调理剂对酸性富硒土壤改良效果的初步研究

张阳阳, 王梦园, 周 伟, 汪 丹, 闫加力

(1.湖北省地质科学研究院(湖北省富硒产业研究院),湖北 武汉 430034; 2.湖北省硒生态环境效应检测中心,湖北 武汉 430034)

硒(Se)是人体必需的微量元素之一,能提高人体免疫力、预防癌症、治疗糖尿病,并对铅、镉、汞、砷、铊等重金属有拮抗作用[1-2]。硒在环境中的分布极不均衡[3],中国是缺硒最严重的国家之一,贫硒地区占国土面积的72%[4]。因此,营养学家呼吁全社会抓好贫硒地区居民的补硒工作[5]。目前,通过食用富硒农产品补硒,被认为是一种较为安全有效的方式,因此合理提高农产品硒含量是人类获取硒营养的重要途径。

湖北省土地质量调查工作在恩施州发现了大量优质富硒土壤资源[6]。但是,近年来受多种因素影响,恩施州耕地土壤日渐酸化[7],影响了水稻对硒的吸收利用,从而导致富硒水稻占比较低。现阶段富硒农产品生产技术主要有2种:①利用天然富硒土壤,通过施加土壤调理剂,提高土壤硒的生物有效性;②通过施加外源硒(硒肥),提高土壤硒含量。但施用硒肥存在一定风险,对土壤的影响未知,可能会引起一定的污染,并且对于土壤硒资源也是一种浪费[8]。因此,通过施加土壤调理剂提高土壤有效硒含量是较为理想的一种方式。

在诸多土壤调理剂中,磷肥、生物炭和生石灰被证明对提高土壤硒的生物有效性具有积极作用。前人研究表明,土壤中的硒和磷在化学行为上具有一定的相似性,二者在土壤中存在竞争吸附作用,增加磷肥可使硒从土壤中释放出来,提高土壤硒的生物有效性[9]。另外,有机质是土壤中固定和贮存硒的重要媒介,生物炭的施用是提高土壤有机质含量的有效途径。相关研究表明有机质含量与可供作物吸收的硒形态含量呈显著正相关关系[10]。除此之外,土壤中的硒形态易受土壤酸碱性的影响,生石灰可以中和酸性土壤,提高土壤pH值,从而提高土壤硒的生物有效性[11]。因此,基于前人的研究结果,针对恩施州利川市富硒酸性土壤,以水稻为研究对象,开展盆栽试验,研究磷肥、生物炭、生石灰的不同配施方式对土壤改良效果及硒生物有效性的影响,旨在为推进恩施州天然富硒水稻种植关键技术研究提供科学依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验场地

盆栽试验场所位于湖北省武汉市蔡甸区张湾街富硒产业实验研究基地内,试验全程都在网室中进行,保持通风与足够的光照,且作物生长全程均使用去离子水浇灌,保障盆栽中的作物与土壤不会受到外部因素的影响。

1.2 试验土壤

1∶5万土地质量地球化学评价项目在利川市汪营镇采集了水田土壤样品110件,其中硒含量达到富硒标准(≥0.4 mg/kg)的有88件,占采样总数的80%。根据利川市汪营镇富硒土壤分布情况,选择该镇梨树村水稻田(地理坐标:东经108°45′42.05″,北纬30°16′25.54″)土壤作为盆栽试验土壤,其理化性质见表1,可知试验土壤偏酸性,硒含量达到了富硒标准,且重金属含量不超标,符合试验要求。同时,该项目共采集水稻籽粒样品135件,其中45件的硒含量≥0.04 mg/kg,对应的根系土硒含量为0.1～1.43 mg/kg。

表1 试验土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.3 试验材料

调理剂:①钙镁磷肥,荆门市高园磷肥有限公司生产,有效磷(P2O5)含量≥120 g/kg,pH值为7～10;②小麦生物炭,河南誉中奥农业科技有限公司生产,碳含量≥950 g/kg,pH值为8.34;③过磷酸钙,湖北丰乐生态肥业有限公司生产,有效磷含量≥120 g/kg,pH值为2.55;④生石灰,建德市新安江永合塑料厂生产,氧化钙含量≥990 g/kg,pH值为12.39。

水稻种:荣优华占,北京金色农华种业科技有限公司江西分公司提供,为利川市当地主栽品种。

1.4 试验方法

将试验土壤风干、过2 mm筛,准确称量18 kg装进花盆(花盆直径30 cm,高35 cm),与基肥(按农户种植正常基肥用量)及调理剂混合均匀。

本研究中除对照组(CK,常规基肥用量,不施调理剂)外,设置了钙镁磷肥、过磷酸钙、小麦生物炭、生石灰单独施用和复配施用共5种不同处理方式的试验组,即T1:钙镁磷肥(6 g/kg);T2:钙镁磷肥(6 g/kg)+小麦生物炭(2.4 g/kg);T3:过磷酸钙(6 g/kg);T4:过磷酸钙(6 g/kg)+小麦生物炭(2.4 g/kg);T5:生石灰(6 g/kg)+小麦生物炭(2.4 g/kg)。盆栽试验于2021年4月布置完成,并于同年9月进行土壤及水稻样品的采集。

