增施大豆豆粕及豆粕炭對(duì)酸性水稻土的改良效果及對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

吳艷 柳開樓 張景云 宋惠潔 胡丹丹

（1 江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，331717，江西南昌；2 江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，330200，江西南昌）

我國(guó)農(nóng)田土壤在長(zhǎng)江以南地區(qū)出現(xiàn)明顯酸化，且酸性水稻土面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]。土壤酸化直接影響著土壤理化及生理特性，導(dǎo)致鹽基離子加速淋失和土壤肥力下降，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。當(dāng)前已使用的一些礦物和工業(yè)副產(chǎn)物能夠達(dá)到改良酸性土壤的效果[4-5]，但絕大多數(shù)改良劑的成本較高[4,6]。因此，使用性價(jià)比較高的改良劑進(jìn)行酸性水稻土改良是土壤調(diào)理劑研發(fā)的主要方向。

在我國(guó)，農(nóng)作物產(chǎn)品的廢棄物通常采用直接燃燒或丟棄的處理方式，不僅造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[7-8]，而且會(huì)帶走土壤中的堿性物質(zhì)[9]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的改善，農(nóng)業(yè)廢棄物處理也引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注[10]。豆粕是大豆提取豆油之后的副產(chǎn)品[11]，豆粕炭是豆粕經(jīng)不完全燃燒產(chǎn)生的一種非純凈碳的混合物，均為農(nóng)業(yè)廢棄物。2021 年，中國(guó)壓榨消費(fèi)大豆達(dá)10 億t[12]，產(chǎn)生了大量農(nóng)業(yè)廢棄物豆粕。有研究[13]表明，豆科作物堿含量一般高于非豆科作物。豆粕和豆粕炭作為酸性土壤改良劑，施入酸性水稻土中可以實(shí)現(xiàn)改良土壤和資源循環(huán)利用的目標(biāo)。韋增輝等[14]研究表明，豆粕可以顯著提升土壤有機(jī)碳和速效氮磷鉀養(yǎng)分。前人研究[15-17]認(rèn)為，豆粕作為有機(jī)肥可顯著提升黃瓜和小白菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，也可提升茶葉品質(zhì)。但是，由于不同土壤特征和作物種類差異，關(guān)于豆粕是否可以有效改良酸性水稻土還缺乏深入探討，特別是豆粕炭化還田后對(duì)酸性水稻土的改良效果。因此，本試驗(yàn)通過對(duì)酸性水稻土施入豆粕和豆粕炭，分析不同用量的豆粕和豆粕炭對(duì)土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量和水稻產(chǎn)量的影響，評(píng)價(jià)其對(duì)酸性水稻土的改良效果，為豆粕等農(nóng)作物廢棄物的資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于江西省進(jìn)賢縣張公鎮(zhèn)馬家村（116o17'60″E、28o35'24″N），地處中亞熱帶，年均氣溫18.1℃，≥10℃積溫6480℃，年降水量1537mm，年蒸發(fā)量1150mm，無霜期約289d，年日照時(shí)數(shù)1950h。試驗(yàn)土壤為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤性水稻土，土壤肥力中等，試驗(yàn)開始前耕層土壤pH 5.2、有機(jī)質(zhì)20.5g/kg、全氮1.1g/kg、有效磷17.5mg/kg、速效鉀74.5mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置5 個(gè)處理，分別為豆粕2250kg/hm2（A1）、豆粕4500kg/hm2（A2）、豆粕炭2250kg/hm2（B1）、豆粕炭4500kg/hm2（B2）和常規(guī)施肥（CK）。每個(gè)處理3 次重復(fù)，小區(qū)面積30m2。

大豆豆粕來源于大豆油壓榨廠，豆粕炭是豆粕在無氧條件下經(jīng)400℃～550℃高溫?zé)崃讯伞６蛊珊投蛊商康挠袡C(jī)碳含量分別為282.1 和53.1g/kg，豆粕的全氮、全磷、全鉀含量分別為81.0g/kg、11.2g/kg 和22.4g/kg，豆粕炭的分別為62.3g/kg、8.1g/kg 和15.4g/kg。

