有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥提升紅壤抗酸化能力

胡天睿，蔡澤江，王伯仁，張 璐，文石林，朱建強(qiáng)，徐明崗

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 / 湖南祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 100081；2 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州 434025）

土壤酸化是我國南方紅壤區(qū)土壤質(zhì)量退化的主要形式之一，嚴(yán)重制約了該區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。土壤酸化導(dǎo)致鋁等植物毒害元素活性增加，鈣、鎂、磷等有益元素含量或活性降低，從而限制作物生長[2–3]。長期過量施用化學(xué)氮肥是農(nóng)田紅壤酸化的主要驅(qū)動(dòng)因素之一，且當(dāng)土壤pH<5.6時(shí)，土壤交換性鋁含量快速增加限制作物根系生長[2–3]。石灰作為傳統(tǒng)而有效的土壤酸度改良材料，在紅壤酸化防治中被廣泛應(yīng)用，如Meng等[4]通過田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施用石灰3.75 t/hm2可有效減緩紅壤酸化。近年來大量研究表明，有機(jī)肥因富含堿性物質(zhì)也具有改善土壤酸度的潛力[5–6]。如 Cai等[7–8]研究發(fā)現(xiàn)長期有機(jī)無機(jī)肥配施既能有效防治紅壤酸化，又能提高土壤養(yǎng)分和有機(jī)碳含量，從而促進(jìn)作物增產(chǎn)；Hillary等[9]研究也發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥可改善土壤酸度，促進(jìn)大豆對(duì)氮磷鉀養(yǎng)分的吸收利用和增產(chǎn)。然而，前人的研究多集中在石灰改良或有機(jī)肥對(duì)土壤酸度的影響，而關(guān)于紅壤抗酸化能力的變化，還鮮見報(bào)道[10–11]；此外，土壤交換性鋁含量作為衡量土壤酸害程度的重要指標(biāo)之一，不同改良措施下其對(duì)土壤pH的響應(yīng)程度也有待進(jìn)一步評(píng)價(jià)。為此，本研究依托紅壤旱地定位試驗(yàn)，分析了長期有機(jī)無機(jī)肥配施下紅壤酸度、酸堿緩沖能力，并與石灰改良相比較，揭示長期配施有機(jī)肥對(duì)紅壤抗酸化能力的影響，為紅壤農(nóng)田防治酸化施肥技術(shù)的提出提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)位于湖南省祁陽縣，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院祁陽紅壤實(shí)驗(yàn)站 (26°45'12"N，111°52'32"E)，海拔高度約為120 m，年均溫、降雨量、蒸發(fā)量、無霜期和日照時(shí)數(shù)分別為 18.0℃、1255 mm、1470 mm、300 天和1610 h。成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅壤。土壤初始性質(zhì)為：pH 4.93，有機(jī)碳 7.16 g/kg，全氮 0.96 g/kg，速效氮61.49 mg/kg，全磷 0.52 g/kg，速效磷 10.7 mg/kg，全鉀 1.37 g/kg，速效鉀 303 mg/kg，交換性氫 0.18 cmol/kg，交換性鋁1.47 cmol/kg，交換性鈣3.50 cmol/kg、交換性鎂 0.58 cmol/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2009年，共設(shè)4個(gè)處理： 1)氮磷鉀化肥 (NPKM0)，該處理由于酸化嚴(yán)重，于2018年秋玉米收獲后施石灰改良，用量為CaO 2250 kg/hm2；2)有機(jī)肥替代20%化肥氮 (NPKM1)，3)有機(jī)肥替代40%化肥氮 (NPKM2)； 4)有機(jī)肥替代60%化肥氮 (NPKM3)。NPKM0 處理養(yǎng)分用量為 N 225 kg/hm2、P2O575 kg/hm2和 K2O 75 kg/hm2。有機(jī)肥為豬糞，NPKM1、NPKM2和NPKM3處理用量分別約為15000、30000和 45000 kg/hm2，豬糞含水量約為70%左右，有機(jī)肥處理化學(xué)磷鉀肥投入量與NPKM0處理相同，化學(xué)氮、磷、鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。種植方式為春玉米單作 (一年一熟)，作物播種前將肥料一次性基施。每個(gè)處理3 次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列。所選豬糞的化學(xué)性質(zhì)為pH 8.75 (H2O，水豬糞質(zhì)量比 10∶1)、有機(jī)碳含量 338.0 g/kg、全鈣 31.7 g/kg、全鎂 12.9 g/kg。

