处理间差异不显著。T1和T2处理后，早造水稻和晚造水稻理论产量分别比CK增加-3.06%、12.39%、7.56%和16.94%，实际产量分别比CK增加1.10%、7.69%、4.04%、12.91%。早造水稻和晚造水稻的理论产量和实际产量T2处理与T1、CK处理之间差异显著，T1处理与CK差异不显著。

2.4 水稻产量构成因素与土壤肥力的相关性水稻产量构成因素与土壤肥力的相关性见表2。由表2可知，pH与土壤硅铝率、有机质含量、水稻有效穗数和水稻产量呈极显著正相关，与土壤速效钾含量、水稻千粒重呈显著正相关，表明土壤pH升高，土壤硅铝率、有机质含量和速效钾含量会提高，水稻有效穗数、千粒重和产量均会增加。土壤硅铝率与土壤有机质含量、有效穗数、每穗总粒数、水稻结实率和水稻产量呈显著正相关，表明土壤硅铝率越高，土壤有机质含量、水稻结实率和产量就越高。土壤全氮含量与土壤速效钾含量呈极显著正相关，表明土壤中全氮含量显著影响土壤速效钾含量。土壤速效钾含量、水稻有效穗数和千粒重相互协同正向影响水稻产量。

3 结论与讨论

3.1 新型土壤调理剂对土壤性质的影响土壤酸化问题是影响作物生长和土传病害肆虐的重要因素，目前对酸性土壤改良效果较好的生石灰、石灰石和硅钙粉等进行研究[20-22]，但固体土壤改良剂用量大，大面积推广应用费时费力且成本较高。该研究所用的新型土壤调理剂是以甲壳素生产废液为主要原料，产品含多种氨基酸、壳聚糖、壳寡糖、矿物质及有机质等成分，经稀释后直接施用，施入土壤后表现出较好的调酸和增产效果。此外，该研究的新型土壤调理剂是液体，可用于滴灌，施用方便，用量少。该试验对两造水稻移栽前均施入调理剂，试验结束后发现T1和T2处理的土壤pH分别比对照提高0.2和0.4，增幅为3.6%和7.3%。这是因为土壤调理剂是碱性的，可以直接中和土壤中的酸性，其次，土壤调理剂中含有机物，经土壤微生物分解后会产生各种腐殖酸物质，从而调节土壤pH。

表1 土壤调理剂对水稻产量及产量构成的影响Table1 Effects of soil conditioner on rice yield and yield components

表2 水稻产量构成因素与土壤肥力的相关Table 2 Correlation between rice yield components and soil fertility

土壤硅铝率是土壤中活性SiO2和 Al2O3含量的比值，矿物铝在酸性条件下易被活化而被植物吸收，土壤酸化加速土壤中铝的活化，使土壤溶液中活性铝的含量明显增加。铝被认为是酸化土壤上引起作物减产和制约作物生长的重要障碍因子[3]。该试验施用调理剂后的土壤硅铝率可增加4.61%～17.76%，其中T2处理与CK、T1处理之间有显著差异，而T1处理与CK无显著差异，表明新型土壤调理剂对降低土壤铝毒有明显效果。研究表明，有机物料类改良剂能调节酸性土壤pH和降低土壤铝含量，Chen等[23]用小麦秸秆和腐熟猪粪混施，不但能提高酸性红壤的pH，还能缓解植物铝中毒；王宁等[24]发现施用稻草、花生秸秆和紫云英均能不同程度提高酸性红壤的pH，降低土壤交换性铝含量；矫威[25]研究发现，施用氨基酸类改良剂能提高土壤pH 0.3，且土壤pH随改良剂用量的增加而升高。

有机质、氮、磷、钾是衡量土壤肥力的重要指标，该试验中施用新型土壤调理剂能够提高土壤有机质、全氮、速效磷等养分含量，但与对照相比，差异均不显著，可见，调理剂可以在一定程度上活化土壤中的磷钾及增加土壤有机质。研究结果与齐钊等[26]、周吉祥[27]、林阿典等[28]的类似。

3.2 新型土壤调理剂对水稻产量构成的影响研究表明，土壤酸化会影响作物生长，导致作物产量下降[29],施用调理剂可以促进作物生长发育，提高作物产量[30-31]。该研究结果表明，施用新型土壤调理剂和对照调理剂可以提高水稻结实率，增加水稻株高、有效穗数、每穗总粒数、千粒重，从而促进水稻生长发育，提高水稻地上部生物量，增加其产量，这与矫威[25]、周吉祥[27]研究结果相似。其中早造水稻增产率1.10%～7.69%，晚造水稻增产率4.04%～12.91%，新型土壤调理剂处理与对照、对照调理剂处理有显著差异，说明施用新型土壤调理剂能较好地提高水稻产量。

研究表明，甲壳寡聚糖能促进有益微生物的生长，抑制土壤中病虫害的发生，改善土壤质量[32]。Dzung等[33]研究发现，施用壳聚糖的土壤中，氮磷钾含量显著增加。曹琪等[34]研究发现，施用不同浓度壳聚糖均可提高土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量，且在一定范围内随浓度增加土壤速效养分含量增大，并提高土壤多种酶活性。高瑞杰等[35]研究表明水溶性甲壳素能增加土壤速效养分。该试验研究表明，水稻产量与土壤pH、硅铝率、有效穗数和千粒重呈一定的正相关，在改善土壤性质上，新型土壤调理剂处理的效果优于对照调理剂处理，且在提高土壤pH，降低土壤活性铝及提高水稻产量上，新型土壤调理剂处理的效果显著优于对照调理剂处理，这可能与产品中含有一定量的甲壳寡聚糖以及产品自身pH较高有关。

综上所述，新型土壤调理剂处理较对照调理剂和对照显著增加土壤pH、土壤硅铝率以及水稻产量，并增加土壤有机质和速效养分含量，这说明新型土壤调理剂可以有效提升土壤pH，降低土壤活性铝，增大土壤硅铝率，活化土壤养分，增加水稻产量及经济效益。