不同培肥模式下红壤性水稻土的酸度变化特征及其影响因素

谢 军，梁 丰＊，姜冠杰，张新平，甘雅芬，张 嵚*

（1.江西农业大学 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045；2.江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西南昌 330045）

【研究意义】南方红壤区是我国主要水稻产区，其水稻土总面积占全国耕地面积的30%[1-3]，其粮食贡献率接近全国粮食总产量的50%[2-3]，在我国农业持续发展和维护国家粮食安全方面有着重要的地位[3]。近25 年来由于长期过量施用化肥尤其是化学氮肥，我国南方红壤性水稻土pH 平均下降0.5 个单位[4-5]，已成为水稻生产的重要限制因子[4]。pH 是表示土壤酸度的强度指标，交换性酸（Q+A）是表示土壤酸度的数量指标[6]，这两个指标不但可以全面的反映土壤酸度的变化情况，而且能够从不同角度阐述土壤酸度变化的差异[6]。土壤酸度变化对土壤养分形态、有效性，土壤微生物活性及植物生长影响较大[6-7]，因此明确不同绿肥培肥模式下红壤水稻土的酸度变化特征对农作物生产实践及科学施肥意义重大。【前人研究进展】江西省绿肥资源丰富，常见的绿肥种类有红花草、肥田萝卜和油菜等，其中红花草约占绿肥种植面积的90%以上[8]；绿肥作为一种培肥模式对土壤酸度影响较大，与长期不施肥相比，长期单施红花草红壤性水稻土耕层pH 约降低0.05～0.2 个单位[10-11]，而长期施用氮磷钾肥红壤性水稻土耕层pH 降低0.1～0.3 个单位左右[9-11]；氮磷钾肥配施红花草使耕层pH 升高0.1～0.3 个单位[9,11-12]。同时，影响酸度变化的土壤因素有很多，如阳离子交换量（CEC）、盐基饱和度（BS%）、有机质（SOM）和全氮（TN）等[13-14]，盐基离子能够对外源加入的酸起缓冲作用[14]，有机质与土壤中的质子交换作用及矿化过程中释放的盐基离子对土壤酸度具有改良作用[14]，而土壤中无机氮的累积和淋洗是土壤酸化的主要原因[13-14]。【本研究切入点】虽然施用绿肥对红壤性水稻土的酸度变化已有大量研究，但一般为施用绿肥与不施用绿肥之间的对比研究，缺乏同一绿肥培肥措施下不同培肥模式的对比研究。同时尽管对影响土壤酸度变化的因素已有诸多研究，但这些影响因素对土壤酸度变化的影响程度到底有多大并不十分清楚。【拟解决的关键问题】本文选择不施肥（CK）、化肥（NPK）、化肥+红花草（NPK+GM）、化肥+红花草+秸秆（NPK+GM+S）和化肥+红花草+猪粪（NPK+GM+M）等施肥处理，探讨不同培肥模式下江西省典型红壤性水稻土酸度变化特征及其影响因素，深化对红壤性水稻土酸度变化特征的认知，为红壤性水稻土的酸化提供合理的改良途径。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验点位于江西省南昌市江西农业大学试验基地网室内（北纬28。76′78′′，东经115。83′61′′），属亚热带湿润气候，年均温在17.1～17.8 ℃，≥0 ℃积温6 256～6 530 ℃，年均降雨量1 567.7～1 654.7 mm，年均日照时数1 772～1 845 h。

长期定位试验始于1981年，共设6个处理，本文选择其中5个处理即不施肥（CK）、化肥（NPK）、化肥+红花草（NPK+GM）、化肥+红花草+秸秆（NPK+GM+S）和化肥+红花草+猪粪（NPK+GM+M）。每个处理3个重复，随机区组排列。该试验为微区试验，每个小区面积为0.81 m2（0.9 m×0.9 m），小区之间用水泥板隔开，水泥板埋深60 cm，地上部分高15 cm。种植制度为早稻-晚稻-冬闲，供试土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土，质地为重壤，初始性质如下：pH 为6.5、有机质（SOM）2.6 g/kg、全氮（TN）1.8 g/kg、碱解氮（AN）90 mg/kg、速效磷（AP）20.8 mg/kg、速效钾（AK）87 mg/kg。本文选取1987—2001年的试验数据。

早稻每年3 月下旬播种，4 月底移栽，每区25 蔸，每蔸2 苗，7 月下旬收割，全生育期120 d 左右；晚稻每年6月下旬播种，7月底移栽，每区25蔸，每蔸4苗，10月下旬收割，全生育期125 d左右。

