温权州，冉露，周富忠，李亚东，杨兰芳

(1. 利川市土肥站， 湖北 恩施 445400；2. 湖北大学生命科学学院， 湖北 武汉 430062；3. 湖北大学资源环境学院， 湖北 武汉 430062)

0 引言

在雨水作用下，由于致酸离子Al3+和H+与土壤胶体的吸附能力强，首先被淋失的是盐基离子，当致酸离子达到一定比例时，土壤就会呈酸性.因此，湿润地区土壤酸化是一个漫长的自然过程，但是人为活动会加剧土壤酸化过程.由于存在酸害、铝毒和养分缺乏等植物生长的限制因子，导致酸性土地区的植物生产潜力就难充分发挥出来[1]，故土壤酸化是土壤退化的重要表现，对生态环境和农业生产产生不利影响[2].全球酸性土壤占陆地总面积的30%，50%的耕地和潜在可耕地属于酸性土，我国约有22.7%的国土面积为酸性土壤[1].我国酸化土壤呈现面积大、分布广及酸化程度高等特点[3]，因此通过人工干预措施改良酸性土壤，对于发挥酸性土壤生产潜力、保护生态环境和保障农业的可持续发展具有重要意义[4].湖北恩施州利川市是以亚高山为主的山地地貌，耕地土壤酸化问题相当突出，相关部门对其成因及改良措施进行了较多研究[5-6]，特别是近10年来，各种新型土壤调理剂不断涌现，应用越来越广泛，并取得较好效果[7-9].为验证武汉市秀谷科技有限公司开发的秀谷春天土壤调理剂对酸性土壤的改良效果，以及对土壤镉的固定作用和对作物镉吸收的抑制利用，进行了土壤施用秀谷春天土壤调理剂种植水稻的田间小区实验，为土壤调理剂在改良酸性土和抑制植物吸收重金属方面的推广利用提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 地点及土壤本实验采用田间小区实验，试验地点在湖北恩施土家族苗族自治州利川市南坪乡五谷村18组，地处东经108.835 3°、北纬30.440 1°、海拔1 094 m.土壤为水稻土，土种为第四纪粘土发育的马肝泥田，质地重壤，试验前取样检测pH 6.09，呈酸性.土壤交换性铝为0.33 cmol kg-1，土壤有效锰为99.60 mg kg-1，盐基饱和度为77.1%，总镉和有效镉分别为0.263和0.141 mg kg-1.

1.2 供试材料所用土壤调理剂为武汉市秀谷科技有限公司生产的秀谷春天土壤调理剂，以下简称XG调理剂，外观为灰白色粉末，其CaO≥28.0%，SiO2≥25.0%，MgO≥4.0%，pH值11.06.所用常规肥料为宜施壮水稻专用配方肥，含N、P2O5和K2O的含量分别为20%、8%和12%.供试作物为水稻(Oryzasativa)，品种为繁优609.

1.3 试验设计设置CK(不施肥)、PF(配方肥，宜施壮配方肥50 kg/亩, 1亩为666.7 m2,全文同)、XG75(配方肥+XG调理剂75 kg/亩)、XG100(配方肥+XG调理剂100 kg/亩)、XG125(配方肥+XG调理剂125 kg/亩)、XG150(配方肥+XG调理剂150 kg/亩)共6个处理，每处理设置4次重复，随机区组排列.小区面积30 m2，10 m×3 m，小区之间筑30 cm×30 cm的田埂覆膜间隔，保证不串肥串水，区组间留50 cm的通道，便于田间观察.

2020年3月26日播种，塑料棚保温旱育方式育苗.移栽前按处理设计施入肥料和处理，5月20日移栽.移栽规格为30 cm×15 cm，种植密度14 815蔸/亩.5月27日用细土拌除草剂撒施防除田间杂草，始穗期防稻飞虱、稻纵卷叶螟及穗胫稻瘟.10月9日收获，按小区计实产.

1.4 样品采集与制备试验前、水稻收获后分别取表层0～30 cm土样，带回实验室自然晾干后过1 mm筛混匀装瓶备分析pH、交换性铝、有效锰、盐基饱和度、有效镉之用.从过1 mm筛的土壤中取约50 g磨细过0.15 mm筛，装瓶备测定总镉或全量分析之用.

水稻收割时按小区单打单收，计实产，并取稻谷样品.稻谷样品采回后，70 ℃烘干，磨细过0.25 mm筛装瓶备用.

1.5 化学分析土壤与稻谷相关指标检测方法见表1.

表1 稻谷及土样相关指标检测标准及方法表

1.6 数据处理所有数据利用Excel 2007 计算平均值、标准差、进行成对数据t检验、相关分析和作图，利用SPSS 26进行方差分析和多重比较，多重比较用LSD法，显著水平取0.05.

