易 瓊，唐拴虎，黃 旭，李 蘋，張發(fā)寶，楊少海

(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部南方植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室/廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點實驗室，廣州 510640)

堿性材料對修復(fù)與改良酸性硫酸鹽土壤障礙因子的研究①

易 瓊，唐拴虎*，黃 旭，李 蘋，張發(fā)寶，楊少海

(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部南方植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室/廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點實驗室，廣州 510640)

采用盆栽試驗研究了不同堿性材料(石灰、自研改良劑、鈣鎂磷肥)對酸性硫酸鹽土壤主要障礙因子的修復(fù)及其對水稻生長的影響。結(jié)果表明，不同堿性材料對土壤理化特性、土壤養(yǎng)分有效性和水稻生長的影響存在明顯差異。與常規(guī)施肥(NPK)處理相比，自研改良劑(SAM)和鈣鎂磷肥(CMP1)處理土壤pH增加了1.25和0.92個單位，土壤速效磷含量分別增加了3.1倍和2.6倍，土壤有效鐵、有效錳、交換性H+、Al3+含量均大幅下降。SAM與CMP1處理通過提供足夠的有效磷并補充鈣、鎂等元素，有效改善了根系生長環(huán)境，從而有效控制鐵、錳、鋁等元素向地上部轉(zhuǎn)運，進而對作物的生長起到促進作用。SAM和CMP1處理較NPK處理有效促進了關(guān)鍵生育期水稻根系活力并顯著增加了水稻籽粒產(chǎn)量，增幅分別達121.1% 和105.1%。石灰效果次之。綜上，初步認(rèn)為堿性材料改良酸性硫酸鹽土壤的關(guān)鍵在于保證了充足有效磷的同時，提高了土壤 pH，降低了土壤金屬的毒害。本試驗條件下，鈣鎂磷肥對修復(fù)和改良酸性硫酸鹽土壤障礙因子效果非常明顯，但其成本是自研改良劑的3倍，因此，基于改良劑的成本與長期適用性考慮，自研改良劑可能是該類土壤改良的最佳選擇。

酸性硫酸鹽土；堿性材料；障礙因子；修復(fù)；改良

酸性硫酸鹽土是一種富含黃鐵礦的土壤，在有氧條件下黃鐵礦發(fā)生氧化反應(yīng)形成硫酸，土壤耕作層以下的酸可通過毛細(xì)管作用上升至耕作層，加劇土壤酸化[1]。此類土壤主要分布在我國東部沿海地區(qū)，華南地區(qū)將酸性硫酸鹽土壤發(fā)育的水稻土形象地稱為“反酸田”[2]。廣東省酸性硫酸鹽土壤分布面積約有1.04萬hm2，占全省土壤面積的8.07%[3]。酸性硫酸鹽土壤除酸性強外，有效磷含量極低且富含大量的鐵、鋁、錳毒害元素等，導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力水平低下，并且嚴(yán)重危害環(huán)境[4]。因此，探索酸性硫酸鹽土壤低產(chǎn)低效機制并開發(fā)切實可行的改良措施或改良產(chǎn)品以消除毒害離子的脅迫，是現(xiàn)階段酸性硫酸鹽土壤研究的當(dāng)務(wù)之急[5]。以往試驗研究表明[6]，富含有效鈣或磷的無機偏堿性礦物質(zhì)在酸性土壤改良方面效果顯著。為此，本文以不同堿性物質(zhì)為材料，探討酸性硫酸鹽土壤障礙因子修復(fù)及水稻植株對不同堿性材料的響應(yīng)機制，為更好地實現(xiàn)酸性硫酸鹽土土壤培肥和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