1.3 樣品采集與分析

分別于2018與2020年玉米收獲后采集土壤樣品，每個(gè)小區(qū)采用5點(diǎn)法，用土鉆取0—20 cm土樣，撿出石塊和根茬后混勻自然風(fēng)干，分別過0.85 mm和0.25 mm篩備用。土壤pH、交換性酸、陽離子交換量等土壤酸化學(xué)性質(zhì)參考《土壤農(nóng)化分析》[12]。土壤酸堿緩沖容量參考成杰民等[13]、汪吉東等[14]的方法測定，每個(gè)土壤稱取9個(gè)4 g風(fēng)干土于50 mL離心管中，分別加入不同體積的HCl或NaOH溶液，同時(shí)加入蒸餾水，將水土質(zhì)量比調(diào)整為5∶1，酸加入量分別為 H+0、13.83、27.65、41.48 和55.30 mmol /kg，堿加入量分別為 OH?11.94、23.88、35.81和47.75 mmol/kg，搖勻后置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中3天，每天間歇搖動(dòng)2～3次，培養(yǎng)結(jié)束后測定土壤pH和交換性鋁含量。以土壤pH為縱坐標(biāo)、酸堿添加量為橫坐標(biāo)，繪制土壤酸堿緩沖曲線圖；用線性回歸的方法擬合線性響應(yīng)階段，其斜率的絕對(duì)值即為土壤酸堿緩沖容量；同時(shí)分析各處理土壤交換性鋁對(duì)pH變化的響應(yīng)關(guān)系。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

采用 Microsoft Excel 2016 進(jìn)行圖表制作；采用SPSS Statistics 23軟件分析各處理間差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH和交換性酸

圖1表明，與試驗(yàn)初始值 (2009年)相比，至2018年NPKM0和NPKM1處理土壤pH均明顯降低，其中以NPKM0處理降幅最大，降低了0.48個(gè)單位；石灰改良后NPKM0處理pH明顯升高，至2020年升高了0.58個(gè)單位。而NPKM1和NPKM2處理，2018和2020年間土壤pH無明顯變化。與試驗(yàn)初始值相比，NPKM3處理土壤pH值升高了0.78個(gè)單位，且顯著高于其它處理。結(jié)果表明，短期施用石灰或長期有機(jī)無機(jī)肥配施均可有效維持或提高紅壤pH。

圖1 2018和2020年各施肥處理紅壤pHFig.1 Soil pH under different fertilization treatments in 2018 and 2020

圖2顯示，與試驗(yàn)初始值相比，2018年NPKM0和NPKM1處理土壤交換性酸、鋁含量明顯升高，其中NPKM0處理增幅最大分別為2.74和1.06 cmol/kg。石灰改良后，NPKM0處理土壤交換性酸、鋁含量均明顯降低，至2020年分別降了2.62和1.45 cmol/kg。NPKM1處理較初始值土壤交換性酸增加了2.24 cmol/kg，交換性鋁無明顯變化；而NPKM2處理較初始值土壤交換性酸無明顯變化，交換性鋁降低了1.02 cmol/kg；NPKM3處理較初始值土壤交換性酸、鋁分別降低了1.10和1.25 cmol/kg。此外，NPKM0和NPKM1處理土壤交換性酸以交換性鋁為主，而NPKM2和NPKM3處理則以交換性氫為主，交換性鋁僅占20%～38%。可見，長期施用化肥會(huì)導(dǎo)致土壤交換性酸、鋁含量明顯升高，短期施石灰可有效降低紅壤交換性酸、鋁含量；而有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥40%和60%可有效降低土壤交換性鋁含量。

圖2 2018和2020年各施肥處理土壤交換性酸Fig.2 Soil exchangeable acidity, aluminum, and H+ under different fertilization treatments in 2018 and 2020

2.2 土壤交換性能和鹽基組分

圖3表明，隨有機(jī)肥用量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈增加趨勢，其中以NPKM3處理土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，較 NPKM0 處理升高了 3.42 g/kg (P<0.05)。

圖3 2020年各施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.3 Soil organic matter content under different fertilization treatments in 2020

圖4顯示，土壤陽離子交換量隨著有機(jī)肥用量的增加呈升高趨勢，以NPKM0處理最低，即使2018年施用石灰改良后也最低，NPKM3處理最高，較 NPKM0處理升高了 2.06 cmol/kg (P<0.05)。可見，長期配施有機(jī)肥顯著提高土壤陽離子交換量，而短期施用石灰改良對(duì)于紅壤陽離子交換量無顯著影響。

圖4 2018和2020年各施肥處理紅壤陽離子交換量Fig.4 Soil cation exchange capacity under different fertilization treatments in 2018 and 2020

圖5顯示，施用有機(jī)肥處理土壤交換性鈣伴隨有機(jī)肥用量的增加呈增加的趨勢，其中以NPKM3處理最高；添加石灰改良后，NPKM0處理土壤交換性鈣含量與NPKM3處理無顯著差異。土壤交換性鎂含量隨有機(jī)肥用量的增加顯著升高，其中NPKM0處理較2009年 (0.58 cmol/kg)明顯降低，NPKM1處理無明顯變化，而NPKM2和NPKM3處理則明顯升高。長期不同施肥下各處理土壤交換性鉀和交換性鈉含量無顯著變化。

