紅壤區不同施肥處理對蔗區土壤酸化及甘蔗產量的影響

譚宏偉等

摘 要 以長期定位試驗為基礎，甘蔗為供試作物，不施肥為對照（CK），設化學氮磷鉀肥（NPK）、化學氮磷鉀肥+有機肥（NPKM）、化學氮磷鉀+蔗葉還田（NPK+蔗葉）3種不同施肥處理，研究不同施肥條件下紅壤pH的變化規律。結果表明：長期施用NPK肥，不僅導致紅壤交換性酸和交換性鋁的持續增加，而且對提高紅壤中有效磷和有效鉀含量效果不顯著，同時不能確保甘蔗產量的持續增產；長期施用NPKM或NPK+蔗葉處理，降低了紅壤中交換性酸和交換性鋁的含量，不僅有助于減緩紅壤酸化進程，而且顯著提高紅壤有效磷和有效鉀的含量，同時有助于提高和維持較高的甘蔗產量。

關鍵詞 甘蔗；不同施肥；紅壤；酸化

中圖分類號 S794.1 文獻標識碼 A

Abstract Based on a long-term experiment including no fertilizer（CK），chemical fertilizer（NPK）， chemical fertilizer+organic manure（NPKM）and chemical fertilizer+sugarcane leaves（NPKL）treatments， the effect of different fertilizers on soil acidification and sugarcane yield were analyzed. The results showed that the long term application of NPK would lead to increased soil exchangeable acidity and exchangeable Al content and lead to lower available phosphorous and potassium content in the soils in NPKM and NPKL treatments， and was not helpful to improve sugarcane yield sustainably； The long term application of NPKM and NPKL would lead to lower soil exchangeable acidity and exchangeable Al content， alleviated soil acidification， increased available phosphorous and potassium content and higher productivity.

Key words Sugarcane；Different fertilizations；Red soil；Soil acidification

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.07.007

紅壤是中國熱帶、亞熱帶地區重要的土地資源，總面積達2.19×106 km2，其中耕地面積達2.80×107 hm2[1]。廣西紅壤面積達5.64×106 hm2，占全區土壤總面積的34.95%[2]。廣西紅壤是廣西農業綜合開發和林業發展的重要基地，亦是農業生產強度高和實現其高產出的地區之一[3-5]。

目前廣西的甘蔗生產已發展成為廣西經濟的支柱產業之一[6]。然而廣西蔗區主要分布于紅壤區，土壤具有瘦、粘、pH值較低等特點[7-9]，并呈現出進一步酸化的趨勢。目前廣西紅壤的酸化問題，已嚴重地威脅著廣西農業，尤其是蔗區甘蔗生產的可持續發展和生態環境的平衡與穩定。研究認為，導致土壤酸化發生的2個基本過程：一是增加了土壤H+，二是土壤鹽基減少；任何有利于這2個過程進行的人為因素都將導致或加重土壤酸化[10]。已有研究結果表明，長期施用化學氮肥18 a后pH降低了1.11～1.56個單位，是加速紅壤酸化的主要原因之一，而且施氮量是影響紅壤酸化的主要原因之一[11-12]。本課題組的研究結果發現，紅壤區土壤酸化還影響土壤陽離子交換量和鹽基飽和度，導致土壤養分失衡[13-16]。另一方面，有關紅壤區酸性土壤的改良研究至今亦有諸多報道[17-18]。其中，施用石灰是其中最有效的辦法之一，而實際上農業生產中有機物料的施用是最常見且經濟可行的措施[19]。但比較不同施肥處理對土壤酸化的影響，尤其是基于長期定位試驗的研究報道更少。

鑒于此，本研究以紅壤為研究對象，甘蔗為供試作物，探討長期不同施肥條件下蔗區土壤酸化的變化規律，旨在構建防治紅壤區蔗區土壤酸化的施肥技術體系，為實現廣西甘蔗生產的可持續性發展提供技術指導和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

