化肥配施模式下植烟土壤盐基阳离子变化对酸化的影响
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摘要：通过土柱淋溶试验，研究了化肥配施对植烟土壤交换性盐基离子含量和饱和度以及pH/H2O、pH/KCl的影响。结果表明，与不施肥相比，“复合肥+硝酸钾+钙镁磷肥”和“尿素+硫酸钾+钙镁磷肥”配施处理pH/H2O和pH/KCl提高0.14～0.22，而其他配施处理导致pH/H2O和pH/KCl分别下降0.25～0.44和0.26～0.47。在淋溶条件下土壤中交换性Ca2+、Mg2+和Na+含量和饱和度降低导致酸化，不论是交换性盐基离子含量还是盐基饱和度，各处理都表现出Ca2+>Mg2+≈K+>Na+的变化趋势。酸化后土壤交换性Ca2+、Mg2+和K+含量和Ca2+的饱和度是直接影响pH/H2O的主因，而交换性Ca2+、Mg2+含量和饱和度是直接影响pH/KCl的主因。总之，化肥配施模式下，从pH/H2O到pH/KCl，交换性Mg2+含量和饱和度的影响逐渐增强，Ca2+的影响则逐渐降低。
关键词：植烟土壤;酸化;pH/H2O;pH/KCl;盐基阳离子
中图分类号：S153.4;S143 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）23-5694-07
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2014.23.019
化肥作为农业生产中不可缺少的肥料，对我国农业的发展发挥了巨大作用。但是研究表明，由于长期不合理施用化肥，特别是化学氮肥的不合理施用导致土壤酸化[1-4]，已经严重威胁到我国农业的可持续发展。大量的研究结果表明，土壤酸化是交换性盐基阳离子被淋失，交换性H+和Al3+离子占据土壤表面阳离子交换位，导致土壤pH下降的现象。由于肥料本身特点和作物对养分的选择性吸收导致不同的肥料对土壤酸化的影响程度不同以及盐基阳离子淋失的特征也不同[5-8]。化肥种类繁多，且农业生产又不能缺少化肥，因此，如何合理施用化肥，特别是不同肥料如何配施，化肥配施对土壤酸化影响的研究就显得尤为重要和迫切。
目前，土壤酸化最常用的评价指标就是土壤酸度和交换性盐基离子含量。土壤酸度包括活性酸度（pH/H2O）和潜性酸度（交换性酸和交换性Al3+）。活性酸度通常用pH/H2O表示，其表征土壤中酸的强度。潜性酸度通常用交换性H+和交换性Al3+的含量表示，通常用1mol/L KCl浸提，故以pH/KCl表示[9]。通常研究土壤酸化更多的是关注交换性盐基离子对pH/H2O变化的影响[10-12]，而对pH/KCl的影响研究较少[13]，同时有关交换性盐基阳离子变化对pH/H2O和pH/KCl的影响有何区别的研究报道也较少。
通常，在农业生产上各区域的土壤类型和作物种类不同，施肥模式和肥料种类也不同。就湖北省烟草种植而言，常用的氮肥是尿素，磷肥包括磷酸二铵、过磷酸钙、重过磷酸钙、磷矿粉和钙镁磷肥，钾肥包括硝酸钾和硫酸钾，其次还包括不同氮磷钾配合制成的复合肥。目前，有研究表明尿素和硫酸铵对土壤酸化程度的影响不同[5，7]。关于不同肥料配施对土壤交换性盐基离子和pH等方面的机理研究已比较深刻，但是在此基础上，针对植烟土壤交换性盐基阳离子变化对pH/H2O和pH/KCl影响的报道较少。因此，本研究以室内淋溶试验为基础，通过探讨化肥配施对植烟土壤pH/H2O和pH/KCl的影响，在交换性盐基阳离子淋失的基础上，探明化肥配施对植烟土壤pH/H2O和pH/KCl与交换性盐基阳离子含量和饱和度关系的影响，旨在为减缓植烟土壤酸化而提出合理的施肥模式。
