玉米秸稈還田形式對遼東低山丘陵區(qū)旱田土壤酸化的影響

關(guān)鍵詞：土壤酸化；秸稈還田；交換性酸；酸害容量

中圖分類號：S141.4；S156.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）12-2984-07 doi：10.11654/jaes.2024-0288

遼東丘陵山區(qū)是東北黑土區(qū)的重要組成部分，是我國重要的優(yōu)質(zhì)商品糧和綠色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。受地形、氣候和成土母質(zhì)條件所限及農(nóng)田基本建設(shè)投入不足、耕作和田間管理不當(dāng)?shù)纫蛩刂萍s，該區(qū)域農(nóng)田土壤水蝕、酸化、瘠薄化問題日趨突出[1]，嚴(yán)重影響國家糧食安全和生態(tài)安全。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在遼東丘陵山區(qū)分布著較大范圍的酸性土壤，pH值大多分布在5.5～6.5；遼東清原和寬甸地區(qū)耕地土壤的pH平均值分別為5.45 和5.15，低于5.5 的樣點分別達(dá)到了21.91%和51.91%[2-3]，與第二次土壤普查結(jié)果相比酸化趨勢明顯。土壤酸化是土壤退化的一個重要方面，大多數(shù)農(nóng)作物都適宜生長在pH值近中性的土壤環(huán)境中，土壤酸化至一定程度不僅易導(dǎo)致土壤中營養(yǎng)元素P、Mo、Ca、Mg的缺乏[4-6]，且能使土壤中重金屬元素的溶解度增加[7-8]，加大其對土壤環(huán)境的危害，致使土壤質(zhì)量持續(xù)惡化。土壤酸化對農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的影響不僅表現(xiàn)在當(dāng)前，而且會隨著時間的延長而迅速增加，土壤酸化問題已經(jīng)成為土壤學(xué)和環(huán)境科學(xué)中的重要研究課題。

我國是農(nóng)業(yè)大國，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高及糧食產(chǎn)量的持續(xù)增長，農(nóng)作物秸稈數(shù)量也越來越多，如果這些農(nóng)作物秸稈不能得到適宜的處理和利用，將會導(dǎo)致秸稈資源的嚴(yán)重浪費和較大的生態(tài)環(huán)境負(fù)擔(dān)。因此，開展秸稈綜合利用，不僅符合可持續(xù)發(fā)展理念，而且對生態(tài)環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)增效都具有十分重要的現(xiàn)實意義。遼東低山丘陵區(qū)位于東北黑土區(qū)，玉米秸稈資源豐富，用作農(nóng)村燃料、牲畜飼料和用于秸稈還田3種途徑的秸稈約占當(dāng)?shù)赜衩捉斩捹Y源的80%以上[9]，但在農(nóng)村秸稈燃料化、飼料化過程中產(chǎn)生的大量的草木灰和禽畜糞便等廢棄物，對農(nóng)村環(huán)境造成了潛在的污染和資源浪費，而土壤添加秸稈、牛糞及草木灰等外源物料是改良退化土壤的重要措施[10-11]。近年來，有研究表明，土壤添加有機物料對降低土壤容重，提高土壤有機質(zhì)含量和陽離子交換量，提升土壤pH值及緩沖性能有著顯著作用[12-16]，而土壤添加草木灰也能有效降低交換性鋁的含量，提高土壤鉀元素含量與pH值[17]，但也有文獻(xiàn)指出，秸稈等植物殘體對土壤pH值的影響也存在著相反的結(jié)果，秸稈等含氮有機物料在微生物的作用下會發(fā)生礦化作用，礦化作用產(chǎn)生的銨離子在微生物的作用下又會發(fā)生硝化反應(yīng)，釋放出氫離子，進而導(dǎo)致土壤pH值的降低[18-20]。因此，關(guān)于秸稈不同還田形式對土壤酸度的調(diào)控作用及影響機制還有待進一步明晰。目前國內(nèi)外關(guān)于土壤酸化、秸稈不同形式還田對土壤理化性質(zhì)的影響已有較多研究，但對遼東低山丘陵區(qū)土壤酸化的原因、機理及利用秸稈及其衍生物緩解土壤酸化進程的研究還不多見。本研究以遼東低山丘陵區(qū)玉米秸稈不同還田形式下的旱田土壤為研究對象，通過測定土壤pH值、交換性酸、交換性氫、交換性鋁、酸害容量與酸害強度等指標(biāo)，探究不同秸稈還田方式對土壤酸化的影響，以期為緩解遼東丘陵山區(qū)旱田土壤酸化、提高該區(qū)玉米秸稈的綜合利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在遼寧省撫順市東洲區(qū)曲柳樹村進行，試驗開始于2021年，試驗地位于長白山-遼東丘陵山區(qū)，該地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明、雨熱同季、降水集中，年平均氣溫4.7 ℃，無霜期120～139 d，平均日照2 433 h，年降水量750～850 mm，降雨集中在6—8月份。供試土壤類型為棕壤，是遼寧省主要土壤類型之一。供試作物為玉米。2021年秋天試驗開始布設(shè)前，采集0～20 cm土壤樣品，測定其基礎(chǔ)物理化學(xué)性質(zhì)，結(jié)果列于表1。

