长期不同施肥模式对双季稻田土壤酸中和容量的影响

石丽红，孙 梅，唐海明，龙泽东，孙 耿，文 丽，李 超，罗尊长

(湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125)

近年来，在农业生产过程中由于频繁出现酸沉降、化学氮肥过量施用、农作物秸秆和产品移除等因素导致土壤酸化问题严重[1]，农田土壤酸化问题已经成为我国农田土壤迫切需要解决的关键科学问题之一[2]。前人研究结果表明，土壤中腐植酸、硅酸盐矿物、铁铝氧化物和碳酸盐等物质均能对输入土壤中的酸具有相应的缓冲作用[3]，对酸缓冲能力的大小被称之为土壤酸缓冲容量(Acid buffering capacity，ABC)或酸中和容量(Acid neutralizing capacity，ANC)。

土壤酸缓冲性能(ABC、ANC、酸瞬时缓冲容量(Instant acid buffering capacity，IAC))是评价稻田土壤酸化的重要指标，与土壤pH值、土壤有机质(Soil organic carbon，SOC)、碳酸盐含量、阳离子交换量(Cation exchange capacity，CEC)、种植制度、土壤耕作和施肥模式等关系密切[4-5]。其中，不同施肥措施是影响农田土壤酸缓冲性能的关键因素。前人研究认为，钙镁等盐基离子淋失是造成土壤酸缓冲容量或酸中和容量下降的主要作用机制[6]；长期采取有机肥配施化肥措施可减缓因氮素转化过程产生的H+所造成土壤酸化问题[7-8]。毛妍婷等[9]研究结果认为，长期施用有机肥(牛粪)可显著减少农田耕层土壤铵态氮和硝态氮含量，增加有机质含量，减缓耕层土壤酸化作用。李源环等[10]研究结果表明，土壤质地对植烟土壤酸缓冲性能具有显著的影响，其土壤酸碱缓冲量为17.26 mmol/kg，黄棕壤的酸碱缓冲量显著高于黄壤。由于试验田所在的环境条件、土壤类型和肥力水平、种植制度、施肥模式等因素各异，前人所开展不同施肥模式对稻田土壤酸缓冲性能影响的研究结果均存在一定的差异。

湖南省是我国双季稻主产区，选择科学合理的施肥措施有利于提高双季稻田土壤肥力和质量，对于保障该区域水稻高产稳产具有重要的战略意义。目前，在双季稻种植制度长期不同施肥模式条件下(有机肥、秸秆还田和化肥)对双季稻田土壤肥力变化及其影响因素开展了相应的研究[11-13]，但在大麦-双季稻周年多熟制条件下长期不同施肥措施对我国南方双季稻田不同耕层(0～10 cm和10～20 cm)土壤酸缓冲性能(ANC、ABC、IAC)的影响仍不清楚。因此，本研究依托大麦-双季稻种植模式长期定位试验田，以期探明长期(36 a)不同施肥措施条件下双季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸缓冲性能变化特征，及其与土壤理化性质之间的相关性，从而为评价该区域稻田土壤肥力、选择合理的施肥模式提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

该定位试验田位于湖南省宁乡市农技中心(28°07′ N，112°18′ E)，试验田土壤为水稻土，河沙泥土种，土壤肥力中等。该试验田所处区域的气候条件、种植制度、开始试验前0～20 cm土壤的基础肥力特性等详细信息见文献[14]。

1.2 试验设计及田间管理

施肥田间试验开始于1986年，包括4个处理：化肥处理(MF，Chemical fertilizer alone)：仅施用化学氮、磷、钾肥料；秸秆还田+化肥处理(RF，Rice straw and chemical fertilizer)：稻草秸秆还田和化肥；30%有机肥+70%化肥处理(OM，30% organic matter and 70% chemical fertilizer):有机肥的氮含量占总施氮量的30%，其余70%的氮为化肥氮；对照处理(CK，Without any fertilizer input as a control),不施任何肥料。每个小区面积66.7 m2(长×宽=10.00 m×6.67 m)，各个小区用水泥田埂间隔，田埂高出稻田表面35 cm，埋深100 cm。保证各小区间不窜灌、窜排。早稻和晚稻季，MF、RF和OM处理总N、P2O5和K2O施用量分别为142.5，54.0，63.0 kg/hm2和157.5，43.2，81.0 kg/hm2。有机肥处理所施用的有机肥为腐熟的鸡粪，各施肥处理所采用的肥料种类、施肥量、施肥时期、水稻田间管理等详细措施见石丽红等[14]、Tang等[11-12]和徐一兰等[15]。