1 材料与方法
1.1 供试材料
1.1.1 供试土壤 供试土壤为典型的山地棕壤，2012年采集于恩施自治州咸丰县高乐山镇杉树园村常年种植烟草田块0-20 cm耕层土壤。根据中国土壤分类系统，属于淋溶土纲黄棕壤土类山地黄棕壤亚类黄筋土，中砾质重壤。土壤基本理化性质见表1。
1.1.2 供试肥料 烟草专用复合肥（总养分40%，氮磷钾比例为10∶10∶20）：氮肥包括40%铵态氮和60%硝态氮，磷肥为磷酸一铵，钾肥为硫酸钾，不足部分钾用氯化钾补充。硫酸钾和硝酸钾均为市售粉状硫酸钾（含K2O 50%）和硝酸钾（含N 13.5%和K2O 45%）。磷肥为市售过灰黑色疏松粉状磷酸钙（含P2O5 12%，pH 2.50），磷矿粉（含P2O5 20.5%，pH 7.73），钙镁磷肥（含P2O5 5%，pH 9.60）。
1.2 试验设计
1.2.1 淋溶试验 采用模拟降雨土柱淋洗方法，淋洗柱用白色PVC塑料管，直径10 cm，高度为70 cm，每盆装风干土4 kg。用双层尼龙网（孔径为1 mm）将管底包裹固定，确保尼龙网不脱落，铺2层筛网（孔径为0.15 mm）于管底，装风干磨碎后的供试土壤（土柱高12 cm）。铺平压实后再铺1层筛网（孔径为0.15 mm），将剩余土壤与肥料搅拌均匀填柱（该层土柱高40 cm），铺上1层孔径为1 mm的尼龙网，最后覆盖1 cm厚的石英砂（粒径为5～6 mm），调节土柱含水量到田间最大持水量。土柱安装在PVC管架上，下方用直径为15 cm的托盘承接淋溶液体。淋溶装置示意图见图1。
本试验采用间歇淋溶法（淋溶时间起止5月20日至10月20日，其余月份处于自然状态），以去离子水作为淋洗液，淋洗液的总量应接近于恩施自治州咸丰县常年平均降水量，淋洗的次数以及淋洗液用量见表2。于每周一和周四分两次等量淋溶。
1.2.2 试验处理 施肥模式同田间常规操作，为了达到致酸效果，氮磷钾的用量较田间实际用量增加了2倍，氮肥用量为315 kg/hm2（即0.56 g/pot），N∶P2O5∶K2O配比为1.0∶1.2∶3.0。试验处理所用肥料及用量见表3，每个处理6次重复，随机区组排列。
1.3 测定项目及方法
于10月20日毁灭性采集土柱0-40 cm土样。土壤pH分别用无二氧化碳的去离子水和1.0 mol/L的KCl溶液浸提（水土比均为2.5∶1），采用电位法测定。交换性盐基离子采用pH 7.0 1mol/L的醋酸铵浸提，Ca2+、Mg2+采用原子吸收分光光度法测定，Na+、K+采用火焰光度法测定[14]。
1.4 数据处理
试验数据处理采用Execl 2003和SPSS 13.0统计分析软件。不同处理间的显著性采用Duncan法检验。采用Person方法进行相关性分析。采用Enter法进行线性回归分析，标准回归系数即通径系数，根据相关系数再计算出间接通径系数[15，16]。
2 结果与分析
2.1 不同肥料配施对植烟土壤酸度的影响
从图2可以看出，不同肥料配施对植烟土壤pH/H2O和pH/KCl影响不一。其中，ZS-6、ZS-9土壤pH/H2O和pH/KCl分别比CK增加了0.14和0.14、0.22和0.15。与CK相比，ZS-1、ZS-2、ZS-3、ZS-4、ZS-5、ZS-7和ZS-8土壤pH/H2O分别下降了0.44、0.38、0.41、0.32、0.32、0.34和0.25。对于pH/KCl而言，ZS-1、ZS-2、ZS-3、ZS-4、ZS-5、ZS-7和ZS-8分别比CK下降了0.46、0.29、0.29、0.32、0.26、0.47和0.30，且与CK间差异达到显著水平（P
