土壤调理剂与有机肥对土壤理化性质的影响

2023-04-15顾祝禹涂圣梅唐东海周志远王进文

湖北畜牧兽医 2023年3期

皮杰，顾祝禹，涂圣梅，唐东海，周志远，王进文

（1.松滋市农村社会事业发展中心，湖北松滋 434200；2.武汉市秀谷科技有限公司，武汉 430000）

土壤是农业发展之要，粮食安全之基，农民立命之本。土壤是中国最为宝贵的资源，要持续加大土壤保护力度，土壤一旦遭到污染，不仅会影响粮食的品质，而且会通过食物链对人民群众的生产生活和身体健康造成一定影响，并成为制约中国社会经济持续发展的重大环境问题。

土壤生产力的核心是土壤肥力，土壤中有机质含量的高低对土壤保水保肥、改善土壤环境起到重要作用，是衡量土壤肥力的重要指标之一［1-3］。有机肥作为常见的培肥手段，对土壤中有机质、氮、磷、钾的含量变化起到决定作用［4-7］。施用有机肥是提升土壤有机质含量最好方式之一，研究表明，与施用单一的氮、磷、钾肥相比，有机肥能够提高土壤有机质的含量，同时也能为土壤补充大量的微量元素［8］。有机质能提高土壤腐殖酸的含量，腐殖酸含量的增加对土壤酸碱度变化具有缓冲性能，在一定范围内稳定酸碱度对于作物生长也是良好的环境［9，10］。土壤调理剂能够调节土壤pH，改善土壤理化性质和微生物群落结构，降低土壤中重金属元素的活性，减少农作物对重金属元素的吸收，提高农产品的产量与品质［11，12］。随着对粮食经济作物产量需求的增加，化肥、复合肥等化学肥料投入量大幅增加，土壤肥力呈下降趋势。人类不合理的活动也会导致土壤中重金属含量增加，影响土壤的质量与可耕作能力。现有研究大部分都是对土地进行轮作或单一施肥方式来改善土壤理化性质，从不同用量的施肥方法有机组合对理化性质的研究较少。因此，本研究选取荆州纸厂河镇为研究对象，分析不同用量的有机肥与土壤调理剂对土壤理化性质的改善效果，并对土壤中重金属的潜在风险进行风险评价，旨在阐明不同用量的有机肥与土壤调理剂对土壤理化性质和重金属潜在风险的影响，为江汉平原土壤理化性质的改善与生产力的提高提供理论与实践依据。

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

纸厂河镇位于湖北省荆州市松滋市东南部，该地区地处平原至丘陵过渡地带，属亚热带过渡性季风气候，年平均气温16 ℃，年平均无霜期270 d，多年降雨量1 050～1 250 mm，4—10 月降水量占全年的80%，有足够的气候资源供农作物生长。耕作方式采用旋耕，主要以种植水稻和玉米为主，耕地类型主要包括旱地、水田和水浇地。在研究区内采集0～20 cm 的土壤样品，分析土壤中有机质、pH、土壤容重、可溶性盐、交换性钙、交换性镁含量，同时对土壤中重金属铅、镉、铬、砷的含量进行分析。试验前土壤中有机质为19.2 g/kg、pH 6.09、土壤容重为1.54 g/cm3、可溶性盐为1.94 g/kg、交换性钙25.7 cmol/kg、交换性镁2.12 cmol/kg、铅15.9 mg/kg、镉0.34 mg/kg、铬91.30 mg/kg、砷含量13.40 mg/kg。

