不同培肥模式下紅壤性水稻土的酸度變化特征及其影響因素

謝 軍，梁 豐＊，姜冠杰，張新平，甘雅芬，張 嵚*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，江西南昌 330045）

【研究意義】南方紅壤區(qū)是我國主要水稻產(chǎn)區(qū)，其水稻土總面積占全國耕地面積的30%[1-3]，其糧食貢獻率接近全國糧食總產(chǎn)量的50%[2-3]，在我國農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展和維護國家糧食安全方面有著重要的地位[3]。近25 年來由于長期過量施用化肥尤其是化學(xué)氮肥，我國南方紅壤性水稻土pH 平均下降0.5 個單位[4-5]，已成為水稻生產(chǎn)的重要限制因子[4]。pH 是表示土壤酸度的強度指標，交換性酸（Q+A）是表示土壤酸度的數(shù)量指標[6]，這兩個指標不但可以全面的反映土壤酸度的變化情況，而且能夠從不同角度闡述土壤酸度變化的差異[6]。土壤酸度變化對土壤養(yǎng)分形態(tài)、有效性，土壤微生物活性及植物生長影響較大[6-7]，因此明確不同綠肥培肥模式下紅壤水稻土的酸度變化特征對農(nóng)作物生產(chǎn)實踐及科學(xué)施肥意義重大?！厩叭搜芯窟M展】江西省綠肥資源豐富，常見的綠肥種類有紅花草、肥田蘿卜和油菜等，其中紅花草約占綠肥種植面積的90%以上[8]；綠肥作為一種培肥模式對土壤酸度影響較大，與長期不施肥相比，長期單施紅花草紅壤性水稻土耕層pH 約降低0.05～0.2 個單位[10-11]，而長期施用氮磷鉀肥紅壤性水稻土耕層pH 降低0.1～0.3 個單位左右[9-11]；氮磷鉀肥配施紅花草使耕層pH 升高0.1～0.3 個單位[9,11-12]。同時，影響酸度變化的土壤因素有很多，如陽離子交換量（CEC）、鹽基飽和度（BS%）、有機質(zhì)（SOM）和全氮（TN）等[13-14]，鹽基離子能夠?qū)ν庠醇尤氲乃崞鹁彌_作用[14]，有機質(zhì)與土壤中的質(zhì)子交換作用及礦化過程中釋放的鹽基離子對土壤酸度具有改良作用[14]，而土壤中無機氮的累積和淋洗是土壤酸化的主要原因[13-14]?！颈狙芯壳腥朦c】雖然施用綠肥對紅壤性水稻土的酸度變化已有大量研究，但一般為施用綠肥與不施用綠肥之間的對比研究，缺乏同一綠肥培肥措施下不同培肥模式的對比研究。同時盡管對影響土壤酸度變化的因素已有諸多研究，但這些影響因素對土壤酸度變化的影響程度到底有多大并不十分清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文選擇不施肥（CK）、化肥（NPK）、化肥+紅花草（NPK+GM）、化肥+紅花草+秸稈（NPK+GM+S）和化肥+紅花草+豬糞（NPK+GM+M）等施肥處理，探討不同培肥模式下江西省典型紅壤性水稻土酸度變化特征及其影響因素，深化對紅壤性水稻土酸度變化特征的認知，為紅壤性水稻土的酸化提供合理的改良途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本試驗點位于江西省南昌市江西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地網(wǎng)室內(nèi)（北緯28。76′78′′，東經(jīng)115。83′61′′），屬亞熱帶濕潤氣候，年均溫在17.1～17.8 ℃，≥0 ℃積溫6 256～6 530 ℃，年均降雨量1 567.7～1 654.7 mm，年均日照時數(shù)1 772～1 845 h。

長期定位試驗始于1981年，共設(shè)6個處理，本文選擇其中5個處理即不施肥（CK）、化肥（NPK）、化肥+紅花草（NPK+GM）、化肥+紅花草+秸稈（NPK+GM+S）和化肥+紅花草+豬糞（NPK+GM+M）。每個處理3個重復(fù)，隨機區(qū)組排列。該試驗為微區(qū)試驗，每個小區(qū)面積為0.81 m2（0.9 m×0.9 m），小區(qū)之間用水泥板隔開，水泥板埋深60 cm，地上部分高15 cm。種植制度為早稻-晚稻-冬閑，供試土壤為第四紀紅色黏土發(fā)育的水稻土，質(zhì)地為重壤，初始性質(zhì)如下：pH 為6.5、有機質(zhì)（SOM）2.6 g/kg、全氮（TN）1.8 g/kg、堿解氮（AN）90 mg/kg、速效磷（AP）20.8 mg/kg、速效鉀（AK）87 mg/kg。本文選取1987—2001年的試驗數(shù)據(jù)。

早稻每年3 月下旬播種，4 月底移栽，每區(qū)25 蔸，每蔸2 苗，7 月下旬收割，全生育期120 d 左右；晚稻每年6月下旬播種，7月底移栽，每區(qū)25蔸，每蔸4苗，10月下旬收割，全生育期125 d左右。

