水田墾造中土壤有機質(zhì)的提升及pH調(diào)整研究

吳耀龍， 張 池， 陳旭飛

(1.陽西縣土地整理中心，廣東 陽江 529800；2，華南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院，廣東 廣州 510642；3，廣東省土地開發(fā)整治中心，廣東 廣州 510635)

自改革開放以來，廣東省經(jīng)濟發(fā)展迅速，但是快速的城鎮(zhèn)化導致用地矛盾十分突出。建設用地占用了大量的耕地，特別是占用水田面積逐年擴大，致使水田生態(tài)系統(tǒng)服務功能嚴重受限。依據(jù)2014年自然資源部(原國土資源部)提出的“占優(yōu)補優(yōu)、占水田補水田”的新要求，廣東省2017年起大規(guī)模開展墾造水田工作，利用工程和生物措施改變土地的一系列屬性，使其達到適合種植水稻的條件[1]。這一工作對于增加水田規(guī)模、提高產(chǎn)能、保障國家糧食安全和維護生態(tài)環(huán)境健康都具有重要意義。

土壤有機質(zhì)是土壤肥力和質(zhì)量的物質(zhì)基礎(chǔ)。大量研究已顯示有機質(zhì)能顯著提高土壤團聚體穩(wěn)定性和田間持水量、提高陽離子交換量和豐富的養(yǎng)分、并提供能源促進土壤生物生長[2-3]。當旱地土壤被開墾初期，開墾過程會破壞土壤團聚體、將有機質(zhì)暴露于地表、導致微生物活性加強，這些作用顯著降低了耕地土壤有機質(zhì)含量[4]。因而，在這種情況下，通過外源人工添加有機物或者種植綠肥等措施來進行耕地的有機質(zhì)管理，進而提高土壤有機質(zhì)的積累和調(diào)節(jié)土壤有機質(zhì)的分解速率十分必要[5]。同時，土壤酸堿度顯著影響土壤微生物活性、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和有效性以及土壤的物理性質(zhì)。土壤pH科學管理是土壤保水保肥能力的關(guān)鍵[3]，而施用石灰是調(diào)節(jié)土壤酸堿性、控制土壤酸化的重要手段之一。近年來，我國東北平原[6]、長江中下游平原[7]、成都平原等區(qū)域都在實施水田墾造工作，人們對有機質(zhì)和pH管理尤為關(guān)注[8]。但是，在華南地區(qū)，特別是粵北南嶺山水林田湖草生態(tài)保護修復試點區(qū)域，墾造水田工作剛剛開始實施，上述研究仍十分缺乏。

因此，本研究選取粵北南嶺地區(qū)韶關(guān)市A村旱地土壤為研究對象，詳細分析了土壤理化性質(zhì)、重金屬和有機污染物含量，明確其質(zhì)量限制因子；通過調(diào)控有機肥和生石灰施用量，改良土壤質(zhì)量，使其符合廣東省水田墾造的要求，為廣東省旱地改水田提供切實可行的土壤改良措施。

一 材料與方法

(一)研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省韶關(guān)市A村(圖1)，屬亞熱帶季風氣候。光、熱、水資源較為豐富，四季宜耕，春末夏初多雨，秋多干旱，能基本滿足喜溫作物和雙季稻生長的需求，作物終年可生長。該區(qū)總體地勢平坦，地形坡度主要集中在5°范圍內(nèi)。灌溉水來自附近河流，灌溉條件和排水條件只能滿足農(nóng)作物(旱作物)生產(chǎn)要求。研究區(qū)整治紅線范圍內(nèi)總面積為14.19 hm2，地塊均為旱地，表土質(zhì)地以壤土為主；預計改造水田13.15 hm2(表1)，田埂、生產(chǎn)路占地共1.04 hm2，改造水田率為92.72%。

圖1 研究區(qū)區(qū)位

(二)土壤的采集和測定

研究區(qū)分為兩個地塊(圖2)。土樣采用多點混合取樣方法，共采集5份土樣，采樣深度為0～20 cm(圖3)。

所有土樣采用常規(guī)國家標準方法對pH值、有機質(zhì)、質(zhì)地、容重、重金屬(鎘、汞、鉛、砷、銅、鋅和總鉻)和有機污染物(六六六和滴滴涕)含量進行測定[9]。