1.2 土样的采集与处理

2021 年初，对研究区域进行了调查。试验设置3 种不同的处理和空白对照，处理1（T1），土壤调理剂（1 500 kg/hm2）+有机肥（4 500 kg/hm2）；处理2（T2），土壤调理剂（1 500 kg/hm2）+有机肥（2 250 kg/hm2）；处理3（T3），土壤调理剂（750 kg/hm2）+有机肥（2 250 kg/hm2）；处理4（CK），对照区。每个处理3 次重复，共12 个小区，每个小区面积均为50 m2，各小区随机排列。为防止各小区间相互影响，将每个处理之间进行隔离，并对田埂进行加高加固，防止修复材料、灌溉水等相互影响。蔬菜种植前10 d，将土壤调理剂与有机肥进行1 次性撒施，然后整地翻耕，使土壤调理剂、有机肥与土地充分混合均匀。各处理田间管理一致。研究区域种植蔬菜，土壤样品按5点取样法采集耕作层土样，将其混匀后去除杂质，带回实验室风干并进行测定。供试土壤调理剂pH 为10.56，主要成分为二氧化硅、氧化钙，其中31.67%氧化钙、25.87%二氧化硅、5%氧化镁。供试有机肥中有机质含量为52.40%，总养分占6.43%。

1.3 指标测定方法

土壤的理化性质按照常规的测定方法进行检测［13］。土样pH 测定采用电位计法，水土比为2.5∶1.0；有机质的测定采用重铬酸钾加热滴定法，土壤容重的测定采用环刀称重法，可溶性盐的测定采用重量法，交换性钙、镁采用乙酸铵交换-原子吸收分光光度法，铅、镉、铬、砷的测定采用王水提取—电感耦合等离子体质谱法，同时做空白试验。

1.4 重金属评价方法

1.4.1 单项污染指数法单项污染指数法是用于评价某一种重金属元素的污染程度［14，15］。

式中，Pi为土壤重金属元素i的单项污染指数；Ci为土壤重金属元素i实际检测值；Si为土壤重金属元素i的评价标准值，选取湖北省土壤重金属背景值为评价标准值［14］。当Pi≤0.7 时，污染等级为1，表示土壤清洁；当0.7＜Pi≤1.0 时，污染等级为2，表示土壤尚清洁；当1.0＜Pi≤2.0 时，污染等级为3，表示土壤轻度污染；当2.0＜Pi≤3.0 时，污染等级为4，表示土壤中度污染；当Pi＞3.0 时，表示土壤重度污染；且Pi越大表明受重金属污染程度越严重。

1.4.2 潜在生态风险指数法潜在生态风险指数是比较常用的一种评价重金属污染风险评估方法，能够较全面地评价研究区域内土壤中重金属污染的潜在风险［16］。

潜在生态风险指数法计算公式如下。

式中，Eir为土壤中单项重金属潜在生态风险指数；T ri为单项重金属毒性影响系数；Cfi为重金属单项污染指数。本研究T ri采用Hakanson 制定的标准化重金属毒性系数［17，18］，铅、镉、铬、砷的毒性系数分别为5、30、2、10。土壤中重金属生态风险等级评价标准见表1。

表1 土壤中重金属生态风险等级评价标准

1.5 数据处理

采用Excel、Origin 软件和SPSS 软件进行数据的统计和分析，并进行相应的图表绘制，各处理间采用单因素方差分析（ANOYA）和Duncan 法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤理化性质的影响

不同处理下土壤中pH、有机质、土壤容重、可溶性盐、交换性钙、镁的含量如表2 所示。

2.1.1 不同处理对pH 的影响土壤pH 是衡量土壤酸碱强度的重要指标，直接影响土壤钙镁磷等离子的形态与有效性，同时还影响土壤微生物的种类与分布。由表2 可知，与对照组（CK）相比，T1、T2、T3处理下土壤pH 均有一定程度的提高，分别提高了2.96%、2.30%和0.82%，且与对照组相比均无显著差异（P＞0.05）。由于长期施用化学肥料导致土壤中pH 偏低，而通过施用有机肥与土壤调理剂能够有效地调节土壤的pH，使土壤环境能够更好的适应植物的生长与发育。

