單季稻甬優(yōu)9號施用含硅有機肥試驗

毛倩， 周江明

(江山市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,浙江 江山 324100)

長期以來，有機肥對增加糧食產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、提高肥料利用率和耕地地力及其降低環(huán)境污染等作出很大的貢獻(xiàn)[1-5]。如溫延臣等[6]通過3 a試驗證實，在冬小麥-夏玉米輪作區(qū)，商品有機肥部分替代化肥施用3 a后，與單施化肥相比，糧食產(chǎn)量不受影響，而土壤有機碳增加19.5%、土壤全氮提高12.3%，顯著高于單施化肥處理。蓋霞普等[7]在27 a長期試驗結(jié)論表明，增施有機肥處理提高小麥、玉米產(chǎn)量分別為41%～50%和30%～32%，增加0～20 cm耕層土壤有機碳、全氮含量分別為62%～121%和107%～187%，土壤氮盈余比純應(yīng)用化肥區(qū)增1037%，極大地改善了土壤肥力。

在耕地重金屬污染治理方面，有機肥的作用一直存在爭議，有些學(xué)者[8-10]認(rèn)為，有機肥中許多功能團具有吸附金屬元素作用而降低了重金屬活性，有利于降低作物對重金屬的吸收累積而提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全性。如張琴[11]連續(xù)施用有機肥后發(fā)現(xiàn)，土壤中重金屬Hg、Zn、Cd的有效態(tài)含量比試驗前顯著降低，且重金屬Hg、Zn、Cd的有效態(tài)含量隨著有機肥施用量的增加而逐漸減少。Mora等[12]向受到重金屬污染的土壤中施加生物堆肥，結(jié)果顯示，隨著土壤中有機質(zhì)含量增加，有效態(tài)重金屬的比例同樣下降。土壤有效態(tài)重金屬的下降，減少了農(nóng)產(chǎn)品重金屬積累污染的風(fēng)險。謝運河等[13]對稻田施用有機肥3 000 kg·hm-2和6 000 kg·hm-2的稻米中鎘含量與單施化肥的進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)2個有機肥施用處理的稻米鎘含量分別下降14.3%和21.4%。相反，有些研究則認(rèn)為，增施有機肥提高了土壤溶液中可溶性有機碳(DOC)濃度，增加了土壤水溶液中重金屬濃度而農(nóng)產(chǎn)品污染風(fēng)險上升[4,14]。如王開峰等[15]研究表明，與純施化肥相比，施用有機肥可使紅壤稻田土壤表層(0～20 cm)重金屬Zn、Cu、Cd、Pb的有效態(tài)含量分別提高61.5%、11.7%、15.4%和4.5%。段海芹等[16]研究也發(fā)現(xiàn)，與有機肥常量處理相比，有機肥減量和有機肥減量配施化肥處理表層土層(0～10 cm)有效態(tài)Cd含量分別顯著降低17.6%和14.0%。更多研究[3,17]認(rèn)為，有機肥自身也存在較高含量的重金屬污染物，長期大量應(yīng)用易引起耕地嚴(yán)重的污染。而且土壤環(huán)境條件變化如厭氧變有氧、酸性變堿性、低溫變高溫等促進(jìn)有機肥被微生物降解的進(jìn)程，與有機肥結(jié)合的重金屬元素將被重新釋放進(jìn)入水溶液中，因而有機肥-重金屬這種結(jié)合形式也是一個潛在風(fēng)險因素[18]。因此，研究一種既要利用有機肥的優(yōu)勢又要減少其不足所帶來的風(fēng)險的技術(shù)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

