牡蛎壳粉和石灰改良酸性水稻土对磷有效性、形态和酶活性的影响

引用本文

赵丽芳, 黄鹏武, 杨彩迪, 卢升高. 牡蛎壳粉和石灰改良酸性水稻土对磷有效性、形态和酶活性的影响[J]. 环境科学, 2022, 43(11): 5224-5233.

ZHAO Li-fang, HUANG Peng-wu, YANG Cai-di, LU Sheng-gao. Effects of Oyster Shell Powder and Lime on Availability and Forms of Phosphorus and Enzyme Activity in Acidic Paddy Soil[J]. Environmental Science, 2022, 43(11): 5224-5233.

牡蛎壳粉和石灰改良酸性水稻土对磷有效性、形态和酶活性的影响

赵丽芳¹, 黄鹏武¹, 杨彩迪², 卢升高²

1. 浙江省乐清市农业农村发展中心, 温州 325600;
2. 浙江大学环境与资源学院, 杭州 310058

收稿日期: 2022-01-18; 修订日期: 2022-03-10

基金项目: 温州市科技局基础性农业科技项目(N20210020); 农业农村部退化耕地治理示范县项目

作者简介: 赵丽芳(1966~), 女, 高级农艺师, 主要研究方向为酸性农田土壤修复与地力提升, E-mail: 1300286003@qq.com

通信作者: 卢升高, E-mail: lusg@zju.edu.cn

摘要: 我国南方粮食主产区土壤酸化治理是提升耕地地力促进粮食增产的重要内容, 目的是探究酸化土壤改良剂牡蛎壳粉和石灰对水稻土酸度、磷有效性和形态以及酶活性和相关功能基因的影响.盆栽试验设计2种改良剂的3个施用量(0.05%、0.10%和0.15%), 以水稻为试验作物.结果表明: 1牡蛎壳粉和石灰均显著提高土壤pH, 降低土壤交换性酸, 且改良效果随着改良剂用量增加而提高, 相同用量下石灰对土壤酸性的改良效果高于牡蛎壳粉; 2 4种有效磷提取剂提取的土壤有效磷测定结果表明, 牡蛎壳粉和石灰显著提高H₂SO₄-P、Bray-1 P和Olsen-P含量, 其中Olsen-P含量随改良剂用量的增加而提高. 3土壤中不同形态无机磷含量表现为: Fe-P>Al-P>Ca-P, 石灰和牡蛎壳粉显著提高Al-P和Fe-P含量, 分别提高26.3% ~37.4%和7.9% ~23.7%; 0.15%改良剂显著增加Ca-P含量; 4石灰和牡蛎壳粉对土壤DHA、ALP、IPP活性和phoD基因拷贝数具有提高作用, 而对土壤ACP活性、phoC和pqqC拷贝数表现为降低; 5改良剂(0.10%和0.15%)显著提高水稻产量, 0.15%用量的石灰和牡蛎壳粉分别提高水稻产量34.2%和46.8%, 但对秸秆生物量无显著影响.相关分析表明, 土壤无机磷和有效磷含量与pH和ALP活性呈显著正相关, 改良剂通过消除土壤酸化和提高土壤磷酸酶活性来改善土壤磷营养状况, 这对促进作物产量具有积极作用.

关键词: 石灰牡蛎壳粉酸度磷有效性酶活性作物产量

Effects of Oyster Shell Powder and Lime on Availability and Forms of Phosphorus and Enzyme Activity in Acidic Paddy Soil

ZHAO Li-fang¹ , HUANG Peng-wu¹ , YANG Cai-di² , LU Sheng-gao²

1. Zhejiang Yueqing Agricultural and Rural Development Center, Wenzhou 325600, China;
2. College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

