長期施用有機肥對減緩菜田耕層土壤酸化的影響

毛妍婷，劉宏斌，陳安強，杜彩艷，郭樹芳，雷寶坤*

1.云南省農業科學院農業環境資源研究所，云南 昆明 650205；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081

酸沉降、過量施氮、農產品和秸稈的移除等因素導致高投入、高產出、集約化的現代農業生產中土壤酸化問題頻頻發生（Guo et al.，2010），土壤酸化問題（李學垣，2001）已經成為中國農田和設施土壤迫切需要解決的關鍵性科學問題之一。長期不同施肥措施與耕層土壤pH值間具有緊密關系，長期單施氮肥或不合理的氮肥配施導致土壤pH下降明顯，連年大量施用氮肥也是加劇土壤酸化的重要誘因。長期化肥有機肥配施可減緩因氮素轉化過程產生的H+導致的土壤酸化問題（曾沐梵，2017；蔡澤江，2019）。農產品移除和有機肥投入對于農田土壤酸化是互逆的兩個過程，長期有機肥投入可彌補農產品移除引起的土壤鹽基礦物損失，因而有機物料常作為土壤肥力提升和酸化防治的材料，在農業生產中得到普遍應用（徐仁扣，2015）。

中國有機物料的種類較多，其堿度和減緩土壤酸化的范圍各不相同，其大小順序為：高溫堆肥≈廄肥＞普通堆肥≈新鮮糞便≈綠肥≈豆科秸稈＞谷物秸稈。施用堿度較高的有機肥（如高溫堆肥或廄肥）可有效控制農田土壤酸化，并可節約肥料成本，提高有機肥的資源利用率（孟紅旗等，2012）。由于中國幅員遼闊、氣候差異大、土壤類型多樣、土地利用方式及施肥措施的不同使得研究結果差異較大。目前對土壤酸化的研究多采用數學建模、室內模擬試驗、中短期田間試驗（金修寬，2018），而缺乏對露天菜田土壤酸化問題的動態監測及演變規律研究。因此，通過長期定位試驗研究明確不同施肥措施對云南大理露天菜田耕層土壤酸化的影響，制定適宜的施肥管理措施對防治、減緩農田土壤酸化具有重要的理論指導和實際意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗點位于云南省大理州下關市大莊村，距離洱海 500 m，距蒼山腳底 3 km，100°12′14.3?E，25°9′45N?，海拔 1980 m。氣候類型為亞熱帶高原性季風氣候區，年均氣溫 13—20 ℃，年均降水量1100 mm。土壤類型為水稻土，亞類為沖積土，土屬為湖積沖積土。0—20 cm 土壤有機質質量分數38.4 g·kg-1、全氮 2.3 g·kg-1、全磷 1.5 g·kg-1、全鉀20.05 g·kg-1，pH 值 5.6，土壤容重 0.98 g·cm-3。輪作模式為甘藍-青菜-萵筍。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，15個小區，共設5種處理，3次重復，小區面積為4 m×6 m=24 m2。設置5種處理分別為：不施肥（CK）、有機肥（M）、推薦施肥（R）、增施氮肥（R+N）、增施磷肥（R+P），供試肥料（N-P2O5-K2O）具體見（表1）：有機肥為牛糞（N 質量分數 16 g·kg-1，P2O529 g·kg-1，K2O 21 g·kg-1，含水率為 75%，ω(C)/ω(N)為 21.5；氮肥為尿素（46%），磷肥為普通過磷酸鈣（P2O5≥16%），鉀肥為硫酸鉀（K2O≥50%），各小區以有機肥作為基肥，化肥施用量的20%氮肥、全部磷肥、60%鉀肥作為基肥，40%氮肥作為苗肥，剩余的40%氮肥與40%鉀肥作為旺長肥。

1.3 樣品采集與分析

土壤樣品采集：在小區建成時取樣，每次試驗結束后采用5點法采集0—20 cm耕層土壤樣品，一式兩份分裝：一份用作冷凍保存，另一份作風干處理。

土壤酸堿度（pH）：稱取風干磨細過20目篩土壤樣品10.0 g于100 mL燒杯中，以水土比2.5:1浸提，放置磁力攪拌器上攪拌1 h后靜置約30 min，用pH計測定。

土壤電導率（EC）：水土比5:1，電導率儀測定法。

土壤NO3--N、NH4+-N測定：新鮮土樣稱取10 g（精確到 0.01 g），用 1 mol·L-1NaCl溶液浸提過濾后，采用AA3連續流動注射分析儀測定NO3--N、NH4+-N含量。