2 结果

2.1 施用调理剂对土壤pH的影响由图1可见，与实验前土壤BF相比，CK和PF导致了土壤pH的降低，而施用调理剂后土壤pH均有增加，除XG75差异不显著外，其余施用调理剂处理的土壤pH均显著高于实验前.与CK相比，施用调理剂均显著增加了土壤pH，随着调理剂用量增加，土壤pH增加了0.23～0.60个单位，增加率3.9%～10.3%，相关分析表明，土壤调理剂施用量与土壤pH呈极显著的线性相关(pH=0.030x+5.836，R2=0.952**，x表示调理剂施用量，R为相关系数，下同).

图1 施用对土壤调理剂pH的影响柱形图上的不同字母表示各处理之间的差异达到了0.05的显著水平，下同.

2.2 施用调理剂对土壤交换性铝含量的影响图2可见，无论是与实验前土壤BF还是与对照CK相比，PF和XG75与他们之间从差异均不显著，当调理剂用量大于75 kg亩-1时，施用调理剂显著降低了土壤交换性铝含量.与CK相比，施用土壤调理剂使土壤交换性铝降低了9.4%～34.4%，相关分析表明，土壤调理剂的施用量与土壤交换性铝含量呈显著的负相关(交换性铝=-0.007 1x+0.325，P<0.05)，与土壤交换性铝的降低率呈显著正相关(土壤交换性铝降低率=0.221x-1.870，P<0.05).

图2 施用土壤调理剂对土壤交换性铝的影响

2.3 施用调理剂对土壤有效锰含量的影响图3表明，施用土壤调理剂显著影响土壤有效锰含量.实验前土壤BF有效锰含量与对照无显著差异，但显著高于其余处理.同CK相比，所有处理的土壤有效锰含量均显著降低，以XG150最低，施用XG调理剂使土壤有效锰降低了7.0%～21.9%，随调理剂用量增加，土壤有效锰降低率呈增加的趋势.相关分析表明，土壤调理剂施用量与土壤有效锰含量呈显著负相关(有效锰=-0.135x+99.750，P<0.05)，与土壤有效锰的降低率呈显著的线性正相关(有效锰降低率=0.1360x-0.668，P<0.05).

图3 施用土壤调理剂对土壤有效锰含量的影响

2.4 施用调理剂对土壤盐基饱和度的影响图4显示，施用土壤调理剂显著影响土壤盐基饱和度.同实验土壤BF相比，CK显著降低，PF变化不显著，其余处理均显著增加.与CK相比，所有处理的土壤盐基饱和度巻显著增加，施用土壤调理剂XG的盐基饱和度增加率在11%～22%，并随调理剂施用量增加而增加.相关分析表明，XG调理剂施用量与土壤盐基饱和度和盐基饱度的增加率之间均呈极显著的线性相关(盐基饱和度=0.079x+76.260，P<0.01；增加率=0.149x+0.564，P<0.01).

图4 施用土壤调理剂对土壤盐基饱和度的影响

2.5 施用调理剂对土壤有效镉的影响图5可见，同实验前BF相比，各处理土壤有效镉均显著降低，降低率在15.2%～30.3%；同CK相比，除了PF无差异外，其余施用调理剂的处理均显著低于CK，施用调理剂使土壤有效镉降低了12.2%～15.4%， 但不同调理剂用量之间的差异不显著.

图5 施用土壤调理剂对土壤有效镉的影响

2.6 施用调理剂对稻谷产量和镉含量的影响图6显示，施用土壤调理剂对稻谷产量及其镉含量均有显著影响.水稻产量中，所有处理的产量均显著高于CK，而XG100、XG125、XG150三处理之间无显著差异，但显著高于PF，而PF与XG75无显著差异，但显著低于其余施用XG调理剂的处理.与CK相比，施用XG调理剂的稻谷增产率在36.7%～44.2%，相关分析发现，XG调理剂施用量与稻谷产量和稻谷增产率之间均呈极显著的二次函数相关(稻谷产量=-0.010x2+2.423x+326.300，P<0.01；稻谷增产率=-0.003x2+0.741x-0.084，P<0.01).但与PF相比，调理剂的稻谷增产率只有2.2%～7.9%，调理剂用量与产量和增产率之间的相关性不显著.

图6 实验土壤调理剂对稻谷产量和镉含量的影响

稻谷的镉含量中，PF与CK无显著差异，施用土壤调理剂的处理均显著低于CK和PF，并随调理剂用量增加而呈降低的趋势.与CK相比，稻谷镉含量的降低率在32%～56%.相关分析表明，土壤调理剂施用量与稻谷镉含量呈极显著的线性负相关(稻谷镉含量=-0.002x+0.557，P<0.01)，与稻谷镉含量的降低率呈极显著线性正相关(稻谷镉含量降低率=0.376x+2.483，P<0.01).

