紫云英还田对土壤养分和重金属含量的影响

陈 慧，周晓月，谭 诚，张永春，汪吉东，马洪波

（1南京市六合区农业技术推广中心，南京 210044；2海南大学园艺学院，海口 570228；3江苏省农业科学院农业资源与环境所/农业农村部江苏耕地保育科学观测实验站，南京 210014）

0 引言

中国水稻产量稳居世界第一位，2019年产量为2.093亿t[1]。为了追求高产稳产，江苏某些地区平均施氮量达345 kg/hm2，沿海地区甚至高达562.5 kg/hm2[2]，而过量的化肥施用也带来了很多问题，如大量养分损失造成的土壤面源污染[3]、土壤酸化问题[4]，最终导致土壤质量降低[5]。加上长期高强度开发和超负荷消耗使耕地难以恢复到先前水平，耕地土壤有机质含量下降，引发耕地质量退化、地力透支等一系列问题，不利于土壤可持续生产。其实，缓释肥和有机肥替代化肥都是提升土壤质量和减少化肥施用量的有效手段。然而，以低成本的畜禽粪便为原料的有机肥存在抗生素和重金属污染的风险[6]，缓控释肥的价格又高昂。绿肥作为一种低成本且绿色环保的肥料资源得到广泛的认可和应用。紫云英是中国稻区最主要种植的冬季绿肥作物，其在增加耕层土壤总氮含量、提高土壤有机质含量、活化土壤磷、改善土壤物理结构、增加土壤孔隙度、提高水稻品质和增产等方面效果突出[7-9]。

南京六合地区稻麦种植普遍，虽然面积大但土壤质量一般，特别是六合北部丘陵与山区的土壤养分低，稻麦产量较低、口感差，亟需通过冬闲绿肥还田的休耕方式优化种植结构，小麦种植面积随之变小，同时肥料的投入量也减少了，也减缓对土壤肥力的耗竭，起到了培肥土壤的作用。近年来，有关冬闲紫云英对土壤理化性质的研究主要聚焦在一年期田间试验上，比如连泽晨[10]研究一年期的绿肥还田对水稻产量、养分吸收和土壤肥力的影响时发现，冬种紫云英比常规处理降低了土壤耕层容重，为水稻提供了有利生长环境。Li等[11]发现一年期紫云英还田提高了土壤有机质含量，以及土壤中过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶等相关酶的活性。王丹英等[12]研究指出，将一年的紫云英用做绿肥种植并还田后，不但能够显著提高土壤有机质和全氮含量，还能明显提高土壤碱解氮的含量。周国朋[13]研究表明，冬种紫云英全量还田有利于增加土壤的速效钾、有效磷。但在南京六合地区，有关定位试验条件下冬种紫云英对水稻产量和土壤养分和重金属含量影响的研究鲜见报道。本研究通过连续2年的紫云英-水稻定位试验，研究冬种紫云英对水稻产量、土壤养分和重金属含量的影响，并进行耕地质量提升效果综合评价，希望能为南京六合区耕地质量提升提供基础理论数据，以期为区域农业长期良性发展和粮食安全提供重要支撑和保障。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

六合区位于南京北部地区，长江北岸，地域面积达1485.5 km2，气候条件为亚热带季风气候。年均气温约16℃，全年降水量为796.8 mm，全年日照总时数为1722 h。全区耕地面积6.33万hm2，地势北高南低，北部为丘陵山岗地区，中南部为河谷平原、岗地区，南部为沿江平原圩区。地处六合区北部的冶山、马鞍、竹镇街道的丘陵山岗地区，土壤质量低下，属六合稻麦产量低效区，需通过轮作休耕来培肥地力，提升土壤质量。