(三)有機質(zhì)和石灰施用量計算

有機質(zhì)測算：畝均用量=耕作層體積×容重×[提升目標×(1+損耗率)]×[產(chǎn)品有機質(zhì)含量(干基)×(1-含水量)]-1。

石灰需要量以中和每公頃耕作層土壤(200×104kg～260×104kg)需要用氧化鈣(即生石灰)的kg數(shù)計算，考慮實驗室測定條件與田間實際情況的差異，通過校正系數(shù)加以校正。石灰需用量(kg·hm-2)：

CaO=(C×V/M)×0.028×2600000×0.5

(1)

式中：C為滴定用氫氧化鈣標準溶液的濃度，mol·L-1；V為滴定樣品時用去氫氧化鈣標準溶液的體積，mL；M為風干式樣質(zhì)量，g；0.028為氧化鈣(1/2 CaO)的摩爾質(zhì)量，kg·mol-1；2 600 000為每公頃耕作層土壤的質(zhì)量(20 cm)，kg；0.5為實驗室測定條件與田間實際施用情況差異的校正系數(shù)。

(1) 三點定位采用三角形算法計算出待測點的位置，依賴于AP位置信息和信號傳輸信道損失。不同環(huán)境下的信號傳輸損耗不同，適用于WIFI環(huán)境穩(wěn)定、干擾較少和單樓層的建筑空間。

圖3 土壤取樣位置

二 結(jié)果與分析

(一)土壤性質(zhì)分析

A村土壤pH值、有機質(zhì)、質(zhì)地、容重、重金屬和有機污染物含量如表1所示。

表1 研究區(qū)土壤基本理化性質(zhì)

1.土壤有機質(zhì)含量

土地利用現(xiàn)狀圖研究區(qū)內(nèi)圖斑1范圍內(nèi)的土壤有機質(zhì)含量在1.08%～1.87%之間，土地利用現(xiàn)狀圖圖斑2范圍內(nèi)的土壤有機質(zhì)含量為2.5%，參照《廣東省土地整治墾造水田建設標準(試行)》，丘陵區(qū)、山地區(qū)新墾造水稻田的有機質(zhì)含量需大于1.0%。結(jié)合鳳田村未利用地土壤的具體情況，因此需通過施加土壤改良材料提高土壤有機質(zhì)含量。同時結(jié)合研究區(qū)改造后耕地質(zhì)量不低于現(xiàn)狀等級的基本原則，研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量提升目標為2.0%以上(表2)。

2.土壤pH值

土地利用現(xiàn)狀圖研究區(qū)內(nèi)圖斑1范圍內(nèi)的土壤pH值為5.53～5.80，圖斑2范圍內(nèi)土壤pH值為5.50，為偏酸性土壤。參照《廣東省土地整治墾造水田建設標準(試行)》，丘陵區(qū)、山地區(qū)新墾造水稻田的土壤pH值應保持在5.0～8.0(表2)。研究區(qū)土壤pH值已符合標準。由2015年該區(qū)域耕地質(zhì)量等別評定補充完善成果計算可知：研究區(qū)整治前的省級耕地利用等數(shù)均為9等；國家級耕地利用等數(shù)均為5等。本設計的基本原則是研究區(qū)改造后耕地質(zhì)量估算等級不低于現(xiàn)有等級；因此，研究區(qū)土壤pH值改造目標為6.0～7.9。

