硅钙钾镁肥对南方稻田土壤酸度的改良作用*

冀建华 李絮花 刘秀梅 侯红乾 刘益仁 王子君 吕真真蓝贤瑾 陈剑秋 黄祥光

（1 土肥资源高效利用国家工程实验室，山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018 ）（2 国家红壤改良工程技术研究中心，江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，南昌 330200）（3 养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室，金正大生态工程集团股份有限公司，山东临沂 276700）（4 江西省泰和县农业技术推广中心，江西泰和 343700）

近年来，由于过量施用氮肥、农作物永久性移除和酸沉降，我国稻田土壤在高强度、集约化种植下开始大面积酸化［1］，而且这种趋势在进一步加速。土壤酸化导致了土壤养分流失加速，铝、锰和重金属元素活性增加，进而发生营养元素缺乏和元素毒害，影响植物的正常生长，使稻田生态系统退化，生物多样性降低，产量及品质逐渐下降［2］。

施用石灰是农业生产中最为常见的调节土壤pH的措施。研究表明，施用石灰除了能有效降低土壤酸度之外，还可显著减轻铝毒和其他重金属的毒害作用，补充营养元素（如Ca、Mg等），改良土壤物理结构，提高团聚体稳定性和导水率，增加土壤全碳和全氮含量［3-5］，改善作物生长环境，提高作物产量和品质［6］。然而，长期或大量施用石灰容易引发土壤养分失衡的问题，甚至对环境造成一些不良影响。Brennan等［7］研究表明，施用石灰容易引起土壤缺锌，导致作物减产。Nilsson等［8］报道森林生态系统施用石灰会改变土壤有机质的质量，使碳氮比和碳硫比显著下降；同时土壤硝化作用增强，NO3-淋失量明显增加。此外，施用石灰还会大大增加土壤CO2的排放［9］。连续多次施用石灰调节土壤酸度，效果明显降低［6］。因此，寻找更加经济、环保、营养元素全面且有效的石灰替代品，成为当前酸性土壤改良研究的重要课题。

硅钙钾镁肥是磷石膏、钾长石在高温下煅烧而形成的碱性肥料，含有水稻所需要的硅、钙、镁、磷、钾大中量营养元素，可有效克服石灰养分单一的不足。研究表明，硅钙钾镁肥可有效提高水稻产量和稻田耕层土壤pH，增加耕层土壤盐基离子含量，降低土壤交换性铝含量［10-11］。硅钙钾镁肥不仅对稻田土壤有明显的改良效果，而且对旱地土壤也有同样的效果。粟方亮等［12］研究表明，硅钙钾镁肥可提高蜜柚产量，改善蜜柚品质，明显提高土壤pH以及有效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁含量。王建康等［13］报道，硅钙钾镁肥不仅可提高甘蔗产量、改善品质，而且还可提高蔗田耕层土壤pH 0.09～0.80个单位。综上可见，硅钙钾镁肥改良稻田和旱地耕层土壤均表现出明显的效果，但是对稻田土壤耕层以下酸性特性与分布的影响如何，仍不明确，改良南方稻田土壤酸性的机制尚需进一步探索。

鉴于此，本研究选用硅钙钾镁肥为研究对象，采用田间定位试验研究方法，通过分析硅钙钾镁肥不同用量对土壤pH、交换性酸、交换性盐基离子、交换性离子产生/消耗量、酸碱缓冲容量和碱产生量的影响，明确改良、培肥效果，探讨作用机制，以期为南方稻田土壤长期合理施用硅钙钾镁肥、提升土壤质量和促进农业可持续发展提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验基地位于江西省泰和县禾市镇丰垄村（26°51′58.08″N，114°43′25.07″E）。田块面积约为970 m2（68.3 m×14.2 m），土壤类型为典型水稻土，基本理化性质见表1。该地区年平均日照时间1 756 h，年平均气温18.6 ℃，年平均降水量1 726 mm，无霜期281 d，四季分明，热量丰富，雨量充沛，属典型的亚热带湿润季风气候。

表1 试验前供试土壤基本性质（0～20 cm）Table 1 Basic chemical properties of the test soil before the experiment

