胡天睿，蔡澤江，王伯仁，張 璐，朱建強(qiáng)，徐明崗，，張 強(qiáng)

（1.長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/湖南祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 100081；3.金正大生態(tài)工程集團(tuán)公司，山東 臨沭 276701）

我國紅壤地區(qū)土壤酸化問題凸顯，21世紀(jì)初較20世紀(jì)80年代酸性土壤（pH值＜5.5）面積增加了33.7%［1］。長期過量施用化學(xué)氮肥是加劇土壤酸化的主要因素之一［2］，孟紅旗等［3］依托我國典型農(nóng)田長期施肥定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，施用化學(xué)氮肥處理土壤酸化速率是不施肥處理的3.2～4.6倍；周海燕等［4］對湖南祁陽縣域土壤酸化驅(qū)動因子分析發(fā)現(xiàn)，化學(xué)氮肥對農(nóng)田土壤酸化的貢獻(xiàn)率高達(dá)66.5%。土壤酸化導(dǎo)致植物毒害元素活性增加（如交換性鋁）、有益元素活性降低，從而限制了作物的生長［5-6］。

土壤酸堿緩沖容量（pHBC）是表征土壤抵抗酸化或堿化能力的指標(biāo)，其值越大表示在相同酸堿輸入量下，土壤pH變幅越小［7］。因此，研究不同施肥下土壤酸堿緩沖性能變化及其主要影響的因素，對防治紅壤酸化具有重要意義。長期定位試驗結(jié)果表明，施用化學(xué)氮肥20年后土壤pH值從5.7降至4.5左右，而施用有機(jī)肥能維持紅壤pH值［1］。蔡澤江等［8］研究表明，施用尿素增加紅壤硝化作用和氫離子釋放量，加劇紅壤酸化；而尿素配施玉米秸稈短時間內(nèi)能降低紅壤硝化速率；有機(jī)肥替代部分尿素可有效降低土壤硝化潛勢和氫離子釋放量，從而防治土壤酸化。Shi等［9］研究發(fā)現(xiàn)，長期施用有機(jī)肥既能提高土壤pH值，又能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和陽離子交換量，從而抑制土壤鋁的活化。Cai等［10］則研究表明，有機(jī)肥較化學(xué)肥料能維持紅壤pH、提高土壤養(yǎng)分和有機(jī)碳含量，進(jìn)而增加作物產(chǎn)量。由此可見，前人就不同施肥對紅壤酸化的影響已開展了大量研究，而關(guān)于長期施肥下紅壤酸堿緩沖性能的變化及其主要影響因素的研究還鮮見報道；土壤酸堿緩沖容量與土壤酸度、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量等均有相關(guān)性，而這些性質(zhì)在很大程度上受肥料類型的影響［8-10］。因此，本研究基于30年定位試驗，通過比較分析不同施肥處理下紅壤酸堿緩沖性能的變化及其與土壤性質(zhì)的關(guān)系，為紅壤酸化防治和地力提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗位于湖南省祁陽縣，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院祁陽紅壤實驗站（26°45′12″ N，111°52′32″ E）內(nèi)，海拔高度約為120 m，年均溫、降水量、蒸發(fā)量、無霜期和日照時數(shù)分別為18.0 ℃、1255 mm、1470 mm、300 d和1610 h。試驗地土壤為第四紀(jì)紅壤。試驗開展前土壤的初始性質(zhì)為：全氮1.07 g·kg-1、堿解氮79.0 mg·kg-1、全磷 （P） 1.07 g·kg-1、有效磷 （P）13.9 mg·kg-1、全鉀 （K） 13.7 g·kg-1、速效鉀 （K）104 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)13.6 g·kg-1，pH值5.7。

