長期施用尿素降低赤紅壤旱地耕層pH的特征與預測

李 娟，張立成，章明清*，張 輝，張永春*

（1 福建省農業科學院土壤肥料研究所，福建福州 350013；2 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，江蘇南京 210014）

紅壤是我國南方的主要耕作土壤，但近40年來農田土壤酸化加劇[1–4]，制約了紅壤區農業可持續發展。因此，探討不同施肥技術對土壤酸化的長期影響及其演變特征，對制定緩解土壤酸化的生產措施具有重要意義。

相關研究證實，長期過量施用氮肥是加劇土壤酸化的主要原因[5–8]。利用 Web of Science 檢索1900—2014年期間相關論文的Meta分析顯示，全球陸地生態系統土壤pH平均降低了0.26個單位[9]；美國大平原和贊比亞農田長期施用化學氮肥后酸化明顯，氮肥用量越大土壤酸化就越嚴重，其中連續4年施氮量60 kg/(hm2·a)的土壤則出現酸化，施用180 kg/(hm2·a)化學氮肥時土壤pH下降0.87個pH單位[10–11]。長期定位施肥試驗表明，湖南及江西紅壤旱地施氮或氮磷鉀化學肥料，土壤pH下降0.36～1.46個pH單位，配施有機肥可保持土壤pH基本穩定或提高 pH[12]。施用化學氮素 300 kg/(hm2·a) 8～12 年后，華南紅壤pH下降了1.2～1.5個pH單位[13]。江西紅壤長期施用銨態氮 80 kg/(hm2·a)，14年后土壤pH下降1.4～1.6個pH單位[14]。研究還表明，土壤酸化具有明顯的階段特征[13,15]。然而，對農田土壤酸化的預測研究在國內外都相對薄弱[2]，也缺少酸性土壤上，輪作制度對耕層土壤pH變化的影響的研究報道。我們于2005和2007年在閩東南赤紅壤旱耕地設置了長期定位施肥試驗，探討了長期不同施肥處理對土壤酸化的影響及其預測，旨在為區域赤紅壤旱地酸化治理和土壤培肥提供養分管理依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

定位試驗點位于福建省莆田市秀嶼區笏石鎮東華村 (N25°19′4.31''，E119°05′9.10'')，地處北回歸線北側邊緣，屬亞熱帶海洋性季風氣候，氣候溫和濕潤，年均氣溫16℃～21℃，年降雨量900～1300 mm。供試土壤均為赤紅壤發育的旱地土壤，母巖為花崗巖，土壤類型為灰赤沙土，土壤質地為沙壤。耕作制度為花生–甘薯輪作制，每年4月上旬至7月中下旬種植花生，8月上旬至12月底則種植甘薯。

1.2 試驗設計

1.2.1 化肥定位試驗 化肥定位試驗從2005年3月開始延續至今。試驗設6個處理(表1)，習慣施肥是根據參試農戶的常年施肥習慣確定氮磷鉀施肥量，推薦施肥量則依據花生和甘薯推薦施肥研究結果[16]，具體各處理施肥量見表1。小區間筑紅磚水泥田埂作永久性隔離，其中田埂埋入地下30 cm，露出田面20 cm，各小區均有進出水口連接排灌水溝。試驗設4次重復，隨機區組排列，小區面積16.2 m2。供試化肥為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)，不施有機肥。根據土壤測定結果，必要時補施中微量元素肥料。花生施肥方法：磷肥全部基施，氮肥和鉀肥一半基施，一半在苗期追施。甘薯施肥方法：結合整地，磷肥全部基施，氮肥和鉀肥一半基施，40%氮肥苗期追施，10%的氮和50%的鉀肥在結薯初期做夾邊肥，開淺溝施用。供試花生和甘薯品種同當年當地推廣的良種，其它田間管理措施與當地大田生產一致。

表1 長期定位試驗設計方案及各處理花生和甘薯施肥量(kg/hm2)Table 1 Design of long-term experiment in peanut-sweet potato rotation system and fertilizer application rates in each treatment