盆栽試驗于 2013年在廣東省農(nóng)科院網(wǎng)室內(nèi)(23.15°N，113.36°E)開展，試驗共設(shè)6個處理(表 1)，各處理設(shè)16個重復(fù)(部分用于生長期內(nèi)進行破壞性取樣分析)，耕層水稻土混勻裝盆，每盆裝土2 kg。供試土壤屬于磚紅壤，是典型酸性硫酸鹽土壤，采自臺山?jīng)_蔞鎮(zhèn)(22.15°N，112.48°E)農(nóng)民稻田，基本理化性質(zhì)為：pH 4.21，有機質(zhì)21.7 g/kg，堿解氮240.0 mg/kg，有效磷 8.95 mg/kg，速效鉀 113.0 mg/kg。供試品種為當(dāng)?shù)刂髟运酒贩N合豐占，每盆移栽1穴(2株)水稻秧苗。處理LIME 為添加石灰處理，處理SAM 為添加自研改良劑處理(主要成分為石灰、白云石等復(fù)合材料)，處理CMP1為添加鈣鎂磷肥處理，石灰、自研改良劑和鈣鎂磷肥這3種堿性材料作為酸性硫酸鹽土壤改良物質(zhì)(表1)，用量均為10 g/盆。供試肥料分別為尿素、磷酸二銨和氯化鉀，各處理氮、磷、鉀養(yǎng)分用量保持一致，分別按N 0.25 g/盆、P2O50.075 g/盆，K2O 0.2 g/盆施入(其中處理CMP1由于鈣鎂磷肥作為改良劑含磷量較高，因此不施磷)，其中氮肥按基追比3︰2施用，磷肥全部作基施，鉀肥基追各半施入，堿性材料與基肥在水稻移栽前與土壤充分混勻施入，追肥以撒施的形式施入。所有管理措施包括病蟲害治理、水分管理盡量與大田保持一致。水稻于2013年4月16日移栽，7月25日收獲，生長期為100天。

表1 試驗處理設(shè)計Table 1 Design of experimental treatments

1.2 測定項目與方法

水稻成熟期各處理分別取3個重復(fù)計產(chǎn)，并采集土樣進行分析測定。分別于水稻關(guān)鍵生育期采集水稻植株樣，記錄水稻植株根系分布特征及其活力。土壤與地上部氮、磷、鉀等指標(biāo)均按照常規(guī)方法測定[7]，土壤pH采用電位法 (水土比2.5︰1)測定；土壤交換性酸、Al3+含量采用1 mol/L KCl交換–中和滴定法測定；土壤有效鐵含量采用DTPA溶液浸提–原子吸收光譜法測定，土壤有效硫含量采用磷酸鹽浸提–硫酸鋇比濁法測定，土壤有效錳含量采用稀鹽酸浸提–原子吸收光譜法測定；根系全鐵、全鈣及全鎂采用硝酸高氯酸消煮–原子吸收光譜法測定，根系體積與根系活力分別采用水位取代法和甲烯藍吸附法進行測定[8]。

試驗數(shù)據(jù)均采用Excel 2007和SAS 9.0統(tǒng)計軟件進行分析。采用Duncan法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酸度

土壤酸度是酸性硫酸鹽土最重要、最關(guān)鍵的理化性質(zhì)之一，其強度的高低通常用pH表示，pH與土壤生產(chǎn)力水平和生產(chǎn)潛力密切相關(guān)。由表2可知，不同堿性材料處理較常規(guī)施肥處理(NPK)土壤pH顯著增加，其中以石灰(LIME)和自研改良劑(SAM)處理效果最明顯，分別較NPK處理增加了1.33和1.25個單位。鈣鎂磷肥處理(CMP1)效果次之，較NPK處理土壤pH增加了0.92個單位。此外，當(dāng)鈣鎂磷肥作為磷源處理(CMP2)，其土壤pH較NPK處理差異不顯著，表明等磷量的鈣鎂磷肥的添加對土壤pH的改善效果不佳，鈣鎂磷肥對酸性硫酸鹽土的改良效果只有達到一定用量水平才能突顯。

表2 不同堿性材料對酸性硫酸鹽土壤pH、交換性H+和Al3+含量的影響Table 2 Effects of different basic materials on pH, exchangeable H+, Al3+contents in acid sulfate soil

土壤酸度也可通過數(shù)量指標(biāo)交換性酸表示，通常是指土壤膠體上吸附的H+、Al3+所反映的潛性酸量，土壤交換性酸量對調(diào)節(jié)和估算外源改良劑添加量具有重要的參考價值。與NPK處理比較，LIME、SAM和CMP1處理均極顯著降低了土壤溶液中交換性H+和交換性Al3+的含量，降幅分別為97.6%、95.4%、90.2% 和99.4%、97.1%、92.0%(表2)，從而有效降低了土壤酸害和鋁毒風(fēng)險。

