不同施肥結構對酸性黃棕壤修復效果研究①

佀國涵，王 毅，徐大兵，趙書軍，譚 軍，彭五星（ 湖北省農業(yè)科學院植保土肥研究所，武漢 40064； 湖北省煙草公司恩施州公司，湖北恩施 445000； 湖北省煙草科學研究院，武漢 4000）

不同施肥結構對酸性黃棕壤修復效果研究①

佀國涵1，王 毅3，徐大兵1，趙書軍1，譚 軍2，彭五星2
（1 湖北省農業(yè)科學院植保土肥研究所，武漢 430064；2 湖北省煙草公司恩施州公司，湖北恩施 445000；3 湖北省煙草科學研究院，武漢 430030）

利用 3年田間定位試驗，研究了不同施肥結構對酸性黃棕壤酸性、交換性能以及微生物區(qū)系的影響。結果表明：連年施用有機肥以及配施石灰和白云石粉均能顯著降低土壤中交換性酸和交換性 Al3+的含量，提高土壤pH，且不同施肥結構對修復黃棕壤酸性的效果為有機肥配施石灰＞有機肥配施白云石粉＞有機肥；連年施用有機肥以及配施石灰主要提高了土壤中交換性 Ca2+含量，而配施白云石粉則主要提高了土壤中交換性 Mg2+含量；有機肥配施石灰和白云石粉均降低了土壤中真菌的數量，但提高了土壤中細菌/真菌比、放線菌/真菌比以及細菌和放線菌數量，改善了土壤微生物群落結構，增加了煙葉的產量和產值。

施肥結構；黃棕壤；土壤酸度；交換性能；土壤微生物

土壤酸化是土壤退化的主要表現(xiàn)形式之一［1］。土壤酸化加速了土壤中養(yǎng)分離子的淋失以及有毒元素的釋放和活化，從而造成了土壤“既酸又瘦”，大量釋放的鋁離子和重金屬離子抑制了作物生長［2-4］，土壤酸化已是限制大多數作物生長的主要環(huán)境脅迫因子之一［5］。李潔等［6］研究表明，在旱地紅壤中，化肥配施石灰和氧化鎂極顯著地提高了土壤的pH，降低了土壤交換態(tài)鋁的含量，且能提高土壤陽離子交換量和有效陽離子交換量。陳雯雯等［7］研究發(fā)現(xiàn)，施用菇渣以及菇渣-熟牛糞均能有效提高紅壤的pH，增加土壤可培養(yǎng)細菌數量，提高花生產量。龍光強等［8］研究表明，長期高量施用有機肥提高了紅壤的pH，增加了紅壤Ca2+和Mg2+離子濃度，降低了紅壤旱地表層土壤交換性酸含量，且在高量施肥基礎上添加石灰能夠迅速提高土壤pH，加快土壤酸度改良。目前關于酸性土壤改良的研究多集中于酸性紅壤的修復，而對酸性黃棕壤的修復研究報道較少。黃棕壤是長江中下游主要的地帶性土壤，面積約1 008.5萬hm2，主要分布于長江與秦嶺-淮河之間低山丘陵地區(qū)，包括湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、陜南及豫西南等地，其中以湖北省的分布面積最廣（600.1萬hm2），成土母質主要為第四紀上更新統(tǒng)黃褐色亞黏土、砂頁巖、花崗巖、花崗片麻巖和玄武巖等風化產物。由于長期耕作和施肥措施的不合理，近年來黃棕壤也出現(xiàn)了明顯的酸化趨勢，國涵等［9］研究表明在湖北省西南部山區(qū)，近30年間黃棕壤的平均pH降低了0.97個單位。本研究針對旱地酸性黃棕壤，采用定位試驗的方式，設置不同有機肥施用量以及有機肥配施石灰、白云石粉的處理，研究有機肥長期施用以及配施石灰、白云石粉等堿性物質對黃棕壤酸性、交換性能以及微生物區(qū)系的影響，旨在為酸性黃棕壤的修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗區(qū)設在湖北省宣恩縣曉關鄉(xiāng)大巖壩村，土壤類型為黃棕壤（鐵質濕潤淋溶土）。試驗前該田塊的種植模式為烤煙連作。

