長期不同施肥模式對雙季稻田土壤酸中和容量的影響

石麗紅，孫 梅，唐海明，龍澤東，孫 耿，文 麗，李 超，羅尊長

(湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125)

近年來，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中由于頻繁出現(xiàn)酸沉降、化學(xué)氮肥過量施用、農(nóng)作物秸稈和產(chǎn)品移除等因素導(dǎo)致土壤酸化問題嚴(yán)重[1]，農(nóng)田土壤酸化問題已經(jīng)成為我國農(nóng)田土壤迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一[2]。前人研究結(jié)果表明，土壤中腐植酸、硅酸鹽礦物、鐵鋁氧化物和碳酸鹽等物質(zhì)均能對輸入土壤中的酸具有相應(yīng)的緩沖作用[3]，對酸緩沖能力的大小被稱之為土壤酸緩沖容量(Acid buffering capacity，ABC)或酸中和容量(Acid neutralizing capacity，ANC)。

土壤酸緩沖性能(ABC、ANC、酸瞬時緩沖容量(Instant acid buffering capacity，IAC))是評價稻田土壤酸化的重要指標(biāo)，與土壤pH值、土壤有機質(zhì)(Soil organic carbon，SOC)、碳酸鹽含量、陽離子交換量(Cation exchange capacity，CEC)、種植制度、土壤耕作和施肥模式等關(guān)系密切[4-5]。其中，不同施肥措施是影響農(nóng)田土壤酸緩沖性能的關(guān)鍵因素。前人研究認(rèn)為，鈣鎂等鹽基離子淋失是造成土壤酸緩沖容量或酸中和容量下降的主要作用機制[6]；長期采取有機肥配施化肥措施可減緩因氮素轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的H+所造成土壤酸化問題[7-8]。毛妍婷等[9]研究結(jié)果認(rèn)為，長期施用有機肥(牛糞)可顯著減少農(nóng)田耕層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，增加有機質(zhì)含量，減緩耕層土壤酸化作用。李源環(huán)等[10]研究結(jié)果表明，土壤質(zhì)地對植煙土壤酸緩沖性能具有顯著的影響，其土壤酸堿緩沖量為17.26 mmol/kg，黃棕壤的酸堿緩沖量顯著高于黃壤。由于試驗田所在的環(huán)境條件、土壤類型和肥力水平、種植制度、施肥模式等因素各異，前人所開展不同施肥模式對稻田土壤酸緩沖性能影響的研究結(jié)果均存在一定的差異。

湖南省是我國雙季稻主產(chǎn)區(qū)，選擇科學(xué)合理的施肥措施有利于提高雙季稻田土壤肥力和質(zhì)量，對于保障該區(qū)域水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要的戰(zhàn)略意義。目前，在雙季稻種植制度長期不同施肥模式條件下(有機肥、秸稈還田和化肥)對雙季稻田土壤肥力變化及其影響因素開展了相應(yīng)的研究[11-13]，但在大麥-雙季稻周年多熟制條件下長期不同施肥措施對我國南方雙季稻田不同耕層(0～10 cm和10～20 cm)土壤酸緩沖性能(ANC、ABC、IAC)的影響仍不清楚。因此，本研究依托大麥-雙季稻種植模式長期定位試驗田，以期探明長期(36 a)不同施肥措施條件下雙季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸緩沖性能變化特征，及其與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性，從而為評價該區(qū)域稻田土壤肥力、選擇合理的施肥模式提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

該定位試驗田位于湖南省寧鄉(xiāng)市農(nóng)技中心(28°07′ N，112°18′ E)，試驗田土壤為水稻土，河沙泥土種，土壤肥力中等。該試驗田所處區(qū)域的氣候條件、種植制度、開始試驗前0～20 cm土壤的基礎(chǔ)肥力特性等詳細(xì)信息見文獻(xiàn)[14]。

