劉海娟, 林慧凌, 李昊宇, 于淑琪, 姚懿洪, 馮沛勝, 鄧 璐, 王朝強, 向 萍, 朱悅蕊, 林文雄, 3, 高水練

(1.福建農林大學園藝學院, 福州 350002; 2.福建農林大學安溪茶學院, 福建 安溪 362400; 3.福建農林大學生命科學學院，福州 350002)

【研究意義】土壤是農業(yè)的基礎，20世紀中后期開始, 過量使用氮肥導致的全球性茶園土壤快速過度酸化, 已成為中國乃至全球生態(tài)環(huán)境變差的基礎性問題, 這不僅導致土壤板結、養(yǎng)分流失、肥力和生產力下降等問題, 還阻礙茶樹生長和影響茶葉品質, 甚至產生安全隱患, 嚴重影響到茶園生態(tài)環(huán)境和茶樹生長[1-2]。茶樹[Camelliasinensis(L.)O.Kuntze.]作為我國重要的經(jīng)濟作物, 據(jù)統(tǒng)計, 2019年全國18個主要產茶省(市、區(qū))茶園面積已超3.1×106hm2[3]。然而酸化問題已成為我國茶園土壤生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的限制性因子, 據(jù)調查: 全國茶園土壤pH平均為4.73, pH 4.5以下的土壤達52%[4-6]。其中茶園長期大量施用化學肥料, 重氮肥輕磷鉀肥是加重茶園土壤酸化的主要因素之一[7]。因此，選用磷酸鉀作為茶園土壤酸化改良的材料，探究其對酸化茶園土壤的改良作用及其交換性鉀對茶園土壤pH和交換性陽離子的作用機理等方面具有重大意義?！厩叭搜芯窟M展】張祥和鄭慧芬等[8-9]通過試驗發(fā)現(xiàn)施用生物炭可提高土壤pH, 并促進改善酸性紅壤茶園土壤的酸堿環(huán)境和微生物活性, 為土壤養(yǎng)分的轉化創(chuàng)造良好的生態(tài)條件。許多研究表明交換性陽離子是影響土壤pH變化的重要因子, 交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+等鹽基離子在緩沖土壤酸化與維持土壤養(yǎng)分中起重要作用[10]。交換性H+、Al3+與pH密切相關, 周雨舟等[11]研究發(fā)現(xiàn)土壤pH與交換性H+、Al3+含量之間呈極顯著負相關。鉀素為植物三大營養(yǎng)元素之一, 是作為植物公認的“品質元素”, 也是茶樹中需求量最大的無機礦質離子, 對茶葉增產提質、增強抗性等方面具有重要作用[12]。土壤中能被植物根系直接吸收的速效鉀, 由水溶性鉀和交換態(tài)鉀組成, 其中交換態(tài)鉀是植物鉀素營養(yǎng)的重要儲備形態(tài)[13]。然而在日漸酸化的茶園中, 土壤膠體上被吸附的鉀不斷被H+所替換, 導致鉀含量不斷降低[14]?？梢? 防止土壤酸化是保護土壤“鉀庫”資源的重要途徑。阮建云等[15]對我國主要產茶省份紅黃壤茶園土壤分析表明, 茶園土壤有效鉀含量明顯降低, 已經(jīng)對我國茶葉產量和品質的提高造成了影響。吳志丹等[16]研究發(fā)現(xiàn)安溪縣鐵觀音茶園土壤速效鉀較為缺乏, 提出應注重鉀肥的施用。茶農在生產上使用的鉀肥通常為硫酸鉀和氯化鉀等, 硫酸鉀對茶樹生長效果較好, 但價格昂貴, 肥源較少; 而氯化鉀不僅會降低茶葉氨基酸含量和硝酸還原酶活性, 還容易對幼齡茶樹產生氯害。且兩者作為生理酸性肥，長期施用將造成茶園土壤板結、酸化加劇等不良效應[17-19]; 磷酸鉀作為一種生理堿性肥，具有含鉀高、速效性、價格較低等優(yōu)勢, 有較大的應用生產潛力。近年來, 研究表明適當施肥(含有機物料)可以改良土壤酸化[20-21], 通過氮磷鉀配施石灰能提高土壤陽離子交換量, 降低土壤交換性Al3+含量, 從而提高土壤的交換性能、酸堿緩沖性能和土壤膠體吸附能力, 最終提高酸性水稻土壤pH, 達到酸化改良的效果[22]。張小琴等[23]通過對不同植茶年限茶園土壤有效營養(yǎng)元素的研究，提出應合理控制氮肥, 增施磷肥和鉀肥, 防止土壤酸化。Gao等[24]通過茶園土壤種植大豆發(fā)現(xiàn), 土壤中交換性K+含量與pH呈顯著正相關關系?！颈狙芯壳腥朦c】當前關于茶園土壤酸化改良的研究取得了一定進展，但關于單一施用鉀肥能否改良茶園土壤酸化, 及其影響茶園土壤pH的交換性陽離子路徑機理尚不明確?！緮M解決的關鍵問題】本研究以pH 3.53和pH 4.16兩種酸化茶園土壤為試驗材料, 添加不同濃度磷酸鉀, 通過室內土壤培養(yǎng)試驗, 探究添加磷酸鉀對茶園土壤pH、鹽基陽離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)、交換性酸(H+、Al3+)等含量的影響; 建立結構方程模型, 明確施用磷酸鉀改良茶園土壤酸化的交換性陽離子機理, 旨在通過施用鉀肥改良茶園土壤酸化提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試肥料 本試驗以磷酸鉀作為供試鉀肥,由青島美味源生物科技有限公司提供, 是一種無機化合物, 化學式為K3PO4, 又名磷酸三鉀, 白色粒狀粉末, 易吸濕, 相對密度2.564(17 ℃), 熔點1340 ℃。溶于水, 呈堿性反應[25], pH 12.5。

