不同有机物料对滩涂盐碱地有机碳损失?重金属含量及水稻产量的影响

汪帆　彭昊　李文平　陈超　傅鹏霄　姚宇阗

摘要 通過田间小区试验，研究不同有机物料（对照CK、鸡粪T1、羊粪T2、菌菇渣T3、生物腐植酸T4）在等有机碳投入量下滩涂盐碱地中有机碳损失、土壤各类有机质分布及其对土壤重金属含量及水稻产量的影响。结果表明，不同有机物料施入土壤后，T1、T2、T3、T4有机碳损失率分别为64.52%、58.69%、47.04%和29.56%；未损失部分转化为土壤有机质，虽然T3处理有机碳损失率较低，但土壤中的活性有机质占比低于其他处理。T3、T4能降低滩涂盐碱地土壤中的有效态汞、砷、镉、铅、铬含量，其中以T4效果最好，T1、T2处理能降低汞、镉、铬有效态含量，但在一定程度上分别增加有效态砷、有效态铅含量。T1～T4对水稻有效穗、穗粒数有显著提高作用，较对照分别增产10.17%、14.03%、6.65%和24.52%，其中T4能显著增加水稻穗粒数。由此可见，在滩涂盐碱地综合改良利用中，生物腐植酸在有机碳损失率、增加土壤活性有机质、降低土壤重金属含量及提高水稻产量方面具有较显著优势，是滩涂盐碱地改良的优良有机物料投入品。

关键词 滩涂盐碱地；有机碳损失率；有机物料；重金属含量；水稻产量

中图分类号 S156文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）08-0083-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.08.019

Effects of Different Organic Materials on Organic Carbon Loss，Heavy Metal Content and Rice Yield in Saline-alkali Mudflats

WANG Fan，PENG Hao，LI Wen-ping et al

（Jiangsu Coastal Ecological Technology Development Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 210019）

Abstract A field plot experiment was conducted to study the loss of organic carbon，the distribution of soil organic matter，and their effects on soil heavy metal content and rice yield under the same amount of organic carbon input of different organic materials （CK，chicken manure T1，sheep manure T2，mushroom residue T3，and biological humic acid T4） in mudflat saline alkali land.The results showed that after applying different organic materials to the soil，the organic carbon loss rates of T1，T2，T3 and T4 were 64.52%，58.69%，47.04%，and 29.56%，respectively;the undisturbed portion was converted into soil organic matter.Although the T3 treatment had a lower organic carbon loss rate，the proportion of active organic matter in the soil was lower than other treatments.T3 and T4 could reduce the content of available mercury，arsenic，cadmium，lead and chromium in mudflat saline alkali soil，of which T4 was the best.T1 and T2 treatments could reduce the content of available mercury，cadmium and chromium，but to a certain extent，they could increase the content of available arsenic and available lead respectively.T1-T4 significantly increased the effective panicle and grain number of rice，with an increase of 10.17%，14.03%，6.65% and 24.52% compared to the control，respectively.Among them，T4 significantly increased the grain number of rice panicles.It could be seen that in the comprehensive improvement and utilization of mudflat saline alkali land，biological humic acid had significant advantages in terms of organic carbon loss rate，increasing soil active organic matter，reducing soil heavy metal content and improving rice yield，and was an excellent organic material input for the improvement of mudflat saline alkali land.

Key words Mudflat saline alkali land;Organic carbon loss rate;Organic materials;Heavy metal content;Rice yield

