呂金嶺，李太魁，寇長林

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部原陽農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，河南 新鄉(xiāng) 453500； 3.河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002)

土壤酸化是土壤退化的一個重要表現(xiàn)，也是近些年來農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中普遍存在的問題之一[1-2]。導(dǎo)致農(nóng)田土壤酸化的原因很多，除自然酸化外，長期大量施用化肥、大氣酸及氮持續(xù)高量沉降以及土地利用方式的不斷調(diào)整是導(dǎo)致農(nóng)田土壤酸化的主要原因[3]。如何快速調(diào)控已顯著酸化的農(nóng)田土壤，改善土壤質(zhì)量、增加作物產(chǎn)量已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)問題之一[4]。關(guān)于農(nóng)田土壤酸化調(diào)控方法已有大量研究，主要聚焦在石灰、粉煤灰、堿渣、磷石膏、造紙廢渣等工業(yè)廢棄物的還田等方面。近年來，利用農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物改良土壤酸度逐漸成為研究熱點(diǎn)，如利用作物秸稈熱解制成的生物質(zhì)炭是一種很好的土壤改良劑，施用以秸稈和畜禽糞便為基質(zhì)衍生出來的微生物菌肥成為當(dāng)前農(nóng)田土壤酸化改良的方式之一[5-10]。然而，農(nóng)田有機(jī)廢棄物的衍生物(秸稈生物質(zhì)炭和微生物菌肥)對農(nóng)田土壤酸化的改良還大多停留在初期探索階段[11-13]，不同秸稈生物質(zhì)炭及微生物菌肥使用量對已顯著酸化土壤的改良效果以及對作物主要生理指標(biāo)的影響程度尚不清楚。因此，開展以秸稈衍生物為原料的土壤酸化調(diào)控研究對于土壤酸化治理尤為重要。

黃褐土是近幾年來發(fā)現(xiàn)的酸化較為嚴(yán)重的農(nóng)田土壤之一。長期高強(qiáng)度的種植模式導(dǎo)致黃褐土土壤pH值下降較快，相關(guān)資料顯示，嚴(yán)重酸化地塊pH值甚至降低至4左右，作物產(chǎn)量降幅可達(dá)30%～50%，土壤質(zhì)量退化顯著[14-15]。究其原因，與黃褐土自身特性和當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣有關(guān)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，黃褐土的礦物構(gòu)成以伊利石和蛭石(2∶1)為主，其中含有游離可溶性鈣離子，灌溉或者高量降雨容易導(dǎo)致可溶性鈣離子下滲與淋溶，而土壤鹽基離子淋失正是導(dǎo)致土壤酸化的重要原因之一[16-17]；其次，過量施肥問題在黃褐土農(nóng)田區(qū)域較為普遍[18-19]，高強(qiáng)度施用銨態(tài)氮肥導(dǎo)致銨根離子在土壤中殘留較為嚴(yán)重，而銨根離子易在硝化微生物的作用下發(fā)生硝化反應(yīng)產(chǎn)生氫離子[20]，成為黃褐土酸化的又一重要原因。除此之外，黃褐土農(nóng)田區(qū)域的大氣酸或氮沉降量大也是黃褐土農(nóng)田土壤酸化不可忽視的原因。基于此，以黃褐土農(nóng)田土壤為研究對象，在常規(guī)和優(yōu)化施肥基礎(chǔ)上添加中、高量生物質(zhì)炭和微生物有機(jī)肥，探究以生物質(zhì)炭和微生物菌肥為主要調(diào)理劑條件下，黃褐土農(nóng)田土壤酸化反饋效果以及玉米關(guān)鍵生長期典型生理指標(biāo)的響應(yīng)程度，為黃褐土土壤酸化大面積治理提供技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