1.2.2 化肥配施有機肥定位試驗 化肥和有機肥配施試驗從2007年3月開始延續至今。試驗設5個處理(表1)，RF處理為推薦化肥施肥量[16]，配施有機肥處理的氮磷鉀素投入量同RF，但是氮素的1/3分別由商品有機肥(N+P2O5+K2O≥5%)、當地農家腐熟豬糞 (N 0.38%、P 0.16%、K 0.30%，干基)和稻草 (N 0.91%、P 0.13%、K 1.89%，干基)替代，磷、鉀量以化肥補齊。試驗設3次重復，隨機區組排列，小區面積19.6 m2。田埂制作、供試花生和甘薯的品種及田間管理等與上述化肥定位試驗相同。

1.3 樣品采集與測定

定位試驗開始時，采集土樣測定基礎理化性狀[17]。其中，全量氮磷鉀測定方法為土壤樣品經濃硫酸和高氯酸消煮后，分別采用凱氏定氮儀、鉬銻抗比色法和火焰光度計法測定，緩效鉀則采用1 mol/L熱硝酸浸提—火焰光度計法測定。電位法測定pH，重鉻酸鉀容量法測定有機質，擴散法測定堿解氮，0.5 mol/L碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法測定有效磷(Olsen-P)，1 mol/L乙酸銨提取—火焰光度計測定速效鉀。化肥長期定位試驗土壤基礎理化性狀：pH為5.90，有機質含量為17.8 g/kg，全氮含量為1.13 g/kg，全磷含量為 0.60 g/kg，全鉀含量為 13.7 g/kg，緩效鉀含量為345 mg/kg，堿解氮含量為128 mg/kg，Olsen-P含量為46.3 mg/kg，速效鉀含量為86.1 mg/kg。化肥配施有機肥定位試驗土壤基礎理化性狀：pH為5.73，有機質含量為17.1 g/kg，全氮含量為1.72 g/kg、全磷含量為0.67 g/kg，全鉀含量為12.5 g/kg，緩效鉀含量為 192 mg/kg，堿解氮含量為151 mg/kg，Olsen-P 含量為 15.6 mg/kg，速效鉀含量為 84.5 mg/kg。

每季作物收獲時，各小區單收單稱，分別記錄農產品和莖葉的鮮重產量和曬干重產量，地上部莖葉和農產品全部移離試驗田。在每年甘薯收獲時，對每個試驗小區按照規范要求采集耕層土樣組成1個混合樣，帶回實驗室風干，然后粉碎過0.25 mm篩，測定土樣pH。

1.4 土壤pH變化灰色預測模型的建立

作物產量、土壤有機質和酸度等的長期演變趨勢，通常根據年際實測值與對應試驗年限得到的散點圖擬合線性趨勢線，依據斜率大小來評價其遞增或遞減狀況[3,18–20]。但在實踐中，田間試驗受到許多不可控因子的影響，導致年際間實測值具有明顯波動性，直接用年際實測值和試驗年限進行擬合難以得到具有統計學意義的回歸模型。

土壤pH實測值包含處理效應和隨機誤差兩部分，隨機誤差來自土壤空間異質性引起的取樣誤差、樣品測定誤差以及年際間取樣時土壤水分和溫度的差異等。構建土壤pH長期變化趨勢模型需要從實測值中將施肥處理效應正確分離出來，以提高模型的可靠性。灰色系統理論認為，任何隨機變量都是在一定幅值范圍和一定時區內變化的灰色量，可通過累加累減、冪次方等生成緩沖算子，弱化其不確定性[21]，使離亂的原始數據中蘊涵的積分特性或規律清晰地呈現出來，實現對不確定系統運行行為和演化規律的正確描述。本研究將土壤pH實測值看成灰色量，應用灰色系統的一次累加生成原理構建TPGM(1,1)灰色預測模型[22]。設某個施肥處理的pH測定結果序列為Y(0)，即：Y(0)=[Y(0)(1),Y(0)(2),Y(0)(3),···,Y(0)(k)]，k=1,2,3,···,n，k表示試驗年限。對Y(0)序列做一次累加生成，即：Y(1)=[Y(1)(1),Y(1)(2),Y(1)(3),···,Y(1)(k)]。TPGM(1,1) 灰色預測模型的數學表達式為：