土壤有機質：采用H2SO4-K2Cr2O7外加熱氧化法。以上方法按照《土壤農化分析》第3版測定（鮑士旦，2007）。

1.4 數據處理

pH年均變化率=(pH終值-pH初值)/施肥年份（金修寬，2018）。冗余分析（RDA）用于揭示主要環境因子對土壤酸化影響的解釋度，數據方差分析使用 SPSS18在P=0.05水平下進行顯著性檢驗（Tukey法），Canoco 5軟件用于RDA分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對菜田土壤pH年際變化的影響

通過長期定位試驗觀測，與最初土壤的pH相比（圖 1），10年后不同處理都出現了不同程度土壤酸化的現象，且2016年土壤pH達到最小值。不同處理土壤pH值在年際間變化較大且呈現出兩類變化趨勢。不施肥處理（CK）與長期施用有機肥（M）的處理變化類似，其他3種處理（R、R+N、R+P）變化相似。由圖1可以看出，長期施用有機肥（M）的處理在3—5 a間土壤pH明顯提升，之后pH降低。不施肥處理（CK）土壤pH值在3—5 a間與長期施用有機肥（M）處理相比提升幅度小，但總體變化趨勢一致。而優化施肥（R），增施氮肥（R+N）和增施磷肥的處理（R+P）在施用3—5 a間土壤pH值出現明顯降低，之后土壤酸化幅度逐漸減弱。

圖1 不同處理耕層土壤pH的年際變化Fig.1 Interannual variation of soil pH among different treatments in plough layer

表1 處理描述Table 1 The description of treatment

2.2 不同處理對菜田土壤pH年均變化率的影響

定位試驗結果表明（表2），不同處理10年后pH終值都有不同程度的降低，pH值年均變化率下降范圍為0.06—0.11。不施肥處理（CK）和長期施用有機肥（M）處理的pH值變化量均下降0.6。而優化施肥（R）、增施氮肥（R+N）和增施磷肥（R+P）處理的土壤pH變化量分別為0.8、1.1、0.9，與不施肥處理（CK）和長期施用有機肥（M）處理相比pH終值、pH變化量、pH年均變化率均顯著降低(P＜0.05)，說明CK和M處理對土壤的pH值下降有一定的緩沖作用。值得注意的是與其他處理相比較，不施肥處理（CK）和施用有機肥（M）處理的pH值下降趨勢緩慢。

表2 不同處理土壤pH年均變化Table 2 Annual change of soil pH under different treatments

2.3 不同處理對菜田土壤pH和EC的影響

處理CK、M、R、R+N、R+P所對應的施氮量分別為0、104、396、584、396 kg·hm-2；所對應的pH分別為5.8、6.0、5.2、5.1和5.1。10年后，隨著施氮量增加pH出現下降趨勢。與CK相比，除M處理pH升高0.2個單位外，R、R+N、R+P處理的pH均值分別下降了0.6、0.7和0.7個單位，且差異呈現顯著水平（P＜0.05）（圖 2）。土壤電導率（EC）是評價土壤鹽漬化程度高低的重要指標之一，高電導率會影響作物的正常生長發育，通常土壤酸化和電導率提高現象相伴而生。圖3處理CK、M、R、R+N、R+P所對應的電導率分別為0.10、0.08、0.15、0.17、0.14 mS·cm-1，隨著施氮量增加 EC 出現上升趨勢。與CK相比，除M處理EC降低0.02 mS·cm-1外，R、R+N、R+P處理的EC均值分別上升了0.05、0.07和0.04 mS·cm-1，且處理間差異達到顯著性水平（P＜0.05）。可以看出不同處理土壤電導率與土壤pH呈現出相反的變化趨勢（圖2、3）。

圖2 10年后不同處理土壤pH值Fig.2 Soil pH of different treatments after ten years

圖3 10年后不同處理土壤EC值Fig.3 Soil EC of different treatments after ten years

2.4 不同處理對菜田土壤耕層硝態氮的影響

10年后不同處理土壤耕層NO3--N的含量都有不同程度的累積現象（圖4），土壤耕層NO3--N含量的年際變化較大且呈現出兩類變化趨勢。CK與M處理的變化趨勢較為平緩，其他3種處理（R、R+N、R+P）的變化趨勢相似，在第4年和第9年（2011、2016年）分別出現了土壤耕層NO3--N含量的兩個峰值。處理CK、M、R、R+N、R+P所對應的耕層NO3--N平均值含量分別為134.36、274.57、347.86、411.42、364.71 kg·hm-2。R+N 的 NO3--N累計量最高，達到411.42 kg·hm-2；除CK外，處理M的NO3--N累計量最低，僅為274.57 kg·hm-2，且CK、M 和 R 等 3個處理間差異達到顯著性水平（P＜0.05），但R、R+N、R+P處理間差異不顯著。可以看出隨施氮量的增加，土壤耕層NO3--N的含量累計增加（圖5）。