生物質(zhì)炭來源為玉米秸稈生物質(zhì)炭，在爐溫600 ℃條件下制得，具體指標(biāo)：得炭率3%、含水量15%、pH值10、比表面積150 m2/g、鉀含量≤1.0 mg/kg、磷含量≤1.0 mg/kg、汞含量≤0.5 mg/kg、砷含量≤10 mg/kg和鎘含量≤1.0 mg/kg。供試玉米品種為鄭單958。微生物菌肥購自河北石家莊沃福沃肥業(yè)有限公司，其有效活菌數(shù)≥2.0億cfu/g，包含膠動樣類芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌等，氮、磷、鉀含量分別為2%、2%、1%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置5個處理，分別為不施肥處理(CK)、傳統(tǒng)施肥處理(CT，按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)量施入氮、磷、鉀肥，其中氮、磷、鉀肥分別由尿素、過磷酸鈣和氯化鉀提供，純N、P2O5、K2O施用量分別為240、103、51 kg/hm2)、微生物菌肥處理(WJ，按照4.5 t/hm2標(biāo)準(zhǔn)施用微生物菌肥,補(bǔ)充化肥氮、磷、鉀使其整體施肥量等同CT處理)、低量生物質(zhì)炭處理(T200，炭∶土=1∶200，相當(dāng)于耕層施入10 t/hm2生物質(zhì)炭量，總氮、磷、鉀量同CT處理，其中總氮、磷、鉀含量為生物質(zhì)炭與化肥量之和)、高量生物質(zhì)炭處理(T20，炭∶土=1∶20，相當(dāng)于耕層施入100 t/hm2生物質(zhì)炭，總氮、磷、鉀量同CT處理)。

每桶裝土量為100 kg，3次重復(fù)。每桶種植4穴，最終留苗1株。2017年7月5日播種，2017年9月13日收獲。玉米生長季施肥2次，其中基肥氮占總施氮量的60%，追肥氮占總施氮量的40%，其他均作基肥。施肥深度為20 cm，基肥期土樣與肥料混勻后灌溉，追肥期表施尿素后灌溉。灌溉日期分別為2017年7月5日、7月25日和8月15日。每次每桶灌水量為3～5 L。

1.3 測定指標(biāo)與方法

于2017年8月1日(大喇叭口期)和8月17日(灌漿期)，用Li-6400XT植物光合測定儀在9：00—11：00點(diǎn)分別測定最新展開葉和穗位葉的光合特性，每個處理隨機(jī)選擇3株長勢相當(dāng)?shù)挠衩走M(jìn)行測定，并取平均值。為了防止陽光隨時間的變化，在利用Li-6400XT之前，先測定開始的光照強(qiáng)度，然后把人工光源設(shè)定為該時間的光照強(qiáng)度，分別測定玉米的光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。

植株收獲后，將整株挖出沖洗根部泥土，測定玉米株高、根長，并將地上部、地下部分別于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，稱量干質(zhì)量，并測定植株地上部、地下部的全氮、全磷、全鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.1軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 8.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤肥力指標(biāo)的影響

表1 玉米收獲后不同施肥處理的土壤養(yǎng)分含量和關(guān)鍵鹽基離子含量

2.2 不同施肥處理對玉米光合指標(biāo)的影響

不同施肥處理對玉米關(guān)鍵生長時期的光合響應(yīng)指標(biāo)影響不同。如圖1所示，大喇叭口期，T20和WJ處理Pn分別為24.9、24.1 μmol /(m2·s)，顯著高于其他處理(P<0.05)；其次為T200處理，Pn為22.6 μmol/(m2·s)；CK最低，僅為18.2 μmol/(m2·s)。

不同字母代表差異顯著(P<0.05)，下同

同樣,T20和WJ處理的Gs、Ci、Tr分別為0.26 mmol/(m2·s)、232.2 μmol/(m2·s)、2.20 mmol/(m2·s) 和0.25 mmol/(m2·s)、240.3 μmol/(m2·s)、2.10 mmol/(m2·s)，顯著高于其他處理(P<0.05)；其次為T200和CT處理，CK的Gs、Ci和Tr最低。灌漿期，T20處理的Pn、Gs、Ci和Tr最高，其次為WJ、T200處理，而CT處理和CK最低(圖2)?？梢?，生物質(zhì)炭和微生物菌劑添加可以顯著提高玉米的光合效率。

圖2 灌漿期不同施肥處理對玉米光合作用的影響

2.3 不同施肥處理對玉米主要農(nóng)藝性狀和養(yǎng)分含量的影響

由圖3可見，T20處理玉米株高顯著高于其他處理(P<0.05)，其次為T200和WJ處理，CT處理和CK較低；與株高結(jié)果類似，T20處理玉米根長最長，其次為WJ處理，T200、CT和CK處理根長較短，且無顯著差異(P>0.05)；對比不同處理玉米的地上部干質(zhì)量和根干質(zhì)量，結(jié)果顯示，T20和WJ處理玉米地上部干質(zhì)量和根干質(zhì)量顯著高于其他處理(P<0.05)，其次為T200處理和CT處理，CK最低。由此說明，添加生物質(zhì)炭和微生物菌劑可以促進(jìn)酸化黃褐土上玉米干物質(zhì)的積累。