1.2 试验设计

供试作物：早稻品种为欣荣优5号；晚稻品种为五优华占，基本苗均为2万蔸。供试肥料：复合肥（N～P2O5～K2O 15%～15%～15%）、尿素（N 46%）、氯化钾（K2O 60%）和硅钙钾镁肥（养分含量分别为CaO 27.4%，MgO 9.37%，SiO226.85%，K2O 5.74%，P2O58.58%，酸中和量2.2 mol·kg-1，pH 8.7）。

硅钙钾镁肥料定位试验开始于2013年。种植模式：早稻—晚稻—休闲。试验以农民习惯施肥为对照（CK），在农民习惯施肥基础上每季增施750（标记为CK+T50）、1 125（标记为CK+T75）、1 500（标记为CK+T100）和1 875 （标记为CK+T125）kg·hm-2硅钙钾镁肥四个用量水平。每个处理重复3次，随机区组排列，小区面积30 m2（10 m×3 m），小区间以0.45 m深和0.5 m宽的田埂隔开，田埂用塑料薄膜包裹，独立排灌。各小区田间管理与农民习惯施肥处理一致。

农民习惯施肥在早稻和晚稻上均施氮1 8 0 kg·hm-2，磷（P2O5）90 kg·hm-2，钾（K2O）90 kg·hm-2，其中，移栽前施复合肥300 kg·hm-2，尿素75 kg·hm-2；分蘖期施复合肥225 kg·hm-2，尿素120 kg·hm-2；幼穗分化期施复合肥75 kg·hm-2。硅钙钾镁肥4个用量水平施氮均为180 kg·hm-2；施磷（P2O5）分别为154.4、186.5、218.7、250.9 kg·hm-2；施钾（K2O）分别为133.1、154.6、176.1、197.6 kg·hm-2，其中，尿素和复合肥的施肥量和施肥时期同农民习惯施肥。硅钙钾镁肥全作基肥，所有肥料均表面撒施。

1.3 样品采集与分析

采用“S”型取样法采集试验开始前的基础土样和2016年晚稻收获后0～15、15～30、30～50和50～70 cm土层土壤样品，分析土壤阳离子交换量（CEC）、pH、电导率以及有机质、全氮、有效磷、速效钾、交换性Ca2+、交换性Mg2+、交换性K+、交换性Na+、交换性酸总量、交换性H+和交换性Al3+。

土壤阳离子交换量（CEC）采用乙酸铵交换法测定［14］；pH采用2.5∶1水浸提，酸度计（Seven Compact pH计 S220，Mettler Toledo，上海）测定；电导率采用5∶1水浸提，电导率仪（Orion Star A212，Thermo Scientific，美国）测定［14］；交换性酸总量（交换性H+，交换性Al3+）采用1 mol·L-1KCl交换，中和滴定法测定［14］；交换性Ca2+、交换性Mg2+、交换性K+和交换性Na+采用1 mol·L-1乙酸铵浸提，原子吸收分光光度法（PinAAcle 900，PerkinElmer，美国）测定［14］；有机质、全氮、有效磷、速效钾采用常规分析方法［14］。

硅钙钾镁肥的酸中和量采用0.1 mol·L-1H2SO4滴定已配制好的硅钙钾镁肥悬液（固液比=1∶5）至pH5.0，然后根据H2SO4消耗量计算出硅钙钾镁肥的酸中和量［15］。

土壤酸碱缓冲容量分析方法［16］：称取过2 mm筛的风干土样2.5 g于塑料离心管中，每个管中准确加入25 mL浓度分别为0、0.002、0.004、0.008、0.016、0.032 mol L-1系列HNO3溶液和相同浓度的系列NaOH溶液，然后在25 ℃条件下震荡24 h，培养6 d，测量前再震荡30 min后测定悬液的pH，土壤酸碱缓冲容量（pH buffer capacity，pHBC）的计算参照Nelson 和Sun［17］描述的方法。

1.4 数据处理

碱产生量（Net alkalinity production，NAP）［18］=式中，pHT和pHCK分别代表添加硅钙钾镁肥处理和农民习惯施肥处理的pH。式中，ΔpH为试验开始前与结束后的土壤pH变化量；pHBC为试验结束后的土壤酸碱缓冲容量，mmol·kg-1·pH-1；BD为试验结束后的土壤容重，g·cm-3；V为单位面积下某一深度的土壤体积，m3·hm-2；T为试验时间，a。