盐碱地是我国重要的耕地后备资源，其开发利用对于保障我国粮食安全、促进农业发展、改善生态环境具有重要意义［1］。江苏滩涂盐碱地约占全国海涂面积的1/4［2］，具有重要的开发价值，但是新开垦的滩涂盐碱地具有pH高、含盐量高、有机质低、结构差等问题，一直是制约江苏滩涂农业生产的关键因素［3-4］。滩涂盐碱地的综合改良利用一是外源投入大量有机物料以改善土壤的基本理化性状；二是种植具有一定耐盐碱能力的作物，水稻在盐碱胁迫下表现为中度敏感，因此种植水稻是有效利用盐碱地的重要途径。近些年，国内外学者关于有机物料对盐碱地改良方面进行了大量研究，严漪云等［4］研究表明施用污泥蚯蚓粪能有效培肥滩涂盐碱地土壤；左文刚［5］利用生活污泥来改良滩涂盐碱地，能显著降低土壤盐分和土壤pH，提高有机碳含量，且对水稻、玉米等作物具有显著的增产效果；安丰华等［6］研究表明植物秸秆能有效降低滨海盐土全盐含量和pH，增加土壤有机质含量、土壤微生物数量和酶活性。可见，通过外源投入不同有机物料来提高滩涂盐碱地中的有机质含量，可以明显改善土壤的物理性状，从而改变土壤水盐运移状况，促进土壤脱盐，并同时促进作物生长。然而，目前关于不同有机物料进入盐碱地后，在盐碱地中的矿化速率、对盐碱地土壤基本理化性状、土壤重金属含量以及水稻产量的影响鲜有研究。该试验以水稻为试验作物，在江苏滩涂盐碱地开展田间试验，从矿化损失率、土壤理化性状、土壤重金属含量及水稻产量等角度评价不同有机物料对盐碱土改良的综合效益，以期为盐碱土改良利用确定合适的有机物料和可持续发展提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江苏省盐城市东台市金东台农场，属亚热带和暖温带的过渡区，季风显著，常年平均气温15.0 ℃，无霜期220 d，年降水量1 061.2 mm，年日照时数2 130.5 h。试验地为滩涂围垦后经过工程改良的轻度盐碱地，土壤具体理化性状为pH 8.66、含盐量0.153%、有机质11.9 g/kg、碱解氮25.61 mg/kg、有效磷12.00 mg/kg、速效钾320 mg/kg、速效钠660 mg/kg。

1.2 供试材料

试验所用鸡粪有机质含量为45.8%、pH 7.9，羊粪有机质含量为45.4%、pH 7.8，菌菇渣有机质含量为47.4%、pH 8.3，上述3种有机物料均为腐熟后的有机肥，购自江苏丰大肥业有限公司；所用生物腐植酸是餐厨废弃物经生物强化腐殖化发酵制备而成，有机质含量75.0%、pH 4.5，购自北京嘉博文生物科技有限公司。

1.3 试验设计

试验共设置5个处理：不使用外源有机物料处理（CK），施用鸡粪处理（T1），施用羊粪处理（T2），施用菌菇渣处理（T3），施用生物腐植酸处理（T4），4种有机物料按折纯有机质4 500 kg/hm2投入，每个处理4次重复，共计20个小区，小区面积为15 m2（3 m×5 m），采用随机区组方式排列。

氮肥施用总量为纯氮150 kg/hm2，氮肥施用时期与比例为基肥∶蘖肥∶调节肥∶穗肥=3∶4∶1∶2，钾肥施用总量为90 kg/hm2，钾肥按基肥∶穗肥＝1∶1施用，磷肥施用总量为120 kg/hm2，磷肥、有机物料均作为基肥一次性施入。

整地前将有机物料、肥料按照比例作为基肥撒施、旋耕，随后灌水沤田1～2 d，最后进行耙地和插秧，根据当地习惯进行移栽，秧苗行株距为30 cm×12 cm，每穴2～3株。水稻品种为 9108，于2022年6月10日插秧，10月25日收获，其他按田间生产常规管理进行。

1.4 测定内容与方法

1.4.1 有机碳损失率。有机物料施入土壤后，土壤微生物的作用下，会同时存在腐殖化、矿化2个过程，其中腐殖化过程中的一些中间产物在微生物作用下重新合成一种更复杂的有机化合物，形成土壤有机碳，是土壤有机质的重要来源。不同有机物料的腐殖化、矿化速率不同，施用等有机质物料后给土壤增加的有机质也有差异，为更好表述有机物料的有机碳损失，提出有机碳损失率，计算公式如下：

ω=[（S×h×（M1×ρ1-M2×ρ2）+W）/W]×100%

式中：ω為有机碳损失率（%）；S为单位面积（m2），取值1 m2；h为耕地耕层深度（m），取值0.2 m；M1为施肥前土壤有机质含量（%）； M2为收获后土壤有机质含量（%）；ρ1为施肥前土壤容重（kg/m3）；ρ2为水稻收获后土壤容重（kg/m3）；W为折纯有机质投入量（kg）。

