紅壤區(qū)不同施肥處理對(duì)蔗區(qū)土壤酸化及甘蔗產(chǎn)量的影響

譚宏偉等

摘 要 以長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，甘蔗為供試作物，不施肥為對(duì)照（CK），設(shè)化學(xué)氮磷鉀肥（NPK）、化學(xué)氮磷鉀肥+有機(jī)肥（NPKM）、化學(xué)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(guī)律。結(jié)果表明：長(zhǎng)期施用NPK肥，不僅導(dǎo)致紅壤交換性酸和交換性鋁的持續(xù)增加，而且對(duì)提高紅壤中有效磷和有效鉀含量效果不顯著，同時(shí)不能確保甘蔗產(chǎn)量的持續(xù)增產(chǎn)；長(zhǎng)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(jìn)程，而且顯著提高紅壤有效磷和有效鉀的含量，同時(shí)有助于提高和維持較高的甘蔗產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞 甘蔗；不同施肥；紅壤；酸化

中圖分類號(hào) S794.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)熱帶、亞熱帶地區(qū)重要的土地資源，總面積達(dá)2.19×106 km2，其中耕地面積達(dá)2.80×107 hm2[1]。廣西紅壤面積達(dá)5.64×106 hm2，占全區(qū)土壤總面積的34.95%[2]。廣西紅壤是廣西農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)和林業(yè)發(fā)展的重要基地，亦是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度高和實(shí)現(xiàn)其高產(chǎn)出的地區(qū)之一[3-5]。

目前廣西的甘蔗生產(chǎn)已發(fā)展成為廣西經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一[6]。然而廣西蔗區(qū)主要分布于紅壤區(qū)，土壤具有瘦、粘、pH值較低等特點(diǎn)[7-9]，并呈現(xiàn)出進(jìn)一步酸化的趨勢(shì)。目前廣西紅壤的酸化問題，已嚴(yán)重地威脅著廣西農(nóng)業(yè)，尤其是蔗區(qū)甘蔗生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的平衡與穩(wěn)定。研究認(rèn)為，導(dǎo)致土壤酸化發(fā)生的2個(gè)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(gè)過程進(jìn)行的人為因素都將導(dǎo)致或加重土壤酸化[10]。已有研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用化學(xué)氮肥18 a后pH降低了1.11～1.56個(gè)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，紅壤區(qū)土壤酸化還影響土壤陽離子交換量和鹽基飽和度，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡[13-16]。另一方面，有關(guān)紅壤區(qū)酸性土壤的改良研究至今亦有諸多報(bào)道[17-18]。其中，施用石灰是其中最有效的辦法之一，而實(shí)際上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)物料的施用是最常見且經(jīng)濟(jì)可行的措施[19]。但比較不同施肥處理對(duì)土壤酸化的影響，尤其是基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究報(bào)道更少。

鑒于此，本研究以紅壤為研究對(duì)象，甘蔗為供試作物，探討長(zhǎng)期不同施肥條件下蔗區(qū)土壤酸化的變化規(guī)律，旨在構(gòu)建防治紅壤區(qū)蔗區(qū)土壤酸化的施肥技術(shù)體系，為實(shí)現(xiàn)廣西甘蔗生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

紅壤蔗區(qū)長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)位于廣西壯族自治區(qū)來賓縣城廂鎮(zhèn)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(fā)量1 708.4 mm，無霜期327 d，日照時(shí)數(shù)1 582～1 750 h。試驗(yàn)地處丘陵中部，土壤類型為第4紀(jì)紅色粘土發(fā)育而成的紅壤。1990年試驗(yàn)開始時(shí)的土壤基本性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì) 長(zhǎng)期試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，即：不施肥的對(duì)照（CK）、化學(xué)氮磷鉀肥（NPK）、化學(xué)氮磷鉀肥加有機(jī)肥（NPKM）、化學(xué)氮磷鉀加蔗葉還田（NPK+蔗葉），試驗(yàn)小區(qū)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(jī)肥用農(nóng)家堆漚糞肥（平均含N 7.1%、含P2O5 2.5%和含K2O 5.6%，其中有機(jī)N占總N的70%）。施肥處理均為等量化肥施入，不考慮有機(jī)肥和蔗葉中的氮、磷、鉀投入。施用肥料用量詳見表1。試驗(yàn)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(gè)處理小區(qū)按“之”字形用土鉆隨機(jī)采取0～20 cm的5個(gè)土壤樣品，混合均勻，室內(nèi)自然風(fēng)干后過1 mm篩備用。土壤pH采用電極法（水土比5 ∶ 1，型號(hào)：PHS-3CT型，上海康儀儀器有限公司）測(cè)定，土壤交換性酸采用1 mol/L KCl交換-中和滴定法測(cè)定，交換性鋁采用采用氟化鉀取代EDTA容量法測(cè)定，陽離子交換量采用1 mol/L KCl乙酸銨交換法測(cè)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(cè)定分析方法均參照鮑土旦[20]的方法。