2.2 土壤與根系關(guān)鍵元素分布特征

堿性材料對酸性硫酸鹽土壤和水稻根系中關(guān)鍵元素含量影響見表3，與不施肥(CK)處理相比，NPK處理土壤速效磷，有效錳、鐵、硫含量均未得到有效改善，并且根系中鐵、鈣、鎂的含量也未明顯增加。SAM與CMP1處理土壤有效磷含量較NPK處理分別增加了3.1倍和2.6倍，而LIME處理并未改善土壤中磷的有效性，土壤中磷的缺乏會影響水稻根系及地上部磷的吸收。各堿性材料(石灰除外)作為土壤改良劑顯著降低了土壤中有效錳和有效鐵的含量，SAM與CMP1處理土壤有效鐵和有效錳含量較NPK處理分別降低了60.8% 和90.5%、28.1% 和31.8%，但對土壤中有效硫含量的影響不明顯。與NPK處理相比，SAM處理水稻根系鈣含量增加最多，LIME與CMP1處理次之。SAM、CMP1及LIME處理還促進了根系對鎂離子的吸收，對土壤中鐵的吸收具有明顯的抑制作用，從而有效降低鐵毒的風(fēng)險。綜上，SAM處理在改善土壤有效磷含量，增加水稻根系鈣、鎂含量，降低土壤有效鐵、錳及根系全鐵含量方面效果明顯。

表3 不同堿性材料對土壤與根系關(guān)鍵元素含量的影響Table 3 Effects of different basic materials on key elements of soil and rice root

2.3 水稻根系特征

根系的生長發(fā)育好壞和活力強弱直接關(guān)系著養(yǎng)分吸收利用效率的高低和地上部植株能否正常生長發(fā)育。不同堿性物質(zhì)對水稻根系的生長發(fā)育的影響不一致(表4)。移栽后46天(分蘗盛期)，CMP1處理根系體積和根干重均顯著高于其他各處理，且其最大根長也處于較高水平。與NPK處理相比，LIME與SAM處理根干重顯著增加，但其對水稻根系最大根長與根體積的影響不大。至移栽后78天(抽穗期)，SAM與CMP1處理顯著促進了根系生物量的增加和根系體積的增長。

表4 不同堿性材料對水稻不同生育期根系生長的影響Table 4 Effects of different basic materials on root development during different rice growth stages

水稻根系活力的大小與根系最大根長、根體積及根生物量密切相關(guān)。水稻生育期內(nèi)根系活力對不同堿性材料的響應(yīng)不同(圖1)，水稻分蘗盛期表現(xiàn)為CMP1處理與SAM處理水稻根系活力高于LIME處理，且顯著高于NPK處理。與NPK處理相比，CMP2處理對提高水稻根系活力效果并不明顯。同樣地，抽穗期SAM、LIME與CMP1處理水稻根系活力均顯著高于其他各處理，SAM處理根系活躍吸收面積達到7 m2，極顯著高于LIME處理與CMP1處理，該結(jié)果與水稻根系特征趨勢表現(xiàn)一致。

圖1 不同堿性材料對水稻不同生育期根系活力的影響Fig. 1 Effects of different basic materials on active absorption areas of root during different rice growth stages

2.4 籽粒產(chǎn)量

由圖2所示，常規(guī)施肥處理籽粒產(chǎn)量較不施肥處理差異不顯著，表明在酸性硫酸鹽土壤條件下，單施化肥對提高水稻籽粒產(chǎn)量效果不明顯。各添加堿性材料處理籽粒產(chǎn)量均顯著高于常規(guī)施肥處理，其中SAM處理籽粒產(chǎn)量增幅最大，較NPK處理增產(chǎn)達121.1%。CMP1處理較NPK處理增產(chǎn)效果顯著，增幅達105.1%。LIME處理增產(chǎn)效果遠(yuǎn)不及SAM和CMP1處理。等磷條件下，以鈣鎂磷肥為磷源(CMP2)處理較以磷酸二銨為磷源 (NPK) 處理籽粒產(chǎn)量明顯增加，該結(jié)果可能是由于鈣鎂磷肥作為磷源的同時向土壤中補充了鈣與鎂離子，進而促進了產(chǎn)量的提升。

圖2 不同堿性材料對酸性硫酸鹽土水稻籽粒產(chǎn)量的影響Fig. 2 Effects of different basic materials on rice grain yields in acid sulfate soil

2.5 產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性

綜合分析水稻籽粒產(chǎn)量、收獲后土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性可知，水稻籽粒產(chǎn)量與土壤有效磷含量呈極顯著正相關(guān)，而與土壤交換性H+、Al3+呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤有效錳含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(表5)。此外，土壤有效磷含量與土壤有效錳含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。然而，土壤中有效鐵、硫含量與籽粒產(chǎn)量及其他理化性質(zhì)并未呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，即土壤交換性酸、鋁含量及土壤有效磷、有效錳含量作為酸性硫酸鹽土壤障礙因子，是限制該土壤生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素。

表5 不同堿性材料處理土壤理化性質(zhì)及籽粒產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系Table 5 Correlations among rice grain yield and soil physical and chemical properties under different basic materials treatments (n= 18)

