濱海鹽土地力提升與土著微生物協(xié)同促生應(yīng)用技術(shù)研究

裘高揚(yáng)， 徐君言,2， 馬寧,3， 郭彬， 林義成， 劉琛， 傅慶林*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.中國計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；3.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311302)

濱海鹽土是海相沉積物在海潮或高濃度地下水作用下發(fā)育形成的全剖面含鹽的土壤，1 m土體含鹽量在0.6%～1.0%，其中氮、磷和有機(jī)質(zhì)含量偏低，土壤貧瘠、鹽堿化嚴(yán)重[1-2]。該土類約占浙江省土壤總面積的4.1%，主要分布于杭州、臺(tái)州、溫州、寧波等地區(qū)，浙江省山多地少，通過濱海鹽土的圍墾和改良種稻，對(duì)浙江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的提升、耕地?cái)?shù)量的增加及糧食安全的保障具有重要意義[3]。降低鹽分、堿度，改良土壤結(jié)構(gòu)，是解決土壤鹽堿問題的根本途徑。傳統(tǒng)的鹽堿土壤改良措施主要包括水利和化學(xué)改良。但水利改良需要建立較大的排灌系統(tǒng)，成本較高；化學(xué)方法雖然見效較快，卻易引發(fā)二次污染[4]。目前，濱海鹽土的改良逐漸由水利工程為主的物理化學(xué)改良向生物改良轉(zhuǎn)變。生物改良包括植物措施和微生物措施，植物措施主要通過種植耐鹽植物，其在生長過程中可直接攝取土壤中的鹽分，同時(shí)增加土壤養(yǎng)分，增加微生物數(shù)量和多樣性[5]，但植物措施受植物種類、生長周期等因素的限制。微生物改良主要通過投加微生物菌肥實(shí)現(xiàn)對(duì)濱海鹽土的修復(fù)，但該技術(shù)存在以下問題：(1)需要篩選富集適應(yīng)濱海鹽土高鹽高堿環(huán)境的特定微生物；(2)濱海鹽土有機(jī)質(zhì)含量不足以支撐外源微生物生長，需要通過外加有機(jī)物料補(bǔ)充碳源；(3)濱海鹽土土著微生物多樣性低，外源微生物可能對(duì)原生態(tài)系統(tǒng)帶來風(fēng)險(xiǎn)。因此，原位增加土著微生物的數(shù)量和活性是實(shí)現(xiàn)濱海鹽土改良的關(guān)鍵[6]。

微生物作為植物的潛在養(yǎng)分庫，可以生成胞外酶礦化土壤有機(jī)質(zhì)，通過胞內(nèi)周轉(zhuǎn)，從而為植物提供養(yǎng)分[7-8]。此外，微生物參與植物殘?bào)w和分泌物的分解過程，能夠通過底物分解，釋放植物可再次利用的無機(jī)養(yǎng)分。因此，微生物在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分動(dòng)態(tài)中具有關(guān)鍵作用。土壤鹽漬化會(huì)對(duì)土壤土著微生物產(chǎn)生生長脅迫，土著微生物生長緩慢，限制了其數(shù)量和活性，從而間接影響土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)和植物生長發(fā)育，嚴(yán)重制約了土壤生態(tài)功能。由此可見，加快土著微生物的生長是解決問題的關(guān)鍵。研究表明，沸石具有很強(qiáng)的吸附能力和離子交換能力，能夠?yàn)槲⑸锏纳L提供附著位點(diǎn)，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)形成，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，同時(shí)能夠吸附土壤中的Na+、Cl-等離子[9]。陳江等[10]研究發(fā)現(xiàn)，添加沸石可降低土壤pH值和堿化度，增加鹽堿土保肥能力，提高養(yǎng)分有效性，這為微生物的生長提供了有利環(huán)境。但目前通過沸石對(duì)濱海鹽土進(jìn)行提質(zhì)、降鹽和土著微生物活性提升的協(xié)同改良技術(shù)研究還不多見。為此，本研究選擇浙江省臺(tái)州市典型鹽漬化稻田，開展沸石與有機(jī)肥料施用結(jié)合灌溉泡田等農(nóng)藝措施的中早39水稻種植試驗(yàn)，探究有機(jī)肥和沸石投加入鹽漬化土壤后對(duì)土壤鹽分含量等理化性質(zhì)、微生物數(shù)量、微生物活性和水稻產(chǎn)量的影響，旨在通過測(cè)定相關(guān)參數(shù)的變化和水稻生長情況，評(píng)估沸石和有機(jī)肥對(duì)當(dāng)?shù)佧}漬化土壤的改良效果，以期為我國東部濱海鹽土改良與土著微生物促生協(xié)同應(yīng)用技術(shù)提供一定的理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間原位試驗(yàn)地點(diǎn)位于臺(tái)州市路橋區(qū)農(nóng)墾場(chǎng)某鹽堿化稻田(28°50′E，121°57′N)，試驗(yàn)區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)區(qū)，全年平均氣溫17.5 ℃，年降雨量1 537.1 mm，年日照時(shí)數(shù)1 736.4 h。土壤類型為濱海鹽土，土壤鹽分、全氮和有機(jī)質(zhì)含量分別為1.34、0.82、19.8 g·kg-1，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為60.4、6.2、91.3 mg·kg-1，土壤pH值為7.95，土壤微生物生物量碳濃度為223 μg·g-1，三磷酸腺苷(ATP)濃度為2.23 nmol·g-1。

