長期不同施肥下小麥離子吸收對土壤酸化貢獻能力的比較①

宋文峰，王 超，陳榮府，文石林，王伯仁，沈仁芳*

(1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國農業科學院衡陽紅壤實驗站，祁陽農田生態系統國家野外試驗站，湖南祁陽 426182；3 中國科學院大學，北京 100049)

長期不同施肥下小麥離子吸收對土壤酸化貢獻能力的比較①

宋文峰1,3，王 超1，陳榮府1，文石林2，王伯仁2，沈仁芳1*

(1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國農業科學院衡陽紅壤實驗站，祁陽農田生態系統國家野外試驗站，湖南祁陽 426182；3 中國科學院大學，北京 100049)

農業生產中長期不合理施肥導致土壤嚴重酸化，除了硝化作用和硝酸鹽淋溶，作物對陽離子吸收是另一個重要的土壤酸度來源。本研究基于湖南祁陽紅壤實驗站農田 25年長期定位試驗研究了長期不同施肥下小麥陰陽離子吸收對土壤酸化貢獻能力的變化。結果表明：長期施用化學氮肥顯著降低土壤 pH，影響小麥生物量，而施用有機肥可緩解土壤酸化，提高小麥生物量；單位面積土壤中小麥吸收陰陽離子對酸化的潛在貢獻能力，即小麥產生的總質子量的大小順序為：有機肥處理(M)>氮磷鉀配施有機肥處理(NPKM)>磷鉀肥處理(PK)>氮磷鉀肥處理(NPK)>不施肥處理(CK)>氮磷肥處理(NP)>氮鉀肥處理(NK)。相關性分析顯示，小麥產生的總質子量與土壤 pH、有效磷含量和地上部總生物量均呈顯著正相關，而土壤pH和有效磷含量均與小麥地上部生物量呈顯著正相關。因此，長期施肥的農田土壤中，隨著酸化程度的加深，作物通過陰陽離子吸收對土壤酸化的貢獻能力減弱，主要原因在于低土壤pH和有效磷含量限制了作物的生長，降低了作物的生物量。

土壤酸化；長期施肥；植物酸化能力；離子吸收

土壤酸化是導致土壤質量退化的重要生物地球化學過程，普遍存在于土壤形成和發育過程中。近幾十年來，人為活動加速土壤酸化的問題變得越來越突出。Guo等[1]對我國農田土壤酸化研究表明，從 20世紀80年代到21世紀初，我國南方酸性紅壤和黃壤酸化程度日益加深，其中糧食和經濟作物區的pH分別降低了0.23和0.30個單位。目前，土壤酸化已經成為我國熱帶和亞熱帶地區限制農業生產和影響環境質量的主要因素之一。

在農業生產中，為了追求高產而不合理地大量施用化學肥料，加上一些不合理的農業管理措施，導致作物對肥料的利用率普遍較低，并加快了土壤酸化過程。農田土壤加速酸化的主要因素包括銨態氮的硝化作用、硝酸鹽淋溶以及作物對陰陽離子的不均衡吸收，這些因素對土壤加速酸化的貢獻能力存在差異[2]。初步調查發現，我國四大耕作系統(雙季稻、水稻–小麥、小麥–玉米和溫室大棚蔬菜)中，施肥導致的氮循環每年釋放到土壤中的H+為20 ~ 221 kmol/hm2，作物對鹽基陽離子吸收向土壤中釋放的 H+為 15 ~ 20 kmol/hm2。目前，大多數研究集中在硝化作用對土壤酸化的貢獻方面，發現在土壤酸化過程中氨氧化古菌發揮主導作用[3]。然而，在土壤酸化過程中，作物吸收鹽基陽離子酸化土壤能力的變化趨勢尚不清楚。

大量研究表明，土壤酸化嚴重抑制作物對養分的吸收并導致農作物減產[4]，因此，不合理的施肥措施主要通過肥料本身及其導致的土壤酸化程度影響作物對陰陽離子吸收。另一方面，土壤酸化過程中，作物陰陽離子吸收的改變直接影響土壤的酸化進程。可見，農田土壤酸化和作物陰陽離子的吸收是相互依賴、相互制約的，闡明兩者的關系對于深刻理解作物對施肥的響應和對土壤酸化的貢獻具有十分重要的意義。本文從作物陰陽離子吸收的角度出發，研究湖南祁陽紅壤站長期肥料定位試驗中不同施肥處理間小麥陰陽離子吸收的差異，探索小麥離子吸收酸化土壤能力與小麥生物量和土壤理化性質之間的關系，為評價不同施肥對農田酸化及農田未來酸化趨勢預測提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