Abstract: Soil acidification improvement in the main grain production regions of southern China is an important issue to enhance the quality of cultivated land and promote grain yield. In order to explore the effects of oyster shell powder and lime on acidity and availability and inorganic forms of phosphorus in acidic paddy soil, a pot experiment was performed using oyster shell powder and lime amendments with dosages of 0.05%, 0.10%, and 0.15%. The results showed that both oyster shell powder and lime significantly (P < 0.05) increased the pH and decreased exchangeable acid content of paddy soil. The improvement effects increased with the dosage of soil amendments. Under the same amendment dosage, the effects of lime on soil pH and acidity were higher than those of oyster shell powder. Both lime and oyster shell powder significantly increased the content of available P extracted using H₂SO₄-P, Bray-1 P, and Olsen-P techniques. The contents of inorganic P in soils decreased in the order of Fe-P>Al-P>Ca-P. The application of lime and oyster shell powder significantly increased the contents of Al-P and Fe-P in soil. Compared with the control treatment, lime and oyster shell power increased Al-P and Fe-P by 26.3%-37.4% and 7.9%-23.7%, respectively. However, there was no significant difference in Al-P content among treatments of the three amendment dosages. The contents of Fe-P and Ca-P in soils increased with an increased dosage of amendments. The activities of DHA, ALP, and IPP and the copy number of the phoD gene in soil increased with the application of lime and oyster shell powder, whereas the activities of ACP and the copy numbers of phoC and pqqC decreased. The application of lime and oyster shell powder at a rate of 0.10% and 0.15% significantly (P < 0.05) increased the yield of rice. The lime and oyster shell powder treatments at the dosage of 0.15% increased rice yield by 34.2% and 46.8%, respectively, whereas the amendment had no significant effect on straw biomass of the rice crop. Correlation analysis showed that soil pH and the ALP activity were significantly positively correlated with inorganic P and available P contents, respectively. These results suggested that lime and oyster shell power could effectively increase the content of available phosphorus by eliminating soil acidity and improving the phosphatase activity, which played a positive role in increasing crop yield.

Key words: lime oyster shell powder acidity phosphorus availability enzyme activity crop yield

土壤酸化是我国南方农田土壤退化的主要表现之一, 而磷缺乏是限制酸性土壤耕地地力和农业生产的重要因素.随着氮肥施用和人类活动加强, 土壤酸化已造成土壤板结、养分流失和重金属活化等危害, 严重影响生态环境和制约农业生产^{[1, 2]}.土壤酸化是由于土壤中带正电荷的离子增加, 土壤胶体上吸附的Ca²⁺、Mg²⁺和K⁺等阳离子通过置换变成游离状态, 在亚热带强降雨的条件下极易淋失形成^{[3, 4]}.同时, 土壤酸化的加剧导致磷酸根离子与酸性土壤中大量存在的Fe³⁺和Al³⁺等金属离子或金属氧化物发生沉淀被固定, 从而难以被植物吸收利用^[5].

目前, 针对土壤酸化的治理和磷有效性的提高主要集中在石灰等改良剂的应用.李光辉等^[6]的研究发现石灰和有机物料配施可以显著提高土壤pH、SOM含量和CEC, 降低酸性稻田镉污染.马国柱等^[7]通过在南方典型双季稻种植区施用石灰, 发现土壤pH和有效磷含量显著提高.方克明等^[8]的研究发现施用石灰不仅对稻田的调酸改土和增产增收效果显著, 同时还能降低稻谷镉含量.这些研究均说明石灰对于酸性土壤的改良具有积极作用.近年来, 新型土壤改良剂——牡蛎壳粉因其具有多孔、较强的吸附性能和离子交换功能和“保肥、净水、缓释”等特点和功能, 已在土壤改良领域开展应用^[9].牡蛎壳占我国重要的海洋经济贝类——牡蛎总质量的60%以上, 具有易获取、价格低和环境友好等多种优势^[9].同时, 牡蛎壳粉在酸化土壤治理方面也表现出了初步成果.柳开楼等^[10]通过在旱地红壤施用牡蛎壳粉发现, 土壤pH和花生产量分别提高0.18~0.33个单位和10.2%~23.8%.陈勇红^[11]的研究发现, 施用牡蛎壳土壤调理剂对红壤蔬菜增产、活化土壤养分和阻控土壤酸化具有重要意义.有研究发现, 改良剂对酸性土壤磷素养分有效性的提高不仅受到化学性质的影响, 也与土壤中参与磷循环的微生物和酶活性有关^[12~16].向书江等^[17]发现有机肥配施生物炭可以促进紫色土磷从难溶态向有效态转化, 改善磷营养状况.宋文涛等^[18]的研究发现秸秆生物炭处理显著影响土壤磷素化学形态、微生物活性及磷素转化, 增加磷素有效性.杨文娜等^[19]的研究发现化肥和有机肥配施生物质炭可以增加根际土壤的酶活性以及土壤中phoC和phoD基因的多样性.以上研究多集中于生物质炭对土壤磷转化的研究, 因此, 探究无机改良剂施用对酸化土壤改良提高磷养分有效性的微生物机制至关重要.