文中所有图表和数据采用SigmaPlot10和Excel 2010进行绘图和数据整理，采用SPSS16.0进行统计分析。不同处理间土壤属性显著性差异采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD0.05）多重比较进行检验。

2 结 果

2.1 硅钙钾镁肥对土壤pH的影响

由图1 可见，与C K 处理相比，C K+T 5 0、CK+T75、CK+T100和CK+T125处理对0～30 cm土壤pH有明显影响，对30 cm以下影响不明显。其中，0～15 cm分别提高了1.22、1.31、1.57和1.58个pH单位；15～30 cm分别提高了0.35、0.37、0.42和0.64个pH单位。由此可见，土壤pH的提高幅度在0～15 cm明显高于15～30 cm，其中，0～15 cm达到了施1 t·hm-2硅钙钾镁肥提高0.1个pH单位（y=0.10x+4.62，R2=0.85）；15～30 cm仅为施1 t·hm-2硅钙钾镁肥提高0.04个pH单位（y=0.04x+5.93，R2=0.93），并且在0～15 cm和15～30 cm均表现出随硅钙钾镁肥用量增加而显著增大的趋势。

图1 硅钙钾镁肥处理下的土壤剖面pH（土水比为1∶2.5）Fig. 1 Soil pH（ratio of soil to water is 1∶2.5）in the soil profile relative to treatment

2.2 硅钙钾镁肥对土壤交换性酸的影响

经过4 a 8季连续定位施肥试验，各施肥处理的土壤交换性酸发生了明显变化。由图2可见，与CK处理相比，CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125处理的土壤交换性酸总量在0～30 cm显著降低，30 cm以下无明显变化，其中0～15 cm分别降低了75.02%、78.95%、80.57%和84.02%；15～30 cm分别降低了32.31%、47.69%、49.74%和51.28%。可见，硅钙钾镁肥用量越高，土壤交换性酸总量的降低幅度相对越大，并且降低量在0～15 cm明显高于15～30 cm。

土壤交换性酸总量是由交换性H+和交换性Al3+组成。由图2可见，施肥处理对0～30 cm土壤交换性H+和Al3+有明显影响，其中，CK处理的土壤交换性酸（H+和Al3+）最高，土壤交换性Al3+占交换性酸总量的比例也相应最高，在0～15 cm和15～30 cm分别达到了77.51%和44.62%；CK+T50和CK+T75其次，土壤交换性Al3+占交换性酸总量的比例在0～15 cm 分别为57.57%和54.55%，在15～30 cm分别为23.49%和0%；CK+T100和CK+T125处理的土壤交换性酸相对最低，土壤交换性Al3+占交换性酸总量的比例也相应最小，在0～15 cm分别为48.77%和48.5%，在15～30 cm几乎为零。由此说明，硅钙钾镁肥处理较农民习惯施肥处理不仅显著降低了土壤交换性H+和Al3+，而且也降低了土壤交换性Al3+占交换性酸的比例，用量越高，降低的幅度相对越大。研究表明，土壤交换性H+和Al3+对交换性酸的贡献大小与土壤酸化程度有关，酸化程度越严重，交换性Al3+所占比例越高［20］。这与本研究结果基本一致。

图2 硅钙钾镁肥处理下的土壤剖面交换性酸Fig. 2 Exchangeable acid in the soil profile relative to treatment

2.3 硅钙钾镁肥对土壤电导率的影响

土壤浸出液的电导率（EC）能反映土壤可溶性盐含量，可指示土壤水溶性离子浓度［14］。于晚稻收获后测定0～70 cm土壤电导率，结果如图3，硅钙钾镁肥处理的EC较CK处理在0～30 cm均有所提高，其中，CK+T100和CK+T125处理的提高幅度最大，均达到了显著性差异水平；CK+T75处理次之，CK+T50处理的提高幅度相对最小，差异不显著。由此可见，连续4 a 8季施用硅钙钾镁肥，每季用量在1 500 kg·hm-2以上可有效提高0～30 cm土壤溶液中离子浓度。土壤水溶性离子浓度的增加可能会补充土壤交换性盐基离子，增加土壤交换性盐基总量。

