連旭東，張 璐，劉思汝，蔡澤江，鄭 磊，張 強(qiáng)，周建利，徐明崗,,5

（1 長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州 434025；2 中國(guó)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 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所 / 海南省熱帶作物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東湛江 524091；4 金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司，山東臨沭 276700；5 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，山西太原 030031）

土壤酸化是當(dāng)前我國(guó)農(nóng)田土壤質(zhì)量退化的突出問(wèn)題[1]，1990—2010 年我國(guó)主要耕地土壤pH 下降0.5 個(gè)單位[2]，研究表明，氮肥的過(guò)度施用是加劇農(nóng)田土壤酸化的主要原因之一[3]，如湖南祁陽(yáng)紅壤旱地定位試驗(yàn)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，施用化肥20 年后土壤pH 由5.7 下降至4.5[2]。土壤酸化導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)元素缺乏(如P、K、Mg 和Ca)，有害元素活性增加(如鋁等)，從而限制作物生長(zhǎng)。Nagy 等[4]依托長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤pH 為6.20～6.87，pH 每降低0.10 個(gè)單位，玉米產(chǎn)量平均減產(chǎn)515 kg/hm2。Zhu 等[5]通過(guò)數(shù)據(jù)整合分析，發(fā)現(xiàn)如果氮肥投入以每年1%的速度增加，預(yù)測(cè)的土壤平均pH 將下降約 1.00 個(gè)單位，預(yù)計(jì)從2010—2050 年作物相對(duì)產(chǎn)量損失約增加4%～24%。當(dāng)土壤pH 低于5.5 時(shí)，交換性鋁含量顯著增加，作物出現(xiàn)酸害現(xiàn)象[6]。由此可見(jiàn)，當(dāng)土壤pH 低于某一閾值時(shí)，產(chǎn)量顯著降低，該值對(duì)土壤酸化改良、提高作物產(chǎn)量具有重要意義。水稻、小麥和玉米是我國(guó)最主要的三大糧食作物，大豆是我國(guó)最主要的油料和蛋白作物之一[7]。由于不同作物對(duì)酸害的敏感性不同，作物酸害的臨界土壤pH 也有所差異[8]。梁文君等[9]通過(guò)盆栽試驗(yàn)進(jìn)行線性—平臺(tái)方程擬合，發(fā)現(xiàn)在第四紀(jì)紅土、紅砂巖和板頁(yè)巖3 種母質(zhì)土壤上玉米酸害閾值分別為5.48、5.54、5.82；周志剛等[10]通過(guò)田間試驗(yàn)，采用施用生物炭的方法，將土壤pH 由5.46 調(diào)整到6.76，得出大豆在潮土上的酸害閾值為5.89；Liu 等[11]通過(guò)石灰改良酸性土壤的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小麥在4 種不同初始性質(zhì)的土壤上的酸害閾值分別為4.30、4.60、4.70、5.60，這表明作物酸害閾值在很大程度上也受土壤性質(zhì)的影響，這就給酸化土壤改良和提高作物產(chǎn)量帶來(lái)了不確定性。鋁毒是酸化土壤限制作物生長(zhǎng)的主要因素之一，土壤性質(zhì)可以改變活性鋁對(duì)pH 的響應(yīng)，如施用磷肥顯著降低了土壤交換性鋁的含量，高磷能緩解植物的鋁毒害[12]；Christopher 等[13]研究表明，當(dāng)土壤溶液Ca/Al 低于1.0 時(shí)，對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)或營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的不利影響風(fēng)險(xiǎn)為50%；而當(dāng)土壤溶液Ca/Al 低于0.2 時(shí)，對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)或營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的不利影響風(fēng)險(xiǎn)為100%。因此，作物產(chǎn)量對(duì)土壤pH 的響應(yīng)受到作物類型和土壤性質(zhì)的共同影響。目前對(duì)多位點(diǎn)、多種作物類型的全方面作物酸害閾值研究還較少，且作物產(chǎn)量對(duì)土壤pH 響應(yīng)的影響因素研究較為匱乏。本研究基于國(guó)內(nèi)外大田試驗(yàn)研究，構(gòu)建玉米、水稻、小麥和大豆4 種作物產(chǎn)量與土壤pH 的響應(yīng)關(guān)系曲線，獲得不同作物的酸害閾值，并分析作物產(chǎn)量對(duì)土壤pH 響應(yīng)的影響因素，為酸化土壤改良和產(chǎn)能提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 建立數(shù)據(jù)庫(kù)