1.2試驗設(shè)計

根據(jù)玉米秸稈不同還田形式，試驗共設(shè)4 個處理，分別為秸稈不還田的對照處理（CK）、玉米秸稈直接還田處理（ZH）、玉米秸稈過腹還田處理（GH）及玉米秸稈焚燒后草木灰還田處理（FH），詳細(xì)試驗處理方式見表2。目前，在遼東低山丘陵區(qū)，冬季農(nóng)戶養(yǎng)牛主要喂食干玉米秸稈，根據(jù)15 d成年牛的每天平均取食量（干玉米秸稈5.80 kg）及排泄量（干牛糞3.48kg）計算，秸稈過牛腹轉(zhuǎn)換系數(shù)約為0.6；根據(jù)玉米秸稈燃燒后草木灰的留存量，秸稈焚燒草木灰回收率按質(zhì)量計約為0.1[21]。玉米秸稈、牛糞、草木灰的基本性質(zhì)見表3。每個處理3次重復(fù)，共計12個試驗小區(qū)，各小區(qū)隨機排列，面積10 m²，按照試驗地所在地區(qū)傳統(tǒng)方式進行田間管理，化肥作為基肥一次性施入，施肥種類及深度各小區(qū)之間均保持一致。

1.3 測定項目及方法

于2023年10月玉米收獲后用“S”形取樣法采集耕層土壤（0～20 cm）樣品，風(fēng)干過篩備用。測定土壤有機質(zhì)、pH、電導(dǎo)率（EC）、交換性酸、交換性鹽基總量、陽離子交換量（CEC）、酸害容量與酸害強度等指標(biāo)。土壤中有機質(zhì)含量及全氮含量采用元素分析儀測定；土壤pH 用pH 計（水土比2.5∶1）測定；土壤EC用電導(dǎo)率儀（水土比5∶1）測定；土壤交換性酸含量采用氯化鉀交換-中和滴定法測定；土壤CEC采用中性乙酸銨交換法測定；土壤交換性Ca²⁺、Mg²⁺含量采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測定；土壤交換性K⁺、Na⁺含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定。土壤酸害容量（Q）被定義為單位土壤pH 值達(dá)到3.5時所需要加入的酸量，因為大多植物不能在pH值低于3.5時正常生長，其代表了土壤對外來酸抵抗能力的強弱。土壤酸害容量利用酸定量回滴法測定[22]。酸害偏差（ΔpH）指土壤目前pH值和pH3.5之差，酸害強度是土壤酸害容量與酸害偏差之比（Q/ΔpH），是土壤加酸至pH 3.5時，pH值每降低一個單位所消耗的酸量，其反映了土壤遇酸pH值降低的難易程度[22-23]。

