长期施用有机肥对减缓菜田耕层土壤酸化的影响

2020-11-23毛妍婷刘宏斌陈安强杜彩艳郭树芳雷宝坤

生态环境学报 2020年9期

毛妍婷，刘宏斌，陈安强，杜彩艳，郭树芳，雷宝坤*

1.云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南昆明 650205；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081

酸沉降、过量施氮、农产品和秸秆的移除等因素导致高投入、高产出、集约化的现代农业生产中土壤酸化问题频频发生（Guo et al.，2010），土壤酸化问题（李学垣，2001）已经成为中国农田和设施土壤迫切需要解决的关键性科学问题之一。长期不同施肥措施与耕层土壤pH值间具有紧密关系，长期单施氮肥或不合理的氮肥配施导致土壤pH下降明显，连年大量施用氮肥也是加剧土壤酸化的重要诱因。长期化肥有机肥配施可减缓因氮素转化过程产生的H+导致的土壤酸化问题（曾沐梵，2017；蔡泽江，2019）。农产品移除和有机肥投入对于农田土壤酸化是互逆的两个过程，长期有机肥投入可弥补农产品移除引起的土壤盐基矿物损失，因而有机物料常作为土壤肥力提升和酸化防治的材料，在农业生产中得到普遍应用（徐仁扣，2015）。

中国有机物料的种类较多，其碱度和减缓土壤酸化的范围各不相同，其大小顺序为：高温堆肥≈厩肥＞普通堆肥≈新鲜粪便≈绿肥≈豆科秸秆＞谷物秸秆。施用碱度较高的有机肥（如高温堆肥或厩肥）可有效控制农田土壤酸化，并可节约肥料成本，提高有机肥的资源利用率（孟红旗等，2012）。由于中国幅员辽阔、气候差异大、土壤类型多样、土地利用方式及施肥措施的不同使得研究结果差异较大。目前对土壤酸化的研究多采用数学建模、室内模拟试验、中短期田间试验（金修宽，2018），而缺乏对露天菜田土壤酸化问题的动态监测及演变规律研究。因此，通过长期定位试验研究明确不同施肥措施对云南大理露天菜田耕层土壤酸化的影响，制定适宜的施肥管理措施对防治、减缓农田土壤酸化具有重要的理论指导和实际意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验点位于云南省大理州下关市大庄村，距离洱海 500 m，距苍山脚底 3 km，100°12′14.3ʺE，25°9′45Nʺ，海拔 1980 m。气候类型为亚热带高原性季风气候区，年均气温 13—20 ℃，年均降水量1100 mm。土壤类型为水稻土，亚类为冲积土，土属为湖积冲积土。0—20 cm 土壤有机质质量分数38.4 g·kg-1、全氮 2.3 g·kg-1、全磷 1.5 g·kg-1、全钾20.05 g·kg-1，pH 值 5.6，土壤容重 0.98 g·cm-3。轮作模式为甘蓝-青菜-莴笋。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，15个小区，共设5种处理，3次重复，小区面积为4 m×6 m=24 m2。设置5种处理分别为：不施肥（CK）、有机肥（M）、推荐施肥（R）、增施氮肥（R+N）、增施磷肥（R+P），供试肥料（N-P2O5-K2O）具体见（表1）：有机肥为牛粪（N 质量分数 16 g·kg-1，P2O529 g·kg-1，K2O 21 g·kg-1，含水率为 75%，ω(C)/ω(N)为 21.5；氮肥为尿素（46%），磷肥为普通过磷酸钙（P2O5≥16%），钾肥为硫酸钾（K2O≥50%），各小区以有机肥作为基肥，化肥施用量的20%氮肥、全部磷肥、60%钾肥作为基肥，40%氮肥作为苗肥，剩余的40%氮肥与40%钾肥作为旺长肥。

1.3 样品采集与分析

土壤样品采集：在小区建成时取样，每次试验结束后采用5点法采集0—20 cm耕层土壤样品，一式两份分装：一份用作冷冻保存，另一份作风干处理。

土壤酸碱度（pH）：称取风干磨细过20目筛土壤样品10.0 g于100 mL烧杯中，以水土比2.5:1浸提，放置磁力搅拌器上搅拌1 h后静置约30 min，用pH计测定。

