長期輪作施肥對菜田土壤pH值的影響及灰色預測模型研究

張立成 李 娟， 章明清 姚建族

（1福建省農業科學院土壤肥料研究所，福建 福州 350013；2永春縣農業技術推廣站，福建 泉州 362600）

紅壤是我國南方的主要耕作土壤，近四十年土壤酸化加劇制約了紅壤區域農業生產的可持續發展［1-2］。因此，探討耕作施肥措施對土壤酸化長期影響及其演變特征，對制定緩解土壤酸化的生產措施具有重要意義。

相關研究表明，長期過量施用氮肥是加劇土壤酸化的主要原因［3-5］。土壤pH值下降一方面會造成農田土壤養分嚴重失調，另一方面則影響農作物的根系生長和作物產量［6］。從全球耕地土壤范圍來看，酸性土壤面積達39.5 億公頃，主要分布在熱帶、亞熱帶和溫帶地區［7］。我國亞熱帶地區土壤酸化現象十分普遍，其中江西、廣東、福建等紅壤區土壤酸化現象尤為嚴重［8］。張秀等［9］對福建省耕地土壤酸化分析表明，從1983 至2009 年耕地土壤pH 均值降低了0.27 個單位，酸化面積占全省耕地面積的71%，灰色斜率關聯模型分析結果表明化肥大量施用是引起耕地土壤酸化的主要外因。李偉峰等［10］根據江西紅壤區長期定位試驗研究表明，氮肥施用量每增加50 kg·hm-2，農田土壤pH值下降0.26 個單位。Alves 等［11］研究發現，受長期耕作施肥措施的影響，巴西南部2003—2017 年土壤呈高度酸化，土壤pH 值和鹽基飽和度均顯著降低。Li等［12］對成都平原土壤pH 值動態變化的研究表明，傳統的水稻-小麥輪作轉變為蔬菜輪作模式后，土壤pH值下降速度增加。我國主要農田土壤pH 值時空變化的長期監測結果表明，華南地區土壤pH值表現為水田＞水旱輪作＞旱地，在監測中后期階段，旱地和水旱輪作土壤pH 值呈緩慢增加趨勢［13］。徐仁扣等［14］在澳大利亞南部地區長期田間輪作試驗中發現，不同輪作方式下土壤酸化速率表現為小麥－羽扇豆/蠶豆輪作＞小麥－小麥/休閑。上述研究表明土壤酸化程度除了與施肥因素相關外，還與作物種類、種植模式和土壤利用類型等因素相關。盡管當前土壤pH 值變化趨勢及其影響因素已有大量研究，但對于農田土壤酸化的預測及其演變規律的分析相對薄弱［8］。針對閩東南赤紅壤母質發育的耕地菜-稻輪作和不同施肥模式對耕層土壤pH值變化的長期效應以及土壤酸化趨勢，目前還鮮見相關報道。

蔬菜和水稻輪作是福建省菜田重要耕作制度，在區域農業生產中具有重要地位。為此，本研究自2013 年起在蔬菜主產區永春縣五里街鎮埔頭村設置菜田不同輪作施肥模式的長期定位試驗，根據不同輪作施肥模式的歷年耕層土壤pH值實測結果，探討長期不同輪作施肥對土壤pH值的影響及其變化趨勢，旨在為區域菜田土壤酸化治理和土壤培肥提供最佳養分管理依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

長期輪作施肥定位試驗地處亞熱帶季風氣候區，年均溫度20.4 ℃，年均降雨量1 800～2 100 mm。試驗地土壤類型為水稻土改為菜田的灰黃泥田，質地為中壤土，粘粒含量37%、砂粒含量59%、粉粒含量4%，是當地種植水稻和蔬菜的主要耕作土壤。根據當地一年三熟制的生產現狀，試驗設四季豆-芥菜-早稻和四季豆-芥菜-豇豆兩種輪作方式，結合推薦施肥和習慣施肥兩種施肥模式，共設置4 個處理（表1）。其中，根據試驗農戶相關作物常年施肥狀況的調查結果，確定各季供試作物的習慣施肥量；根據福建省農業科學院植物營養課題組近十年來對有關作物田間肥效試驗結果［15-16］，確定各季供試作物的推薦施肥量。試驗采用3 次重復和隨機區組排列，每個小區面積為14 m2。小區間筑水泥田埂分離，其中田埂埋入地下30 cm，露出田面20 cm，各小區均有進出水口連接排灌水溝。試驗于2013 年9 月開始，每個輪作周年均為三季作物，即：每年9月至11月種植四季豆，12月至翌年3月種植芥菜、翌年4月至8月種植早稻和豇豆。

表1 一年三熟制菜田輪作施肥定位試驗設計方案Table 1 Design scheme of triple cropping rotation in a year and fertilization on vegetable field of fixed-plot experiment