1.2 试验设计

试验共设2个处理，处理1为夏季种稻田、冬季种小麦，处理2为夏季种水稻、冬季种紫云英，大田试验，面积为667 m2，各3个重复。处理中农民习惯施肥的水稻化肥用量纯N为240 kg/hm2，P2O5为90 kg/hm2，全部用作底肥，K2O为120 kg/hm2，全部用作底肥；小麦化肥用量纯N为180 kg/hm2，P2O5为75 kg/hm2，全部用作底肥，K2O为60 kg/hm2；冬天种植紫云英，期间不施肥，盛花期收割紫云英还田做绿肥。4月中下旬耕翻还田，耕翻深度为30 cm。6月测定容重，并用土钻按S形在试验区取0～20 cm土层土壤样品。样品去除各种杂质后，风干后粉碎过10目和100目筛备用，用来测定土壤主要理化性质。供试水稻品种为‘南粳46’，紫云英为‘萍宁72’。

1.3 测定内容和方法

土样测试指标包括pH、容重、全氮、有机质、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、有效硫、有效硼、总砷汞镉铬铅。pH用电位法；容重用环刀法；有机质用重铬酸钾油浴滴定法；有效磷用钼锑抗比色法；速效钾用乙酸铵交换，火焰光度法；总氮用凯式蒸馏法；有效铁、有效锰、有效铜、有效锌用DTPA浸提，原子吸收光谱法；有效硼用沸水浸提，姜黄素比色法；有效硫用硫酸钡比浊法；有效钼用草酸铵浸提，等离子体质谱法；铅、镉用石墨炉原子吸收分光光度法；铬用火焰原子吸收分光光度法；汞、砷用原子荧光法。

1.4 数据处理

采用Excel 2007进行数据处理与制图，用SPSS 23.00软件进行统计分析，采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 稻绿轮作对土壤基本理化性质的影响

如表1所示，经过2018—2020年的稻绿轮作定位试验，土壤酸碱度平均值从pH 6.36升高到pH 6.51，增加2.35%，稻麦轮作对照土壤pH降低2.39%，可见，稻绿轮作的pH平均值与稻麦轮作相比更趋向中性，表明稻绿轮作可以减缓土壤酸化。稻绿轮作后的土壤全氮平均值从1.47 g/kg下降到1.42 g/kg，降幅3.40%，稻麦轮作对照的土壤全氮平均值从1.04 g/kg降低到0.96 g/kg，降幅7.69%，可见，与稻麦轮作相比，稻绿轮作可以相对提高示范区的全氮库存。稻绿轮作的土壤有效磷含量平均值从13.01 mg/kg降低到11.62 mg/kg，降幅10.68%，稻麦轮作对照的土壤有效磷含量平均值从11.63 mg/kg升高到13.55 mg/kg，增幅16.51%，与稻麦轮作对照相比，稻绿轮作降低了土壤有效磷含量。稻绿轮作的土壤速效钾含量平均值从103.40 mg/kg升高到144.17 mg/kg，增幅39.43%，稻麦轮作对照的土壤速效钾含量平均值从104.30 mg/kg升高到121.00 mg/kg，增幅16.01%，表明与稻麦轮作相比，稻绿轮作可以提高土壤速效钾含量。稻绿轮作的土壤有机质含量平均值从23.58 g/kg升高到25.51 g/kg，增幅8.18%，稻麦轮作对照的土壤有机质含量平均值从22.67 g/kg升高到22.88 g/kg，增幅0.93%，与稻麦轮作对照相比，稻绿轮作明显提高了土壤有机质含量；稻绿轮作的土壤容重平均值从1.32 g/cm3降低到1.21 g/cm3，降幅8.33%；稻麦轮作的土壤容重平均值从1.4 g/cm3降低到1.35 g/cm3，降幅3.57%，可见，与稻麦轮作相比，稻绿轮作可以减少土壤容重，对土壤结构有明显的改善作用。