水稻品種為五優(yōu)華占，2019 年6 月17 日移栽，株行距為20cm×20cm，氮、磷、鉀肥用量參考農(nóng)民習(xí)慣，具體的肥料用量見表1，氮肥（尿素）和鉀肥（氯化鉀）40%作基肥施用，60%在分蘗期作追肥施用，磷肥（鈣鎂磷肥）、大豆豆粕和豆粕炭均作基肥一次施入。

表1 不同處理土壤改良劑和化肥用量Table 1 The amounts of soil conditioner and fertilizer in different treatments kg/hm2

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 水稻產(chǎn)量 水稻成熟期每個(gè)小區(qū)實(shí)收測(cè)定水稻產(chǎn)量。

1.3.2 土壤采樣和理化分析 在大豆豆粕和豆粕炭施用后第15 天和水稻收獲后，每個(gè)小區(qū)用土鉆隨機(jī)采集5 個(gè)點(diǎn)，混合風(fēng)干研磨，測(cè)定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量等指標(biāo)。具體方法參考《土壤農(nóng)化分析》[18]。

1.3.3 經(jīng)濟(jì)效益 總投入包括人工投入和物資投入，人工投入為播種、田間管理、收獲等的用工成本，物資投入為種子、農(nóng)藥、化肥等的成本。按照水稻收購(gòu)價(jià)格2.4 元/kg、豆粕3.5 元/kg、豆粕炭4.5 元/kg、水稻播種量30kg/hm2、水稻用種價(jià)格60元/kg、人工費(fèi)6000 元/hm2、農(nóng)藥投入1800 元/hm2，計(jì)算各處理總投入、總產(chǎn)出和純收益。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，用SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用LSD 比較各個(gè)處理之間差異顯著性（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆豆粕和豆粕炭對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

與CK 處理相比，施用大豆豆粕和豆粕炭可以顯著增加水稻產(chǎn)量（圖1），A1、A2、B1 和B2 處理的產(chǎn)量分別顯著增加了11.1%、13.3%、8.3%和9.8%。在相同用量下，施用豆粕處理的水稻產(chǎn)量明顯高于豆粕炭處理。

圖1 不同處理水稻產(chǎn)量變化Fig.1 Changes of rice yield in different treatments

2.2 大豆豆粕和豆粕炭對(duì)土壤pH 的影響

酸性水稻土中，施用大豆豆粕和豆粕炭可以顯著阻控土壤酸化趨勢(shì)。圖2 顯示，與CK 處理相比，大豆豆粕和豆粕炭處理的土壤pH 均得到顯著增加，在施肥后15d，A1、A2、B1 和B2 處理的土壤pH 分別增加了0.32、0.32、0.15、0.25。水稻收獲后土壤pH 分別增加了0.32、0.33、0.11、0.22。施相同量的豆粕和豆粕炭，土壤pH 表現(xiàn)為豆粕高于豆粕炭，且隨著施用量增加，pH 增加幅度減少?？梢姡蠖苟蛊傻目厮嵝Ч麅?yōu)于豆粕炭。

圖2 不同處理土壤pH 變化Fig.2 Changes of soil pH in different treatments

2.3 大豆豆粕和豆粕炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分的影響

與CK 處理相比，增施大豆豆粕和豆粕炭顯著增加土壤肥力（表2）。大豆豆粕和豆粕炭顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀含量，且施肥后15d 和水稻收獲后的規(guī)律基本一致，但隨著生育進(jìn)程推進(jìn)，土壤肥力下降。施肥后15d 與水稻收獲后基本呈現(xiàn)A2處理的肥力最高，且在水稻收獲后，A2 處理比CK處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量分別增加了9.66%、17.48%、22.38%和31.09%。

表2 不同處理土壤肥力變化Table 2 Changes of soil fertility in different treatments

2.4 大豆豆粕和豆粕炭增施后經(jīng)濟(jì)效益分析

表3 表明，與CK 處理相比，增施豆粕和豆粕炭產(chǎn)值增加，但純收益均降低。不同處理純收益表現(xiàn)為CK＞A1＞B1＞A2＞B2，與CK 處理相比，A1、A2、B1、B2 處理產(chǎn)值分別增加了11.12%、13.31%、8.30%和9.76%。增施相同量的豆粕和豆粕炭，產(chǎn)值、純收益及產(chǎn)投比均表現(xiàn)為豆粕高于豆粕炭。增加豆粕和豆粕炭用量，產(chǎn)值增加，而純收益及產(chǎn)投比呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