2.1.2 不同处理对有机质含量的影响有机质是评价土壤肥力的重要指标之一，是微生物生命活动能量的来源，为植物的生长发育提供养分［3］。由表2可知，与对照组（CK）相比，T1 至T3 处理有机质含量均有所增加，分别增加了16.40%、10.71%和9.6%，且T1 处理与对照组差异显著（P＜0.05），表明T1 处理对土壤有机质的提升效果最好。

2.1.3 不同处理对土壤容重的影响土壤容重是指一定容积内烘干后土壤的重量与同体积水的比值［19］。土壤容重能够很好地反映土壤的密实程度、透气性、透水性和土质情况。由表2 可知，与对照组相比，各个处理土壤容重均有所下降，其中T1 处理土壤容重最小，比对照组低0.18 g/cm3，且T1 与对照组差异显著（P＜0.05），T2、T3 处理与对照组差异不显著（P＞0.05）。T1 处理效果较好，能有效提高土壤的透气性、透水性和保水保肥能力，更有利于植物的生长发育。

2.1.4 不同处理对可溶性盐含量的影响土壤中可溶性盐是指在一定的水土比例条件下、一定时间内浸提出土壤中含有的可溶性盐分。土壤中可溶性盐含量达到一定数量后，会严重影响作物的正常生长。由表2 可知，与对照组相比，T1 至T3 处理土壤可溶性盐的含量均有所下降，分别下降了4.60%、1.02%、1.53%，但与对照组相比均无显著差异（P＞0.05）。

2.1.5 不同处理对交换性钙、镁含量的影响钙、镁元素是植物生长所需大量元素之一［20］。钙是细胞代谢的总调节者，维持着植物的正常生长，而镁是叶绿素的重要组成成分［20，21］。由表2 可知，T1 至T3 处理均能够有效地增加土壤中交换性钙、镁的含量。T1 处理交换性钙、镁的含量最高，交换性钙、镁较对照组分别增加了19.13%和32.85%，且与对照组差异显著（P＜0.05）。

表2 不同处理对土壤理化性质的影响

2.2 不同处理养分之间的相关性分析

不同处理土壤理化性质相关性分析结果见表3。由表3 可知，土壤pH 与交换性镁呈显著正相关，与可溶性盐呈显著负相关，因为试验区土壤偏弱酸性，通过不同处理能有效提高土壤的pH，使pH 向中性靠近，而增施有机肥与土壤调理剂均增加了土壤的有机质与交换性钙、镁的含量，从而导致pH 与交换性镁呈显著正相关。有机质与交换性镁呈极显著正相关，交换性钙与交换性镁呈正相关，有机质与交换性钙成正相关但不显著，因为有机质中含有大量的矿质元素，当土壤中有机质含量增加时，交换性镁与交换性钙也会相应增加，相互作用共同提高土壤肥力，促进植物的生长发育。

表3 不同处理土壤理化性质之间的相关性分析

2.3 不同处理对土壤镉、铅、铬、砷元素的影响

不同处理下土壤中重金属含量的变化情况见表4。由表4 可知，T1 至T3 处理土壤中镉、铅、铬、砷含量无明显差异。与对照组相比，T1 处理镉、铅、砷的含量有所下降，铬含量增加了0.07 mg/kg。该结果表明，不同处理方式不能明显改变土壤重金属含量，土壤调理剂、有机肥都只能提高土壤有机质和矿质元素的含量，增强土壤的肥力，同时适当的调节土壤酸碱度，使土壤环境更加适宜作物的生长与发育，但不能有效地降低土壤中重金属的含量。湖北省土壤中镉、铅、铬和砷背景值分别为0.17、26.70、86.00 mg/kg和12.30 mg/kg，而试验区、对照组重金属镉、铅、铬、砷的含量均值分别为0.34、16.70、92.70 mg/kg 和13.80 mg/kg，其中镉、铬、砷的含量均超过了湖北省土壤的背景值。还需要对试验区土壤中重金属元素做进一步生态风险评价，判断该区域受污染程度。

