土壤初始有效磷和交换性镁含量改变了小麦生长对pH的响应

张璐， 郑磊， 刘思汝， 蔡泽江*， 孙楠， 张强*， 徐明岗，

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室，北京 100081；2.金正大生态工程集团股份有限公司，山东 临沭 276700； 3.中国热带农业科学院南亚热带作物研究所，海南省热带作物营养重点实验室，广东 湛江 524091）

近30 年来，我国农田土壤酸化呈快速增加的态势，成为南方、东北和胶东等典型农业区土壤退化的主要形式之一[1-2]。土壤酸化导致钙、镁、磷等元素有效含量降低，铝、锰等作物毒害元素活性增加，从而限制了农作物的生长[3]。一般认为当土壤pH低于5.5时，交换性铝含量显著增加，酸害发生[4]。Mullen 等[5]研究表明，土壤pH 在4.4~5.9 时，油菜籽产量随pH 降低呈线性减产的趋势。蔡泽江等[6]通过长期定位试验发现，当红壤pH 下降到4.2 时，小麦和玉米已经绝产，分析发现小麦和玉米产量下降的临界pH 分别为6.0 和5.9。由此可见，作物生长对土壤酸化的响应具有一定的pH范围，当土壤pH低于某一阈值时，产量显著降低；该pH 阈值对土壤酸化防治和酸性土壤改良具有重要意义。Zhu等[7]将作物最高产量的95%和5%对应的pH分别定义为酸害阈值和酸害绝产值，并基于长期定位试验数据计算了小麦、玉米、水稻的2个阈值分别为5.9 和3.5、5.1 和3.8、5.0 和4.0。Baquy 等[8]基于盆栽试验结合双直线方程拟合的方法，获得了作物生长对土壤pH 响应的拐点，即酸害阈值，发现玉米在第四纪红土、花岗岩和红砂岩发育的红壤上pH 阈值分别为4.73、4.77 和5.07；梁文君等[9]也通过盆栽试验研究发现，玉米在第四纪红土、板页岩和红砂岩发育红壤上的酸害阈值分别为5.48、5.82 和5.54。综上所述，尽管前人对作物的酸害阈值进行了大量研究，也取得了一些进展，但各研究结果间酸害阈值差异较大。究其原因，可能与试验所选土壤的初始性质有关，Bache 等[10]研究表明，磷、铝、pH 间的相互作用影响了大麦对土壤酸度的响应。为此，本研究选取了5 种母质发育的土壤，且初始性质差异较大，通过盆栽试验分析了小麦生长的pH 阈值与土壤初始性质的关系，为土壤酸害阈值的确立及培肥、改良酸害提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

在湖南省选取母质板页岩、第四纪红土、河流冲积物、红砂岩、花岗岩发育的5 种典型红壤。采集0—20 cm 的表层土壤，自然风干后，除去石块和残根，混匀后过1 cm 筛，供盆栽试验用。同时保留待测样，分别过20 和60 目筛，用于土壤基本性质测定，供试土壤理化性质见表1。

表1 供试土壤基础理化性质Table 1 Selected chemical properties of the soils as the initial conditions for the pot experiment in this study

1.2 调节土壤pH

按照成杰民等[11]的研究方法，根据土壤的初始pH情况，设置11个pH梯度，每种母质发育的土壤各称取11份10 g土壤样品于120 mL塑料瓶中，加入不同体积的0.1 mol·L-1的硫酸或0.1 mol·L-1的氢氧化钠溶液，并用蒸馏水将水土比调整为5∶1。将塑料瓶放入25 ℃恒温震荡机中往返震荡12 h，静置2 h，反复6 次使土壤酸碱快速反应达到基本平衡后，测定土壤pH，以酸碱添加量为纵坐标、土壤pH为横坐标，绘制土壤酸碱缓冲曲线。土壤酸碱缓冲曲线中线性部分斜率的绝对值即为土壤酸碱缓冲容量[12]。以此作为盆栽试验土壤调节pH的参考，计算达到预期pH所需的酸或碱量。采用硫酸溶液和生石灰将5 种母质发育的红壤调节为pH 3.5~7.5 梯度，并用蒸馏水将土壤含水量调节至70%田间持水量，稳定30 d，期间测定pH，待稳定后开始盆栽试验。

1.3 盆栽试验

每盆称取相当于0.8 kg烘干土重的风干土，与肥料溶液充分混匀后装入盆中。盆的规格为口内径14 cm、底内径9 cm、高11 cm。所有处理均施用相同量的氮、磷、钾肥，其中尿素、磷酸二氢钾和氯化钾用量分别为250 mg N·kg-1、125 mg P2O5·kg-1和125 mg K2O·kg-1。每盆均匀地播入大小相似的小麦种子13粒，小麦品种为湘麦4号，小麦出苗后间苗至10株。每个处理3次重复，将盆栽随机摆放在网室内，每天补充浇水。出苗30 d后收获，用剪刀紧挨土表将植株剪下，测量株高（cm）；采用抖根法将土与根系分离，并用水将根系冲洗干净，地上部和根系在80 ℃烘箱中烘干48 h 后，称重。同时将盆栽试验土壤风干，磨细过20目筛，测定土壤pH。

