2024, Vol. 61
表1(Table 1)
2. 湖南省土壤肥料研究所, 长沙 410125;
3. 农业部湖南耕地保育科学观测实验站, 长沙 410125;
4. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081
2. Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, China;
3. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation(Hunan), Ministry of Agriculture, Changsha 410125, China;
4. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
土壤酸化是一个缓慢的自然过程，随着城市化和工业化进程的不断推进，土壤酸化进程加剧。在农田生态系统中，化学氮肥的不合理施用是导致农田土壤酸化的重要诱因。由农田土壤酸化引发的土壤质量下降、重金属毒害等问题使作物产量和品质降低[1]，严重威胁农业生产的可持续性。目前，农田土壤酸化问题已经成为环境和土壤研究领域共同关注的热点之一。红壤性水稻土是我国重要的耕作土壤资源，在我国中南地区广泛分布，该地区农业复种指数高、土壤干湿交替频繁、施肥量大，而长期耕作和施肥加速红壤性水稻土酸化，土壤酸化问题日益突出[2]，已成为限制水稻产量的重要因素[3]。因此，防止土壤酸化是保障粮食安全和土壤资源可持续利用的必要措施。
稻田冬季种植绿肥并在绿肥盛花期翻压还田是我国南方稻田绿肥生产利用的典型模式，已有大量研究表明种植翻压绿肥能够促进主作物生长、改善土壤性状[4-5]。绿肥还田可提高土壤有机质含量和酸碱缓冲能力，有利于阻控土壤酸化[6]。此外，亦有研究表明[7]，稻草秸秆还田可通过有机阴离子的脱羧基化作用短期内提高酸性水稻土的土壤pH，同时可补充土壤盐基离子，提高阳离子交换量，从而有利于缓解土壤酸化，提高水稻产量。刘琼峰等[8]研究认为施用生石灰粉类改良剂对于酸性水稻土改良也具有较好的应用效果，但朱经伟等[9]发现以单一石灰等改良剂为主的酸性土壤改良技术，较难保证改良效果的稳定持续性，长期施用还会引起土壤泛酸化，而多物料组合，如施用石灰并结合种植绿肥能表现出良好的互补性，具有改良酸性土壤的效果[10]。廖萍[11]研究表明秸秆还田配施石灰能够协同实现双季稻增产、土壤肥力提升与酸化改良。此外，在酸性土壤中进行绿肥翻压和秸秆还田时，配施适量石灰，还能中和有机物料分解过程产生的有机酸，促进绿肥和秸秆的腐解[12]。邓小华等[10]研究表明石灰、绿肥、生物有机肥三者配合施用可修复酸性土壤，进而实现烟草的提质增效。因此，前作种植绿肥的基础上增施土壤调理剂和配方肥等，是一种良好的集成调酸控酸、培肥改良土壤的综合治理模式[7]。
目前国内外关于石灰改良酸性土壤的研究已较多，但关于绿肥、秸秆还田和石灰联合施用缓解水稻土酸化的效果及机制鲜有报道。本研究依托多年定位微区试验，综合比较紫云英绿肥、秸秆还田和石灰联合施用对双季稻产量、土壤交换性酸、交换性盐基离子和土壤酸碱缓冲能力的影响，进一步分析土壤酸碱缓冲容量、土壤酸度特征与水稻产量的关系，探究绿肥、秸秆还田和石灰联合利用缓解红壤性水稻土酸化的效果和机制，为南方稻田红壤酸化的可持续性改良和治理提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况本研究基于2016年于湖南省土壤肥料研究所网室（28°11′51N，113°05′4E）开始的微区定位试验开展。每个试验池（面积为1.34 m×1.69 m=2.25 m2）为一个小区，试验池四面用水泥严格密封。试验土壤为第四纪红色黏土发育的红黄泥。试验开展前土壤的初始性质[13]为：pH 6.30，全氮1.90 g·kg–1，速效钾111.00 mg·kg–1，有效磷31.3 mg·kg–1，有机质31.50 g·kg–1。