本研究樣地位于湖南省祁陽縣的中國農業科學院國家紅壤肥力與肥料效益長期試驗基地內(111°52￠322E，26°45￠122N)。試驗地位于丘崗中部，開始于1990年，土壤為第四紀紅土母質發育的耕性紅壤，1990年土壤基本性質為pH 5.7，有機質11.5 g/kg，全氮1.07 g/kg，全磷0.52 g/kg，全鉀1.37 g/kg，堿解氮79.0 mg/kg，有效磷13.9 mg/kg。

選取田間長期定位試驗7個典型處理，分別為：不施肥(CK)、化學氮磷肥(NP)、化學氮鉀肥(NK)、化學磷鉀肥(PK)、化學氮磷鉀肥(NPK)、單施有機肥(M)和化學氮磷鉀配施有機肥(NPKM)。每個處理的試驗地面積為 196 m2，各處理均為小麥–玉米輪作，一年兩熟。每年施肥量為 N 300 kg/hm2， P2O5120 kg/hm2和K2O 120 kg/hm2；其中玉米施用肥料量占總施肥量的70%，小麥占總施肥量的30%。氮肥使用尿素(含N 460 g/kg)，磷肥使用過磷酸鈣(含P2O5125 g/kg)，鉀肥使用氯化鉀(含 K2O 600 g/kg)。施用有機肥(豬糞：平均含N含量為16.7 g/kg)處理只考慮其中的氮。NPKM處理中有機氮︰無機氮為7︰3。

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤和植物樣品采集 于 2015年 5月 11日至12日小麥成熟期進行采樣。每個樣地中隨機選取3個60 cm × 80 cm的小區，對小區中的小麥總株數進行計數，并在小區中隨機采集具有代表性的 3株小麥植株地上部，用以估算該試驗樣地中小麥地上部總生物量。在每個小區中利用五點法采取表層0 ~ 20 cm土壤樣品混合作為一個重復土壤樣品。

1.2.2 植株離子和土壤理化性質測定 將采集的小麥地上部立即帶回實驗室，用蒸餾水沖洗3次，105℃殺青30 min，65℃烘干至恒重，稱干重。磨碎后的植株樣品用于測定主要陰陽離子含量。植株鈣(Ca)、鎂(Mg)、鈉(Na)、鉀(K)和硫(S)含量采用硝酸–高氯酸消煮–ICP測定；磷(P)含量采用硫酸–雙氧水消煮–鉬銻抗比色法測定[5]；氯(Cl)含量采用熱水浸提–離子色譜法測定[6]。

去除植物根系后的土壤樣品經風干，磨碎，過2 mm篩后，測定土壤基本理化性質。土壤pH采用電位法，按照土水比 1︰2.5測定；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法進行測定[7]；土壤有效磷含量采用鹽酸–氟化銨浸提–鉬銻抗比色法測定[8]；土壤速效鉀含量采用乙酸銨提取–火焰光度計法測定[5]。

1.2.3 數據處理與分析 單位質量植株產生的凈質子量計算公式為H+=(Ca+Mg+K+Na)–(Cl+P+S)[9]。式中：P和S分別按照一價和二價陰離子進行計算。單位面積土壤上植株產生的總質子量為 ΣH+=m×H+(m為收獲植物干重)。

數據采用Excel 2007、Sigmaplot 13.0和SPSS 20進行整理、繪圖及分析。檢測數據是否符合正態分布和方差是否齊性后，進行單因素方差分析，處理間多重比較采用 Duncan多重比較檢驗，顯著性水平 P= 0.05，相關性分析采用Pearson相關系數。