土壤电导率（EC）：水土比5:1，电导率仪测定法。

土壤NO3--N、NH4+-N测定：新鲜土样称取10 g（精确到 0.01 g），用 1 mol·L-1NaCl溶液浸提过滤后，采用AA3连续流动注射分析仪测定NO3--N、NH4+-N含量。

土壤有机质：采用H2SO4-K2Cr2O7外加热氧化法。以上方法按照《土壤农化分析》第3版测定（鲍士旦，2007）。

1.4 数据处理

pH年均变化率=(pH终值-pH初值)/施肥年份（金修宽，2018）。冗余分析（RDA）用于揭示主要环境因子对土壤酸化影响的解释度，数据方差分析使用 SPSS18在P=0.05水平下进行显著性检验（Tukey法），Canoco 5软件用于RDA分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对菜田土壤pH年际变化的影响

通过长期定位试验观测，与最初土壤的pH相比（图 1），10年后不同处理都出现了不同程度土壤酸化的现象，且2016年土壤pH达到最小值。不同处理土壤pH值在年际间变化较大且呈现出两类变化趋势。不施肥处理（CK）与长期施用有机肥（M）的处理变化类似，其他3种处理（R、R+N、R+P）变化相似。由图1可以看出，长期施用有机肥（M）的处理在3—5 a间土壤pH明显提升，之后pH降低。不施肥处理（CK）土壤pH值在3—5 a间与长期施用有机肥（M）处理相比提升幅度小，但总体变化趋势一致。而优化施肥（R），增施氮肥（R+N）和增施磷肥的处理（R+P）在施用3—5 a间土壤pH值出现明显降低，之后土壤酸化幅度逐渐减弱。

图1 不同处理耕层土壤pH的年际变化Fig.1 Interannual variation of soil pH among different treatments in plough layer

表1 处理描述Table 1 The description of treatment

2.2 不同处理对菜田土壤pH年均变化率的影响

定位试验结果表明（表2），不同处理10年后pH终值都有不同程度的降低，pH值年均变化率下降范围为0.06—0.11。不施肥处理（CK）和长期施用有机肥（M）处理的pH值变化量均下降0.6。而优化施肥（R）、增施氮肥（R+N）和增施磷肥（R+P）处理的土壤pH变化量分别为0.8、1.1、0.9，与不施肥处理（CK）和长期施用有机肥（M）处理相比pH终值、pH变化量、pH年均变化率均显著降低(P＜0.05)，说明CK和M处理对土壤的pH值下降有一定的缓冲作用。值得注意的是与其他处理相比较，不施肥处理（CK）和施用有机肥（M）处理的pH值下降趋势缓慢。

表2 不同处理土壤pH年均变化Table 2 Annual change of soil pH under different treatments

2.3 不同处理对菜田土壤pH和EC的影响

处理CK、M、R、R+N、R+P所对应的施氮量分别为0、104、396、584、396 kg·hm-2；所对应的pH分别为5.8、6.0、5.2、5.1和5.1。10年后，随着施氮量增加pH出现下降趋势。与CK相比，除M处理pH升高0.2个单位外，R、R+N、R+P处理的pH均值分别下降了0.6、0.7和0.7个单位，且差异呈现显著水平（P＜0.05）（图 2）。土壤电导率（EC）是评价土壤盐渍化程度高低的重要指标之一，高电导率会影响作物的正常生长发育，通常土壤酸化和电导率提高现象相伴而生。图3处理CK、M、R、R+N、R+P所对应的电导率分别为0.10、0.08、0.15、0.17、0.14 mS·cm-1，随着施氮量增加 EC 出现上升趋势。与CK相比，除M处理EC降低0.02 mS·cm-1外，R、R+N、R+P处理的EC均值分别上升了0.05、0.07和0.04 mS·cm-1，且处理间差异达到显著性水平（P＜0.05）。可以看出不同处理土壤电导率与土壤pH呈现出相反的变化趋势（图2、3）。