图3 硅钙钾镁肥处理下的土壤剖面电导率（土水比为1∶5）Fig. 3 Electrical conductivity（ratio of soil to water is 1∶5）in the soil profile relative to treatment

2.4 硅钙钾镁肥对土壤交换性盐基离子的影响

与土壤电导率提高相对应，C K+T 5 0、CK+T75、CK+T100和CK+T125处理的土壤交换性盐基总量较CK处理在0～30 cm均有所增加（表2）。其中，增幅在0～15 cm分别为110.6%、119.8%、133.6%和136.8%，各处理均达到了显著性差异水平；在15～30 cm分别为5.39%、10.73%、11.68%和12.98%，仅CK+T125处理差异显著。可见，土壤交换性盐基总量的增加主要集中在0～15 cm土层，并且随硅钙钾镁肥用量的增加而明显增大。由于土壤交换性盐基总量的增加，CK+T50、CK+T75、CK+T100和C K+T 1 2 5 处理的盐基饱和度较C K 处理在0～30 cm也相应显著增大，增幅大小顺序为：CK+T125＞CK+T100＞CK+T75＞CK+T50，0～15 cm明显高于15～30 cm。可见，硅钙钾镁肥对土壤盐基饱和度的影响与交换性盐基总量相似，硅钙钾镁肥用量越大，土壤盐基饱和度相对越高，且对0～15 cm影响最大，15～30 cm其次，30 cm以下影响最小。

土壤交换性盐基总量是由交换性Na+、Ca2+、Mg2+和K+四种离子构成。由表2可知，与CK处理相比，CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125处理的土壤交换性Ca2+、Mg2+、K+在0～15 cm均有所增加，其中，土壤交换性Ca2+的增加量相对最大，分别为1.78、1.96、2.20、2.20 cmol·kg-1；土壤交换性Mg2+次之，分别为0.87、0.92、1.00、1.07 cmol·kg-1，各处理差异均显著；土壤交换性K+的增加量相对最小，分别为0.02、0.03、0.04和0.06 cmol·kg-1，仅CK+T100和CK+T125处理达到了显著性差异水平。CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125处理的土壤交换性Ca2+、Mg2+较CK处理在15～30 cm同样表现出增加趋势，其中CK+T125处理达到了显著性差异水平；土壤交换性K+较CK处理在15～30 cm差异不显著。由此说明，土壤交换性Ca2+、Mg2+和K+含量的增加量主要集中在0～15 cm，并且随硅钙钾镁肥施用量的增加而显著增大，多次大量施硅钙钾镁肥有利于Ca2+、M g2+向1 5 c m 以下土层移动，对K+几乎无明显影响。

2.5 硅钙钾镁肥对土壤阳离子交换量和土壤酸碱缓冲容量的影响

CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125处理的土壤阳离子交换量（CEC）在0～50 cm土层略高于CK处理（表2），但差异均不显著。研究表明，长期施石灰可以提高土壤CEC［20-22］，归因于土壤有机质含量增加和石灰用量大。Houle等［21］及Moore等［22］研究发现石灰用量在5 t·hm-2才有明显效果。本研究中土壤CEC表现出增加趋势，但不显著，可能与施用量较少和施用时间较短有关。

土壤pH是评价土壤酸化的强度指标，土壤酸碱缓冲容量（pHBC）是土壤pH改变一个单位情况下所添加酸或碱的当量，是容量指标［17,19］。由表3可知，与CK处理相比，CK+T75、CK+T100和CK+T125处理的pHBC在0～15 cm均有所增加，其中，CK+T100和CK+T125处理达到了显著性差异水平，增幅分别为34.85%和48.51%。15～30 cm同样表现出增加趋势，但差异不显著。由此说明，硅钙钾镁肥在双季稻上每季用量为1 500和1 875 kg·hm-2，且连续施用8季，可有效提高表层土壤酸碱缓冲容量。