3.土壤容重

研究區(qū)內(nèi)土地利用現(xiàn)狀圖圖斑1、2范圍內(nèi)的土壤容重在1.21 g·cm-3～1.39 g·cm-3之間和1.44 g·cm-3。參照《廣東省土地整治墾造水田建設標準(試行)》，新墾造水稻田的土壤容重需為1.0 g·cm-3～1.4 g·cm-3。故土地利用現(xiàn)狀圖研究區(qū)內(nèi)圖斑1范圍內(nèi)的土壤容重符合要求；土地利用現(xiàn)狀圖圖斑2范圍內(nèi)的土壤容重不符合要求。本項目土地利用現(xiàn)狀圖圖斑2范圍內(nèi)的土壤采取耕作層土壤剝離再利用的方式，此外施工建設中施加一定量的土壤改良劑(植物質(zhì)有機肥)，再結(jié)合水淹耙地等工程手段來滿足土壤容重降低至1.0 g·cm-3～1.4 g·cm-3的水稻種植標準。

4.土壤重金屬含量

依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB15618—2018)，結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖和研究區(qū)土壤檢測定位圖可知，本研究區(qū)圖斑1和圖斑2范圍內(nèi)的土壤均無重金屬超標。

5.土壤質(zhì)地

研究區(qū)內(nèi)圖斑1范圍內(nèi)的土壤質(zhì)地為壤土(中壤、輕壤、砂壤)，圖斑2范圍內(nèi)的土壤質(zhì)地為輕壤土。參照《廣東省土地整治墾造水田建設標準(試行)》，新墾造水稻田的土壤質(zhì)地需為砂質(zhì)壤土至粘土。研究區(qū)內(nèi)圖斑1與圖斑2范圍內(nèi)的土壤均可達到上述要求。

6.耕地質(zhì)量等別情況

改造前，研究區(qū)土地為國家級耕地利用等別為5等，省級利用等別為9等。

表2 研究區(qū)建設前耕地質(zhì)量評價因素屬性

(二)耕地土壤改良措施

耕作層是耕地的精華，擁有大量的有機物質(zhì)和微生物、以及植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。若耕作層土壤一旦被破壞，在短時期內(nèi)很難恢復到原有生產(chǎn)水平。因此本研究前期工作對A村項目地塊土地進行了耕作層剝離再利用措施，剝離和回填土層厚度為20 cm，土壤改良措施針對回填土層進行。

1.增加土壤有機質(zhì)含量措施

本研究擬對研究區(qū)內(nèi)圖斑1、2范圍內(nèi)耕作層20 cm厚表土進行回填利用，同時使用土壤改良劑(黃腐酸鉀、植物有機肥)進行改良。植物質(zhì)有機肥和黃腐酸鉀的有機質(zhì)含量均約為50%，因此：0.5×(M有機肥+M黃腐酸鉀)=24 450 kg，M有機肥和M黃腐酸鉀總計需要48 900 kg·hm-2。

由于A1～A5各點檢測的有機質(zhì)含量各不相同，從便于施工方便角度考慮，選取各取樣點的M黃腐酸鉀和M有機肥用量最大值作為控制用量，全研究區(qū)采用同一用量進行計算。因此，本研究擬采用每公頃施用45 000 kg植物質(zhì)有機肥和7 500 kg黃腐酸鉀的有機質(zhì)管理措施。具體做法是：首先，將所剝離土壤均勻鋪在田塊上，鋪設厚度約為20 cm，在此基礎(chǔ)上實施土壤改良作業(yè)。其次，借助田間加樣機(帶漏斗)，將植物質(zhì)有機肥和黃腐酸鉀混合物均勻鋪灑在田塊上，或者按每4 m×4 m施加一袋有機肥的方式，將有機肥人工鋪于田塊上。再次，土壤改良劑施加后，使用耙地機在田塊上反復耙地3次，向田塊中引入灌溉用水，保持水位與耕作層土壤上方持平。最后，用耙地機在田塊上反復耙地3次，最終使得耕作層回填土壤、有機肥混合物充分混勻。

2.調(diào)節(jié)土壤pH的措施

依據(jù)現(xiàn)場勘察及土壤檢測分析數(shù)據(jù)、整治前的省級和國家級耕地利用等別調(diào)查，本研究要求A村改造后耕地質(zhì)量估算等級不低于現(xiàn)有等級，因此擬將研究區(qū)土壤pH值調(diào)整至6.0～7.9之間。通過石灰需要量的公式計算可得，研究區(qū)生石灰用量擬為每公頃播撒1 500 kg。