从表4可以看出，不论哪个处理交换性酸含量均较低。与CK相比，ZS-1、ZS-2、ZS-3和ZS-8交换性酸含量分别增加了37.50%、25.00%、25.00%和25.00%，而ZS-4、ZS-5、ZS-6和ZS-9交换性酸含量分别降低了12.50%、12.50%、37.50%和12.50%。同时发现，即使交换性酸含量较低，但是目前土壤中的交换性酸以交换性H+为主。
2.2 不同肥料配施对植烟土壤交换性盐基离子含量和饱和度的影响
表5表示不同肥料配施处理植烟土壤交换性盐基离子含量。就交换性Ca2+而言，ZS-6和ZS-9与CK间差异较小，而ZS-1、ZS-2、ZS-3、ZS-4、ZS-5、ZS-7和ZS-8分别比CK降低了17.03%、12.68%、23.43%、20.36%、21.77%、16.52%和14.60%，且差异达到显著水平（P
从表6可以看出，不同肥料配施均能影响植烟土壤交换性盐基离子饱和度。ZS-9获得最高的交换性Ca2+和Mg2+饱和度，分别比ZS-1、ZS-2、ZS-3、ZS-4、ZS-5、ZS-6、ZS-7、ZS-8、CK增加了22.25%和31.70%、15.55%和32.70%、19.29%和16.65%、26.56%和60.95%、30.04%和59.24%、7.45%和6.05%、18.96%和64.48%、20.86%和61.44%、3.07%和50.36%。对于交换性K+饱和度而言，CK最低，分别比ZS-1、ZS-2、ZS-3、ZS-4、ZS-5、ZS-6、ZS-7、ZS-8和ZS-9降低了76.73%、76.82%、78.98%、76.70%、77.96%、78.66%、77.10%、73.33%和75.52%，且差异达到显著水平（P
2.3 不同肥料配施对交换性盐基离子含量和饱和度与植烟土壤pH/H2O、pH/KCl关系的影响
通径分析在多元回归的基础上将相关系数分解为直接通径系数和间接通径系数。在本研究中，Ca2+含量与pH/H2O、pH/KCl的相关系数=Ca2+含量与pH/H2O、pH/KCl的直接通径系数+Ca2+通过其他交换性盐基离子对pH/H2O、pH/KCl的间接通径系数（Ca2+与Mg2+的相关系数×Mg2+的直接通径系数+Ca2+与K+的相关系数×K+的直接通径系数+ Ca2+与Na+的相关系数×Na+的直接通径系数）。从表7可以看出，pH/H2O与Ca2+含量具有极显著的正相关（P=0.000）。Ca2+和K+含量对pH/H2O的直接影响（正相关）分别达到了极显著和显著水平（P=0.000，P= 0.042），而Mg2+含量的直接影响（负相关）也达到了显著水平（P=0.012）。同时还可以看出，Ca2+通过其他盐基离子对pH/H2O的间接影响也都较大。Ca2+、Mg2+和Na+含量与pH/KCl均具有显著或极显著的正相关性（P=0.022，P=0.007，P=0.013）。对于通径系数而言，Ca2+和Mg2+含量对pH/KCl的直接影响（正相关）达到了显著水平（P=0.028，P=0.029）。
