有機肥替代化學氮肥提升紅壤抗酸化能力

胡天睿，蔡澤江，王伯仁，張 璐，文石林，朱建強，徐明崗

（1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所 / 湖南祁陽農田生態系統國家野外科學觀測研究站，北京 100081；2 長江大學農學院，湖北荊州 434025）

土壤酸化是我國南方紅壤區土壤質量退化的主要形式之一，嚴重制約了該區農業的可持續發展[1]。土壤酸化導致鋁等植物毒害元素活性增加，鈣、鎂、磷等有益元素含量或活性降低，從而限制作物生長[2–3]。長期過量施用化學氮肥是農田紅壤酸化的主要驅動因素之一，且當土壤pH<5.6時，土壤交換性鋁含量快速增加限制作物根系生長[2–3]。石灰作為傳統而有效的土壤酸度改良材料，在紅壤酸化防治中被廣泛應用，如Meng等[4]通過田間試驗研究發現，施用石灰3.75 t/hm2可有效減緩紅壤酸化。近年來大量研究表明，有機肥因富含堿性物質也具有改善土壤酸度的潛力[5–6]。如 Cai等[7–8]研究發現長期有機無機肥配施既能有效防治紅壤酸化，又能提高土壤養分和有機碳含量，從而促進作物增產；Hillary等[9]研究也發現施用有機肥可改善土壤酸度，促進大豆對氮磷鉀養分的吸收利用和增產。然而，前人的研究多集中在石灰改良或有機肥對土壤酸度的影響，而關于紅壤抗酸化能力的變化，還鮮見報道[10–11]；此外，土壤交換性鋁含量作為衡量土壤酸害程度的重要指標之一，不同改良措施下其對土壤pH的響應程度也有待進一步評價。為此，本研究依托紅壤旱地定位試驗，分析了長期有機無機肥配施下紅壤酸度、酸堿緩沖能力，并與石灰改良相比較，揭示長期配施有機肥對紅壤抗酸化能力的影響，為紅壤農田防治酸化施肥技術的提出提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗位于湖南省祁陽縣，中國農業科學院祁陽紅壤實驗站 (26°45'12"N，111°52'32"E)，海拔高度約為120 m，年均溫、降雨量、蒸發量、無霜期和日照時數分別為 18.0℃、1255 mm、1470 mm、300 天和1610 h。成土母質為第四紀紅壤。土壤初始性質為：pH 4.93，有機碳 7.16 g/kg，全氮 0.96 g/kg，速效氮61.49 mg/kg，全磷 0.52 g/kg，速效磷 10.7 mg/kg，全鉀 1.37 g/kg，速效鉀 303 mg/kg，交換性氫 0.18 cmol/kg，交換性鋁1.47 cmol/kg，交換性鈣3.50 cmol/kg、交換性鎂 0.58 cmol/kg。

1.2 試驗設計

試驗開始于2009年，共設4個處理： 1)氮磷鉀化肥 (NPKM0)，該處理由于酸化嚴重，于2018年秋玉米收獲后施石灰改良，用量為CaO 2250 kg/hm2；2)有機肥替代20%化肥氮 (NPKM1)，3)有機肥替代40%化肥氮 (NPKM2)； 4)有機肥替代60%化肥氮 (NPKM3)。NPKM0 處理養分用量為 N 225 kg/hm2、P2O575 kg/hm2和 K2O 75 kg/hm2。有機肥為豬糞，NPKM1、NPKM2和NPKM3處理用量分別約為15000、30000和 45000 kg/hm2，豬糞含水量約為70%左右，有機肥處理化學磷鉀肥投入量與NPKM0處理相同，化學氮、磷、鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。種植方式為春玉米單作 (一年一熟)，作物播種前將肥料一次性基施。每個處理3 次重復，采用隨機區組排列。所選豬糞的化學性質為pH 8.75 (H2O，水豬糞質量比 10∶1)、有機碳含量 338.0 g/kg、全鈣 31.7 g/kg、全鎂 12.9 g/kg。