式(1)是一個三參數差分方程。借鑒GM(1,1)模型參數涵義命名方法， φ1、 φ2和 φ3分別表示發展系數、灰色作用量和常數，均為待估參數，可根據最小二乘法確定其參數值。預測實際年際土壤pH的TPGM(1,1)還原式則為：

根據式(2)，可計算TPGM(1,1)年際pH模擬值，并進一步計算模擬誤差(err)，用于評價灰色模型的擬合效果[21–22]，即：

式中：abs表示取絕對值(正數)。在灰色模型中，當平均模擬誤差小于5%時即認為模擬效果良好。因此，可依據式(2)計算的模擬值，對不同施肥處理的土壤pH變化趨勢做出定量評價。

1.5 數據統計分析方法

采用MATLAB R2019b軟件全功能免費試用版進行數據處理。試驗數據匯總和方差分析及其LSD法多重比較，應用該軟件的統計工具箱進行相關計算和分析；TPGM(1,1)模型參數估計和文中圖形則采用MATLAB語言編程計算和繪制。

2 結果與分析

2.1 長期施用化肥對赤紅壤旱地酸化的影響

由表2可知，從各階段及16年總的趨勢來看，施肥對土壤pH的影響極顯著(P<0.01)。化肥定位試驗16年后，CK和RF?N處理的土壤pH分別提高到 6.24±0.18和 6.21±0.17，與基礎土壤 pH 5.90相比，分別增加了0.34、0.31個pH單位，分別年均遞增0.021和0.019個pH單位，兩個處理間pH沒有顯著差異，但均顯著高于其他4個處理。與基礎土壤pH 5.90相比，FP、RF、RF?P和 RF?K 處理的土壤pH均為降低，分別年均遞減0.019、0.023、0.024和0.019個pH單位，而且這4個處理的土壤pH沒有顯著差異。因此，氮肥(尿素)是導致赤紅壤旱地酸化的主要原因。

表2 化肥定位試驗不同階段各處理土壤耕層pH變化Table 2 Topsoil pH variation of chemical fertilization experiment for 16 years

將化肥定位試驗年限分成1～5、6～10和11～16年3個時間段(依次記為第1、第2、第3時段)進行分析比較。可以看出，處理之間土壤pH均值在3個時間段內的差異具有一致性，即：CK和RF?N處理的pH均顯著高于其他4個化肥組合處理，且二者間沒有顯著差異；無論是習慣施肥(FP)，還是推薦施肥(RF)或者在推薦施肥基礎上不施磷肥(RF?P)或不施鉀肥(RF?K)，對赤紅壤旱地酸化效應沒有顯著差異。但從同一處理的不同時段看，RF?N處理在較高土壤pH水平上出現顯著波動，RF?K處理在第3時段土壤pH顯著低于第1、2時段，其他處理在3個時間段之間均無顯著差異。

2.2 長期化肥配施有機肥對赤紅壤旱地酸化的影響

表3顯示，從14年的平均值結果看，與基礎土壤pH 5.73相比，RF處理的pH降幅最大，其pH比試驗初始值下降了0.37個pH單位，其次是商品有機肥替代1/3化肥氮的RF+COM處理，其pH降低了0.26個pH單位，RF+S處理的土壤pH略有降低(下降0.06個pH單位)而RF+PM處理pH略有上升，表明RF+S和RF+PM處理抑制了土壤酸化。

表3 化肥配施有機肥定位試驗各處理耕層土壤pH變化Table 3 Topsoil pH variation in chemical and organic fertilizer combination experiment