1.2 施肥情況

除不施肥處理（CK）外，其余4個處理每年化肥用量均相等，且施肥量隨年限遞增（表1）。早、晚稻施肥量各占1/2，化肥種類分別為尿素、鈣鎂磷肥（主要成分包括Ca3（PO4）2、CaSiO3、MgSiO3）、氯化鉀。有機肥包括紅花草（早稻基肥）、早稻秸稈（晚稻基肥）、豬糞（晚稻基肥）。施肥量見表1，其中有機肥中磷、鉀養(yǎng)分不足的數(shù)量用化肥補足。早、晚稻磷肥均用作基肥，氮、鉀肥均分基肥、分蘗肥、穗粒肥3次施用，各期施用比例為5∶2∶3。

表1 各年份的肥料施肥量Tab.1 Fertilizer application amount in each year kg/hm2

1.3 土壤樣品采集與測定

晚稻收獲7～10 d 后，取耕層（0～20 cm）土樣，每小區(qū)隨機取五鉆混合成1 個土樣，自然風(fēng)干后研磨過0.149 mm 和1 mm 篩，備用。測定指標包括土壤pH（電位法，水土比5∶1）、陽離子交換量（CEC，乙酸銨交換法）、土壤交換性酸（Q+A，KCl 交換-中和滴定法）、全氮（TN，凱氏定氮法）、全磷（TP，NaOH 熔融-鉬藍比色法）、全鉀（TK，NaOH 熔融-火焰光度計法）、堿解氮（AN，堿解擴散法）、速效磷（AP，NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法）、速效鉀（AK，NH4OAC浸提-火焰光度計法）[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS Statistics 22 進行重復(fù)測量單因素方差分析明確不同處理間土壤酸度和各影響因子的差異（P＜0.05）；采用線性擬合的方法明確水稻土酸度變化的影響因子；應(yīng)用Canoco5 進行冗余分析明確各因素對土壤酸度的影響程度；應(yīng)用Origin8.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同培肥模式對酸度指標的影響

處理、試驗?zāi)晗藜疤幚怼聊晗薜慕换プ饔脤H 值均有極顯著影響（P＜0.01）（圖1a）。14 年的平均值表明：與CK 相比，NPK、NPK+GM+S 和NPK+GM+M 等3 個處理的pH 分別增加0.32、0.37 和0.45 個單位，但3個處理之間無顯著差異；NPK+GM處理對土壤pH無顯著提高作用。這表明合理施用化肥、化肥配施紅花草及秸稈、化肥配施紅花草及豬糞均能顯著提高土壤pH。

處理、試驗?zāi)晗薜闹餍?yīng)及處理×年限的交互作用對交換性酸均有極顯著影響（P＜0.01）（圖1b）。14年的平均值表明：CK 與NPK+GM 處理的交換性酸含量最高，分別為2.16 cmol/kg 和2.10 cmol/kg，兩處理間無顯著差異。NPK、NPK+GM+S 和NPK+GM+M 處理顯著降低了交換性酸含量，且NPK 處理降低幅度最大（49.54%），NPK+GM+S 和NPK+GM+M 處理無顯著差異。這表明合理施用化肥、化肥配施紅花草和秸稈、化肥配施紅花草和豬糞均能顯著降低土壤交換性酸含量，有效緩解土壤酸化。

圖1 不同培肥模式對土壤酸度變化的影響Fig.1 The effect of different fertilization treatmentson the acidity indicators

2.2 酸度指標的影響因素

2.2.1 土壤酸度指標與各影響因素的相關(guān)性分析 pH 與CEC、TP、AP、AK 及BS%均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與TN呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與TK呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）；交換性酸與CEC、TP、AP、AK和BS%呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），與AN呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與TK呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）（表2）。

表2 酸度指標與各影響因素的相關(guān)系數(shù)表（N=150）Tab.2 Correlation coefficient table of acidity index witheach influencingindicators（N=150）

2.2.2 土壤酸度指標與各影響因素的冗余分析 根據(jù)線性擬合分析結(jié)果可知，影響pH 的主要指標為CEC、TN、TP、TK、AP、AK 和BS%；影響Q+A 的主要指標為CEC、TP、TK、AN、AP、AK 和BS%。冗余分析結(jié)果表明：CEC、TP、BS%、TN、TK、AP 和AK 可解釋pH 變化的18.8%，其中CEC%和TP 分別能解釋5.6%和4.7%（P ＜0.05）；BS%、CEC 和TN 可解釋交換性酸變化的99.9%，其中BS%和CEC 分別能解釋99.1%和0.8%（P＜0.01）（表3）。

表3 酸度指標與影響指標的冗余分析結(jié)果Tab.3 Redundancy analysis results table of acidity index and impact index