1.3 土壤样品采集

1.4 土壤样品测定

1.4.2 土壤酸缓冲性能 土壤酸中和容量、酸缓冲容量、酸瞬时缓冲容量的测定具体方法根据孟亚妮等[18]所介绍的测定方法进行。

1.5 数据统计与分析

本研究中所有的测定项目指标均用Microsoft Excel 2003软件处理。不同施肥处理间各测定指标的方差分析均采用SPSS分析统计软件。采用冗余分析法(RDA，Canoco version 4.5)进行环境因子对土壤酸化影响的解释度分析，采用Pearson法分析土壤酸缓冲性能(ANC、ABC、IAC)与土壤理化性质之间的相关性。文中所有图、表中的数据均以平均值±标准误表示。

2 结果与分析

2.1 施肥对双季稻田土壤酸缓冲性能的影响

各施肥处理双季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸中和容量(ANC)含量变化分别为10.06～13.76 mmol/kg和9.46～12.60 mmol/kg。MF、RF和OM处理稻田0～10 cm和10～20 cm土壤ANC含量均显著高于CK处理(P<0.05)，分别比CK处理增加21.34%～36.78%和23.60%～33.18%。0～10 cm土层，OM处理土壤ANC含量显著高于MF和RF处理(P<0.05)；10～20 cm土层，MF、RF和OM处理间土壤ANC含量均无显著差异(P>0.05)。不同耕层土壤，各施肥处理0～10 cm土壤ANC含量均高于10～20 cm(图1-A)。

各施肥处理双季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸缓冲容量(ABC)含量变化分别为6.82～8.09 mmol/kg和6.77～7.98 mmol/kg。MF、RF和OM处理稻田0～10 cm和10～20 cm土壤ABC含量均显著高于CK处理(P<0.05)，分别比CK处理增加13.41%～18.67%和13.15%～17.84%。0～10 cm和10～20 cm土层，MF、RF和OM处理间土壤ABC含量均无显著差异(P>0.05)。不同耕层土壤，各施肥处理0～10 cm土壤ABC含量均高于10～20 cm(图1-B)。

各施肥处理双季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸瞬时缓冲容量(IAC)含量变化分别为6.57～7.57 mmol/kg和6.38～7.27 mmol/kg。MF、RF和OM处理稻田0～10 cm和10～20 cm土壤IAC含量均显著高于CK处理(P<0.05)，分别比CK处理增加9.32%～15.22%和10.93%～14.02%。0～10 cm和10～20 cm土层，MF、RF和OM处理间土壤IAC含量均无显著差异(P>0.05)。不同耕层土壤，各施肥处理0～10 cm土壤IAC含量均高于10～20 cm(图1-C)。

2.2 施肥对双季稻田土壤铵态氮和硝态氮含量的影响

长期不同施肥措施对双季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤铵态氮和硝态氮含量的影响如表1所示。MF处理稻田0～10 cm和10～20 cm土壤铵态氮含量均显著高于RF、OM和CK处理(P<0.05)，MF处理分别比CK处理增加48.15%和51.09%。RF和OM处理稻田0～10 cm和10～20 cm土壤铵态氮含量均显著高于CK处理(P<0.05)，但RF和OM处理间均无显著差异(P>0.05)。不同耕层土壤，各施肥处理0～10 cm土壤铵态氮含量均高于10～20 cm(表1)。

与CK处理相比，MF、RF和OM处理稻田0～10 cm和10～20 cm土壤硝态氮含量均显著提高(P<0.05)，分别比CK处理增加15.38%～204.73%和41.04%～161.94%。0～10 cm和10～20 cm土层，OM处理土壤硝态氮含量显著高于MF和RF处理(P<0.05)；其大小顺序均表现为OM>RF>MF>CK。不同耕层土壤，各施肥处理0～10 cm土壤硝态氮含量均高于10～20 cm(表1)。

图中不同小写字母表示0.05水平差异显著。Different small letters in the bar indicated significant difference at P<0.05 level.