1.2 試驗設(shè)計

長期定位試驗包括9個處理：（1） 不施肥（CK）；（2） 化 學(xué) 氮 肥（N）；（3）化 學(xué) 氮 磷 肥（NP）；（4） 化學(xué)氮鉀肥 （NK）；（5） 化學(xué)磷鉀肥（PK）；（6） 化學(xué)氮磷鉀肥 （NPK）；（7）化學(xué)氮磷鉀肥配施有機(jī)肥（NPKM）；（8） 化學(xué)氮磷鉀肥加秸稈還田 （NPKS）；（9） 單施有機(jī)肥 （M）。各處理化學(xué)肥料為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，有機(jī)肥為豬糞，秸稈還田處理為當(dāng)季作物秸稈的一半還田，其余部分移走。年化學(xué)氮肥用量為N 300 kg·hm-2，化學(xué)磷、鉀肥的用量分別為P2O5、K2O各120 kg·hm-2，玉米和小麥?zhǔn)┓柿勘葹?∶3。在化肥配施有機(jī)肥處理中，有機(jī)肥提供的氮占總氮量的70%。所有肥料作為基施一次性施入，其它管理措施各處理間相同。種植制度為冬小麥和玉米輪作（一年兩熟）。試驗于1990年開始，每個小區(qū)面積196 m2，屬于大區(qū)試驗，由于受當(dāng)時試驗條件的限制，每個處理兩次重復(fù)，為了減少這方面的缺陷，采樣時將每個小區(qū)均勻分成2個亞區(qū)，每個亞區(qū)取一個混合樣，每個處理4個分析樣。

1.3 樣品采集與分析

供試土樣采集于2020年玉米收獲后0～20 cm土層土壤，每個亞區(qū)用土鉆采取5個具代表性樣點，混勻，揀出石塊和根茬，置于干燥通風(fēng)處自然風(fēng)干后研磨過篩，裝瓶密封保存?zhèn)溆谩Ｍ寥纏H值、交換性酸、陽離子交換量等各項土壤指標(biāo)參考《土壤農(nóng)化分析》［11］和《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［12］的方法進(jìn)行測定。

1.4 土壤的酸堿緩沖容量測定

土壤酸堿緩沖曲線參考成杰民等［13］、汪吉東等［14］的方法，稱取4 g風(fēng)干土9份，分別置于50 mL離心管中，分別加入0.1 mol·L-1的HCl或NaOH溶 液0、0.5、1.0、1.5、2.0 mL，再 加 入去二氧化碳蒸餾水使總?cè)芤杭尤肓繛?0 mL（水土比5∶1），最終加入的酸或堿量分別為0.0、12.5、25.0、37.5、50.0 mmol·kg-1，搖勻后于25℃恒溫培養(yǎng)箱放置72 h，期間每日間歇搖動2～3次，最后一次搖動后靜置2 h，用pH計測定離心管中土壤的pH值。分別以土壤pH值和酸堿添加量為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)（橫坐標(biāo)＞0表示外源酸加入量，＜0表示堿加入量），以此繪制土壤酸堿緩沖曲線。在線性條件成立的情況下，土壤酸堿緩沖曲線中線性部分斜率絕對值的倒數(shù)即為土壤酸堿緩沖容量［15］，即：

式中：pHBC 為土壤酸堿緩沖容量，a 為擬合方程的斜率。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

采用SPSS 23.0對處理結(jié)果進(jìn)行顯著性差異分析與相關(guān)性分析，采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酸堿緩沖性能

長期施肥下土壤酸堿緩沖曲線如圖1所示，各處理整體呈類“S”形曲線。由表1可知，土壤 pH值變化與外源酸堿添加量呈顯著相關(guān)性，決定系數(shù)為0.95～0.97，均大于0.95。結(jié)果顯示，施肥30年后，各處理土壤酸堿緩沖容量在 16.89～28.01 mmol·kg-1·pH-1之間，各處理酸堿緩沖容量較CK處理均顯著增加（P＜0.05）。其中最高的是M處理（28.01 mmol·kg-1·pH-1），NPKM處 理（23.42 mmol·kg-1·pH-1）次 之，而CK處 理（16.89 mmol·kg-1·pH-1）最低。