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于“中國(guó)知網(wǎng)”、“W eb o f Science”數(shù)據(jù)庫(kù)；搜索關(guān)鍵詞：玉米(maize)、水稻(rice)、小麥(wheat)、大豆(soybean)、土壤pH (soil pH)、作物產(chǎn)量(yield)。搜索年份限制為1980—2020 年。數(shù)據(jù)篩選條件：1)同時(shí)有作物產(chǎn)量-pH 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)；2)施肥為NPK 平衡施肥；3)土壤環(huán)境沒(méi)有受到污染；4)同一試驗(yàn)中土壤pH 變化應(yīng)大于0.5 個(gè)單位；數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容包括：文獻(xiàn)基本信息(作者、年限、題目、期刊、頁(yè)碼)、研究地點(diǎn)信息(采樣地點(diǎn)、經(jīng)緯度、年均溫、年降水、土壤類型、土壤質(zhì)地)、土壤初始性質(zhì)(容重、土壤pH、交換性鈣、交換性鋁、交換性酸、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、陽(yáng)離子交換量、堿解氮、有效磷、有效鉀等)、處理信息(試驗(yàn)類型、試驗(yàn)?zāi)晗?、重?fù)數(shù)、施肥類型、施肥量等)、作物信息(作物類型、品種、產(chǎn)量等)、作物收獲后土壤性質(zhì)(容重、土壤pH、交換性鈣、交換性鋁、交換性酸、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、陽(yáng)離子交換量、堿解氮、有效磷、有效鉀等)。選擇土壤酸性指標(biāo)(土壤pH、交換性鈣、交換性鋁、交換性酸) 和土壤肥力指標(biāo)(有機(jī)質(zhì)、有效磷、化學(xué)氮肥施用量)，進(jìn)行作物酸害閾值影響因素分析。

1.2 土壤pH-作物產(chǎn)量模型擬合

為了盡量減少土壤類型、氣候、田間管理等的影響，作物產(chǎn)量選擇相對(duì)產(chǎn)量[14-15]，計(jì)算方法為：

式中：Y為相對(duì)產(chǎn)量，Yt為試驗(yàn)中每個(gè)處理產(chǎn)量，Ym為試驗(yàn)中最大產(chǎn)量。

為了消除不同試驗(yàn)采用不同水土比測(cè)定土壤pH 的誤差，統(tǒng)一換算為pHH2O(1:2.5)，換算方法為：

通過(guò)Sigmoid 函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，來(lái)評(píng)估相對(duì)產(chǎn)量對(duì)土壤pH 的響應(yīng)，該函數(shù)通常用于模擬生物量生長(zhǎng)[19]：

式中：i 表示作物類型，即玉米、水稻、小麥和大豆；YpH表示給定pH 下的相對(duì)產(chǎn)量；a、b、pH1/2為回歸分析得出的模型系數(shù)。系數(shù)a 決定了不受酸化影響的估計(jì)最大相對(duì)作物產(chǎn)量，b (b＜0)決定了與pH 關(guān)系的非線性斜率，pH1/2表示產(chǎn)量等于最大產(chǎn)量的50%時(shí)的pH。注意，YpH被定義為不受酸化影響的估計(jì)最高作物產(chǎn)量的一個(gè)部分，它不等于每個(gè)試驗(yàn)中最高產(chǎn)量(系數(shù)a 可能低于1)，因?yàn)槠贩N和管理等其他因素仍可能造成產(chǎn)量差距。