氮肥選用尿素（含N 46%），磷肥選用過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥則用氯化鉀（含K2O 60%），試驗地不施有機肥。每季作物所施的磷肥全部作基肥，氮鉀肥分基肥和追肥施用。基肥中氮鉀肥各占總用量的40%；秋季四季豆追肥、冬季芥菜和夏季豇豆分2 次追肥，每次的氮鉀肥占總用量的30%；早稻追肥分2 次，即分蘗肥中氮肥占總用量的50%，穗肥中氮肥占總用量的10%，鉀肥占總用量的60%。每個輪作周期供試作物品種、栽種時間、施肥量以及施肥方式均保持一致。試驗區周圍設置1 m 寬的保護行，其他栽培措施與田間生產一致。

1.2 樣品采集和測定

在2013 年9 月試驗開始前，按照5 點采樣法采集基礎土樣，采用常規方法［17］測定耕層土壤理化性狀。其中，土壤全量氮磷鉀含量的測定方法是將土壤樣品經濃硫酸和高氯酸消煮后，全氮采用凱氏定氮儀（山東海能科學儀器有限公司，德州）測定，全磷采用鉬銻抗比色法測定，全鉀采用火焰光度計（上海儀電分析儀器有限公司）測定；pH 值測定方法為電位法，采用pH計（上海梅特勒-托利多儀器有限公司）測定，有機質為重鉻酸鉀容量法，堿解氮為堿解擴散法，有效磷為0.5 mol·L-1碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法，速效鉀為1 mol·L-1乙酸銨提取-火焰光度計法。測得基礎土壤全氮含量2.25 g·kg-1、全磷1.31 g·kg-1、全鉀27.86 g·kg-1、pH值5.54、有機質18.96 g·kg-1、堿解氮115.10 mg·kg-1、速效磷91.70 mg·kg-1、速效鉀93.00 mg·kg-1。每年早稻收獲時，對每個試驗小區按5點采樣法采集20 cm深耕作層土樣組成一個混合樣，帶回實驗室風干，然后粉碎過60目篩，測定土樣pH值。

1.3 數據統計與分析

由于土壤pH實測值受到許多不可控因素的影響，本研究將土壤pH 實測值定義為在一定幅度范圍內變動的灰色量，應用灰色系統理論的一次累加生成原理，構建土壤pH 值演變趨勢的TPGM（1，1）灰色預測模型［18］。即：設Y（0）是某個輪作施肥處理的pH 值測定結果序列，即：Y（0）=［Y（0）（1），Y（0）（2），Y（0）（3），…，Y（0）（k）］，k=1，2，3，…，n，k表示試驗年限。對Y（0）序列做一次累加生成，即：Y（1）=［Y（1）（1），Y（1）（2），Y（1）（3），…，Y（1）（k）］。TPGM（1，1）灰色預測模型的數學表達式為：

式中，φ1、φ2和φ3為待估參數，可根據最小二乘法確定其參數值。

預測實際年土壤pH 值的TPGM（1，1）還原式則為：

根據式（2）模型可計算TPGM（1，1）模型的年際實際模擬值，并根據年際實測值計算模擬誤差（error，err），用于評價灰色模型的擬合效果［17］，即：

在灰色模型中，當平均模擬誤差小于5%時即認為模擬效果良好［19］。因此，可以根據式（2）模型計算預測值，對不同施肥處理的土壤pH值變化趨勢做出定量評價。

采用MATLAB R2019b 軟件全功能免費試用版進行數據處理。試驗數據統計應用該軟件的統計工具箱進行相關計算和分析，其中不同處理之間的方差分析采用最小顯著性差異法（least significant difference，LSD）進行多重比較；采用MATLAB 語言編程進行TPGM（1，1）模型參數估計和繪圖。顯著性水平選用P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 不同輪作施肥模式對菜田耕層土壤酸化的影響

菜田不同輪作施肥模式連續7 年定位試驗各處理的耕層土壤pH 值測定結果見表2。結果表明，在基礎土壤pH 值5.54 的菜田上，不同輪作施肥模式均導致菜田耕層土壤pH值出現不同程度下降，但在土壤酸化速率上有明顯差別。其中，菜-菜-稻輪作結合推薦施肥的土壤pH 均值為5.24，顯著高于菜-菜-菜連作結合推薦施肥或習慣施肥，但與菜-菜-稻輪作結合習慣施肥無顯著差異；菜-菜-菜連作結合推薦施肥的土壤pH 均值為4.81，與菜-菜-菜連作結合習慣施肥無顯著差異。不同試驗時段的分析表明，前3 年不同輪作施肥模式的耕層土壤pH 值無顯著差異，但后4 年部分處理間出現了顯著差異。