表8表示交换性盐基离子饱和度与pH/H2O、pH/KCl相关性。Ca2+饱和度与pH/H2O的相关性达到了极显著水平（P=0.000），而且两者之间的直接作用（通径系数）也达到了极显著水平（P=0.000）。Ca2+和Mg2+饱和度与pH/KCl相关性也都达到了极显著水平（P=0.000，P=0.000），Mg2+饱和度与pH/KCl之间的直接作用达到极显著水平（P=0.003），pH/KCl与Ca2+饱和度的通径系数只达到显著水平。
3 结论与讨论
3.1 结论
1）与不施肥相比，复合肥+硝酸钾+钙镁磷肥和尿素+硫酸钾+钙镁磷肥配施处理pH/H2O和pH/KCl提高了0.14～0.22个pH值单位，而其他配施处理pH/H2O和pH/KCl分别下降了0.25～0.44和0.26～0.47，且以复合肥+硫酸钾+过磷酸钙和尿素+硫酸钾+过磷酸钙配施致酸效果较强。
2）致酸土壤除了交换性K+含量和饱和度均比对照升高外，交换性Ca2+、Mg2+和Na+含量和饱和度变化不规律。不论是交换性盐基离子含量还是其盐基饱和度，都表现出Ca2+>Mg2+≈K+>Na+的变化趋势。
3）酸化后土壤中交换性Ca2+、Mg2+和K+含量和Ca2+饱和度是直接影响酸强度的主要因素，而交换性Ca2+和Mg2+含量与饱和度是直接影响酸容量的主要因素。从酸强度到酸容量，交换性Mg2+含量和饱和度的影响逐渐增强，Ca2+的影响则逐渐降低。
3.2 讨论
3.2.1 不同肥料配施对植烟土壤酸度和交换性盐基离子的影响 研究发现化肥的施用是导致土壤酸化主要因素之一[1，3，5，7]。试验中，并不是所有肥料配施都导致土壤酸化，究其原因可能有以下两个方面，其一试验时间较短，致酸效果还没有完全表现出来;其二可能是该配施处理不具有致酸作用，且这方面的报道较少。因此，要解释这一原因需要进一步研究。通常，在描述土壤酸化程度时都采用潜性酸度，即交换性酸含量。对于酸化比较严重的土壤而言，土壤交换性酸含量较高，测定结果也比较准确[9，17]。但是对于酸化程度不严重的土壤而言，采用1 mol/L KCl溶液浸提时测得的交换性酸含量很低[18]，试验误差也比较大，因此，在本试验中pH/KCl采用1 mol/L KCl溶液浸提后直接用pH计读出所得。不论是pH/H2O还是pH/KCl，ZS-6和ZS-9即复合肥+硝酸钾+钙镁磷肥和尿素+硫酸钾+钙镁磷肥处理不但没有降低反而有所增加，这可能与钙镁磷肥性质和施用量有关。由于钙镁磷肥是化学碱性肥料，水溶液呈碱性（pH 9.60），通常用来改良酸性土壤。然而，与ZS-3即复合肥+硫酸钾+钙镁磷肥相比，可能是由于ZS-6和ZS-9钙镁磷肥用量高于ZS-3所致。
过磷酸钙主要成分为磷酸二氢钙，由于其磷酸二氢根离子的溶解和水解产生的氢离子，也会导致施肥点周围pH的降低[19]。因此，过磷酸钙的致酸效果最强（pH为2.50），而钙镁磷肥（pH为9.60）的致酸效果最弱，这在试验中得到了进一步的证实。ZS-1和ZS-7即复合肥+硫酸钾+过磷酸钙和尿素+硫酸钾+过磷酸钙致酸效果较强，蔡泽江等[9]研究也发现尿素+氯化钾+过磷酸钙会导致土壤酸化，尿素+过磷酸钙+氯化钾或者硫酸钾的致酸效果被再次证实。通过比较ZS-1和ZS-7、ZS-2和ZS-8以及ZS-3和ZS-9植烟土壤pH/H2O和pH/KCl发现复合肥的致酸效果高于尿素，这主要是由于铵态氮肥的致酸效果比尿素强[20]，而试验中复合肥的氮肥种类是铵态氮肥和硝态氮肥。通过试验同时也发现若复合肥与过磷酸钙配施会加重酸化效果，而若与钙镁磷肥配施则会降低酸化效果。