1.5 测定项目与方法

水稻成熟期收获水稻植株,将其按不同的器官(根和籽粒)进行分离,并用去离子水冲洗干净后烘干、磨碎,保存于密封塑料袋用于生物量及化学测定。所有玻璃器皿均置于10%稀盐酸溶液中浸泡过夜,用去离子水洗净后烘干使用。

样品由湖北省地质实验测试中心进行测试,土壤pH值采用水浸提电位法测定;有机质含量采用油浴外加热重铬酸钾氧化—容量法测定;全硒采用氢化物—原子荧光光谱法测定;有效硒含量的测定,采用0.1 mol/L的磷酸二氢钾溶液浸提,硝酸+双氧水(体积比为7∶1)混酸进行微波消解后,用氢化物—原子荧光光谱法测定;水稻植株样硒含量的测定,采用硝酸、氯酸消解,用氢化物—原子荧光光谱法测定。实验方法及过程均满足NY/T 1004—2006、NY/T 3420—2019、GB 5009.93—2017等规范的要求。

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据的统计分析,采用DPS9.01软件进行数据的单因素方差分析,采用Duncan新复极差法进行数据的显著性检验,并用Origin21及SigmaPlot10.0软件进行图件绘制。

2 分析与结果

2.1 不同处理对土壤pH值的影响

通过提高土壤pH值来提高土壤有效硒含量是一种常用手段,土壤有效硒含量与其pH值呈正相关关系,pH值越大,有效硒含量越高[12]。图1是不同处理对土壤pH值影响的柱状图,结果显示几种处理均能在一定程度上提高土壤pH值,增幅为0.55～1.12。CK土壤pH值为5.65,呈弱酸性,各处理与CK之间存在极显著差异(P<0.01),土壤pH值由高到低依次是T5>T2>T3>T1>T4>CK。其中T5处理的土壤pH值最高,为6.77;T4处理的土壤pH值最低,为6.20,说明一定量的生石灰与小麦生物炭组合对土壤酸化的改良效果最明显。

注:图中大写字母表示不同处理间差异达到极显著水平(P<0.01),后图同。图1 不同处理对土壤pH值的影响Fig.1 Effects of different treatments on soil pH

2.2 不同处理对土壤硒形态的影响

土壤硒的生物有效性与硒形态有关,硒形态包括:水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰结合态、强有机结合态、残渣态。由图2可知,CK土壤中腐殖酸结合态、强有机结合态、残渣态硒含量占比较高,分别为35.0%、32.3%、27.2%,说明这三者为硒的主要存在形态;而其他4种形态的硒含量占比较小,水溶态、铁锰结合态、离子交换态、碳酸盐结合态硒含量占比分别为2.5%、1.6%、0.8%、0.6%,其中可供作物吸收的水溶态和离子交换态硒仅占3.3%。以上说明,虽然试验土壤中总硒含量达到了富硒土壤标准(≥0.4 mg/kg),但土壤中硒的生物有效性较低。

图2 不同处理对土壤硒形态的影响Fig.2 Effects of different treatments on soil selenium forms

不同处理的土壤硒形态分析表明,施用调理剂后,土壤中水溶态和离子交换态硒含量占比均高于CK组,提升效果依次是T4>T1>T2>T3>T5>CK,说明5种处理都能促进提高土壤有效硒含量。其中,T4、T1和T2处理对土壤水溶态和离子交换态硒含量提高效果最好。T4处理提高至3.8%,较CK增加了0.5%;T1处理提高至3.7%,较CK增加了0.4%;T2处理提高至3.7%,较CK增加了0.4%(图2)。

2.3 不同处理对土壤有效硒含量的影响

土壤的有效硒含量与作物对土壤硒的吸收利用程度存在良好的相关性,能够更加全面地反映出土壤硒的生物有效性[13-14]。水溶态与可交换态硒被称为有效硒,是能够被植物直接吸收利用的部分,是决定食物链中硒水平的关键因素之一[15]。分析各处理的效果(图3)发现,与CK相比,不同处理的土壤中有效硒含量均有不同程度地提高,除T5之外,其他处理与CK之间均存在极显著差异(P<0.01)。各处理对土壤有效硒含量的提高效果从高到低依次是T4>T3>T1>T2>T5>CK,土壤有效硒含量提高了1.58～4.82 μg/kg,增幅为20.6%～62.8%。其中T4、T3、T1处理的土壤有效硒含量增加值最多,分别较CK提高了4.82、3.33、3.21 μg/kg,增幅分别为62.8%、43.4%、41.9%。

