不同有机物对陕南酸化土壤改良效果研究
简红忠 杨小敏 王琳 高鹏
摘 要：為探寻适宜酸性土壤的有机改良剂，设置连续两年增施生物炭肥、水稻秸秆、腐熟猪粪、商品有机肥田间定位对比试验，分析不同处理对陕南中药材种植地酸化土壤的改良效果和元胡产量经济效益。结果表明：增施生物炭肥、腐熟猪粪、商品有机肥两年后，均能显著提高土壤pH值，分别较对照增加了0.36，0.49，0.34;生物炭肥和腐熟猪粪能显著降低土壤交换性酸含量，分别较对照降低了0.22，0.26 cmol·kg-1;生物炭显著提升了土壤阳离子交换量，较对照增加了1.5 cmol·kg-1;4种有机物处理也能提升土壤交换性钙离子、土壤有机质、速效钾含量、元胡产量和经济效益。综上，生物炭肥不仅能有效改良酸化土壤，同时能显著提高元胡产量和经济效益，可在陕南中药材种植地酸化土壤改良中应用推广。
关键词：元胡;有机物;酸化土壤改良
中图分类号：
S156.99 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.09.014
Study on the Improvement Effect of Different Organic Matter on Acidified Soil in Southern Shaanxi
JIAN Hongzhong1， YANG Xiaomin1， WANG Lin2， GAO Peng1
（1. Hanzhong Agricultural Technology Extension Center， Hanzhong， Shaanxi 723000， China; 2. Zhangye Academy of Forestry Sciences， Zhangye， Gansu 734000， China）
Abstract：
In order to search for suitable organic amendments for acidic soil， a field comparison experiment of applying biochar fertilizer， rice straw， decomposed pig manure， and commercial organic fertilizer for two consecutive years was set up in Chinese herbal medicine planting area in southern Shaanxi， the effect of different treatments on the improvement effect of acidic soil and the economic benefit of Corydalis turtschaninovii output were analyzed. The results showed that the application of biochar fertilizer， decomposed pig manure， and commercial organic fertilizer could significantly increase the soil pH after two years， which increased by 0.36， 0.49， and 0.34 compared with the control; biochar fertilizer and decomposed pig manure could significantly reduce the soil exchangeable acid content， which decreased by 0.22 and 0.26 cmol·kg-1 compared with the control respectively; biochar fertilize could significantly increase the soil cation exchange capacity by 1.5 cmol·kg-1 compared with the control; all the four organic matter treatments could increase the soil exchangeable calcium ions， soil organic matter， quick-acting potassium content and Corydalis turtschaninovii yield. Based on the above results， biochar fertilizer could not only effectively improve the acidified soil， but also increase the output and economic benefits of Corydalis turtschaninovii， which is recommended to be applied and popularized in the acidified soil improvement in Chinese herbal medicine planting area in southern Shaanxi.