將該定位試驗分成1～5、6～10和11～14年3個時間段(表3)，依次記為第1、第2、第3時段，可以看出，在不同時間段里，不同施肥處理的土壤pH均值有顯著區別。在第1～5年時， RF、RF+COM、RF+PM和RF+S處理的土壤pH均顯著低于CK處理，但施肥處理之間無顯著差異。在6～10年間，RF+PM和RF+S處理的土壤pH與CK處理無顯著差異，但顯著高于RF和RF+COM處理(P<0.05)。在第11～14年間，RF+PM處理的土壤pH與CK處理無顯著差異，但顯著高于其他3個處理；RF+S處理雖然顯著低于CK處理，但顯著高于RF和RF+COM處理。從同一處理的不同時段看，CK和RF+COM兩個處理在3個時段間，土壤pH無顯著差異；RF處理在第3時段里土壤pH均值不斷下降，但RF+PM處理的土壤pH均值則不斷提高；RF+S處理在第2、3時段的土壤pH均值沒有顯著差異，但均顯著高于第1時段。結果顯示，化肥配施豬糞或稻草可有效抑制長期施用化肥導致的赤紅壤旱地酸化，且配施豬糞的效果優于稻草。

由上式可知，系統狀態x1e=xeq的平衡位置并未確定。即當導軌的俯仰角為0°時(導軌保持水平)，小球可以在導軌上任意位置保持平衡，電機通過帶傳動在導軌上施加的平衡力矩，使得小球保持靜態平衡。在實際問題中，顯然選取x1e=0(小球位于導軌正中心)，故Ue=0。

2.3 赤紅壤旱地耕層pH動態模擬與變化趨勢

根據式(1)灰色預測模型擬合各施肥處理歷年pH實測值的一次累加生成數據，結果見圖1、圖2和表4。TPGM(1,1)灰色預測模擬模型的擬合誤差在0.997%至4.321%，顯示對各施肥處理的pH模擬精度均達到良好水平。

圖1 基于TPGM(1,1)模型的歷年土壤pH變化(化肥定位試驗)Fig. 1 Dynamics of soil pH over the experimental years using TPGM (1,1) model (Chemical fertilizer experiment)

圖2 基于TPGM(1,1)模型的歷年土壤pH變化 (化肥配施有機肥定位試驗)Fig. 2 Dynamics of soil pH over experimental years using TPGM (1, 1) model (Chemical and organic fertilizer combination experiment)

表4 不同施肥處理TPGM(1,1)模型擬合參數及模擬pH誤差Table 4 Parameters of TPGM(1,1) model and the simulation errors of soil pH under different treatments

化肥定位試驗模擬顯示，CK和RF?N處理在試驗第3年時，土壤pH從基礎土壤的5.90分別提高到6.25和6.23，過后則大致穩定在該值附近。但FP、RF和RF?P處理則不同，在試驗第4年時，土壤pH從基礎土壤的5.90分別下降到5.60、5.50和5.50，然后則穩定在對應數值附近(圖1)。化肥配施有機肥定位試驗模擬顯示，CK和RF處理的土壤pH動態與圖1結果類似，但化肥配施有機肥處理則不同。在試驗第3或4年時，RF+COM、RF+PM、RF+S處理的土壤pH從基礎土壤的5.73分別下降到5.49、5.30和5.29，之后RF+COM處理的土壤pH穩定在5.45附近，但RF+PM和RF+S處理的土壤pH則開始上升，至第14年時土壤pH分別達到6.26 和 5.91 (圖2)。

從表4可以看出，化肥定位試驗在2021—2025年5年間，CK、FP、RF、RF?N和RF?P處理土壤pH變化標準差均為0.00，顯示土壤pH達到了相應施肥處理條件下的穩定狀態，均值分別為6.20、5.57、5.50、6.21和5.49。但RF?K處理的土壤pH為5.25±0.06，顯示仍然處于下降趨勢，且pH均值最低。化肥配施有機肥試驗在2021—2025年的5年間，CK、RF+COM處理土壤pH變化標準差為0.00，顯示土壤pH將穩定在其對應均值6.14和5.46；RF、RF+S處理的土壤pH大致穩定在5.11和5.94附近；但RF+PM處理的標準差為0.08，顯示仍然具有提高土壤pH的趨勢，均值為6.36。結果揭示，化肥配施有機肥對未來5年仍具有減緩土壤酸化或提高土壤pH的作用。