硅是地球上除氧之外的第二大元素，盡管未作為高等植物的必需營養(yǎng)元素，水稻組織中累積量卻很高，稻田施用硅肥有利于水稻抗倒伏、耐干旱、減少病蟲害、增產(chǎn)等[19-21]，尤其是硅具有緩解土壤重金屬的毒害作用，可顯著減少作物對重金屬污染物的吸收，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全性[22-23]。Javaid等[22]全面總結(jié)了硅元素在降低作物重金屬污染的相關(guān)機制，認(rèn)為主要通過與重金屬生成硅酸鹽或絡(luò)合物降低重金屬在土壤中的植物有效性、通過分隔減少重金屬從作物根部向地上部分的轉(zhuǎn)移、通過增強硅運輸相關(guān)基因表達(dá)而降低重金屬運輸基因表達(dá)及改善作物結(jié)構(gòu)并提高生物量而減少農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染濃度。因而開發(fā)一種含硅有機肥可整合兩者優(yōu)勢，在作物增產(chǎn)、地力改良、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及生態(tài)環(huán)境改善等方面發(fā)揮更大的成效。本研究基于這些目的，進(jìn)行不同硅肥含量有機肥試驗，旨在探索成本低、效果明顯的最佳含硅有機肥配方，并在面上推廣應(yīng)用，保障我國糧食量與質(zhì)的安全。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在江山市虎山街道何家山村進(jìn)行。當(dāng)?shù)厮镏饕N植作物是水稻，稻田土壤稍偏堿性，重金屬鎘積累超標(biāo)。供試土壤理化性狀：pH 7.56，有機質(zhì)47.1 g·kg-1，全氮2.86 g·kg-1，有效磷18.3 mg·kg-1，速效鉀133.5 mg·kg-1，污染物總鉛37 mg·kg-1、總鎘0.53 mg·kg-1、總鉻95.2 mg·kg-1、總砷12.9 mg·kg-1、總汞0.03 mg·kg-1。

供試單季稻品種為甬優(yōu)9號。商品有機肥由浙江天蓬畜業(yè)有限公司提供，

1.2 處理設(shè)計

設(shè)6個處理，除常規(guī)施肥對照(CK)僅施化肥外，其他每個處理均增施商品有機肥4 500 kg·hm-2。在商品有機肥中添加不同量硅肥作不同處理，各處理SiO2含量分別為0(S0)、75(S1)、150(S2)、225(S3)和300 kg·hm-2(S4)。小區(qū)面積35 m2，重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列。小區(qū)間用20 cm寬×30 cm高田埂隔開，獨立施肥和灌排水。

水稻于5月1日播種，5月25日插秧，10月14日收割。5月24日施基肥N、P2O5、K2O分別為78.75、78.75和78.75 kg·hm-2，同時施入含硅有機肥翻耕入土；6月5日表施分蘗肥N 103.5 kg·hm-2，8月20日表施促花肥N 17.25 kg·hm-2、K2O 90.0 kg·hm-2。除硅肥處理差異外，其余施肥、灌溉、除草、病蟲害防治等參照當(dāng)?shù)亓?xí)慣統(tǒng)一管理。

1.3 取樣分析

試驗前稻田取一個土壤混合樣，調(diào)查試驗土壤基本理化性狀，水稻成熟實割計產(chǎn)，并在各小區(qū)中采集由5個點混合而成的水稻植株和土壤樣品，植株分離為稻草和稻谷兩樣本，經(jīng)烘干、粉碎、過篩后保存作分析用。土壤及水稻組織中重金屬元素分析方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)文獻(xiàn)，土壤pH用酸度計測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

不同處理水稻產(chǎn)量、土壤重金屬含量、土壤有機質(zhì)及稻米中重金屬含量采用DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計、分析和Origin Pro 9.0軟件作圖

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量

試驗小區(qū)產(chǎn)量為8 780.5～9 185.4 kg·hm-2(圖1)，各處理產(chǎn)量高低依次為S4>S3>S2>S1>S0>CK，含硅有機肥顯著提高水稻產(chǎn)量。和常規(guī)施肥(CK)相比，增施含硅有機肥增產(chǎn)1.4%～6.4%，且隨硅肥用量增大而增幅擴大，其中S3和S4處理顯著高于S0處理，表明在本試驗條件下，硅肥用量大于225 kg·hm-2時，更有利于提高水稻產(chǎn)量，這與之前學(xué)者[24-25]的研究結(jié)果一致。Wang等[24-25]研究認(rèn)為，稻田施用硅肥可顯著提高穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實率而增產(chǎn)，SiO2用量在400 kg·hm-2時水稻產(chǎn)量最高，比對照增產(chǎn)23.0%。由于本試驗硅用量300 kg·hm-2處理水稻產(chǎn)量仍呈上升之勢，繼續(xù)增加硅用量是否會達(dá)顯著增產(chǎn)仍未明晰，將來還需開展更高硅肥用量的研究，以確定最高增幅的硅肥用量上限。

柱上無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2～4同。圖1 不同硅肥處理對水稻產(chǎn)量的影響