1.2 供試材料

1.2.1 水稻品種

供試水稻品種為中早39[11]，由中國水稻研究所選育，2009年通過浙江省審定，連續(xù)多次列為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的主推品種，是浙江省產(chǎn)量最高的早稻品種，2009年引入臺(tái)州地區(qū)，由于種植效益高，在當(dāng)?shù)赝茝V迅速，截至目前已累計(jì)推廣超4萬hm2[12]。該品種綜合性狀優(yōu)異，具有良好的抗病性和耐肥抗倒性，適合輕型栽培和機(jī)械化種植。水稻種子在播種前4 d浸種，浸種前曬種1 d，然后用25%氰烯菌酯懸浮液300倍浸種48 h，大田直播每667 m2用種量為6 kg，每667 m2基本苗10萬～11萬苗。水稻直播栽培于2021年4月24日播種，全生育期平均為105～110 d，始穗期7月2日，齊穗期7月5日，成熟期7月31日。

1.2.2 土壤降鹽和土著微生物促生材料

沸石，分子式通式為Mn/2·Al2O3·xSiO2·yH2O，式中M為堿金屬和堿土金屬陽離子，n、x、y代表結(jié)合系數(shù)[9]。購自河北的礦粉廠家，沸石礦為經(jīng)碎石研磨機(jī)粉碎后過48 μm篩制得，沸石原料和有害物質(zhì)含量均符合國家標(biāo)準(zhǔn)《土壤調(diào)理劑通用要求》(NY/T 3034—2016)規(guī)定。有機(jī)肥購自臺(tái)州市路橋區(qū)本地的有機(jī)肥廠，通過豬糞和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢棄物的堆肥制得，養(yǎng)分含量(以干物質(zhì)計(jì))為N 1.96%、P2O51.51%、K2O 1.73%，pH值為7.1。有機(jī)肥養(yǎng)分指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)《有機(jī)肥料》(NY/T 525—2021)中的規(guī)定。

1.3 處理設(shè)計(jì)

首先平整田塊，進(jìn)行泡田洗鹽，灌水深度為20 cm。農(nóng)田翻耕第一次灌新鮮水，泡田2～3 d，迅速排出后；灌第二次新鮮水，第二次翻耕，第二次泡田1～2 d排出；再灌第三次新鮮水，第三次翻耕，第三次泡田1～2 d，然后排水；灌第四次新鮮水。統(tǒng)一施化肥基肥，旋耕，耙平待播種。

田間試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理。以旋耕+化肥+耙田為對(duì)照；在此基礎(chǔ)上，翻耕2次，以667 m2施250 kg沸石、500 kg有機(jī)肥以及250 kg沸石+500 kg有機(jī)肥為處理，每處理重復(fù)3次，共計(jì)12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積75 m2(5 m×15 m)。每小區(qū)均設(shè)獨(dú)立農(nóng)灌渠和排水溝，小區(qū)間構(gòu)筑頂寬40 cm、高30 cm的田埂，田埂覆蓋薄膜，確保肥水不互竄，試驗(yàn)區(qū)外設(shè)置1.5 m的保護(hù)行。