表1 2018—2020年间稻绿轮作和稻麦轮作土壤理化性质变化

从土壤中量元素看，稻绿轮作的土壤交换性钙含量平均值从1695.23 mg/kg升高到1746.63 mg/kg，增幅3.03%，稻麦轮作的土壤交换性钙含量平均值从1786.95 mg/kg降低到1684.28 mg/kg，降幅5.74%，与稻麦轮作相比，稻绿轮作提高了土壤交换性钙含量。稻绿轮作的土壤交换性镁含量平均值从98.69 mg/kg升高到105.77 mg/kg，增幅7.17%，稻麦轮作的土壤交换性镁含量平均值从96.63 mg/kg增加到114.66 mg/kg，增幅18.65%，与稻麦轮作相比，稻绿轮作降低了土壤交换性镁含量。稻绿轮作的土壤有效硫含量平均值从29.88 mg/kg降低到28.83 mg/kg，降幅3.51%，稻麦轮作的土壤有效硫含量平均值从34.84 mg/kg降低到27.62 mg/kg，降幅20.72%。与稻麦轮作相比，稻绿轮作的降幅小，表明稻绿轮作可以相对提高土壤有效硫含量。

从土壤微量元素看，2018—2020年的稻绿轮作土壤有效铁平均值从141.61 mg/kg下降到134.69 mg/kg，降幅4.88%，稻麦轮作的土壤有效铁含量平均值从136.80 mg/kg降低到130.69 mg/kg，降幅4.46%。与稻麦轮作相比，稻绿轮作的降幅大，表明稻绿轮作降低了土壤有效铁含量。稻绿轮作的土壤有效锰含量平均值从59.42 mg/kg升高到71.28 mg/kg，增幅19.95%，稻麦轮作的土壤有效锰含量平均值从45.88 mg/kg升高到46.63 mg/kg，增幅1.63%。与稻麦轮作相比，稻绿轮作的增幅大，表明稻绿轮作可以提高土壤有效锰含量。稻绿轮作的土壤有效铜含量平均值从3.75 mg/kg降低到3.10 mg/kg，降幅17.33%，稻麦轮作的土壤有效铜含量平均值从2.91 mg/kg升高到2.94 mg/kg，增幅1.03%。与稻麦轮作相比，稻绿轮作降低了土壤有效铜的含量。稻绿轮作的土壤有效锌含量平均值从2.12 mg/kg降低到2.04 mg/kg，降幅3.77%，稻麦轮作的土壤有效锌含量平均值从2.14 mg/kg降低到1.76 mg/kg，降幅17.75%。与稻麦轮作对照相比，稻绿轮作可以相对的增加土壤有效锌含量。稻绿轮作的土壤有效硼含量平均值从0.59 mg/kg升高到0.64 mg/kg，增幅8.47%，稻麦轮作的土壤有效硼含量平均值保持在0.62 mg/kg。与稻麦轮作相比，稻绿轮作增加了土壤有效硼含量。稻绿轮作的土壤有效钼含量平均值从0.186 mg/kg升高到0.190 mg/kg，增幅2.15%，稻麦轮作的土壤有效钼含量平均值从0.203 mg/kg降低到0.201 mg/kg，降幅0.98%。与稻麦轮作相比，稻绿轮作增加了土壤有效钼含量。总体上，与稻麦轮作相比，稻绿轮作相对提高了土壤微量元素有效锰、有效锌、有效硼和有效钼的含量，但降低了土壤有效铁、有效铜含量，表明稻绿轮作能够提高部分微量元素的含量。

2.2 稻绿轮作的耕地质量评价

选择改进后的内梅罗综合指数法对稻绿轮作实施前后示范区耕地质量进行综合评价。分别对2018—2019年和2019—2020年的稻绿轮作实施前后土壤质量进行评价，选择的评价因子主要有土壤pH、全氮、有效磷、速效钾、有机质、容重，中量元素有效硫、交换性钙镁，微量元素有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、有效硼、有效钼。先对上述因子数据进行标准化，经过标准化处理后，各指标值处于同一数量级别，可进行综合测评分析，标准化处理如式(1)。