將作物產(chǎn)量等于作物最高產(chǎn)量的95%、50%的pH 分別定義為作物開(kāi)始出現(xiàn)減產(chǎn)的臨界pH，達(dá)到最高產(chǎn)量一半時(shí)的pH[5]，計(jì)算公式為：

作物產(chǎn)量95%的pH=pH1/2-[(LN0.05)×b]

作物產(chǎn)量50%的pH=pH1/2-[(LN1)×b]

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2019 建立數(shù)據(jù)庫(kù)，采用Sigma Plot 10.0 軟件對(duì)pH-作物產(chǎn)量關(guān)系進(jìn)行擬合以及制作圖表，采用SPSS 25 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用Pearson 相關(guān)分析方法，在5%和1%顯著水平上分析作物產(chǎn)量與土壤性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物產(chǎn)量對(duì)土壤pH 的響應(yīng)

通過(guò)Sigmoid 函數(shù)，獲得作物相對(duì)產(chǎn)量與土壤pH 響應(yīng)關(guān)系曲線(圖1)，4 種作物產(chǎn)量95%、50%的酸害閾值玉米為5.87、3.74，水稻為4.21、3.76，小麥為5.32、4.38，大豆為5.34、4.57 (表1)。這表明，玉米、大豆、小麥和水稻開(kāi)始減產(chǎn)的pH 分別為5.87、5.34、5.32、4.21，此值可作為酸化土壤改良的目標(biāo)pH。

表1 主要作物相對(duì)產(chǎn)量為95%和50%的pH 閾值Table 1 pH threshold for 95% and 50% of the relative yield of main crops

圖1 主要作物產(chǎn)量與土壤pH 的響應(yīng)關(guān)系曲線Fig.1 Response curves of main crop yields with soil pH

2.2 土壤酸性指標(biāo)、土壤肥力指標(biāo)、土壤pH、作物產(chǎn)量之間相關(guān)性分析

相關(guān)性分析顯示，作物產(chǎn)量與交換性鋁顯著負(fù)相關(guān)，與交換性鈣、鈣鋁比、有機(jī)質(zhì)、有效磷、化學(xué)氮肥施用量顯著正相關(guān)；土壤pH 與交換性酸、交換性鋁和有機(jī)質(zhì)顯著負(fù)相關(guān)，與交換性鈣、鈣鋁比、有效磷、化學(xué)氮肥施用量顯著正相關(guān)(表2)。因此，土壤pH 是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一，且土壤pH 與作物產(chǎn)量同時(shí)受到土壤交換性酸、交換性鋁、交換性鈣、鈣鋁比、土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、化學(xué)氮肥施用量的影響。

表2 作物相對(duì)產(chǎn)量與土壤性質(zhì)及施氮量的相關(guān)性Table 2 Correlation of relative yields with soil properties and nitrogen application rate

當(dāng)土壤pH 大于酸害閾值時(shí)，相關(guān)性分析表明相對(duì)產(chǎn)量與pH 無(wú)相關(guān)性，土壤pH 與交換性酸、交換性鋁、有機(jī)質(zhì)顯著負(fù)相關(guān)，與交換性鈣、鈣鋁比、有效磷顯著正相關(guān)；相對(duì)產(chǎn)量與有機(jī)質(zhì)、有效磷顯著正相關(guān)性(表3)。當(dāng)土壤pH 小于酸害閾值時(shí)，相關(guān)性分析表明相對(duì)產(chǎn)量與土壤pH 顯著正相關(guān)，土壤pH 和相對(duì)產(chǎn)量與交換性鋁顯著負(fù)相關(guān)，與交換性鈣、鈣鋁比顯著正相關(guān)(表3)。因此，在作物不出現(xiàn)酸害的條件下，影響作物產(chǎn)量的主要是土壤肥力指標(biāo)，其中有機(jī)質(zhì)是影響水稻和大豆產(chǎn)量的主要因素，化學(xué)氮肥施用量是影響小麥的主要因素(表4)；在作物出現(xiàn)酸害的條件下，影響作物產(chǎn)量的主要是土壤酸性指標(biāo)，其中交換性酸、交換性鋁、鈣鋁比是影響玉米產(chǎn)量的主要因素，交換性鋁、交換性鈣是影響小麥產(chǎn)量的主要因素，交換性酸、交換性鋁是影響大豆產(chǎn)量的主要因素(表4)。

