磷石膏与石灰石粉配施对新垦红壤耕地的改良效果
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作者:严建立 章明奎 王道泽
摘要：新ê烊栏地兼具有强酸与养分贫瘠等多种缺陷，需要采取多种措施加以改良。为了解磷石膏与石灰石粉配施对新垦红壤耕地降酸与增加矿质养分的作用，以新垦黄筋泥为研究对象，设计磷石膏、石灰石粉不同用量及其组合的盆栽试验，研究不同改良剂处理对土壤酸度、有效养分及作物生长的影响。结果表明，磷石膏和石灰石粉对土壤具有明显的降酸与增加有效钙的作用，其效果随用量增加而增加；等质量施用条件下，单施石灰石粉、磷石膏与石灰石粉配施对土壤的降酸效果高于单施磷石膏。在改善土壤矿物养分、物理性状和蔬菜生长方面，磷石膏与石灰石粉配施和单施磷石膏的效果高于单施石灰石粉。在试验条件下，施用磷石膏没有明显增加土壤中重金属的积累，且因土壤pH的提高蔬菜中Cd、Cr、Pb含量有所下降，但As含量呈轻微增加，对蔬菜中其他重金属积累的影响不明显。研究认为，对于酸化明显和养分低下的新垦红壤可采用磷石膏与石灰石粉配施替代单独施用石灰石粉加以改良，但应适当控制磷石膏施用量。
关键词：新垦红壤；磷石膏；石灰石粉；酸度；养分；土壤改良
中图分类号：S156文献标志码：A论文编号：cjas20200300063
Improvement Effect of Combined Application of Phosphogypsum and Limestone Powder on Newly Cultivated Red Soil
YAN Jianli1， ZHANG Mingkui2， WANG Daoze3
（1Hangzhou Academy of Agricultural Sciences， Hangzhou 310024， Zhejiang， China；
2College of Environmental and Resource Sciences， Zhejiang University， Hangzhou 310058， Zhejiang， China； 3Hangzhou Plant Protection and Soil-fertilizer Station， Hangzhou 310020， Zhejiang， China）
Abstract： Newly cultivated red soil has many defects， such as strong acid and poor nutrient content， and needs to be improved by many measures. To understand the effect of phosphogypsum and limestone powder on reducing acidity and increasing mineral nutrients in the newly cultivated red soil， a pot experiment was designed to study the effect of applying different amounts and combinations of phosphogypsum and limestone powder on soil acidity， available nutrients and crop growth. The results showed that both phosphogypsum and limestone powder could significantly reduce soil acidity and increase soil available calcium， and the effect increased with the increasing dosage of amendments. Under the condition of equal mass application of the amendments， the effect of the single application of limestone powder or the combined application of phosphogypsum and limestone powder on the reduction of soil acidity was higher than that of the single application of phosphogypsum. The effects of the combined application of phosphogypsum and limestone powder or single application of phosphogypsum on the improvement of soil mineral nutrients， physical properties and vegetable growth were higher than those of single application of limestone powder. Under the experimental condition， the application of phosphogypsum did not significantly increase the accumulation of heavy metals in the soil， and the content of Cd， Cr and Pb in vegetables decreased due to the increase of soil pH， but the content of As increased slightly， which had no obvious effect on the accumulation of other heavy metals in vegetables. The results showed that the newly cultivated red soil with obvious acidification and low nutrients could be improved by the combined application of phosphogypsum and limestone powder instead of limestone powder alone， but the application amount of phosphogypsum should be controlled properly.
