施用石灰和綠肥及生物有機肥后的酸性土壤pH和理化性狀動態變化

張龍輝，李源環，鄧小華,，田明慧，張明發，周志成，彭曙光，陳治鋒

1 湖南農業大學農學院，湖南省長沙市芙蓉區農大路1號 410128；

2 中國煙草中南農業試驗站，湖南省長沙市芙蓉區農大路1號 410128；

3 湖南省煙草公司湘西州公司，湖南省湘西吉首市人民南路118號 416000

良好的土壤質量是作物生長的前提[1]。降雨淋溶[2]、長期施用化肥[3]、作物連作[4]會使土壤酸化，進而導致土壤結構變差和肥力降低[5]、有毒金屬的溶解和有效性增加[6]，影響作物正常生長。湘西煙區有37.28%的植煙土壤pH小于5.5[7]，致使植煙土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量快速下降[8]，已成為制約烤煙生產的障礙之一。對酸性土壤的改良，Moore J D等[9]、Manna M 等[10]認為施用石灰后土壤pH會先升高后降低；胡敏等[11]認為施用石灰后至60d～90d時，土壤pH逐漸下降并趨于平穩，土壤有效磷含量隨著石灰用量的增加先升高后降低，而當石灰用量大于0.9g/kg時，土壤速效鉀的含量隨著石灰用量的增加而顯著降低。楊蒙嶺等[12]、鄧小華等[13]、王巖等[14]認為種植綠肥雖可提高土壤pH，但由于綠肥腐解產生大量有機酸，至綠肥還田后60d時pH最低；土壤有效磷和速效鉀含量變化趨勢為先升高后下降。齊永杰等[15]研究表明，施用生物有機肥可提高土壤微生物活性，進而提高土壤養分可用性；扶海超等[16]認為在作物團棵期到成熟期這段生長時期內，土壤有機質、有效磷和速效鉀含量呈現先升高后下降的變化趨勢，土壤的堿解氮含量呈先下降后升高的變化趨勢。但有關石灰、綠肥、生物有機肥協同改良酸性植煙土壤研究少有報道。為此，本研究以石灰、綠肥和生物有機肥作為改土物料，探討其協同改良酸性土壤后的土壤pH和理化狀態的動態變化，旨在為酸性土壤的改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2017年在湖南省湘西州花垣縣（28°31′35″N，109°27′4″E）進行。該地平均海拔530.0m，年平均氣溫15.0℃，年降雨量1363.8mm，無霜期279.0d，全年日照時數1219.2h，屬亞熱帶季風山地濕潤氣候區。供試土壤類型為黃紅壤，土壤容重、孔隙度分別為1.23g/cm3、53.58%，土壤pH為5.07，土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為20.42g/kg、75.67mg/kg、6.74mg/kg、122.68mg/kg。烤煙品種為云煙87；綠肥品種為箭舌豌豆；石灰為當地市售；生物有機肥由金葉眾望肥料有限責任公司提供[m (N) : m (P2O5) : m (K2O)=2 : 2 : 4，有效活菌數≥0.5億/g，有機質含量≥60%]。

1.2 試驗設計

試驗設4個處理，T1:單獨施用石灰；T2:施用石灰和種植綠肥還田；T3:施用石灰、種植綠肥還田和施用生物有機肥；CK:常規栽培（不施石灰和生物有機肥，沒有綠肥還田）。3次重復，小區面積33m2，隨機區組排列。石灰施用量為2250kg/hm2，于整地起壟前4月13日按用量均勻撒施；綠肥用量為鮮草7500 kg/hm2[氮磷鉀比例為m (N)∶m (P2O5)∶m(K2O)=3.18:0.46:1.77，含水量85.9%],于移栽前4月14日壓埋入土；生物有機肥用量為450 kg/hm2，于移栽前的4月28日起壟時條施。烤煙施氮量109.5kg/hm2，氮磷鉀比例為m (N) : m (P2O5) : m (K2O)=1 :1.27 : 2.73，各處理施氮磷鉀肥含量保持一致；其中T2、T3處理添加的綠肥、生物有機肥中的氮含量通過減少基肥中復合肥施用量調節，以保證各處理中施氮量一致；不進行磷和鉀用量調節。4月30日移栽煙苗，行距為110 cm，株距為50 cm；其他栽培管理措施同湘西優質烤煙生產技術規程。