2.2 土壤pH值

各施肥處理土壤pH變化如圖2所示。與CK相比，N、NP、NK、PK、NPK和NPKS處 理 的 土 壤pH值顯著降低，其中以NK和N處理降幅最大，分別降低了1.92和2.01個單位；而施用有機(jī)肥處理（M和NPKM）的土壤pH值顯著升高或維持不變，其中M處理較CK升高了0.73個單位。這表明長期施用化學(xué)肥料易導(dǎo)致土壤酸化，而秸稈還田未緩解紅壤酸化，施用有機(jī)肥可有效防治土壤酸化。

圖1 長期不同施肥下紅壤酸堿滴定曲線

表1 長期不同施肥下紅壤酸堿緩沖容量變化

圖2 不同施肥處理的紅壤pH值

2.3 土壤交換性酸

與CK相比，N、NP、NK、NPK和NPKS處理的土壤交換性酸含量顯著升高，其中升高幅度最大的是NP和N處理，分別升高了1559.7%和1701.7%，而NPKM和M處理無顯著變化。N、NP處理土壤交換性氫含量較CK處理顯著增加，分別升高了166.6%和256.7%，而其它處理無顯著變化。N、NP、NK、NPK和NPKS處理土壤交換性鋁含量較CK處理顯著升高，其中增加幅度最高的是NP和N處理，分別提高了3785.2%和4323.8%。

圖3 各施肥處理紅壤交換性酸、氫和鋁

2.4 土壤陽離子交換量

長期不同施肥下土壤陽離子交換量的變化如圖4所示。施肥30年后，各處理土壤陽離子交換量在11.79～17.98 cmol·kg-1之間。相比于CK處理，NP、NPK、NPKS、NPKM和M處理的土壤陽離子交換量顯著增加，其中M處理的土壤陽離子交換量提升幅度最大，增加了36.02%；其次是NPKM處理，提升幅度為20.43%；NP、NPK和NPKS處理之間無顯著差異；N處理土壤陽離子交換量顯著降低，下降幅度為10.36%；NK、PK處理的土壤陽離子交換量變化不顯著。

圖4 長期施肥下紅壤陽離子交換量變化

2.5 土壤有機(jī)質(zhì)

施肥30年后，各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量如圖5所示。各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量在13.11～22.30 g·kg-1之間。相比于CK處理，NP、NPK、NPKS、NPKM和M處理有機(jī)質(zhì)含量均顯著升高。NPKM和M處理有機(jī)質(zhì)含量提升最大，分別增加了63.92%和70.10%；其次是NP、NPK、NPKS處理，提高幅度為46.61～57.21%。由此可見，增施有機(jī)肥對提升土壤有機(jī)質(zhì)含量的效果最好。

圖5 長期不同施肥下紅壤有機(jī)質(zhì)變化

2.6 土壤性質(zhì)與pHBC的相關(guān)分析

相關(guān)分析表明，土壤有效磷、陽離子交換量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全氮和全磷與pHBC均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），其相關(guān)系數(shù)分別為0.816**、0.807**、0.795**、0.596**、0.677**和0.726**（表2）。

表2 紅壤基本性質(zhì)與酸堿緩沖容量的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 土壤酸堿緩沖容量與陽離子交換量、有機(jī)質(zhì)的關(guān)系

本研究表明，土壤陽離子交換量（CEC）、有機(jī)質(zhì)（SOM）與酸堿緩沖容量（pHBC）呈極顯著正相關(guān)（表2）。土壤CEC是表征土壤膠體所能吸附的陽離子量，被認(rèn)為是影響土壤酸堿緩沖能力的重要因素；吸附在負(fù)電荷點位上的鹽基離子能形成對酸起到緩沖作用的中性鹽［8］。為此，CEC越大，土壤緩沖性能越強(qiáng)［16-20］。酸性土壤有機(jī)質(zhì)與pHBC存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，通常來說，有機(jī)質(zhì)含量越高的土壤，其酸堿緩沖性能越好［21-23］。土壤有機(jī)質(zhì)帶有大量正、負(fù)電荷，且以負(fù)電荷為主，其中腐殖酸是一種含有多官能團(tuán)的弱酸，有極高的陽離子交換量，從而相應(yīng)提高土壤CEC及對酸堿變化的緩沖能力［24-28］。