1.4.2 土壤有机质、活性有机质。

于水稻收获后取0～20 cm耕层土壤，四分法取土、风干。土壤有机质检测方法参照文献［7］进行，土壤活性有机质参照文献［8］方法检测。

1.4.3 土壤汞、砷、镉等重金属含量  。

检测土壤中汞、砷、镉、铅、铬5类重金属含量，检测方法参照文献［7］进行。

1.4.4 水稻产量。于水稻收获期采用每块田对角线 3 点取样法；每点取连续 21 行、测量行距；选取连续 21 株、测量株距，计算穴数（穴/hm2）；顺序选取 20 穴计算穗数（穗/hm2）。在测产单元内取具有代表性的稻株 2～3 穴（不少于 50 穗），调查有效穗粒数，并取其中1 000粒有效籽粒烘干测定千粒重。理论产量计算如下：

产量（kg/hm2）= 有效穗数（万穗/hm2）×每穗粒数（粒）×千粒重（g）×10-2×85%

1.5 统计分析方法

采用Microsoft Excel软件处理数据，用SPSS 11.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同有机物料有机碳损失率

不同有机物料因木质素、纤维素等大分子碳含量的差异，在土壤中的矿化、腐殖化速度存在差异。从图1可以看出，等有机质不同有机物料施入盐碱地135 d后，其有机碳损失率差异明显，其中生物腐植酸处理（T4）有机碳损失率较小，仅为29.56%，与鸡粪（T1）、羊粪（T2）和菌菇渣（T3）呈显著差异；其次为菌菇渣（T3），有机碳损失率为47.04%，显著低于鸡粪、羊粪处理，鸡粪（T1）、羊糞（T2）有机碳损失率较大，分别为64.52%、58.69%，两者无显著差异，羊粪略优于鸡粪。

2.2 不同有机物料对土壤有机质的影响

土壤有机质含量是衡量土壤理化性状和肥力水平的重要指标。从表1可以看出，不同类型有机肥对土壤有机质含量、活性有机质含量、中活性和高活性有机质含量影响明显，其中对土壤有机质含量提升效果依次为生物腐植酸（T4）＞菌菇渣（T3）＞羊粪（T2）＞鸡粪（T1），生物腐植酸显著优于其他物料，这与生物腐植酸的碳损失率低直接相关。不同有机物料进入滩涂盐碱地后的活性有机质与普通有机质含量存在差异，鸡粪（T1）、羊粪（T2）虽然在提升滩涂盐碱地土壤有机质效果上略低于菌菇渣（T3），但却能提高土壤中的活性、中活性和高活性有机质；而生物腐植酸对盐碱土壤中的有机质及各类活性均有较显著的提升效果。

2.3 不同有机物料对土壤重金属含量的影响

土壤重金属含量由2个来源组成，一个是土壤重金属本底值，另一个是外源带入。从表2可以看出，菌菇渣（T3）、生物腐植酸（T4）可在一定程度上降低滩涂盐碱地土壤中的汞、砷、镉、铅、铬有效态含量。施用鸡粪（T1）处理的土壤中有效态砷含量较对照略有上升，其原因可能是鸡粪中含有一定量砷；施用羊粪（T2）处理的土壤有效态镉含量有一定升高。可见不同有机物料虽然对盐碱地土壤中的重金属有降低作用，但是有机物料本身含有的重金属可能会导致土壤重金属含量升高。

2.4 不同有机物料对水稻产量构成及产量的影响 作物产量是衡量农业生产价值的重要指标。从表3可以看出，与CK处理相比，不同类型有机物料均显著影响盐碱地水稻产量，其中生物腐植酸处理（T4）水稻产量最高，较对照增产24.61%，并显著高于其他处理，其次为羊粪（T2）、鸡粪（T1）处理，其水稻产量较对照分别增产14.08%、10.20%；菌菇渣处理（T3）最低，其水稻产量较对照增产6.65%。通过对水稻产量构成分析，发现鸡粪、羊粪、菌菇渣、生物腐植酸均能显著提高水稻有效穗数，而羊粪、菌菇渣、生物腐植酸较鸡粪在提高水稻有效穗数具有显著性优势。不同有机物料处理的穗粒数差异明显，鸡粪、羊粪和生物腐植酸处理均显著优于CK处理，其中以生物腐植酸处理穗粒数最高，较CK增加20.80%；不同有机物料对水稻千粒重无显著影响。