圖4 不同處理土壤耕層NO3--N年際變化Fig.4 Interannual variation of NO3--N among different treatments in plough

圖5 10年后不同處理土壤耕層NO3--N含量Fig.5 NO3--N of plough layer among different treatments after ten years

2.5 不同處理對菜田土壤耕層銨態氮的影響

圖6 不同處理土壤耕層NH4+-N年際變化Fig.6 Interannual variation of NH4+-N among different treatments in plough layer

10年后不同處理土壤耕層NH4+-N的含量都有不同程度的累積現象（圖6），土壤耕層NH4+-N含量的年際變化較大且呈現出兩類變化趨勢。CK與M處理的變化趨勢較為平緩，其他3種處理（R、R+N、R+P）的變化趨勢相似，在第4年（2011）分別出現了土壤耕層NH4+-N含量的峰值。之后處理R、R+N呈現下降趨勢，而處理R+P出現上升趨勢。處理 CK、M、R、R+N、R+P所對應的耕層NH4+-N 平均值含量分別為 11.60、14.71、38.53、42.26、38.22 kg·hm-2。R+N 的 NH4+-N累計量最高，達到42.26 kg·hm-2；除CK外，處理M的NH4+-N累計量最低，僅為14.71 kg·hm-2，且CK和M與R 3個處理間差異達到顯著性水平（P＜0.05），但R、R+N、R+P處理間差異不顯著。可以看出隨施氮量的增加，土壤耕層NH4+-N的含量累計增加（圖7）。

2.6 不同處理對菜田土壤耕層有機質的影響

圖7 10年后不同處理土壤耕層NH4+-N含量Fig.7 NH4+-N of plough layer among different treatments after ten years

10年間不同處理土壤耕層有機質含量的年際變化較大且呈現出兩類變化趨勢（圖8）。與10年前相比，M與R處理的有機質平均值有所提高，其他3種處理CK、R+N、R+P有機質平均值呈現下降趨勢，M與R處理分別在第4年、第5年（2011、2012年）出現了土壤耕層有機質含量的峰值。處理CK、M、R、R+N、R+P所對應的耕層有機質平均值含量分別為 61419、88913、68403、71035、78329 kg·hm-2。處理 M 的耕層有機質含量最高，達到88913 kg·hm-2；除CK外，處理R的耕層有機質含量最低為68403 kg·hm-2，且CK、M和R 3個處理間差異達到顯著性水平（P＜0.05），但 R、R+N、R+P處理間差異不顯著。可以看出隨有機肥投入的增加，土壤耕層有機質的含量累計增加（圖9）。

圖8 不同處理土壤耕層有機質年際變化Fig.8 Interannual variation of organic matter among different treatments in plough layer

圖9 10年后不同處理土壤耕層有機質含量Fig.9 Organic matter of plough layer among different treatments after ten years

2.7 不同處理土壤的C、N質量分數變化

通過試驗起始2008年和試驗結束2017年各處理土壤C、N質量分數變化的對比（表3），由于高ω(C)/ω(N)有機物料（ω(C)/ω(N)牛糞=21.5）的投入，可看出有機質提高、全氮增加的處理有：M；有機質減少、全氮增加的處理有：R+N；有機質增加、全氮減少的處理有：R；有機質減少、全氮減少的處理有：CK、R+P。2008—2017年ω(C)/ω(N)的范圍由 6.9—10.0變為 8.5—9.2，ω(C)/ω(N)顯著增加（P＜0.05）的處理有CK、M、R，其ω(C)/ω(N)上升的范圍是 0.7—1.6；ω(C)/ω(N)顯著減少（P＜0.05）的處理有R+N、R+P，ω(C)/ω(N)下降的范圍是0.5—1.3。