图3 不同处理对土壤有效硒含量的影响Fig.3 Effects of different treatments on available selenium content in soil

2.4 不同处理对水稻籽粒与根系硒含量的影响

水稻植株的硒含量是评价土壤调理剂改良效果的重要指标。试验结果表明,各处理均能提高水稻籽粒和根系硒含量(图4)。各处理对水稻籽粒硒含量的提高效果从高到低依次是T4>T3>T1>T2>T5>CK,硒含量提高了0.05～0.38 mg/kg,增幅为14.7%～111.8%。其中T4、T3、T1处理的水稻籽粒硒含量与CK的差异达到了极显著水平(P<0.01),较CK分别提高了0.38、0.37、0.24 mg/kg,增幅分别为111.8%、108.8%、70.6%;水稻根系硒含量较CK分别提高了0.37、0.34、0.16 mg/kg,增幅分别为56.9%、52.3%、24.6%。各处理对水稻籽粒和根系硒含量的影响与对土壤有效硒含量的影响趋势基本一致。

注:图中小写字母表示不同处理间差异达到显著水平(P<0.05)。图4 不同处理对水稻籽粒、根系硒含量的影响Fig.4 Effects of different treatments on selenium content in rice grains and roots

2.5 不同处理对水稻生长发育的影响

水稻的产量主要由3个“可见”的农艺性状——粒重、穗粒数和有效分蘖数构成,这些农艺性状又受到营养利用效率、光合作用效率等“不可见”的生理性状的影响[16]。水稻的分蘖数直接决定了其有效分蘖数的多寡[16],叶绿素值可以反映其光合作用效率的大小[17],合理的株高有利于形成较高的产量和较强的抗逆性[18],因此本研究选用千粒重、分蘖数、叶绿素、株高等4个农艺性状作为评价水稻生长发育状况的指标。

不同处理对水稻生长发育影响的效果见表2。由表2可以看出,各处理分蘖数均高于CK,以T5、T4、T1处理最高,与CK之间存在显著差异(P<0.05),由CK的18.33分别提高至28.56、27.67、24.22,说明配施生石灰和小麦生物炭、配施过磷酸钙和小麦生物炭、单施钙镁磷肥均能显著提高水稻分蘖数。

表2 水稻农艺性状统计Table 2 Statistical table of agronomic shapes of rice

叶绿素统计结果显示,除T4处理外,其他处理的叶绿素均显著高于CK(P<0.05),其中T1、T3处理提高至45.44、44.85,较CK(37.53)提高了21.0%、19.5%,说明施用一定量的钙镁磷肥或过磷酸钙具有促进光合作用效率的潜力,对植株营养生长与抗逆性的提高具有积极作用。

株高统计结果显示,各处理的株高均高于CK,其中T5、T1、T2处理与CK之间存在显著差异(P<0.05),其中T5处理为132.33 cm,说明配施一定量的生石灰和小麦生物炭对于水稻株高这一指标的促进作用较其他处理更为显著。

千粒重统计结果显示,除T2处理外,其他处理对水稻千粒重均有提高效果。其中T5处理的水稻千粒重由CK的25.31 g提高至26.16 g,两者之间存在显著差异(P<0.05),说明配施一定量的生石灰和小麦生物炭有助于提高水稻千粒重,对产量的提高具有积极影响。

3 讨论

3.1 不同调理剂对土壤pH值的影响

试验结果显示,不同调理剂组合均能提高土壤pH值,其中T5处理的土壤pH值最高,呈中性,说明一定量的生石灰和小麦生物炭配施具有改良酸性土壤的效果,其原因可能是生石灰呈碱性,能中和土壤中的氢离子。另一方面可能与小麦生物炭有关,这与已有报道中反映的趋势相同[19],其机理可能是生物炭表面富含大量羟基、酚羟基等含氧官能团,这些官能团会与土壤中的氢离子发生络合反应,从而达到中和土壤酸度的效果[20]。

3.2 不同调理剂对土壤有效硒含量的影响

研究显示,在不同调理剂配施处理中,提高土壤有效硒含量效果最好的是T5处理,即配施过磷酸钙和小麦生物炭。磷可以使土壤中的固定态硒向有效态硒转变[21],可能与两者在土壤中均以阴离子形态存在,化学行为具有一定的相似性,在土壤胶体的吸附位点上存在竞争关系有关。因此,施用含磷土壤调理剂可能会减少亚硒酸盐在土壤固体表面的吸附[22]。另外,发现施用过磷酸钙对土壤有效硒含量的提升效果优于施用钙镁磷肥,其可能与钙镁磷肥为难溶性磷肥,肥效相较于过磷酸钙更慢有关。因此,在实际施用土壤调理剂进行土壤改良时,应注意结合原料粒径、可溶性进行综合考虑,以最大程度地提高调理剂的利用率。研究发现,施用小麦生物炭对土壤有效硒含量的提高更为显著,除了对土壤pH值造成影响外,可能还增加了土壤有机质含量,后者被证明对土壤硒的生物有效性具有双重调节作用,一定条件下具有提高土壤硒的生物有效性的效果[23]。