表3 土壤pH 小于和大于酸害閾值時(shí)作物相對(duì)產(chǎn)量與土壤性質(zhì)的相關(guān)性Table 3 Correlation of relative crop yields and soil properties when soil pH is less and higher than the acid damage threshold

表4 不同作物相對(duì)產(chǎn)量和土壤pH 與酸害驅(qū)動(dòng)因素的相關(guān)性Table 4 Correlation of relative yields of different crops with soil pH and driving factors of acid damage

2.3 土壤酸性指標(biāo)、土壤肥力指標(biāo)、作物產(chǎn)量及土壤pH 之間偏相關(guān)性分析

偏相關(guān)性分析顯示，剔除有機(jī)質(zhì)影響后(表5)，相對(duì)產(chǎn)量與pH 的相關(guān)系數(shù)升高0.207，與交換性鋁的相關(guān)系數(shù)增加了0.072，而交換性鋁與pH 的相關(guān)系數(shù)降低0.289。這表明在低有機(jī)質(zhì)土壤中，作物產(chǎn)量對(duì)pH 和交換性鋁的響應(yīng)變強(qiáng)，增加了作物的鋁毒害風(fēng)險(xiǎn)。因此在相同pH 條件下增加土壤有機(jī)質(zhì)含量能降低作物的鋁毒害風(fēng)險(xiǎn)。剔除有效磷影響后(表6)，相對(duì)產(chǎn)量與pH 的相關(guān)系數(shù)升高0.085，與交換性鋁的相關(guān)系數(shù)升高0.147，而pH 與交換性鋁的相關(guān)系數(shù)降低0.023。這表明在低有效磷土壤中，作物產(chǎn)量對(duì)pH 和交換性鋁的響應(yīng)變強(qiáng)，增加了作物的鋁毒害風(fēng)險(xiǎn)。因此在相同pH 條件下增加土壤有效磷的含量能降低作物的鋁毒害風(fēng)險(xiǎn)。剔除化學(xué)氮肥施用量影響后(表7)，相對(duì)產(chǎn)量與pH 的相關(guān)系數(shù)升高0.026，與交換性鋁的相關(guān)系數(shù)降低0.009，而交換性鋁與pH 的相關(guān)系數(shù)升高0.049，這表明過(guò)量的施用化學(xué)氮肥后，作物產(chǎn)量對(duì)pH 和交換性鋁的響應(yīng)變強(qiáng)，增加了作物的鋁毒害風(fēng)險(xiǎn)。因此在相同pH 條件下控制化學(xué)氮肥的施用量能降低作物的鋁毒害風(fēng)險(xiǎn)。因此，土壤肥力指標(biāo)(有機(jī)質(zhì)、有效磷)和化學(xué)氮肥施用量是影響土壤酸性指標(biāo)對(duì)土壤作物產(chǎn)量與pH 響應(yīng)的關(guān)鍵因素。

表5 剔除有機(jī)質(zhì)影響前后土壤酸性指標(biāo)、土壤肥力指標(biāo)、土壤pH 及相對(duì)產(chǎn)量偏相關(guān)系數(shù)Table 5 Partial correlation coefficient of soil acidity index, soil fertility index, soil pH and relative yield before and after removing the influence of SOM

表6 剔除有效磷影響前后土壤酸性指標(biāo)、土壤肥力指標(biāo)、土壤pH 及相對(duì)產(chǎn)量偏相關(guān)系數(shù)Table 6 Partial correlation coefficient of soil acidity index, soil fertility index, soil pH and relative yield before and after removing the influence of AP

