花生施钙对红壤旱土酸度及有害金属含量的影响

吴美庆，曾宁波,2,3§，王静，唐康，刘登望,2,3*，李林,2,3*

（1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙， 410128；2.湖南省花生工程技术研究中心，湖南 长沙， 410128；3.国家花生工程技术研究中心长沙分中心，湖南 长沙， 410128；4.浏阳市环境保护局，湖南 浏阳， 410000）

我国南方地区高温多雨，形成了广泛的地带性红壤。红壤是我国南方地区主要土壤类型，占全国耕地面积约1/3[1]。红壤地区光热水资源丰富，土壤资源生产潜力大。然而，红壤在自然发育过程中，钙等盐基离子会大量流失，而氢、铝、锰等元素累积成毒，导致红壤地力低下，制约了红壤区资源潜力的发挥[1,2]。近四十年来，由于施用化肥不合理和酸沉降等原因，加剧了农田土壤酸化[3～5]，导致土壤中营养元素有效性降低，且镉、铅等重金属元素累积，或增强毒性金属元素的活性[6]。长期以来，施用石灰被认为是改良土壤酸性和抑制铝生物毒害的重要措施[7～10]，对土壤、作物降镉效果比较显著，同时增加作物的钙积累[11,12]。石灰由于在污染土壤修复方面具有成本低廉，操作简单等特点受到广泛关注，因此修复效果及机理也成为当前环境科学研究热点之一[13]。

钙是作物正常生长发育必需的营养元素，对于钙素在花生生产上的应用，国内外已有大量研究[11,14,15]。花生是红壤地区广泛种植的作物，也是喜钙作物[16]，土壤缺钙会造成花生空秕，进而引起产量降低，甚至绝收[17]。但是施用石灰钙素对花生尤其种植不同粒型花生品种的红壤中有害金属元素的影响及与酸度变化的关系未见报道。因此，探究石灰钙与土壤酸度、有毒金属元素的互作，对科学合理施用钙肥具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料

试验选用湖南省主栽的3种不同粒型大小的花生品种：湖南农业大学旱地作物研究所培育的大粒型品种湘花2008（百仁重80 g 左右）和中粒型品种湘花55（百仁重40～50 g），湖南省地方优异小籽品种蓝山小籽（百仁重40 g左右）。

试验土壤为新垦第四纪红壤表土，选取自浏阳市书院村月光坪，其肥力指标为pH4.5（水:土=2.5:1）、碱解氮64 mg/kg、有效磷未检出、速效钾82 mg/kg、阳离子交换量13 cmol（+）/kg、交换性钙0.74 cmol（1/2Ca2+）/kg、交换性镁0.13 cmol（1/2Mg2+）/kg、有效锌0.63 mg/kg、有效硫143.7 mg/kg、有效硼0.12 mg/kg、有效钼0.08mg/kg，属于酸性、缺钙瘠薄红壤土。土壤中铝、锰、镉、铅含量分别为86.93 g/kg、122.30 mg/kg、0.244 mg/kg、198.07 mg/kg。

所用肥料均为化学纯试剂，包括氧化钙（CaO）、尿素、磷酸二氢钾、六水合氯化镁，硼砂、钼酸氨。

1.2 试验地点

试验地点位于湖南省长沙市芙蓉区东郊的湖南农业大学耘园实验基地，地理坐标东经E113°44′5″，北纬N28°10′57″，海拔80 m；属于亚热带季风湿润气候区，年均气温18.2℃，年降雨量为1400 mm，全年无霜期为275 d。

1.3 试验设计

采用内径36 cm、高75 cm、壁厚度0.5 cm、无底的PVC 圆桶进行土柱试验。为阻隔桶内与试验地之间的土壤、水体相通，在起垄的地面上铺设厚地膜，再将圆桶底端放于地膜上，装入供试土壤90 kg。施钙组每桶施加CaO 9.375 g（相当于大田每公顷生石灰750 kg），与基肥一起施入，对照不施钙肥。为保证除钙以外的基本养分需求，参照土壤化验结果及大田养分临界标准，在桶内0～30 cm 表土层均匀施加基肥：尿素3.857 g、磷酸二氢钾7.897 g、六水合氯化镁17 g，苗期喷施硼、钼微肥。每个处理3 次重复，随机区组排列。播种前将土浇透，待表层土壤含水量降至70%左右时播种。2014 年6 月4 日播种，每盆播种8 粒，齐苗后间苗，定苗长势均匀的4株。10月1日收获。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤取样方法 于苗期、花针期、结荚期、饱果期、成熟期，每处理各重复选择生长一致的3桶（共12 个植株），先用小铲子弄松根部周围土壤，然后将植株轻轻拔起，小心抖落根部大块土壤，用已消毒的羊毛刷刷下附着在根际的细土。将全部12株花生根际土壤混匀，带回实验室后过筛（2 mm），将剩余部分土壤及挖取的全桶0～20 cm 表层土混匀，作为耕作层土样。两类土壤捡净枯枝落叶与根系，自然风干，研磨后过筛，用于测定土壤理化性质。