2子离基盐性换交面剖壤土下理处肥镁钾钙硅表tnemtaert ot evitaler eliforp lios eht ni noitarutas esab dna CEC,noitac esab elbaegnahcxE 2 elbaT+++2+2 aN K gM aC量换交子离阳量总基盐性换交性换交性换交性换交性换交esaB度和饱基盐理处层土+++2+2 CEC snoitac esab elbaegnahcxE aN elbaegnahcxE K elbaegnahcxE gM elbaegnahcxE aC elbaegnahcxE/noitarutas stnemtaerT sreyal lioS%111111------)gk·lomc(/)gk·lomc(/)gk·lomc(/)gk·lomc(/)gk·lomc(/)gk·lomc(/c86.4 77.04 a03.009.5 b93.014.2 a10.011.0 c00.011.0 c80.072.0 b13.029.1 KC mc 51 0±±±±±±±～b90.2 92.58 a34.059.5 a94.080.5 a20.011.0 cb20.031.0 b60.041.1 a34.007.3 05T+KC±±±±±±±ba08.1 97.78 a45.040.6 a55.013.5 a30.090.0 cba10.041.0 ba11.091.1 a44.098.3 57T+KC±±±±±±±ba77.1 22.98 a14.023.6 a64.046.5 a20.001.0 ba20.051.0 ba30.062.1 a64.031.4 001T+KC±±±±±±±a31.1 80.19 a83.072.6 a24.027.5 a30.090.0 a10.071.0 a41.043.1 a62.021.4 521T+KC±±±±±±±c57.0 60.98 a13.059.5 b82.003.5 a10.031.0 a10.060.0 b60.038.0 b32.072.4 KC mc 0351±±±±±±±～b02.2 36.29 a03.020.6 ba14.085.5 a20.090.0 a10.060.0 ba11.059.0 ba23.084.4 05T+KC±±±±±±±ba09.0 45.49 a62.012.6 ba22.078.5 a20.001.0 a10.060.0 ba01.020.1 ba03.096.4 57T+KC±±±±±±±ba95.0 67.49 a23.042.6 ba33.029.5 a20.080.0 a00.070.0 ba41.030.1 ba32.037.4 001T+KC±±±±±±±a44.0±79.49 a11.0±03.6 a11.0±89.5 a20.0±01.0 a10.0±70.0 a90.0±70.1 a50.0±57.4 521T+KC a20.0 01.59 a44.096.7 a24.013.7 a20.060.0 a00.070.0 a60.003.1 a74.088.5 KC mc 0503±±±±±±±～a55.0 74.59 a53.067.7 a73.014.7 a00.060.0 a00.080.0 a11.042.1 a54.030.6 05T+KC±±±±±±±a04.0 41.59 a13.009.7 a13.025.7 a00.060.0 a00.070.0 a60.082.1 a52.001.6 57T+KC±±±±±±±a55.0±36.59 a05.0±19.7 a54.0±75.7 a00.0±60.0 a10.0±80.0 a50.0±82.1 a14.0±51.6 001T+KC a73.0 67.59 a72.090.8 a32.057.7 a10.070.0 a00.080.0 a50.073.1 a91.032.6 521T+KC±±±±±±±a44.0 03.69 a63.028.8 a33.094.8 a00.060.0 a00.080.0 a60.045.1 a82.018.6 KC mc 0705±±±±±±±～a74.0 10.79 a45.079.8 a65.007.8 a00.060.0 a10.090.0 a90.084.1 a15.070.7 05T+KC±±±±±±±a96.0 19.69 a36.039.8 a76.056.8 a00.060.0 a00.080.0 a01.045.1 a95.089.6 57T+KC±±±±±±±a41.0 54.69 a66.048.8 a56.035.8 a00.060.0 a00.070.0 a60.005.1 a06.009.6 001T+KC±±±±±±±a02.0 48.69 a32.078.8 a22.095.8 a00.060.0 a00.070.0 a30.016.1 a02.048.6 521T+KC±±±±±±±P nmuloc emas eht ni srettel tnereffid ehT .noitaived dradnats naem fo era elbat eht ni atad eht :etoN 50.0＜±同下。）（著显异差示表母字同不列同，差准标±值均平为据数中表：注P woleb emas ehT .)50.0＜( ecnereffid tnacifingis naem