1.2 試驗設(shè)計及田間管理

施肥田間試驗開始于1986年，包括4個處理：化肥處理(MF，Chemical fertilizer alone)：僅施用化學(xué)氮、磷、鉀肥料；秸稈還田+化肥處理(RF，Rice straw and chemical fertilizer)：稻草秸稈還田和化肥；30%有機肥+70%化肥處理(OM，30% organic matter and 70% chemical fertilizer):有機肥的氮含量占總施氮量的30%，其余70%的氮為化肥氮；對照處理(CK，Without any fertilizer input as a control),不施任何肥料。每個小區(qū)面積66.7 m2(長×寬=10.00 m×6.67 m)，各個小區(qū)用水泥田埂間隔，田埂高出稻田表面35 cm，埋深100 cm。保證各小區(qū)間不竄灌、竄排。早稻和晚稻季，MF、RF和OM處理總N、P2O5和K2O施用量分別為142.5，54.0，63.0 kg/hm2和157.5，43.2，81.0 kg/hm2。有機肥處理所施用的有機肥為腐熟的雞糞，各施肥處理所采用的肥料種類、施肥量、施肥時期、水稻田間管理等詳細(xì)措施見石麗紅等[14]、Tang等[11-12]和徐一蘭等[15]。

1.3 土壤樣品采集

1.4 土壤樣品測定

1.4.2 土壤酸緩沖性能 土壤酸中和容量、酸緩沖容量、酸瞬時緩沖容量的測定具體方法根據(jù)孟亞妮等[18]所介紹的測定方法進(jìn)行。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

本研究中所有的測定項目指標(biāo)均用Microsoft Excel 2003軟件處理。不同施肥處理間各測定指標(biāo)的方差分析均采用SPSS分析統(tǒng)計軟件。采用冗余分析法(RDA，Canoco version 4.5)進(jìn)行環(huán)境因子對土壤酸化影響的解釋度分析，采用Pearson法分析土壤酸緩沖性能(ANC、ABC、IAC)與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性。文中所有圖、表中的數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對雙季稻田土壤酸緩沖性能的影響

各施肥處理雙季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸中和容量(ANC)含量變化分別為10.06～13.76 mmol/kg和9.46～12.60 mmol/kg。MF、RF和OM處理稻田0～10 cm和10～20 cm土壤ANC含量均顯著高于CK處理(P<0.05)，分別比CK處理增加21.34%～36.78%和23.60%～33.18%。0～10 cm土層，OM處理土壤ANC含量顯著高于MF和RF處理(P<0.05)；10～20 cm土層，MF、RF和OM處理間土壤ANC含量均無顯著差異(P>0.05)。不同耕層土壤，各施肥處理0～10 cm土壤ANC含量均高于10～20 cm(圖1-A)。

各施肥處理雙季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸緩沖容量(ABC)含量變化分別為6.82～8.09 mmol/kg和6.77～7.98 mmol/kg。MF、RF和OM處理稻田0～10 cm和10～20 cm土壤ABC含量均顯著高于CK處理(P<0.05)，分別比CK處理增加13.41%～18.67%和13.15%～17.84%。0～10 cm和10～20 cm土層，MF、RF和OM處理間土壤ABC含量均無顯著差異(P>0.05)。不同耕層土壤，各施肥處理0～10 cm土壤ABC含量均高于10～20 cm(圖1-B)。

各施肥處理雙季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸瞬時緩沖容量(IAC)含量變化分別為6.57～7.57 mmol/kg和6.38～7.27 mmol/kg。MF、RF和OM處理稻田0～10 cm和10～20 cm土壤IAC含量均顯著高于CK處理(P<0.05)，分別比CK處理增加9.32%～15.22%和10.93%～14.02%。0～10 cm和10～20 cm土層，MF、RF和OM處理間土壤IAC含量均無顯著差異(P>0.05)。不同耕層土壤，各施肥處理0～10 cm土壤IAC含量均高于10～20 cm(圖1-C)。

2.2 施肥對雙季稻田土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

長期不同施肥措施對雙季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響如表1所示。MF處理稻田0～10 cm和10～20 cm土壤銨態(tài)氮含量均顯著高于RF、OM和CK處理(P<0.05)，MF處理分別比CK處理增加48.15%和51.09%。RF和OM處理稻田0～10 cm和10～20 cm土壤銨態(tài)氮含量均顯著高于CK處理(P<0.05)，但RF和OM處理間均無顯著差異(P>0.05)。不同耕層土壤，各施肥處理0～10 cm土壤銨態(tài)氮含量均高于10～20 cm(表1)。

與CK處理相比，MF、RF和OM處理稻田0～10 cm和10～20 cm土壤硝態(tài)氮含量均顯著提高(P<0.05)，分別比CK處理增加15.38%～204.73%和41.04%～161.94%。0～10 cm和10～20 cm土層，OM處理土壤硝態(tài)氮含量顯著高于MF和RF處理(P<0.05)；其大小順序均表現(xiàn)為OM>RF>MF>CK。不同耕層土壤，各施肥處理0～10 cm土壤硝態(tài)氮含量均高于10～20 cm(表1)。

圖中不同小寫字母表示0.05水平差異顯著。Different small letters in the bar indicated significant difference at P<0.05 level.