尽管石灰改良酸化土壤已有许多研究^[20~22], 但石灰等无机改良剂对土壤养分有效性影响的研究十分有限.而牡蛎壳粉作为酸化土壤改良剂对酸化稻田土壤养分有效性的改良试验未有系统研究, 尤其是对微生物机制的研究.本文针对我国南方粮食主产区广泛分布的酸化耕地治理问题, 采用盆栽试验, 探究不同用量石灰和牡蛎壳粉对稻田土壤酸度、磷有效性、酶活性和作物产量的影响, 以期为酸性土壤治理、提高耕地质量和促进作物增产提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 试验材料与设计

本试验所用土壤为水稻土, 取自浙江省乐清市柳市镇(28.08°N, 120.87°E)水田表土(0~20 cm), 风干后过2 mm筛备用.水稻土的基本性质：pH为5.1, ω(有机质)为20.58 mg·kg^-1, CEC 9.15 cmol·kg^-1, ω(黏粒)27.79 g·kg^-1.试验所用石灰购自当地农资市场, 牡蛎壳粉购自福建玛塔生态科技有限公司.石灰和牡蛎壳粉的pH和元素组成见表 1.其中, 改良剂pH以石灰/牡蛎壳粉: 去离子水=1:20使用pH计(Metler Toledo)测定, 元素组成采用原子荧光光度计(AFS-9760, 北京海光仪器有限公司)测定.石灰和牡蛎壳粉分别以0.05%、0.10%和0.15%的用量与干土混匀, 以不添加石灰和牡蛎壳粉土壤为对照(CK), 每盆装入5 kg干土.将0.05%、0.10%和0.15%石灰和牡蛎壳粉处理分别标记为Lime1、Lime2、Lime3、OS1、OS2和OS3.每个处理重复3次.

表 1 石灰和牡蛎壳粉的pH和元素组成 Table 1 The pH and elemental composition of lime and oyster shell powder

1.2 水稻种植与土样采集

盆栽试验始于2021年1月装土, 3月插秧, 7月15日收获, 供试水稻品种为中浙优8号.试验所用花盆的规格为：直径32 cm, 高20.9 cm, 每盆插入3株水稻幼苗.所有处理采用相同的灌水、插秧、施肥和水分管理, 水稻生长期间保持花盆中水面高度约为2 cm.底肥施用水稻专用肥0.15 g·kg^-1, 追肥施用水稻专用肥0.05 g·kg^-1和尿素0.05 g·kg^-1.水稻成熟后, 采用盆栽取样器在距离水稻根部5 cm的位置取样3次并混匀, 一部分土壤样品保存在-80℃冰箱中, 用于土壤微生物分析; 另一部分风干, 过2 mm和0.15 mm筛备用.采集土壤样品后收割水稻, 计算产量和秸秆生物量.

1.3 土壤理化指标测定方法

土壤理化性质采用常规方法测定^[23].土壤pH采用pH计(Metler Toledo)土水比1:2.5测定.交换性酸和交换性H⁺通过1mol·L^-1 KCl交换-中和滴定法测定, 交换性Al³⁺通过差减法计算得到.土壤有机质(SOM)含量用重铬酸钾氧化-FeSO₄滴定法测定.土壤速效钾含量用NH₄OAc提取-火焰光度法测定.土壤阳离子交换量(CEC)和交换性阳离子含量采用1mol·L^-1乙酸铵交换法提取, 交换性K⁺和Na⁺通过火焰光度法测定; 交换性Ca²⁺和Mg²⁺通过原子吸收法测定, CEC由交换性阳离子加和法计算得到.土壤有效磷分别使用NaHCO₃提取Olsen-P, HCl+NH₄F提取Bray-1 P, 去离子水提取水溶性磷(H₂O-P)、双酸法提取酸溶性磷(H₂SO₄-P), 土壤总磷采用NaOH熔融法, 钼锑抗比色法测定各溶液中磷酸盐含量^[24].无机磷形态采用连续提取法, 分别是NH₄Cl-NH₄F提取Al-P, NaOH提取Fe-P, H₂SO₄提取Ca-P, 钼锑抗比色法测定^{[24, 25]}.