对于酸性土壤且同一种土壤质地而言，土壤p H B C 的变化主要受土壤有机质和C E C 的影响［17］。相关研究表明，土壤CEC与pHBC之间呈显著正相关，土壤CEC越高，土壤酸碱缓冲性能越大［17］。本研究采用线性回归方程对土壤CEC与pHBC之间关系进行分析后发现，硅钙钾镁肥连续施用8季后，0～15 cm土壤CEC与pHBC呈显著线性正相关关系（y=0.037x+5.19，R2=0.87，P=0.02），这与前人研究结果基本一致。说明硅钙钾镁肥导致的土壤酸碱缓冲容量变化主要归因于土壤阳离子交换量的增加。

2.6 硅钙钾镁肥对土壤碱产生量的影响

酸化率（AR）和碱产生量是土壤pH变化量与土壤酸碱缓冲容量的函数。由表3可见，在双季稻上经过4 a 8季连续施肥后，CK处理的土壤pH由试验前的4.7降低到了4.36，下降了约0.34个单位，导致0～30 cm土壤明显酸化，土壤酸化率即每年质子产生量达到了2.86 kmol·hm-2·a-1。与之相反，在农民习惯施肥基础上增施一定量硅钙钾镁肥能有效阻止该酸化进程，显著增加0～30 cm土壤碱量。CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125处理的碱产生量在0～30 cm分别达到了9.69、10.53、16.2和18.44 kmol·hm-2·a-1，其中，0～15 cm土层所占比例达80%以上。可见，土壤碱产生量随硅钙钾镁肥用量的增加而明显增大，并且主要集中在0～15 cm土层。

表3 土壤酸碱缓冲容量与碱产生量Table 3 pH buffer capacity(pHBC) and net alkalinity production

2.7 交换性盐基离子释放与交换性酸消耗之间的关系

硅钙钾镁肥处理的交换性盐基离子释放量为CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125处理的交换性盐基离子含量与CK处理相减而得；同理，硅钙钾镁肥处理的土壤交换性酸消耗量是CK处理的土壤交换性酸含量与CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125处理间的差值。由图4可见，硅钙钾镁肥在土壤中释放的交换性盐基离子总量与土壤交换性酸消耗量有良好的线性关系，线性回归方程为y=1.043x+0.145。由此说明，土壤交换性酸消耗量中硅钙钾镁肥释放在土壤中的交换性盐基离子和相应碱贡献了104.3%，换言之，土壤交换性酸的减少主要由硅钙钾镁肥释放的盐基离子和相应碱所消耗。

3 讨 论

3.1 硅钙钾镁肥对稻田土壤酸度的影响

图4 土壤交换性酸消耗量与盐基离子释放量之间的关系Fig. 4 Relationship between exchangeable acid consumption and release of base cations from SCPM in the soil

本研究结果表明，农民习惯施肥处理在每季水稻施氮量为360 kg·hm-2，连续施用8季后土壤pH由试验前的4.7降低到了4.36，下降了约0.34个单位，导致0～30 cm土壤明显酸化，酸化率即质子产生量达到了2.86 kmol·hm-2·a-1。Cai等［19］报道南方红壤旱地施氮量为300 kg·hm-2·a-1时，产生3.2～3.9 kmol·hm-2·a-1质子。Noble等［23］研究表明，在甘巴草（Gamba grass）上每年施铵态氮肥287 kg·hm-2产生16.6 kmol·hm-2·a-1质子，施同样量的硝态氮肥仅产生5.6 kmol·hm-2·a-1质子。与这些研究相比，本研究结果相对较低，这是因为稻田淹水厌氧条件下硝化作用相对较弱，硝酸盐向耕层以下淋洗量相对较少，质子产生量主要以水稻永久性移除为主。相反，在旱地好氧条件下将有大量硝酸盐产生并随土壤溶液向下淋溶，从而产生大量的质子。在农民习惯施肥基础上增施一定量硅钙钾镁肥可以有效阻止土壤酸化进程，C K+T 5 0、C K+T 7 5、CK+T100和CK+T125处理的碱产生量分别达到了9.69、10.53、16.2和18.44 kmol·hm-2·a-1。Lesturgez等［24］报道石灰施用量为1.5 t·hm-2时，豇豆—玉米轮作和裸地休闲两种种植模式下碱产生量分别为5.95和7.25 kmol·hm-2·a-1。与之相比，本研究的碱产生量相对较高。究其原因，（1）稻田生态系统中质子产生量较旱地相对较少，中和质子后残留的碱相对较多；（2）硅钙钾镁肥碱度较石灰相对较低，但盐基离子含量相对较高。硅钙钾镁肥的碱度为2.2 mol·kg-1，每年施入稻田土壤的碱量分别为3.30、4.95、6.60、8.25 kmol·hm-2。而实际硅钙钾镁肥在稻田土壤产生的碱量远高于施入的碱量，这是因为硅钙钾镁肥主要由38%的硅酸钙镁、20%氟磷灰石、20%钾石膏和17%白云石等矿物组成，所测定的酸中和量仅为酸可以中和的那一部分碱性物质，对于硅钙钾镁肥而言，仅有17%白云石和部分硅酸钙镁可被酸有效中和，所以酸中和量仅能反映硅钙钾镁肥中一部分碱度，对钾石膏和氟磷灰石的碱度基本无法反映。而实际上，钾石膏和氟磷灰石进入稻田土壤后同样产生大量碱，并且起主要作用。