3 討論與結(jié)論

酸性硫酸鹽土壤存在諸多障礙因子，不同地區(qū)、不同土壤母質(zhì)條件下酸性硫酸鹽土壤障礙因子并非完全一致。酸性硫酸鹽土壤毒害現(xiàn)象并非僅受某一個因素的制約，而是由多種因素綜合作用的結(jié)果[9]。人們對酸性硫酸鹽土壤的主要限制因子觀點并不一致，李金培[4]研究認(rèn)為土壤酸度低是酸性硫酸鹽土壤生產(chǎn)力水平低的關(guān)鍵因素之一，缺磷是酸性硫酸鹽土壤中最重要的限制因子，施用磷肥和石灰是改良酸性硫酸鹽土壤的有效措施[10]。同時也有人認(rèn)為干濕交替、土壤還原物質(zhì)如 H2S 對根系功能的降低等也是造成酸性硫酸鹽土壤毒害機理之一[11–12]，然而本試驗結(jié)果表明，幾種堿性物質(zhì)處理土壤有效硫含量并未得到明顯改善，但其土壤磷元素含量顯著升高，土壤生產(chǎn)力及水稻根系生長均得到有效提高，因此認(rèn)為有效硫含量可能不是該類土壤主要限制因子。本文對酸性硫酸鹽土壤毒害機制主要從土壤養(yǎng)分元素有效性和水稻植株根系活力及其養(yǎng)分吸收兩方面考慮，二者相互制約、相互影響。土壤養(yǎng)分元素的影響主要涉及土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分有效性低或嚴(yán)重缺乏，或者金屬元素、硫含量過高富集均會對水稻植物根系的生長發(fā)育和地上部養(yǎng)分的吸收利用產(chǎn)生抑制作用，甚至是毒害作用。研究結(jié)果表明土壤酸害、貧磷、鋁毒、錳毒、鐵毒是本試驗條件下土壤的主要障礙因子，是限制該土壤生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素，該結(jié)果與黃巧義等[13]研究結(jié)論一致。因此，針對酸性硫酸鹽土進行改良必須綜合調(diào)控每一個限制因子及其相互效應(yīng)[14]。

國內(nèi)外針對酸性硫酸鹽土壤的改良與修復(fù)已開展了大量的研究工作[15–18]，粉煤灰、堿渣、磷石膏等工業(yè)副產(chǎn)品作為酸性土壤改良劑的趨勢逐漸明顯[19–21]。此外，不同原材料制成的生物炭因其具有較高的石灰位，能夠明顯增加土壤 pH、交換性堿基離子和鹽基飽和度，并能降低土壤中交換性酸，也備受農(nóng)業(yè)科技研究者的青睞[6,22]。本試驗主要以石灰、自研改良劑與鈣鎂磷肥為研究材料，著重從土壤養(yǎng)分元素有效性與水稻產(chǎn)量及根系養(yǎng)分吸收特征角度來分析解釋酸性硫酸鹽土壤障礙因子的改良效果。研究結(jié)果表明，與常規(guī)施肥(NPK)處理相比，自研改良劑(SAM)和鈣鎂磷肥(CMP1)處理土壤 pH 大幅增加、交換性酸鋁含量急劇降低，根系土壤養(yǎng)分有效性明顯升高，水稻根系土壤環(huán)境得到改善，水稻根系吸收活力加強，并提高了作物對土壤有效營養(yǎng)元素的吸收利用，從而使得水稻籽粒產(chǎn)量增幅極顯著高于其他各處理。酸性硫酸鹽土壤障礙因子對土壤與作物的影響機制并非完全抑制。前人研究指出，土壤中活性鋁的大量存在會降低磷的有效性，無機離子態(tài)鋁可與土壤中水溶性磷酸根離子結(jié)合生產(chǎn)磷酸鋁，從而抑制根對磷元素的吸收；與此同時，活性鋁水解還導(dǎo)致土壤溶液 pH 下降，硫、鈣、鎂等營養(yǎng)元素的有效性降低[23]。Ma 等[24]研究認(rèn)為鋁毒害的原初反應(yīng)是抑制植物根系的生長，在鋁脅迫下作物根伸長受阻，根尖抗氧化酶活性顯著降低。據(jù)報道，在酸性土壤條件下，錳在土壤中的有效性隨土壤 pH 的升高而降低，因此，通過改良土壤酸度，如添加石灰類物質(zhì)能間接抑制錳毒的發(fā)生[25–26]。本試驗條件下，LIME 處理水稻產(chǎn)量較 NPK 處理顯著增加，但其增產(chǎn)效果遠(yuǎn)不及 SAM 處理，這不僅是由土壤中磷的有效性以及有效錳含量并未得到明顯改善所致，而且還與水稻生長后期石灰處理水稻根系體積、根吸收面積顯著低于 SAM 處理有關(guān)。澳大利亞政府采取一種叫做石灰輔助性潮汐交換策略以修復(fù) ASS 存在的問題，該措施有效改善了水的質(zhì)量，使土壤 pH 從 3.5 增加到 6 ~ 8，并使土壤中鋁和鐵還原率降至安全值[27]。傳統(tǒng)認(rèn)為，石灰既能中和土壤中的酸，又能補充鹽基離子，對改良酸性硫酸鹽土壤效果明顯，但長期施用石灰會導(dǎo)致土壤負(fù)面效應(yīng)，如土壤板結(jié)，這是生產(chǎn)中存在的現(xiàn)實問題[28]。等磷用量條件下，CMP2 處理較 NPK 處理在一定程度上提高了水稻籽粒產(chǎn)量，改善了土壤理化性質(zhì)，該結(jié)果可能與鋁、鈣呈拮抗有關(guān)，鈣含量的增加將會引起鋁濃度的減少[29–30]。