图2 10年后不同处理土壤pH值Fig.2 Soil pH of different treatments after ten years

图3 10年后不同处理土壤EC值Fig.3 Soil EC of different treatments after ten years

2.4 不同处理对菜田土壤耕层硝态氮的影响

10年后不同处理土壤耕层NO3--N的含量都有不同程度的累积现象（图4），土壤耕层NO3--N含量的年际变化较大且呈现出两类变化趋势。CK与M处理的变化趋势较为平缓，其他3种处理（R、R+N、R+P）的变化趋势相似，在第4年和第9年（2011、2016年）分别出现了土壤耕层NO3--N含量的两个峰值。处理CK、M、R、R+N、R+P所对应的耕层NO3--N平均值含量分别为134.36、274.57、347.86、411.42、364.71 kg·hm-2。R+N 的 NO3--N累计量最高，达到411.42 kg·hm-2；除CK外，处理M的NO3--N累计量最低，仅为274.57 kg·hm-2，且CK、M 和 R 等 3个处理间差异达到显著性水平（P＜0.05），但R、R+N、R+P处理间差异不显著。可以看出随施氮量的增加，土壤耕层NO3--N的含量累计增加（图5）。

图4 不同处理土壤耕层NO3--N年际变化Fig.4 Interannual variation of NO3--N among different treatments in plough

图5 10年后不同处理土壤耕层NO3--N含量Fig.5 NO3--N of plough layer among different treatments after ten years

2.5 不同处理对菜田土壤耕层铵态氮的影响

图6 不同处理土壤耕层NH4+-N年际变化Fig.6 Interannual variation of NH4+-N among different treatments in plough layer

10年后不同处理土壤耕层NH4+-N的含量都有不同程度的累积现象（图6），土壤耕层NH4+-N含量的年际变化较大且呈现出两类变化趋势。CK与M处理的变化趋势较为平缓，其他3种处理（R、R+N、R+P）的变化趋势相似，在第4年（2011）分别出现了土壤耕层NH4+-N含量的峰值。之后处理R、R+N呈现下降趋势，而处理R+P出现上升趋势。处理 CK、M、R、R+N、R+P所对应的耕层NH4+-N 平均值含量分别为 11.60、14.71、38.53、42.26、38.22 kg·hm-2。R+N 的 NH4+-N累计量最高，达到42.26 kg·hm-2；除CK外，处理M的NH4+-N累计量最低，仅为14.71 kg·hm-2，且CK和M与R 3个处理间差异达到显著性水平（P＜0.05），但R、R+N、R+P处理间差异不显著。可以看出随施氮量的增加，土壤耕层NH4+-N的含量累计增加（图7）。

2.6 不同处理对菜田土壤耕层有机质的影响

图7 10年后不同处理土壤耕层NH4+-N含量Fig.7 NH4+-N of plough layer among different treatments after ten years

10年间不同处理土壤耕层有机质含量的年际变化较大且呈现出两类变化趋势（图8）。与10年前相比，M与R处理的有机质平均值有所提高，其他3种处理CK、R+N、R+P有机质平均值呈现下降趋势，M与R处理分别在第4年、第5年（2011、2012年）出现了土壤耕层有机质含量的峰值。处理CK、M、R、R+N、R+P所对应的耕层有机质平均值含量分别为 61419、88913、68403、71035、78329 kg·hm-2。处理 M 的耕层有机质含量最高，达到88913 kg·hm-2；除CK外，处理R的耕层有机质含量最低为68403 kg·hm-2，且CK、M和R 3个处理间差异达到显著性水平（P＜0.05），但 R、R+N、R+P处理间差异不显著。可以看出随有机肥投入的增加，土壤耕层有机质的含量累计增加（图9）。

图8 不同处理土壤耕层有机质年际变化Fig.8 Interannual variation of organic matter among different treatments in plough layer

图9 10年后不同处理土壤耕层有机质含量Fig.9 Organic matter of plough layer among different treatments after ten years

2.7 不同处理土壤的C、N质量分数变化

通过试验起始2008年和试验结束2017年各处理土壤C、N质量分数变化的对比（表3），由于高ω(C)/ω(N)有机物料（ω(C)/ω(N)牛粪=21.5）的投入，可看出有机质提高、全氮增加的处理有：M；有机质减少、全氮增加的处理有：R+N；有机质增加、全氮减少的处理有：R；有机质减少、全氮减少的处理有：CK、R+P。2008—2017年ω(C)/ω(N)的范围由 6.9—10.0变为 8.5—9.2，ω(C)/ω(N)显著增加（P＜0.05）的处理有CK、M、R，其ω(C)/ω(N)上升的范围是 0.7—1.6；ω(C)/ω(N)显著减少（P＜0.05）的处理有R+N、R+P，ω(C)/ω(N)下降的范围是0.5—1.3。

