增施大豆豆粕及豆粕炭对酸性水稻土的改良效果及对水稻产量的影响

2023-08-07吴艳柳开楼张景云宋惠洁胡丹丹

作物杂志 2023年3期

吴艳柳开楼张景云宋惠洁胡丹丹

（1 江西省红壤及种质资源研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，331717，江西南昌；2 江西省农业科学院蔬菜花卉研究所，330200，江西南昌）

我国农田土壤在长江以南地区出现明显酸化，且酸性水稻土面积呈增长趋势[1]。土壤酸化直接影响着土壤理化及生理特性，导致盐基离子加速淋失和土壤肥力下降，严重制约了农业的可持续发展[2-3]。当前已使用的一些矿物和工业副产物能够达到改良酸性土壤的效果[4-5]，但绝大多数改良剂的成本较高[4,6]。因此，使用性价比较高的改良剂进行酸性水稻土改良是土壤调理剂研发的主要方向。

在我国，农作物产品的废弃物通常采用直接燃烧或丢弃的处理方式，不仅造成了资源浪费和环境污染[7-8]，而且会带走土壤中的碱性物质[9]。随着社会经济的快速发展和人们生活水平的改善，农业废弃物处理也引起了全社会的广泛关注[10]。豆粕是大豆提取豆油之后的副产品[11]，豆粕炭是豆粕经不完全燃烧产生的一种非纯净碳的混合物，均为农业废弃物。2021 年，中国压榨消费大豆达10 亿t[12]，产生了大量农业废弃物豆粕。有研究[13]表明，豆科作物碱含量一般高于非豆科作物。豆粕和豆粕炭作为酸性土壤改良剂，施入酸性水稻土中可以实现改良土壤和资源循环利用的目标。韦增辉等[14]研究表明，豆粕可以显著提升土壤有机碳和速效氮磷钾养分。前人研究[15-17]认为，豆粕作为有机肥可显著提升黄瓜和小白菜的产量和品质，也可提升茶叶品质。但是，由于不同土壤特征和作物种类差异，关于豆粕是否可以有效改良酸性水稻土还缺乏深入探讨，特别是豆粕炭化还田后对酸性水稻土的改良效果。因此，本试验通过对酸性水稻土施入豆粕和豆粕炭，分析不同用量的豆粕和豆粕炭对土壤pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾含量和水稻产量的影响，评价其对酸性水稻土的改良效果，为豆粕等农作物废弃物的资源化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江西省进贤县张公镇马家村（116o17'60″E、28o35'24″N），地处中亚热带，年均气温18.1℃，≥10℃积温6480℃，年降水量1537mm，年蒸发量1150mm，无霜期约289d，年日照时数1950h。试验土壤为第四纪红黏土发育的红壤性水稻土，土壤肥力中等，试验开始前耕层土壤pH 5.2、有机质20.5g/kg、全氮1.1g/kg、有效磷17.5mg/kg、速效钾74.5mg/kg。

1.2 试验设计

试验设置5 个处理，分别为豆粕2250kg/hm2（A1）、豆粕4500kg/hm2（A2）、豆粕炭2250kg/hm2（B1）、豆粕炭4500kg/hm2（B2）和常规施肥（CK）。每个处理3 次重复，小区面积30m2。

大豆豆粕来源于大豆油压榨厂，豆粕炭是豆粕在无氧条件下经400℃～550℃高温热裂而成。豆粕和豆粕炭的有机碳含量分别为282.1 和53.1g/kg，豆粕的全氮、全磷、全钾含量分别为81.0g/kg、11.2g/kg 和22.4g/kg，豆粕炭的分别为62.3g/kg、8.1g/kg 和15.4g/kg。

水稻品种为五优华占，2019 年6 月17 日移栽，株行距为20cm×20cm，氮、磷、钾肥用量参考农民习惯，具体的肥料用量见表1，氮肥（尿素）和钾肥（氯化钾）40%作基肥施用，60%在分蘖期作追肥施用，磷肥（钙镁磷肥）、大豆豆粕和豆粕炭均作基肥一次施入。

表1 不同处理土壤改良剂和化肥用量Table 1 The amounts of soil conditioner and fertilizer in different treatments kg/hm2

1.3 测定项目与方法

1.3.1 水稻产量水稻成熟期每个小区实收测定水稻产量。

1.3.2 土壤采样和理化分析在大豆豆粕和豆粕炭施用后第15 天和水稻收获后，每个小区用土钻随机采集5 个点，混合风干研磨，测定土壤pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾含量等指标。具体方法参考《土壤农化分析》[18]。

1.3.3 经济效益总投入包括人工投入和物资投入，人工投入为播种、田间管理、收获等的用工成本，物资投入为种子、农药、化肥等的成本。按照水稻收购价格2.4 元/kg、豆粕3.5 元/kg、豆粕炭4.5 元/kg、水稻播种量30kg/hm2、水稻用种价格60元/kg、人工费6000 元/hm2、农药投入1800 元/hm2，计算各处理总投入、总产出和纯收益。

1.4 数据处理

采用Excel 进行数据整理分析，用SPSS 18.0进行统计分析，利用LSD 比较各个处理之间差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 大豆豆粕和豆粕炭对水稻产量的影响