圖3 不同施肥處理玉米株高、根長和干物質(zhì)量

由不同施肥處理玉米植株養(yǎng)分指標(biāo)(表2)可見，T20和T200處理根部全氮含量顯著高于其他處理，其次為CT處理，CK和WJ處理較低；T20和WJ處理根部全磷含量最高，其次為T200和CT處理，CK最低；T20處理根部全鉀含量最高，其次為T200和WJ處理，CK最低。與根部養(yǎng)分含量結(jié)果不同，T20處理地上部氮含量顯著高于其他處理，而其他處理地上部全氮含量差異不明顯(P>0.05)；T20、T200和CT處理地上部全磷含量無明顯差異，但顯著高于CK和WJ處理(P<0.05)；T200處理全鉀含量顯著高于其他處理(P<0.05)，其次為T20、CT和WJ處理，CK最低。值得注意的是，WJ處理地上部全磷含量低于T20和T200處理，甚至低于CT處理，這可能與微生物對養(yǎng)分的協(xié)同吸收有關(guān)。

表2 玉米根和地上部植株中N、P、K含量

3 結(jié)論與討論

3.1 不同施肥處理對黃褐土土壤酸化關(guān)鍵指標(biāo)的影響

相關(guān)研究表明，土壤交換性鹽基離子與土壤酸堿度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，pH值從低到高的過程中，伴隨著氫離子的減少，土壤鹽基離子的釋放會逐漸增多[22]。在本試驗(yàn)中，除了硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和交換性鉀外，相比CK，CT處理土壤交換性鈣、交換性鎂和交換性鈉含量無明顯變化，說明CT處理無益于土壤酸堿度的改善。值得注意的是，CT處理土壤速效磷含量提升顯著，這可能與磷肥施用導(dǎo)致土壤中速效磷含量上升有關(guān)。除此之外，本研究還發(fā)現(xiàn)，T20、T200和WJ處理土壤交換性鈣、交換性鎂和交換性鈉含量增幅明顯(P<0.05)，這可能與土壤pH值提升導(dǎo)致土壤鹽基飽和度增加有關(guān)，也說明T20、T200和WJ處理有利于黃褐土酸化土壤的改良。然而，對比T20和T200處理的幾種關(guān)鍵鹽基離子含量發(fā)現(xiàn)，T20處理土壤交換性鈣、交換性鎂和交換性鈉離子含量顯著高于T200處理，由于秸稈生物質(zhì)炭中的鈣、鎂、鈉離子含量較低，推斷這主要與高量生物質(zhì)炭添加條件下土壤pH值升高導(dǎo)致交換性離子釋放有關(guān)。但本試驗(yàn)缺乏對黃褐土酸化土壤交換性酸和交換性鋁含量等重要參數(shù)的測定，使得生物質(zhì)炭和生物菌肥的改良機(jī)制未能完全說明。未來大田試驗(yàn)過程中應(yīng)涉及更多參數(shù)的測定，同時應(yīng)加強(qiáng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化的研究。