1.4.2 土壤指标测定 pH 值采用2.5∶1 水土比测定。铝（Al）、Mn（锰）、铅（Pb）、Cd（镉）含量测定：浓硝酸（HNO3）消煮后，采用上海珀金埃尔默仪器有限公司生产OPTIMA8300型号的ICP-OES电感耦合等离子体发射光谱仪测定[18,19]。

1.5 数据处理与分析

采用EXCEL 进行数据录入、作图，用SPSS19.0进行数理统计分析。

2 结果与分析

2.1 施钙对花生土壤pH值的影响

pH值既反映土壤酸碱度，也是阴阳离子平衡状况的重要表征。由表1可知，整体来看，无论施钙与否，各个时期土壤pH 值均以生育中期（结荚期）最高，品种间土壤pH 值差异较大，以蓝山小籽（小籽）（4.82）＞湘花55（中籽）（4.78）＞湘花2008（大籽）（4.66）；根 际 土 壤（4.78）略 高 于 耕 作 层 土壤（4.73）。

表1 施钙对不同粒型花生土壤pH值影响Table 1 Effect of calcium treatments on soil pH of different seed type peanut

施石灰后土壤pH 值与不施比较，各花生品种各个时期各层次土壤整体表现升高。其中，全生育期耕作层（0～20 cm）土壤pH平均值不同品种增幅以湘花55（6.06%）＞湘花2008（3.13%）＞蓝山小籽（0.04%）；全生育期根际土壤pH 平均值亦均升高，增幅以湘花55（中籽）（8.60%）＞湘花2008（大籽）（6.61%）＞蓝山小籽（小籽）（5.30%）。

2.2 施钙对花生土壤铝元素含量的影响

铝元素是地壳中第三大元素，本身大量存在于自然界中，目前没有铝“污染”的标准限值，但作物经济器官含铝量偏高对人体健康也有一定影响。此外，土壤交换性铝含量与潜在酸度密切相关。由表2 可知，整体来看，不论施石灰与否，品种间土壤铝含量差异较小，但以蓝山小籽（82.46 g/kg）＞湘花55（81.72 g/kg）＞湘花2008（81.60 g/kg）；根际土壤（82.65 g/kg）略高于耕作层土壤（81.20 g/kg）。施钙后土壤铝含量与不施比较，各花生品种各个时期各层次土壤铝含量均呈降低趋势。其中，全生育期耕作层土壤铝含量平均值湘花2008 降幅最大（3.98%），湘花55降幅其次（3.22%），蓝山小籽品种反而升高1.20%，全生育期根际土壤铝含量平均值均降低，大、中、小籽品种分别降低7.87%、3.59%、5.49%。

表2 施钙对不同粒型花生土壤铝含量的影响Table 2 Effect of calcium treatments on soil Al contentof different seed type peanut /(g/kg)

2.3 施钙对花生土壤锰元素含量的影响

锰元素是地壳中第11 大元素（0.10%），酸性土壤易于形成铁锰结核，锰含量过高，会对作物产生危害。由表3 可知，整体来看，不论施钙与否，品种间土壤锰含量差异很小，以蓝山小籽（147.00 mg/kg）＞湘花55（146.22 mg/kg）＞湘花2008（146.15 mg/kg）；耕作层土壤（147.88 mg/kg）略高于根际土壤（144.83 mg/kg）。施钙后土壤锰含量（145.18 mg/kg）与不施（147.53 mg/kg）比较，全生育期耕作层土壤锰含量平均值降幅以湘花55（3.04%）＞湘花2008（2.69%）＞蓝山小籽（1.72%），全生育期根际土壤锰含量平均值湘花2008 和湘花55 分别升高6.67%、5.01%，蓝山小籽降低12.58%。

表3 施钙对不同粒型花生土壤锰含量的影响Table 3 Effect of calcium treatments on soil Mn content of different seed type peanut /(mg/kg)

2.4 施钙对花生土壤镉元素含量的影响

镉是毒性很强的重金属，我国规定pH 低于6.5的农田土壤镉含量应低于0.3 mg/kg。由表4 可知，从整体上来说，该试验地镉含量未超标，不论施钙与否，品种间土壤镉含量差异较小，但以湘花55（0.246）＞湘花2008（0.236）＞蓝山小籽（0.225）；耕作层土壤（0.239）略高于根际土壤（0.233）。施钙土壤镉含量与不施钙比较，湘花2008全生育期耕作层土壤镉含量平均值升高1.61%，湘花55、蓝山小籽则分别降低1.44%、7.28%，全生育期根际土壤镉含量平均值湘花2008、湘花55 分别升高3.73%、0.66%，蓝山小籽降低10.14%。

表4 施钙对不同粒型花生土壤镉含量的影响Table 4 Effect of calcium treatments on soil Cd content of different seed type peanut /(mg/kg)