2 結果與分析

2.1 長期不同施肥處理下土壤基本理化性質

由表1可見，連續25年(1990—2015年)的不同施肥處理顯著影響土壤pH和養分含量。與不施肥處理CK相比，施入化學氮肥(NP、NK和NPK處理)顯著降低土壤pH，引起土壤嚴重酸化，這與以往的研究結果一致[10–12]。只施磷鉀肥的PK處理土壤pH略低于對照組。而長期施有機肥(M)以及氮磷鉀配施有機肥處理(NPKM)顯著提高土壤pH，土壤pH分別升高了0.94和0.52個單位。有機肥在緩解土壤酸化中的作用已有大量研究報道[13–14]。此外，土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量在不同施肥處理間表現出明顯差別(表 1)。在化學肥料處理中，施入氮肥顯著提高土壤堿解氮含量，施入磷肥顯著提高土壤有效磷含量，施入鉀肥顯著提高土壤速效鉀含量。除了M處理中的速效鉀含量略低于PK處理外，M和NPKM處理中土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量均顯著高于不施有機肥的處理(CK、NP、NK、PK和NPK)。

表1 長期不同施肥處理下土壤基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of soils under long-term different fertilization treatments

2.2 長期不同施肥處理下小麥生長情況

作物正常生長需要適合的土壤條件，長期不同施肥處理影響土壤pH和養分含量，進而影響作物的生長和養分吸收能力。表2顯示，與CK處理相比，施入化學氮肥(NP、NK和NPK處理)降低單位面積中小麥的棵數，而有機肥處理(M和NPKM)和PK處理提高單位面積中小麥的棵數。相比CK處理，除了NK處理降低小麥單株地上部干重外，其他處理均提高小麥單株地上部干重。對于單位面積中的小麥地上部總生物量，NP和NK處理顯著低于CK處理，而NPK處理高于CK處理，說明盡管NPK處理土壤酸化嚴重，但同時具有平衡的氮肥、磷肥和鉀肥供應，有利于作物的生長。施入有機肥處理(M和NPKM)和PK處理顯著提高單位面積上的小麥生物量，特別是 M 和NPKM處理，小麥生物量分別提高了3.04倍和2.14倍。

表2 長期不同施肥處理下的小麥生長情況Table 2 Growth properties of wheats under long-term different fertilization treatments

2.3 小麥地上部陰陽離子含量和總質子產生量

作物體內養分含量不僅直接反映其生長狀況，而且其陰陽離子平衡關系直接影響土壤的酸化過程。如果作物從土壤中帶走的陽離子多于陰離子，產生凈質子，則會加速土壤酸化。長期不同施肥處理下小麥體內主要陽離子(鈣、鎂、鈉和鉀)和陰離子(氯、磷和硫)含量與單位質量小麥凈質子產生量如表 3所示，與CK相比，除了NP和PK處理對小麥體內總陽離子含量無顯著影響外，其他處理均不同程度地提高小麥地上部總陽離子含量。與陽離子不同，施入有機肥和無機肥均顯著提高小麥地上部總陰離子含量。所有處理中，單位質量小麥凈質子產生量(H+)均為正值，說明無論是否施肥，小麥吸收離子均引起土壤酸化，盡管處理間貢獻能力存在差別。單位質量小麥凈質子產生量表現出不同的趨勢(表3)，NP、PK和NPK處理中單位質量小麥凈質子產生量均低于CK，NK與CK處理無顯著差別，而有機肥處理(M和NPKM)提高了單位質量小麥凈質子產生量。

表3 單位質量小麥地上部陰陽離子含量和凈質子產生量Table 3 Ion contents in shoot and net proton production of wheat with unit mass

結合單位面積土壤中小麥的地上部總生物量，本文計算了單位面積土壤中小麥產生的總質子量。如圖1所示，不同施肥處理下小麥總質子產生量大小順序為M>NPKM>PK>NPK>CK>NP>NK，說明長期施入有機肥處理(M和 NPKM)中小麥通過陰陽離子吸收對土壤的酸化能力最大，其次為PK和NPK處理，而長期施入NP和NK處理中小麥對土壤酸化能力最弱，明顯低于不施肥對照。