表2 連續7年不同輪作施肥處理耕層土壤pH值變化Table 2 The pH value change of plough layer soil under different rotation and fertilization treatments for 7 consecutive years

從土壤酸化速率看，與基礎土壤相比，菜-菜-稻輪作結合推薦施肥和習慣施肥模式土壤pH 值分別下降0.30 和0.34，年均遞減率分別為0.04 和0.05；但菜-菜-菜連作結合推薦施肥和習慣施肥土壤pH 值分別下降0.73 和0.75，年均遞減率分別達到0.10 和0.11。綜上，水旱輪作結合推薦施肥是減緩菜田土壤快速酸化的有效耕作措施。

2.2 不同輪作施肥模式下菜田土壤pH 值變化的TPGM(1,1)模型擬合與分析

表3 為2013 至2017 年不同輪作施肥模式下土壤pH 原始值以及采用TPGM 模型擬合下的模擬值。從試驗各處理土壤pH 值的模擬值可知，土壤pH 值整體隨試驗年限的增加而逐年下降，表明土壤酸化現象仍在持續進行。

表3 不同輪作施肥模式下土壤pH值變化的TPGM（1，1）模型擬合結果Table 3 Fitting results of TPGM （1，1） model of soil pH value change under different rotation and fertilization modes

由于土壤pH 值變化較為緩慢，根據構建的灰色預測模型對未來5 年各輪作施肥模式的pH 值變化趨勢進行預測（表4）。結果表明，與前7 年的均值相比，未來5 年各輪作施肥處理的耕層土壤pH 值仍將繼續下降。其中，菜-菜-稻輪作結合推薦施肥和習慣施肥的土壤pH 值將比基礎土樣分別下降0.56 和0.67 個pH單位；菜-菜-菜輪作結合推薦施肥和習慣施肥的土壤pH 值則將比基礎土樣分別下降1.05 和1.13 個pH單位。

表4 不同輪作施肥模式下土壤pH動態變化的TPGM（1，1）模型擬合參數及其預測結果Table 4 Fitting parameters and prediction results of TPGM （1，1） model for dynamic changes of soil pH under different rotation and fertilization modes

綜上，不同輪作施肥模式下未來5 年菜田耕層土壤pH 值變化趨勢具有明顯差異。相對于蔬菜連作，菜-菜-稻輪作結合推薦施肥可較好地減緩菜田土壤酸化速率。

2.3 不同施肥模式對菜田耕層土壤pH 值演變趨勢的影響

土壤pH值變化趨勢是評價輪作施肥模式優劣的重要指標。根據土壤pH值實測結果，按照常規回歸分析方法構建不同施肥處理土壤pH 值變化的一元線性回歸方程，結果如表5所示。4個輪作施肥模式的一元回歸方程均未達到統計顯著水平（P＞0.05），且描述土壤pH值變異方差解釋能力的擬合優度R2都較小，說明一元線性回歸分析方法并不適于土壤pH值變化趨勢分析。

表5 長期不同輪作施肥模式土壤pH值變化趨勢的一元線性回歸分析Table 5 Univariate linear regression analysis of soil pH change trend under different rotation and fertilization modes of long-term experiment

圖1 是該定位試驗中不同輪作施肥處理土壤pH值動態變化的TPGM（1，1）灰色預測模型擬合效果，4 個試驗處理的擬合誤差在2.77%～5.00%之間，表明該模型具有較高的擬合精度，可為定量評價pH值變化趨勢提供模型依據。在模型排除了pH 實測值的誤差項后，從各處理的模擬值可知，土壤pH 值隨著試驗年限的增加呈現逐年下降趨勢，表明土壤酸化現象仍在持續進行，且土壤酸化速率表現為VR+RF＜VR+FP＜VV+RF＜VV+FP。TPGM（1，1）模型擬合下不同輪作施肥處理土壤pH 值的演變趨勢表現為：菜-菜-稻輪作結合推薦施肥處理的土壤酸化速率最低；在菜-菜-稻輪作下，習慣施肥模式土壤酸化速率是推薦施肥模式的1.215倍；菜-菜-菜輪作條件下，習慣施肥模式土壤酸化速率是推薦施肥模式的1.070 倍；在推薦施肥模式下，菜-菜-菜輪作土壤酸化速率是菜-菜-稻輪作的2.077 倍；在習慣施肥模式下，菜-菜-菜輪作土壤酸化速率是菜-菜-稻輪作的1.835倍。

圖1 TPGM（1，1）模型對歷年土壤pH變化趨勢的模擬結果Fig.1 Fitting results of TPGM （1，1） model on soil pH change trend over the years