1.4 土壤微生物指标测定方法

土壤微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸法提取-钼锑抗比色法测定^[26].土壤脱氢酶(DHA)、酸性磷酸单酯酶(ACP)、碱性磷酸单酯酶(ALP)、磷酸二酯酶(PD)和无机焦磷酸酶(IPP)活性根据Tabatabai的方法测定, 分别用1 h内TPF、对硝基酚、对硝基酚、对硝基酚和PO₄^3-的产生量表示^{[27, 28]}.土壤DNA提取使用FastDNA SPIN试剂盒按照标准协议进行(MP Bio-medicals, Solon, OH, USA).提取液中DNA的含量和质量使用Nanodrop ND-1000紫外分光光度计测定.在ABI 7300循环实时PCR系统(Applied Biosystems, Germany)中进行基因定量, phoC、phoD、gcd和pqqC基因的引物和测定程序参照文献[29].以上测序和扩增由广东美格生物有限公司完成.

1.5 数据处理

采用Excel进行数据整理和绘图; 采用SPSS 17.0对数据进行统计分析.采用单因素方差分析(ANOVA)确定处理间差异显著性(P < 0.05).

2 结果与分析 2.1 土壤pH和交换性酸

不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻土pH和交换性酸的影响见图 1.石灰和牡蛎壳粉施用显著(P < 0.05)提高土壤pH, 降低土壤交换性酸总量和交换性Al³⁺, 其中石灰对土壤pH的改良随用量显著增加.施用0.05%、0.1%和0.15%石灰分别提高土壤pH 0.41、0.66和0.90个单位, 牡蛎壳粉分别提高土壤pH 0.21、0.23和0.43个单位.石灰和牡蛎壳粉分别降低土壤交换性酸总量75.4%~77.2%和28.6%~35.6%, 石灰降低土壤交换性酸的效果明显优于牡蛎壳粉.石灰处理显著(P < 0.05)降低土壤交换性H⁺ 48.5%~58.8%, 然而牡蛎壳粉降低土壤交换性H⁺的效果不显著.土壤交换性Al³⁺的变化趋势与交换性酸总量一致, 石灰和牡蛎壳粉分别降低土壤交换性Al³⁺ 85.1%~89.0%和38.2%~46.5%.石灰降低土壤交换性Al³⁺的效果明显比牡蛎壳粉的效果好.

相同小写字母表示不同处理间无显著差异(P>0.05), 不同小写字母表示处理间存在显著差异(P < 0.05), 下同图 1 不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻土pH和交换性酸的影响 Fig. 1 Effects of different dosages of lime and oyster shell powder on pH and exchangeable acid of paddy soil

2.2 土壤有机质和交换性阳离子

不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻土有机质和交换性阳离子的影响见表 2.不同处理显著提高土壤SOM含量, 且随改良剂用量增加而提高, 0.15%用量下石灰和牡蛎壳粉分别较对照显著提高SOM含量65.4%和65.5%.仅OS3处理显著提高土壤总磷含量21.3%.牡蛎壳粉提高土壤速效钾含量效果显著, 0.05%、0.10%和0.15%用量下分别提高26.9%、30.7%和37.2%.与对照比较, 只有Lime2、Lime3和OS3处理显著(P < 0.05)增加土壤CEC, 分别较对照提高8.0%、14.2%和10.0%.土壤交换性阳离子含量的大小表现为Ca²⁺>Mg²⁺>Na⁺>K⁺.除交换性Na⁺外, 石灰和牡蛎壳粉施用提高土壤交换性阳离子含量.Lime2、Lime3和OS3处理分别较对照提高土壤交换性K⁺含量36.3%、42.2%和35.6%.石灰和牡蛎壳粉处理降低土壤交换性Na⁺含量.石灰处理显著(P < 0.05)提高土壤交换性Ca²⁺含量, 0.05、0.10和0.15%用量下分别较对照提高14.1%、15.0%和27.0%, 牡蛎壳粉仅在0.15%用量下显著(P < 0.05)提高土壤交换性Ca²⁺含量12.2%. Lime2、OS2和OS3处理分别较对照提高交换性Mg²⁺含量39.3%, 36.4%和42.1%.整体来看, 高剂量石灰和牡蛎壳粉能够显著提高土壤交换性阳离子含量.