1.3 土壤理化性狀檢測指標及方法

于烤煙移栽后30d、60d、90d、120d（終采期），采用5點取樣方法，在兩煙株的壟中間采集0～20cm耕層土壤，制成混合土樣。采用電位法測定土壤pH（水土比為1 : 1）[17]；采用環刀法測定土壤容重、孔隙度和水分[17]；采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質[17]；采用堿解擴散法測定堿解氮[17]；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷[17]；采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀[17]。

1.4 數據處理

采用Excel 2010及SPSS 20.0等軟件進行統計分析。新復極差法進行多重比較，英文小寫字母表示差異在0.05水平。

2 結果與分析

2.1 不同改土物料對土壤pH的影響

由圖1可知，在烤煙移栽后30 d，T1、T2、T3土壤pH由5.07分別升高至7.32、6.93、7.12，分別上升了2.25、1.86、2.05個單位；其后逐漸下降，至移栽后120 d，T1、T2、T3土壤 pH又降至5.38、5.86、6.13，較移栽30 d時的土壤pH分別下降了1.94、1.07、0.99個單位；但此期間的CK土壤pH在4.92～5.06間變化，略低于土壤背景值。可見，施用改土物料后，土壤pH先升后降，至烤煙移栽60 d以后逐漸趨于穩定。

在烤煙移栽后30～120 d，T1、T2、T3的土壤pH均顯著高于CK；在烤煙移栽后90 d、120 d，T1、T2、T3的土壤pH差異顯著，以T3的土壤pH顯著較高，其次是T2。可見，施用不同改土物料提高酸性土壤的pH效果有差異，以施用石灰+綠肥+生物有機肥處理的效果最好。

圖1 土壤pH動態變化Fig.1 Dynamic change of soil pH

2.2 不同改土物料對土壤物理特性的影響

2.2.1 不同改土物料對土壤容重的影響

由圖2可知，同一處理土壤容重變化較小。在烤煙移栽后30 d，T1的土壤容重由1.23 g/cm升高至1.24 g/cm，提高了0.8%；T2、T3的土壤容重由1.23 g/cm下降至1.18 g/cm、1.17 g/cm，下降了4.1%、4.9%；至移栽后120 d，T1土壤容重升至1.25 g/cm，T2、T3土壤容重降至1.19 g/cm、1.17 g/cm，較移栽30 d時的土壤容重分別提高了0.8%、0.8%、0%。但此期間的CK土壤容重在1.22 g/cm～1.23 g/cm間變化，略低于土壤背景值。

在烤煙移栽后30～120 d，T2、T3的土壤容重始終顯著低于CK，120 d時土壤容重較CK分別降低2.46%、4.10%。在烤煙移栽后30～90 d，T1的土壤容重與CK無顯著差異，至120 d時顯著高于CK，相對于CK高2.46%；T2、T3的土壤容重顯著低于T1。可見，施用不同改土物料對土壤容重有影響，以施用石灰+綠肥+生物有機肥處理降低土壤容重的效果最好，而單施石灰會提高土壤容重。

圖2 土壤容重動態變化Fig.2 Dynamic change of soil bulk density

2.2.2 不同改土物料對土壤孔隙度的影響

由圖3可知，不同處理間的土壤孔隙度均呈“高—低（90 d）—高”的變化趨勢。在烤煙移栽后30 d，T1、T2、T3土壤孔隙度由53.58%分別升高至54.73%、55.37%、56.02%，分別上升了2.15%、3.34%、4.55%；至移栽后90 d，T1、T2、T3土壤孔隙度降至53.13%、54.53%、54.91%，較移栽30 d時的土壤孔隙度分別下降了2.92%、1.52%、1.98%；至移栽后120 d，T1、T2、T3土壤孔隙度又升高至53.16%、55.08%、55.62%，較移栽90 d時的土壤孔隙度分別升高了0.06%、1.01%、1.29%，但此期間的CK土壤孔隙度在55.53%～54.57%間變化，略高于土壤背景值。