圖5 2020年不同施肥處理土壤交換性鹽基離子濃度Fig.5 Concentrations of soil exchangeable base cations under different fertilization treatments in 2020

2.3 土壤酸堿緩沖性能

各處理土壤酸堿緩沖曲線整體呈類“S”型(圖6)。在4

圖6 長期不同施肥下紅壤酸堿滴定曲線Fig.6 pH buffer curves under different long-term fertilization treatments

圖7 長期不同施肥處理紅壤酸堿緩沖容量Fig.7 Soil pH buffering capacities under different long-term fertilization treatments

如圖8所示，土壤交換性鋁含量隨著pH的降低而顯著升高。從表1可知，NPKM0、NPKM1、NPKM2和NPKM3處理的斜率分別為2.71、2.42、1.93和0.16，即土壤pH降低1個(gè)單位，土壤交換性鋁增加量分別為2.71、2.42、1.93和0.16 cmol/kg。當(dāng)土壤pH降低至4.0時(shí)，土壤交換性鋁含量分別3.17、3.46、2.54和0.37 cmol/kg。可見，長期配施有機(jī)肥降低了土壤交換性鋁對(duì)pH的響應(yīng)，但其作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

表1 不同長期施肥處理下土壤交換性鋁與pH的擬合方程參數(shù)Table 1 Parameter values of soil exchangeable aluminum concentration buffering capacities and pH values under different long-term fertilization treatments

圖8 不同處理土壤pH與交換性鋁的關(guān)系Fig.8 Exchangeable aluminum depends on soil pH under different fertilization treatments

2.4 相關(guān)分析

相關(guān)性分析結(jié)果 (表2)表明，土壤酸堿緩沖容量 (pHBC)與土壤交換性鋁對(duì)pH響應(yīng)的斜率 (AlS)、交換性酸呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)，而與土壤pH、陽離子交換量 (CEC)、交換性鎂、交換性鉀和土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著或極顯著正相關(guān)。AlS與土壤交換性酸呈極顯著正相關(guān)；而與pH、陽離子交換量、交換性鎂、交換性鉀和土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)。

表2 紅壤基本性質(zhì)與酸化性質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)Table 2 The correlation between soil properties and soil acidity indices

3 討論

3.1 施用石灰或有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥防治紅壤酸化

本研究結(jié)果進(jìn)一步證明長期單施化學(xué)肥料加劇紅壤酸化，這與前人的研究結(jié)果一致，即過量施用化學(xué)氮肥是加劇農(nóng)田紅壤酸化的主要因素之一[5–6]，銨態(tài)氮或酰胺態(tài)氮肥的硝化作用釋放氫離子，是導(dǎo)致土壤pH降低的主要過程[15]。本課題組前期結(jié)合氮肥循環(huán)過程與氫離子消長關(guān)系，以及有機(jī)肥帶入的堿性物質(zhì)的量估算了NPKM0、NPKM1、NPKM2和NPKM3處理凈產(chǎn)酸量分別為 H+9.2、3.6、?0.7和?5.1 kmol/(hm2· year)，為此有機(jī)肥替代 40% 和 60%化學(xué)氮肥均可有效防治紅壤酸化[7]。有機(jī)肥防治土壤酸化的機(jī)制主要包括[15–17]：1)輸入堿性物質(zhì)，中和土壤酸度；2)等氮量下，有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥減少硝態(tài)氮的累積和淋溶損失，從而減弱氮肥致酸作用；3)施用有機(jī)肥可促進(jìn)作物生長，提高氮肥利用率，減少氫離子富集。

短期施用石灰可快速改良土壤酸度，NPKM0處理連續(xù)施肥9年后累積產(chǎn)酸量約為H+82.8 kmol/hm2；本研究石灰用量為2250 kg/hm2，帶入堿約為OH?80.4 kmol/hm2，盡管略小于累積產(chǎn)酸量，但仍可有效提升土壤pH、降低交換性酸鋁含量，這可能與本研究所選土層 (0—20 cm)和石灰施用時(shí)間 (2018 年秋)有關(guān)。一方面，當(dāng)土壤氫離子達(dá)到飽和時(shí)，在降雨的作用下硝化產(chǎn)生的氫離子向下層移動(dòng)，從而導(dǎo)致亞表層和深層土壤酸化，即表層土壤實(shí)際酸度小于累積產(chǎn)酸量；另一方面，石灰施在0—10 cm的表土層，且石灰在土壤中移動(dòng)緩慢，短時(shí)間內(nèi)難以向下移動(dòng)，因此可有效改善表層土壤酸度。而有關(guān)長期施肥下紅壤剖面酸度分布特征及石灰對(duì)亞表層土壤pH的改良效果還有待進(jìn)一步研究。