圖1 單位面積土壤中小麥總質子產生量Fig. 1 Total proton production of wheat per unit area

2.4 小麥總質子產生量與土壤理化因子和生物量

之間的相關性

如表 4所示，單位質量小麥產生的質子量(H+)與土壤基本理化因子均未表現出顯著相關性。單位面積土壤中小麥地上部總質子產生量(ΣH+)與地上部生物量、土壤pH和土壤有效磷含量分別呈極顯著相關(P<0.01)，其中與地上部生物量的顯著性系數最高，與土壤堿解氮含量呈顯著相關(P<0.05)；小麥地上部生物量與土壤pH和土壤有效磷含量分別呈顯著相關(P<0.05)。這些結果說明，單位面積土壤上小麥地上部總生物量直接影響其總質子的產生量，而影響總生物量的最主要因素為土壤pH和有效磷含量。

表4 單位土壤面積上小麥總質子產生量與土壤理化因子和小麥生物量之間的相關性Table 4 Correlations between total proton yield and soil physico-chemical factors and wheat biomass

3 討論

長期施肥的農田土壤中，化學氮肥輸入是加速農田土壤酸化的主要因子，與氮循環過程中產生的大量酸有關，如硝化作用、硝態氮的淋失等，其質子產生強度遠大于大氣酸沉降和植物質子的釋放量。Barak等[12]的研究發現施氮肥引起的酸化是酸沉降的 25倍，我國四大耕作系統中施肥導致的氮循環對土壤質子的貢獻也遠高于植物質子的釋放。本研究中，相比化學氮肥處理(NP、NK 和 NPK)，PK 處理具有較高的小麥總質子產生量，但是土壤酸化程度較低，可以暗示農田土壤中植物的酸化貢獻遠低于氮循環。盡管如此，作物對土壤酸化的貢獻是不可忽視的重要致酸因子，例如，本研究樣地尺度較小，可以認為酸沉降對土壤酸化的貢獻是相同的，而 25 年連續施磷鉀肥(PK 處理)的土壤 pH 比不施肥對照低 0.31 個單位，這應該歸因于植物離子吸收對土壤酸化的貢獻。盡管不同施肥方式下小麥產生的總質子量差異較大，但均為正值，說明農田土壤中作物具有酸化土壤的能力。因此，了解農田土壤酸化過程中植物對酸化的貢獻能力對深入分析土壤酸化因子以及預測土壤酸化趨勢具有重要意義。

對于本研究樣地，長期施入化學氮肥的土壤pH逐年降低[15]，土壤酸化已經非常嚴重，但是小麥產生的總質子量卻較低，說明在這些由氮循環主導的酸化明顯的農田土壤中，植物離子吸收對土壤酸化的貢獻能力較低。在單獨施入化學氮肥的土壤中，作為重要酸化因子植物離子吸收依賴于氮循環，較強的氮循環可加速土壤酸化，結果導致植物對酸化的貢獻能力降低。而有機肥處理卻并非如此，有機肥施入導致小麥較高的質子產生量，此外，以往研究發現，本研究中的有機肥樣地具有較高的硝化能力[16]，因此，理論上這些有機肥樣地應該表現出較低的土壤pH。然而，有機肥中有機氮和堿性物質的輸入緩解了土壤酸化過程[17–18]，顯著提高土壤pH。孟紅旗等[19]對本研究中施入的豬糞采用元素分析法檢測發現，豬糞堿度約為130.1 cmol/kg。M和NPKM處理中豬糞的施加量分別為17.96 t/hm2和12.57 t/hm2，計算可得相應的豬糞產生的堿度分別為23.36 kmol/hm2和16.35 kmol/hm2，而小麥酸化產生的總質子量分別為3.93 kmol/hm2和3.06 kmol/hm2，遠低于豬糞產生的堿度。因此，即使有機肥處理中較高的小麥質子產生量能最大程度上導致土壤酸化，但是有機肥的堿化作用完全緩解了這個酸化過程。