1.2 试验设计本试验共设置4个处理，3次重复，随机区组排列：（1）不施肥（CK）；（2）化肥（F）；（3）化肥+紫云英+稻草（GRF）；（4）化肥+紫云英+稻草+石灰（GRFL）。每季紫云英翻压前施用石灰900 kg·hm–2；除CK外的所有处理均施化肥，各处理N、P和K肥分别用尿素、钙镁磷肥和氯化钾。早、晚稻的氮肥（N）用量分别为150 kg·hm–2和180 kg·hm–2；磷肥（P2O5）用量分别为45 kg·hm–2和75 kg·hm–2；钾肥（K2O）用量分别为90 kg·hm–2和120 kg·hm–2。氮肥分两次施用于移栽前（70%）和分蘖盛期（30%）；磷全部做基肥施用；钾肥分两次施用于移栽前（50%）和分蘖盛期（50%）。基肥于插秧前一天施入，并立即用铁齿耙耖入表土下5 cm深度。试验采用紫云英-早稻-晚稻种植制度，早稻供试品种为湘早籼32号，晚稻为深优9586；供试紫云英品种为湘紫1号。紫云英于每年10月中旬播种，播种量为37.5 kg·hm–2，紫云英在水稻移栽前15 d内翻压还田，早晚稻收获后，稻草还田量取三个重复的均值，均匀抛撒。其他管理措施与当地管理保持一致。
1.3 样品采集与分析每年（2016-2022年）早、晚稻收获时，按小区单收单晒稻谷，分别称重测产。每年早、晚稻收获后，取耕层（0~20 cm）土样，按照五点取样法在每小区随机取五钻混合为1个复合土样，混匀，并去除石块和根茬等杂物，置于干燥通风处自然风干后研磨过20和100目筛备用。
土壤测定指标包括土壤pH（电位法，水土比5∶1）、土壤交换性酸、交换性H+和交换性Al3+（KCl交换-中和滴定法）等。火焰分光光度法测定土壤交换性K+、Na+，ICP-MS（电感耦合等离子体质谱仪）测定土壤交换性Ca2+、Mg2+含量，交换性盐基离子为K+、Ca2+、Na+、Mg2+之和。土壤有机质（SOM，重铬酸钾氧化法）、全氮（TN，凯氏定氮法）、全磷（TP，NaOH熔融-钼蓝比色法）、全钾（TK，NaOH熔融-火焰光度计法）、有效磷（AP，NaHCO3浸提-钼锑抗比色法）、速效钾（AK，NH4OAC浸提-火焰光度计法）的具体分析方法及操作步骤参考《土壤农业化学分析方法》[14]和《土壤农化分析》[15]。
土壤酸碱缓冲容量的测定原理为通过向土壤中加入不同量的外源酸和碱并测定平衡后土壤悬液的pH，计算得到单位pH变化土壤所需酸/碱的量[16]。
1.4 数据统计与分析利用Microsoft Excel 2010和Origin 2023进行试验基础数据处理和作图，用SPSS 26.0对试验数据进行方差分析和显著性检验，处理间差异采用邓肯（Duncan）多重比较方法，显著性水平为0.05。
2 结果 2.1 不同施肥处理对水稻产量的影响由图 1可知，在早稻季，随着年份的延长，所有处理产量均呈现逐渐降低的趋势，GRFL处理的水稻产量一直保持最高水平，并表现为：GRFL > GRF > F > CK。在晚稻季，与F处理相比，2021年、2022年GRF和GRFL处理显著提高了产量（P < 0.05）。2022年F、GRF和GRFL处理的产量与2016年相比，分别提高13.5%、24.1%和20.2%。与F处理相比，GRF处理早、晚稻产量分别提高了19.9%和5.1%，GRFL处理早、晚稻产量提高了23.4%和14.2%。
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注：CK：不施肥；F：化肥；GRF：化肥+紫云英+稻草；GRFL：化肥+紫云英+稻草+石灰，*表示各处理与F处理间差异有统计学意义（P < 0.05），* *表示各处理与F处理间差异有统计学意义（P < 0.01），ns表示各处理与F处理间差异无统计学意义。下同。 Notes：CK：No fertilizer treatment；F：chemical fertilizer application with no amendment addition；GRF：chemical fertilizer + milk vetch + rice straw return；GRFL：chemical fertilizer + milk vetch + straw return. * means the significant differences（P < 0.05）of each treatment，* * means the significant differences（P < 0.01）of each treatment，when compared to F-treated；ns，not significantly different with F-treated. The same below. 