土壤改良剂和有机肥对旱改水砖红壤稻田的改良效果

李 菊，杨永志，甘 良，吴明锋，高 伟*，阮云泽

（1.海南大学热带作物学院，海南 海口 570228；2.海南农垦自然资源开发运营有限公司，海南 海口 570100）

我国人口众多，城市化、工业化快速发展使一些耕地变成非农业用地。自国土资源部执行“占一补一”占补平衡的政策以来，后备耕地资源的开发成为补充耕地的重要途径［1］。在土地整治过程中，为满足“占水田补水田”的要求，旱田改水田已成为一个普遍现象［2-3］。在海南砖红壤区域，众多旱改水农田普遍存在土壤酸化和土壤贫瘠的问题，结合国家“占优补优”的要求，旱改水农田土壤改良成为土地整治的重点内容。施用土壤改良剂和有机肥是土壤改良的有效措施，能够提高土壤pH值、有机质含量和土壤养分含量［4-6］。已有研究表明，生石灰、白云石粉、钙镁磷肥、碳酸钙粉、草木灰、硅钙钾镁等土壤改良剂能有效提高酸性土壤pH值［7-9］，秸秆、稻草等植物源有机肥以及猪粪、羊粪、鸡粪等动物源有机肥则能提高土壤有机质和氮、磷、钾等养分含量［10-13］。海南等南方砖红壤地区，气候高温多雨，土壤有机质矿化和养分淋溶损失快［14-15］，众多经济作物过量施用化肥也造成土壤酸化［16］，加上复种指数高，土壤地力下降迅速，而关于土地整治过程中土壤改良具体措施的研究相对缺乏。本研究通过大田试验，设置土壤改良剂种类和用量以及有机肥种类和用量的处理，探究土壤改良剂和有机肥对旱改水稻田土壤的改良效果，以期为南方砖红壤地区旱改水农田土壤改良提供科学依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验田位于海南省东方市广坝农场（19°6′46″N，108°51′26″ E），海拔高度68.7 m，年降水量1150 mm。试验田土壤为砖红壤，且为2020年5月进行的旱改水土地整治农田，主要整治流程包括清理附属物、表土（25 cm）剥离、机械压实、表土回填等工序，以形成犁底层而降低漏水漏肥现象的发生。整治前主要种植的作物为槟榔、芒果等，试验田初始pH值为5.54，有机质含量0.77%，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为33.76、2.93和98.67 mg/kg。土壤改良试验于2020年6月12日进行了水稻种植，种植品种为“博II优泰占”，属杂交稻，生育期约为120 d。

1.2 试验设计

采用正交试验设计，试验处理包括不同类型土壤改良剂和有机肥（表1），土壤改良剂包括石灰、硅钙钾镁肥和草木灰，每种改良剂施用量设定3个水平。有机肥包括羊粪、秸秆和混合发酵有机肥（商品化有机肥大多是由畜禽粪便和秸秆类物料混合发酵而成），每种有机肥3个水平，分别为0、30、60 t/hm2，土壤改良剂和有机肥的基本性质见表2。正交试验采用L27（313）的设计，其中处理1为对照处理，既不施用土壤改良剂又不施用有机肥。

表1 田间试验处理详情 （t/hm2）

表2 土壤改良剂和有机肥化学性质

水稻于2020年5月13日开始育秧，育秧30 d后移栽插秧，采用小区种植模式，小区面积20.25 m2（4.5 m×4.5 m），随机区组排列，小区间设子埂隔离施肥，试验田总面积0.24 hm2。土壤改良剂和有机肥在移栽前1周一次性施用。化肥氮肥（尿素）总施用量（N）180 kg/hm2，底肥施用40%，秧苗移栽后7 d进行第1次追肥，施肥量为30%，秧苗移栽后33～35 d进行第2次追肥，施用量为30%；磷肥（钙镁磷肥，pH值=8.35）总施用量（P2O5）为120 kg/hm2，全部作为底肥施用；钾肥（氯化钾）总施用量（K2O）为150kg/hm2，60%作为底肥施用，40%在秧苗移栽后45 d施用。