2.8 环境因子与土壤酸化指标的关系

选取 2008—2017年影响耕层土壤酸化的环境因子数据进行冗余分析（RDA）。冗余分析是一种基于排序技术的线性分析方法，能够从统计学角度评价一个或一组变量与另一组多变量数据之间的关系，其优势在于能够独立保持各个环境变量因子对土壤酸化的贡献率，能有效地对多个解释变量进行统计检验（蔡春晓等，2014），其二维排序图直观地展现了土壤酸化指标土壤酸碱度（pH）、土壤电导率（EC）与环境变量构成之间的关系。因此本研究采用冗余分析法来研究环境影响因子与土壤酸化指标（pH、EC）的关系。

对2种土壤酸化指标及4个环境因子进行典范对应分析（CCA），结果中第一轴变化率（Lengths of gradient）均小于3.0，适合进行RDA分析。Monte Carlo置换检验所有排序轴均达到显著水平（P＜0.05），说明排序效果理想。表明排序轴与环境因子间线性结合的程度较好地反映了处理与环境之间的关系。由表4可知，轴1、轴2、轴3、轴4的特征值分别为0.8656、0.0009、0.1269、0.0066，环境因子轴与处理排序轴间的相关系数为0.9360、0.2693、0、0，所选择的4个环境因子（施氮量、耕层硝态氮、铵态氮和土壤有机质的含量）共解释了 100%的处理变化信息。前两轴累计解释了86.65%的处理变化信息和 100%的处理与环境因子变化关系信息。利用向前引入法对环境因子进行逐步筛选，结果显示施氮量和耕层有机质是影响土壤酸化的显著环境因子（P＜0.05），其他环境因子耕层硝态氮、铵态氮的含量影响不显著（P＞0.05）。

表3 不同处理土壤的C、N质量分数变化Table 3 Change of soil C and N in different treatment

表4 不同处理RDA 分析的统计特征Table 4 Statistical characteristics of RDA analysis with different treatments

不同处理的施氮量、耕层有机质含量主要在轴1、轴2（图10）影响了土壤酸化指标EC和pH的分布。施氮量与EC呈正相关而与pH呈负相关，有机质与pH呈正相关而与EC呈负相关。施氮量对不同处理pH的影响表现为：施氮量较高的3个处理（R、R+N、R+P）与pH和有机质呈负相关；施氮量较低的两个处理（CK、M）与pH和有机质呈正相关。根据RDA效应（effects）重分析，在选择的4个环境因子共同作用下，施氮量对处理土壤酸化的解释度是72.2%，有机质含量对处理土壤酸化的解释度是10.8%，可以看出施氮量是影响耕层土壤酸化的主导环境因子，其他因子对土壤酸化的作用不显著（P＞0.05）。

图10 不同处理土壤酸化指标与环境因子的RDA分析Fig.10 RDA analysis between soil acidification indexes and environmental factors of different treatments