表1 长期施肥处理下双季稻田不同耕层土壤铵态氮和硝态氮含量的变化特征Tab.1 Characteristic of soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen contents at different soil depth in thedouble-cropping rice field with different long-term fertilizer treatments mg/kg

2.3 土壤酸中和容量、酸缓冲容量和土壤理化性质之间的关系

长期不同施肥条件下，双季稻田土壤理化性质与土壤酸缓冲容量、酸中和容量、酸瞬时缓冲容量之间的相关性分析结果如表2所示。相关性分析结果表明，土壤酸中和容量、酸缓冲容量、酸瞬时缓冲容量与土壤pH值、阳离子交换量均达到极显著正相关(P<0.01)；土壤酸中和容量、酸缓冲容量、酸瞬时缓冲容量与土壤有机碳、全氮含量、电导率均达到显著正相关(P<0.05)；土壤酸中和容量、酸缓冲容量、酸瞬时缓冲容量与土壤碱解氮含量相关性不显著；土壤酸中和容量、酸缓冲容量、酸瞬时缓冲容量与土壤交换性盐基离子含量均极显著负相关(P<0.01)。

表2 双季稻田土壤酸中和容量、酸缓冲容量和土壤理化性质之间的相关性Tab.2 Correlation between soil acid neutralizing capacity，acid buffering capacity and soil physicochemical properties in the double-cropping rice field

2.4 土壤酸化指标与环境因子的冗余分析

本研究对长期施肥条件下双季稻田土壤酸化指标与环境因子进行冗余分析，结果显示(图2)，第1、第2主成分(RDA1、RDA2)分别解释了总方差变异的68.2%，15.3%，说明不同的施肥措施是影响稻田耕层土壤酸化的主导环境因子。土壤pH值和有机碳含量与RDA1正轴密切相关；土壤电导率、阳离子交换量、硝态氮、铵态氮含量与RDA1负轴密切相关。RDA1正轴方向上，OM、CK处理与MF、RF处理间存在明显的差异；RDA1负轴方向上，RF、MF处理间存在明显的差异，这表明与土壤中较高的铵态氮、硝态氮含量关系密切。

图2 不同施肥处理下双季稻田土壤酸化指标与环境因子的冗余分析Fig.2 Redundancy analysis between soil acidification indexes and environmental factors with different fertilizer treatments in the double-cropping rice field

3 结论与讨论

3.1 不同施肥措施对双季稻田土壤酸缓冲性能的影响

前人研究认为，土壤酸缓冲容量是表示稻田土壤酸缓冲性能重要的指标，土壤pH值与其缓冲容量关系密切，土壤酸缓冲性能越强，其土壤酸环境条件越稳定[3]。本研究在长期(36 a)定位试验结果表明，双季稻田不同耕层(0～10 cm和10～20 cm)土壤酸缓冲性能(酸中和容量(ANC)、酸缓冲容量(ABC)和酸瞬时缓冲容量(IAC))在各个施肥处理中发生了明显的变化，不同施肥处理对土壤ANC、ABC和IAC的影响各异。与CK处理相比，OM和RF措施均显著提高了稻田土壤ANC、ABC和IAC，土壤ANC、ABC和IAC对有机肥和秸秆还田与化肥配施处理的反应最显著，这是因为长期投入秸秆和有机肥措施均对双季稻田土壤具有明显的缓冲作用，能明显提高土壤pH值；另一方面，所还田的秸秆和有机肥不仅有利于培肥稻田土壤，还能释放碱性物质提高土壤酸化缓冲能力，增加土壤pH值[19]。本研究结果表明，MF处理稻田土壤酸缓冲性能显著高于CK处理，可能是由于长期施用化肥措施条件下也有利于促进水稻植株的生长、根茬秸秆还田量，所还田的根茬秸秆能释放碱性物质中和土壤酸度，增强土壤缓冲酸化的能力，这与汪吉东等[20]的研究结果相似。