表 2 不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻土有机质和交换性阳离子的影响¹⁾ Table 2 Effects of different dosages of lime and oyster shell powder on organic matter and exchange properties of paddy soil

处理	ω(SOM)/g·kg^-1	ω(总磷)/g·kg^-1	ω(速效钾)/mg·kg^-1	CEC/cmol·kg^-1	交换性阳离子/cmol·kg^-1
处理	ω(SOM)/g·kg^-1	ω(总磷)/g·kg^-1	ω(速效钾)/mg·kg^-1	CEC/cmol·kg^-1	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺
CK	18.68±0.32e	0.79±0.04b	66.84±4.45b	11.46±0.43d	0.19±0.02b	0.44±0.03a	8.72±0.41c	1.07±0.04b
Lime1	21.56±0.55d	0.75±0.03b	67.73±4.67b	11.79±0.13cd	0.20±0.02b	0.36±0.04ab	9.95±0.2b	1.02±0.05b
Lime2	26.58±0.33bc	0.87±0.14ab	62.84±6.00b	12.38±0.08bc	0.26±0.03a	0.36±0.03ab	10.03±0.22b	1.49±0.24a
Lime3	30.89±1.32a	0.84±0.07ab	63.73±5.58b	13.09±0.48a	0.27±0.02a	0.35±0.04b	11.08±0.52a	1.15±0.02ab
OS1	24.73±1.17c	0.88±0.03ab	84.80±9.34a	11.28±0.27d	0.19±0.02b	0.33±0.05b	8.86±0.29c	1.16±0.02ab
OS2	28.25±1.44b	0.75±0.05b	87.37±8.47a	11.63±0.18d	0.20±0.02b	0.35±0.04b	8.92±0.31c	1.46±0.24a
OS3	30.92±0.86a	0.95±0.05a	91.70±6.89a	12.6±0.28ab	0.26±0.02a	0.37±0.03ab	9.78±0.31b	1.52±0.24a
1)相同小写字母表示不同处理间无显著差异(P>0.05), 不同小写字母表示处理间存在显著差异(P < 0.05), 下同

2.3 土壤有效磷

不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻土不同形态有效磷的影响见图 2.不同提取剂提取的土壤有效磷含量表现为：H₂SO₄-P>Bray-1 P>Olsen-P>H₂O-P.试验水稻土的有效磷含量很低, ω(Olsen-P)仅为17.10 mg·kg^-1, 石灰和牡蛎壳粉处理显著(P < 0.05)提高土壤Olsen-P含量, 且随用量的增加而提高.0.15%用量下, 石灰和牡蛎壳粉分别较对照提高Olsen-P含量91.3%和91.9%.对照土壤的ω(Bray-1 P)为31.50 mg·kg^-1, 除OS1处理外, 石灰和牡蛎壳粉处理较对照提高Bray-1 P含量19.6%~39.1%.石灰和牡蛎壳粉对土壤H₂O-P含量的影响不明显.除Lime1处理外, 石灰和牡蛎壳粉处理较对照提高土壤H₂SO₄-P含量27.3%~38.9%.整体来看, 石灰和牡蛎壳粉对于提高土壤有效磷含量均有一定的作用, 且较高用量下效果较好.

图 2 不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻土不同形态有效磷的影响 Fig. 2 Effects of different dosages of lime and oyster shell powder on Olsen-P, Bray-1 P, H₂O-P, and H₂SO₄-P of paddy soil

2.4 土壤无机磷和微生物生物量磷

不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻土无机磷和MBP的影响见图 3.土壤中无机磷含量呈现出Fe-P>Al-P>Ca-P的规律.不同用量石灰和牡蛎壳粉处理较对照提高Al-P含量26.3%~37.4%, 但不同改良剂用量处理间无显著差异.除OS1处理外, 石灰和牡蛎壳粉处理显著提高土壤Fe-P含量, 土壤Fe-P含量随石灰和牡蛎壳粉用量的增加而提高, 0.15%的石灰和牡蛎壳粉处理分别提高土壤Fe-P含量23.7%和21.5%.试验土壤的ω(Ca-P)为46.78 mg·kg^-1, 石灰和牡蛎壳粉对土壤Ca-P含量的影响只有0.15%用量下显著提高, 分别较对照提高61.5%和47.0%, 其余处理提高Ca-P含量的效果不显著.石灰和牡蛎壳粉对土壤MBP的影响不明显.整体来看, 石灰和牡蛎壳粉两种改良剂对无机磷的影响差异不显著, 而改良剂用量对Fe-P和Ca-P含量的影响较为明显.