Ulrich［29］將土壤緩沖體系劃分為：碳酸鈣緩沖體系（pH值8.6～6.2）、硅酸鹽緩沖體系（pH值＞5.0）、陽離子交換緩沖體系（pH值4.2～5.0）、鋁緩沖體系（pH值＜4.2）、鐵鋁緩沖體系（pH值＜3.8）和鐵緩沖體系（pH值＜3.2）。本研究M處理處于硅酸鹽緩沖體系和碳酸鈣緩沖體系階段，CK、PK、NPKM處理土壤處于硅酸鹽緩沖體系，NPK、NPKS處理土壤處于陽離子交換緩沖體系和鋁緩沖體系，N、NK、NP處理土壤處于鋁緩沖體系。長期施用有機(jī)肥不僅能保持較高的土壤pH值，且能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和陽離子交換量，從而提高土壤酸堿緩沖容量；而長期施用化學(xué)氮肥處理土壤酸化嚴(yán)重，已進(jìn)入鋁緩沖體系，即次級緩沖體系階段［30］。相較于初級緩沖體系，次級緩沖體系的緩沖能力更強(qiáng)，緩沖物質(zhì)主要為鐵鋁氧化物，外源酸侵入土壤時，土壤交換性酸的增加以交換性鋁增加為主，土壤pH值難以降低，但交換性鋁含量快速升高，導(dǎo)致鋁毒害進(jìn)一步加重［31］。本研究表明，秸稈還田較單施化學(xué)肥料未增加土壤酸緩沖能力，這可能與秸稈還田量不足以中和化學(xué)氮肥硝化作用釋放的H+，因而未能有效防治紅壤酸化，導(dǎo)致土壤進(jìn)入鋁緩沖體系有關(guān)。本研究結(jié)果表明，長期施用有機(jī)肥處理的土壤CEC和pHBC顯著高于單施化學(xué)肥料處理，可見培肥土壤增加有機(jī)質(zhì)含量和陽離子交換量有利于增強(qiáng)紅壤抗酸化能力。

3.2 土壤酸堿緩沖容量與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

本研究表明，土壤有效磷、全磷、堿解氮、全氮與pHBC之間呈極顯著正相關(guān)（表2），這可能與施肥措施有關(guān)［32］。本研究所選長期試驗為等氮量，各處理化學(xué)磷鉀肥投入量相同，有機(jī)肥處理不考慮有機(jī)肥磷投入量，這就導(dǎo)致有機(jī)肥處理磷投入量高于單施化肥處理，長期施用有機(jī)肥土壤有效磷、全磷和有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于不施肥和單施化肥處理。本研究也表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤酸堿緩沖容量、堿解氮、有效磷、全氮以及全鉀呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（表2）。土壤有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量的增加會減弱紅壤對磷的吸附，降低磷的最大吸附容量。反之，隨著紅壤pH值的降低，土壤交換性氫增加，會增加土壤對磷酸根離子的吸附，加劇土壤磷的固定，降低土壤磷的有效性［33-34］。此外，土壤碳氮具有耦合關(guān)系，伴隨土壤有機(jī)質(zhì)增加，土壤全氮和有效氮相應(yīng)增加［19］。由此可見，相比于施用化肥，施用有機(jī)肥既能有效防治土壤酸化、提高土壤酸緩沖能力，又能增加土壤養(yǎng)分有效性。

4 結(jié)論

長期施用化學(xué)氮肥加劇紅壤酸化，土壤交換性酸鋁含量顯著增加，秸稈還田未能有效緩解紅壤酸化；而長期施用有機(jī)肥不僅能防治紅壤酸化、提高土壤pH值，也能提高紅壤有機(jī)質(zhì)含量、陽離子交換量，進(jìn)而增強(qiáng)紅壤酸緩沖能力。由此可見，施用有機(jī)肥是紅壤農(nóng)田酸化防治的一項有效措施。