表1 長期施肥處理下雙季稻田不同耕層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的變化特征Tab.1 Characteristic of soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen contents at different soil depth in thedouble-cropping rice field with different long-term fertilizer treatments mg/kg

2.3 土壤酸中和容量、酸緩沖容量和土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系

長期不同施肥條件下，雙季稻田土壤理化性質(zhì)與土壤酸緩沖容量、酸中和容量、酸瞬時緩沖容量之間的相關(guān)性分析結(jié)果如表2所示。相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤酸中和容量、酸緩沖容量、酸瞬時緩沖容量與土壤pH值、陽離子交換量均達(dá)到極顯著正相關(guān)(P<0.01)；土壤酸中和容量、酸緩沖容量、酸瞬時緩沖容量與土壤有機碳、全氮含量、電導(dǎo)率均達(dá)到顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤酸中和容量、酸緩沖容量、酸瞬時緩沖容量與土壤堿解氮含量相關(guān)性不顯著；土壤酸中和容量、酸緩沖容量、酸瞬時緩沖容量與土壤交換性鹽基離子含量均極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表2 雙季稻田土壤酸中和容量、酸緩沖容量和土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性Tab.2 Correlation between soil acid neutralizing capacity，acid buffering capacity and soil physicochemical properties in the double-cropping rice field

2.4 土壤酸化指標(biāo)與環(huán)境因子的冗余分析

本研究對長期施肥條件下雙季稻田土壤酸化指標(biāo)與環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析，結(jié)果顯示(圖2)，第1、第2主成分(RDA1、RDA2)分別解釋了總方差變異的68.2%，15.3%，說明不同的施肥措施是影響稻田耕層土壤酸化的主導(dǎo)環(huán)境因子。土壤pH值和有機碳含量與RDA1正軸密切相關(guān)；土壤電導(dǎo)率、陽離子交換量、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量與RDA1負(fù)軸密切相關(guān)。RDA1正軸方向上，OM、CK處理與MF、RF處理間存在明顯的差異；RDA1負(fù)軸方向上，RF、MF處理間存在明顯的差異，這表明與土壤中較高的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量關(guān)系密切。

圖2 不同施肥處理下雙季稻田土壤酸化指標(biāo)與環(huán)境因子的冗余分析Fig.2 Redundancy analysis between soil acidification indexes and environmental factors with different fertilizer treatments in the double-cropping rice field

3 結(jié)論與討論

3.1 不同施肥措施對雙季稻田土壤酸緩沖性能的影響

前人研究認(rèn)為，土壤酸緩沖容量是表示稻田土壤酸緩沖性能重要的指標(biāo)，土壤pH值與其緩沖容量關(guān)系密切，土壤酸緩沖性能越強，其土壤酸環(huán)境條件越穩(wěn)定[3]。本研究在長期(36 a)定位試驗結(jié)果表明，雙季稻田不同耕層(0～10 cm和10～20 cm)土壤酸緩沖性能(酸中和容量(ANC)、酸緩沖容量(ABC)和酸瞬時緩沖容量(IAC))在各個施肥處理中發(fā)生了明顯的變化，不同施肥處理對土壤ANC、ABC和IAC的影響各異。與CK處理相比，OM和RF措施均顯著提高了稻田土壤ANC、ABC和IAC，土壤ANC、ABC和IAC對有機肥和秸稈還田與化肥配施處理的反應(yīng)最顯著，這是因為長期投入秸稈和有機肥措施均對雙季稻田土壤具有明顯的緩沖作用，能明顯提高土壤pH值；另一方面，所還田的秸稈和有機肥不僅有利于培肥稻田土壤，還能釋放堿性物質(zhì)提高土壤酸化緩沖能力，增加土壤pH值[19]。本研究結(jié)果表明，MF處理稻田土壤酸緩沖性能顯著高于CK處理，可能是由于長期施用化肥措施條件下也有利于促進(jìn)水稻植株的生長、根茬秸稈還田量，所還田的根茬秸稈能釋放堿性物質(zhì)中和土壤酸度，增強土壤緩沖酸化的能力，這與汪吉東等[20]的研究結(jié)果相似。

