南方典型酸化土壤改良与水稻安全种植同步应用技术

童文彬， 江建锋*， 杨海峻， 陈喜靖， 林义成， 刘琛， 张露华， 方俊， 郭彬

(1.衢州市衢江区农业农村局，浙江 衢州 324022； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

土壤酸化是我国南方土壤退化的重要表现之一[1]。浙江省地处亚热带季风气候区，年降雨量大于年蒸发量，降雨引起土壤中碱基化合物(主要为钙和镁)淋失，交换性氢及铝含量增加，土壤整体上呈酸性。在此影响下，红壤、黄壤成为浙江省主要的土壤类型，约占全省土壤面积70%左右[2]。据统计，浙江省范围内采集的2 457个土壤样品中，土壤pH平均值为5.2，其中pH 值低于5.5的样品占61.2%[3]。此外，人类活动引起的酸沉降，不当的施肥方式以及耕地高强度利用等因素，加重了土壤酸化的趋势[1]。土壤酸化不仅影响土壤生物活性，降低养分有效性，同时还促使游离的锰、铝离子以及重金属离子溶入土壤溶液中，农作物可食部分有毒重金属超标风险加大，危害农产品产量与质量安全[4]。因此，改良酸化土壤是保障浙江省粮食安全的必然选择，对于实现浙江省耕地质量动态平衡，保障浙江省粮食安全和促进农民增收，具有十分重要的现实意义。

施用碱性改良调理剂是土壤调酸的重要措施[5]。除此之外，提高土壤有机质含量也可显著增强土壤的化学缓冲性，减轻土壤酸化的趋势。例如，张倩等[6]对江苏省典型茶园土壤调查发现，土壤 pH 与有机质含量呈极显著负相关关系。另外，许多研究也已表明，pH是土壤重金属生物有效性的重要影响因子之一，土壤pH越低，重金属有效态含量越高[7]。但目前针对南方典型酸化土壤进行提质、降酸、降镉的同步改良技术研究还不多见。为此，本研究选择了浙江省衢州市典型酸化稻田，开展降酸矿物与有机肥料配合施用田间试验研究，以期为我国南方酸化土壤改良与水稻安全种植同步应用技术提供理论基础与支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 水稻品种

选用早籼品种中组143[8]作为试验材料。早晚稻轮作是衢州地区主要种植模式之一，肥料等农业投入品一般在冬季闲田时一次性施用。根据当地种植管理模式，本研究采用早稻种植前一次性物料施用的田间施用方式。为此，选择浙江省已经广泛推广种植的早稻品种中组143，该品种由中国水稻研究所选育，适宜在浙江省作早稻种植。该品种株高适中，茎秆坚韧，具有穗大粒多、产量高、生育期短且谷色好等优势。

1.1.2 降酸改良矿物材料

白云石粉，化学成分为CaMg(CO3)2，其中MgO含量为22%，CaO含量为32%，购自浙江某碳酸钙厂家，矿石经机器研磨后过200目筛制得，重金属(Cd、As、Pb、Hg、Cr)含量均低于国家标准《土壤调理剂通用要求》(NY/T3034—2016)相关限值。有机肥购自衢江区本地某有机肥厂，主要原料包含堆制后的猪粪、稻草和木屑，其中有机质含量28%、氮含量2.1%、磷含量2.0%、钾含量1.4%、pH 7.2。重金属(Cd、As、Pb、Hg、Cr)含量均低于国家标准《有机肥料》(NY/T 525—2021)相关限值。

1.1.3 土壤

田间试验布置于衢州市衢江区全旺镇某酸化稻田，于2019年3月至2019年8月进行。土壤类型为水稻土，土壤pH 4.96，有机质含量为24. 9 g·kg-1，全氮含量为1.55 mg·kg-1，碱解氮含量为139 mg·kg-1，有效磷含量为19. 0 mg·kg-1，速效钾含量为30.9 mg·kg-1，Cd含量为0.28 mg·kg-1，有效态Cd含量为0.13 mg·kg-1。

1.2 试验设计

田间试验设4个处理，分别为：处理(1)对照：不添加改良剂；处理(2)每667 m2白云石粉 75 kg+有机肥300 kg；处理(3)每667 m2白云石粉150 kg+有机肥300 kg；处理(4)每667 m2白云石粉225 kg+有机肥300 kg。每个处理设3个重复，共计12个小区。小区面积25 m2(5 m×5 m)，每个小区均设进水与排水口，小区间构筑宽30 cm、高25 cm的田埂，田埂覆盖薄膜，以防止窜水窜肥，四周设置2 m保护行，水稻全生育期其他管理措施与当地常规管理制度保持一致。在田面平整时，将白云石粉和有机肥按照各处理施用量均匀施用于土壤表层，早稻插秧前机械翻耕，充分与土壤耕层混匀。各小区水稻种植密度一致，种植规格为25 cm×25 cm。

白云石粉、有机肥全部基施，基肥为每667 m2红四方控释肥(20-10-13)40 kg，追肥用尿素、氯化钾各12.5 kg，施肥总量折合N、P2O5、K2O分别为13.75 kg、4.0 kg和12.7 kg。基肥在耙田前放浅水后施入耙入土中，分蘖肥于移栽后10 d左右与除草剂混合施用。除施肥外，各小区其余农事操作措施相同。