綜上所述，初步認(rèn)為本試驗條件下緩解植物根際土壤障礙因子的關(guān)鍵在于保證充足有效磷的同時，提高土壤pH，降低土壤關(guān)鍵毒害金屬元素含量，從而改善根系生長環(huán)境，促進根系生長發(fā)育和根系吸收活力，提高植物營養(yǎng)元素的正常吸收和利用，抑制鐵、鋁等元素向地上部吸收運輸。鈣鎂磷肥對修復(fù)和改良酸性硫酸鹽土壤障礙因子效果明顯，但作為土壤改良劑其成本投入是自研改良劑的3倍，因此，基于以上研究結(jié)果并綜合考慮改良劑的長期適用性及成本投入，自研改良劑是本試驗條件下酸性硫酸鹽土壤改良的最佳選擇。而自研改良劑是否適用于該區(qū)域酸性硫酸鹽土壤的改良及大面積推廣還有待進一步的研究與驗證。

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Study on Restoration and Amelioration of Limiting Factors in Acid Sulfate Soils by Basic Materials

YI Qiong, TANG Shuanhu*, HUANG Xu, LI Ping, ZHANG Fabao, YANG Shaohai
(Institute of Agricultural Resources and Environment,Guangdong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region,Ministry of Agriculture/Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation,Guangzhou510640,China)

Pot experiment was conducted to study the effects of different basic materials (lime, self-development ameliorant and calcium magnesium phosphorus treatment) on the restoration of the main limiting factors and rice growth in acid sulfate soils (ASS). The results showed that the effects of different basic materials were significantly different on soil physical and chemical characteristics, availability of soil nutrient and rice growth. Compared with NPK, SAM and CMP1 treatments effectively increase pH values by 1.25 and 0.92 units respectively, increased available P content by 3.1 times and 2.6 times respectively, while reduced greatly the contents of available Fe and Mn, exchangeable H+and Al3+. SAM and CMP1 treatments extremely improved root surroundings thereby effectively control the transport of Fe, Mn and Al elements to the ground through ensuring of enough available P content in combination with the supplement of elements such as Ca, Mg and so on. SAM and CMP1 treatments promoted the growth and development of root, significantly increased the root activity at peak tillering and heading stages, and significantly increased rice grain yield by 121.1% and 105.1% in comparison to NPK, respectively. The effect of LIME treatment was next to SAM and CMP1 treatments. In conclusion, it was preliminarily consider that the key points of the alleviation mechanism of basic materials on limiting factors in ASS lies in improving the available contents of nutrient elements and pH, reducing the contents of some toxic metal elements. In the conditions of this study, CMP1 plays an extremely important role in restoring the limiting factors of ASS, but its cost was 3 times higher than SAM. Thus, taking the applicability for a long time and cost of soil ameliorant into consideration, self-development ameliorant should be a more appropriate soil conditioner for ASS.

Acid sulfate soils; Basic materials; Limiting factors; Restoration; Amelioration

S156.2

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.030

廣東省科技計劃項目(2012A020100004)和公益性行業(yè)科研專項(201003016)資助。

* 通訊作者(tfstshu@aliyun.com)

易瓊(1985—)，女，湖南株洲人，博士研究生，主要從事養(yǎng)分資源利用方面的研究。E-mail: yiq100@126.com