1.4 样品采集与分析

基础土样及盆栽试验后土壤性质测定参考土壤农化分析方法[13]。土壤pH 采用电位法测定，水土比为5∶1；土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤有效磷采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤交换性钙和交换性镁采用1 mol·L-1乙酸铵交换-原子吸收分光光度法测定；土壤交换性氢、铝采用1 mol·L-1氯化钾浸提-氢氧化钠中和滴定法测定。

1.5 数据处理与分析

采用SPSS 16.0 软件进行各处理间结果的显著性检验和相关分析；所有图采用Sigmaplot 10软件制作。小麦地上部生物量、根系生物量、株高对pH 的响应关系采用Sigmaplot 10软件Sigmoidal公式拟合，公式如下。

式中，a为小麦地上部生物量、根系生物量或株高的稳定值；b 为方程系数；x0为达到稳定值的50%时pH阈值，即pH50%；x为土壤pH。

小麦地上部生物量、根系生物量、株高达稳定值95%和5%时的pH阈值，由以下公式计算获得。

2 结果与分析

2.1 土壤酸碱缓冲曲线

各母质发育的红壤酸碱缓冲曲线如图1 所示。在线性条件成立的情况下，土壤酸碱缓冲曲线线性拟合的斜率即为土壤酸碱缓冲容量。由图1可知，板页岩、第四纪红土、河流冲积物、红砂岩和花岗岩发育的红壤酸碱缓冲容量分别为24.2、24.0、18.8、22.2、18.1 mmol(+)·kg-1·pH-1。

图1 不同母质发育的红壤酸碱缓冲曲线Fig. 1 pH buffering curve of soils derived from different parent materials

2.2 小麦生长对pH的响应

2.2.1小麦地上部生物量对pH 的响应 5 种母质发育的红壤上，小麦地上部生物量对pH的响应均符合“S”型曲线（图2）。板页岩、第四纪红土、河流冲积物、红砂岩和花岗岩发育的红壤上，地上部生物量稳定值分别为2.71、1.17、2.06、1.57 和1.70 g·pot-1；板页岩发育的红壤达到稳定值95%、50%和5%时的pH 阈值（即pH95%、pH50%、pH5%）分别为5.31、4.42 和3.53，第四纪红土发育的红壤分别为5.79、4.79 和3.80，河流冲积物发育的红壤分别为5.25、4.71 和4.16，红砂岩发育的红壤分别为4.94、4.61和4.29，花岗岩发育的红壤分别为5.72、4.66和3.59（表2）。

图2 不同母质土壤上小麦地上部生物量对pH的响应Fig. 2 Response of wheat shoot biomass to pH of soils derived from different parent materials

表2 不同母质土壤上小麦地上部生物量的pH阈值Table 2 Critical pH of wheat shoot biomass in soils derived from different parent materials

2.2.2小麦根系生物量对pH 的响应 5 种母质发育的土壤上，小麦根系生物量对pH的响应曲线一致（图3）。板页岩、第四纪红土、河流冲积物、红砂岩和花岗岩发育的红壤上，小麦根系生物量稳定值分别为0.59、0.41、0.49、0.40和0.48 g·pot-1；板页岩发育的红壤达到稳定值95%、50%和5%时的pH阈值分别为6.20、4.79和3.39，第四纪红土发育的红壤分别为4.73、4.40 和4.07，河流冲积物发育的红壤分别为5.60、4.91 和4.21,红砂岩发育的红壤分别为4.70、4.28 和3.87，花岗岩发育的红壤分别为4.38、4.27和4.16（表3）。

图3 不同母质土壤上小麦根系生物量对pH的响应曲线Fig. 3 Response of wheat root biomass to pH of soils derived from different parent materials

表3 不同母质土壤上小麦根系生物量的pH阈值Table 3 Critical pH of wheat root biomass in soils derived from different parent materials

2.2.3小麦株高对pH 的响应 小麦株高对pH的响应曲线如图4 所示。板页岩、第四纪红土、河流冲积物、红砂岩和花岗岩发育的红壤上，小麦株高稳定值分别为51.34、34.76、53.40、42.43和36.70 cm；板页岩发育的红壤达到稳定值95%、50%和5%时的pH 阈值分别为4.67、4.02 和3.37，第四纪红土发育的红壤分别为5.17、4.36和3.56，河流冲积物发育的红壤分别为5.09、4.32和3.55，红砂岩发育的红壤分别为5.01、4.31 和3.61，花岗岩发育的红壤分别为4.32、4.26和4.20（表4）。