1.1.2 供試土壤 供試土壤采自福建安溪縣感德鎮(zhèn)霞春村(25°18′N, 117°51′E), 土壤pH分別為3.53、4.16, 無前茬作物, 栽培茶樹15年, 土質為紅黃壤, 茶樹品種為鐵觀音。在茶樹行間刮去表面雜物后, 以整段采集的方式, 挖取0～30 cm深、140～150 cm長、30～40 cm寬的茶園土壤, 裝入專用土壤取樣袋運回實驗室, 將新鮮土置于室內自然風干, 分別充分攪拌均勻, 去除石塊后研磨, 過2 mm尼龍篩, 混合均勻待用。供試土壤基本化學性質見表1。

表1 試驗前供試土壤基本化學性質

1.2 試驗設計

根據(jù)優(yōu)質茶園土壤的平均速效鉀含量(81.1 mg/kg)[16], 確定磷酸鉀(含55.18%K2O)的施用量, 采用隨機區(qū)組設計, 試驗分別設置4種施鉀濃度水平: 添加磷酸鉀50 mg/kg(K1)、100 mg/kg(K2)、150 mg/kg(K3)、200 mg/kg(K4), 以不施肥為空白對照(CK)。pH 3.53和pH 4.16的供試土壤均設置以上5種處理, 每種處理3個重復。按以上設置的濃度梯度稱量好相應的土樣及肥料, 將肥、土充分混合均勻后稱取300 g裝于340 mL的一次性塑料杯中, 并加入去離子水調至70%左右的田間持水量, 杯口附上保鮮膜(聚乙烯)后以膠圈套緊, 戳開等量小孔, 保證通氣并減少水份損失, 同時在每個杯子寫上相應的標簽, 包括培養(yǎng)時間和時長、施鉀水平以及杯子總重。而后將培養(yǎng)杯隨機放入溫度25 ℃、空氣濕度85%的恒溫恒濕箱中進行連續(xù)培養(yǎng), 期間以稱重法每隔5 d補水1次。在培養(yǎng)后的第1、5、10、20、30、45、60天分別取出每個濃度處理的3個重復樣, 將每杯土倒出并均勻攤開, 置于室內自然晾干, 用以測定土壤pH和交換性陽離子。本試驗于2020年11月至2021年2月在福建農林大學安溪校區(qū)茶樹營養(yǎng)實驗室進行。