1.4 統(tǒng)計分析

利用Excel 2021軟件對數(shù)據(jù)進行處理和插圖繪制，數(shù)據(jù)方差分析和顯著性檢驗使用SPSS 19.0軟件，數(shù)據(jù)的多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈不同還田形式對土壤pH值和EC值的影響

圖1是不同處理土壤pH平均值。CK處理的pH值為5.64，與試驗前土壤的pH值相比（pH 5.66）下降了0.02個單位；其他處理較試驗前土壤的pH值均有所升高。FH處理的土壤pH值最高，為5.73，顯著高于CK處理，其次是ZH和CH處理，分別為5.69和5.68。

由圖2可知，與試驗前土壤的EC值比較，各處理土壤的EC值均有所增加，最高的為FH處理，EC值為106.33μS·cm^-1，顯著高于其他處理。其次是GH、CK和ZH 處理，EC值分別為89.33、88.67μS·cm^-1 和84.67 μS·cm^-1。

2.2 秸稈不同還田形式對土壤交換性酸的影響

由圖3A可見，不同秸稈還田方式處理土壤的交換性酸含量均低于CK處理，ZH、GH、FH處理的交換性酸含量分別比CK 處理降低了14.81%、12.45%、23.57%，其中FH處理土壤的交換性酸含量顯著低于CK處理，交換性酸含量在其他處理之間差異不顯著。與CK相比，ZH和GH處理土壤的交換性氫含量略有增加，差異不顯著，但其土壤交換性鋁含量顯著低于CK；FH處理土壤的交換性氫、交換性鋁含量均低于CK，但差異不顯著；ZH和GH處理土壤的交換性氫含量顯著高于FH處理，交換性鋁含量顯著低于FH處理（圖3B、圖3C）。在CK和FH處理中，交換性鋁含量高于交換性氫含量，而在ZH和GH處理中，交換性鋁含量低于交換性氫含量，說明秸稈直接還田和過腹還田能降低交換性鋁在交換性酸中的比例（圖3D）。

2.3 不同秸稈還田方式對土壤CEC及鹽基飽和度的影響

土壤鹽基飽和度除了常被作為判斷土壤肥力水平的指標(biāo)外，其數(shù)值也反映了土壤中致酸離子的含量。根據(jù)土壤學(xué)基本原理，當(dāng)土壤膠體上的吸附點位被鹽基離子占滿時，是謂鹽基飽和，土壤呈中性或堿性；而當(dāng)土壤鹽基不飽和，一部分吸附點位被致酸離子所占時，土壤呈現(xiàn)酸性反應(yīng)。不同秸稈還田方式處理土壤CEC 及鹽基飽和度列于表4，ZH和GH 處理的土壤CEC 顯著高于CK 和FH 處理，分別比CK 處理增加了6.07% 和11.28%，而FH 處理和CK 處理之間的CEC 差異不顯著。ZH、GH 和FH 處理的土壤鹽基飽和度分別為69.65%、68.88% 和69.76%，均高于CK 處理的66.36%，但未達(dá)到5% 差異顯著水平。

2.4 不同秸稈還田方式對土壤酸緩沖容量的影響

由表5可見，秸稈不同還田形式處理的土壤酸害容量均顯著高于CK處理，由高至低依次為GH、ZH和FH處理，增幅分別為15.97%、13.69%和12.70%，秸稈不同還田形式處理之間差異不顯著。不同處理的土壤酸害偏差最大的是FH 處理，其次是ZH 和GH 處理，CK處理最低。不同處理土壤酸害強度由高至低依次為GH、ZH、FH、CK，與CK相比，3種秸稈還田形式處理均顯著提升了土壤的酸害強度。

3 討論

土壤pH值和EC值是土壤的兩個重要參數(shù)，互相影響[24]，維持土壤pH值和EC值在一個合適的范圍內(nèi)能夠有效提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。在本研究中，秸稈不同還田形式處理均提升了土壤的pH值，其中秸稈草木灰還田提升效果最為顯著；秸稈不同還田形式處理對土壤EC值的影響不同，其中秸稈草木灰還田顯著提升了土壤的EC值。草木灰是玉米秸稈燃燒后的無機殘余物，其主要成分是碳酸鉀及少量微量元素，質(zhì)輕、溶解度高且呈強堿性[25]，因此，與秸稈直接還田、過腹還田處理相比較，草木灰還田能顯著提高土壤的pH值與EC值。