3 討論與分析

3.1 不同培肥模式下紅壤性水稻土的酸度變化特征

本研究結(jié)果表明NPK+GM+S 和NPK+GM+M 處理均能顯著增加土壤pH 0.32～0.45 個單位，NPK+GM處理對土壤pH 無顯著提高作用。Chen 等[18]和Bi 等[20]研究也表明：NPK+GM+M 處理的pH 能增加顯著0.38個單位，NPK+GM 處理對土壤pH 無顯著提高作用。這可能是由于紅花草和豬糞同時還田會投入大量有機物，避免了土壤堿性陽離子的過度消耗，提高土壤酸堿緩沖容量，因此增加土壤pH[6,14,16-17]。NPK+GM 處理土壤pH變化較小的原因可能是紅花草為豆科綠肥，其有機氮含量較高，加入土壤前期有機氮的降解和銨化會使土壤pH上升，但隨著硝化作用的增強pH會下降[6]，最終導(dǎo)致土壤pH無顯著變化。

本研究表明NPK 處理使土壤pH 顯著上升0.38 個單位，而Chen 等[18]研究卻表明NPK 處理會使土壤pH 顯著下降0.28 個單位。這可能是因為本研究的鈣鎂磷肥為堿性磷肥，施入土壤后磷素利用率提高，同時增加鈣鎂等鹽基離子，提高土壤pH。而Chen 等[18]的研究中的過磷酸鈣為中性磷肥，施入土壤后容易引起土壤酸性陰離子（如硫酸根和磷酸氫根）的積累和酸化[17]。

本研究表明NPK 與NPK+GM+S、NPK+GM+M 處理之間的土壤pH無顯著差異，而Chen等[18]和Bi等[20]研究表明NPK+GM+S和NPK+GM+M 處理的土壤pH顯著高于NPK處理。這可能是由于本研究的化肥施用量是隨著試驗?zāi)晗捱f增的（表1），且化肥用量最高達N-P2O5-K2O：300-150-300 kg/hm2，而Chen等[18]和Bi等[20]的研究化肥用量固定，化肥用量的過高可能會減弱紅花草和豬糞等有機物改良土壤酸度的作用。

化肥配施綠肥等處理均能顯著降低土壤交換性酸含量，這與蔡澤江[14]的研究結(jié)果相似：化肥配施豬糞交換性酸含量降低43%。這是由于紅花草和豬糞等綠肥/有機肥含有大量有機物質(zhì)，絡(luò)合H+和Al3+，降低土壤溶液中H+、Al3+的濃度[14,16-17]；同時有機物中酸性含氧官能團的解離和交換鹽基離子的釋放也會增加土壤酸堿緩沖能力，從而降低土壤交換性酸含量[6,14,19]。

3.2 不同培肥模式下紅壤性水稻土酸度變化的影響因素

本研究結(jié)果表明CEC和TP是土壤pH的主要影響因素，分別能解釋pH變化的5.6%和4.7%（P＜0.05）；BS%和CEC 是交換性酸的主要影響因素，分別可解釋交換性酸變化的99.1%和0.8%（P＜0.01）。以CEC和BS%為例，重復(fù)測量單因素方差分析結(jié)果表明不同施肥處理間CEC 和BS%均存在顯著差異（圖2），這也從側(cè)面證明CEC 和BS%是紅壤性水稻土酸度的影響指標。蔡澤江等[14]研究也表明CEC、BS%、TP 與pH 呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這是因為紅花草、秸稈和豬糞等有機物料投入土壤后，有機物與土壤間的質(zhì)子交換作用、有機物的氨化、去羧基作用以及礦化過程釋放大量鹽基陽離子，與土壤膠體表面吸附的H+、Al3+等致酸陽離子發(fā)生交換反應(yīng)，在增加土壤pH、降低交換性酸含量的同時提高鹽基飽和度[17]。且本文的施用的磷肥鈣鎂磷肥為堿性，施入土壤后磷素利用率高，同時增加鈣鎂等鹽基離子，提高土壤pH[21-22]。TN 能夠解釋Q+A 變化的＜0.1%（P＜0.05），可能是因為尿素以硝態(tài)氮的形態(tài)在土壤中累積或淋溶損失，導(dǎo)致土壤凈H+增加，從而引起土壤酸度增加[14,17,19]。

圖2 不同施肥處理間各影響指標的差異Fig.2 Differences in impact indicators between different fertilization treatments

4 結(jié)論

合理施用化肥、化肥配施紅花草和水稻秸稈、化肥配施紅花草和豬糞等培肥模式均能夠顯著提高土壤pH 并且降低交換性酸含量；BS%、CEC、TP 和TN 是紅壤性水稻土酸度的主要影響因素。因此在南方紅壤性水稻土的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中注意化肥的用量，化學(xué)磷肥宜選擇鈣鎂磷肥，且在施用化肥的同時配施適量的紅花草和水稻秸稈（豬糞）。

致謝：江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院盧志紅老師對研究給予了幫助，謹致謝意!