1.3 檢測方法

pH: 電位法, 參照NYT1377—2007; 土壤有機質測定參照鮑士旦等[26]的重鉻酸鉀容量法-外加熱法; 交換性Ca2+、Mg2+: 1 mol/L乙酸銨交換-原子吸收光譜法, 土壤交換性K+、Na+: 1 mol/L乙酸銨交換-火焰光度法, 土壤交換性H+、Al3+: 1 mol/L KCl交換-中和滴定法, 均參照GB7866—87進行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010整理數(shù)據(jù), IBM SPSS 25.0軟件的單因素(One-way ANOVA)與Duncan法進行方差分析和多重比較(P<0.05), 分析前利用箱圖對數(shù)據(jù)異常值(即值與框上下邊界的距離在1.5倍框長度至3倍框長度之間的個案，其中不包括1.5倍, 包括3倍)作篩查刪除處理; 利用GraphPad Prism 8.0.1軟件作圖, 以Amos Graphics軟件構建結構方程模型(Structural equation model)。

2 結果與分析

2.1 施用鉀肥對酸化茶園土壤pH的影響

由圖1可知, 未添加磷酸鉀的處理(CK), 其土壤pH隨培養(yǎng)天數(shù)的增加呈先上升后下降的趨勢, 尤其在pH 3.5的土壤中變化幅度較大, pH上升的原因可能是所添加的去離子水為中性(pH 7.2), 對酸化土壤具有緩沖作用, 對越酸的土壤緩沖能力越大; 后期pH有所下降, 可能由土壤硝化作用所引起, 具體表現(xiàn)為培養(yǎng)后期的土壤銨態(tài)氮減少, 硝態(tài)氮增加(圖2)。而添加磷酸鉀的處理, 土壤pH雖有所波動, 但其上升趨勢較CK更為顯著。pH 3.53的茶園土壤添加磷酸鉀培養(yǎng)后, 隨著鉀肥施用量的增加, pH顯著上升, 即CK

a代表供試土壤pH為3.53, b代表pH為4.16; CK、K1、K2、K3、K4 分別表示添加磷酸鉀0、50、100、150、200 mg/kg，下同。

2.2 施用鉀肥對酸化茶園土壤交換性鹽基離子的影響

由圖3a～d可知, 在pH 3.53的茶園土壤中, 添加K1、K2、K3、K4磷酸鉀處理后, 各培養(yǎng)批次的土壤交換性K+平均含量與空白對照(CK)相比, 分別提高0.06、0.13、0.2、0.25 cmol/kg, 增幅為26.84%～104.97%, 差異均達極顯著水平; 隨著培養(yǎng)時間的增加, 交換性K+含量整體呈現(xiàn)出先降后升最后趨于平緩的變化規(guī)律, 且在第20～30天出現(xiàn)最大值, 對比第1天, 上漲52.4%, 達顯著差異水平(P<0.05)。同時, 施用磷酸鉀處理還引起了土壤交換性Na+、Ca2+、Mg2+的變化, 相比CK, 交換性Na+先顯著上升后逐漸下降, 整體表現(xiàn)為上升趨勢, 交換性Ca2+上下波動較大, 交換性Mg2+總體呈動態(tài)下降趨勢, 其中各濃度處理的交換性Na+含量(圖3-b)均有不同程度的增加, 但差異未達顯著水平; 交換性Ca2+、Mg2+總體上均有所下降, 其中K4、K3處理達顯著差異水平, 其余處理差異均不顯著。而pH 4.16的茶園土壤施用磷酸鉀, 在不同施用濃度和培養(yǎng)進程中, 土壤交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+的變化趨勢與在pH 3.53茶園土壤中培養(yǎng)的結果基本類似(圖3e～h), 其中交換性K+平均含量相比CK上漲32.56%～100.98%。其余鹽基離子同比CK的差異均未達顯著水平。以上結果說明施用磷酸鉀可以顯著提高酸化茶園土壤的交換性K+含量, 并引起交換性Na+、Ca2+、Mg2+波動式變化。