图4 不同母质土壤上小麦株高对pH的响应曲线Fig. 4 Response of wheat height to pH of soils derived from different parent materials

表4 不同母质土壤上小麦株高的pH阈值Table 4 Critical pH of wheat height in soils derived from different parent materials

2.3 作物酸害阈值与土壤基础性质的相关分析

小麦生长的酸害阈值与土壤基础性质的相关分析如表5 所示。地上部生物量pH50%与有效磷含量呈显著负相关；稳定值与土壤初始pH、有效磷、交换性镁和交换性钙含量呈显著或极显著正相关。根系生物量pH95%和pH50%均与土壤初始pH 呈显著正相关，pH95%与交换性镁和交换性钙含量呈显著和极显著正相关，而pH50%与交换性铝含量呈显著负相关；稳定值与土壤初始pH、有效磷含量呈显著正相关。株高pH50%与土壤初始有效磷、交换性镁含量呈显著负相关。

表5 小麦酸害阈值与土壤基础性质的相关性分析Table 5 Coefficient of correlation between critical pH of wheat and soil initial chemical properties

3 讨论

本研究表明，小麦地上部生物量和株高pH50%与土壤初始有效磷和交换性镁含量呈负相关关系，即土壤初始有效磷、交换性镁含量越高，pH50%越低。一方面，磷能够通过增加根系有机酸含量改善铝胁迫作物光合系统，从而缓解铝毒害[14]；另一方面，磷能缓解土壤中铝毒导致的根系结构和功能受损，从而影响养分的吸收和利用[15-16]；此外，磷含量增加可降低根系总铝和单核铝含量，使毒性形态的铝转化为无毒形态，并减少铝在根尖以及细胞壁的积累，以缓解铝对根伸长的抑制，提高作物根系的抗铝毒害能力[17]。Bache 等[10]研究发现，当土壤有效磷含量从18 mg·kg-1增加到73 mg·kg-1，大麦的pH 阈值从4.9 降低至4.3，本研究所选板页岩、第四纪红土、河流冲积物、红砂岩和花岗岩发育的红壤初始有效磷含量分别为30.4、5.7、15.4、9.7 和12.1 mg·kg-1，在Bache 等[10]研究的范围内，为此，有效磷含量是影响不同红壤上pH阈值差异的原因之一。

本研究所选土壤初始pH 与交换性镁含量呈显著正相关，即土壤初始pH 越高、交换性镁含量越高。本研究所选板页岩、第四纪红土、河流冲积物、红砂岩和花岗岩发育的红壤初始交换性镁含量分别为1.35、0.26、0.52、0.23 和0.15 cmol+·kg-1，而当交换性镁含量低于0.50 cmol+·kg-1即为缺镁土壤[18]。模拟酸化的过程中，尽管采用硫酸溶液将土壤酸化至较低pH，但缺少淋溶过程，镁等养分元素仍滞留在土壤中，板页岩发育的红壤具有相对较低的pH50%。此结果也在一定程度上说明，缺乏淋溶的人为模拟酸化过程可能会低估作物的酸害阈值，而选取初始pH和养分含量较低的土壤进行酸害阈值研究，可能会消除这一影响。Baquy等[8]研究发现，土壤初始阳离子交换量和交换性盐基离子含量决定了玉米生长对pH的响应，且土壤初始交换性盐基离子含量越高酸害阈值越低，其中铝饱和度更能反映毒害的程度。不同母质发育的土壤，黏粒和土壤矿物含量也存在差异，模拟酸化条件下，土壤消耗质子的过程也不同，导致同等pH 条件下交换性铝含量及铝饱和度存在显著差异，进而影响了作物生长[19]。本研究表明，稳定值与土壤初始pH、有效磷、交换性镁和交换性钙含量呈显著或极显著正相关，这与Bossolani 等[20]研究结果一致，即相较于单施石灰调节土壤pH外，适量补充磷和镁元素，可显著提高大豆产量；Lauricella 等[21]也通过盆栽试验证明，调理剂对作物生长的影响主要取决于铝毒的缓解和有效磷含量增加。由此可见，土壤肥力水平和酸度共同决定了作物生长。因此，培肥土壤、改善土壤磷和钙镁等营养，有利于降低酸化危害。

综上所述，地上部生物量pH50%与有效磷含量呈显著负相关；根系生物量pH95%和pH50%均与土壤初始pH 呈显著正相关，pH95%与交换性镁和交换性钙含量呈显著和极显著正相关，而pH50%与交换性铝呈显著负相关；株高pH50%与土壤初始有效磷、交换性镁含量呈显著负相关。酸害阈值受土壤初始有效磷和交换性镁含量的影响，土壤肥力水平和酸度共同决定了作物的最大生物量。