由此可知，施钙在一定程度上对降低花生土壤中镉毒有一定作用，且对蓝山小籽作用效果最好，对耕作层作用效果好于根际土壤。

2.5 施钙对花生土壤铅元素含量的影响

铅是毒性较强的重金属，我国规定pH＜6.5 的农田土壤铅含量应低于250 mg/kg。从表5 可以看出，该试验地铅含量未超标，从整体上来说，不论施钙与否，品种间土壤铅含量差异较小，以湘花55（188.75 mg/kg）＞湘花2008（188.60 mg/kg）＞蓝山小籽（173.35 mg/kg）；耕作层土壤（184.20 mg/kg）略高于根际土壤（182.93 mg/kg）。施钙土壤铅含量与不施比较，各花生品种各个时期各层次土壤整体平均升高0.66%。其中，全生育期耕作层土壤铅含量平均值湘花2008 升高0.95%，湘花55 升高2.04%，蓝山小籽反而降低7.28%，全生育期根际土壤铅含量平均值，湘花2008、湘花55 分别升高4.49%、4.52%，蓝山小籽反而降低1.04%。

表5 施钙对不同粒型花生土壤铅含量的影响Table 5 Effect of calcium treatments on soil Pb content of different seed type peanut /(mg/kg)

3 讨论

3.1 施用钙肥能显著抑制花生田土壤酸化

土壤pH 对作物生长发育极为重要，健康良好的土壤应维持一定酸碱平衡，适宜大多数农作物正常生长发育的土壤pH 值在7.0 左右，或者微酸性、微碱性[20]。花生对土壤酸碱性适应性很广，但以pH 6.5左右较好[16]。土壤酸化（一般指pH 在5.5 以下）后，过高的氢离子浓度会对作物造成直接或间接的危害[21]。土壤酸化是质量退化的一种重要表征，既是土壤肥力下降的一个重要原因，也是制约农业可持续发展的重要因素。

施用石灰被认为是改良土壤酸性和抑制铝毒的重要措施[22～26]。本研究也表明，施用石灰能使花生全生育期pH 值提高4.93%，且根际土的pH 增幅大于耕层土，其原因可能是石灰中的钙素促进了花生根系生长，吸收了更多的盐基离子钙素，也就遗留更多的OH-，造成pH增高，这与曾沐梵[5]认为盐基离子吸收是土壤酸化重要来源的结论一致。施石灰后pH 增幅以湘花55＞湘花2008＞蓝山小籽的原因，也可能与中、大籽品种比小籽品种植株繁茂，根系发达有关。理论上，作为双子叶植物的花生根尖是能主动向外界分泌大量H+，从而酸化根际环境[27]，而施用石灰抑制了根际土壤的酸化效应。

3.2 石灰降低土壤有害金属元素的效应

土壤酸化对作物造成危害的一个重要机制是提高重金属元素的活化能力，引起铝、锰、铬、镉等重金属的活化，从而影响植物根系的生长，如出现铝中毒、锰中毒等现象，尤其红壤酸化与铝毒伴生[28]，土壤酸化还会造成镉毒加重。而且活化的重金属被作物吸收积累后，通过食物链危害人体健康[21]。有研究表明，施用石灰明显提高土壤交换性钙、镁及盐基总量和盐基饱和度[25]，降低酸性红壤交换性铝含量[23,24,26]，有效缓解铝胁迫[17]，减轻土壤锰毒危害[29]，显著降低土壤有效镉含量[30]，土壤pH 增加可有效降低镉、铅活性，降低其环境毒害作用[31]。然而，施用石灰并不能降低所有重金属元素的有效态含量[32]，如石灰对降低土壤铅有效态和植株中铅含量的持效性较差[33]，也有研究表明施用石灰能降低土壤有效锰含量[34]。石灰对重金属生物有效性的影响机理主要是通过改变土壤pH、阳离子交换量、微生物群落组成、氧化还原电位等多种机制协同作用，修复效果受石灰施用量、土壤类型、pH 值、重金属污染类型与种类等因素综合影响[13]。

本研究表明，施用石灰能使铝明显下降（3.85%），镉、锰含量也分别降低2.13%、1.59%，这些结果与前人研究结果相似，而铅含量升高0.66%，且pH 与锰含量具有稳定正相关，土壤酸度与有效锰含量成正相关[7,35]。不同土壤部位和种植不同粒型大小品种均影响土壤有害金属元素含量，其中铝含量降幅以根际土＞耕作层土，大籽＞中籽＞小籽；锰含量降幅耕作土以中籽＞大籽＞小籽，根际土大、中籽升高，小籽降低；镉含量在耕作层、根际土降幅均以小籽最大，大籽小幅升高，中籽有降有升；铅含量大、中籽品种在根际土升幅大于耕层土，而小籽降低。至于土壤部位、品种粒型的影响机理有待深入探讨。

鉴于石灰既是酸化抑制剂，又是钙素提供者，因此，在花生种植生产中施加一定石灰钙肥，有利于提高土壤中必需金属元素如钙素的积累，同时对缓解重金属的毒害有一定的作用。