農田土壤中長期施肥引起的土壤pH、養分含量和養分有效性變化直接影響作物的生物量和陰陽離子吸收，進而影響單位面積土壤中作物的總質子產生量。對于導致各施肥處理間小麥質子產生量差異的因素分析發現，單位質量的小麥產生的質子量與土壤pH和養分含量并未呈顯著相關，這可能與植物本身調節機制有關。盡管遭受土壤 pH和養分脅迫的影響，植物還是盡可能地保持相對穩定的陰陽離子平衡，維持基本的生理功能。而單位面積土壤中小麥總質子產生量由小麥的生物量決定。因此，作物陰陽離子吸收對土壤酸化貢獻的潛在能力可通過作物的生物量直接判定。本研究結果顯示，小麥的生物量與土壤 pH和有效磷含量呈正相關關系。研究表明隨著土壤 pH的下降，土壤礦物中的鋁離子被釋放出來，對生物體產生嚴重的毒害作用。目前，鋁毒害已被認為是酸性土壤中生物生長的主要限制因子之一[20]。此外，由于酸性土壤中的金屬陽離子(例如 Al3+、Fe3+)對磷的固定作用，以及磷有機復合體的形成[21]，再加上磷離子以擴散而非集流的方式在土壤中流通，大大降低了酸性土壤中磷的有效性。因此，農田土壤酸化過程中，土壤 pH和有效磷含量的降低抑制作物的生長，進而降低作物離子吸收對酸化的貢獻能力。

施鉀和有機肥處理下，土壤速效鉀和小麥體內鉀含量顯著增加，且體內鉀含量對陽離子總量的貢獻最大，但是小麥總質子產生量與土壤速效鉀含量沒有顯著性相關關系。推測主要是小麥對氯離子的吸收所致。氯是植物必需的微量元素之一，且植物可大量奢侈地吸收氯離子[22]。長期施入鉀肥(氯化鉀)和有機肥(豬糞)中都伴隨大量氯離子的施入，從而提高土壤中的氯離子含量，因此，小麥吸收鉀離子的同時也吸收了大量的氯離子(表 3)。作為重要的陰離子，小麥體內氯離子含量的增加很大程度上抵消了小麥吸收鉀離子的作用。

4 結論

長期不同施肥的農田土壤中，化學氮肥的輸入降低土壤pH和小麥質子產生量，即降低了植物對土壤酸化的貢獻能力，主要原因在于較低的pH和有效磷含量嚴重降低了作物的生長量。因此，隨著土壤酸化加劇，植物作為酸化因子的作用越來越低。雖然施入有機肥可以提高植物對酸化的潛在貢獻能力，但是由于有機肥本身的堿化作用，完全緩解了這個土壤酸化過程。

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Comparison of Contribution of Wheat Ionic Uptake to Soil Acidification Under Long-term Different Fertilization

SONG Wenfeng1,3, WANG Chao1, CHEN Rongfu1, WEN Shilin2, WANG Boren2, SHEN Renfang1*
(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 Red Soil Experimental Station, Chinese Academy of Agricultural Science, National Observation and Research Station of Farmland Ecosystem in Qiyang, Qiyang, Hunan 426182, China; 3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The long-term unreasonable fertilization leads to serious soil acidification in agricultural production. In addition to nitrification and nitrate leaching, the uptake of cations by plants is also an important source of soil acidity. In this study, the effects of long-term different fertilization on the absorption of anion and cation in wheat were studied at the long-term location experiment field of the Red Soil Experimental Station in Qiyang, Hunan Province, which has a history of 25 years. The results showed that long-term application of chemical nitrogen fertilizer significantly decreased soil pH and affected the biomass of wheat. On the contrary, organic fertilizer could alleviate the acidification process of soil and increase the biomass of wheat. The order of the total amounts of proton produced by wheat in the unit soil area which is considered as potential acidification ability of plant was M>NPKM>PK>NPK>CK>NP>NK. There was a significant positive correlation between total amount of proton and total biomass of wheat. In addition, soil pH and available phosphorus content were the main factors affecting wheat shoot biomass. Therefore, in the long-term fertilization of farmland soil, the contribution of crops to soil acidification decreased along with the acidification process, and the main reason was that soil pH and effective phosphorus reduction limited the crop biomass.

Soil acidification; Long-term fertilization; Acidification ability of plant; Ion uptake

S154.4

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.01.002

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2014CB441000)和中國科學院戰略性先導科技專項(XDB15030300)資助。

* 通訊作者(rfshen@issas.ac.cn)

宋文峰(1990—)，女，山東日照人，碩士研究生，研究方向為土壤酸化的植物生態響應。E-mail: wfsong@issas.ac.cn