式中，Qi为单土壤耕地质量指数，Di为单个土壤耕地质量的实测值，Ti为单土壤耕地质量的临界标准，i为参与评价因子的个数。土壤质量评价因子的分级标准参考1979年全国土壤普查数据（表2）。

表2 土壤耕地质量评价因子分级标准值

土壤耕地质量评价如式(2)。

式中，Q为土壤耕地质量指数，Qi为样品中单土壤耕地质量指数的平均值，Qimin为样品中单土壤耕地质量指数的最小值，i为某种评价因子的个数，n为参与评价因子的总个数。

根据土壤耕地质量指数及1979年土壤普查数据，可将土壤耕地质量分为4级（表3）。

表3 土壤质量等级划分标准

通过改进后的内梅罗综合指数法评价2018—2019年的稻绿轮作实施前后的耕地质量，得出实施前后土壤的内梅罗指数分别为2.431和2.496，属于二级水平，土壤质量肥沃。稻绿轮作的耕地质量比实施前有了一定的提高，提高幅度达3.33%。

2019—2020年的稻绿轮作实施前后土壤的内梅罗指数分别为2.154和2.236，属于二级水平，土壤质量肥沃。轮作休耕项目实施后比实施前有了一定的提高，提高幅度达3.80%。

2.3 稻绿轮作对土壤重金属的影响

从土壤重金属看，稻绿轮作的土壤总镉含量平均值从0.142 mg/kg升高到0.153 mg/kg，增幅7.74%，稻麦轮作对照的土壤总镉含量平均值保持在0.152 mg/kg（表4）。与稻麦轮作相比，稻绿轮作增加了土壤总镉含量。稻绿轮作的土壤总铬含量平均值从66.88 mg/kg降低到62.03mg/kg，降幅7.25%，稻麦轮作对照的土壤总铬含量平均值从68.40 mg/kg升高到68.85 mg/kg，增幅0.65%。与稻麦轮作相比，稻绿轮作相对降低了土壤总铬含量。稻绿轮作的土壤总铅含量平均值从25.46 mg/kg升高到26.00 mg/kg，增幅2.12%，稻麦轮作对照的平均值从26.56 mg/kg增加到27.86 mg/kg，增幅4.89%。与稻麦轮作相比，稻绿轮作降低土壤总铅含量幅度大，相对降低了土壤总铅含量。稻绿轮作的土壤总砷含量平均值从11.72 mg/kg降低到11.61 mg/kg，降幅0.94%，稻麦轮作对照的土壤总砷含量平均值从11.04 mg/kg升高到12.25 mg/kg，增幅10.96%，与稻麦轮作相比，稻绿轮作能够降低土壤总砷含量。稻绿轮作的土壤总汞含量平均值从0.045 mg/kg升高到0.046 mg/kg，增幅2.22%，稻麦轮作对照的土壤总汞平均值从0.041 mg/kg增加到0.043 mg/kg，增幅4.88%。与稻麦轮作相比，稻绿轮作相对降低了土壤总汞含量。总体来讲，与稻麦轮作对照相比，稻绿轮作有效降低了土壤总铬、总铅、总砷、总汞含量，对于土壤生态恢复具有极其重要的作用。

表4 2018—2020年间稻绿轮作和稻麦轮作土壤重金属变化mg/kg

3 结论

与稻麦轮作相比，2年的紫云英-水稻轮作休耕提高了土壤pH、全氮、有机质、速效钾、交换性钙、有效硫、有效锰、有效锌、有效硼、有效钼含量，降低了土壤容重、速效磷、交换性镁、有效铁、有效铜含量，内梅罗综合指数提高了7.13%，降低了土壤重金属总汞、总铬、总铅、总砷含量，但增加了土壤镉的含量，依据土壤重金属污染国家质量标准(GB 15618—1995)中二级标准(≤0.3 mg/kg)，未达到污染水平。总体上，紫云英-水稻轮作休耕有利于土壤质量提升，达到减肥增效的目的。