圖3 土壤孔隙度動態變化Fig.3 Dynamic change of the soil porosity

在烤煙移栽后30～120 d，T2、T3土壤孔隙度始終顯著高于CK；至120 d時，土壤孔隙度較CK分別高2.02%、3.02%。T1的土壤孔隙度在烤煙移栽30～90 d與CK無顯著差異，至120 d時，顯著低于CK。可見，施用改土物料能改變土壤孔隙度，其中以石灰+綠肥+生物有機肥處理提高土壤孔隙度的效果最佳；單施石灰對土壤孔隙度影響不大，施用后期可能會降低土壤孔隙度。

2.2.3 不同改土物料對土壤含水量的影響

由圖4可知，不同處理的土壤含水率呈“高—低（90 d）—高”的變化趨勢，這主要與降水量有關。移栽后30～60 d，T1、T2、T3的土壤水分與CK相比差異不顯著；移栽后90 d，T2、T3的土壤水分顯著高于CK，與CK相比分別高11.8%、7.4%；移栽后120 d，T2、T3的土壤水分顯著高于CK，與CK相比分別高18.8%、24.2%。由此可見，在土壤受到干旱影響（90～120 d）時，T2、T3改土物料可在一定程度上保持土壤水分，其中以石灰+綠肥+生物有機肥處理（T3）效果更好，這可能與T2、T3改土物料中綠肥、生物有機肥的加入增加了土壤吸濕水量有關。

圖4 土壤水分動態變化Fig.4 Dynamic change of soil moisture

2.3 不同改土物料對土壤主要養分的影響

2.3.1 不同改土物料對土壤有機質的影響

由圖5可知，同一處理的土壤有機質含量變化較大，且有機質含量呈“高—低（90 d）—高”的變化趨勢。在烤煙移栽后30 d，T1、T2、T3土壤有機質含量由20.42 g/kg分別升高至24.73 g/kg、29.89 g/kg、31.96 g/kg，分別上升了21.1%、46.4%、56.5%；至移栽后90 d，T1、T2、T3土壤有機質含量降至22.10 g/kg、29.55 g/kg、30.73 g/kg，較移栽30 d時的土壤有機質分別下降了10.6%、1.1%、3.8%；至移栽后120 d，T1、T2、T3土壤有機質含量又升高至22.88 g/kg、30.98 g/kg、33.98 g/kg，較移栽90 d時的土壤有機質含量分別升高了3.5%、4.8%、10.6%，但此期間的CK土壤有機質含量在23.45 g/kg～24.63 g/kg間變化，略高于土壤背景值。

在移栽后30～60 d，T2、T3的有機質含量始終與CK差異顯著，而T1與CK差異不顯著。在移栽后90～120 d時，T1、T2、T3的有機質含量與CK差異顯著，T2、T3的有機質含量顯著高于CK。至120 d時，T2、T3的有機質含量較CK分別高27.0%、39.3%，這可能與T2、T3改土物料中綠肥和生物有機肥的施入導致有機質含量增加有關。但單施石灰的土壤有機質含量下降。可見，施用不同的改土物料對土壤有機質的影響不同，單施石灰降低了土壤有機質含量，石灰+綠肥、石灰+綠肥+生物有機肥處理能明顯提高土壤有機質含量。

圖5 土壤有機質動態變化Fig.5 Dynamic change of soil organic matter

2.3.2 不同改土物料對土壤堿解氮的影響

由圖6可知，土壤堿解氮含量呈“低（30 d）—高（60 d）—低（90 d）—高（120 d）”的變化趨勢。在烤煙移栽后60 d，T1、T2、T3土壤堿解氮含量由75.67 mg/kg分別升高至119.01 mg/kg、122.72 mg/kg、121.68 mg/kg，分別上升了57.3%、62.2%、60.8%；至移栽后90 d，T1、T2、T3土壤堿解氮含量降低至113.70 mg/kg、111.93 mg/kg、111.99 mg/kg，較移栽60 d時的土壤堿解氮含量分別降低了4.5%、8.8%、8.0%，至移栽后120 d，T1、T2、T3土壤堿解氮含量升至123.92 mg/kg、116.25 mg/kg、115.48 mg/kg，較移栽90 d時的土壤堿解氮含量分別升高了9.0%、3.9%、3.1%，但此期間的CK土壤堿解氮含量在96.23 mg/kg～108.29 mg/kg間變化，高于土壤背景值。