表7 剔除化學(xué)氮肥施用量前后土壤酸性指標(biāo)、土壤肥力指標(biāo)、土壤pH 及相對(duì)產(chǎn)量的偏相關(guān)系數(shù)Table 7 Partial correlation coefficient of soil acidity index, soil fertility index, soil pH and relative yield before and after removing the influence of N application rate

3 討論

3.1 4 種作物酸害閾值

本研究結(jié)果顯示，4 種作物酸害閾值分別為玉米(5.87)、大豆(5.34)、小麥(5.32)、水稻(4.21)(表1)。其中玉米、大豆、小麥酸害閾值在5.50 左右，水稻酸害閾值最低，表明糧食作物在土壤pH 降低到5.50 可能就會(huì)發(fā)生明顯減產(chǎn)。周世偉[20]調(diào)查發(fā)現(xiàn)2005—2010 年我國(guó)糧食產(chǎn)量與土壤pH 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤pH=5.50 時(shí)，糧食減產(chǎn)972 kg/hm2，土壤pH=5.00 時(shí)，糧食減產(chǎn)1216 kg/hm2，這一結(jié)果與本研究結(jié)果相似。而Zhu 等[5]整合分析了多個(gè)長(zhǎng)期試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，作物酸害閾值為小麥5.90、玉米5.10、水稻5.00；Fageria 等[21]研究表明，作物酸害閾值為小麥6.30、大豆5.60、玉米5.40、水稻4.90。以上結(jié)果與本研究結(jié)果相近，表明水稻是4 種作物中最為耐酸的作物。在酸化條件下水稻在受到鋁脅迫時(shí)，主要通過(guò)有機(jī)酸螯合、細(xì)胞壁固定和根屏障等外部排斥機(jī)制與內(nèi)部耐鋁機(jī)制來(lái)抵御酸害[22-24]。其中外部排斥機(jī)制利用細(xì)胞壁和其他器官作為屏障，將Al3+排除在植物細(xì)胞之外，以避免Al3+的植物毒性，而內(nèi)部耐鋁機(jī)制主要依靠Al3+與細(xì)胞質(zhì)中的有機(jī)化合物(主要是有機(jī)酸，如蘋(píng)果酸、檸檬酸和草酸等)絡(luò)合形成穩(wěn)定的配合物，將進(jìn)入細(xì)胞的活性鋁轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗芑蛭⑷艿男问?，降低?duì)作物的有害影響[25-28]。而水稻在鋁脅迫下能增加根尖OsFRDL4 的表達(dá)量，促進(jìn)分泌更多的檸檬酸，此外還會(huì)降低NRAT1基因的表達(dá)量，增加根部的伸長(zhǎng)，進(jìn)而提高耐鋁能力[29]。同時(shí)因?yàn)樗驹陂L(zhǎng)期淹水厭氧條件下，水田中硝化作用較旱地弱，NH4+較NO3-含量高，而Zhao 等[30]研究表明，NH4+與Al3+存在協(xié)同作用，NO3-與Al3+存在拮抗作用。其可能的機(jī)制是NH4+通過(guò)直接和間接質(zhì)子與Al3+競(jìng)爭(zhēng)細(xì)胞壁的陽(yáng)離子結(jié)合位點(diǎn)[31-32]，從而使得水稻較其他谷物有更強(qiáng)的耐酸能力。但是水稻酸害閾值為4.21，遠(yuǎn)小于Zhu 等[5]和Fageria 等[21]的研究結(jié)果(5.00、4.90)，這可能受到了土壤養(yǎng)分的影響。臧小平等[33]在酸性硫酸鹽土壤中施用磷礦粉研究發(fā)現(xiàn)，在土壤pH 低至4.5 以下時(shí)，水稻產(chǎn)量出現(xiàn)明顯的下降； Shamsun 等[34]、Liu 等[35]、Ai 等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在土壤pH 低至4.4 以下時(shí)，水稻產(chǎn)量出現(xiàn)明顯下降，其土壤有機(jī)質(zhì)含量很高，達(dá)到28.38～52.00 g/kg；Swain 等[37]研究發(fā)現(xiàn)，在土壤pH 低至5.3 時(shí)，水稻出現(xiàn)明顯減產(chǎn)，其土壤有機(jī)質(zhì)僅為4.29～7.78 g/kg。這表明有機(jī)質(zhì)仍是影響作物產(chǎn)量以及酸害閾值的重要因素。

