不同施肥處理對堿性設(shè)施土壤酸化的影響①

王嬡華，段增強，湯　英，薛　鶴，閆秋艷，李　汛

（1 中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京　210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100049）

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不同施肥處理對堿性設(shè)施土壤酸化的影響①

王嬡華1，2，段增強1*，湯英1，2，薛鶴1，2，閆秋艷1，2，李汛1

（1 中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

摘要：為深入了解設(shè)施栽培中幾種常見的施肥處理對堿性土壤酸化的影響，開展了長期定點試驗。三茬試驗結(jié)束后，各處理pHw（去二氧化碳水浸提測定）、pHCa（0.01 mol/L CaCl2浸提測定）均顯著降低，土壤發(fā)生酸化。U（底肥為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀，追肥為尿素）與CF（底肥為硝基復(fù)合肥（15-15-15）、尿素和硫酸鉀，追肥為尿素）處理（兩處理施入氮磷鉀量相等）氮吸收量與超量陽離子吸收量總體無差異，使得U與CF處理兩者間的pH（pHw與pHCa）總體無差異。有機肥添加可促進作物氮與超量陽離子吸收，使得10 ～ 20 cm土壤pH下降幅度顯著增大，加強土壤酸化。由于土壤為堿性，酸化有助于改良土壤，目前無需采取措施抑制土壤酸化。

關(guān)鍵詞：施肥；設(shè)施土壤；酸化；pH；超量陽離子

設(shè)施栽培極大地增加了農(nóng)民的收入，現(xiàn)已成為我國許多地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)。不同地區(qū)的菜農(nóng)因為土地所有權(quán)不同、種植經(jīng)驗差別，也為了追求短期或長久的最大經(jīng)濟效益，養(yǎng)成了不同的施肥習(xí)慣［1-3］，但均存在過量施肥的現(xiàn)象，使土壤出現(xiàn)不同程度的酸化與次生鹽漬化現(xiàn)象［1，3-6］，不僅制約了設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，也對農(nóng)產(chǎn)品安全和生態(tài)環(huán)境造成了不利的影響［7］。為深入了解設(shè)施栽培中幾種常見的施肥方式對堿性土壤酸化的影響，在江蘇省蘇州市太倉陸渡鎮(zhèn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園一試驗基地開展了長期定點試驗，監(jiān)測土壤的pH變化，觀測作物的生長以及對各種元素的吸收狀況，為制定合理的肥料管理措施、準確進行酸化預(yù)測和有效治理提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

2012年9月，于蘇州太倉市陸渡鎮(zhèn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)內(nèi)選取一閑置的八連棟大型塑料大棚作為試驗基地，開展長期定點試驗，監(jiān)測土壤的酸化發(fā)展過程。棚內(nèi)土壤為滲育型水稻土，基本理化性質(zhì)見表1。該大棚建造于2007年，先后用于花卉和蔬菜種植，大棚坐北朝南，南北總長40 m，東西總長64 m，單棟棚寬8 m，高5 m，常年覆膜，棚頂兩側(cè)可卷起透氣通風(fēng)。棚內(nèi)可覆二層膜，膜高4.5 m。地面上有鋼管搭建的小拱棚，寬4 m，高約1.8 m，可在嚴冬加蓋三層膜保溫。

表1　耕層土壤基本理化性質(zhì)Table 1　Basic properties of the surface soil

1.2試驗設(shè)置

棚內(nèi)開展不同施肥處理對土壤酸化過程的影響試驗，小區(qū)寬1.5 m，長16 m，處理設(shè)置見表2，每處理3個重復(fù)，隨機排列。過磷酸鈣、硫酸鉀、硝基復(fù)合肥（15-15-15）、商品有機肥作基肥一次性施入，U處理（底肥為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀，追肥為尿素）與U+OF處理（OF為有機肥）中尿素40% 基施，剩余60% 分3次追施，每次20%。CF處理（底肥為硝基復(fù)合肥（15-15-15）、尿素和硫酸鉀，追肥為尿素）與CF+OF處理中尿素追施量及次數(shù)均與U和U+OF處理相同，剩余尿素基施，4個處理施入總化肥氮磷鉀量相等。作物進行常規(guī)管理，滴灌帶進行灌溉，灌溉水為河水，輪茬順序為青椒（2012年9月—2013年5月）-玉米（2013年6月—2013年8月）-青椒（2013年8月—2014年5月），其中玉米為填閑作物，免耕且不施肥。

表2　各處理的施肥設(shè)置（kg/（hm2·a））Table 2　Application rate of all kinds of fertilizers in each treatment