另外，根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，結(jié)合最新年度A區(qū)耕地質(zhì)量等別評定補充完善成果數(shù)據(jù)庫，該區(qū)灌溉與排水條件有可提升空間，為滿足作物生長需求，可完善水利工程配套設施，提高灌溉保證率，以達到提高耕地質(zhì)量水平的要求；研究區(qū)內(nèi)土壤保肥保水能力較差，可通過機械碾壓等工程措施重新構(gòu)建田塊犁底層，達到保水保肥的效果；為便于機械化耕作，對研究區(qū)將進行土地平整工程。

(三)墾造前后耕地質(zhì)量等別變化情況

本研究地塊通過土地平整、土壤改良工程、灌溉與排水工程、田間道路工程等工程的建設，最終擬改造水田 13.15 hm2，改造水田率達到了 92.72 %。經(jīng)過土地平整，A區(qū)土地滿足渠道過水條件，降低田面坡度，提升有效土層厚度；通過土壤改良，增施有機肥和生石灰，提升土壤有機質(zhì)含量至2%以上，并增加pH 量和降低容重；通過新修灌溉及排水渠道，提高了A區(qū)耕地灌溉、排澇和抗旱能力，提升灌溉保證率及提高排水條件。最終，A區(qū)的國家級耕地利用等別估算由現(xiàn)狀的 5 等提高至 4 等，省級耕地利用等別由現(xiàn)狀的 9 等提高至 10 等(表3和表4)。

表3 研究區(qū)建設后耕地質(zhì)量評價因素屬性

表4 研究區(qū)建設前后耕地質(zhì)量等別對比表

三 討論與結(jié)論

廣東省是我國水稻主產(chǎn)區(qū)之一，種植水稻歷史悠久。全省豐富的降水和充足的熱量，能夠保證省域內(nèi)很多地區(qū)具備水稻生長所需的適宜氣候條件。但是水稻生長和水田建設不僅受上述因素影響，它們還會受土壤、地形等更多立地條件的限制，因此墾造水田必須在科學指導下，因地制宜的進行設計和施工。

土壤質(zhì)量是決定水田墾造成敗的核心，受時空影響和人為管理影響巨大。因此，采取適宜措施、提高新墾水田土壤質(zhì)量在水田墾造進程中極其關(guān)鍵。本研究中針對土壤有機質(zhì)偏低、酸性和容重偏大的特點，采用土壤有機質(zhì)和酸堿度管理措施，施加植物性有機肥、黃腐酸鉀、生石灰來改變土壤質(zhì)量。植物性有機肥通常包括豆餅、餅肥、綠肥等，養(yǎng)分齊全、肥效長。黃腐酸鉀是一種利用天然腐殖酸提取物制作的緩釋肥料，能夠活化板結(jié)的土壤，螯合各種營養(yǎng)物質(zhì)，促進植物生長，是農(nóng)業(yè)與園藝業(yè)常用肥料[10]。在酸性土壤中施用生石灰不僅可以提高pH值，同時也影響微生物代謝和種群功能多樣性[11]。兩種肥料搭配使用，結(jié)合生石灰撒播，能提高土壤有機質(zhì)含量，補充充足的豐富的速效和緩效養(yǎng)分，既具有肥效又促進作物生長，還能改善微生物活性，最終有利于優(yōu)質(zhì)雜交水稻生產(chǎn)，為農(nóng)民增收提供有力的保障。

綜上，每公頃施用45 000 kg有機肥+7 500 kg黃腐酸鉀和每公頃播撒1 500 kg生石灰可分別用來提升土壤有機質(zhì)和pH值，減少土壤容重，提高新墾水田土壤質(zhì)量。研究區(qū)土壤改良后，預計可新增水田面積為13.15 hm2，土地的國家級耕地利用等別提高至4等，省級耕地利用等別提高至10等。上述研究為粵北南嶺山水林田湖草生態(tài)保護修復試點提供水田改造工程經(jīng)驗借鑒。