1.2 試驗設計

定位試驗從2012—2014年，共3年，采用烤煙連作的種植模式，烤煙品種為云煙 87，煙苗移栽均在每年的5月15日左右進行。試驗共設5個處理：①常規(guī)施化肥（F）；②70% 化肥 +30% 有機肥（FGM1）；③40% 化肥 +60% 有機肥（FGM2）；④70%化肥 +30有機肥 +1 500 kg/hm2石灰（FGLM）；⑤70% 化肥 +30% 有機肥 +1 950 kg/hm2白云石粉（FGDO）。常規(guī)施化肥的施氮量為 N 112.5 kg/hm2，氮、磷、鉀按N︰P2O5︰K2O=1︰1.2︰3的比例施用。凡施用有機肥的處理以氮為基準按有機氮占施用總氮的比例計算有機肥施用量，扣除有機肥中磷、鉀含量，磷、鉀養(yǎng)分不足部分以過磷酸鈣和硫酸鉀補足。氮肥和鉀肥的70% 用作基肥，30% 用做追肥，有機肥和磷肥均作為基肥一次性施用，石灰和白云石粉在翻耕前撒施。氮肥采用煙草專用復合肥（N︰P2O5︰K2O比例為10︰10︰20），石灰中CaO含量為950 g/kg，白云石粉中CaO含量為306 g/kg，MgO含量為210 g/kg，磷肥采用過磷酸鈣，鉀肥采用硫酸鉀，有機肥由湖北省鄂州市廣豐生態(tài)農業(yè)開發(fā)有限責任公司提供，其中有機質含量≥450 g/kg，N︰P2O5︰2O比例為：1.6︰2.7︰0.5。試驗小區(qū)的面積為25.9 m2，3次重復，隨機區(qū)組排列。

1.3 樣品采集與測定

2012—2014年間于每年起壟施肥后60天左右，隨機選取煙壟上兩株煙正中的位置采集0 ～ 20 cm混合土樣，一部分鮮樣混勻并過2 mm篩后于4℃下保存，用于土壤微生物區(qū)系（細菌、真菌和放線菌）的測定，其余的土樣風干研磨過1 mm篩后用于土壤pH、交換性酸、交換性鋁以及交換性鹽基離子的測定。待煙葉采烤完畢后，按小區(qū)分別進行計產計值。

測定項目及方法：土壤 pH采用電位法（水土比2.5︰1）；土壤交換性酸和交換性Al3+采用1 mol/L KCl交換-中和滴定法；交換性K+、Na+采用乙酸銨交換-火焰分光光度計法測定，交換性 Ca2+、Mg2+采用乙酸銨交換-原子吸收法測定［10］。土壤微生物區(qū)系分析采用稀釋平板法［11］，土壤細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，真菌用馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌用改良的高氏 1號培養(yǎng)基。

1.4 數據分析

試驗數據采用SAS 9.1軟件進行ANOVA方差分析，其他統(tǒng)計分析采用Excel 2007軟件。

2 結果與分析

2.1 不同施肥結構對土壤pH影響

土壤pH是土壤活性酸指標，其變化最能直觀反映土壤的酸化情況。由圖1可知，2012年不同處理間土壤pH無顯著差異，2013—2014年FGLM處理的pH均顯著高于F處理、FGM1處理和FGM2處理，但與FGDO處理差異不顯著；在不同處理中以FGLM處理的土壤pH最高，其土壤pH于2012—2014年較F處理分別提高了0.39、0.74和0.68個單位，而FGDO處理土壤pH于2012—2014年較F處理分別提高了0.10、0.33和0.52個單位?？梢娪袡C肥配施石灰和白云石粉均能在一定程度上提高土壤的pH，且配施石灰對提升土壤pH的效果優(yōu)于白云石粉。2014年FGM2處理的土壤pH顯著高于F處理和FGM1處理，而在2012—2013年則無顯著差異，這表明連年大量施用有機肥顯著提高了土壤的pH。

圖1 不同施肥結構對土壤pH的影響Fig. 1 Effects of different fertilization structures on soil pH

2.2 不同施肥結構對土壤交換性酸和交換性 Al3+的影響

土壤交換性酸是對作物最有害的一種酸度形態(tài)，其存在表明土壤中交換性鹽基十分貧乏，其位置被交換性氫、鋁代替［12］。由表1可知，2012—2014年間，F(xiàn)處理的交換性酸和交換性 Al3+的含量均顯著高于其他處理，而以FGLM處理的交換性酸和交換性Al3+含量最低，且均顯著低于其他處理，可見有機肥配施石灰在短期內能顯著降低酸性土壤中交換性酸和交換性Al3 +含量；在2012年FGM1、FGM2處理和FGDO處理間的交換性酸和交換性 Al3+含量無顯著差異，至2013年時FGDO處理的交換性酸和交換性Al3+含量顯著低于FGM1處理和FGM2處理，但至2014年時FGM2處理和FGDO處理的交換性酸和交換性Al3+含量顯著低于 FGM1處理，這表明隨著施用年限的增加，施用有機肥以及白云石粉均能顯著降低酸性土壤中交換性酸和交換性 Al3+含量。