盐基养分对维持水稻健康生长至关重要。相关研究［10-13］表明，硅钙钾镁肥在提高土壤交换性Ca2+、Mg2+、K+和有效硅含量等方面表现出良好的效果，但是作为土壤改良剂，用量多少才可有效改良耕层以下土壤酸性，仍未明确。Goulding［6］研究表明，对于初始pH为5.0～6.2的土壤，石灰推荐量在不同质地上为3～14 t·hm-2。Long等［25］发现一次施用石灰岩22.4 t·hm-2，土壤pH、交换性Ca2+和Mg2+的增加能到达35～45 cm。石灰施用后对耕层以下土壤的改良效果与用量和施用次数有关［26］。本研究结果显示，在南方双季稻地区，硅钙钾镁肥用量每季在1 500 kg·hm-2以上，且连续施用8季可显著改良亚表层（15～30 cm）土壤酸性，同时有效补充耕层和亚表层土壤盐基养分。

3.2 硅钙钾镁肥对稻田土壤酸度改良作用机制探讨

目前常用的酸化土壤改良材料主要有石灰、硅酸盐、碳酸盐、白云石粉或白云石灰岩、碱渣和石膏等物质。研究表明，石灰施入土壤后水解产生OH-和能有效中和土壤H+，显著提高土壤pH［27］。当大量或长期多次施石灰于表层土壤后，伴随着Ca2+将由表层土壤移动至亚表层土壤，从而提高亚表层土壤盐基离子含量和pH［25］。石膏或碱渣中含有大量的由于这些带负电荷，容易向表层土壤以下淋溶，在此过程中与土壤表面的OH-发生配位交换反应，生成大量OH-而提高表层和亚表层土壤的pH，同时，携带的盐基离子可与表层和亚表层土壤的交换性酸进行交换反应，降低土壤交换性酸含量［27］。硅酸盐具有较高的可溶性，进入土壤后由于水解产生OH-，同样可提高土壤pH。此外，硅酸盐具有较强的可移动性，在多次大量施用下同样可携带盐基离子由表层移动至亚表层，提高亚表层盐基离子含量和土壤pH［28］。与石灰相比，硅酸盐在提高pH、交换性Ca2+、Mg2+和作物产量以及减少交换性Al3+方面的效果相对更好［29］，并且随硅酸盐用量的增加，土壤p H、交换性C a2+和M g2+及盐基饱和度显著增加，交换性酸和交换性A l3+显著降低［30］。另外一类改良材料是白云石粉或白云石灰岩，主要成分是C a M g(C O3)2。白云石灰岩一次性施入土壤后交换性A l3+逐年降低，交换性C a2+和M g2+逐年升高［25］，并且随白云石粉用量的增加，土壤p H、交换性C a2+、M g2+和盐基饱和度呈线性或二次方增加，交换性酸呈二次方降低［21-22］，在白云石粉基础上配施石膏，效果相对更显著［31］。

