单季稻甬优9号施用含硅有机肥试验

2022-06-10毛倩周江明

浙江农业科学 2022年6期

毛倩，周江明

(江山市农业技术推广中心,浙江江山 324100)

长期以来，有机肥对增加粮食产量、改善农产品品质、提高肥料利用率和耕地地力及其降低环境污染等作出很大的贡献[1-5]。如温延臣等[6]通过3 a试验证实，在冬小麦-夏玉米轮作区，商品有机肥部分替代化肥施用3 a后，与单施化肥相比，粮食产量不受影响，而土壤有机碳增加19.5%、土壤全氮提高12.3%，显著高于单施化肥处理。盖霞普等[7]在27 a长期试验结论表明，增施有机肥处理提高小麦、玉米产量分别为41%～50%和30%～32%，增加0～20 cm耕层土壤有机碳、全氮含量分别为62%～121%和107%～187%，土壤氮盈余比纯应用化肥区增1037%，极大地改善了土壤肥力。

在耕地重金属污染治理方面，有机肥的作用一直存在争议，有些学者[8-10]认为，有机肥中许多功能团具有吸附金属元素作用而降低了重金属活性，有利于降低作物对重金属的吸收累积而提高农产品质量安全性。如张琴[11]连续施用有机肥后发现，土壤中重金属Hg、Zn、Cd的有效态含量比试验前显著降低，且重金属Hg、Zn、Cd的有效态含量随着有机肥施用量的增加而逐渐减少。Mora等[12]向受到重金属污染的土壤中施加生物堆肥，结果显示，随着土壤中有机质含量增加，有效态重金属的比例同样下降。土壤有效态重金属的下降，减少了农产品重金属积累污染的风险。谢运河等[13]对稻田施用有机肥3 000 kg·hm-2和6 000 kg·hm-2的稻米中镉含量与单施化肥的进行对比，发现2个有机肥施用处理的稻米镉含量分别下降14.3%和21.4%。相反，有些研究则认为，增施有机肥提高了土壤溶液中可溶性有机碳(DOC)浓度，增加了土壤水溶液中重金属浓度而农产品污染风险上升[4,14]。如王开峰等[15]研究表明，与纯施化肥相比，施用有机肥可使红壤稻田土壤表层(0～20 cm)重金属Zn、Cu、Cd、Pb的有效态含量分别提高61.5%、11.7%、15.4%和4.5%。段海芹等[16]研究也发现，与有机肥常量处理相比，有机肥减量和有机肥减量配施化肥处理表层土层(0～10 cm)有效态Cd含量分别显著降低17.6%和14.0%。更多研究[3,17]认为，有机肥自身也存在较高含量的重金属污染物，长期大量应用易引起耕地严重的污染。而且土壤环境条件变化如厌氧变有氧、酸性变碱性、低温变高温等促进有机肥被微生物降解的进程，与有机肥结合的重金属元素将被重新释放进入水溶液中，因而有机肥-重金属这种结合形式也是一个潜在风险因素[18]。因此，研究一种既要利用有机肥的优势又要减少其不足所带来的风险的技术具有非常重要的现实意义。

硅是地球上除氧之外的第二大元素，尽管未作为高等植物的必需营养元素，水稻组织中累积量却很高，稻田施用硅肥有利于水稻抗倒伏、耐干旱、减少病虫害、增产等[19-21]，尤其是硅具有缓解土壤重金属的毒害作用，可显著减少作物对重金属污染物的吸收，提高农产品质量安全性[22-23]。Javaid等[22]全面总结了硅元素在降低作物重金属污染的相关机制，认为主要通过与重金属生成硅酸盐或络合物降低重金属在土壤中的植物有效性、通过分隔减少重金属从作物根部向地上部分的转移、通过增强硅运输相关基因表达而降低重金属运输基因表达及改善作物结构并提高生物量而减少农产品重金属污染浓度。因而开发一种含硅有机肥可整合两者优势，在作物增产、地力改良、农产品质量安全及生态环境改善等方面发挥更大的成效。本研究基于这些目的，进行不同硅肥含量有机肥试验，旨在探索成本低、效果明显的最佳含硅有机肥配方，并在面上推广应用，保障我国粮食量与质的安全。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在江山市虎山街道何家山村进行。当地水田主要种植作物是水稻，稻田土壤稍偏碱性，重金属镉积累超标。供试土壤理化性状：pH 7.56，有机质47.1 g·kg-1，全氮2.86 g·kg-1，有效磷18.3 mg·kg-1，速效钾133.5 mg·kg-1，污染物总铅37 mg·kg-1、总镉0.53 mg·kg-1、总铬95.2 mg·kg-1、总砷12.9 mg·kg-1、总汞0.03 mg·kg-1。

供试单季稻品种为甬优9号。商品有机肥由浙江天蓬畜业有限公司提供，

1.2 处理设计

设6个处理，除常规施肥对照(CK)仅施化肥外，其他每个处理均增施商品有机肥4 500 kg·hm-2。在商品有机肥中添加不同量硅肥作不同处理，各处理SiO2含量分别为0(S0)、75(S1)、150(S2)、225(S3)和300 kg·hm-2(S4)。小区面积35 m2，重复3次，随机区组排列。小区间用20 cm宽×30 cm高田埂隔开，独立施肥和灌排水。