与CK 处理相比，施用大豆豆粕和豆粕炭可以显著增加水稻产量（图1），A1、A2、B1 和B2 处理的产量分别显著增加了11.1%、13.3%、8.3%和9.8%。在相同用量下，施用豆粕处理的水稻产量明显高于豆粕炭处理。

图1 不同处理水稻产量变化Fig.1 Changes of rice yield in different treatments

2.2 大豆豆粕和豆粕炭对土壤pH 的影响

酸性水稻土中，施用大豆豆粕和豆粕炭可以显著阻控土壤酸化趋势。图2 显示，与CK 处理相比，大豆豆粕和豆粕炭处理的土壤pH 均得到显著增加，在施肥后15d，A1、A2、B1 和B2 处理的土壤pH 分别增加了0.32、0.32、0.15、0.25。水稻收获后土壤pH 分别增加了0.32、0.33、0.11、0.22。施相同量的豆粕和豆粕炭，土壤pH 表现为豆粕高于豆粕炭，且随着施用量增加，pH 增加幅度减少。可见，大豆豆粕的控酸效果优于豆粕炭。

图2 不同处理土壤pH 变化Fig.2 Changes of soil pH in different treatments

2.3 大豆豆粕和豆粕炭对土壤有机质和氮磷钾养分的影响

与CK 处理相比，增施大豆豆粕和豆粕炭显著增加土壤肥力（表2）。大豆豆粕和豆粕炭显著增加土壤有机质和氮磷钾含量，且施肥后15d 和水稻收获后的规律基本一致，但随着生育进程推进，土壤肥力下降。施肥后15d 与水稻收获后基本呈现A2处理的肥力最高，且在水稻收获后，A2 处理比CK处理土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别增加了9.66%、17.48%、22.38%和31.09%。

表2 不同处理土壤肥力变化Table 2 Changes of soil fertility in different treatments

2.4 大豆豆粕和豆粕炭增施后经济效益分析

表3 表明，与CK 处理相比，增施豆粕和豆粕炭产值增加，但纯收益均降低。不同处理纯收益表现为CK＞A1＞B1＞A2＞B2，与CK 处理相比，A1、A2、B1、B2 处理产值分别增加了11.12%、13.31%、8.30%和9.76%。增施相同量的豆粕和豆粕炭，产值、纯收益及产投比均表现为豆粕高于豆粕炭。增加豆粕和豆粕炭用量，产值增加，而纯收益及产投比呈现降低趋势。

3 讨论

在本研究中，增施豆粕和豆粕炭均可显著提高酸性水稻土的水稻产量，这与前人[19-20]研究结果相似，原因是增施豆粕和豆粕炭等有机物料可提高土壤中的碳含量，而较高的碳投入促进了土壤腐殖质含量增加，从而有利于根系的养分吸收，达到作物增产目的。但是，受水稻品种、土壤类型等因素影响，本研究中水稻产量的增幅与前人研究存在一定差异，后续需开展试验进一步验证增施豆粕及豆粕炭对改良酸性水稻土的作用。本研究表明，增施相同量的豆粕和豆粕炭，水稻产量差异不显著，这与前人[21]研究结果不同，原因一方面是增施豆粕和豆粕炭的对比用量偏低，另一方面是豆粕炭经高温热解影响其有效营养成分，从而导致水稻根系养分吸收受限，但具体原因还有待进一步研究。此外，随着豆粕和豆粕炭施用量增加，水稻产量呈微小的增加趋势，但差异不显著，这可能与水稻品种的产量潜力有关。

施用豆粕和豆粕炭显著增加了土壤的pH 和提高了土壤肥力，与前人[22-24]研究结果相同。原因主要是增施豆粕和豆粕炭后，土壤中增加了较多的有机质，且豆粕和豆粕炭中的碱性成分和碳酸盐可以直接中和土壤酸度，从而提高土壤pH[25-26]。有研究[27]认为，生物黑炭对土壤的控酸效果比未炭化前要好，本研究进一步通过比较发现，增施豆粕使pH提高0.3，增施豆粕炭使pH 提高0.1，这说明豆粕对酸性水稻土的改良效果优于豆粕炭，也可能因豆粕炭化影响了碱性物质的有效成分，导致降酸作用受到影响。此外，豆粕的制备工艺和用量也可能影响其改良酸化土壤pH 的效果。增施豆粕和豆粕炭可增加盐基离子含量，提高土壤对养分离子的吸持能力[28]，也可改善土壤微生物群落结构[29]，提高养分活性，增加土壤肥力。鉴于酸性水稻土分布广泛，同时水稻品种多样，关于增施豆粕和豆粕炭对土壤改良的效果还有待进一步验证。

本研究表明，增施豆粕和豆粕炭使水稻产值增加，纯收益和产投比均减少，且增施豆粕纯收益和产投比高于豆粕炭。汪军等[30]研究发现，农业废弃物秸秆还田可适当减少部分氮肥投入，水稻产量及经济效益不受影响。在相同氮、磷、钾施用条件下，增施豆粕和豆粕炭，可使水稻产量增加，这符合一般规律[31]，我们还需开展通过增施豆粕达到减少化肥施用等相关研究。豆粕由于含有较多蛋白质等成分，其对稻米品质也可能有显著的提升效果，而本研究在效益计算中未考虑稻米优质优价。因此，进一步针对优质稻品种，可深入探讨豆粕施用对优质稻米品质的影响。