3 討論

3.1 輪作施肥對土壤pH值變化的影響

自然狀態下，土壤pH 值變化過程十分緩慢，但在當前高投入和高產出的農業生態系統中，土壤pH值發生了明顯改變［20］。我國南方耕地土壤連續施用化學氮肥8～12 年，土壤pH 值下降1.2～1.5 個單位，在施用化學氮肥12 年之后保持穩定［21］。在過去的31 年中，廣東省水稻土pH值在前16年下降較快，后15年中，土壤pH 值保持平穩變化趨勢［22］，相關研究結果揭示了區域宏觀尺度上土壤酸化具有時間階段性特征。

本研究中各輪作施肥模式的土壤pH 值實測結果亦顯示，在田間尺度上，定位試驗1～3 年中酸化較慢，而在4～7年中酸化加快，具有時間階段性特征，但整體上呈下降趨勢，與前人研究結果一致［23-24］。本試驗中的菜-菜-稻輪作模式土壤不斷地進行著干濕交替變化，對土壤質地和理化性質產生影響，從而間接地實現對土壤pH值的調控。前人研究表明，田間定位施肥試驗初期土壤理化性質對酸化具有一定的緩沖能力，使土壤pH 值變化較為平緩，但隨著試驗年限增加，歷年作物收獲移除了大量鹽基陽離子并使耕作過程中土壤中鹽基陽離子淋失，導致土壤酸化加快［25-27］。本研究結果顯示，菜-菜-稻輪作方式土壤pH 值下降較小，表明該輪作方式對減緩土壤酸化具有較好的效果。

菜-菜-稻輪作模式下，由于土壤長時間處于淹水狀態，土壤中還原作用強，因而土壤中的一些鐵、錳氧化物被還原消耗質子，進而可使土壤中H+濃度下降，對土壤酸化起到緩沖作用［28］。Guo 等［29］研究發現，土壤中大量鹽基離子的淋失會對土壤中的酸緩沖容量產生影響，造成H+濃度增加，同時，土壤中殘留氮肥也會增加土壤中H+的積累量，從而促使土壤酸化。由此推測，本研究菜-菜-稻輪作減輕了氮肥對土壤酸化的影響主要是由于該輪作模式減少了氮肥投入量，增加了輪作水稻對上茬蔬菜作物殘留氮肥的消納吸收。

3.2 土壤pH值動態趨勢模擬及變化特征

國內外學者對土壤pH 值變化的定量研究主要聚焦于利用常規數理統計和回歸分析方法來探究土壤pH 值與各影響因素的關系［31-32］。然而，長期耕作施肥影響下土壤酸化演變特征復雜，經典回歸分析方法受制于正態分布等嚴格假設，實際應用中常常難以給出精確擬合［33］。這是因為在農業生產實踐中，土壤pH值受到多類不可控因子的影響，導致年際間的實測值具有明顯的波動性，因而直接用年際實測值和試驗年限進行擬合難以得到具有統計學意義的回歸模型。

根據統計學誤差理論，土壤pH值誤差包含了混雜在一起的處理效應和隨機誤差兩部分，其中隨機誤差包括采樣誤差、樣品測定誤差以及年際間氣候變化影響下的誤差。構建不同輪作施肥處理下土壤pH 值長期趨勢變化應將輪作施肥效應從含有誤差的實測值中分離出來，消除實測誤差對輪作施肥真實效應的影響，提高結論可靠性［19］。一元線性回歸分析模型假設數據誤差呈正態分布，且均值為零，方差為常數。但這種嚴格假設在實際應用中常常難以滿足，因而造成一元線性回歸分析模型對試驗處理效應和隨機誤差的分離能力較弱。這也是表4 中土壤pH 值長期變化趨勢模型擬合優度低、模型可靠性差的重要原因。

灰色建模技術較好地克服了回歸分析對誤差分布的嚴格假設，擴大了精確建模的適用范圍。本研究基于TPGM（1，1）灰色預測模型對不同輪作施肥處理土壤pH 值的變化趨勢進行擬合分析，結果表明，4 種不同輪作施肥模式土壤pH 值變化的預測模型擬合誤差在2.77%～5.00%之間，模型擬合精度較高，較好地解決了土壤pH 值變化的定量評估問題。應用該模型預測未來5 年不同輪作施肥模式下土壤pH 值變化狀況，符合試驗預期和已有相關研究的結論［34］。

4 結論

本研究通過2013—2020 年的定位試驗對不同輪作施肥模式的土壤pH值變化進行分析，結果表明，菜-菜-稻輪作結合推薦施肥模式的土壤酸化速率最低，能夠有效緩解菜田土壤酸化。TPGM（1，1）灰色預測模型結果顯示，未來5 年菜田土壤pH 值仍將呈下降趨勢，但菜-菜-稻輪作結合推薦施肥模式的土壤酸化速率仍小于其他輪作施肥模式。