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Keywords： newly cultivated red soil； phosphogypsum； limestone powder； acidity； nutrient； soil improvement
0引言
亚热带低丘新垦耕地土壤生产力低下，普遍存在酸性和磷素等矿质养分缺乏问题[1-3]，降酸与增加矿质养分是这一地区土壤改良的重要内容[4-7]。传统上，施用石灰是降低亚热带低丘土壤酸性和消除铝毒的较为有效的方法[8-9]，但长期高量施用石灰可引起土壤板结，导致土壤钙、钾、镁等元素的失衡。磷石膏是磷复肥与磷化工行业的副产物，其主要成分是硫酸钙，并含有少量游离的磷酸、硅[10-11]。过去几十年，磷石膏已被用于国内北方地区盐碱土的改良[12-16]，其可有效降低土壤碱度，并能促进土壤质量的提高。试验表明[17-19]，磷石膏虽然呈酸性，但其具有“自动加石灰”效应[19-21]，也可作为酸性土壤改良剂，在降低土壤酸度方面具有明显的效果，在降低心土层酸度方面有特别的效应。磷石膏进入土壤后其中的硫酸钙与土壤反应生成碱式硫酸铝，从而降低了土壤中的交换性Al3+[19]、提高土壤的pH。为了解磷石膏与石灰石粉配施对新垦红壤耕地降酸、增加土壤矿质养分中的作用，以新垦黄筋泥为研究对象，设计磷石膏、石灰石粉不同用量及其组合的盆栽试验，旨在为同时改善新垦红壤酸碱度和养分状况提供科学依据。
1材料与方法
1.1供试材料
供试土壤为第四纪红土母质发育的黄筋泥，系浙江省低丘地区典型的红壤。土硬勺越年开垦但尚未改良的耕地，为表层土壤，其基本性状见表1。
供试石灰石粉为常规的市售农用物品，含CaCO3 97%。供试磷石膏采自贵州某磷肥厂，为灰白色粉砂颗粒，含CaSO4 73%，含磷（P2O5）量13 g/kg；总Pb、As、Cr、Cd、Hg、Ni、Cu、Zn含量分别为33.4、15.3、5.2、1.9、
0.85、18.5、13.5、132.4 mg/kg。
1.2试验设计
盆栽试验设7个处理，分别为：（1）对照组不施石灰石粉和磷石膏；（2）低量石灰石粉（1.00 g/kg土，相当于0.225 kg/m2）；（3）低量磷石膏（1.00 g/kg土，相当于0.225 kg/m2）；（4）1/2低量石灰石粉+1/2低量磷石膏（即石灰石粉0.50 g/kg土+磷石膏0.50 g/kg土）；（5）中量石灰石粉（1.67 g/kg土，相当于0.375 kg/m2）；（6）中量磷石膏（1.67 g/kg土，相当于0.375 kg/m2）；（7）1/2中量石灰石粉+1/2中量磷石膏（即石灰石粉0.84 g/kg土+磷石膏0.84 g/kg土）。每个处理用土量为15 kg，重复3次。
盆栽土壤经与石灰石粉或磷石膏充分混匀后，在室温条件下保持75%的土壤田间持水量放置6个月后，种植蔬菜，每盆移栽4株25天龄的青菜幼苗（品种为‘苏州青’）。在种植蔬菜前，每盆施尿素和氯化钾各1.5 g。蔬菜生长60天后收获蔬菜，用称重法测量蔬菜地上部分生物量，同时混合各盆土壤，采集土壤样品用于分析。采集的土壤样品经风干后分别过2 mm和0.15 mm塑料土筛，用于土壤养分和重金属测定；蔬菜样用去离子水冲洗2～3次后切碎、混匀，用于重金属分析。
1.3分析方法