本研究發(fā)現(xiàn)，玉米和小麥酸害閾值分別為5.87和5.32 (表1)；蔡澤江[38]進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，得出小麥和玉米的酸害閾值分別為6.03 和5.92，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤pH低于酸害閾值時(shí)，每降低一個(gè)pH 單位，小麥和玉米的生物量分別下降40.0%和25.7%，表明玉米比小麥更加耐酸。Baquy 等[39]研究發(fā)現(xiàn)，玉米在第四紀(jì)紅土的pH 閾值為4.73[39]；Baquy 等[40]研究發(fā)現(xiàn)，紅壤中種植的小麥的pH 閾值為5.29[40]。研究還表明，在鋁脅迫下，植物能分泌大量有機(jī)酸，有機(jī)酸與鋁離子形成螯合物，大大降低鋁的生物毒性。小麥根系能分泌蘋(píng)果酸，玉米根系能分泌檸檬酸，而檸檬酸螯合Al 的能力強(qiáng)于蘋(píng)果酸[41]。各研究結(jié)果的差異可能與供試土壤的母質(zhì)、試驗(yàn)條件、管理措施等因素有關(guān)，應(yīng)該綜合考慮影響因素，有針對(duì)性地研究不同物種的耐酸能力。

3.2 作物酸害閾值的影響因素

土壤酸化會(huì)導(dǎo)致土壤中鋁生物毒性增加，而鋁毒會(huì)改變細(xì)胞膜通透性，物質(zhì)外泄作用加強(qiáng)，進(jìn)而抑制植物和微生物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致作物產(chǎn)量、植物和土壤微生物的豐度和多樣性下降[42-43]，因此明確影響作物產(chǎn)量對(duì)土壤pH 響應(yīng)的因素對(duì)抑制土壤酸化和提高作物產(chǎn)量具有重要意義。

3.2.1 有機(jī)質(zhì)影響作物產(chǎn)量對(duì)pH 的響應(yīng) 本研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)是影響作物產(chǎn)量對(duì)土壤酸化響應(yīng)的重要因素之一，在作物未出現(xiàn)酸害的情況下土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤pH 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，作物出現(xiàn)酸害后土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤pH 之間沒(méi)有顯著相關(guān)性。然而在中性及微堿性土壤環(huán)境條件下，微生物活動(dòng)較高，有利于土壤有機(jī)碳的礦化，但pH 低于4.5 時(shí)不利于有機(jī)質(zhì)的礦化[44]。梁頒捷等[45]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH 為4.6～7.5 時(shí)，隨pH 降低土壤有機(jī)質(zhì)礦化程度增加。劉杰等[46]的研究則表明土壤pH 變化與有機(jī)質(zhì)含量之間沒(méi)有明顯相關(guān)性。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤微生物活動(dòng)的底物和植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分源[47]，受到微生物活動(dòng)的影響。此外，土壤有機(jī)質(zhì)含量還與氣候因素、農(nóng)田管理措施、土壤粘粒含量等因素密切相關(guān)[48]。研究結(jié)果的差異可能是因?yàn)橥寥滥纲|(zhì)、水熱條件、田間管理等諸多因素的影響太大。這表明有機(jī)質(zhì)與土壤pH 之間可能不僅僅是單純的線性關(guān)系，探討有機(jī)質(zhì)與pH 之間的關(guān)系需要考慮土壤酸度、土壤類型、地理因素等多種因素的影響。