2 結(jié)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(shì)；其中，1990～2000年的10 a間，交換性酸和交換性鋁分別增長(zhǎng)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(zhǎng)了0.47、0.44 cmol/kg；而且隨著施用年限的延長(zhǎng)，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(shù)值增加了5.24、7.16倍，也分別比2008年同期的不施肥對(duì)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(xiàn)與NPK處理相似的增加趨勢(shì)，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(zhǎng)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(shí)間變化與NPKM處理相仿，增幅均顯著低于NPK處理（表2）。以上結(jié)果表明：長(zhǎng)期施用NPKM或NPK+蔗葉，有助于顯著減少紅壤區(qū)蔗田土壤的交換性酸和交換性鋁含量，即化肥配施有機(jī)質(zhì)有助于顯著減緩紅壤區(qū)蔗田土壤的酸化進(jìn)程。

2.2 不同處理中土壤磷鉀營(yíng)養(yǎng)元素有效性的年際變化

從表3可知，試驗(yàn)區(qū)土壤1990年有效磷和有效鉀含量?jī)H分別為1.3、30.0 mg/kg，CK或施肥處理，經(jīng)過10 a或18 a后，有效磷或有效鉀含量均呈遞增趨勢(shì)。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(zhì)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(jié)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(qū)土壤有效磷和有效鉀的含量。

2.3 不同處理中甘蔗產(chǎn)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(chǎn)量高于不施肥的對(duì)照產(chǎn)量。但單一地施用NPK，甘蔗產(chǎn)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(shì)。另一方面，施用NPKM或NPK+蔗葉處理的甘蔗產(chǎn)量卻呈現(xiàn)與單一施肥NPK處理不同的變化趨勢(shì)，施用10 a后（2000年），NPKM或NPK+蔗葉處理的甘蔗產(chǎn)量均高于初期（1990年）產(chǎn)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(chǎn)量分別提高了255、1 440 kg/hm2，同時(shí)2種添加有機(jī)質(zhì)的施肥處理中甘蔗產(chǎn)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(duì)甘蔗產(chǎn)量的影響效果顯著優(yōu)于單一施用NPK處理，而且隨著施用時(shí)間的延長(zhǎng)，亦能維持較高的甘蔗產(chǎn)量。

2.4 土壤pH與甘蔗產(chǎn)量的相關(guān)性分析

基于1990～2008年18 a間，調(diào)查不同肥料種類長(zhǎng)期定位施用試驗(yàn)區(qū)采集的土壤樣品pH，以及土壤pH與甘蔗產(chǎn)量之間的關(guān)系。其中，土壤pH的結(jié)果詳見表5，甘蔗產(chǎn)量結(jié)果詳見表6。

針對(duì)上述土壤pH與甘蔗產(chǎn)量的數(shù)值進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，甘蔗產(chǎn)量與土壤pH的相關(guān)系數(shù)為0.272**，土壤pH與甘蔗產(chǎn)量的關(guān)系方程式：Y=151 146.068 7*e-0.055 213*pH，甘蔗產(chǎn)量與土壤pH呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系（表7）。

3 討論與結(jié)論

氮的輸入是加速農(nóng)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(chǎn)生強(qiáng)度均大于大氣酸沉降，尤其是長(zhǎng)期偏施氮肥或施氮量超過作物需要時(shí)，酸化作用將更加明顯[21]。

本試驗(yàn)中單施化肥NPK、NPKM及NPK+蔗葉處理，均導(dǎo)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(jié)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(jié)果表明，施用有機(jī)肥能保持甚至提高土壤的酸堿緩沖性能，減緩?fù)寥赖乃峄厔?shì)，其機(jī)理可能與有機(jī)肥中含有大量的鹽基離子有關(guān)；而單施尿素的土壤pH下降的同時(shí)酸堿緩沖性能下降，導(dǎo)致土壤酸化的加速[22]。同時(shí)，大量的研究結(jié)果也表明，在紅壤上施用有機(jī)肥能夠改善紅壤酸度。本試驗(yàn)結(jié)果也表現(xiàn)出類似的結(jié)果。

另一方面，研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能提高磷素的有效性[23]。本試驗(yàn)結(jié)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(shì)。有效鉀含量亦呈現(xiàn)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(jī)肥時(shí)帶入了大量包括鉀元素在內(nèi)的鹽基離子及蔗葉內(nèi)含的鉀元素分解后進(jìn)入土壤所致。

本研究結(jié)果表明，不同施肥處理土壤pH與甘蔗產(chǎn)量呈顯著相關(guān)關(guān)系。這可能與不同施肥處理導(dǎo)致土壤酸化的程度緊密相關(guān)。已有的研究結(jié)果表明，當(dāng)土壤的pH低于5.5時(shí)，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(dǎo)致作物的生長(zhǎng)受到抑制[25]。同樣基于本試驗(yàn)的結(jié)果亦表明：長(zhǎng)期施用單一的氮、磷、鉀化肥可導(dǎo)致紅壤交換性酸和交換性鋁的持續(xù)增加；而長(zhǎng)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(jìn)程。

此外，雖然長(zhǎng)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(jī)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(zhǎng)期施用單一的氮、磷、鉀化肥并不能夠確保甘蔗產(chǎn)量的持續(xù)增產(chǎn)；而化肥配施有機(jī)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(chǎn)量。

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