3 討論

3.1 赤紅壤旱地耕層pH的變化

近40年來，我國南方高投入高產出的農田生態系統中，由于大量施用化學肥料、作物收獲等農業措施以及大氣酸沉降增加等原因，加速了土壤酸化[23]。中國農田耕層土壤pH在1980—2000年間下降了0.13～0.80個pH單位，平均下降0.5個pH單位[1]。廣東省1984年以來水稻土pH 下降了0.33個pH單位[15]，江西省在1981—2001年間土壤pH 整體下降了0.6個pH單位[24]，湖北省恩施州在1980—2013 年間旱地土壤下降1.14個pH單位，水田土壤下降0.87個pH單位[25]，福建省在1982—2016年的34年間耕地土壤pH平均降幅達到0.34個pH單位[26]。土壤酸化可表征為土壤中鹽基陽離子凈輸出農田生態系統所形成的永久性質子負荷[27]，因此，土壤鹽基離子數量和組成、土壤陽離子交換量、鹽基飽和度是影響土壤酸化的重要因素。眾多研究表明，化肥尤其是化學氮肥，其施用量越大土壤酸化就越嚴重[4,11–14,28]。

閩東南赤紅壤旱地連續16年化肥定位試驗后，CK和RF?N處理的耕層土壤pH均值分別為6.24和6.21 (表2)，比基礎土壤pH 5.90分別提高0.34和0.31個pH單位。但FP處理在花生和甘薯分別年施用尿素氮 90和 225 kg/hm2，RF、RF?P 和 RF?K 處理在花生和甘薯分別年施用尿素氮75和180 kg/hm2，導致土壤pH分別降低到5.59、5.53、5.51和5.60，比基礎土壤pH 5.90分別降低0.31、0.37、0.39和0.30個pH單位，且酸化程度沒有顯著差異(表2)。相關監測結果與化學氮肥(尿素)施入土壤后產生H+和土壤鹽基離子移走程度有關。尿素在土壤中轉化為銨態氮后，在硝化反應過程中產生質子，引起土壤鹽基陽離子釋放量增加[29–30]，在試驗點高溫多雨氣候特點影響下這些鹽基離子容易被淋溶移除。同時，與CK或RF?N處理相比，FP、RF、RF?P和RF?K處理歷年花生和甘薯產量平均高2～3倍[31]，隨著歷年作物收獲而移走更多的鹽基離子，加劇了土壤酸化。盡管配施磷鉀肥能提高堿性鹽基離子投入量而減緩土壤酸化[12]，但該定位試驗表明，FP和RF處理與RF?P和RF?K處理的土壤酸化程度沒有顯著差異。

眾多研究表明，長期有機肥投入可彌補農產品移出引起的土壤鹽基損失，有效控制土壤酸化。郭春雷等[32]的4年定位試驗顯示，施用秸稈能有效降低棕壤酸度和交換性鋁含量，提高土壤鹽基離子含量及交換性能。Cai 等[13]通過質子平衡計算發現，在中國紅壤上長期施用有機肥能夠緩解和控制土壤酸化過程。柳開樓等[33]、龍光強等[34]研究表明，中國南方紅壤長期施用豬糞可顯著提高土壤pH，降低土壤酸度。孟紅旗等[35]研究表明，不同種類有機肥堿度大小順序為谷物秸稈<豆科秸稈≈綠肥≈新鮮糞便≈普通堆肥<高溫堆肥≈廄肥。赤紅壤旱地化肥配施有機肥定位試驗也表明，配施有機肥抑制土壤酸化的效果是腐熟豬糞>稻草(表3)。由于該試驗的商品有機肥實物量年投入較少(表1)，酸化抑制效果小于豬糞和稻草，表明配施有機肥控制土壤酸化的效果還與有機肥施用量有關。

3.2 土壤pH動態模擬及其變化趨勢

在長期定位施肥試驗中，不同施肥處理的作物產量、土壤有機質和土壤pH等指標變化趨勢是人們關注點之一，通常是通過構建一元線性趨勢線以確定其遞增或遞減狀況[3,18–20]。根據該方法構建不同施肥處理的土壤pH一元線性趨勢模型(表5)。除了化肥定位試驗的RF?P、RF?K和化肥配施有機肥定位試驗的RF、RF+PM等4個處理外，其他7個回歸方程均未達到顯著水平。即使能通過顯著性檢驗的4個回歸方程，描述土壤pH變異方差解釋能力的擬合優度R2值也≤0.806，表明這種一元線性趨勢線描述不同施肥處理的土壤pH變化趨勢沒有統計學意義。回歸分析要求模型誤差項是均值為零和方差為常數的正態分布，在實踐中常常難以滿足，結果導致處理效應和隨機誤差的分離能力較差，是表5線性趨勢模型可靠性不佳的主要原因。