1.3 樣品采集與分析

分別于2018與2020年玉米收獲后采集土壤樣品，每個小區采用5點法，用土鉆取0—20 cm土樣，撿出石塊和根茬后混勻自然風干，分別過0.85 mm和0.25 mm篩備用。土壤pH、交換性酸、陽離子交換量等土壤酸化學性質參考《土壤農化分析》[12]。土壤酸堿緩沖容量參考成杰民等[13]、汪吉東等[14]的方法測定，每個土壤稱取9個4 g風干土于50 mL離心管中，分別加入不同體積的HCl或NaOH溶液，同時加入蒸餾水，將水土質量比調整為5∶1，酸加入量分別為 H+0、13.83、27.65、41.48 和55.30 mmol /kg，堿加入量分別為 OH?11.94、23.88、35.81和47.75 mmol/kg，搖勻后置于25℃恒溫培養箱中3天，每天間歇搖動2～3次，培養結束后測定土壤pH和交換性鋁含量。以土壤pH為縱坐標、酸堿添加量為橫坐標，繪制土壤酸堿緩沖曲線圖；用線性回歸的方法擬合線性響應階段，其斜率的絕對值即為土壤酸堿緩沖容量；同時分析各處理土壤交換性鋁對pH變化的響應關系。

1.4 數據統計分析方法

采用 Microsoft Excel 2016 進行圖表制作；采用SPSS Statistics 23軟件分析各處理間差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 土壤pH和交換性酸

圖1表明，與試驗初始值 (2009年)相比，至2018年NPKM0和NPKM1處理土壤pH均明顯降低，其中以NPKM0處理降幅最大，降低了0.48個單位；石灰改良后NPKM0處理pH明顯升高，至2020年升高了0.58個單位。而NPKM1和NPKM2處理，2018和2020年間土壤pH無明顯變化。與試驗初始值相比，NPKM3處理土壤pH值升高了0.78個單位，且顯著高于其它處理。結果表明，短期施用石灰或長期有機無機肥配施均可有效維持或提高紅壤pH。

圖1 2018和2020年各施肥處理紅壤pHFig.1 Soil pH under different fertilization treatments in 2018 and 2020

圖2顯示，與試驗初始值相比，2018年NPKM0和NPKM1處理土壤交換性酸、鋁含量明顯升高，其中NPKM0處理增幅最大分別為2.74和1.06 cmol/kg。石灰改良后，NPKM0處理土壤交換性酸、鋁含量均明顯降低，至2020年分別降了2.62和1.45 cmol/kg。NPKM1處理較初始值土壤交換性酸增加了2.24 cmol/kg，交換性鋁無明顯變化；而NPKM2處理較初始值土壤交換性酸無明顯變化，交換性鋁降低了1.02 cmol/kg；NPKM3處理較初始值土壤交換性酸、鋁分別降低了1.10和1.25 cmol/kg。此外，NPKM0和NPKM1處理土壤交換性酸以交換性鋁為主，而NPKM2和NPKM3處理則以交換性氫為主，交換性鋁僅占20%～38%。可見，長期施用化肥會導致土壤交換性酸、鋁含量明顯升高，短期施石灰可有效降低紅壤交換性酸、鋁含量；而有機肥替代化學氮肥40%和60%可有效降低土壤交換性鋁含量。

圖2 2018和2020年各施肥處理土壤交換性酸Fig.2 Soil exchangeable acidity, aluminum, and H+ under different fertilization treatments in 2018 and 2020

2.2 土壤交換性能和鹽基組分

圖3表明，隨有機肥用量的增加，土壤有機質含量呈增加趨勢，其中以NPKM3處理土壤有機質含量最高，較 NPKM0 處理升高了 3.42 g/kg (P<0.05)。

圖3 2020年各施肥處理土壤有機質含量Fig.3 Soil organic matter content under different fertilization treatments in 2020

圖4顯示，土壤陽離子交換量隨著有機肥用量的增加呈升高趨勢，以NPKM0處理最低，即使2018年施用石灰改良后也最低，NPKM3處理最高，較 NPKM0處理升高了 2.06 cmol/kg (P<0.05)。可見，長期配施有機肥顯著提高土壤陽離子交換量，而短期施用石灰改良對于紅壤陽離子交換量無顯著影響。

圖4 2018和2020年各施肥處理紅壤陽離子交換量Fig.4 Soil cation exchange capacity under different fertilization treatments in 2018 and 2020