3.2 生物質(zhì)炭添加和微生物菌肥施用對酸化黃褐土玉米農(nóng)田的改良效果

關(guān)于添加生物質(zhì)炭或微生物菌劑對土壤改良效果的研究已經(jīng)有了大量報(bào)道[23-25],但酸化改良研究相對較少[26]。秸稈高溫碳化后產(chǎn)生大量的羧基，使得生物質(zhì)炭呈現(xiàn)強(qiáng)堿性特征。當(dāng)秸稈生物質(zhì)炭施入已經(jīng)酸化的農(nóng)田土壤后，羧基會與土壤中的氫離子結(jié)合從而降低土壤中的酸根離子濃度，緩解土壤酸化[6,23]。本研究設(shè)置了高量和低量生物質(zhì)炭添加處理，結(jié)果顯示，這2種秸稈生物質(zhì)炭添加處理都可以顯著提升土壤pH值，提高玉米的光合響應(yīng)指標(biāo)及地上地下干物質(zhì)量。但添加高量生物質(zhì)炭對土壤pH值的提升效果更加明顯，同時玉米Pn、Gs、Ci和Tr最高。但由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)生物質(zhì)炭添加量梯度不夠多，是否存在更合適的生物質(zhì)炭量可以在顯著改善土壤酸化的同時提升作物產(chǎn)量，尚待進(jìn)一步研究。除此之外，微生物菌肥處理也是本試驗(yàn)的關(guān)注點(diǎn)，微生物菌肥緩解土壤酸化的機(jī)制主要體現(xiàn)在釋放的微生物菌群對土壤中鋁離子的絡(luò)合、提供有機(jī)質(zhì)和固定土壤中銨根離子，從而優(yōu)化作物的根系生長環(huán)境，實(shí)現(xiàn)降酸的目的[25]。關(guān)于微生物菌群對土壤質(zhì)量的改良效果研究已有大量報(bào)道，并顯示出對土壤質(zhì)量具有較好的改良效果。本研究結(jié)果顯示，適量的微生物菌群對土壤酸化有顯著的緩解作用，土壤pH值較原始土樣顯著提升，其土壤酸化改良效果僅次于添加秸稈生物質(zhì)炭處理，而植物光合響應(yīng)指標(biāo)和干物質(zhì)量的增加甚至高于低量生物質(zhì)炭添加處理，說明微生物菌劑有機(jī)肥添加處理對于土壤酸化也有較好的改良效果?？梢?，添加生物質(zhì)炭和微生物菌肥對酸化黃褐土均有良好的改良效果?？紤]到土壤酸化改良的復(fù)雜性和反復(fù)性，未來應(yīng)加強(qiáng)長期、密集的大田梯度試驗(yàn)，同時結(jié)合不同農(nóng)藝措施探究更深入的土壤酸化改良機(jī)制。

3.3 酸化黃褐土農(nóng)田土壤酸化改良的初步設(shè)想

施肥是導(dǎo)致黃褐土酸化的重要因素之一，原因主要是銨根離子的硝化反應(yīng)產(chǎn)生氫離子[25-26]。因此，建議減少銨態(tài)氮肥的施用(可增加有機(jī)肥施用)，同時探究黃褐土典型作物種植模式下的氮素去向，在保障作物產(chǎn)量和質(zhì)量的前提下，尋找合適的施肥量以達(dá)到氮素輸入(肥料、土壤礦化、灌溉水、干濕沉降等)與輸出平衡[27-28]；其次，一年兩季高強(qiáng)度的種植模式導(dǎo)致作物收獲后帶走大量的鹽基離子，所以可以采取3～5 a休耕1次的做法，同時補(bǔ)充土壤可能匱缺的主要鹽基離子，保障土壤主要鹽基離子相對平衡，從而降低土壤酸化；再次，深耕也是一種緩解土壤酸化的辦法，通過深耕可以讓犁底層酸化較弱的土壤與耕層顯著酸化的土壤混合，從物理角度達(dá)到降低酸化的目的；此外，考慮到土壤自然酸化過程，可以每隔3～5 a施用1次秸稈生物質(zhì)炭，通過生物質(zhì)炭的強(qiáng)堿性達(dá)到降低土壤酸化的目的；最后，在農(nóng)田肥料生產(chǎn)過程中，為了降低成本，相關(guān)企業(yè)經(jīng)?；祀s一些劣質(zhì)強(qiáng)酸性肥料，這也成為農(nóng)田酸化過程中不可忽視的因素，因此，在施肥的過程中一定要選擇有質(zhì)量保證的肥料，從源頭降低酸化來源。

綜上，傳統(tǒng)施肥無益于黃褐土農(nóng)田土壤酸化的改善，無論玉米光合指標(biāo)還是植株地下地上關(guān)鍵生長指標(biāo)均顯示出較低水平。添加生物質(zhì)炭和微生物菌肥不僅提升土壤pH值,顯著緩解土壤酸化，同時還能顯著改善玉米的主要光合指標(biāo)及農(nóng)藝性狀。本研究中，生物質(zhì)炭和微生物菌劑生物有機(jī)肥的施用量都是在參考前期酸化調(diào)控研究的基礎(chǔ)上設(shè)置的，未來將進(jìn)一步結(jié)合黃褐土的土壤理化性質(zhì)、礦物構(gòu)成及變化過程的相關(guān)研究結(jié)果，開展多梯度和長期定位試驗(yàn)，進(jìn)一步深入探索黃褐土酸化治理的方法。