表1 不同施肥結構對土壤交換性酸和交換性Al3+含量的影響（cmol/kg）Table1 Effects of different fertilization structures on soil exchangeable acid and exchangeable Al3+

2.3 不同施肥結構對土壤交換性鹽基組成的影響

由表2中可知，2012年不同施肥處理間的交換性Ca2+、Mg2+、K+、Na+和鹽基總量均無顯著差異。2013—2014年，F(xiàn)GLM處理的交換性Ca2+含量顯著高于F、FGM1和FGDO處理，F(xiàn)GLM處理2013年交換性Ca2+含量較F、FGM1處理和FGDO處理分別提高了54.8%、59.3% 和49.1%，2014年則分別提高了65.6%、47.2% 和30.9%；2013—2014年，F(xiàn)GDO處理的交換性 Mg2+含量顯著高于其他處理，F(xiàn)GDO處理的交換性Mg2+含量2013年較F、FGM1、FGM2處理和FGLM處理分別提高了78.6%、64.5%、68.9% 和101.6%，2014年則分別提高了86.7%、103.9%、138.5% 和55.0%；不同施肥處理間的交換性K+、Na+和鹽基總量于 2012—2013年均無顯著差異，但在2014年，F(xiàn)GLM處理的鹽基總量顯著高于F處理和FGM1處理。由上可知，連年施用有機肥以及配施石灰主要提高了土壤中交換性Ca2+含量，而配施白云石粉則主要提高了土壤中交換性Mg2+含量。

表2 不同施肥結構對土壤交換性鹽基組成的影響（cmol/kg）Table2 Effects of different fertilization structures on soil exchangeable base

2.4 不同施肥結構對土壤微生物區(qū)系的影響

土壤微生物種群數量與結構是土壤肥力的重要指標之一。由表3可知，在2013—2014年，F(xiàn)GM1處理和FGM2處理的土壤細菌數量顯著高于F處理，其中2013年FGM1處理和FGM2處理的土壤細菌數量分別較F處理提高了25.0% 和58.9%，2014年分別提高了 30.3% 和 54.5%，可見連年施用有機肥增加了土壤細菌數量，且隨著施用有機肥比例的增加，土壤細菌的數量呈逐漸增加的趨勢；FGLM處理和FGDO處理的土壤細菌數量與FGM1處理無顯著差異，但均顯著高于F處理。

在2013—2014年，F(xiàn)GM1處理和FGM2處理的土壤真菌數量較 F處理均有下降趨勢，其中于 2013 年FGM1處理和FGM2處理土壤真菌數量顯著低于F處理，其土壤真菌數量較F處理分別降低了27.1% 和 31.8%；FGLM 處理的土壤真菌數量于 2013—2014年顯著低于F處理和FGM1處理，而FGDO處理土壤真菌數量于2013年顯著低于其他處理，可見連年施用有機肥以及配施石灰和白云石粉均不利于土壤真菌的生長。

表3 不同施肥結構對土壤微生物區(qū)系的影響（單位：cfu/g）Table3 Effects of different fertilization structures on soil microflora

在2013年，不同處理間的土壤放線菌數量無顯著差異，但FGLM處理的放線菌數量較其他處理有升高趨勢；在2014年時FGLM處理的土壤放線菌數量顯著高于其他處理，其土壤放線菌數量較F、FGM1處理和 FGM2處理分別提高了 30.1%、24.0% 和36.8%?？梢娺B年施用有機肥對土壤放線菌的數量影響不大，但是配施石灰能明顯提高放線菌的數量。

在2013—2014年，F(xiàn)GM1處理和FGM2處理的細菌/真菌比顯著高于F處理；FGLM處理的土壤細菌/真菌比和放線菌/真菌比顯著高于F處理和FGM1處理，而FGDO處理土壤細菌/真菌比和放線菌/真菌顯著高于F處理，可見連年施用有機肥主要提高了細菌/真菌比，而有機肥配施石灰和白云石粉則主要提高了土壤中細菌/真菌比和放線菌/真菌比，改善了土壤微生物群落結構。