稻田土壤酸缓冲性能易受不同施肥、耕作和种植模式等措施的影响，其中不同施肥和土壤耕作深度措施均是土壤酸缓冲性能重要的影响因素[4-5]。本研究结果表明，各施肥处理双季稻田0～10 cm土壤酸缓冲性能(ANC、ABC和IAC)均高于10～20 cm，其原因是本试验条件下土壤耕作的翻耕深度为10～12 cm，土壤翻耕时将所施用肥料和外源有机物(有机肥和秸秆)均翻压到稻田0～10 cm表层土壤中，长期施用肥料和外源有机物条件下，影响稻田表层土壤(0～10 cm)微生物区系和微生物量、土壤微生物固持、水稻根系生长，改善了0～10 cm表层土壤部分理化特性[15]，增加了稻田0～10 cm表层土壤养分供应和土壤库容量、根茬秸秆还田量，进而增强了0～10 cm土壤酸缓冲性能。

3.2 双季稻田土壤酸缓冲性能与土壤理化性质关系的分析

前人研究认为，长期投入有机肥能提高农田土壤酸缓冲性能、减缓土壤酸化，减少其交换性盐基离子含量[20，24]。稻田土壤酸缓冲性能与土壤理化性质关系密切，毛妍婷等[9]研究结果认为，施氮量是耕层土壤酸化主要的影响因素，施氮量与土壤EC呈正相关、与土壤pH值呈负相关。李源环等[10]研究结果表明，土壤酸碱缓冲容量与土壤pH、SOC含量和阳离子交换量均呈显著正相关关系。本研究结果表明，土壤ANC、ABC、IAC与土壤有机碳、全氮含量、电导率均呈显著的正相关关系，土壤ANC、ABC、IAC与土壤pH值、阳离子交换量均呈极显著的正相关关系，这表明长期施肥条件下双季稻田土壤酸缓冲性能易受土壤pH值、有机碳、全氮含量、阳离子交换量、电导率的影响，采取不同的施肥措施条件下，通过改变土壤pH值、有机碳、全氮含量、阳离子交换量、电导率等土壤理化特性，进而影响土壤酸缓冲性能，这与前人的研究结果相似[10，23，25-26]。总之，采取秸秆还田和30%有机肥配施化肥措施均有利于培肥南方双季稻田土壤、改善土壤理化特性，进而增强耕层(0～10 cm和10～20 cm)土壤酸缓冲性能。

长期不同施肥措施能显著改变双季稻田不同耕层(0～10 cm和10～20 cm)土壤酸缓冲性能。本研究结果表明，采取秸秆还田和30%有机肥处理均明显提高了双季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸中和容量、酸缓冲容量和酸瞬时缓冲容量，其含量均显著高于无肥处理；稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸中和容量、酸缓冲容量和酸瞬时缓冲容量大小顺序均表现为OM>RF>MF>CK。与CK处理相比，MF、RF和OM处理均显著增加了双季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤铵态氮和硝态氮含量。各施肥处理稻田0～10 cm土壤酸中和容量、酸缓冲容量、酸瞬时缓冲容量、铵态氮和硝态氮含量均高于10～20 cm。土壤酸缓冲性能(ANC、ABC、IAC)与土壤有机碳、全氮含量、电导率均呈显著正相关(P<0.05)，土壤酸缓冲性能(ANC、ABC、IAC)与土壤pH值、阳离子交换量均呈极显著正相关(P<0.01)。综上所述，长期采取秸秆还田、有机肥配施化肥措施均能增强南方双季稻田土壤酸缓冲性能，是改善该区域双季稻田土壤质量最佳的施肥措施。本研究仅针对长期不同施肥处理对双季稻田0～10 cm和10～20 cm土壤酸缓冲性能影响进行了初步探讨，但不同施肥处理对其土壤微生物多样性影响机制等方面仍需开展进一步研究。