土壤pH、有机质、交换性酸、CEC、有效磷、速效钾采用常规方法分析[22]；土壤有效硅用乙酸缓冲液浸提-硅钼蓝比色法测定；有效钙和有效镁用乙酸铵提取-原子吸收法测定；土壤容重采用环刀法测定；水稳性团聚体采用湿筛法测定。蔬菜样品用高氯酸消化，用石墨炉-原子吸收光谱法测定Cu、Zn、Cd和Pb，荧光原子吸收法测定Hg和As。土壤重金属采用国标法测定，其中，Cu、Zn、Cd、As、Ni和Cr采用盐酸-硝酸-高氯酸消解，石墨炉原子吸收分光光度法测定Cd，原子光谱吸收法测定Cu、Zn、Cr和Ni，荧光原子吸收法测定As；Hg用硝酸-高锰酸钾消解，冷原子吸收光谱法测定；Pb用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解，石墨炉原子吸收分光光度法测定。分析过程中采用质量控制，各重金属测试误差控制在5%以内，重复样间相对误差控制在10%以下。所有数据采用Microsoft Excel 2003处理，统计分析采用软件SPSS 12.0完成，采用LSD法进行多重比较。
2结果与分析
2.1对土壤酸碱性的影响
由表2可知，无论是施用石灰石粉还是磷石膏均可提高土壤pH、降低土壤的交换性酸，其效果随石灰石粉或磷石膏用量的增加而增强。在等质量施用下，磷石膏降低土壤酸度的效果低于石灰石粉。低剂量石灰石粉和磷石膏施用后土壤pH分别提高了0.57、0.23，中剂量石灰石粉和磷石膏施用后土壤pH分别提高了0.82、0.54，其原因是磷石膏对酸的中和值低于石灰石粉。石灰石粉与磷石膏配合施用对土壤酸度的降低效果明显高于单施磷石膏，但低于石灰石粉，低剂量和中剂量石灰石粉与磷石膏配合施用后土壤pH分别提高了0.35、0.67。
2.2对土壤物理性状的影响
无论是施用低剂量的石灰石粉还是中剂量的石灰石粉对土壤水稳定性团聚体和容重的影响均不明显（表2），但磷石膏或石灰石粉与磷石膏配合施用均可明显提高土壤中>0.25 mm水稳定性团聚体的数量，降低土壤容重，表明磷石膏的施用可有效改善土壤物理性状。低剂量和中剂量磷石膏施用后，土壤中>0.25 mm水稳定性团聚体分别比对照提高5.56%和14.57%，土壤容重分别比对照降低2.16%、4.43%；低剂量和中剂量石灰石粉与磷石膏配合施用后土壤中> 0.25 mm水稳定性团聚体分别比对照提高8.35%、12.19%，土壤容重分别比对照降低2.88%、3.60%。施用磷石膏促进土壤中水稳定性团聚体的形成可能与施用磷石膏后增加钙离子浓度有关。
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2.3对土壤肥力状况的影响
由表3可知，与对照比较，无论是施用石灰石粉还是磷石膏土壤有机质含量均略有下降，其原因可能是改良剂施用后土壤pH提高、土壤微生物活性增强，导致有机质矿化增加。土壤有机质下降幅度为施用石灰石粉的略多。施用石灰石粉和磷石膏均明显提高了土壤的交换性钙，等质量条件下土壤交换性钙的增加程度是单独施用磷石膏或石灰石粉与磷石膏配合施用略高于单独施用石灰石粉，且施用量越高土壤交换性钙增加越明显。单独施用石灰石粉对土壤交换性镁、交换性钾、有效磷、有效硅及有效硫的影响较小（其中有效钾略有下降），但单独施用磷石膏或石灰石粉与磷石膏配合施用均可显著提高土壤的交换性镁、交换性钾、有效磷、有效硅及有效硫。低剂量和中剂量磷石膏施用后，土壤中交换性镁、交换性钾、有效磷、有效硅及有效硫分别比对照增加14.04%、11.60%、175.98%、41.74%、207.23%和21.31%、19.24%、247.30%、52.82%、299.78%；低剂量和中剂量石灰石粉与磷石膏配合施用后，土壤中交换性镁、交换性钾、有效磷、有效硅及有效硫分别比对照增加11.56%、7.40%、120.30%、31.64%、188.52%和19.96%、12.62%、185.47%、36.98%、255.14%。