图 3 不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻土无机磷和MBP的影响 Fig. 3 Effects of different dosages of lime and oyster shell powder on inorganic P and microbial biomass P of paddy soil

2.5 土壤磷酸酶活性和功能基因

不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻土酶活性的影响见表 3.石灰处理显著提高土壤DHA活性, 0.05%、0.10%和0.15%用量下分别较对照提高15.7%、33.1%和12.8%, 而牡蛎壳粉降低土壤DHA活性.不同处理显著降低土壤ACP活性27.9%~43.1%, 且石灰处理随用量增加显著(P < 0.05)降低.土壤ALP活性在不同处理下显著提高, 且随改良剂用量增加而提高, 0.15%用量下石灰和牡蛎壳粉分别较对照显著(P < 0.05)提高ALP活性366%和272%.仅OS3处理显著(P < 0.05)提高土壤PD活性13.4%, 石灰处理对PD活性表现为明显的降低效果.石灰和牡蛎壳粉均可以提高土壤IPP活性, 在Lime2、Lime3和OS2处理下分别较对照显著(P < 0.05)提高25.5%、27.3%和23.0%.因此, 添加石灰和牡蛎壳粉提高土壤ALP和IPP活性, 降低ACP活性, 而DHA和PD活性受到改良剂类型的影响, 分别在石灰和牡蛎壳粉处理下提高, 改良剂用量显著影响土壤ACP、ALP和IPP活性的变化.

表 3 不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻土脱氢酶和磷酸酶活性的影响/g·kg^-1 Table 3 Effects of different dosages of lime and oyster shell powder on soil dehydrogenase and phosphatase activities/g·kg^-1

不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻土磷功能基因的影响见表 4.石灰和牡蛎壳粉分别较对照降低土壤phoC拷贝数82.7%~95.2%和83.3%~93.7%.相反, 不同处理提高土壤phoD拷贝数, 且随改良剂用量增加而提高, 0.15%用量下石灰和牡蛎壳粉分别较对照显著提高phoD拷贝数161.5%和151.3%.石灰处理显著降低土壤gcd拷贝数21.4%~66.5%, 仅OS2和OS3处理显著提高土壤gcd拷贝数22.0%和40.1%.除OS3处理外, 改良剂施用对土壤pqqC拷贝数表现为降低效果, 石灰和牡蛎壳粉处理分别较对照显著降低46.8%~78.6%和24.9%~45.4%.整体来看, 添加石灰和牡蛎壳粉提高土壤phoD拷贝数, 降低phoC和pqqC拷贝数, 而gcd拷贝数的变化与改良剂类型有关.

表 4 不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻土磷功能基因的影响/copies·g^-1 Table 4 Effects of different dosages of lime and oyster shell powder on soil P functional genes/copies·g^-1

2.6 水稻产量与秸秆生物量

不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻籽粒产量和秸秆生物量的影响见图 4.对照处理的水稻产量为38.49 g·盆^-1, 较高用量的石灰和牡蛎壳粉处理显著提高籽粒产量. 0.15%石灰和牡蛎壳粉处理的水稻产量较对照分别提高34.2%和46.8%.然而石灰和牡蛎壳粉改良剂对水稻秸秆生物量无显著影响.

图 4 不同用量石灰和牡蛎壳粉对水稻产量和秸秆生物量的影响 Fig. 4 Effects of different dosages of lime and oyster shell powder on the rice yield and straw biomass

3 讨论

石灰和牡蛎壳粉均在提高土壤pH和降低交换性酸含量方面效果显著, 且石灰处理效果更好.这是由于石灰本身的pH明显高于牡蛎壳粉, 加入土壤可以更大程度地中和土壤活性酸和潜性酸(表 1)^[30].同时, 土壤pH随石灰用量的增加显著提高, 这说明石灰用量的变化对土壤pH的影响较大.有研究发现, 添加石灰通过降低交换性Al³⁺含量和提高交换性Ca²⁺含量, 从而减轻土壤酸化造成的铝毒害^[30].相关性分析表明, 土壤pH和交换性酸呈显著负相关(R=-0.87, P < 0.05), 而与CEC呈极显著正相关(R=0.89, P < 0.01, 表 5).土壤交换性能在缓解土壤酸化和维持土壤有效养分方面具有重要作用^[31].土壤CEC、交换性K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺含量随石灰和牡蛎壳粉用量的增加而提高.石灰和牡蛎壳粉中主要成分均为CaCO₃, 其中牡蛎壳粉中CaCO₃占比90%以上, 因此, 二者通过提高土壤交换性Ca²⁺含量改善土壤交换性能的作用显著^{[9, 32]}.相关性分析表明, 土壤CEC与交换性K⁺和交换性Ca²⁺含量呈极显著正相关关系, 相关系数分别为0.96和0.90(P < 0.01, 表 5).