3 討論

在本研究中，增施豆粕和豆粕炭均可顯著提高酸性水稻土的水稻產(chǎn)量，這與前人[19-20]研究結(jié)果相似，原因是增施豆粕和豆粕炭等有機(jī)物料可提高土壤中的碳含量，而較高的碳投入促進(jìn)了土壤腐殖質(zhì)含量增加，從而有利于根系的養(yǎng)分吸收，達(dá)到作物增產(chǎn)目的。但是，受水稻品種、土壤類型等因素影響，本研究中水稻產(chǎn)量的增幅與前人研究存在一定差異，后續(xù)需開展試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證增施豆粕及豆粕炭對(duì)改良酸性水稻土的作用。本研究表明，增施相同量的豆粕和豆粕炭，水稻產(chǎn)量差異不顯著，這與前人[21]研究結(jié)果不同，原因一方面是增施豆粕和豆粕炭的對(duì)比用量偏低，另一方面是豆粕炭經(jīng)高溫?zé)峤庥绊懫溆行I(yíng)養(yǎng)成分，從而導(dǎo)致水稻根系養(yǎng)分吸收受限，但具體原因還有待進(jìn)一步研究。此外，隨著豆粕和豆粕炭施用量增加，水稻產(chǎn)量呈微小的增加趨勢(shì)，但差異不顯著，這可能與水稻品種的產(chǎn)量潛力有關(guān)。

施用豆粕和豆粕炭顯著增加了土壤的pH 和提高了土壤肥力，與前人[22-24]研究結(jié)果相同。原因主要是增施豆粕和豆粕炭后，土壤中增加了較多的有機(jī)質(zhì)，且豆粕和豆粕炭中的堿性成分和碳酸鹽可以直接中和土壤酸度，從而提高土壤pH[25-26]。有研究[27]認(rèn)為，生物黑炭對(duì)土壤的控酸效果比未炭化前要好，本研究進(jìn)一步通過比較發(fā)現(xiàn)，增施豆粕使pH提高0.3，增施豆粕炭使pH 提高0.1，這說明豆粕對(duì)酸性水稻土的改良效果優(yōu)于豆粕炭，也可能因豆粕炭化影響了堿性物質(zhì)的有效成分，導(dǎo)致降酸作用受到影響。此外，豆粕的制備工藝和用量也可能影響其改良酸化土壤pH 的效果。增施豆粕和豆粕炭可增加鹽基離子含量，提高土壤對(duì)養(yǎng)分離子的吸持能力[28]，也可改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[29]，提高養(yǎng)分活性，增加土壤肥力。鑒于酸性水稻土分布廣泛，同時(shí)水稻品種多樣，關(guān)于增施豆粕和豆粕炭對(duì)土壤改良的效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本研究表明，增施豆粕和豆粕炭使水稻產(chǎn)值增加，純收益和產(chǎn)投比均減少，且增施豆粕純收益和產(chǎn)投比高于豆粕炭。汪軍等[30]研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈還田可適當(dāng)減少部分氮肥投入，水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益不受影響。在相同氮、磷、鉀施用條件下，增施豆粕和豆粕炭，可使水稻產(chǎn)量增加，這符合一般規(guī)律[31]，我們還需開展通過增施豆粕達(dá)到減少化肥施用等相關(guān)研究。豆粕由于含有較多蛋白質(zhì)等成分，其對(duì)稻米品質(zhì)也可能有顯著的提升效果，而本研究在效益計(jì)算中未考慮稻米優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)。因此，進(jìn)一步針對(duì)優(yōu)質(zhì)稻品種，可深入探討豆粕施用對(duì)優(yōu)質(zhì)稻米品質(zhì)的影響。

4 結(jié)論

與常規(guī)施肥相比，增施豆粕和豆粕炭均可提高酸性土水稻的產(chǎn)量和產(chǎn)值，且土壤的pH 和土壤氮磷鉀含量也得到顯著提升。同時(shí)，隨著豆粕和豆粕炭施用量的增加，土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷及速效鉀含量增加，但水稻純收益降低。與豆粕炭相比，豆粕作為土壤改良劑的效果較好，且合理用量為4500kg/hm2。