1.2 施肥情况

除不施肥处理（CK）外，其余4个处理每年化肥用量均相等，且施肥量随年限递增（表1）。早、晚稻施肥量各占1/2，化肥种类分别为尿素、钙镁磷肥（主要成分包括Ca3（PO4）2、CaSiO3、MgSiO3）、氯化钾。有机肥包括红花草（早稻基肥）、早稻秸秆（晚稻基肥）、猪粪（晚稻基肥）。施肥量见表1，其中有机肥中磷、钾养分不足的数量用化肥补足。早、晚稻磷肥均用作基肥，氮、钾肥均分基肥、分蘖肥、穗粒肥3次施用，各期施用比例为5∶2∶3。

表1 各年份的肥料施肥量Tab.1 Fertilizer application amount in each year kg/hm2

1.3 土壤样品采集与测定

晚稻收获7～10 d 后，取耕层（0～20 cm）土样，每小区随机取五钻混合成1 个土样，自然风干后研磨过0.149 mm 和1 mm 筛，备用。测定指标包括土壤pH（电位法，水土比5∶1）、阳离子交换量（CEC，乙酸铵交换法）、土壤交换性酸（Q+A，KCl 交换-中和滴定法）、全氮（TN，凯氏定氮法）、全磷（TP，NaOH 熔融-钼蓝比色法）、全钾（TK，NaOH 熔融-火焰光度计法）、碱解氮（AN，碱解扩散法）、速效磷（AP，NaHCO3浸提-钼锑抗比色法）、速效钾（AK，NH4OAC浸提-火焰光度计法）[15]。

1.4 数据处理

应用SPSS Statistics 22 进行重复测量单因素方差分析明确不同处理间土壤酸度和各影响因子的差异（P＜0.05）；采用线性拟合的方法明确水稻土酸度变化的影响因子；应用Canoco5 进行冗余分析明确各因素对土壤酸度的影响程度；应用Origin8.5绘图。

2 结果与分析

2.1 不同培肥模式对酸度指标的影响

处理、试验年限及处理×年限的交互作用对pH 值均有极显著影响（P＜0.01）（图1a）。14 年的平均值表明：与CK 相比，NPK、NPK+GM+S 和NPK+GM+M 等3 个处理的pH 分别增加0.32、0.37 和0.45 个单位，但3个处理之间无显著差异；NPK+GM处理对土壤pH无显著提高作用。这表明合理施用化肥、化肥配施红花草及秸秆、化肥配施红花草及猪粪均能显著提高土壤pH。

处理、试验年限的主效应及处理×年限的交互作用对交换性酸均有极显著影响（P＜0.01）（图1b）。14年的平均值表明：CK 与NPK+GM 处理的交换性酸含量最高，分别为2.16 cmol/kg 和2.10 cmol/kg，两处理间无显著差异。NPK、NPK+GM+S 和NPK+GM+M 处理显著降低了交换性酸含量，且NPK 处理降低幅度最大（49.54%），NPK+GM+S 和NPK+GM+M 处理无显著差异。这表明合理施用化肥、化肥配施红花草和秸秆、化肥配施红花草和猪粪均能显著降低土壤交换性酸含量，有效缓解土壤酸化。

图1 不同培肥模式对土壤酸度变化的影响Fig.1 The effect of different fertilization treatmentson the acidity indicators

2.2 酸度指标的影响因素

2.2.1 土壤酸度指标与各影响因素的相关性分析 pH 与CEC、TP、AP、AK 及BS%均呈极显著正相关（P＜0.01），与TN呈显著正相关（P＜0.05），与TK呈极显著负相关（P＜0.01）；交换性酸与CEC、TP、AP、AK和BS%呈极显著负相关（P＜0.01），与AN呈极显著正相关（P＜0.01），与TK呈显著正相关（P＜0.05）（表2）。

表2 酸度指标与各影响因素的相关系数表（N=150）Tab.2 Correlation coefficient table of acidity index witheach influencingindicators（N=150）

2.2.2 土壤酸度指标与各影响因素的冗余分析 根据线性拟合分析结果可知，影响pH 的主要指标为CEC、TN、TP、TK、AP、AK 和BS%；影响Q+A 的主要指标为CEC、TP、TK、AN、AP、AK 和BS%。冗余分析结果表明：CEC、TP、BS%、TN、TK、AP 和AK 可解释pH 变化的18.8%，其中CEC%和TP 分别能解释5.6%和4.7%（P ＜0.05）；BS%、CEC 和TN 可解释交换性酸变化的99.9%，其中BS%和CEC 分别能解释99.1%和0.8%（P＜0.01）（表3）。

表3 酸度指标与影响指标的冗余分析结果Tab.3 Redundancy analysis results table of acidity index and impact index