圖a～d代表供試土壤pH為3.53, 圖e～h代表供試土壤pH為4.16; CK、K1、K2、K3、K4 分別表示添加磷酸鉀0、50、100、150、200 mg/kg。

2.3 施用鉀肥對酸化茶園土壤交換性酸的影響

由圖4可知, pH 3.53的酸化茶園土壤添加磷酸鉀后, 土壤中的交換性Al3+含量隨濃度增加而顯著下降, 與CK相比, K4處理的交換性Al3+含量下降0.46 cmol/kg, 降幅達極顯著水平, K1、K2、K3處理雖略有降低, 但未達顯著性差異水平。從培養(yǎng)進程看, 培養(yǎng)初期(1～10 d), 除K4處理外, 其余處理的交換性Al3+含量均顯著下降, 至第10天出現(xiàn)最小值; CK、K1、K2處理均在培養(yǎng)30 d后出現(xiàn)最大值, 中后期逐漸下降最后趨于平緩, 而K3、K4處理在培養(yǎng)后的第10～30天均無顯著變化, 此后出現(xiàn)回升趨勢。而施鉀處理的交換性H+含量同比CK雖有所波動, 但差異未達顯著水平; 隨著培養(yǎng)時間的增加, 總體呈先降后升的趨勢, 其最低值在第30天。pH 4.16的茶園土壤在施用鉀肥后, 其土壤交換性Al3+在不同濃度施鉀處理之間的差異性和培養(yǎng)過程的變化趨勢上, 與pH 3.53茶園土壤的培養(yǎng)結果基本相同(圖4 c～d)。其中交換性Al3+含量在K4、K3處理下, 相比CK分別降低0.64、0.48 cmol/kg, 達極顯著差異水平, K1、K2處理則分別下降0.36、0.28 cmol/kg, 達顯著差異水平。隨著培養(yǎng)時間的延長, 未施鉀的CK處理表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定趨勢, 施鉀處理則相對平緩; 交換性H+含量即使略有提高, 但與CK相比, 其差異水平均不顯著?？梢? 在酸化茶園土壤施用鉀肥可顯著降低交換性Al3+含量, 且降低幅度隨著施鉀水平的提高而增大, 但其下降效果具有短效性。

圖a～b代表供試土壤pH為3.53, 圖c～d代表供試土壤pH為4.16; CK、K1、K2、K3、K4 分別表示添加磷酸鉀0、50、100、150、200 mg/kg。

2.4 施用鉀肥影響酸化茶園土壤pH的交換性陽離子路徑分析

本研究基于已有的土壤機理研究理論來構建結構方程模型(圖5), 采用路徑系數(shù)這一指標來表示每個變量對土壤pH的影響程度。在pH 3.53的土壤pH影響因素模型中, 其模型擬合指數(shù)分別為CMIN/DF=0.78;CFI=1.000;GFI=0.999;AGFI=0.97;NFI=0.998;RMSEA=0.000(其中CMIN/DF為卡方與自由度之比; CFI為比較擬合指數(shù); GFI為擬合優(yōu)度指數(shù); AGFI為調整后的擬合優(yōu)度指數(shù); NFI為規(guī)范擬合指數(shù); RMSEA為均方根近似值誤差)。均達到擬合要求, 總體表現(xiàn)好。分析結果表明(表2), 土壤交換性K+、Ca2+對pH具有極顯著的正向直接效應, 其標準化路徑系數(shù)分別為0.638, 0.241; 交換性Na+、Mg2+、H+、Al3+則對pH產生顯著的負向直接效應, 路徑系數(shù)分別為-0.224,-0.117,-0.198,-0.21。直接效應中, 交換性K+、Al3+與pH的路徑系數(shù)絕對值之和達0.848, 占總直接效應的67.4%。與此同時, 各交換性鹽基離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+還分別通過交換性H+、Al3+對pH產生間接效應(IndeX1、IndeX2)。結構方程模型中, 在有顯著相關性的前提下, 其總效應的路徑系數(shù)(=直接效應+間接效應)絕對值越大, 則表示因素間的影響程度越大[27]。因此, 從總效應結果可以看出, 影響pH 3.53土壤最大的因素為交換性K+, 其余因素的大小排序依次為交換性Al3+>交換性H+>交換性Ca2+>交換性Na+>交換性Mg2+。