圖5顯示，施用有機肥處理土壤交換性鈣伴隨有機肥用量的增加呈增加的趨勢，其中以NPKM3處理最高；添加石灰改良后，NPKM0處理土壤交換性鈣含量與NPKM3處理無顯著差異。土壤交換性鎂含量隨有機肥用量的增加顯著升高，其中NPKM0處理較2009年 (0.58 cmol/kg)明顯降低，NPKM1處理無明顯變化，而NPKM2和NPKM3處理則明顯升高。長期不同施肥下各處理土壤交換性鉀和交換性鈉含量無顯著變化。

圖5 2020年不同施肥處理土壤交換性鹽基離子濃度Fig.5 Concentrations of soil exchangeable base cations under different fertilization treatments in 2020

2.3 土壤酸堿緩沖性能

各處理土壤酸堿緩沖曲線整體呈類“S”型(圖6)。在4

圖6 長期不同施肥下紅壤酸堿滴定曲線Fig.6 pH buffer curves under different long-term fertilization treatments

圖7 長期不同施肥處理紅壤酸堿緩沖容量Fig.7 Soil pH buffering capacities under different long-term fertilization treatments

如圖8所示，土壤交換性鋁含量隨著pH的降低而顯著升高。從表1可知，NPKM0、NPKM1、NPKM2和NPKM3處理的斜率分別為2.71、2.42、1.93和0.16，即土壤pH降低1個單位，土壤交換性鋁增加量分別為2.71、2.42、1.93和0.16 cmol/kg。當土壤pH降低至4.0時，土壤交換性鋁含量分別3.17、3.46、2.54和0.37 cmol/kg。可見，長期配施有機肥降低了土壤交換性鋁對pH的響應，但其作用機理還有待進一步研究。

表1 不同長期施肥處理下土壤交換性鋁與pH的擬合方程參數Table 1 Parameter values of soil exchangeable aluminum concentration buffering capacities and pH values under different long-term fertilization treatments

圖8 不同處理土壤pH與交換性鋁的關系Fig.8 Exchangeable aluminum depends on soil pH under different fertilization treatments

2.4 相關分析

相關性分析結果 (表2)表明，土壤酸堿緩沖容量 (pHBC)與土壤交換性鋁對pH響應的斜率 (AlS)、交換性酸呈極顯著或顯著負相關，而與土壤pH、陽離子交換量 (CEC)、交換性鎂、交換性鉀和土壤有機質呈顯著或極顯著正相關。AlS與土壤交換性酸呈極顯著正相關；而與pH、陽離子交換量、交換性鎂、交換性鉀和土壤有機質呈極顯著或顯著負相關。

表2 紅壤基本性質與酸化性質之間的相關系數Table 2 The correlation between soil properties and soil acidity indices

3 討論

3.1 施用石灰或有機肥替代化學氮肥防治紅壤酸化

本研究結果進一步證明長期單施化學肥料加劇紅壤酸化，這與前人的研究結果一致，即過量施用化學氮肥是加劇農田紅壤酸化的主要因素之一[5–6]，銨態氮或酰胺態氮肥的硝化作用釋放氫離子，是導致土壤pH降低的主要過程[15]。本課題組前期結合氮肥循環過程與氫離子消長關系，以及有機肥帶入的堿性物質的量估算了NPKM0、NPKM1、NPKM2和NPKM3處理凈產酸量分別為 H+9.2、3.6、?0.7和?5.1 kmol/(hm2· year)，為此有機肥替代 40% 和 60%化學氮肥均可有效防治紅壤酸化[7]。有機肥防治土壤酸化的機制主要包括[15–17]：1)輸入堿性物質，中和土壤酸度；2)等氮量下，有機肥替代化學氮肥減少硝態氮的累積和淋溶損失，從而減弱氮肥致酸作用；3)施用有機肥可促進作物生長，提高氮肥利用率，減少氫離子富集。

短期施用石灰可快速改良土壤酸度，NPKM0處理連續施肥9年后累積產酸量約為H+82.8 kmol/hm2；本研究石灰用量為2250 kg/hm2，帶入堿約為OH?80.4 kmol/hm2，盡管略小于累積產酸量，但仍可有效提升土壤pH、降低交換性酸鋁含量，這可能與本研究所選土層 (0—20 cm)和石灰施用時間 (2018 年秋)有關。一方面，當土壤氫離子達到飽和時，在降雨的作用下硝化產生的氫離子向下層移動，從而導致亞表層和深層土壤酸化，即表層土壤實際酸度小于累積產酸量；另一方面，石灰施在0—10 cm的表土層，且石灰在土壤中移動緩慢，短時間內難以向下移動，因此可有效改善表層土壤酸度。而有關長期施肥下紅壤剖面酸度分布特征及石灰對亞表層土壤pH的改良效果還有待進一步研究。