1.3 样品的采集与测定

分别在秧苗移栽后15、30、60、90和120 d进行土壤取样，每个小区按照5点法取样后混合为1个样品，取样深度为20 cm，测定耕作层土壤pH值和有机质、氮、磷、钾含量的变化情况。pH值测定采用电位法（HJ 962-2018），土水比1∶2.5，土壤有机质含量采用重铬酸钾法（NY/T 1121.6-2006），碱解氮含量用碱解扩散法（LY/T 1228-2015），有效磷含量采用Olsen法（NY/T 1121.7-2014），速效钾含量采用火焰光度法（LY/T 1234-2015）。水稻收获前采集土壤鲜样，保存于4℃冰箱测定微生物群落数量。土壤中微生物数量的测定用稀释平板计数法，吸取用10 g土样和90 mL无菌水制备的悬浊液，制备10-6～10-1稀释液。细菌、真菌、放线菌的培养基分别采用10-4～10-2、10-3～10-1、10-4～10-2的稀释度。细菌、真菌和放线菌分别采用LB培养基、马丁氏培养基和高氏一号培养基培养。吸取100 μL土壤悬浊液，均匀涂抹于培养基表面。细菌、放线菌和真菌分别置于30、28和28℃恒温箱培养3、5和7 d。培养结束后，选取具有合适菌落数的平板并计数。水稻收获时采集植株样品，烘干粉碎后测定植株的生物量和氮、磷、钾含量。同时，将收获的每个处理小区种植面积一半的水稻用来测定水稻产量。

1.4 统计与分析

采用SPSS 20.0对土壤理化性质、微生物群落数量以及水稻氮磷钾含量和产量进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 土壤改良剂和有机肥对土壤pH值的影响

施用羊粪、秸秆以及混合有机肥对土壤pH值均有显著提升效果（P＜0.05，图1）。正交试验结果分析表明，施用羊粪60 t/hm2与不施用羊粪相比，在水稻收获时（120 d），能够提高土壤pH值0.43个单位；秸秆有机肥提升效果和羊粪类似，土壤pH值能提升0.35个单位；石灰和草木灰等土壤改良剂提升水稻田土壤pH值的单独效应不明显。正交试验结果表明，石灰和草木灰不同施用量和不施用处理间土壤pH值差异均不显著。施用硅钙钾镁4.50 t/hm2时，在试验开始初期能显著提高土壤pH值约0.16个单位，但在种植120 d后，差异不明显。

图1 施用土壤改良剂和有机肥对土壤pH值的影响

2.2 不同类型有机肥施用对土壤有机质的提升效果

羊粪、秸秆以及混合有机肥的施用均能显著提高土壤有机质含量（图2）。施用羊粪60 t/hm2和不施用羊粪相比，在试验初期（移栽后15 d），羊粪提升土壤有机质的效应达到33.8%，在水稻收获时（120 d），提升效应为29.5%。施用秸秆60 t/hm2时，在水稻移栽后15和120 d，土壤有机质含量分别有32.6%和31.9%的提升；施用混合有机肥60 t/hm2时，土壤有机质含量相对不施用混合有机肥处理则分别有25.5%和28.5%的提高。不同类型有机肥在提升土壤有机质含量的能力上则无显著差异。

图2 施用有机肥对土壤有机质含量的影响

2.3 有机肥施用对土壤速效氮、磷、钾含量的影响

作物生长养分来源主要是土壤的有效态和速效态养分，如碱解氮、有效磷、速效钾等。本研究结果表明，施用羊粪、秸秆和混合有机肥均能有效提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾养分的含量，如施用羊粪30 t/hm2时，比不施用羊粪处理的土壤碱解氮含量提升15.5%，有效磷和速效钾含量分别提升90.3%和40.2%（表3）。秸秆和混合有机肥对土壤速效态氮、磷、钾含量有显著的提升效果，但是不同类型的有机肥对提高土壤速效态氮、磷、钾含量的效果差异不显著，因此对各处理有机肥施用总量和土壤速效养分做相关性分析，结果表明，随着有机肥施用总量的提高，土壤碱解氮、有效磷、速效钾均呈显著上升的趋势（数据未给出），表明土壤速效养分的提升主要来源于有机肥的施用。综上，有机肥的施用，能提高土壤氮、磷、钾养分的含量，还能提高土壤地力水平。