沸石和有機(jī)肥隨基肥一同施入，基肥為碳銨、尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀，肥料分為基肥和追肥。在播前耙田時(shí)施基肥，每667 m2施碳銨19 kg，過磷酸鈣20 kg；分蘗肥分2次施，當(dāng)葉齡達(dá)3葉期時(shí)施第1次用尿素5.0 kg+硫酸鉀8 kg，當(dāng)達(dá)到6葉時(shí)施第2次，用尿素6.5 kg；當(dāng)水稻第9葉露尖時(shí)施穗肥，用尿素10 kg+硫酸鉀5 kg。施肥總用量折合N、P2O5、K2O分別為13.0、6.2和14.4 kg。除施肥外，各小區(qū)其余田間管理措施保持一致。

1.4 分析檢測(cè)

1.4.1 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成

水稻產(chǎn)量測(cè)定包括理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量。在水稻成熟期，理論產(chǎn)量通過各小區(qū)隨機(jī)人工收割5塊1 m2水稻田進(jìn)行考種，測(cè)定有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重(水稻產(chǎn)量三要素)。實(shí)際產(chǎn)量為各小區(qū)隨機(jī)收割20 m2水稻，曬干、脫粒、風(fēng)干后稱質(zhì)量，折算實(shí)產(chǎn)。

1.4.2 土壤理化特性測(cè)定

試驗(yàn)前后通過五點(diǎn)采樣法采集耕層(0～20 cm)土壤，并混合為一個(gè)土樣，一部分土壤經(jīng)風(fēng)干、研磨、過篩后測(cè)定常規(guī)理化性質(zhì)，另一部分土壤去除石礫等雜質(zhì)后過2 mm篩，調(diào)節(jié)到40%最大田間持水量用于微生物指標(biāo)測(cè)定。土壤全鹽含量采用烘干殘?jiān)y(cè)定，土壤pH值用玻璃電極測(cè)定(土水比1∶2.5)，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮通過元素分析儀(Elementarvario EL cube)測(cè)定，土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，土壤有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定。

1.4.3 土壤微生物量碳

微生物量碳采用熏蒸提取法測(cè)定[13]。簡要來說，稱取2份40%最大田間持水量的新鮮土壤10 g(干重)，一份置于真空干燥器中，用燒杯取30 mL無酒精氯仿，一同放入干燥器，連通真空泵抽真空，氯仿沸騰2 min后關(guān)閉真空泵，隨后將土壤暴露在氯仿蒸汽下避光培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)結(jié)束后，通過真空泵將干燥器抽真空多次去除殘留的氯仿。另一份不熏蒸土壤作為對(duì)照。添加40 mL 0.5 mol·L-1的硫酸鉀到熏蒸和不熏蒸的土壤中，在搖床中以250 r·min-1振蕩30 min。硫酸鉀提取液用Whatman 42號(hào)定量濾紙過濾，過濾液通過總有機(jī)碳自動(dòng)分析儀分析(MultiN/C 2100，Analytic Jena，Germany)。通過熏蒸土壤和不熏蒸土壤提取液的有機(jī)碳濃度差值和轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45(Kec)，換算成樣品微生物生物量碳濃度[14]。

1.4.4 三磷酸腺苷

土壤三磷酸腺苷(ATP)的提取采用TIP提取-熒光素酶法[15]，TIP試劑由1.1 mol·L-1的三氯乙酸(T)、0.6 mol·L-1的咪唑(I)和0.25 mol·L-1的磷酸二氫鈉(P)溶液混合配制而成。提取液分為2種，提取液A為TIP試劑，提取液B通過將5 mL 0.1 mol·L-1的ATP(A2383，Sigma，USA)用TIP試劑定容到1 L配制而成。應(yīng)用提取液B是為了對(duì)未完全提取的土壤ATP部分進(jìn)行計(jì)算修正。將25 mL提取液A或B分別加入干重2.5 g的土壤中，通過VCX750細(xì)胞超聲破碎儀在50%功率下超聲提取2 min，提取結(jié)束后冰浴降溫2 min。取10 μL土壤ATP提取液，依次添加50 μL熒光素-熒光素酶(GN202-01，YPH-Bio，China)，150 μL砷酸鈉緩沖液和13 μL氫氧化鈉，通過生物熒光計(jì)數(shù)儀測(cè)定發(fā)光值(GloMax 96，Promega，USA)[16]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 21.0進(jìn)行處理，采用單因素方差分析方法分析不同處理間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)變化