2.8 環境因子與土壤酸化指標的關系

選取 2008—2017年影響耕層土壤酸化的環境因子數據進行冗余分析（RDA）。冗余分析是一種基于排序技術的線性分析方法，能夠從統計學角度評價一個或一組變量與另一組多變量數據之間的關系，其優勢在于能夠獨立保持各個環境變量因子對土壤酸化的貢獻率，能有效地對多個解釋變量進行統計檢驗（蔡春曉等，2014），其二維排序圖直觀地展現了土壤酸化指標土壤酸堿度（pH）、土壤電導率（EC）與環境變量構成之間的關系。因此本研究采用冗余分析法來研究環境影響因子與土壤酸化指標（pH、EC）的關系。

對2種土壤酸化指標及4個環境因子進行典范對應分析（CCA），結果中第一軸變化率（Lengths of gradient）均小于3.0，適合進行RDA分析。Monte Carlo置換檢驗所有排序軸均達到顯著水平（P＜0.05），說明排序效果理想。表明排序軸與環境因子間線性結合的程度較好地反映了處理與環境之間的關系。由表4可知，軸1、軸2、軸3、軸4的特征值分別為0.8656、0.0009、0.1269、0.0066，環境因子軸與處理排序軸間的相關系數為0.9360、0.2693、0、0，所選擇的4個環境因子（施氮量、耕層硝態氮、銨態氮和土壤有機質的含量）共解釋了 100%的處理變化信息。前兩軸累計解釋了86.65%的處理變化信息和 100%的處理與環境因子變化關系信息。利用向前引入法對環境因子進行逐步篩選，結果顯示施氮量和耕層有機質是影響土壤酸化的顯著環境因子（P＜0.05），其他環境因子耕層硝態氮、銨態氮的含量影響不顯著（P＞0.05）。

表3 不同處理土壤的C、N質量分數變化Table 3 Change of soil C and N in different treatment

表4 不同處理RDA 分析的統計特征Table 4 Statistical characteristics of RDA analysis with different treatments

不同處理的施氮量、耕層有機質含量主要在軸1、軸2（圖10）影響了土壤酸化指標EC和pH的分布。施氮量與EC呈正相關而與pH呈負相關，有機質與pH呈正相關而與EC呈負相關。施氮量對不同處理pH的影響表現為：施氮量較高的3個處理（R、R+N、R+P）與pH和有機質呈負相關；施氮量較低的兩個處理（CK、M）與pH和有機質呈正相關。根據RDA效應（effects）重分析，在選擇的4個環境因子共同作用下，施氮量對處理土壤酸化的解釋度是72.2%，有機質含量對處理土壤酸化的解釋度是10.8%，可以看出施氮量是影響耕層土壤酸化的主導環境因子，其他因子對土壤酸化的作用不顯著（P＞0.05）。

圖10 不同處理土壤酸化指標與環境因子的RDA分析Fig.10 RDA analysis between soil acidification indexes and environmental factors of different treatments

3 討論

3.1 不同施氮措施對土壤酸化的影響

土壤pH因人為因素引起的變化主要由外源H+積累、鹽基陽離子的損失和土壤緩沖能力三方面共同決定。一方面在過量施氮條件下，氮肥利用率降低，造成土壤氮素累積，NH4+-N硝化和NO3--N淋洗導致H+在土壤表層積累。另外，鹽基離子易伴隨NO3-淋失，進而直接或間接影響土壤 pH。蔬菜收獲后，大量鹽基離子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）被帶走（Hao et al.，2019），造成作物對陰陽離子吸收不均衡。為了平衡負電荷，土壤膠體表面吸附大量H+和 Al3+從而加速了土壤酸化（Juliane et al.，2000）。本試驗結果表明10年后，施氮量較高的處理（R+N）土壤pH隨施肥年限延長而顯著下降，pH年均變化率為-0.11。與CK相比，pH下降了0.7個單位，EC上升了0.07 mS·cm-1。其結果與文方芳（2016）、范慶鋒等（2009）報道的一致。再者，堿度較高的有機物料如有機肥不僅能提高土壤肥力，還能釋放堿性物質中和土壤酸度，增強土壤緩沖酸化的能力，提高土壤pH值（蔡澤江等，2012；Cai et al.，2014）。長期施用有機肥對土壤 pH 具有良好的緩沖作用，試驗結果表明M處理pH年均變化率為-0.06。十年后與CK相比，pH提升0.2個單位，而其他處理pH分別下降了0.6—0.7個單位。汪吉東等（2012）和張永春等（2010）研究表明長期施用、增施有機肥能增強土壤酸堿緩沖性能，降低土壤中交換性H+、Al3+含量，緩解土壤酸化進程。同時有機肥中堿性物質的輸入也可以彌補作物收獲后土壤陽離子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）的虧損，減少土壤對H+的吸附。Shi et al（2019）發現長期施用有機肥后，土壤有機物弱酸性官能團解離的陰離子形成中性分子（羧基質子化）是提高pH緩沖能力的主要機制，羧基質子化導致土壤有效陽離子交換能力下降，鹽基陽離子增加，土壤抗酸化能力增強。