表3 施用土壤改良剂和有机肥对土壤速效态氮磷钾以及植株氮磷钾含量和产量的影响

2.4 有机肥施用对土壤微生物数量的影响

土壤微生物对土壤结构、有机质矿化以及植物生长具有重要的作用。本研究测定了土壤细菌、真菌以及放线菌的群落数。结果表明，羊粪、秸秆以及混合有机肥的施用，均显著地提高了土壤细菌、真菌和放线菌群落的数量（图3a、b、c）。例如，施用羊粪60 t/hm2与不施用羊粪相比，细菌、真菌和放线菌群落数分别提高176%、119%和52%；施用秸秆60 t/hm2时，细菌、真菌和放线菌群落数则能够分别提高194%、92%和32%；施用混合有机肥60 t/hm2时，细菌、真菌和放线菌数量分别提高166%、136%和68%；说明不同类型有机肥对土壤微生物数量提高的效果没有显著差异。整合不同有机肥的数据结果，表明施用有机肥30 t/hm2和不施用相比，土壤细菌、真菌和放线菌数量分别提高86%、47%和7%；施用有机肥60 t/hm2时，细菌、真菌和放线菌数量分别平均提高178%、115%和51%。有机肥施用提高了土壤微生物的数量，而微生物数量与土壤碱解氮含量则呈现很好的正相关关系（图3d），表明微生物数量的提升有可能增加土壤难分解物质的矿化，促进土壤矿质态养分的提高。

图3 施用有机肥对土壤微生物的影响及微生物总量与土壤碱解氮含量的关系

2.5 有机肥施用对水稻生长的影响

有机肥施用在改良土壤、提高土壤地力水平的同时，对植株氮素营养也有一定的影响。施用羊粪30和60 t/hm2与不施用羊粪处理相比，水稻植株氮含量分别显著增加了11.8%和14.8%，混合有机肥的施用对植株氮含量也有显著的提升效果（表3）。有机肥施用对植株磷和钾含量并无显著影响，可能与土壤磷、钾较为丰富有关。各种类型有机肥的施用对水稻产量均没有显著影响（表3），但是综合各处理有机肥施用总量和产量进行回归分析表明，过量有机肥施用会导致水稻倒伏现象（图4）。当有机肥施用总量小于90 t/hm2时，田间水稻生长未出现倒伏现象，当有机肥用量超过90 t/hm2时，随着有机肥用量的提高，倒伏率显著上升，施用150～180 t/hm2有机肥时，倒伏率甚至会超过50%。

图4 施用有机肥对水稻倒伏的影响

3 讨论

3.1 土壤改良剂和有机肥施用对土壤pH值的提升效果

土壤酸碱度是土壤质量的重要指标，对土壤养分有效性、微生物活性以及植物病虫害的发生都有重要的影响［17-20］。因此，调节土壤的酸碱度是土壤改良过程中尤为重要的内容。淹水条件下，土壤氧化还原电位降低，土壤处于厌氧状态，pH值趋于中性而达到平衡［21-22］。本研究试验田改良前土壤初始pH值平均为5.54，在淹水种植水稻120 d后，土壤pH值达到6.83，提升1.29个单位。已有研究表明，生石灰、白云石粉、钙镁磷肥、碳酸钙粉等土壤改良剂均能增加土壤阳离子含量，有效提升酸性土壤pH值［5，7］。硅钙钾镁也是近年来研究的热点，对提升土壤pH值有很好的效果［8，23］。本研究中施用生石灰和草木灰在水稻种植120 d后对土壤pH值提升效果不显著（图1），硅钙钾镁提升土壤pH值的能力也有限，可能与长时间淹水已经将土壤pH值提升很高的幅度有关。有机肥也是重要的土壤改良剂，Wang等［12］研究表明，连续15年施用猪粪与施用化肥相比，能显著提高土壤pH值。本研究中羊粪、秸秆以及混合发酵有机肥的施用均能显著提高土壤pH值（图1），对调节土壤酸度具有重要作用。因此，淹水种植水稻结合有机肥的施用，是提高旱改水农田土壤pH值的有效措施。