2.4对土壤重金属积累的影响
由表4可知，由于试验中石灰石粉和磷石膏的施用量^低，除砷外，无论是施用石灰石粉还是磷石膏或两者配合施用均没有显著改变土壤中重金属含量，各处理的Cu、Zn、Cd、Cr、Hg、Pb、Ni等7种重金属元素含量均与对照之间无明显的差异；但施用磷石膏后土壤中As有轻微的增加。但所有处理土壤的8种重金属元素含量均在安全范围，表明在试验条件下，磷石膏的施用不会改变土壤重金属的状况。
2.5对蔬菜生长及蔬菜中重金属含量的影响
试验结束时蔬菜地上部分鲜重的观察表明，施用石灰石粉或磷石膏均显著增加了蔬菜的生物量。对照处理蔬菜地上部分鲜重为78 g/盆，低量石灰石粉、低量磷石膏、1/2低量石灰石粉+1/2低量磷石膏、中量石灰石粉、中量磷石膏、1/2中量石灰石粉+1/2中量磷石膏处理蔬菜地上部分鲜重分别为107、115、122、123、134、144 g/盆，分别比对照增加37.18%、47.43%、56.41%、57.69%、71.79%、84.62%。在改善蔬菜生长方面的作用，磷石膏与石灰石粉配施或单施磷石膏的效果优于单施石灰石粉。
表5的结果表明，在试验条件下，因施用石灰石粉或磷石膏后土壤pH的提高（表2），施用石灰石粉或磷石膏后蔬菜中Cd、Cr、Pb含量有所下降，但As含量呈轻微增加，对蔬菜中其他重金属积累的影响不明显。所有处理的蔬菜中7种元素的重金属含量均符合农产品安全质量无公害蔬菜要求（GB 18406.1―2001）。
3结论
研究结果表明，在磷石膏用量不是很高的条件下，施用磷石膏不会引起土壤重金属的明显积累，且因土壤pH的提高蔬菜中Cd、Cr、Pb含量有所下降。但施用磷石膏后，As含量呈轻微增加，表明磷石膏在施用时施用量需加以控制。鉴于在改善土壤矿物养分、物理性状和蔬菜生长方面的综合作用方面磷石膏与石灰石粉配施和单施磷石膏的效果高于单施石灰石粉，研究认为，对于酸化明显和养分低下的新垦红壤可采用磷石膏与石灰石粉配施替代单独施用石灰石粉加以改良。
4讨论
低丘新垦耕地土壤因强酸性、铝毒和养分缺乏等原因导致农作物生长不良[23-25]，缓解或消除这些限制因素是改良这类土壤的重要内容。本试验的结果表明，在不施用改良剂的条件下，即使施用氮肥和钾肥，蔬菜的生长仍不正常，生物量较低。传统上，酸性土壤改良主要施用石灰石粉（包括熟石灰等），其主要作用机理是中和反应，即利用改良剂中的碱性物质直接中和土壤的酸，从而达到提高土壤pH、降低铝毒的目的。虽然土壤pH的提高可在某种程度上改善土壤养分的生物有效性，但由于石灰石粉成分单一，难以从本质上提升土壤的养分状况，而且钙与其他元素的竞争作用可能还会导致矿质养分的不平衡，加剧钾、镁等元素的缺乏[26-27]。然而，磷石膏因同时含有硫酸钙、磷、硅、钾、镁等物质[10-11]，其在中和土壤酸的同时，还可补充土壤中磷、镁、钾元素，改善土壤养分的平衡及土壤物理性状。本研究的试验结果发现，虽然石灰石粉在降酸方面明显优于磷石膏，但在促进蔬菜生长方面却是磷石膏优于石灰石粉，降酸和提升矿质养分在改良新耕红壤非常重要，而磷石膏具有降酸与培肥的双重作用，是一种优于石灰的营养型酸性土壤改良剂。本研究只是一个简单的比较试验，至于石灰石粉与磷石膏的最佳比例及不同酸度土壤如何确定合理的石灰石粉与磷石膏的配比及施用量还有待进一步试验研究。
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