1.3樣品采集

記錄整個生長期的辣椒產(chǎn)量，在盛果期，每區(qū)隨機采摘10個相同生長部位的辣椒作為果實代表樣；在辣椒收獲結(jié)束與玉米生長結(jié)束時，每區(qū)隨機挑選3株植株，采集辣椒植株樣、玉米果實與玉米秸稈樣品；植株與果實樣品采回后，洗凈，105℃下殺青30 min，60℃下烘干后粉碎保存。

采集植株樣品的同時，在每個小區(qū)取3鉆土，分3層（0 ～ 5、5 ～ 10、10 ～ 20 cm）保存，土壤經(jīng)除雜、風(fēng)干，過1 mm篩保存。

表3　各處理中引入的可溶性鹽元素含量 （kg/（hm2·a）） 及銨態(tài)氮和酰胺態(tài)氮硝化對質(zhì)子的最大貢獻量Table 3　Element contents of soluble salts and the utmost content of protons derived from ammonium and amide N nitrification in each treatment

1.4樣品的分析項目

植物樣品用硫酸消煮后［8］上ICP測定N、P、K、Na、Ca、Mg的元素含量，用硝酸消煮后上ICP測定S元素含量。超量陽離子量［9］（kmol） = （K++ Ca+0.5+ Mg+0.5+ Na+） - （H2PO4-+ SO4-（0.5）+ Cl-），每公頃的超量陽離子量為單株植株與果實體內(nèi)的超量陽離子量總和與每公頃的株數(shù)乘積，辣椒按每公頃45 000株計算，玉米按每公頃60 000株計算。

pH用pHS-3C型酸度計測定，液土質(zhì)量比為5︰1，當(dāng)浸提劑為去二氧化碳去離子水且振蕩時間為5 min時，測定值記為pHw；浸提劑為0.01 mol/l CaCl2且振蕩時間為1 h時，測定值記為pHCa；△ pH = pH0 -pHⅢ，即pH△為試驗開始前的土壤pH（pH0）與第三茬結(jié)束后的土壤pH（pHⅢ）之差。

1.5數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0、Excel 2003進行統(tǒng)計分析作圖，單因素多重比較用 Duncan法（P＜0.05），雙因素多重比較用S-N-K法（P＜0.05）。

2　結(jié)果與分析

2.1不同施肥處理對土壤pH的影響

在0 ～ 20 cm土層范圍內(nèi)，三茬作物CK處理的pHw最高；U與CF處理對pHw的影響僅在第三茬10 ～ 20 cm土層范圍內(nèi)顯著，且U處理低于CF處理；有機肥添加對pHw無影響（圖1）；有機肥與氮肥形態(tài)間沒有交互作用。三茬試驗結(jié)束后，各處理各層次pHw均顯著降低。0 ～ 20 cm，CK處理的△pHw最??；0 ～ 10 cm，U與CF處理間無差異，有機肥添加無影響；10 ～ 20 cm，U處理△pHw顯著大于CF處理，有機肥添加使pHw下降幅度顯著增大（表4）。

圖1　不同施肥處理對土壤pHw的影響Fig. 1　The effect of different fertilizer treatments on the pHw of the soil

表4　試驗前后pH的變化幅度Table 4　The changes of soil pH for different treatments before and after the field testing

0 ～ 20 cm土層范圍內(nèi)，CK處理的pHCa值僅在第二茬 （0 ～ 5 cm）、第一和第三茬 （5 ～ 10 cm）時顯著高于U與CF處理，U與CF處理無差異，有機肥添加可使第一和第三茬的pHCa值顯著降低 （圖2），有機肥與氮肥形態(tài)間沒有交互作用。三茬試驗結(jié)束后，各處理各層次土壤的pHCa值均有下降。U與CF處理的△pHCa無差異，有機肥添加可使5 ～ 20 cm層pHCa下降幅度增大（表4）。

圖2　不同施肥處理對土壤pHCa的影響Fig. 2　The effect of different fertilizer treatments on the pHCa of the soil

2.2不同施肥處理對作物吸氮量的影響

不同施肥處理對作物吸氮量的影響見圖3，第一茬，CK處理氮吸收量最低，U與CF處理間無差異，有機肥添加無影響；第二茬，處理間無差異；第三茬，CK處理氮吸收量最低，U處理的氮吸收量顯著高于CF處理，有機肥添加使氮吸收量顯著增加；三茬試驗中氮的總吸收量，CK處理最低，U與CF之間無差異，有機肥添加使氮吸收量顯著增加，有機肥與氮肥形態(tài)間沒有交互作用。

圖3　不同施肥處理對作物吸氮量的影響Fig. 3　The effect of different fertilizer treatments on the amount of nitrogen absorbed by crops