3 讨论

3.1 不同施氮措施对土壤酸化的影响

土壤pH因人为因素引起的变化主要由外源H+积累、盐基阳离子的损失和土壤缓冲能力三方面共同决定。一方面在过量施氮条件下，氮肥利用率降低，造成土壤氮素累积，NH4+-N硝化和NO3--N淋洗导致H+在土壤表层积累。另外，盐基离子易伴随NO3-淋失，进而直接或间接影响土壤 pH。蔬菜收获后，大量盐基离子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）被带走（Hao et al.，2019），造成作物对阴阳离子吸收不均衡。为了平衡负电荷，土壤胶体表面吸附大量H+和 Al3+从而加速了土壤酸化（Juliane et al.，2000）。本试验结果表明10年后，施氮量较高的处理（R+N）土壤pH随施肥年限延长而显著下降，pH年均变化率为-0.11。与CK相比，pH下降了0.7个单位，EC上升了0.07 mS·cm-1。其结果与文方芳（2016）、范庆锋等（2009）报道的一致。再者，碱度较高的有机物料如有机肥不仅能提高土壤肥力，还能释放碱性物质中和土壤酸度，增强土壤缓冲酸化的能力，提高土壤pH值（蔡泽江等，2012；Cai et al.，2014）。长期施用有机肥对土壤 pH 具有良好的缓冲作用，试验结果表明M处理pH年均变化率为-0.06。十年后与CK相比，pH提升0.2个单位，而其他处理pH分别下降了0.6—0.7个单位。汪吉东等（2012）和张永春等（2010）研究表明长期施用、增施有机肥能增强土壤酸碱缓冲性能，降低土壤中交换性H+、Al3+含量，缓解土壤酸化进程。同时有机肥中碱性物质的输入也可以弥补作物收获后土壤阳离子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）的亏损，减少土壤对H+的吸附。Shi et al（2019）发现长期施用有机肥后，土壤有机物弱酸性官能团解离的阴离子形成中性分子（羧基质子化）是提高pH缓冲能力的主要机制，羧基质子化导致土壤有效阳离子交换能力下降，盐基阳离子增加，土壤抗酸化能力增强。

一般认为土壤ω(C)/ω(N)保持在10—12属于较合理的范围（雷宝坤等，2017）。通过10年不同的施肥措施管理发现，所有处理菜田土壤的ω(C)/ω(N)均小于 10，说明氮的矿化速率大于矿质氮的生物固持速率，表现为净硝化作用，产生 H+从而降低土壤pH。从ω(C)/ω(N)的变化情况来看可以分成两种情况，一种是ω(C)/ω(N)显著降低的处理（R+N、R+P）；另一种是ω(C)/ω(N)显著升高的处理（CK、M、R）。ω(C)/ω(N)升高的处理比ω(C)/ω(N)下降的处理pH下降程度慢，即ω(C)/ω(N)升高，有利于减缓耕层土壤酸化。虽然处理（CK、M、R）的ω(C)/ω(N)都升高，但三者存在明显的差别。这是因为M、R处理施用了ω(C)/ω(N)含量较高的牛粪（ω(C)/ω(N)牛粪=21.5）增加了土壤有机质含量，减缓了土壤酸化（Cai et al.，2014）；CK处理因未施入氮肥，10年后土壤中有机碳和全氮随作物收获含量均减少，ω(C)/ω(N)升高；而处理R+N、R+P则减少了土壤有机质含量，导致ω(C)/ω(N)下降。有机肥与化肥配施可以提高土壤ω(C)/ω(N)，有效缓解土壤酸化（雷宝坤等，2014；汪吉东等，2007）。然而本试验处理R的ω(C)/ω(N)变化显著升高，缓解pH降低的效果却不显著，这可能与有机肥投入的比例有关，有机肥氮的含量仅占总氮含量的4%—5%，不足以中和化肥氮硝化释放的H+。有研究表明维持土壤不酸化的有机肥替代化肥氮的比例随施氮量增加而增大（蔡泽江，2019）。

3.2 不同施氮措施对耕层硝态氮、铵态氮、有机质含量的影响

氮肥施用量决定NH4+-N与NO3--N之间的积累与转化（张学军等，2007）。当氮肥施用量增加时，土壤中NH4+-N与NO3--N含量均显著增加，处理R、R+N、R+P的NO3--N累积量是CK处理的2.59—3.06倍，M处理的1.27—1.50倍；其NH4+-N的累积量是CK处理的3.30—3.64倍，M处理的2.60—2.87倍。相关研究表明不同施氮量下0—20 cm耕层土壤硝态氮含量与其他土层相比，处于最高水平（金修宽，2018）。10年试验结果表明耕层土壤中各处理NO3--N含量是NH4+-N含量的9—19倍。有机肥的投入不仅能弥补收获物和秸秆移除损失的土壤碱性物质，同时还能提高土壤肥力，增加土壤有机质的含量（宁川川，2016）。M 处理有机质分别是CK、R、R+N、R+P处理的1.45、1.30、1.25、1.14倍。试验结果表明随施氮量的增加，土壤耕层NO3--N、NH4+-N的含量累计增加，而耕层有机质却是随有机肥投入的增加而增加，随化肥氮投入的增加而减少。