此外相較于石灰，有機肥帶入的養分元素可改善紅壤肥力狀況。NPKM1、NPKM2和NPKM3處理伴隨有機肥投入的鈣量分別約為143、285和428 kg/hm2，鎂量分別約為 58、116和174 kg/hm2。研究表明，土壤交換性鎂含量低于0.40 cmol/kg或50 mg/kg時會導致作物缺鎂[18]；盡管施用石灰可有效提升NPKM0處理土壤pH和交換性鈣含量，但其交換性鎂含量僅為0.12 cmol/kg，不能滿足作物正常生長的需要；而有機肥替代化學氮肥處理土壤交換性鎂含量高于0.60 cmol/kg，有效改善土壤鎂素狀況，滿足作物生長的需要。

3.2 有機肥替代化學氮肥提升紅壤抗酸化能力

本研究表明，土壤酸堿緩沖容量 (pHBC)與土壤pH、陽離子交換量、交換性鎂和有機質呈顯著或極顯著正相關 (表2)，其中以有機肥替代60%化學氮肥處理pHBC最高 (圖7)。有機肥除富含堿性物質中和土壤酸度、提升pH外，還含有大量的碳 (338.0 g/kg)，其中NPKM1、NPKM2和NPKM3處理每年伴隨有機肥投入的碳量分別約為1521、3042和4563 kg/hm2，相當于 C 0.68、1.35 和 2.03 g/kg 土，土壤有機質數據也顯示，伴隨有機肥用量的增加土壤有機質含量呈增加的趨勢，特別是有機肥替代60%化學氮肥處理顯著高于單施化學肥料處理。土壤有機質是一種復雜的高分子芳香多聚化合物，含有大量的羧基、醇羥基、酚羥基等官能團，一方面增加了土壤負電荷點位，即陽離子交換量[19–21]，相關性分析結果進一步證明，土壤陽離子交換量與有機質含量呈極顯著正相關關系 (r=0.78**，n=12)；另一方面含氧官能團具有很高的反應活性，且比表面積大，對陽離子具有強吸附作用，增強了土壤對酸的緩沖能力[22–25]。短期施用石灰盡管有效改善紅壤酸度，但對土壤陽離子交換量無顯著影響 (圖4)，而長期施用有機肥既維持或提高紅壤pH又提升紅壤抗酸化能力。

此外，土壤交換性鋁含量對pH的響應 (即斜率)伴隨有機肥施用量的增加而呈降低趨勢，即土壤pH降低1個單位，土壤交換性鋁增加量減少。該斜率與土壤pH、陽離子交換量和土壤有機質呈極顯著或顯著負相關，可見增強土壤抗酸化能力，同時可有效降低土壤鋁的活化。一方面，土壤有機質的含氧官能團質子化消耗氫離子，同時釋放大量鹽基陽離子，減緩氫鋁轉化及交換性鋁的增加[5,26]；另一方面，有機肥的有機官能團促進土壤中交換性鋁和活性鋁向有機絡合態鋁轉化，從而緩解土壤酸化、降低鋁毒害[27–29]，但其作用機理還有待借助于光譜學技術進一步研究。綜上所述，相比于短期施用石灰改良土壤酸度，長期施用有機肥不僅有效防治土壤酸化，還能增加土壤有機質含量與陽離子交換量及其它養分含量，提升紅壤抗酸化能力和肥力水平。

4 結語

長期施用化肥加劇紅壤酸化，施用石灰只在短期內提高土壤pH，但不能提高紅壤抗酸能力，長期以40%以上的有機肥替代化學氮肥既能防治紅壤酸化，又能提高紅壤抗酸化能力。土壤陽離子交換量和有機質含量可能是導致土壤交換性鋁對pH響應差異的主要因素，即陽離子交換量和有機質含量高的土壤pH降低1個單位時，交換性鋁增幅較小，但其作用機理還有待進一步研究。