2.3不同施肥處理對作物超量陽離子吸收量的影響

圖4為不同施肥處理對作物超量陽離子吸收量的影響，從圖中可知，第一茬，U與CF處理間無差異，有機肥添加使超量陽離子吸收量顯著增加；第二茬，CK處理超量陽離子吸收量最低，U處理超量陽離子吸收量顯著高于CF處理，有機肥添加使超量陽離子吸收量顯著降低；第三茬，CK處理超量陽離子吸收量最低，但U與CF處理間無差異，有機肥添加使超量陽離子吸收量顯著增多，有機肥與氮肥形態(tài)間沒有交互作用。三茬總和結(jié)果與第三茬結(jié)果相同。

圖4　不同施肥處理對超量陽離子吸收量的影響Fig. 4　The effect of different fertilizer treatments on the amount of excess cations absorbed by crops

3　討論

在設(shè)施蔬菜的生產(chǎn)過程中，菜農(nóng)的施肥管理總體分為兩類：一是只施化肥。這一類多見于租用他人或政府的土地進行蔬菜生產(chǎn)，為盡快獲得最大效益，減少人工投入，只施用化學(xué)肥料（信息來源于實地考察）；二是化肥與有機肥結(jié)合施用。這一類多見于用自家分配的土地進行蔬菜生產(chǎn)，為了長遠利益，不惜加大投入，施用大量的有機肥，同時也為了獲得當(dāng)前的最大收益，不減少化肥施用量［1-3］。不同施肥處理對土壤的酸化影響應(yīng)有不同，其主要通過以下幾個方面影響土壤酸化：①肥料本身的致酸效果不同［9］。酰胺態(tài)氮和銨態(tài)氮肥，在硝化的過程中會生成大量的質(zhì)子，而硝態(tài)氮肥則不會引入質(zhì)子。尿素在初始水解的過程中，還會釋放大量的 OH-，從而使土壤暫時堿化［9］。本研究中U與CF處理因為引入的氮形態(tài)存在差異，其可引入的最大質(zhì)子量表現(xiàn)為CF處理略高于U處理。過磷酸鈣肥料為混合物，含有少量的游離酸，其酸化效果要強于復(fù)合肥中的磷，本研究中第三茬（10 ～ 20 cm）U處理的pH低于CF處理可能與此有關(guān)。有機物為酸堿緩沖物質(zhì)，可使土壤趨于中性，本研究中土壤為堿性，所以有機肥的添加可使土壤pH下降幅度增大（圖1、圖2、表4），這與張永春等［10］的研究結(jié)論一致。也有研究結(jié)果表明，施用有機肥可提高堿性土壤的pH，抑制酸化［11］，這應(yīng)與不同有機肥的制備工藝及添加物質(zhì)有關(guān)。不同的肥料處理向土壤引入的鹽分數(shù)量不同（表3）［10-12］，引入的可溶性鹽越多，EC越高，pHw越低［13-14］。②對作物氮吸收量影響不同。氮吸收對酸化的影響取決于氮肥的形態(tài)［9］。尿素分子中的氮不論其以何種形態(tài)的氮被吸收，植物吸收一個尿素分子中的氮，土壤中質(zhì)子凈增長量為零，氮吸收量越大，致酸效應(yīng)越弱；植物吸收一個硝態(tài)氮，土壤中質(zhì)子凈增長量為 -1，因此硝態(tài)氮肥吸收量越大，堿化效應(yīng)越強；銨根離子中的氮無論其以何種形態(tài)被吸收，植物每吸收一個氮土壤中質(zhì)子凈增長量為1，則銨態(tài)氮肥吸收量越大，酸化效應(yīng)越強。有機肥中的有機氮無論其以何種形態(tài)被吸收，土壤中質(zhì)子凈增長量也為零，氮吸收量越大，致酸效應(yīng)越弱。一個處理中通常含有幾種類型的氮，如本研究中的CF處理就添加有3種形態(tài)的氮（表3：酰胺態(tài)、銨態(tài)、硝態(tài)），氮吸收對酸化的貢獻取決于作物體內(nèi)兩種來源氮（即銨態(tài)氮與硝態(tài)氮）含量之差，因此本研究中無法單獨根據(jù)氮吸收量的大小來判斷不同施肥處理對土壤酸化的影響。③對作物超量陽離子吸收量影響不同。由于作物主動吸收陽離子時分泌質(zhì)子［9，15］，吸收陰離子時分泌OH-，而植物總是吸收陽離子更多，陰陽離子吸收量差值越大，則對酸化貢獻越大。超量陽離子為非氮無機陰陽離子之差，其值越大，對土壤酸化貢獻越大［5， 9］。增加肥料中的硝態(tài)氮含量可以促進陽離子的吸收，抑制非氮陰離子的吸收，從而使超量陽離子吸收量增大［16］。但在本研究中，盡管CF處理相比 U處理含有更多的硝態(tài)氮，兩者超量陽離子吸收量沒有差異。而U與CF處理引入的元素在硫和鈣上也存在較大差異（表3），但作物吸收硫很少，土壤本底含有大量的活性鈣也削弱了鈣添加量差異帶來的影響，使得兩處理的超量陽離子吸收量無差異。有機肥的添加可使超量陽離子吸收量增加，這可能與有機肥引入了大量的陽離子尤其是鉀有關(guān)，并且陽離子與有機物結(jié)合，其有效性更高。本研究中有機肥添加可使pH顯著降低（圖1、圖2、表4）應(yīng)與超量陽離子吸收量顯著增大有關(guān)（圖4）。