图 1 不同施肥处理下2016-2022年早、晚稻水稻产量及7年平均产量 Fig. 1 Grain yield and 7-year average yields of early and late rice under different fertilization treatments from 2016 to 2022 |
CK、F、GRF和GRFL处理的历年早稻平均产量为2 697、4 769、5 380和5 297 kg·hm–2，历年晚稻平均产量为4 034、6 097、6 457和6641 kg·hm–2。总体而言，2016-2022年连续7年GRF和GRFL处理的早、晚稻平均产量均高于F处理，早稻达显著性水平（P < 0.05），GRF的早、晚稻平均增产率分别为19.9%和5.1%，GRFL处理的早、晚稻平均增产率分别为11.1%和8.9%。试验结果表明化肥+绿肥+稻草是维持红壤性稻田持续高产的有效途径，增施石灰可进一步增强其效果。
2.2 不同施肥处理对土壤有机质的影响在早稻季，与CK处理相比（图 2），F、GRF和GRFL处理均不同程度地提高了土壤有机质含量，其中GRF和GRFL处理达到显著水平（P < 0.05）。在晚稻季，与CK处理相比，F、GRF和GRFL处理的土壤有机质含量有提高的趋势，但差异均未达显著水平（P > 0.05）。三个处理下早、晚稻土壤有机质含量均呈现出GRFL > GRF > F > CK的趋势。上述结果表明，化肥（F）、化肥+绿肥+稻草（GRF）、化肥+绿肥+稻草+石灰（GRFL）处理均有利于提高双季稻田土壤有机质含量，化肥+绿肥+稻草+石灰（GRFL）处理的提升效果最为明显。
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注：图中字母不同表示相同稻季不同处理间数据差异显著（P < 0.05）。 Note：Different letters in this figure indicate significant differences among different treatments of the same rice season at P < 0.05. 图 2 不同施肥处理下2022年土壤有机质含量 Fig. 2 Soil organic matter under different fertilization treatments in 2022 |
整体上，随着试验年限的增加，不同处理pH所呈现的变化趋势基本一致（图 3），早、晚稻土壤pH除GRFL处理，均呈逐年下降的变化趋势，表明土壤发生了进一步酸化，仅施化肥（F）处理早稻土壤pH的7年酸化速率为每年0.09个pH单位、晚稻土壤pH的酸化速率为每年0.14个pH单位，而GRFL处理呈先上升后下降的变化趋势，下降幅度最小，且一直处于较高水平。与仅施化肥（F）相比，GRF处理早、晚稻土壤pH分别增加0.23和0.14个单位，GRFL处理早、晚稻土壤pH分别增加0.64和0.63个单位。表明化肥+绿肥+稻草+石灰（GRFL）处理有效提高了土壤pH。
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图 3 不同施肥处理下2016-2022年土壤pH变化趋势 Fig. 3 Trends in soil pH from 2016 to 2022 under different fertilization treatments |
土壤交换性酸由交换性H+和交换性Al3+含量的总和表示。由表 1可知，相比CK对照，F、GRF和GRFL处理均不同程度地降低了2022年早、晚稻收获期土壤的交换性H+、交换性Al3+含量及交换性酸含量，各指标均表现出GRFL < GRF < F < CK的趋势。与CK相比，GRFL处理显著降低了早稻成熟期土壤交换性Al3+含量、交换性H+和交换性酸含量；与F相比，GRF处理的早、晚稻土壤交换性H+、交换性Al3+含量及交换性酸含量无显著变化。