表5 長期不同施肥處理對赤紅壤旱地耕層pH變化趨勢的一元線性回歸分析Table 5 Unitary linear regression analysis of the topsoil pH change trend under long-term fertilization in latosolic red soil

以往的區域尺度研究揭示，土壤酸化具有階段特征。中國南方耕地紅壤連續施用化學氮肥8—12年后土壤pH下降1.2～1.5個pH單位，之后保持穩定[13]。廣東省水稻土在過去的31年中，前16年水稻土顯著酸化，后15年中土壤pH保持平穩[15]。本試驗在田間尺度上，基于TPGM(1,1)構建的灰色預測模型(圖1和圖2)的建模結果揭示，赤紅壤旱地耕層土壤pH變化同樣存在明顯的階段性特征，拐點出現在第3或4年。

在CK和RF?N處理中，因供試作物年際產量普遍很低[31]，意味著移走的鹽基離子相對較少，而且每年通過灌溉水、降雨和大氣沉降[36]等途徑得到補充，因而在試驗初始階段導致土壤pH上升；當鹽基離子輸入和輸出達到平衡時土壤pH就處于穩定狀態[37]，這可能是CK和RF?N處理的土壤pH出現拐點的主要原因。但在配施化學氮肥的FP、RF、RF?P處理中，供試作物年際產量顯著高于CK和RF?N處理[31]，意味著隨著作物收獲移走鹽基離子數量也較多；同時施用氮肥后氮素硝化作用產生質子導致鹽基飽和度下降[38]，降低了土壤酸堿緩沖能力而加速土壤酸化[39]。隨著土壤鹽基離子不斷消耗和pH下降，具有較大緩沖容量的土壤Al溶解及其水解產物可能在緩沖酸化中起主導作用[10]，導致出現土壤pH處于相對平穩狀態或緩慢下降，進而出現如圖1和圖2的拐點。

前人研究表明，較高的土壤有機質含量是土壤溶液中較低Al濃度的基礎，有機質絡合作用控制了土壤溶液中的Al活性[40]。在化肥配施有機肥料的RF+COM、RF+PM和RF+S處理中，試驗初始3年的土壤pH處于下降狀態(圖2)，這與配施有機肥料使供試作物產量較高[31]，移走鹽基離子較多，但此階段土壤有機質含量還增加不多有關。隨著有機肥料的不斷投入，土壤有機質含量逐年提高，對土壤酸化緩沖能力不斷增強，結果使土壤pH處于不斷上升或平穩狀態(圖2)。

因此，在定量評價土壤pH動態方面，灰色預測模型能夠較好地排除隨機誤差的影響，有效克服線性趨勢模型的不足，精確模擬土壤pH變化特征。結果還表明，RF?K處理在定位試驗16年內，土壤pH隨著試驗年限幾乎按照直線下降(圖1)。是因為不施鉀肥減少了陽離子投入，使土壤鹽基離子始終處于失衡狀態還是其它原因？有待進一步跟蹤監測。

4 結論

長期施用化肥，即使是較為合理的推薦量，也會在連續施用3～4年時導致耕層土壤pH出現明顯下降，之后繼續施用化肥土壤pH平穩在一個較低值。連續化肥與豬糞或者水稻秸稈配合施用，在開始的3～4年也會導致土壤pH下降，繼續與稻草配施可抑制酸化的發生，而與豬糞配施則可以提高土壤的pH。商品有機肥由于用量小，對土壤pH沒有顯著的影響。TPGM(1,1)灰色預測模型不僅精確地揭示了耕層土壤pH變化的階段性特征，還可預測之后的土壤pH變化趨勢。