另外, pH 4.16的土壤pH影響因素模型(圖5-6)擬合指數(shù)為:CMIN/DF=0.33;CFI=1.000;GFI=1.000;AGFI=0.987;NFI= 0.999;RMSEA=0.000; 模型指數(shù)符合擬合要求。從表2可以得知, 其結果與pH 3.53的相近, 其中土壤交換性K+、Ca2+、Na+、Al3+對pH的標準化路徑系數(shù)分別為0.474, 0.217,-0.204,-0.343, 效應為極顯著。且交換性K+、Al3+兩者與pH的直接路徑系數(shù)的絕對值之和為0.817, 占總直接效應的65.2%。而與pH 3.53結果不同的是影響茶園土壤pH的最大因素為交換性Al3+, 且交換性H+所起的作用最小。上述分析表明, 在酸化茶園土壤中施用含K+的磷酸鉀具有顯著的改良作用, 不僅能直接提高土壤pH, 還能通過提高土壤中交換性K+、Ca2+，降低致酸因子交換性Al3+、H+的含量, 從而進一步提升pH。其中對pH產生直接效應的主要因子是交換性K+和交換性Al3+。

表2 施用磷酸鉀改良酸化茶園土壤pH的結構模型路徑系數(shù)

圖a代表供試土壤pH為3.53, 圖b代表pH為4.16; Exc.K: 交換性K+; Exc.Na: 交換性Na+; Exc.Ca: 交換性Ca2+; Exc.Mg: 交換性Mg2+; Exc.H: 交換性H+; Exc.Al: 交換性Al3+; 粗線表示相關性顯著, 線上所標數(shù)值為路徑系數(shù)。

3 討 論

土壤酸堿度(pH)作為土壤的一個重要屬性, 對茶樹的生長發(fā)育、土壤的微生物環(huán)境、茶葉品質產量等具有決定性作用[2]。本研究發(fā)現(xiàn), 施用磷酸鉀能夠顯著提高酸化茶園土壤pH, 其主要途徑是通過增加土壤中交換性K+含量而提高土壤對酸的緩沖能力, 同時還通過降低土壤交換性Al3+而減緩土壤酸化。這與李江文等[28]研究結果相似，其發(fā)現(xiàn)通過配施含鉀素的硝酸磷鉀復合肥與氧化鈣調理劑，可提高蔬菜酸化土壤的pH 和交換性鈣含量，降低土壤交換性酸含量。

施用磷酸鉀提高酸化茶園土壤pH的原因可能在于: 一方面磷酸鉀施到土壤中, 提高了土壤鉀濃度, 被土壤膠體吸附形成交換性K+, 而交換性K+與土壤pH呈顯著正相關[28-29], 胡紅青等[30]通過研究發(fā)現(xiàn)土壤溶液K+濃度升高, 土壤對K+的吸附量亦隨之增大, 且溶液中pH提高, 土壤對K+的吸附量也增大, 與本研究中的交換性K+相比CK平均上漲102.98%, pH平均提高0.13個單位的結果一致; 另一方面磷酸鉀呈強堿性(pH 12.5), 已有研究表明含超量堿高的材料能有效改良土壤pH[31], 是由于其高濃度的OH-與土壤中的活性H+發(fā)生快速的中和作用而提高土壤pH[32]。而且隨著磷酸鉀施用濃度的提升, 改良效果越明顯, 李艷春等[33]也有類似發(fā)現(xiàn)?？梢娛┯昧姿徕浛擅黠@改善酸化茶園土壤。此外, 本研究在氮肥和磷酸鉀配施的大田試驗中發(fā)現(xiàn), 其土壤pH有較明顯提高, 說明磷酸鉀可減緩由大量氮肥所引起的土壤酸化。且磷酸鉀相較于其它傳統(tǒng)鉀肥而言, 具有含鉀量高、見效快、使用方便、價格較低等優(yōu)勢, 同時能補充磷素, 因此在生產上具有較高的推廣應用價值。