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表 1 不同施肥处理下2022年交换性H+、Al3+含量及交换性酸 Table 1 exchangeable H+ and Al3+ concentration and exchangeable acid under different fertilization treatments in 2022/(cmol·kg–1) |
土壤交换性盐基总量由交换性K+、Ca2+、Na+、Mg2+构成。与CK相比，各处理均提高了土壤交换性K+、Ca2+、Na+、Mg2+及交换性盐基总量（表 2）。在早稻收获期土壤中，相比单施化肥（F处理），GRF和GRFL处理显著提高了交换性K+含量，而土壤交换性Ca2+、Na+、Mg2+及交换性盐基总量有增加的趋势，但差异未达显著水平。在晚稻收获期，相比F处理，GRFL处理显著提高了土壤交换性K+、Ca2+含量，交换性盐基总量显著（P < 0.05）增加30.4%。相比F处理，GRF处理显著增加了晚稻收获期土壤交换性K+含量，土壤交换性盐基总量有增加的趋势，但差异未达到显著水平。表明化肥+化肥+绿肥+稻草、化肥+绿肥+稻草+石灰联合利用能不同程度地提高土壤交换性钾、钙、钠、镁离子和交换性盐基总量，化肥+绿肥+稻草+石灰联合利用的效果优于化肥+绿肥+稻草还田。
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表 2 不同施肥处理下2022年土壤交换性钾、钙、钠、镁离子和交换性盐基总量 Table 2 Soil exchangeable cations and total base-exchangeable ions under different fertilization treatments in 2022/(cmol·kg–1) |
土壤酸碱缓冲容量指单位土壤改变一个单位pH所需要的酸碱量，是决定土壤酸化速率的关键因素，酸碱缓冲容量越高，土壤抗酸化能力越强，能够有效减缓土壤酸化过程[17]。图 4为早、晚稻土壤酸碱滴定曲线，各处理整体均为倒“S”型曲线。由表 3可知，土壤pH变化与外源添加量呈正相关，相关系数为0.92~0.99。早、晚稻收获期土壤酸碱缓冲容量均表现为：GRFL > GRF > F > CK。相比单施化肥（F）处理，GRF处理早、晚稻收获期土壤酸碱缓冲容量分别增加7.9%和6.8%，GRFL处理早、晚稻收获期土壤酸碱缓冲容量分别增加15.8%和26%。表明化肥+绿肥+稻草联合利用提高了土壤酸碱缓冲能力，在化肥+绿肥+稻草还田的基础上增施石灰可增强其效果。
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图 4 不同施肥处理下2022年土壤酸碱滴定曲线 Fig. 4 Soil acid buffer curve under different fertilization treatments in 2022 |
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表 3 不同施肥处理下2022年土壤酸碱缓冲容量变化 Table 3 Soil acid buffering capacities under different fertilization treatments in 2022 |
结合土壤酸度、养分含量和交换性能等进行相关分析（图 5）表明，酸碱缓冲容量与pH、交换性H+、交换性Na+和交换性Mg2+呈极显著正相关（P < 0.01）；pH与酸碱缓冲容量、交换性酸和交换性H+呈极显著负相关（P < 0.01），与交换性Na+、交换性Mg2+、交换性盐基离子总量呈极显著正相关（P < 0.01）；交换性酸与交换性H+和交换性Al3+呈极显著正相关（P < 0.01），与pH、交换性Ca2+和交换性盐基离子总量呈极显著负相关（P < 0.01），与酸碱缓冲容量、交换性Na+、交换性Mg2+呈显著负相关（P < 0.05）；有机质与交换性K+呈极显著正相关（P < 0.01），与交换性盐基离子总量呈显著正相关（P < 0.05）。