一般認為土壤ω(C)/ω(N)保持在10—12屬于較合理的范圍（雷寶坤等，2017）。通過10年不同的施肥措施管理發現，所有處理菜田土壤的ω(C)/ω(N)均小于 10，說明氮的礦化速率大于礦質氮的生物固持速率，表現為凈硝化作用，產生 H+從而降低土壤pH。從ω(C)/ω(N)的變化情況來看可以分成兩種情況，一種是ω(C)/ω(N)顯著降低的處理（R+N、R+P）；另一種是ω(C)/ω(N)顯著升高的處理（CK、M、R）。ω(C)/ω(N)升高的處理比ω(C)/ω(N)下降的處理pH下降程度慢，即ω(C)/ω(N)升高，有利于減緩耕層土壤酸化。雖然處理（CK、M、R）的ω(C)/ω(N)都升高，但三者存在明顯的差別。這是因為M、R處理施用了ω(C)/ω(N)含量較高的牛糞（ω(C)/ω(N)牛糞=21.5）增加了土壤有機質含量，減緩了土壤酸化（Cai et al.，2014）；CK處理因未施入氮肥，10年后土壤中有機碳和全氮隨作物收獲含量均減少，ω(C)/ω(N)升高；而處理R+N、R+P則減少了土壤有機質含量，導致ω(C)/ω(N)下降。有機肥與化肥配施可以提高土壤ω(C)/ω(N)，有效緩解土壤酸化（雷寶坤等，2014；汪吉東等，2007）。然而本試驗處理R的ω(C)/ω(N)變化顯著升高，緩解pH降低的效果卻不顯著，這可能與有機肥投入的比例有關，有機肥氮的含量僅占總氮含量的4%—5%，不足以中和化肥氮硝化釋放的H+。有研究表明維持土壤不酸化的有機肥替代化肥氮的比例隨施氮量增加而增大（蔡澤江，2019）。

3.2 不同施氮措施對耕層硝態氮、銨態氮、有機質含量的影響

氮肥施用量決定NH4+-N與NO3--N之間的積累與轉化（張學軍等，2007）。當氮肥施用量增加時，土壤中NH4+-N與NO3--N含量均顯著增加，處理R、R+N、R+P的NO3--N累積量是CK處理的2.59—3.06倍，M處理的1.27—1.50倍；其NH4+-N的累積量是CK處理的3.30—3.64倍，M處理的2.60—2.87倍。相關研究表明不同施氮量下0—20 cm耕層土壤硝態氮含量與其他土層相比，處于最高水平（金修寬，2018）。10年試驗結果表明耕層土壤中各處理NO3--N含量是NH4+-N含量的9—19倍。有機肥的投入不僅能彌補收獲物和秸稈移除損失的土壤堿性物質，同時還能提高土壤肥力，增加土壤有機質的含量（寧川川，2016）。M 處理有機質分別是CK、R、R+N、R+P處理的1.45、1.30、1.25、1.14倍。試驗結果表明隨施氮量的增加，土壤耕層NO3--N、NH4+-N的含量累計增加，而耕層有機質卻是隨有機肥投入的增加而增加，隨化肥氮投入的增加而減少。

4 結論

長期過量施用氮肥導致菜田耕層土壤中 H+含量增加、pH顯著降低、土壤EC顯著上升。尤其在施肥3—5 a間，有機無機肥配施處理土壤pH出現明顯降低。CK和M處理對土壤的pH下降有一定的緩沖作用。

ω(C)/ω(N)升高的處理（CK、M、R）比ω(C)/ω(N)下降的處理（R+N、R+P）pH下降程度慢，即ω(C)/ω(N)升高，有利于減緩耕層土壤酸化。

長期施用有機肥（牛糞）可顯著減少（P＜0.05）菜田耕層土壤NO3--N與NH4+-N的累積量，增加有機質含量，從而減緩耕層土壤酸化作用。

施氮量是影響菜田耕層土壤酸化的主要環境因子（P＜0.05），施氮量與EC呈正相關而與pH呈負相關，有機質與pH呈正相關而與EC呈負相關。