表 5 不同用量石灰和牡蛎壳粉改良土壤酸度、交换性能、磷有效性和作物产量的相关性¹⁾ Table 5 Correlation between soil acidity, exchange performance, P availability and crop yield improved by different dosages of lime and oyster shell powder

	pH	交换性酸	SOM	总磷	CEC	交换性K⁺	交换性Na⁺	交换性Ca²⁺	交换性Mg²⁺
pH	1
交换性酸	-0.87^*	1
SOM	0.66	-0.38	1
总磷	0.30	-0.02	0.52	1
CEC	0.89^**	-0.62	0.73	0.45	1
交换性K⁺	0.86^*	-0.59	0.75	0.59	0.96^**	1
交换性Na⁺	-0.46	0.54	-0.58	-0.21	-0.17	-0.20	1
交换性Ca²⁺	0.96^**	-0.85^*	0.54	0.23	0.90^**	0.82^*	-0.31	1
交换性Mg²⁺	0.18	-0.04	0.66	0.45	0.32	0.49	-0.24	0.00	1
Olsen-P	0.60	-0.57	0.86^*	0.33	0.51	0.52	-0.85^*	0.49	0.54
Bray-1 P	0.38	-0.41	0.70	0.32	0.44	0.46	-0.53	0.35	0.61
H₂O-P	0.07	-0.16	0.46	-0.03	-0.12	0.01	-0.68	-0.17	0.65
H₂SO₄-P	0.71	-0.58	0.90^**	0.51	0.62	0.72	-0.76^*	0.53	0.70
Al-P	0.78^*	-0.79^*	0.78^*	0.34	0.63	0.64	-0.83^*	0.69	0.41
Fe-P	0.82^*	-0.64	0.93^**	0.40	0.85^*	0.82^*	-0.57	0.76^*	0.51
Ca-P	0.82^*	-0.52	0.91^**	0.54	0.88^**	0.84^*	-0.50	0.78^*	0.35
MBP	0.91^**	-0.81^*	0.59	-0.01	0.73	0.69	-0.47	0.83^*	0.16
籽粒产量	0.41	-0.07	0.91^**	0.45	0.65	0.66	-0.24	0.34	0.71

	Olsen-P	Bray-1 P	H₂O-P	H₂SO₄-P	Al-P	Fe-P	Ca-P	MBP	籽粒产量
Olsen-P	1
Bray-1 P	0.86^*	1
H₂O-P	0.62	0.43	1
H₂SO₄-P	0.90^**	0.70	0.65	1
Al-P	0.95^**	0.79^*	0.47	0.89^**	1
Fe-P	0.88^**	0.77^*	0.31	0.86^*	0.88^**	1
Ca-P	0.75	0.56	0.13	0.78^*	0.77^*	0.93^**	1
MBP	0.54	0.21	0.27	0.65	0.67	0.71	0.68	1
籽粒产量	0.64	0.65	0.32	0.67	0.50	0.80^*	0.78^*	0.36	1
1)^表示在0.05水平上显著相关; ^*表示在0.01水平上显著相关; 样本数为21