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注：pHBC-酸碱缓冲能力；pH-土壤pH；Ex.Acid-交换性酸；Ex.H：交换性氢；Ex.Al：交换性铝；SOM：土壤有机质；Ex.K-交换性钾；Ex.Ca交换性钙；Ex.Na-交换性钠；Ex.Mg-交换性镁；Ex.Base-交换性盐基离子总量；Yield：产量。 Note：pHBC-Acid buffer curves；pH-soil pH；Ex.Acid- Exchangeable acidity；Ex.H - Exchangeable H+；Ex.Al3+ - Exchangeable Al3+；SOM：soil organic matter；Ex.K - Exchangeable K+；Ex.Ca - Exchangeable Ca2+；Ex. Na - Exchangeable Na+；Exchangeable Mg2+；Ex.Base - Exchangeable base cations；Yield：Yield. * P < 0.05；** P < 0.01. 图 5 酸度指标与各影响因素的相关系数 Fig. 5 Correlation between acidity index and various influencing factors |
随着土壤酸化问题日益严重，人们越来越关注土壤酸化对水稻生长的影响。本研究结果表明，酸性红壤连续7年种植翻压绿肥联合秸秆还田，或在此基础上增施石灰，相比单施化肥可显著提高双季稻产量（图 1），这与以往相关研究结果[18-19]吻合，紫云英和稻草均为水田最直接的有机肥源，可更新和提高土壤有机质，改善土壤养分状况，对提高产量均有积极作用，此外，有研究表明，紫云英绿肥在水稻收获后，在土壤中的氮残留率为29.4%~33.2%，显著高于化肥氮的残留率（14.1%）。这表明绿肥在养分供应方面具有较强的后效性，因此可将紫云英还田作为增加晚稻产量的重要策略之一[20]。同时，土壤物理和生物学性质产生显著变化也是有机质和产量提高的重要原因，在此基础上增施石灰，可改良土壤理化性质，通过降低土壤的容重，增加土壤孔隙，提升土壤的团聚性，可改善土壤的结构。此外，这种方法还可增加真菌的多样性和土壤中有机碳的含量，提高土壤的生物活性和养分循环能力，从而改善作物的生长环境，并达到增产提质的目标；同时，通过降低土壤酸度，可有效减轻铝和其他重金属的毒害作用，同时补充钙和镁等养分，从而改善根系的生长环境。这种改善有助于促进根系的生长和营养吸收，进而提升植株的养分状况和整体生长状态，最终提高水稻的产量[21-23]。亦有研究表明石灰和油菜秸秆还田均显著促进了早稻高产的形成，且二者具有显著的互作效应[24]。本研究还发现，化肥+绿肥+秸秆+石灰联合施用可进一步增加晚稻产量（图 1）。这可能与土壤pH、土壤交换性盐基离子总量进一步增加有关[25-26]。
土壤有机质作为一种复杂的高分子芳香多聚化合物，含有大量的羧基、醇羟基、酚羟基等官能团，一方面增加了土壤负电荷点位，即阳离子交换量，另一方面对阳离子具有强吸附作用，增强了土壤对酸的缓冲能力[27]。本研究表明化肥+绿肥+秸秆还田+石灰联合利用可显著提高土壤有机质含量（图 2），这与罗玲等[28]、王娇等[29]得出的结论一致。
3.2 不同施肥处理对水稻土壤酸度特征的影响本研究发现长期施肥加快了红壤性水稻土酸化，而化肥+绿肥+秸秆还田联合利用能提高土壤pH，增施石灰能进一步提高土壤pH（图 3）。绿肥还田可显著提高土壤pH，主要是由于绿肥的羧基和酚羟基的有机酸可缓冲土壤酸度并导致酸性土壤pH升高[30]。但也有研究表明[31]，施用绿肥造成土壤pH下降，导致土壤酸化的可能原因包括尿素水解和硝化过程中产生的硝酸根离子，以及绿肥腐解过程中产生的有机酸。造成这种差异的原因可能是绿肥植物种类或者是翻埋时间的不同。有研究表明秸秆或紫云英还田结合施用石灰有利于土壤酸化的改善[32]，石灰类物质是改良酸性土壤常用的有效方法，它通过石灰自身的碱性中和表层土壤中的活性酸和潜性酸，提高土壤pH，并生成氢氧化物沉淀，迅速有效地降低酸性土壤的酸度，同时，石灰类物质与绿肥和秸秆配施可中和有机物料分解过程产生的有机酸，促进绿肥和秸秆的腐解过程[33-34]。但石灰易复酸，长期施石灰可能会导致土壤pH先上升后下降[23]，这与本研究结果（图 3）基本一致。