表4 不同处理对土壤重金属含量的影响（单位：mg/kg）

2.4 土壤重金属污染评价

通过单因子指数分析法对土壤中重金属元素进行分析评价，分析结果见表5。由表5 可知，不同处理Pb 的单因子污染指数均小于0.7，污染等级为清洁，表明研究区域Pb 无污染。Cd 的单因子污染指数T2＞CK＞T3＞T1，其中T2 处理的污染指数为2.12，表现为中度污染，T1、T3、CK 的污染指数为1～2，表现为轻度污染。Cr、As 单因子污染指数在1.00～1.21，且均表现为轻度污染。该结果表明，研究区域内土壤中Cd 污染最严重，其中T2 处理表现为重度污染，CK 处于轻度污染与中度污染的临界值，若在条件合适的情况下，可以采取适当的措施减轻该区域土壤中重金属的污染风险。

表5 不同处理土壤中重金属的单因子分析

研究区域内重金属进行单因子潜在生态风险分析与综合污染潜在生态风险分析见表6。由表6 可知，不同处理土壤中Pb、Cr、As 的单因子潜在生态风险指数均小于40，属低潜在生态风险。Cd 的单因子潜在生态风险指数均介于40～80，属于中生态风险。土壤中单因子潜在生态风险指数顺序依次为，Cd＞As＞Pb＞Cr。不同处理土壤重金属的综合潜在生态风险指数（RI）分别为T2＞CK＞T3＞T1，且RI均小于150，土壤中重金属综合潜在生态风险等级均为低。研究区域内Cd 的潜在生态风险最高，造成该现象的原因可能是由于当地人类不合理的活动。

表6 不同处理土壤中重金属的潜在生态风险评价

3 讨论

中国南方部分地区由于常年大量施用化学肥料，导致土壤呈酸化趋势，土壤孔隙度小，易板结，肥力逐渐下降［22，23］。研究表明，有机肥含有丰富的有机质、氮磷钾与矿质元素，对改善土壤肥力和补充土壤养分库具有重要作用［24，25］。土壤调理剂中含有大量的Si、Ca、Mg 等元素，且自身pH 较高，在一定程度上能够提升土壤pH，并为土壤提供大量矿质元素［26］。合理施用有机肥与土壤调理剂能有效改善土壤肥力与孔隙度等问题。本研究结果表明，施用有机肥与土壤调理剂后，土壤pH、有机质、容重、可溶性盐、交换性钙、交换性镁均得到改善，其中T1 处理有机质、容重、交换量钙和交换量镁与对照差异显著，这与邱吟霜等［27］研究结果一致。不同养分相关性分析研究表明，土壤pH 与交换性镁呈显著正相关，与可溶性盐呈显著负相关，有机质与交换性镁呈极显著正相关，进一步说明有机肥与土壤调理剂在一定程度上能够改善土壤结构，增加土壤有机质，调节土壤pH，抑制水溶性盐上移，降低土壤可溶性盐的含量［28］。

耕地土壤中重金属含量受人类活动影响较大，重金属一旦进入土壤，不能被土壤自净能力降解而长期存在于土壤环境中，并以食物链的形式进入人体，对人体的免疫系统造成严重损害［29］。土壤调理剂与有机肥不能改变土壤重金属含量，而研究区域镉、铬、砷的含量均超过了湖北省土壤的背景值，其中研究区域内土壤中Cd 的污染最严重，属于中生态风险，造成这种原因可能存在以下几点，一是由于当地背景值偏高；二是当地灌溉水受到污染，灌溉水中重金属含量较高；三是附近工业区对此地造成污染；四是化学肥料的大量施用。因此需要加强对附近灌溉水检测，防治受重金属污染的灌溉水进入农田，同时防止工业粉尘对农田土壤的污染。