Key words：
Corydalis turtschaninovii; organic matter; acidified soil improvement
土壤酸化是指土壤中的氢离子和铝离子富集，而盐基离子淋失的过程[1]，自然酸化过程一般较为缓慢，但人为因素如酸沉降和不当的农田管理措施会加快酸化过程。从20世纪80年代至今，我国农田土壤酸化问题日趋严重，土壤pH值平均下降了0.5个单位[2]。土壤酸化导致土壤重金属离子活化，对农作物根系产生毒害，影响作物生长;同时抑制了土壤中有益微生物数量，增生致病真菌，加剧土传病害的发生，目前土壤酸化已成为农业可持续发展的障碍因素之一。中药材—元胡（Corydalis turtschaninovii）是陕南城固县主要经济作物之一，种植历史已有40余年，种植面积稳定在6 000 hm2左右，占全国总面积的65%以上。在元胡种植中，为了追求高产量，一些种植户大量施用化学肥料特别是铵态氮肥，引起元胡适生区土壤酸化问题。据调查，该地区元胡种植区域土壤pH值已由第二次全国土壤普查5.9左右下降至5.2左右，土壤酸化严重制约了元胡生长和当地产业发展。因此，开展元胡种植区酸化土壤改良具有重要意义。
目前对土壤酸化改良方法研究较多，其中比较成熟的改良措施有施用生石灰、碱性肥料等[3-5]。对于有机物料改良酸性土壤的报道也有，如秸秆还田、有机肥、生物炭等[6-7]。有机物料含一定量的碱性物质，施入后能够中和土壤中的酸，可有效控制农田土壤酸化，还能够有效改善土壤理化性质，具有较大的应用潜力。因此，本研究选择了水稻秸秆、生物炭肥、商品有机肥、腐熟猪粪作为改良剂，通过田间对比试验，研究不同有机物料在元胡种植区域酸化土壤上的改良效果，以期为有机物料改良酸化土壤、提升元胡产量品质提供技术依据和支撑。
1 材料和方法
1.1 试验地点
试验地点为陕西省汉中市城固县董家营镇董家营村，平均海拔447 m，年均降水量845 mm。试验田常年种植制度为元胡-水稻轮作，土壤类型为典型水稻土，耕层土壤基本理化性状：pH 5.12，土壤有机质35.5 g·kg-1，全氮1.95 g·kg-1，有效磷40.9 mg·kg-1，速效钾177.8 mg·kg-1，土壤肥力水平为中上。
1.2 试验设计
在施用等量氮磷钾肥料（基肥与追肥之和）水平下，探索增施不同有机物料对元胡种植地作物生长和土壤化学性质的影响。共设5个处理：T1为对照，仅施用氮磷钾肥料，不施用其他任何有机物料;T2为增施2 250 kg·hm-2生物炭肥;T3为增施水稻秸秆6 000 kg·hm-2;T4为增施7 500 kg·hm-2腐熟猪粪;T5为增施7 500 kg·hm-2商品有机肥。各处理氮、磷、钾施用量为当地元胡种植的推荐施肥水平，其中N：270 kg·hm-2，P2O5：180 kg·hm-2，K2O：270 kg·hm-2。
1.3 供試材料
氮磷钾肥的种类分别为尿素（四川川化尿素，N ≥46%）、重过磷酸钙（汉中远东化工，P2O5≥43%）、硫酸钾（新疆罗布泊钾盐，K2O≥50%）;生物炭肥为沈阳隆泰生物工程有限公司生产，是玉米秸秆在高温缺氧热解过程中，产生的黑色固体残渣，pH值为9.2，有机碳含量为690 g·kg-1，比表面积为29.96 m2·kg-1。水稻秸秆为元胡上季水稻收获后粉碎所得，其中含N 11.3 g·kg-1、P2O5 1.1 g·kg-1、K2O 8.5 g·kg-1，有机质含量94 g·kg-1，C/N为28.35;腐熟猪粪由新鲜猪粪堆沤发酵而成其中含N 7.3 g·kg-1、P2O5 2.5 g·kg-1、K2O 5.6 g·kg-1，有机质含量132 g·kg-1，C/N为18.5;商品有机肥由陕西绿恒农业生物科技有限公司生产，N-P2O5-K2O≥5%，有机质≥450 g·kg-1。
元胡是大宗常用中药之一，为罂粟科紫堇属多年生草本植物，本试验元胡品种为浙元胡，喜温暖湿润的气候，宜排水良好、肥沃疏松、富有腐殖质的砂质壤土，在9月下旬至10月上旬播种，采用宽畦条播，播种量为800～1 000 kg·hm-2，一般在4月下旬—5月中旬采收。
1.4 大田试验管理措施
试验为连续两年施用有机物料定位试验，元胡第1年种植时间为2018年10月12日，收获时间为2019年5月12日，第2年种植时间为2019年9月26日，收获时间为5月1日，试验小区面积10.8 m2，随机区组排列，重复3次，共15个小区。小区间以排水沟隔离，采用简易水肥一体化装置进行灌溉，单灌单排，避免串水串肥。
1.5 样品采集及测定分析
第2年元胡收获后，采集各小区0～20 cm土壤，每个小区3个点混合成1个土壤样品，风干过1 mm筛后测定土壤pH（电位法），交换性酸氢、铝含量（中和滴定法），土壤阳离子交换量、土壤交换性盐基离子钙、镁、钠（乙酸铵交换-原子吸收法），土壤有机质（重铬酸钾外加热法）、全氮（凯氏定氮法）、有效磷（钼锑抗比色法）、速效钾（火焰光度法），具体检测方法参照鲍士旦《土壤农化分析》[8]。数据用SPPS 22.0进行各处理的基本运算和方差分析。