紅壤蔗區長期施肥定位試驗位于廣西壯族自治區來賓縣城廂鎮福隆村，海拔高度120 m，年平均氣溫20.2 ℃，最高溫度33.5～36.0 ℃，≥10.0 ℃的積溫6 820 ℃，年降雨量1 100～1 700 mm，年蒸發量1 708.4 mm，無霜期327 d，日照時數1 582～1 750 h。試驗地處丘陵中部，土壤類型為第4紀紅色粘土發育而成的紅壤。1990年試驗開始時的土壤基本性質為：有機質19.0 g/kg，全氮1.11 g/kg，全磷0.52 g/kg，全鉀10.92 g/kg，堿解氮13.0 mg/kg，有效磷1.3 mg/kg、有效鉀30.0 mg/kg，pH6.0，陽離子交換量（CEC）為6.27cmol（+）/kg，交換性酸和交換性鋁分別為0.29、0.19 cmol（+）/kg。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 長期試驗共設置4個處理，即：不施肥的對照（CK）、化學氮磷鉀肥（NPK）、化學氮磷鉀肥加有機肥（NPKM）、化學氮磷鉀加蔗葉還田（NPK+蔗葉），試驗小區面積為33.3 m2。其中，氮肥用尿素（含N 46%），磷肥用過磷酸鈣（含P2O5 12.5%），鉀肥用氯化鉀（含K2O 60%），有機肥用農家堆漚糞肥（平均含N 7.1%、含P2O5 2.5%和含K2O 5.6%，其中有機N占總N的70%）。施肥處理均為等量化肥施入，不考慮有機肥和蔗葉中的氮、磷、鉀投入。施用肥料用量詳見表1。試驗種植甘蔗，所有肥料基肥施用總施肥量的10%，追肥施用2次肥料量占總施肥的90%，各施肥處理管理方法相同。

1.2.2 樣品采集及分析方法 土壤樣品于甘蔗收獲后采集，2000年后每隔2 a以相同取樣方法采集1次。即：每個處理小區按“之”字形用土鉆隨機采取0～20 cm的5個土壤樣品，混合均勻，室內自然風干后過1 mm篩備用。土壤pH采用電極法（水土比5 ∶ 1，型號：PHS-3CT型，上海康儀儀器有限公司）測定，土壤交換性酸采用1 mol/L KCl交換-中和滴定法測定，交換性鋁采用采用氟化鉀取代EDTA容量法測定，陽離子交換量采用1 mol/L KCl乙酸銨交換法測定，鹽基總量采用加和法算出，鹽基飽和度，即交換性鹽基（EB）占陽離子交換量（CEC）的百分比。上述測定分析方法均參照鮑土旦[20]的方法。

2 結果與分析

2.1 不同處理中土壤交換性酸和交換性鋁的年際變化

由表2可知，單一施用NPK處理，土壤交換酸和交換性鋁均隨著施用年限的增加而呈顯著升高的趨勢；其中，1990～2000年的10 a間，交換性酸和交換性鋁分別增長了0.50、0.46 cmol/kg，并與2000年同期的不施肥處理相比，也分別增長了0.47、0.44 cmol/kg；而且隨著施用年限的延長，增幅逐步加劇，至2008年土壤交換性酸和交換性鋁分別增至1.52、1.36 cmol/kg，分別比初期1990年的數值增加了5.24、7.16倍，也分別比2008年同期的不施肥對照處理增加了3.71、5.23倍。另一方面，施用NPKM處理，雖然土壤交換性酸和土壤交換性鋁呈現與NPK處理相似的增加趨勢，但增幅顯著低于同期的NPK處理。1990～2000年的10 a間，交換性酸和交換性鋁僅分別增長了0.08、0.04 cmol/kg，至2008年也分別僅是不施肥處理的1.27、1.77倍。此外，NPK+蔗葉處理中，土壤交換性酸和土壤交換性鋁的時間變化與NPKM處理相仿，增幅均顯著低于NPK處理（表2）。以上結果表明：長期施用NPKM或NPK+蔗葉，有助于顯著減少紅壤區蔗田土壤的交換性酸和交換性鋁含量，即化肥配施有機質有助于顯著減緩紅壤區蔗田土壤的酸化進程。

2.2 不同處理中土壤磷鉀營養元素有效性的年際變化

從表3可知，試驗區土壤1990年有效磷和有效鉀含量僅分別為1.3、30.0 mg/kg，CK或施肥處理，經過10 a或18 a后，有效磷或有效鉀含量均呈遞增趨勢。其中，CK處理中10 a間（2000年）有效磷和有效鉀含量分別增加了1.0、8.5 mg/kg，至2008年18 a間也分別增加了2.0、16.1 mg/kg，其含量增加的原因可能是甘蔗每年采收后殘留于田間的蔗葉或蔗根都未能完全清理干凈，其后于田間焚燒或腐爛分解及礦物質分解釋放等所致。此外，施用化肥處理，10 a間（2000年）有效磷和有效鉀含量也分別僅增加了2.8、15.5 mg/kg；均顯著低于同期的NPKM處理和NPK+蔗葉處理。另一方面，至2008年，施用NPK處理土壤中的有效磷和有效鉀含量雖然顯著高于CK處理土壤，但也顯著低于NPKM處理；并與NPK+蔗葉處理相比，除有效磷含量差異不顯著外，有效鉀含量同樣顯著低于NPK+蔗葉處理（表3）。以上結果表明，NPKM和NPK+蔗葉處理與單一地施用NPK處理相比，可顯著提高蔗區土壤有效磷和有效鉀的含量。