值得注意的是,本研究证明T5处理即配施生石灰和小麦生物炭对提高土壤pH值效果最好,但土壤有效硒含量提高最多的是T4处理,即配施过磷酸钙和小麦生物炭,说明土壤pH值与土壤有效硒含量之间可能并不是绝对的正相关关系。严佳[24]研究了不同调理剂对土壤pH值和有效硒含量的影响,结果表明在施用同等用量水平下,钙镁磷肥对酸性茶园土壤pH值的提高效果比生石灰稍差,但对土壤有效硒的提高效果要优于生石灰,这与本研究结果类似,说明土壤有效硒的提高并不完全取决于土壤pH值,可能与多种因素相关。

3.3 不同调理剂对水稻籽粒和根系硒含量的影响

不同土壤调理剂对水稻籽粒和根系硒含量提高效果显著,T4处理即配施过磷酸钙和小麦生物炭的水稻籽粒硒含量最高,较CK提高了113.9%,初步分析可能与调理剂原材料本身对土壤性状的影响有关。姚欢等[9]研究指出,含磷材料具有提高土壤有效硒质量比的作用,此外,生物炭在酸性土壤的应用中具有促进土壤硒的溶解和释放的作用。虽然有施用生物炭对根系硒含量有积极影响,但对地上部分硒含量影响较小的报道[25],但这可能与生物炭材料不同、作物种类与供试土壤性状不同有关,也可能与本研究配施材料的相互作用有关。一定量的过磷酸钙与小麦生物炭配施,具有促使土壤硒被活化、促进水稻植株硒富集与转运的作用。

3.4 不同调理剂对水稻生长发育的影响

试验结果显示,配施生石灰和小麦生物炭对提高水稻分蘖数、株高、千粒重效果最好。生石灰被证明对改良酸性土壤、促进作物根系和地上部分发育具有积极影响[26-27],原因主要是生石灰的施用有利于提高土壤pH值,并降低土壤交换性酸总量和土壤交换性铝含量,进而促进根系发育。也有研究表明,过量施用生石灰会影响土壤结构,造成土壤板结,以及钾、钙、镁等营养元素失调,导致作物减产[28]。因此,在实际农业生产中施用适量的生石灰至关重要。此外,处理中所用到的生物炭也被证明能改善土壤肥力,增强植株光合能力,提高水稻有效分蘖数,进而提高水稻产量[29-30]。这与本研究结果一致,其原因可能是因为施加生物炭有利于提高土壤有效养分含量,从而促进作物生长发育[31]。

叶绿素是最重要的光合色素之一,在光合作用过程中扮演着重要角色。此次试验中,单施钙镁磷肥和过磷酸钙对水稻叶片叶绿素的提升效果最显著。张裕川[32]研究认为,磷肥对叶绿素含量有显著影响(P<0.05),叶绿素含量随着磷肥施用量的增加而提高,这与此次结果一致。磷肥的合理施用不仅能提高水稻叶绿素含量,还能促进水稻生长,但要注意其用量,过量的磷肥会导致植株株高降低、茎粗缩小,叶面积指数逐渐减小[32]。

4 结论

(1) 本研究设置的5种处理均能提高土壤有效硒含量,并提高水稻籽粒和根系的硒含量。土壤有效硒含量提升趋势与水稻硒含量提升趋势一致,从高到低依次是T4>T3>T1>T2>T5>CK,其中T4处理(配施过磷酸钙(6 g/kg)+小麦生物炭(2.4 g/kg))效果最好,与CK的差异达到极显著水平(P<0.01),土壤有效硒含量从7.67 μg/kg(CK)提高至12.49 μg/kg,较CK增长了62.8%;水稻籽粒硒含量较CK提高了0.38 mg/kg,增长111.8%;水稻根系硒含量较CK提高了0.37 mg/kg,增长56.9%。

(2) 5种处理对提高土壤pH值均有极显著效果(P<0.01),对水稻生长发育也有积极影响。其中T5处理(配施生石灰(6 g/kg)+小麦生物炭(2.4 g/kg))的效果最好,pH值从5.65(CK)提高至6.77;株高、分蘖数、叶绿素和千粒重均显著高于CK(P<0.05)。

(3) 基于本研究结果,针对利川地区酸性富硒土壤,推荐使用生石灰与小麦生物炭配施的方式进行土壤改良,具体用量应在考虑经济成本的基础上结合大田试验进行验证。