研究表明，隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，土壤中對(duì)生物毒性強(qiáng)的交換性鋁或無(wú)機(jī)吸附態(tài)羥基鋁會(huì)與土壤中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生絡(luò)合作用，形成無(wú)(少)毒的有機(jī)絡(luò)合態(tài)鋁，降低作物受到的鋁毒害[49]。Wang 等[50]向小麥?zhǔn)┯糜袡C(jī)肥后通過(guò)冗余分析發(fā)現(xiàn)，土壤pH 和有機(jī)質(zhì)解釋了鋁形態(tài)變異的84%，有機(jī)質(zhì)決定了土壤活性鋁的形態(tài)變化。因此在較高有機(jī)質(zhì)水平下，作物會(huì)大大增加耐酸耐鋁能力，使得作物在較低的土壤pH 水平下仍然有較高的產(chǎn)量，即有機(jī)質(zhì)能降低作物的酸害閾值。

3.2.2 有效磷對(duì)作物酸害閾值的影響 本研究中相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤有效磷與作物產(chǎn)量和pH 顯著正相關(guān)，偏相關(guān)分析結(jié)果表明有效磷能影響作物產(chǎn)量對(duì)土壤pH 的響應(yīng)，這可能與磷能降低作物鋁毒害風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。萬(wàn)延慧等[51]通過(guò)溶液培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高磷可緩解鋁對(duì)大豆的毒害作用，一種原因可能是在營(yíng)養(yǎng)液中一部分磷與鋁結(jié)合生成磷酸鋁鹽沉淀，降低了介質(zhì)中鋁的濃度，從而減輕了鋁的毒害作用；另一種原因可能是由于在大豆植株內(nèi)部鋁與磷形成沉淀，降低了鋁的毒害。溫元波[52]研究發(fā)現(xiàn)，黃壤交換性鋁隨著磷酸鹽的加入明顯降低，而Al(PO4)+離子含量不斷升高，進(jìn)而形成磷酸鋁化合物。朱美紅[53]通過(guò)對(duì)蕎麥根際土壤鋁形態(tài)的研究發(fā)現(xiàn)，施磷促使土壤中的交換態(tài)鋁向吸附態(tài)鋁轉(zhuǎn)化。磷酸根與土壤中的鋁離子形成鋁-磷復(fù)合物沉淀后，土壤中的活性鋁含量降低，使蕎麥根系所受鋁毒害降低。同時(shí)磷參與碳水化合物的生成與分解，促進(jìn)了作物對(duì)碳水化合物的運(yùn)輸，對(duì)作物光合作用及生長(zhǎng)發(fā)育有著重要的作用，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量[54]。因此，土壤有效磷是影響作物酸害閾值的重要因素之一。

3.2.3 施氮量對(duì)作物酸害閾值的影響 近幾十年來(lái)人為活動(dòng)加速了土壤酸化的進(jìn)程[8]，其中過(guò)量的化學(xué)氮肥施用是一個(gè)重要的因素。湖南祁陽(yáng)定位試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，長(zhǎng)期單施化肥20年后土壤pH 由5.7 下降至4.5[2]。長(zhǎng)期(26 年)施用氮肥(尿素)，黑土pH 降低了0.82 個(gè)單位，因?yàn)殡迕笇⒛蛩胤纸鉃樘间@，經(jīng)過(guò)硝化作用向土壤釋放出H+，而硝態(tài)氮不能很快被作物全部利用，會(huì)在土壤中積累。一方面NO3-能夠形成硝酸，使土壤周?chē)鷓H 進(jìn)一步降低。耕作年限越長(zhǎng)，土壤的酸度會(huì)越低[55]；另一方面NO3-與金屬陽(yáng)離子結(jié)合形成硝酸鹽，造成氮素淋失，降低氮素利用率。蔡澤江等[56]通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著年限延長(zhǎng)施用化學(xué)氮肥會(huì)導(dǎo)致土壤pH 不斷降低，玉米和小麥產(chǎn)量也隨之不斷降低。Deng 等[57]通過(guò)3 年的尿素和控釋肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小麥和玉米分別在施N 150 和200 kg/hm2處理下產(chǎn)量達(dá)到最高，此后隨施氮量增加產(chǎn)量開(kāi)始下降，此外，每施N 1 kg，土壤pH 就下降0.0004～0.0012 個(gè)單位。這表明隨著施用化學(xué)氮肥的量和年限增加，作物在較高pH 下就會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)量降低的現(xiàn)象，提高作物的酸害閾值。