2 结果与分析
2.1 不同处理对土壤酸度指标的影响
表1结果显示，连续2年定位试验后，与T1对照相比，增施生物炭肥（T2）、腐熟猪粪（T4）、商品有机肥（T5）均能显著提高土壤pH值，分别提高了0.36，0.49，0.34个pH单位;增施水稻秸秆（T3）的土壤pH值略有增长，但未达到显著水平。对土壤交换性酸的影响结果显示，施用生物炭肥（T2）、腐熟猪粪（T4）能显著降低土壤交换性酸总量，分别较对照降低了0.22，0.26 cmol·kg-1，降低效果仍以腐熟猪粪（T4）最好，二者之间差异不显著;施用水稻秸秆（T3）、商品有机肥（T5）土壤交换性酸总量分别较对照下降了0.08，0.12 cmol·kg-1，下降效果不显著。土壤交换性氢、交换性铝与交换性酸总量表现结果趋势一致。
2.2 不同处理对土壤CEC和交换性盐基离子的影响
表2结果显示，与对照相比，施用生物炭肥（T2）能显著提升土壤阳离子交换量，提高了1.5 cmol·kg-1;施用腐熟猪粪（T4）、商品有机肥（T5）土壤阳离子交换量略有提升，但未达到显著水平;施用水稻秸秆（T3）土壤阳离子交换量无显著变化。增施不同有机物均能显著提升土壤交换性盐基钙离子，其中以T4效果最好，较对照提高了0.29 cmol·kg-1，然后依次为T2、T5、T3，较对照分别提高了0.22，0.20，0.19 cmol·kg-1，不同有机物处理之间差异不显著。增施不同有机物对土壤交换性镁和钠离子均无显著影响。
2.3 不同处理对土壤肥力的影响
表3结果显示，施用不同的有机物料均能提升土壤有机质含量，提升效果表现为生物炭肥（T2）>商品有机肥（T5）>腐熟猪粪（T4）>水稻秸秆（T3），分别较对照增加了12.8%，9.0%，7.0%，5.2%，其中T2和T5效果显著;增施不同有机物处理下土壤全氮均略有增加，但效果不显著;增施不同有机物处理对有效磷无显著影响;增施不同有机物均能显著增加土壤速效钾含量，T2、T3、T4、T5分别较对照增加了12.2%，13.3%，13.6%，12.9%，但不同有机物处理之间无显著差异。
2.4 不同处理对元胡产量效益的影响
由表4可以看出，以施用生物炭肥（T2）对元胡增产效果最好，然后依次是商品有机肥（T5）、腐熟猪粪（T4）、水稻秸秆（T3），分别较对照增加了10.8%，7.7%，4.2%，1.3%，除T3外的其他处理增产均达到了显著水平。去除肥料成本后，以生物炭肥处理（T2）元胡经济效益最高，较对照新增纯收益达到4 464元·hm-2，其次依次为商品有机肥、水稻秸秆和腐熟猪粪。
3 结论与讨论
酸性土壤改良目的之一就是提升土壤pH，生物质炭富含碱基，并且表面积具有含氧官能团，能够与土壤中的氢离子、铝离子结合成稳定物质，从而降低土壤交换性酸离子含量;研究也表明，在不同有机肥中，腐熟猪粪的碱度高于新鲜粪便、谷物秸秆和绿肥等有机物[12]，腐熟猪粪施入土壤后，能够弥补农产品移除引起的土壤碱性物质损失;水稻秸秆相比其他三种有机肥物料在提升土壤pH值上无显著效果，主要是与其本身呈中性，并且在秸秆腐解过程中产生有机酸有关[13]。本研究结果表明，施用生物质炭肥、腐熟猪粪、商品有机肥能显著提升土壤pH，并降低土壤交换性酸总量，这与前人研究结果[6，9-11]大致相同。
生物炭肥主要是通过作物秸秆高温煅烧而成，作物在生长过程中吸收了一定量的K+、Ca2+、Mg2+等阳离子，热解后，灰分中的元素呈可溶态，施入土壤后，能提高酸性土壤的阳离子交换量[10]。本研究中，连续2年增施生物质炭，土壤阳离子交换量显著提升，这与陈建清等[9]、王义祥等[14]、林清火等[15]的研究结果一致;不同的有机物料能显著提升土壤交换性钙离子的含量，主要是因为有机肥中含有钙、镁等中量元素;而对土壤交换性镁离子、钠离子无显著影响，其机理有待深入研究。
增施有机物（秸秆、有机肥、畜禽粪便、绿肥等）能显著提高土壤有机质含量已成为共识，有机物施入到酸性土壤中后对土壤有机质的影响也有报道，毛妍婷等[7]在酸化菜田的研究表明，增施有机肥10年后，耕层土壤有机质是常规施肥的1.3倍左右;徐振华[16]的研究结果表明，在北方酸化土壤改良中，添加生物炭处理土壤有机质含量增加了35%。本研究中，增施不同有机物均能增加土壤有机质含量，与上述结果一致;同时亦能显著增加土壤速效钾含量，但对土壤全氮和有效磷含量影响不显著，这可能与有机物质施用时间较短及土壤养分高含量背景值有关，但其机理也有待深入研究。
综上所述，施用生物炭肥相较于其他三类有机物在提升土壤pH、降低土壤活性酸、提升土壤阳离子交换量、土壤肥力及提高元胡产量和经济效益综合方面表现较优，推荐在陕南中药材种植地酸化土壤改良中应用推广。
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收稿日期：2021-06-21
基金项目：2019年陕西省第一批省级农业专项资金项目（陕农计[2019]60号-财耕地质量保护与提升项目）
作者简介：简红忠（ 1970— ） ，男，陕西汉中人，高级农艺师，主要从事农业技术推广方面研究。
通讯作者简介：杨小敏（1989—），女，陕西咸阳人，农艺师，硕士，主要从事耕地质量保护与提升技术推广方面研究。