2.5 不同施肥結構對煙葉產量和產值的影響

在2012—2013年，F(xiàn)GM1處理和FGM2處理的煙葉產量和產值較F處理均有下降趨勢，其中FGM2處理的煙葉產量和產值顯著低于F處理，但至2014年，F(xiàn)GM1處理和FGM2處理的煙葉產量顯著高于F處理，這表明施用有機肥替代化肥在短期內影響煙葉的產量，但是隨著施用有機肥年限的增加，煙葉的產量有所恢復或提高（表4）。相比FGM1處理，F(xiàn)GLM處理的煙葉產量于2012—2014年分別提高了5.7%、7.3% 和7.0%，煙葉產值分別提高了13.0%、8.8% 和6.9%；FGDO處理的煙葉產量于 2012—2014年較FGM1處理分別提高了 4.0%、5.3% 和7.5%；煙葉產值分別提高了8.7%、5.6% 和11.0%。由上可知，有機肥配施石灰、白云石粉等堿性物質均能提高煙葉的產量和產值。

3 討論

酸性土壤修復實際上是土壤酸化的人為逆過程，它通過降低土壤交換性氫、鋁含量，增加鹽基離子濃度，提高土壤pH，恢復土壤微生物群落結構而實現(xiàn)。有機肥通常為堿性，其施用可直接中和土壤表層部分H+，提高pH［13］，同時有機物質在礦化過程中，產生大量的有機酸、腐殖質，它們包含如羥基、苯酚等官能團，可消耗土壤中質子氫，與土壤中羥基鋁、鐵水合氧化物發(fā)生配位體交換，降低土壤酸度［14］。本研究表明，施用30% 有機肥處理和施用60% 有機肥處理在2012— 2013年的土壤pH與常規(guī)施肥處理均無顯著差異，但是其交換性酸和交換性Al3+的含量在2012—2013年均顯著低于常規(guī)施肥處理，這與龍光強等［8］的研究一致，這可能是由于有機肥在施用短期內主要降低土壤中交換性Al3+的含量，而對于土壤pH的提高貢獻有限；陳梅等［15］研究表明土壤交換性 Al3+的減少和土壤pH升高與土壤有機質含量增加有關。本研究表明，2014年時施用60% 有機肥處理的土壤pH顯著高于常規(guī)施肥處理，且土壤交換性酸和交換性 Al3+含量均顯著低于施用30% 有機肥處理，可見隨著施用有機肥年限以及施用量的增加，土壤中有機質含量有所增加，從而使得土壤交換性酸和交換性 Al3+含量顯著降低，土壤pH顯著提高。Xu等［16］認為紅壤酸度主要是鹽基離子尤其是Ca2+離子淋失與凋落物、施肥等輸入間收支差異的結果。本研究表明，2012—2013年施用有機肥處理的交換性Ca2+、交換性Mg2+、交換性Na+和交換性K+與常規(guī)施肥處理無顯著差異，但是至2014年施用60% 有機肥處理的交換性Ca2+含量顯著高于常規(guī)施肥處理。

大量研究表明，石灰及白云石粉施用可以顯著提高土壤pH，降低交換性酸含量，補充鹽基離子［17-20］。本研究表明，30% 有機肥配施石灰和白云石粉顯著降低了土壤中交換性酸和交換性 Al3+含量，提高了土壤pH，但是配施石灰降低土壤交換性酸和交換性Al3+及提高土壤pH的效果優(yōu)于配施白云石粉，且配施石灰主要提高了土壤中交換性 Ca2+含量，而配施白云石粉則主要提高了土壤中交換性Mg2+含量。這可能是由于石灰的主要成分為CaO，在土壤中遇水后生成可溶性強堿物質Ca（OH）2，它能夠在短時間內中和土壤活性酸和交換性酸，增加土壤交換性 Ca2+含量，而白云石粉的主要成分為CaMg（CO3）2，系一種碳酸鹽礦物，MgO的含量為210 g/kg，白云石粉在酸性土壤中與H+緩慢反應，消耗土壤中的活性酸和交換性酸，同時補充Ca2+和Mg2+，因此使用白云石粉可以補充 Mg2+，從而避免長期施用石灰造成的土壤 Ca2+/Mg2+比例失調，且白云石粉在土壤中的反應較為溫和，適用于酸性土壤。