3.2 有机肥施用量与土壤有机质的提高

土壤有机质的提升能显著改善土壤团聚体组成，提高土壤透气性，增加土壤氮、磷、钾等养分的有效含量，进而提高土壤地力［24］。已有研究表明，秸秆、菌渣、猪粪、羊粪、猪粪等有机肥的施用，能显著提高土壤的有机质含量［10-11，25］。本研究中羊粪有机肥、秸秆有机肥以及混合有机肥的施用，均提高了旱改水稻田土壤的有机质水平（图2）。土壤有机质含量随着水稻的生长逐渐下降（数据未给出），因此旱改水农田在后续生产中应当持续施用有机肥，来保证土壤的高生产力。由于不同类型有机肥在提升土壤有机质含量能力上没有显著差异，所以整合不同有机肥的用量，发现当有机肥总施用量达到90 t/hm2时，土壤有机质含量能从0.77%提升至1.50%，若达到2.00%，需施用180t/hm2有机肥，但试验结果表明，有机肥施用量超过90 t/hm2时，水稻倒伏率随有机肥施用量的增加而显著提高（图4）。结合Zhou等［13］的研究，长期适量施用牛粪，在稳步提高土壤有机质含量的同时，还能保证小麦的产量。因此，建议有机质含量较低的旱改水农田有机质提升要循序渐进，改良初期有机肥施用量不超过90 t/hm2。

3.3 有机肥施用提升土壤氮、磷、钾养分的效果

土壤养分含量是旱改水农田质量得以保证的重要指标，关系到土地整治后土壤能否实现高产稳产。施用有机肥是提升旱改水农田土壤养分含量的重要方式［10］。本研究结果表明，有机肥施用在提升土壤有机质含量的同时，对土壤碱解氮含量、有效磷和速效钾含量也有很大的提升（表3）。有机肥施用还增加了土壤细菌、真菌和放线菌群落数量（图3）。研究表明，微生物含量的提高，能加速土壤中难分解物质的分解矿化，增加土壤有效态养分的含量［10，25-27］。本研究不同处理中微生物总量和土壤碱解氮含量呈现极显著的正相关关系（图4），表明微生物总量的提升可能对土壤有效态氮含量的提升具有重要促进作用。有机肥施用能够有效提高土壤养分含量，但施用化肥的意义也不容忽视。洪瑜等［28］的研究表明，有机肥化肥配施能更有效地提升土壤有机质和养分含量，进而提高作物产量和养分利用效率。本研究试验小区在施用有机肥的同时，依照《主要农作物科学施肥指导意见》和《全国水稻产区氮肥定额用量（试行）》，施用适量的化肥，有效提高了土壤氮、磷、钾等养分的含量。

4 结论

旱改水农田淹水种植水稻并结合羊粪、秸秆或混合有机肥的施用，能够有效提高砖红壤土壤的pH值。在施用有机肥的前提下，石灰和草木灰等土壤改良剂提升水稻田土壤pH值的单独效应不明显，施用硅钙钾镁仅在水稻种植前期（15 d）有显著提高的效果。羊粪、秸秆和混合有机肥的施用均能够显著增加土壤有机质含量，提升土壤微生物总量，并提高土壤氮、磷、钾养分的含量，达到改良土壤、提升地力的效果，但土壤改良和地力提升需循序渐进，过量施用有机肥可能造成水稻倒伏，因此，不宜一次性施用过量有机肥，且最佳施用量为90 t/hm2。