1.3 分析检测

1.3.1 土壤

试验前和试验后分别取耕层(0～20 cm)土样测定常规理化性质，包括土壤有机质含量、pH，全氮、有效磷和速效钾含量，测定方法参照《土壤农化分析》[9]。土壤有效态Cd含量分析参照BCR酸可提取态提取法：称取土壤样品1.0 g置于50 mL塑料离心管中，加入0.11 mol·L-1乙酸溶液40 mL，恒温振荡16 h后，3 000g离心10 min，取上清液进行电感耦合等离子体-质谱法(ICP-MS)分析[10]。

1.3.2 水稻

考种样品：各小区采用3点取样的方法，每一个点取1丛水稻进行考种，为使样品采集更具有代表性，需在调查各小区平均穗数的基础上进行。根据各小区平均穗数取3点，每个点取1丛，即每个小区取3丛。样品采集后放入尼龙网线袋中自然干燥。对试验各处理的稻谷产量进行单收单打。

稻米Cd：稻米研磨成粉，称取0.25 g置于聚四氟乙烯消解罐中，加入纯硝酸5 mL，160 ℃消煮8 h至澄清透明后，转移定容ICP-MS分析。

2 结果与分析

2.1 土壤pH及养分含量变化

如表1所示，供试小区土壤呈酸性，有机质与全氮含量适中，速效氮(碱解氮)和磷含量充足，但速效钾含量不足。针对酸化土壤，目前常用的改良方法主要为施用白云石粉、石灰、选施碱性化肥等。施用石灰不仅可以中和土壤中的酸根离子，还可以补充钙素，改善土壤结构，提高土壤的生物活性和养分循环能力，从而改善根系生长环境，促进根系生长和吸收，改善植株营养和生长状况，提高作物产量和品质[11]。石灰改良剂主要有生石灰(主要成分CaO)和石灰石粉(主要成分CaCO3)。虽然生石灰较白云石粉的施用效果显著，但由于生石灰施入土壤里反应较为剧烈，调酸的持效性较白云石粉低，同时对施用人具有潜在的伤害性[12]，因此，选用较为温和的白云石粉作为土壤调酸改良剂。

结果表明，每667 m2施用白云石粉75 kg+有机肥300 kg(处理1)，对土壤pH和有机质影响不显著，对其他指标影响也均不显著，说明该处理对于降酸改土的作用不大。而每667 m2施用白云石粉150 kg+有机肥300 kg(处理2)和每667 m2施用白云石粉225 kg+有机肥300 kg(处理3)，土壤pH平均提升0.2个单位；每667 m2施用300 kg有机肥，土壤平均有机质含量为26.1 g·kg-1，比对照提升4.8%。同时，各处理的碱解氮和有效磷没有规律性的变化，每667 m2施用白云石粉150 kg+有机肥300 kg和每667 m2施用白云石粉225 kg+有机肥300 kg处理的全氮和速效钾则有提高的趋势。

表1 各处理土壤pH及养分含量

2.2 水稻产量及构成因子

酸化土壤中存在大量Al3+和H+等交换性阳离子，一方面对植物的根系产生毒害，降低植物对营养元素的吸收能力；另一方面，土壤pH 下降，土壤微生物生长和活动也受到抑制，从而影响了土壤养分循环和有机质的分解过程，导致供肥能力下降，作物生长受阻[5]。据统计，土壤酸化可使水稻减产达20%以上[13]。本研究结果(表2)表明，通过实施降酸改土措施，每穗实粒数有提高表现，秕谷数降低，结实率有所提高，理论产量提高。但株高、有效穗、千粒重、结实率、单位产量均没有显著变化。因此，降酸改土措施对于水稻产量的提高作用还有待于进一步试验加以明确。

表2 各处理作物产量及构成因子比较

酸化土壤中的H+离子会对土壤重金属离子(如Cd)产生交换吸附作用，也会使难溶化合物产生溶解作用，从而增强重金属的生物有效性[7]。由表3可知，土壤Cd含量为0.28 mg·kg-1，未施用土壤调理剂的情况下，稻米Cd含量为0.18 mg·kg-1，接近于国家稻米食用安全标准(0.2 mg·kg-1)，存在一定的安全生产风险。添加降酸调理剂后土壤有效态Cd含量显著降低，且随着施加量的增加，降低幅度加大，同时稻米中的Cd含量也呈现逐渐下降的趋势。其中每667 m2施用白云石粉150 kg+有机肥300 kg(处理2)处理的有效态Cd和稻米Cd含量下降幅度最为明显，稻米Cd含量与对照相比下降了72%，土壤有效态镉Cd含量下降了54%。

表3 各处理作物产量及构成因子比较

3 小结

施用白云石粉+有机肥，土壤有机质、全氮和速效钾含量有所提高，而碱解氮、有效磷含量无显著变化。针对pH 5.0左右的酸性土壤，通过每667 m2施用白云石粉150 kg+有机肥300 kg，土壤pH平均提升0.2个单位，土壤有机质含量有所提升。

通过实施降酸改土措施，每穗实粒数有所提高，秕谷数有降低趋势，结实率提高，水稻的产量构成有所提升。

施用白云石粉+有机肥同时还起到了降低稻米镉含量累积的效果，促进了水稻安全种植。