水稻于5月1日播种，5月25日插秧，10月14日收割。5月24日施基肥N、P2O5、K2O分别为78.75、78.75和78.75 kg·hm-2，同时施入含硅有机肥翻耕入土；6月5日表施分蘖肥N 103.5 kg·hm-2，8月20日表施促花肥N 17.25 kg·hm-2、K2O 90.0 kg·hm-2。除硅肥处理差异外，其余施肥、灌溉、除草、病虫害防治等参照当地习惯统一管理。

1.3 取样分析

试验前稻田取一个土壤混合样，调查试验土壤基本理化性状，水稻成熟实割计产，并在各小区中采集由5个点混合而成的水稻植株和土壤样品，植株分离为稻草和稻谷两样本，经烘干、粉碎、过筛后保存作分析用。土壤及水稻组织中重金属元素分析方法参照国家标准或相关文献，土壤pH用酸度计测定。

1.4 数据处理

不同处理水稻产量、土壤重金属含量、土壤有机质及稻米中重金属含量采用DPS软件进行统计、分析和Origin Pro 9.0软件作图

2 结果与分析

2.1 水稻产量

试验小区产量为8 780.5～9 185.4 kg·hm-2(图1)，各处理产量高低依次为S4>S3>S2>S1>S0>CK，含硅有机肥显著提高水稻产量。和常规施肥(CK)相比，增施含硅有机肥增产1.4%～6.4%，且随硅肥用量增大而增幅扩大，其中S3和S4处理显著高于S0处理，表明在本试验条件下，硅肥用量大于225 kg·hm-2时，更有利于提高水稻产量，这与之前学者[24-25]的研究结果一致。Wang等[24-25]研究认为，稻田施用硅肥可显著提高穗粒数、千粒重和结实率而增产，SiO2用量在400 kg·hm-2时水稻产量最高，比对照增产23.0%。由于本试验硅用量300 kg·hm-2处理水稻产量仍呈上升之势，继续增加硅用量是否会达显著增产仍未明晰，将来还需开展更高硅肥用量的研究，以确定最高增幅的硅肥用量上限。

柱上无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。图2～4同。图1 不同硅肥处理对水稻产量的影响

2.2 土壤pH和有机质含量

在碱性稻田施用含硅有机肥，各处理土壤pH为7.24～7.35(图2)，存在部分未规律性显著差异。与试验前相比，pH下降了0.21～0.31单位，可能与稻田长期淹水导致土壤有机质厌氧降解产生CO2和有机酸有关[26-27]。与未施有机肥CK相比，增施含硅有机肥处理土壤有机质含量提高2.93%～8.07%，变化趋势基本与水稻增产变化相似，呈硅用量提高土壤有机质含量提高之趋势。这可能和水稻生物量变化有关，水稻产量高一般总生物量也高，收割后留于土壤中的残留物及根系也越多，从而提高了土壤有机质的含量。

2.3 土壤重金属有效性

本次试验调查了土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg毒性强度较高的污染物，其中，有效Cr、As、Hg含量低于检测限。图3显示，不同水平硅肥处理对有效Pb和Cd均无显著性影响。与土壤中总含量相比，有效Pb和有效Cd分别占12.4%～13.8%和49.5%～60.7%，在碱性土壤条件下有如此高的活性可能与土壤有机质含量高及其分解产物有关，土壤有机质含量高一般DOC也高，DOC与重金属元素易结合成溶于水中的络合物[4,14]。据严露等[28]调查，使用有机肥的淹水土壤中，结晶铁/锰氧化物结合态Cd比不施有机肥减少15%、碳酸盐结合态Cd降低11%，也表明有机肥处理使土壤Cd向易溶态转化的趋势。王果等[29]认为，土壤pH>7时，有机肥分解产物的脱质子化作用增强，带负电荷的基团增多，与金属形成络合物的能力增强，形成更多的可溶性有机-金属络合物，抑制对重金属的沉淀，故而进一步提高重金属的溶解性。

2.4 稻米重金属含量

稻米中Pb和Hg含量低于检测限，从图4看出，Cd、Cr和As在稻米中的积累也非常低，所有样本均低于我国食品安全国家标准食品中污染物限量值(GB 2762—2017，Cd 0.2 mg·kg-1、Cr 1.0 mg·kg-1、As 0.5 mg·kg-1)。一般情况下，稻田土壤pH大于7时，土壤溶液中活性Cd基本与硫化物、磷酸盐、碳酸盐及铁锰氢氧化物等结合沉淀而水稻无法吸收[26,30-31]。本试验2.3节提到Cd有较高的活性比例却没有造成稻米污染，可能有以下几个原因所致：一是虽然有机肥与重金属形成溶解性络合物，但作物容易吸收离子Cd2+，而很少吸收这种镉络合物[4,32]；二是试验土壤pH高，降低了Cd的作物可利用性[4]；三是硅元素的缓解作用降低了Cd的吸收[22-23]，因而没有提高稻米积量。与常规施肥相比(CK)，应用有机肥(S0)Cd、Cr和As在稻米中分别下降8.22%、26.93%和12.93%，含硅有机肥(S1～S4)分别下降8.2%～25.5%、14.4%～45.3%和14.0%～25.2%，含硅有机肥呈现更佳的降污效果，这是有机肥增加污染物吸附能力与硅肥缓解作物吸收的综合结果[4,22-23]。Maria等[23]曾在挪威海德马克县(Hedmark)一个农场里开展过硅肥应用试验，调查结果表明，硅肥应用虽然未改变土壤有效Cd和As含量，但使所调查作物食用部分Cd、As含量分别下降了10%～25%和20%～40%，本试验结果与其相符。在不同硅水平处理间无显著性影响，这表明硅肥施用量75 kg·hm-2足以降低稻米污染风险。