本研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)氮肥施用量與土壤pH 顯著負(fù)相關(guān)，與作物相對(duì)產(chǎn)量顯著正相關(guān)(表2)，這與前人研究結(jié)果相同。但在本研究中玉米作物的化學(xué)氮肥施用量與土壤pH 顯著正相關(guān)，其他3 種作物的化學(xué)氮肥施用量與土壤pH 相關(guān)性不顯著(表4)。銨態(tài)氮肥施入土壤后，發(fā)生硝化作用產(chǎn)生H+，造成土壤酸化，而以尿素為代表的酰胺基氮肥，施入土壤后首先會(huì)轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮消耗H+，再發(fā)生硝化作用產(chǎn)生H+[58-60]。數(shù)據(jù)整合分析顯示，在不同作物上化學(xué)氮肥對(duì)土壤pH 的影響表現(xiàn)不同，原因可能是土壤pH 不僅受到氮肥施用量的影響，氮肥品種也是其影響因素。因此，探究施用氮肥對(duì)土壤酸化的影響應(yīng)同時(shí)從施用量和肥料種類著手。

3.2.4 土壤活性鋁對(duì)作物酸害閾值的影響 研究表明，土壤酸化會(huì)導(dǎo)致土壤鋁活性的增加，而鋁的生物毒性是造成作物減產(chǎn)的主要原因[61]。本研究顯示，有效磷與交換性鋁沒(méi)有顯著相關(guān)性(表2)，也有研究發(fā)現(xiàn)，土壤中活性鋁結(jié)合磷酸根離子形成植物難利用的磷酸鋁化合物，降低了土壤磷的有效性[62]，同時(shí)也降低了土壤活性鋁的含量。這表明磷雖然可以與活性鋁結(jié)合，降低鋁活性，但其可能并不是降低鋁活性的最重要因素，也可能有其他因素的影響。本研究顯示，有機(jī)質(zhì)與交換性鋁相關(guān)性也不顯著(表2)，然而許多研究結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的有機(jī)酸、酚等化合物能與鋁形成穩(wěn)定的復(fù)合體降低土壤中的活性鋁含量，而與有機(jī)物復(fù)合的鋁對(duì)植物生長(zhǎng)基本沒(méi)有生物毒性，因此能顯著減輕鋁對(duì)作物的毒害[63]。這表明土壤活性鋁的含量可能受到pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷等多種因素的共同影響，在這些因素驅(qū)動(dòng)下，土壤活性鋁會(huì)轉(zhuǎn)變成其他鋁形態(tài)存在于土壤中。因此，緩解土壤酸化，降低作物產(chǎn)量損失，應(yīng)從研究土壤鋁形態(tài)轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動(dòng)因素，降低鋁生物毒性入手。

4 結(jié)論

土壤pH 是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一，玉米、大豆、小麥和水稻產(chǎn)量95%的酸害閾值分別為5.87、5.34、5.32、4.21，作物酸害閾值受到土壤酸性指標(biāo)(交換性酸、交換性鋁、交換性鈣和鈣鋁比)和土壤肥力指標(biāo)(有機(jī)質(zhì)、有效磷)及化學(xué)氮肥施用量的共同影響。

在pH 未達(dá)到酸害的土壤中，提高土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量，適當(dāng)增加氮肥用量可以保證較高的作物產(chǎn)量。隨著土壤酸化加劇，需要提高土壤pH，降低鋁活性，才能保證較高的作物產(chǎn)量。