土壤是活的有機體，土壤微生物參與土壤的物質循環(huán)和能量轉換，是衡量土壤質量重要的生物學指標。土壤pH與土壤微生物量具有很好的相關性，不同土層的土壤微生物量會隨著土壤 pH的提高而增加［21］。本研究表明，施用有機肥后，土壤的細菌數量和細菌/真菌比較常規(guī)施肥顯著提高，這可能與有機肥施用增加了土壤中碳源，提高了土壤 pH有關。作物長期連作改變了旱地土壤微生物種群結構，顯著降低了土壤中細菌和放線菌數量，提高了真菌數量［22-23］，而施用石灰可以修復土壤微生態(tài)環(huán)境，提高土壤微生物C、N量、呼吸速率和代謝熵［24］。本研究表明，有機肥配施石灰和白云石粉等堿性物質，提高了土壤中細菌、放線菌數量以及細菌/真菌、放線菌/真菌比，降低了土壤中真菌的數量，從而改變了長期連作土壤微生物的群落結構，改善了土壤微生態(tài)環(huán)境，提高了土壤質量。

4 結論

1） 施用有機肥能在短期內降低了土壤中交換性酸和交換性Al3+的含量，而對于土壤pH影響不大，隨著施用有機肥年限以及施用量的增加，施用有機肥處理的土壤pH、交換性Ca2+含量以及鹽基總量較常規(guī)施肥處理均有升高趨勢，但對交換性 Mg2+、交換性Na+和交換性K+的影響不大。

2） 有機肥配施石灰和白云石粉均顯著降低了土壤中交換性酸和交換性Al3+含量，提高了土壤pH，但是配施石灰在降低土壤交換性酸和交換性 Al3+以及提高土壤pH的效果上優(yōu)于配施白云石粉，有機肥配施石灰主要提高了土壤中交換性 Ca2+含量，而配施白云石粉則主要提高了土壤中交換性Mg2+含量。

3） 施用有機肥增加了土壤中細菌的數量以及細菌/真菌比；有機肥配施石灰和白云石粉提高了土壤中細菌、放線菌數量以及細菌/真菌比、放線菌/真菌比，但降低了土壤中真菌的數量。

4） 施用有機肥在短期內影響煙葉的產量，但是隨著施用年限的增加，煙葉的產量有所恢復或提高；有機肥配施石灰及白云石粉等均能提高煙葉的產量和產值。

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Amelioration Effects of Different Fertilization Structure on Acid Yellow Brown Soil

SI Guohan1， WANG Yi3， XU Dabing1， ZHAO Shujun1， TAN Jun2， PENG Wuxing2
（1 Plant Protection and Soil Fertilizer Institute， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， China；2 Enshi Branch of Hubei Tobacco Company， Enshi， Hubei 445000， China； 3 Hubei Academy of Tobacco Sciences，Wuhan 430030， China）

A consecutive 3-year field experiment was conducted to study the effects of different fertilization structure on soil acidity， exchange capacity and soil microflora in acid yellow brown soil. The results indicated that consecutive application of organic fertilizer and organic fertilizer application combined with lime and dolomite powders reduced significantly soil exchangeable acid and exchangeable Al3+， and increased soil pH. The amelioration effects of different fertilization structure were organic fertilizer application combined with lime＞organic fertilizer application combined with dolomite fines ＞organic fertilizer. Consecutive application of organic fertilizer and organic fertilizer combined with lime mainly increased soil exchangeable Ca2+，while combining with dolomite fines principally promoted soil exchangeable Mg2+. Organic fertilizer application combined with lime and dolomite fines both reduced the population of soil fungi， but increased bacteria/fungi ratio， actinomycetes/fungus ratio and the population of bacteria and actinomycetes， which changed the structure of microbial community， and increased the yield and value of tobacco leaves.

Fertilization structure； Yellow brown soil； Soil acidity； Exchange capacity； Soil microorganisms

S156.6

10.13758/j.cnki.tr.2016.04.014

湖北省煙草專賣局重點科研項目（027Y2012-081）、湖北省農業(yè)科技創(chuàng)新中心資助項目（2011-620-003-03-06）和湖北省煙草專賣局重點科技項目（鄂煙科［2013］18號）資助。

佀國涵（1981—），男，河南濮陽人，碩士，助理研究員，主要從事植物營養(yǎng)與土壤微生物方面的研究。E-mail： siguoh@qq.com