4 讨论

4.1 稻绿轮作对土壤理化性质的影响

紫云英是一种重要的绿肥作物，其固氮能力强，还田养分利用率高，还能有效改善土壤理化性状[14]，长期紫云英还田能促进土壤有机质积累，增加酸性土壤pH和全氮，但有效磷和速效钾影响不大[15]。王慧[16]的研究表明，3年紫云英绿肥还田能够有效增加土壤全氮、有效磷、有机质和速效钾含量。本研究表明，2年紫云英轮作休耕与常规施肥相比，增加了土壤有机质、pH、全氮、速效钾，与前人的研究[7,17]一致。土壤有机质、pH、全氮、速效钾的增加主要与紫云英腐解产生的有机物有关，有机物增加使土壤有机质增加，有机质中碱性物质的释放会增加土壤pH，紫云英有固氮作用，腐解过程中会矿化出氮，增加土壤氮的含量，但对土壤有效磷含量影响很小，这与张璐[15]的研究结果一致。

邹长明[18]发现，定位4年的紫云英轮作休耕除了能增加土壤氮、磷、钾含量，还可以补充土壤铁、锌、硫、锰、铜等中微量元素的作用，高嵩涓[19]也报道了长期定位的紫云英轮作休耕不仅可以提高土壤有效磷和速效钾含量，还可以增加土壤中微量元素的铁、锌、锰、铜、硫养分等作用。另外王朝辉[20]发现，紫云英绿肥轮作休耕还可以增加耕层土壤交换性镁和钙，土壤有效锌、铜、锰的含量。本研究发现，与稻麦轮作对照相比，稻绿轮作提高了土壤交换性钙，土壤有效硫、锰、锌、硼和钼的含量，与前人的报道[18-20]相同；但降低了土壤交换性镁、有效铁、有效铜含量，土壤有效铁的降低与李可懿的报道一致，这可能和土壤性质、微生物环境、pH等因素有关。

4.2 稻绿轮作的耕地质量的影响

前人对土壤质量影响的评价主要聚焦在土壤肥力[21-22]、土壤有效养分[23]等某一方面或几方面，对土壤质量有影响的有效养分和土壤肥力综合评价缺少全面的报道。本研究采用内梅罗指数法进行综合评价，评价了土壤肥力和有效养分，发现2年的紫云英轮作休耕的土壤质量增幅分别为3.33%和3.80%。王志强[24]研究发现，经过6年的紫云英还田能有效提高稻田土壤质量10%～12%。表明紫云英轮作休耕有利于土壤质量的提升。

4.3 稻绿轮作对土壤重金属含量的影响

土壤重金属的含量高低与活性强弱直接影响粮食作物根部的吸收，然后通过食物链影响人体的安全。谢杰[25]研究表明，紫云英长期还田能够降低稻田土壤Cd含量，在3个定位试验点得到验证。汤文光[26]在6年定位试验中发现，与稻麦轮作相比，紫云英轮作休耕对土壤砷、汞、铬、镉、铅的有降低作用。本研究表明，与稻麦轮作相比，紫云英轮作休耕能够有效降低土壤Pb、Hg、Cr、As的污染，与汤文光的报道一致。原因可能为紫云英腐解过程可以产生种类繁多的水溶性有机物，水溶性有机物能够降低土壤对重金属的吸附，提高土壤中Pb、Hg、Cr、As的活性[27]。通过淋洗降低了耕层土壤的Pb、Hg、Cr、As的污染。但增加了土壤Cd的污染，这与钱晨晨的研究结果相同[28]。紫云英轮作休耕会增加土壤Cd的污染，原因可能为土壤Cd容易受pH的升高而钝化，并存留在土壤耕层。