2.3 不同處理中甘蔗產量的年際變化

由表4可知，每年度雖然不同施肥處理的甘蔗產量高于不施肥的對照產量。但單一地施用NPK，甘蔗產量不僅由初期（1990年）的109 890.0 kg/hm2，減少至10 a后（2000年）106 806.0 kg/hm2，共減少了3 030 kg/hm2；而且18 a后（2008年）又降至103 425.0 kg/hm2，共減少了6 465 kg/hm2，呈逐年下降的趨勢。另一方面，施用NPKM或NPK+蔗葉處理的甘蔗產量卻呈現與單一施肥NPK處理不同的變化趨勢，施用10 a后（2000年），NPKM或NPK+蔗葉處理的甘蔗產量均高于初期（1990年）產量，分別增加了1 515、1 755 kg/hm2，而且施用18 a后（2008年）也比初期（1990年）產量分別提高了255、1 440 kg/hm2，同時2種添加有機質的施肥處理中甘蔗產量均顯著高于同期的單一施肥化肥處理。

綜上所述，NPKM和NPK+蔗葉處理對甘蔗產量的影響效果顯著優于單一施用NPK處理，而且隨著施用時間的延長，亦能維持較高的甘蔗產量。

2.4 土壤pH與甘蔗產量的相關性分析

基于1990～2008年18 a間，調查不同肥料種類長期定位施用試驗區采集的土壤樣品pH，以及土壤pH與甘蔗產量之間的關系。其中，土壤pH的結果詳見表5，甘蔗產量結果詳見表6。

針對上述土壤pH與甘蔗產量的數值進行方差分析，結果表明，甘蔗產量與土壤pH的相關系數為0.272**，土壤pH與甘蔗產量的關系方程式：Y=151 146.068 7*e-0.055 213*pH，甘蔗產量與土壤pH呈現顯著的相關關系（表7）。

3 討論與結論

氮的輸入是加速農田土壤酸化的重要因子之一。其中NH4+的硝化作用，NO3-的積累與淋溶過程中H+的產生強度均大于大氣酸沉降，尤其是長期偏施氮肥或施氮量超過作物需要時，酸化作用將更加明顯[21]。

本試驗中單施化肥NPK、NPKM及NPK+蔗葉處理，均導致了土壤交換性酸和交換性鋁的逐年增加。但單施化肥NPK處理的土壤交換性酸和交換性鋁增幅效果明顯大于NPKM及NPK+蔗葉處理。此結果表明，NPKM及NPK+蔗葉處理可能具有高于單一化肥NPK處理的土壤酸堿緩沖容量。張永春等[22]的研究結果表明，施用有機肥能保持甚至提高土壤的酸堿緩沖性能，減緩土壤的酸化趨勢，其機理可能與有機肥中含有大量的鹽基離子有關；而單施尿素的土壤pH下降的同時酸堿緩沖性能下降，導致土壤酸化的加速[22]。同時，大量的研究結果也表明，在紅壤上施用有機肥能夠改善紅壤酸度。本試驗結果也表現出類似的結果。

另一方面，研究發現長期施用有機肥能提高磷素的有效性[23]。本試驗結果亦顯示，NPKM和NPK+蔗葉處理土壤的有效磷含量均高于單一化肥NPK和CK處理，并隨著施用年限的增加呈上升趨勢。有效鉀含量亦呈現NPKM和NPK+蔗葉處理高于單一化肥NPK和CK處理，其原因可能是施用有機肥時帶入了大量包括鉀元素在內的鹽基離子及蔗葉內含的鉀元素分解后進入土壤所致。

本研究結果表明，不同施肥處理土壤pH與甘蔗產量呈顯著相關關系。這可能與不同施肥處理導致土壤酸化的程度緊密相關。已有的研究結果表明，當土壤的pH低于5.5時，層狀鋁硅鹽粘土礦物和鋁氫氧化物礦物開始溶解，釋放出羥基鋁陽離子和Al3+[24]，從而導致作物的生長受到抑制[25]。同樣基于本試驗的結果亦表明：長期施用單一的氮、磷、鉀化肥可導致紅壤交換性酸和交換性鋁的持續增加；而長期施用NPKM或NPK+蔗葉處理降低了紅壤中交換性酸和交換性鋁的含量，有助于減緩紅壤酸化的進程。

此外，雖然長期施用單一的氮、磷、鉀化肥一定程度的提高了紅壤中有效磷和有效鉀的含量，但效果并不顯著；而化肥配施有機肥或化肥配施蔗葉處理均可顯著提高紅壤有效磷和有效鉀的含量。另一方面，長期施用單一的氮、磷、鉀化肥并不能夠確保甘蔗產量的持續增產；而化肥配施有機肥或化肥配施蔗葉處理均有助于提高和維持較高的甘蔗產量。

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