不同肥料處理對土壤酸化的影響還應(yīng)與酸化評價指標(biāo)和采樣時間有關(guān)。以pHCa為酸化評價指標(biāo)觀測到的酸化強度要比pHw弱，這是因為pHCa在測定的過程中受土壤可溶性鹽含量影響較?。?3-14］，而在肥料施到土壤中后，土壤的可溶性鹽含量會因灌溉、作物吸收、蒸發(fā)等原因發(fā)生波動，影響pHw的測定，從而對酸化評價產(chǎn)生影響。肥料施到土壤中后，在不同的時間采樣觀測到的pH變化也應(yīng)不同。如尿素施到土壤中后初期水解會使土壤 pH升高，此后氮的硝化過程和作物吸收過程會使 pH下降，而每一次追施尿素又會使土壤 pH暫時升高。在作物生長期間，土壤溫度、濕度的變化會對氨揮發(fā)、硝化、作物養(yǎng)分吸收等過程產(chǎn)生影響，從而影響土壤的pH。因此，不同肥料處理對土壤pH的影響是一個復(fù)雜的綜合反應(yīng)，本研究的結(jié)論僅基于每茬作物結(jié)束后的數(shù)據(jù)而來。

由于本研究中的研究對象為堿性土壤，pH下降有助于改良土壤，可使土壤中養(yǎng)分活性增強，促進作物生長，因此不論各種施肥處理對土壤酸化影響如何，均無需采取措施抑制酸化。

4　結(jié)論

1） 三茬試驗結(jié)束后，各處理 pHw、pHCa均顯著降低。pHw的變化幅度顯著高于pHCa，不同施肥處理對pHw的影響大于對pHCa的影響。共同表現(xiàn)為U與CF處理總體無差異，有機肥添加可使10 ～ 20 cm土壤pH下降幅度增大。

2） 三茬試驗中 CK處理的氮與超量陽離子的總吸收量均為最低，U與CF之間無差異，有機肥添加使氮與超量陽離子吸收總量顯著增加。

3） 盡管U與CF處理引入的氮形態(tài)與鹽分含量有所差異，但二者對土壤酸化的影響差異不顯著。有機肥的添加可使10 ～ 20 cm土壤的酸化加強，但這種酸化對堿性土壤而言是一個有益的過程，無需采取措施抑制。

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Effects of Different Fertilizations on Acidification of A Greenhouse Alkaline Soil

WANG Aihua1，2， DUAN Zengqiang1*， TANG Ying1，2，XUE He1，2， YAN Qiuyan1，2， LI Xun1
（1 Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences， Nanjing210008， China；2 University of Chinese Academy of Sciences， Beijing100049， China）

Abstract：To get insights into the effects of some common fertilization treatments on acidification of an alkaline soil in greenhouse system， long-term fixed-plot experiments were conducted. The pHw （determining in suspension of soil in water without CO2） and pHCa （determing in 0.01 mol/l CaCl2） of all the treatments decreased significantly after three consecutive crops，indicating that fertilizations caused soil acidification. There were no differences in the amounts of nitrogen and excess cations absorbed by crops between the U （urea， single superphosphate and potassium sulfate were used as base fertilizer， and urea was also used as topdressing） and CF （nitro-compound fertilizer， urea and potassium sulfate were used as base fertilizer， and urea was also used as topdressing） treatments. The same amount of nitrogen was applied for the two treatments. Therefore， there are no differences in soil pH values between U and CF treatments. Application of organic fertilizer increased the total amounts of nitrogen and excess cations absorbed by crops， leading to the significant decrease in soil pH of 10 - 20 cm layer. Hence， the organic fertilizer promoted the acidification of the alkaline soil. However， the acidification of alkaline soils is beneficial to crop growth and its negative effects can be ignored.

Key words：Fertilization； Greenhouse soil； Acidification； pH； Excess cation

中圖分類號：S-3；S153；S156

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.021

基金項目：①國家科技支撐計劃項目（2014BAD14B04）資助。

* 通訊作者（zqduan@issas.ac.cn）

作者簡介：王嬡華（1986—），女，湖北荊州人，博士研究生，主要從事溫室土壤的酸化與次生鹽漬化研究。E-mail： ahwang@issas.ac.cn