此外相較于石灰，有機(jī)肥帶入的養(yǎng)分元素可改善紅壤肥力狀況。NPKM1、NPKM2和NPKM3處理伴隨有機(jī)肥投入的鈣量分別約為143、285和428 kg/hm2，鎂量分別約為 58、116和174 kg/hm2。研究表明，土壤交換性鎂含量低于0.40 cmol/kg或50 mg/kg時(shí)會(huì)導(dǎo)致作物缺鎂[18]；盡管施用石灰可有效提升NPKM0處理土壤pH和交換性鈣含量，但其交換性鎂含量僅為0.12 cmol/kg，不能滿足作物正常生長的需要；而有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥處理土壤交換性鎂含量高于0.60 cmol/kg，有效改善土壤鎂素狀況，滿足作物生長的需要。

3.2 有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥提升紅壤抗酸化能力

本研究表明，土壤酸堿緩沖容量 (pHBC)與土壤pH、陽離子交換量、交換性鎂和有機(jī)質(zhì)呈顯著或極顯著正相關(guān) (表2)，其中以有機(jī)肥替代60%化學(xué)氮肥處理pHBC最高 (圖7)。有機(jī)肥除富含堿性物質(zhì)中和土壤酸度、提升pH外，還含有大量的碳 (338.0 g/kg)，其中NPKM1、NPKM2和NPKM3處理每年伴隨有機(jī)肥投入的碳量分別約為1521、3042和4563 kg/hm2，相當(dāng)于 C 0.68、1.35 和 2.03 g/kg 土，土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)也顯示，伴隨有機(jī)肥用量的增加土壤有機(jī)質(zhì)含量呈增加的趨勢，特別是有機(jī)肥替代60%化學(xué)氮肥處理顯著高于單施化學(xué)肥料處理。土壤有機(jī)質(zhì)是一種復(fù)雜的高分子芳香多聚化合物，含有大量的羧基、醇羥基、酚羥基等官能團(tuán)，一方面增加了土壤負(fù)電荷點(diǎn)位，即陽離子交換量[19–21]，相關(guān)性分析結(jié)果進(jìn)一步證明，土壤陽離子交換量與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系 (r=0.78**，n=12)；另一方面含氧官能團(tuán)具有很高的反應(yīng)活性，且比表面積大，對(duì)陽離子具有強(qiáng)吸附作用，增強(qiáng)了土壤對(duì)酸的緩沖能力[22–25]。短期施用石灰盡管有效改善紅壤酸度，但對(duì)土壤陽離子交換量無顯著影響 (圖4)，而長期施用有機(jī)肥既維持或提高紅壤pH又提升紅壤抗酸化能力。

此外，土壤交換性鋁含量對(duì)pH的響應(yīng) (即斜率)伴隨有機(jī)肥施用量的增加而呈降低趨勢，即土壤pH降低1個(gè)單位，土壤交換性鋁增加量減少。該斜率與土壤pH、陽離子交換量和土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)，可見增強(qiáng)土壤抗酸化能力，同時(shí)可有效降低土壤鋁的活化。一方面，土壤有機(jī)質(zhì)的含氧官能團(tuán)質(zhì)子化消耗氫離子，同時(shí)釋放大量鹽基陽離子，減緩氫鋁轉(zhuǎn)化及交換性鋁的增加[5,26]；另一方面，有機(jī)肥的有機(jī)官能團(tuán)促進(jìn)土壤中交換性鋁和活性鋁向有機(jī)絡(luò)合態(tài)鋁轉(zhuǎn)化，從而緩解土壤酸化、降低鋁毒害[27–29]，但其作用機(jī)理還有待借助于光譜學(xué)技術(shù)進(jìn)一步研究。綜上所述，相比于短期施用石灰改良土壤酸度，長期施用有機(jī)肥不僅有效防治土壤酸化，還能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量與陽離子交換量及其它養(yǎng)分含量，提升紅壤抗酸化能力和肥力水平。

4 結(jié)語

長期施用化肥加劇紅壤酸化，施用石灰只在短期內(nèi)提高土壤pH，但不能提高紅壤抗酸能力，長期以40%以上的有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥既能防治紅壤酸化，又能提高紅壤抗酸化能力。土壤陽離子交換量和有機(jī)質(zhì)含量可能是導(dǎo)致土壤交換性鋁對(duì)pH響應(yīng)差異的主要因素，即陽離子交換量和有機(jī)質(zhì)含量高的土壤pH降低1個(gè)單位時(shí)，交換性鋁增幅較小，但其作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。