酸化茶園土壤交換性Al3+在施鉀處理下顯著降低, 主要是由于本試驗施用的磷酸鉀為土壤帶入大量的鉀元素, 使得土壤膠體中的交換性K+顯著提高, 交換性Al3+則被交換性K+置換出來, 而在pH提高了的土壤溶液中, 交換性Al3+會轉化為惰性的氫氧化鋁或羥基鋁[39-40], 從而進一步減緩土壤酸化, 這是土壤膠體中陽離子交換的結果[41], 與魯艷紅等[22]利用氮磷鉀肥和石灰對紅壤性水稻土酸性特征研究發(fā)現(xiàn)交換性鹽基離子與交換性酸呈顯著負相關的結果相符。還有研究表明，當pH在4.5以下時, 土壤中的交換性鋁與磷酸根發(fā)生純化學反應, 形成難溶性的堿式磷酸鋁, 從而使Al3+減少[42]。但是, 交換性Al3+下降后無法長期保持, 而體現(xiàn)出短效性, 肖孔操等[43]通過在酸性土壤施用植物物料發(fā)現(xiàn), 交換性鋁的降低同樣具有時效性, 這可能也是pH后期反酸的原因之一。

前人研究表明, 交換性鈣是土壤pH升高的主要驅動因素[44-45], 本研究雖然也發(fā)現(xiàn)交換性Ca2+與土壤pH呈顯著正向效應, 但影響茶園土壤pH提高的主要路徑是交換性K+, 其與pH的路徑系數(shù)大于交換性Ca2+對土壤pH的路徑系數(shù), 與前人研究結果不一致, 原因可能是試驗處理后的土壤交換性K+濃度顯著增加, 使交換性K+的交換能力總體大于交換性Ca2+, 因此, 交換性K+對提高酸化茶園土壤pH的作用(路徑系數(shù))大于交換性Ca2+。此外, 兩種受試土壤的交換性Na+含量在施鉀處理后雖有所上升, 但其與pH的路徑系數(shù)表現(xiàn)為顯著負效應, 可能與Na+的交換能力較弱有關[46], 容易被所增加的交換性K+所置換。

4 結 論

酸化茶園土壤施用磷酸鉀可顯著提高土壤pH與交換性K+含量, 并顯著降低交換性A13+含量, 說明在酸化茶園中施用磷酸鉀具有良好的改良酸化作用, 且酸化改良效果隨磷酸鉀施用濃度的增加而增加, 其中以濃度200 mg/kg的施用水平為最佳用量, 在培養(yǎng)的第20天其改良效果達到最佳水平。通過結構方程模型分析發(fā)現(xiàn), 施用磷酸鉀改良茶園土壤酸化的主要路徑有兩條: 一是通過增加土壤中交換性K+而提高土壤對酸的緩沖能力, 二是降低土壤致酸離子交換性Al3+而減緩土壤酸化。因此, 在實際生產中, 建議在pH 3.53～4.16的酸化茶園中施用450 kg/hm2磷酸鉀; 且在茶樹生長的關鍵時期(發(fā)芽期)前20 d施用磷酸鉀, 能夠使茶樹在發(fā)芽期擁有適宜的土壤pH環(huán)境, 從而促進茶樹新梢生長，但仍需進一步的大田試驗加以驗證，本研究可為合理施用磷酸鉀改善酸化土壤提供科學依據(jù)。