由表1可知，有機(jī)肥處理下的土壤pH值下降0.13個(gè)單位，沸石處理下土壤pH下降0.19個(gè)單位，有機(jī)肥+沸石處理下土壤pH顯著下降了0.49個(gè)單位。在土壤養(yǎng)分方面，有機(jī)肥+沸石處理顯著提升了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，增幅分別為10.19%和16.67%。此外，有機(jī)肥+沸石處理能夠顯著增加堿解氮濃度，增幅為26.35%。沸石及有機(jī)肥+沸石處理下的土壤有效磷濃度顯著高于對(duì)照，增幅分別為65.08%和32.20%。此外，所有沸石和有機(jī)肥處理均顯著增加了土壤速效鉀濃度，增幅范圍為16.27%～72.15%。綜合各處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響可知，有機(jī)肥+沸石混合施用對(duì)土壤堿化緩解和肥力提升的效果最佳。研究表明，沸石加入到土壤后，可通過吸附增加土壤對(duì)銨根離子、磷酸氫根離子和鉀離子的保持能力，提高養(yǎng)分有效性[21]；沸石可以減少有機(jī)肥中養(yǎng)分的揮發(fā)、淋溶等損失，從而起到保肥供肥的作用。

表1 各處理土壤理化性質(zhì)變化情況

2.2 水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子

土壤中施用沸石不僅可以增加土壤養(yǎng)分的有效性，同時(shí)可以緩解鹽分對(duì)植物的脅迫，減少鹽分在植物體內(nèi)的累積，有利于水稻生長[2,22]。由表2可知，有機(jī)肥和沸石處理下的水稻理論產(chǎn)量和實(shí)收產(chǎn)量相比對(duì)照的平均產(chǎn)量增加明顯，理論產(chǎn)量增幅為12.81%～16.02%，實(shí)際產(chǎn)量增幅11%；從產(chǎn)量構(gòu)成因素分析，有機(jī)肥和沸石土壤調(diào)理劑處理下水稻的每穗實(shí)粒數(shù)明顯多于對(duì)照，沸石或有機(jī)肥單施增加了水稻的千粒重。綜上表明，有機(jī)肥和沸石土壤調(diào)理劑處理在保障穗數(shù)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，可增加水稻每穗實(shí)粒數(shù)和千粒重，從而實(shí)現(xiàn)水稻產(chǎn)量的提升。

表2 各處理水稻667 m2產(chǎn)量及構(gòu)成因子比較

2.3 土壤鹽分、微生物數(shù)量和活性

沸石表面帶有負(fù)電荷，可吸附鹽堿土中的Na+、Cl-，從而降低土壤鹽分。周恩湘等[23]研究發(fā)現(xiàn)，沸石可增加濱海鹽土的鹽基交換能力，減少土壤可溶性鹽分。

由圖1可知，對(duì)照土壤的鹽分含量為1.02 g·kg-1，在沸石和沸石+有機(jī)肥處理下，土壤鹽分含量顯著下降，降幅分別為39.2%和42.2%，土壤鹽堿化情況得到較大改善。微生物量碳是評(píng)估土壤微生物總量的經(jīng)典和有效指標(biāo)[24]。ATP僅存在于活細(xì)胞中，胞外ATP的半衰期非常短，一般不足1 h[25]，因此，ATP可作為土壤微生物活性的有效指標(biāo)。本研究結(jié)果表明，每667 m2施用沸石250 kg+有機(jī)肥500 kg處理下，微生物量碳和ATP濃度均顯著增加，且在所有處理中增幅最大，較對(duì)照分別增長39.3%和34.2%。隨著鹽分含量的減少，鹽堿對(duì)微生物的生長脅迫降低，同時(shí)沸石投加后，土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分有效性增加，為土著微生物的生長創(chuàng)造了有利環(huán)境[10]。

柱上無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖1 各處理鹽分、微生物生物量碳和三磷酸腺苷含量比較

3 小結(jié)

本研究表明，通過泡田洗鹽，施用沸石+有機(jī)肥后，濱海鹽土的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均顯著提高，pH和土壤鹽分顯著下降。每667 m2施用沸石粉250 kg+有機(jī)肥500 kg，能夠改善臺(tái)州農(nóng)墾場(chǎng)土壤肥力狀況，緩解土壤鹽堿化，提高水稻產(chǎn)量，同時(shí)還能增加土壤微生物數(shù)量和活性，實(shí)現(xiàn)濱海鹽土降鹽、提質(zhì)、增產(chǎn)和微生物協(xié)同促生的改土目標(biāo)。