3 讨论与结论

土壤有机碳在维持和提高土壤肥力方面有十分重要的作用，被认为是土壤质量和功能的核心［9］。但不同有机物料养分特性、有机碳矿化特性存在明显差异［10-12］。该研究结果表明，在等有机质量投入情况下，鸡粪、羊粪施入滩涂盐碱地后有机碳损失率较大，其原因是有机粪肥中含有大量易分解的有机碳，通过矿化作用损失［13］。菌菇渣木质素、纤维素等大分子有机碳占比较高，所以在土壤中的矿化作用较弱，其损失率较小。该试验中所采用的生物腐植酸是餐厨废弃物通过生物强化腐殖化产生［14］，其大分子有机碳占比约60%，减缓了有机碳矿化损失。另外，生物腐植酸中富含多种小分子碳源，能有效增加土壤中的活性、中活性和高活性有机碳，这一部分碳源能为微生物、作物提供最直接的碳源。相比菌菇渣，虽然鸡粪、羊粪进入土壤后有机碳损失率比较大，但可以与生物腐植酸一样，能够有效增加土壤中的活性有机碳。

新围垦的滩涂盐碱地土壤重金属主要来源于土壤本底值以及外源投入品带入。有效态重金属含量主要取决于土壤中全量重金属含量和土壤化学性质，如土壤pH和土壤有机质含量［15］。有研究发现有机物料在生物降解过程中释放的腐植酸类物质能够有效降低土壤pH，从而提高土壤重金属的溶解性和有效性［16］，也有研究结果表明施用有机物料后产生的活性有机碳对土壤重金属有吸附作用，从而降低重金属有效性［17-19］，可见土壤有机质对土壤重金属有效性的研究结果仍存在较大的分歧。该研究结果表明，在滩涂盐碱地土壤条件下，施用菌菇渣、生物腐植酸可在一定程度上降低滩涂盐碱地土壤中重金属汞、砷、镉、铅、铬的有效性，其中生物腐植酸效果最突出，而施用鸡粪、羊粪也会降低一部分重金属有效态含量，但在一定程度上分别增加有效态砷、镉，这可能与鸡粪、羊粪中含有一定量砷、镉有关。

长期施用有机物料可有效改善耕层土壤环境，提高土壤养分含量、酶活性和土壤微生物生物量，增加土壤微生物群落多样性，为作物增产打下坚实基础。在该研究中，在等有机质投入量情况下，施用不同有机物料均能显著提高盐碱地水稻有效穗数15.21%～23.85%，其中羊粪、菌菇渣和生物腐植酸较鸡粪更具有优势；另外，施用鸡粪、羊粪和生物腐植酸能有效提高盐碱地水稻穗粒数，尤其是生物腐植酸处理穗粒数较对照增加20.80%；4种不同有机物料盐碱地水稻千粒重无显著影响。在水稻产量方面，以生物腐植酸处理水稻产量最高，与对照处理相比增产24.61%，核心原因是生物腐植酸处理水稻有效穗数、穗粒数均有显著提高，尤其是穗粒数显著高于其他有机物料处理，这与徐全辉等［20］认为腐植酸有机肥主要以增加水稻的穗粒数来提高产量的研究结果一致。菌菇渣处理的土壤有机质含量虽然高于鸡粪、羊粪处理，但其产量却低于鸡粪、羊粪处理，这可能与土壤活性有机质含量相关。

该研究结果表明，在等有机质投入下，不同有机物料施入盐碱地土壤经过水稻一季种植后均能显著提高土壤有机质含量、改变水稻产量构成因素，进而提高盐碱地水稻产量，但不同有机物料对盐碱地土壤理化性状和水稻生长的影响有所差异。鸡粪、羊粪进入土壤后有机碳损失率较大，生物腐植酸、菌菇渣有机碳损失率较小，对提升土壤有机质指标效果最佳，并且生物腐植酸、菌菇渣在降低土壤有效态重金属和安全性方面更具有优势。不同有机物料均能提高水稻有效穗数和穗粒数，其中羊粪更有利于提高水稻有效穗数、生物腐植酸更有利于提高水稻穗粒数。因此综合考虑，生物腐植酸在滩涂盐碱地改良、利用方面较鸡粪、羊粪、菌菇渣更加实用。

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基金项目 江苏省沿海开发集团有限公司科研项目（2022YHTDZZ01）。

作者簡介 汪帆（1988—），男，安徽黄山人，农艺师，硕士，从事土壤肥料方面的研究。*通信作者，博士，从事土壤改良方面的研究。

收稿日期 2023-06-13