土壤交換性酸指土壤膠體表面吸附的、可被中性1mol·L^-1 KCl溶液浸提交換釋放出的交換性氫離子和鋁離子，與溶液中氫離子處于動態(tài)平衡之中，是土壤酸度容量指標(biāo)之一[26]。在本研究中，與對照處理相比，秸稈草木灰還田處理顯著降低了土壤交換性酸和其中交換性鋁的含量，秸稈直接還田、過腹還田處理顯著降低了土壤交換性鋁的含量及其在交換性酸中的比例。在對照和草木灰還田處理中，土壤交換性酸以交換性鋁為主，而在秸稈直接還田和過腹還田處理中土壤交換性氫是構(gòu)成土壤交換性酸的主體。這主要是由于秸稈直接還田和過腹還田處理使土壤中的有機質(zhì)含量大幅提升，而有機質(zhì)含量的增加能顯著降低交換性鋁在土壤中的含量和在交換性酸中的比例[19]。

土壤酸害容量與強度可以反映土壤對酸的緩沖能力與土壤酸度降低的難易程度。本研究中，秸稈不同還田形式處理均顯著提高了土壤的酸害容量與強度，這和土壤中有機質(zhì)的數(shù)量及土壤陽離子交換性能關(guān)系緊密[21]。在秸稈直接還田和過腹還田后，土壤有機質(zhì)含量、土壤鹽基總量及CEC均明顯增加，而秸稈草木灰還田顯著提升了土壤的pH值和交換性鉀的含量。土壤中的有機物質(zhì)是兩性膠體，對酸堿都具有很強的緩沖能力，且有機膠體的比表面積和CEC 遠(yuǎn)大于無機膠體。而交換性鹽基離子的數(shù)量及交換性能是影響土壤酸化的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)外源酸不斷加入土壤固-液體系時，土壤固相膠體上的交換性鹽基離子就能與液相中的氫離子發(fā)生陽離子交換，使溶液中的氫離子進入到土壤固相膠體上，起到對酸的緩沖作用[27]。因此，土壤中的有機質(zhì)含量、交換性鹽基及CEC越高，土壤抵抗酸的能力就越強。

目前，遼東低山丘陵區(qū)耕地土壤酸化是一個較為普遍的現(xiàn)象，伴隨著農(nóng)民對農(nóng)作物高產(chǎn)的追求，長期過量施用化肥使旱田土壤酸化范圍及程度有逐年擴大與加重的趨勢。而該地區(qū)玉米秸稈資源豐富，用作生活燃料、牲畜飼料的比例較大，其衍生物若得不到有效利用和處理，會造成極大的資源浪費和環(huán)境壓力。因此，將玉米秸稈及其衍生物以適當(dāng)方式還田，不僅可以緩解該地區(qū)土壤的進一步酸化，而且對農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)增效都具有十分重要的現(xiàn)實意義。

4 結(jié)論

（1）秸稈直接還田和過腹還田處理顯著降低了土壤交換性鋁的含量及其在交換性酸中的比例，顯著提高了土壤的CEC。秸稈草木灰還田處理顯著提高了土壤的pH值和EC值，降低了土壤交換性酸和其中交換性鋁的含量。

（2）秸稈不同還田形式處理均顯著提升了土壤的酸害容量與酸害強度，土壤酸害容量由高至低依次為秸稈過腹還田、秸稈直接還田和秸稈草木灰還田，增幅分別為15.97%、13.69% 和12.70%，不同處理的土壤酸害強度由高至低依次為秸稈過腹還田、秸稈直接還田、秸稈草木灰還田和對照。在本研究中秸稈還田的形式雖然不同，但都不同程度地增強了土壤的酸害容量與強度，提高了土壤對酸的緩沖能力。