稻田土壤酸緩沖性能易受不同施肥、耕作和種植模式等措施的影響，其中不同施肥和土壤耕作深度措施均是土壤酸緩沖性能重要的影響因素[4-5]。本研究結(jié)果表明，各施肥處理雙季稻田0～10 cm土壤酸緩沖性能(ANC、ABC和IAC)均高于10～20 cm，其原因是本試驗條件下土壤耕作的翻耕深度為10～12 cm，土壤翻耕時將所施用肥料和外源有機物(有機肥和秸稈)均翻壓到稻田0～10 cm表層土壤中，長期施用肥料和外源有機物條件下，影響稻田表層土壤(0～10 cm)微生物區(qū)系和微生物量、土壤微生物固持、水稻根系生長，改善了0～10 cm表層土壤部分理化特性[15]，增加了稻田0～10 cm表層土壤養(yǎng)分供應(yīng)和土壤庫容量、根茬秸稈還田量，進(jìn)而增強了0～10 cm土壤酸緩沖性能。

3.2 雙季稻田土壤酸緩沖性能與土壤理化性質(zhì)關(guān)系的分析

前人研究認(rèn)為，長期投入有機肥能提高農(nóng)田土壤酸緩沖性能、減緩?fù)寥浪峄?，減少其交換性鹽基離子含量[20，24]。稻田土壤酸緩沖性能與土壤理化性質(zhì)關(guān)系密切，毛妍婷等[9]研究結(jié)果認(rèn)為，施氮量是耕層土壤酸化主要的影響因素，施氮量與土壤EC呈正相關(guān)、與土壤pH值呈負(fù)相關(guān)。李源環(huán)等[10]研究結(jié)果表明，土壤酸堿緩沖容量與土壤pH、SOC含量和陽離子交換量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果表明，土壤ANC、ABC、IAC與土壤有機碳、全氮含量、電導(dǎo)率均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤ANC、ABC、IAC與土壤pH值、陽離子交換量均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，這表明長期施肥條件下雙季稻田土壤酸緩沖性能易受土壤pH值、有機碳、全氮含量、陽離子交換量、電導(dǎo)率的影響，采取不同的施肥措施條件下，通過改變土壤pH值、有機碳、全氮含量、陽離子交換量、電導(dǎo)率等土壤理化特性，進(jìn)而影響土壤酸緩沖性能，這與前人的研究結(jié)果相似[10，23，25-26]?？傊?，采取秸稈還田和30%有機肥配施化肥措施均有利于培肥南方雙季稻田土壤、改善土壤理化特性，進(jìn)而增強耕層(0～10 cm和10～20 cm)土壤酸緩沖性能。

長期不同施肥措施能顯著改變雙季稻田不同耕層(0～10 cm和10～20 cm)土壤酸緩沖性能。本研究結(jié)果表明，采取秸稈還田和30%有機肥處理均明顯提高了雙季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸中和容量、酸緩沖容量和酸瞬時緩沖容量，其含量均顯著高于無肥處理；稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸中和容量、酸緩沖容量和酸瞬時緩沖容量大小順序均表現(xiàn)為OM>RF>MF>CK。與CK處理相比，MF、RF和OM處理均顯著增加了雙季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。各施肥處理稻田0～10 cm土壤酸中和容量、酸緩沖容量、酸瞬時緩沖容量、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均高于10～20 cm。土壤酸緩沖性能(ANC、ABC、IAC)與土壤有機碳、全氮含量、電導(dǎo)率均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，土壤酸緩沖性能(ANC、ABC、IAC)與土壤pH值、陽離子交換量均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。綜上所述，長期采取秸稈還田、有機肥配施化肥措施均能增強南方雙季稻田土壤酸緩沖性能，是改善該區(qū)域雙季稻田土壤質(zhì)量最佳的施肥措施。本研究僅針對長期不同施肥處理對雙季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸緩沖性能影響進(jìn)行了初步探討，但不同施肥處理對其土壤微生物多樣性影響機制等方面仍需開展進(jìn)一步研究。