长期施用化肥且经过降雨淋溶导致土壤中交换性盐基离子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+等）的淋失，从而进一步加速土壤酸化[3，20，21]。在试验中，交换性酸以交换性H+为主，而杨甲华等[10]和黄运湘等[22]研究发现酸化土壤中的交换性酸则以交换性Al3+为主，这可能是由于研究所用土壤的pH不同所致，在试验中，土壤酸化才刚开始。随着酸化的加重，交换性Al3+将逐渐被交换淋洗下来。在试验中，除了K+含量增加外，与不施肥相比，已酸化土壤的交换性Ca2+、Mg2+和Na+有减少的趋势。而ZS-6和ZS-9交换性Ca2+和Mg2+含量却都增加，这可能是由于施用了较多的钙镁磷肥所致。不论是交换性盐基离子含量还是盐基饱和度，都有Ca2+>Mg2+≈K+>Na+的变化趋势。众多研究结果表明交换性Ca2+是主要的交换性盐基离子，且对盐基饱和度的贡献最大[23，24]，其次为交换性Mg2+，而交换性K+和Na+最低[25，26]。研究中交换性K+和Mg2+含量相当，这可能是由于试验中所用钾肥较多，而又没有植物吸收所致。研究发现与长期不施肥相比，施用尿素、尿素+过磷酸钙、尿素+氯化钾、过磷酸钙+氯化钾、尿素+过磷酸钙+氯化钾均会导致土壤交换性盐基离子总量和盐基饱和度的显著降低[8，27，28]。试验中，除了复合肥+硝酸钾+钙镁磷肥和尿素+硫酸钾+钙镁磷肥处理外，其他施肥处理均降低了植烟土壤的交换性盐基离子总量和盐基饱和度，再次证实了尿素+过磷酸钙+氯化钾或者硫酸钾配施会导致换性盐基离子总量和盐基饱和度的降低。
3.2.2 不同肥料配施对交换性盐基离子含量和饱和度与植烟土壤pH关系的影响 两个变量之间的简单相关系数，往往不能准确地说明这两个变量间的真正关系，因为在多个变量的反应系统中，任意两个变量的线性相关关系，都会受到其他变量的影响，因此，要想真实探求两个变量之间的线性相关关系，就必须对其作通径分析和多元回归分析。通过比较通径系数的大小及显著性，才能准确反映出交换性盐基离子含量和饱和度是如何直接或间接影响pH/H2O或pH/KCl[15]。就4种交换性盐基离子而言，土壤酸化后交换性Ca2+含量和饱和度是最主要最直接影响活性酸的因素[2，15，29]。
试验中交换性Ca2+、Mg2+和K+含量均对pH/H2O有显著的直接影响，说明酸化后土壤交换性Ca2+、Mg2+和K+含量对土壤溶液中H+有显著地直接影响。更具体的是酸化后土壤交换性Ca2+和K+含量降低直接导致了土壤溶液中H+浓度增加（pH/H2O降低）。Ca2+通过其他交换性盐基离子对H+浓度增加的间接影响较小，而Mg2+和K+通过其他交换性盐基离子的间接影响较大，甚至改变了相关性的方向，即最后表现出土壤交换性Mg2+含量降低和交换性K+含量增加均导致溶液中H+浓度增加。交换性Ca2+和Mg2+均对pH/KCl有明显直接影响，说明酸化后土壤交换性Ca2+和Mg2+含量降低直接导致溶液中H+和土壤胶体吸附的H+浓度增加（pH/KCl下降）。通过比较发现，酸化后土壤中交换性Ca2+、Mg2+和K+含量是直接影响酸强度的主要因素，而交换性Ca2+和Mg2+含量是直接影响酸容量的主要因素。同样，酸化后土壤中交换性Ca2+的盐基饱和度是直接影响酸强度的主要因素，而交换性Ca2+和Mg2+的盐基饱和度又是直接影响酸容量的主要因素。从酸强度到酸容量，交换性Mg2+含量和饱和度的影响逐渐增强，Ca2+的影响则逐渐降低。
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