在烤煙移栽后30～120 d時，T1、T2、T3的堿解氮含量始終與CK差異顯著；其中，T1的堿解氮含量始終顯著高于CK；T2、T3的堿解氮含量在移栽后30 d時，顯著低于CK,在移栽后60～120d時顯著高于CK。至120 d時，T1、T2、T3的堿解氮含量顯著高于CK，較CK分別高25.7%、17.9%、17.1%。由此可見，施用不同改土物料對堿解氮含量有明顯影響，以單施石灰的效果最佳。

圖6 土壤堿解氮動態變化Fig.6 Dynamic changes of soil alkaline nitrogen

2.3.3 不同改土物料對土壤有效磷的影響

由圖7可知，不同處理的有效磷含量呈遞增的變化趨勢。在烤煙移栽后30 d，T1、T2、T3土壤有效磷含量由6.74 mg/kg分別升高至18.06 mg/kg、22.77 mg/kg、28.52 mg/kg，分別上升了168.0%、237.8%、323.1%；至移栽后120 d，T1、T2、T3土壤有效磷含量又升至 30.13 mg/kg、32.77 mg/kg、43.31 mg/kg，較移栽30 d時土壤有效磷含量分別升高了66.8%、43.9%、51.9%；但此期間的CK土壤有效磷含量15.44 mg/kg～25.49 mg/kg間變化，高于土壤背景值。

在烤煙移栽后30～120 d，T1、T2、T3的有效磷含量顯著高于CK，且T3的有效磷含量始終顯著高于T1、T2。至120 d時，T1、T2、T3的有效磷含量較CK分別高18.2%、28.6%、69.9%。可見，不同的改土物料對有效磷的提高有一定的顯著作用，以石灰+綠肥+生物有機肥處理的效果最好。

圖7 土壤有效磷動態變化Fig.7 Dynamic change of soil available P

2.3.4 不同改土物料對土壤速效鉀的影響

由圖8可知，不同處理的有效鉀含量呈遞增的變化趨勢。在烤煙移栽后30 d，T1、T2、T3土壤速效鉀含量由122.68 mg/kg分別升高至167.95 mg/kg、173.64 mg/kg、176.87 mg/kg，分別上升了36.9%、41.5%、44.2%；至移栽后120 d，T1、T2、T3土壤速效鉀含量又升至189.79 mg/kg、203.50 mg/kg、232.77 mg/kg，較移栽30 d時土壤速效鉀含量分別升高了13.0%、17.2%、31.6%；但此期間的CK土壤速效鉀含量155.71～262.33 mg/kg間變化，高于土壤背景值。

在移栽后30～60 d時，T1、T2的土壤速效鉀含量與CK差異不顯著且高于CK；而T3的土壤速效鉀含量顯著高于CK。在移栽后90～120 d，T1、T2、T3的土壤速效鉀含量顯著低于CK，至120 d時，較CK分別少27.7%、22.4%、11.3%。由此可見，施用不同的改土物料會使土壤速效鉀含量降低，其中以石灰+綠肥+生物有機肥處理的土壤速效鉀含量降低最少。