3 讨论与分析

3.1 不同培肥模式下红壤性水稻土的酸度变化特征

本研究结果表明NPK+GM+S 和NPK+GM+M 处理均能显著增加土壤pH 0.32～0.45 个单位，NPK+GM处理对土壤pH 无显著提高作用。Chen 等[18]和Bi 等[20]研究也表明：NPK+GM+M 处理的pH 能增加显著0.38个单位，NPK+GM 处理对土壤pH 无显著提高作用。这可能是由于红花草和猪粪同时还田会投入大量有机物，避免了土壤碱性阳离子的过度消耗，提高土壤酸碱缓冲容量，因此增加土壤pH[6,14,16-17]。NPK+GM 处理土壤pH变化较小的原因可能是红花草为豆科绿肥，其有机氮含量较高，加入土壤前期有机氮的降解和铵化会使土壤pH上升，但随着硝化作用的增强pH会下降[6]，最终导致土壤pH无显著变化。

本研究表明NPK 处理使土壤pH 显著上升0.38 个单位，而Chen 等[18]研究却表明NPK 处理会使土壤pH 显著下降0.28 个单位。这可能是因为本研究的钙镁磷肥为碱性磷肥，施入土壤后磷素利用率提高，同时增加钙镁等盐基离子，提高土壤pH。而Chen 等[18]的研究中的过磷酸钙为中性磷肥，施入土壤后容易引起土壤酸性阴离子（如硫酸根和磷酸氢根）的积累和酸化[17]。

本研究表明NPK 与NPK+GM+S、NPK+GM+M 处理之间的土壤pH无显著差异，而Chen等[18]和Bi等[20]研究表明NPK+GM+S和NPK+GM+M 处理的土壤pH显著高于NPK处理。这可能是由于本研究的化肥施用量是随着试验年限递增的（表1），且化肥用量最高达N-P2O5-K2O：300-150-300 kg/hm2，而Chen等[18]和Bi等[20]的研究化肥用量固定，化肥用量的过高可能会减弱红花草和猪粪等有机物改良土壤酸度的作用。

化肥配施绿肥等处理均能显著降低土壤交换性酸含量，这与蔡泽江[14]的研究结果相似：化肥配施猪粪交换性酸含量降低43%。这是由于红花草和猪粪等绿肥/有机肥含有大量有机物质，络合H+和Al3+，降低土壤溶液中H+、Al3+的浓度[14,16-17]；同时有机物中酸性含氧官能团的解离和交换盐基离子的释放也会增加土壤酸碱缓冲能力，从而降低土壤交换性酸含量[6,14,19]。

3.2 不同培肥模式下红壤性水稻土酸度变化的影响因素

本研究结果表明CEC和TP是土壤pH的主要影响因素，分别能解释pH变化的5.6%和4.7%（P＜0.05）；BS%和CEC 是交换性酸的主要影响因素，分别可解释交换性酸变化的99.1%和0.8%（P＜0.01）。以CEC和BS%为例，重复测量单因素方差分析结果表明不同施肥处理间CEC 和BS%均存在显著差异（图2），这也从侧面证明CEC 和BS%是红壤性水稻土酸度的影响指标。蔡泽江等[14]研究也表明CEC、BS%、TP 与pH 呈显著正相关关系。这是因为红花草、秸秆和猪粪等有机物料投入土壤后，有机物与土壤间的质子交换作用、有机物的氨化、去羧基作用以及矿化过程释放大量盐基阳离子，与土壤胶体表面吸附的H+、Al3+等致酸阳离子发生交换反应，在增加土壤pH、降低交换性酸含量的同时提高盐基饱和度[17]。且本文的施用的磷肥钙镁磷肥为碱性，施入土壤后磷素利用率高，同时增加钙镁等盐基离子，提高土壤pH[21-22]。TN 能够解释Q+A 变化的＜0.1%（P＜0.05），可能是因为尿素以硝态氮的形态在土壤中累积或淋溶损失，导致土壤净H+增加，从而引起土壤酸度增加[14,17,19]。

图2 不同施肥处理间各影响指标的差异Fig.2 Differences in impact indicators between different fertilization treatments

4 结论

合理施用化肥、化肥配施红花草和水稻秸秆、化肥配施红花草和猪粪等培肥模式均能够显著提高土壤pH 并且降低交换性酸含量；BS%、CEC、TP 和TN 是红壤性水稻土酸度的主要影响因素。因此在南方红壤性水稻土的农业生产实践中注意化肥的用量，化学磷肥宜选择钙镁磷肥，且在施用化肥的同时配施适量的红花草和水稻秸秆（猪粪）。

致谢：江西农业大学国土资源与环境学院卢志红老师对研究给予了帮助，谨致谢意!