2.2 土壤pH和有機質(zhì)含量

在堿性稻田施用含硅有機肥，各處理土壤pH為7.24～7.35(圖2)，存在部分未規(guī)律性顯著差異。與試驗前相比，pH下降了0.21～0.31單位，可能與稻田長期淹水導(dǎo)致土壤有機質(zhì)厭氧降解產(chǎn)生CO2和有機酸有關(guān)[26-27]。與未施有機肥CK相比，增施含硅有機肥處理土壤有機質(zhì)含量提高2.93%～8.07%，變化趨勢基本與水稻增產(chǎn)變化相似，呈硅用量提高土壤有機質(zhì)含量提高之趨勢。這可能和水稻生物量變化有關(guān)，水稻產(chǎn)量高一般總生物量也高，收割后留于土壤中的殘留物及根系也越多，從而提高了土壤有機質(zhì)的含量。

2.3 土壤重金屬有效性

本次試驗調(diào)查了土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg毒性強度較高的污染物，其中，有效Cr、As、Hg含量低于檢測限。圖3顯示，不同水平硅肥處理對有效Pb和Cd均無顯著性影響。與土壤中總含量相比，有效Pb和有效Cd分別占12.4%～13.8%和49.5%～60.7%，在堿性土壤條件下有如此高的活性可能與土壤有機質(zhì)含量高及其分解產(chǎn)物有關(guān)，土壤有機質(zhì)含量高一般DOC也高，DOC與重金屬元素易結(jié)合成溶于水中的絡(luò)合物[4,14]。據(jù)嚴(yán)露等[28]調(diào)查，使用有機肥的淹水土壤中，結(jié)晶鐵/錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd比不施有機肥減少15%、碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd降低11%，也表明有機肥處理使土壤Cd向易溶態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢。王果等[29]認(rèn)為，土壤pH>7時，有機肥分解產(chǎn)物的脫質(zhì)子化作用增強，帶負(fù)電荷的基團增多，與金屬形成絡(luò)合物的能力增強，形成更多的可溶性有機-金屬絡(luò)合物，抑制對重金屬的沉淀，故而進(jìn)一步提高重金屬的溶解性。

2.4 稻米重金屬含量

稻米中Pb和Hg含量低于檢測限，從圖4看出，Cd、Cr和As在稻米中的積累也非常低，所有樣本均低于我國食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量值(GB 2762—2017，Cd 0.2 mg·kg-1、Cr 1.0 mg·kg-1、As 0.5 mg·kg-1)。一般情況下，稻田土壤pH大于7時，土壤溶液中活性Cd基本與硫化物、磷酸鹽、碳酸鹽及鐵錳氫氧化物等結(jié)合沉淀而水稻無法吸收[26,30-31]。本試驗2.3節(jié)提到Cd有較高的活性比例卻沒有造成稻米污染，可能有以下幾個原因所致：一是雖然有機肥與重金屬形成溶解性絡(luò)合物，但作物容易吸收離子Cd2+，而很少吸收這種鎘絡(luò)合物[4,32]；二是試驗土壤pH高，降低了Cd的作物可利用性[4]；三是硅元素的緩解作用降低了Cd的吸收[22-23]，因而沒有提高稻米積量。與常規(guī)施肥相比(CK)，應(yīng)用有機肥(S0)Cd、Cr和As在稻米中分別下降8.22%、26.93%和12.93%，含硅有機肥(S1～S4)分別下降8.2%～25.5%、14.4%～45.3%和14.0%～25.2%，含硅有機肥呈現(xiàn)更佳的降污效果，這是有機肥增加污染物吸附能力與硅肥緩解作物吸收的綜合結(jié)果[4,22-23]。Maria等[23]曾在挪威海德馬克縣(Hedmark)一個農(nóng)場里開展過硅肥應(yīng)用試驗，調(diào)查結(jié)果表明，硅肥應(yīng)用雖然未改變土壤有效Cd和As含量，但使所調(diào)查作物食用部分Cd、As含量分別下降了10%～25%和20%～40%，本試驗結(jié)果與其相符。在不同硅水平處理間無顯著性影響，這表明硅肥施用量75 kg·hm-2足以降低稻米污染風(fēng)險。

圖4 不同硅肥處理對稻米污染物含量的影響

3 小結(jié)

通過稻田增施含硅有機肥對水稻產(chǎn)量及其重金屬吸收的影響研究表明，增施含硅有機肥4 500 kg·hm-2(有機肥含硅1.5%～3.0%)有利于增加水稻產(chǎn)量，降低稻米重金屬污染物積累，合理開發(fā)含硅有機肥并進(jìn)行推廣應(yīng)用，可促進(jìn)水稻生產(chǎn)增收增效，保障我國糧食數(shù)與質(zhì)的安全。