圖8 土壤速效鉀動態變化Fig.8 Dynamic change of soil available potassium

3 討論

胡敏等[18]和詹紹軍等[19]研究認為，改土物料對土壤pH有階段性影響，在烤煙移栽30d時pH先升高，后降低并逐漸趨于穩定，這與本研究結果一致。

單施石灰，消耗了土壤中的H+，施用初期可顯著提高土壤pH，但隨著土壤黏粒中潛性酸釋放和土壤緩沖性能作用，以及烤煙根系分泌的酸性物質，其修復效果會隨著時間變化逐漸減弱[20]。綠肥在分解過程中會產生較多的小分子有機酸，降低植煙土壤pH[21]，但綠肥還田能提高土壤有機質和腐殖質，提高土壤微生物活性。石灰與綠肥還田結合能中和綠肥腐解產生的有機酸，有利于促進綠肥腐解，其在栽培后期為土壤提高大量有機物質，增加土壤大分子團聚體，提高土壤緩沖容量[22]。生物有機肥能增加土壤有機質和微生物量，加速土壤中有益微生物的繁殖，增強微生物對外源有機碳的分解作用，從而形成氨基酸、腐殖酸等小分子有機物，促進土壤團聚體的形成。在施用石灰修復酸性土壤的同時，增施綠肥還田和生物有機肥，三者協同和效應疊加，微生物調節作用更有利于保持石灰改善酸性土壤的效果穩定。因此，石灰+綠肥還田+生物有機肥組合對于土壤pH的提高效果和改良的持續性在三種組合中效果最好，石灰+綠肥次之,單施石灰則相對較差。

施用石灰、白云石、調酸物料的腐殖酸等改土物料對土壤理化性狀的改良有很大促進作用[23-24]。改土物料的施入會使土壤有效磷含量增加，這與胡敏[18]等的研究一致。磷的主要吸附基質是活性鐵和鋁，在酸性土壤溶液中活性鐵、鋁化合物比較容易釋放鐵、鋁離子，與磷酸根生成磷酸鐵和磷酸鋁沉淀，降低土壤磷的有效性。在酸性土壤改良中施入改土物料，提高了土壤pH值，使活性鐵、鋁產生沉淀，大大降低了土壤對磷的吸附量，從而提高土壤有效磷含量[18]。

有研究表明[13]，在植煙土壤中，施用綠肥能有效的降低土壤的容重和緊實度；而單施石灰則會提高土壤的容重，可能的原因是石灰施用過量導致了土壤板結，影響了土壤結構[25]；綠肥和生物有機肥的施入能有效地降低土壤的容重和緊實度，提高土壤pH，較好地改善土壤物理特性。因此施用石灰改良酸性土壤時，應適當配施其他有機改土物料，以緩解石灰對土壤的副作用。

土壤酸堿度是影響土壤養分有效性的重要因素之一[25]。本研究結果表明，隨著土壤酸度的降低，土壤有機質增加、堿解氮和有效磷活性增強，但降低了土壤速效鉀的有效性，這與張濟世[23]、邢世和[24]等人的研究結果一致。主要原因是石灰提高了土壤交換性鈣，造成土壤溶液中K/Ca 比例失調，增加土壤對K的固定，導致土壤速效鉀降低[27]。

趙殿峰等[28]研究表明，隨著烤煙的生長，施用改土物料會導致土壤堿解氮含量呈先升高后下降的變化趨勢，與本研究結果一致。這可能是因為煙草在生長前期氮代謝旺盛，后期則轉為碳的轉化和積累所導致的。單施石灰比其他處理更明顯地提高了堿解氮的含量，可能的原因是單施石灰提高了氧化銨細菌的生物多樣性和活性，從而提高了土壤氮的礦化作用[18]。

隨著烤煙的生長，施用改土物料會導致土壤有效磷和土壤速效鉀含量均呈先升高后下降的變化趨勢[29]，這與本研究結果有差異。其主要的原因可能是施用的改土物料種類不同以及用量不同，其結果還有待進一步研究。

4 結論

本研究表明，不同處理之間土壤pH、土壤孔隙度、土壤水分、土壤有機質、土壤堿解氮呈階段性變化，土壤有效磷和速效鉀呈遞增趨勢，單施石灰土壤容重增加，石灰結合綠肥、生物有機肥會降低土壤容重。與單施石灰、石灰結合種植綠肥還田相比，采用石灰、種植綠肥還田和生物有機肥協同改良酸性植煙土壤能更好地提高土壤pH、孔隙度、水分、有機質及有效磷的含量，降低土壤容重，并維持其改良的穩定性。因此，為實現酸化土壤的可持續改良，應在施用石灰的基礎上，增施綠肥和生物有機肥。