3 讨论

3.1 土壤调理剂对酸性土的改良效果土壤酸化在中国土壤退化分类中属于土壤性质恶化中的一种退化类型[10]，气候、生物、施肥、灌溉、酸沉降等是引起土壤酸化的主要因素，酸化土壤由于存在酸性强、盐基饱和度低，负电荷少，缓冲性能弱，易产生氢、铝、锰毒害、结构性差等植物生长障碍因子而不利于植物生长[11].我国酸性土壤分布广，酸性土壤占耕地面积的27%，养活了我国近43%的人口[12].20世纪80年代以来，我国有近90%的农田土壤均发生了不同程度的酸化，土壤pH平均下降了0.5个单位[13].为了保持农业可持续发展，必须对酸化土壤进行改良.本实验结果发现土壤施用XG调理剂显著增加了土壤pH和盐基饱和度，降低了土壤交换性铝和有效锰，而且XG调理剂施用量与土壤pH、盐基饱和度呈显著的线性正相关，与交换性铝和有效锰呈线性负相关.这说明本实验所用的XG调理剂具有明显的改良酸化土壤效果，不仅能提高土壤pH，同时也能降低交换性铝和有效锰的危害.与对照相比，施用配方肥的稻谷增产率为33.6%，施用调理剂的稻谷增产率在36.7%～44.2%，调理剂的稻谷增产率只比配方肥高3.1%～7.5%，说明稻谷增产的贡献主要是肥料，表明供试酸性土壤缺乏养分，这与酸性土一般缺乏氮、磷、钙、镁等养分的肥力特性[14]是相符合的.因此在酸性土壤改良中，合理施肥与改良酸性相结合十分重要.王孟等[15]在酸性土施用Ca(OH)2种植玉米的结果显示，施用量与土壤pH呈线性相关，玉米产量与施用量呈二次函数相关，这与本实验结果一致.施用石灰是改良酸性土的主要措施，石灰施用除了中和酸以外，还能供应钙、镁等营养元素，但施用石灰也影响土壤其他养分，如降低有效铁、锰、铜、锌的含量[16]，因此石灰施用过量也会导致这些元素缺乏而不利于植物生长.酸性土施用石灰除了增加植物产量外，也会影响植物氮、磷、钙、镁、锰的含量和粗蛋白和灰分含量[17].除了施用石灰类改良酸性外，土壤调理剂[18]、生物炭[19]的运用也正在兴起.本实验结果证明供试调理剂具有明显的改良土壤酸性、降低铝、锰毒害的效果，可以用于改良酸性土壤.

3.2 施用土壤调理剂对稻谷的降镉作用由于镉是常见重金属中毒性最强元素，我国镉污染现象也比较严重[20-21]，近些年来土壤镉污染备受关注.本实验发现，施用土壤调理剂使稻谷镉含量降低了32%～56%，稻谷镉含量与调理剂施用量极呈显著的线性负相关，说明供试XG调理剂具有十分有效的降低稻谷镉含量的作用.这种效果的主要原因是调理剂通过降低土壤酸性，增加土壤pH而降低土壤镉的有效性来实现的.因为本实验中实验后土壤有效镉与实验前相比，土壤有效镉的降低率与调理剂施用量呈极显著的线性相关，将稻谷镉含量与土壤有效镉含量进行相关分析也发现，二者呈显著的线性相关.这与有关酸性土壤施用土壤调理剂能降低土壤有效重金属含量[22]，施用土壤调理剂降低土壤有效镉含量和稻谷镉含量[23]，施用土壤调理剂增加水稻干物质产量和降低稻谷镉和铅含量[24]等结果一致，文典等[25]研究发现，施用不同土壤调理剂使稻米的镉含量降低18%～48%，而且能改善稻米的品质.上述结果和本实验结果都表明土壤调理剂降低植物镉含量的主要机理是土壤调理剂通过降低土壤酸性而降低了土壤镉的有效性，从而阻止了土壤镉进入植物体.

4 结论

施用秀谷春天土壤调理剂能够显著增加土壤pH、盐基饱和度和稻谷产量，降低土壤交换性铝、有效锰、有效镉和稻谷镉含量，土壤调理剂的用量与pH和盐基饱和度呈线性正相关，与土壤交换性铝、有效锰、有效镉和稻谷镉含量呈线性负相关，与稻谷产量呈二次函数相关.所用XG调理剂具有明显降低土壤酸性和稻谷镉含量想效果，可以作为减酸降镉的土壤调理剂在酸性土地区推广应用.