本研究结果表明，农民习惯施肥导致土壤pH、交换性盐基和盐基饱和度显著降低，土壤交换性酸和交换性Al3+大幅增加，这是因为在无盐基补充的情况下，每年永久性生物量移除和氮肥用量过多导致的结果［1］。硅钙钾镁肥由于含有硅、钙、镁、磷、钾等营养元素，可有效补充损失的部分。本研究结果显示，在双季稻区连续4 a 8季施硅钙钾镁肥，稻田0～30 cm土壤pH、交换性盐基和盐基饱和度随用量的增加而显著提高，土壤交换性酸，特别是土壤交换性Al3+随用量的增加而显著降低。本研究结果与上述前人的结论基本一致。本研究中选用的硅钙钾镁肥，主要由氟磷灰石（Ca5F(PO4)3）、钾石膏（K2Ca(SO4)2·H2O）、白云石（CaMg(CO3)2）和硅酸钙镁（Ca2Mg5H2(SiO3)8）等矿物组成。这些成分携带盐基离子与土壤交换性酸进行交换反应，增加土壤交换性盐基总量，降低土壤交换性酸，其中，钾石膏含有和硅酸钙镁含有的作为稳定的阴离子在多次大量施用条件下，可携带盐基离子向下淋溶至15～30 cm，甚至30～50 cm，从而提高亚表层土壤盐基离子总量和盐基饱和度，降低亚表层土壤交换性酸，有效改良亚表层土壤酸性。这些阴离子在表层或亚表层同样可发生水解或专性吸附，有效中和土壤中的H+和Al3+，提高土壤pH，此外，硅钙钾镁肥中硅酸盐具有很强的移动性，可与表层和亚表层土壤Al3+发生反应，生成羟基铝硅酸盐沉淀，降低Al3+活性［29］。

Shi等［32］通过室内酸化模拟试验研究表明：生物质炭的盐基离子释放占质子消耗的67%，是土壤酸碱缓冲容量增加的主要作用机制，可溶性硅与质子发生反应占质子消耗的20%。本研究发现，土壤交换性酸消耗量中硅钙钾镁肥释放于土壤中的交换性盐基离子和相应碱贡献了104.3%，是土壤交换性酸减少的主要作用机制，其他物质如可溶性硅等未直接参与交换性酸的消耗。这与前人研究结果有所差异，究其原因本研究是在田间试验条件下进行的，考察了土壤交换性Al3+和H+与盐基离子的交换作用，更符合实际情况；而前人是在室内模拟条件下进行的，仅仅分析了溶液中质子的中和反应及交换作用，与实际情况相差甚远，因此与田间试验结果有所差异。

综上所述，当硅钙钾镁肥连续多次施入稻田土壤表面后，一方面，释放大量的盐基离子与表层土壤交换性酸进行交换反应；另一方面，等阴离子携带Ca2+、Mg2+向下移动，与表层以下土壤交换性酸进行交换反应，同时的专性吸附和水解生产的OH-有效中和了交换下来的H+和Al3+。最终保证了硅钙钾镁肥碱度的有效释放，土壤pH大幅提高。

4 结 论

硅钙钾镁肥的合理施用对改善农田养分管理、提高尾矿治理水平和促进农业可持续发展具有积极意义。连续4 a不同用量硅钙钾镁肥田间定位试验结果表明：（1）农民习惯施肥降低了土壤pH、交换性盐基离子含量，增加了土壤交换性酸，导致土壤酸化，酸化率达到了2.88 kmol·hm-2·a-1；（2）硅钙钾镁肥显著增加了表层（0～15 cm）土壤交换性Ca2+、Mg2+、K+和盐基饱和度，用量越高，增加量越大，并且Ca2+、Mg2+等盐基离子向下移动的量相对越多，用量在1 875 kg·hm-2时显著提高了亚表层（15～30 cm）土壤交换性Ca2+、Mg2+；同时减少了表层和亚表层土壤交换性酸，特别是土壤交换性Al3+。硅钙钾镁肥释放的盐基离子和碱是交换性酸减少的主要途径；（3）硅钙钾镁肥能提高南方稻田表层和亚表层土壤pH和酸碱缓冲容量，有效改良土壤酸性，并产生大量碱，在0～30 cm达到了9.93～13.82 kmol·hm-2·a-1，在本研究范围内用量越大，效果越明显。