本研究结果显示化肥+绿肥+秸秆还田和化肥+绿肥+秸秆还田+石灰均可降低早、晚稻土壤交换性酸、交换性H+、交换性Al3+和土壤酸碱缓冲容量（表 1，表 3）。绿肥和秸秆等有机物料投入土壤后，有机物与土壤间的质子交换作用、有机物的氨化、去羧基作用以及矿化过程中大量的盐基阳离子被释放出来，与土壤胶体表面吸附的H+、Al3+等致酸阳离子发生交换反应，在增加土壤pH、降低交换性酸含量的同时提高盐基饱和度和土壤酸碱缓冲能力[35]。
单施有机肥、秸秆还田或单施石灰均可显著增加土壤阳离子交换量和交换性盐基离子总量[26，35]。本研究结果表示绿肥+秸秆还田和绿肥+秸秆还田+石灰均可提高土壤交换性盐基离子，但两种联合方式的交换性盐基离子均无显著性差异（表 2），无差异的原因一方面可能是施用钙镁磷肥和氯化钾给土壤带入了大量的钙元素和钾元素，从而显著提高了交换性Ca2+和K+的含量，这导致不同有机物料配施石灰处理之间对土壤交换性Ca2+和K+的调节作用差异减弱，另一方面秸秆中含有丰富的有机物质，当将秸秆添加至土壤中进行腐解时，会产生一定量的盐基离子。其中，Ca2+和Mg2+以氧化物或碳酸盐的形式存在于土壤中。这些离子的存在促使土壤胶体形成更多的交换点位，从而促进非交换性K+向交换态K+的平衡转移，增加土壤中交换性K+的含量，而在有机物料和石灰的作用下，土壤中的交换性Na+受到较小的影响。这可能是因为钠元素本身的交换能力较弱所致[36]。
3.3 酸碱缓冲容量对产量、土壤酸度、养分含量和交换性能的影响相关分析表明，土壤酸碱缓冲容量主要与交换性酸、交换性H+、交换性Na+和交换性Mg2+有关（图 5），由此可知，绿肥、秸秆和石灰联用主要通过降低交换性酸和交换性H+、提高交换性Na+和交换性Mg2+来减缓土壤酸化。酸碱缓冲容量、交换性酸、有机质及交换性能之间密切相关，通过提高有机质及交换性能，降低交换性酸含量从而提高酸碱缓冲容量，进而达到改良土壤酸化的目的[37]。
相关研究表明，酸性土壤上施用生石灰有利于提高土壤钙、镁含量和氮的有效性[38]。冬种紫云英可显著提高土壤全氮、有机质含量，同时，也可增加全磷、碱解氮和有效磷的含量，其原因是土壤碳氮具有耦合关系，伴随土壤有机质增加，土壤全氮和有效氮相应增加[20，39]。土壤有机质中的腐殖质具有较强的吸附性和阳离子交换性能，可增强土壤缓冲性能[40]，而土壤缓冲性能和pH是影响土壤养分有效性的重要因素之一，对有机物质的分解和养分的释放有促进作用[3]。此外，有研究[16]表明，土壤酸碱缓冲容量与有效磷、阳离子交换量、有机质、碱解氮、全氮和全磷均呈极显著正相关。以上结果表明酸度特征与土壤养分含量之间相互促进，相互影响。本研究涉及的土壤养分为有机质与钾、钙、钠、镁等阳离子，相关性分析结果表明，土壤酸度性质及养分对水稻产量的影响大小排序为：酸碱缓冲容量=pH > 交换性Mg2+ > 交换性酸=交换性Na+ > 交换性盐基离子=交换性H+ > 有机质 > 交换性Ca2+ > 交换性K+ > 交换性Al3+，以酸碱缓冲容量和pH最大，其次是交换性Mg2+、交换性酸和交换性Na+（图 5），由此可见，土壤酸度性质和养分作用均可促进水稻产量的提升，就本文所测养分含量而言，土壤酸度性质的影响更大。
4 结论在本试验条件下，单施化肥加快了红壤性水稻土酸化，化肥+绿肥+秸秆还田和化肥+绿肥+秸秆还田+石灰联合利用均能提高水稻产量、土壤pH、有机质、交换性能和酸碱缓冲容量，同时降低交换性酸含量，绿肥+秸秆还田+石灰对产量和土壤各项性质的影响均大于化肥+绿肥+秸秆还田。交换性酸、交换性H+、酸碱缓冲容量、交换性Na+、交换性Mg2+、交换性盐基离子是影响土壤pH的主要因素。因此，相比于单施化肥，化肥+绿肥+秸秆还田和化肥+绿肥+秸秆还田+石灰联合利用既能提高产量、缓解土壤酸化，又能增加土壤养分有效性，以绿肥+秸秆还田+石灰联合利用效果最好。
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