磷作为植物生长必须的大量元素, 其有效性直接影响作物产量和品质.然而, 酸性土壤中大量的有效磷被吸附固定, 难以被植物吸收利用^[18].土壤总磷仅在OS3处理下显著提高, 一方面, 石灰和牡蛎壳粉的总磷含量较低, 因此其处理效果不显著; 另一方面, 牡蛎壳粉的总磷含量约为石灰的14倍, 因此仅有较高用量下的牡蛎壳粉才能显著提高土壤总磷含量(表 1).石灰和牡蛎壳粉对提高不同提取剂测定的有效磷含量均有一定的作用, 且随施用量增加而提高.石灰和牡蛎壳粉处理均显著提高Olsen-P含量, 且随改良剂用量的增加而提高.石灰和牡蛎壳粉中的磷含量极低, 因此通过直接输入提高土壤磷有效性的贡献不大.石灰和牡蛎壳粉对土壤磷有效性的提高主要是由于土壤酸性的改良^[33].已有研究发现, 对酸性土壤pH的提高可以降低铁铝氧化物对磷的吸附, 从而提高有效磷含量; 同时, Fe³⁺和Al³⁺等金属离子与改良剂带来的碱性基团相结合, 减少金属离子对磷酸根离子的吸附^[33~35].另一方面, 石灰和牡蛎壳粉改善土壤结构, 增强土壤微生物活性, 土壤中溶磷菌丰度和磷酸酶活性的提高促进土壤有机磷的矿化和无机磷溶解^[36~40].相关性分析表明, Olsen-P含量与土壤SOM呈显著正相关(R=0.86, P < 0.05), 说明石灰和牡蛎壳粉通过提高土壤SOM含量, 优化土壤团粒结构, 从而提高土壤肥力(表 5).此外, 土壤ALP活性与Olsen-P和H₂SO₄-P呈显著正相关, 说明ALP在促进土壤P向有效形态转化方面具有关键作用(表 6).

表 6 土壤有效磷、分级磷、MBP与酶活性和功能基因的相关性¹⁾ Table 6 Correlation of soil available P, fractional P, MBP with enzyme activity and P functional genes

土壤无机磷是土壤磷素的重要组成部分, 一般占总磷库的60%~80%, 用以评价土壤有效磷库的大小和磷素的供应能力^[18].土壤各无机磷含量的大小关系为：Fe-P>Al-P>Ca-P, 这与已有的研究结论一致^[41].土壤无机磷含量随石灰和牡蛎壳用量的增加而提高, 在0.15%用量下Ca-P含量较对照提高的百分比最大, 这是因为石灰和牡蛎壳中含有大量的CaCO₃, 一定程度上促进了Ca²⁺与PO₄^3-的结合^{[9, 42]}.土壤无机磷作为供应土壤有效磷的直接来源, 通过有机磷矿化的增加和无机磷增溶的减少获得平衡, 而有机磷矿化则是促进无机磷增加的主要途径^[43].石灰和牡蛎壳粉对土壤酸性的改良促进了土壤中ALP活性的提高, 从而促进磷有效性的提高.相关性分析表明, 土壤Al-P、Fe-P和Ca-P含量均与pH呈显著正相关关系, 相关系数分别为0.78、0.82和0.82(P < 0.05); Al-P和Fe-P含量均与Olsen-P含量呈极显著正相关关系, 相关系数分别为0.95和0.88(P < 0.01, 表 5).同时, 土壤Al-P、Fe-P、Ca-P和MBP含量与ALP、IPP活性、phoD和gcd基因具有较高的相关性, 说明土壤磷酸酶活性的提高和功能基因的表达促进土壤有机磷的矿化, 进而提高有效磷含量^[44].此外, 石灰和牡蛎壳粉不仅对土壤酸度和磷有效性具有显著改良, 同时可以显著提高水稻产量.水稻产量与土壤SOM、Fe-P和Ca-P显著正相关(表 5).因此, 石灰和牡蛎壳粉通过化学和微生物途径改良土壤性状和促进养分有效性对提高农业生产力具有指导意义^[45].

4 结论

石灰和牡蛎壳粉均可以提高土壤pH和交换性能, 降低土壤交换性酸总量和交换性Al³⁺, 且在较高用量下效果较好.石灰处理比牡蛎壳粉改良土壤酸性效果较好, 且对土壤pH的改良随用量显著增加.石灰和牡蛎壳粉对于提高土壤有效磷含量均有明显作用, 且Olsen-P含量随改良剂用量的增加而提高.土壤无机磷含量表现为：Fe-P>Al-P>Ca-P, 石灰和牡蛎壳粉处理较对照显著提高Al-P含量, 但不同用量处理之间无显著差异, 土壤中Fe-P和Ca-P含量均在较高改良剂用量下增加最为明显.石灰和牡蛎壳粉提高土壤ALP活性和phoD基因拷贝数, 促进土壤中有机磷的矿化, 进而提高磷的生物有效性.石灰和牡蛎壳粉改良剂在0.15%用量下显著提高水稻产量, 但对秸秆生物量无显著影响.石灰和牡蛎壳粉对土壤酸化的改良作用和养分有效性的提高是提升耕地质量和农作物产量的主要机制.

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