长期有机无机肥配施下红壤酸化特征及调控机理

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土壤酸化是我国南方红壤区土壤质量退化的主要形式之一,严重制约了该区农业的可持续发展。土壤酸化导致铝等植物毒害元素活性增加,钙、镁、磷等有益元素含量或活性降低,从而限制作物生长。施肥是影响农田土壤酸化的主要因素之一,探明不同施肥措施下土壤酸度及酸缓冲性能的变化及主要影响因素,对防治农田红壤酸化具有重要意义。前人有关土壤酸化的研究多集中在施用有机肥或石灰对酸度的改良效应,而关于长期不同施肥后红壤抗酸化能力的变化以及不同改良措施下土壤活性铝的变化还鲜见报道。为此,本研究选取中国农业科学院祁阳红壤实验站红壤肥力与肥料效益试验(始于1990年)和有机无机肥配施试验(始于2009年)长期定位试验资料,分析了不同施肥及不同有机无机肥配施下红壤酸度、酸碱缓冲容量、土壤铝形态等指标的变化及相关性,并结合培养实验探明了不同初始性质红壤对外源酸的缓冲能力及各形态活性铝对p H的响应,通过多元统计方法探明不同施肥措施下红壤抗酸化能力的差异与机制。红壤肥力与肥料效益定位试验处理包括不施肥(CK)、单施化肥(N、NP、NK、PK、NPK)、化肥加秸秆还田(NPKS),以及单施或配施有机肥(M、NPKM)等9个处理,有机无机配施试验包括单施化肥(NPKM0,2018年添加石灰改良酸度),有机肥替代化肥氮20%、40%和60%(NPKM1、NPKM2和NPKM3)。主要研究结果如下:(1)与不施肥处理(16.89 mmol(+)·kg-1·p H-1)相比,施肥30年后各处理土壤酸碱缓冲容量均显著增加(19.08~28.01 mmol(+)·kg-1·p H-1),其中增加幅度最大的处理是NPKM和M,分别增加了6.53和11.12 mmol(+)·kg-1·p H-1。土壤酸碱缓冲容量与速效磷、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(P<0.01)。长期施用有机肥提高土壤阳离子交换量和有机质含量,是红壤酸碱缓冲容量提高的主要原因之一。(2)长期不同有机无机配施下,NPKM0处理较试验之初土壤p H值降低了0.48个单位,交换性酸、铝分别增加了2.74和1.06 cmol(+)·kg-1;添加石灰后,土壤p H升高了0.58个单位,交换性酸、铝分别降低了2.62和1.45 cmol(+)·kg-1。NPKM2和NPKM3处理均可有效防治土壤酸化,其中以NPKM3处理的效果最佳;至2020年NPKM3处理土壤p H值较初始值提高了0.78个单位,交换性酸和交换性铝分别降低了1.10和1.25 cmol(+)·kg-1。NPKM2和NPKM3处理较NPKM0显著提高了土壤阳离子交换量,而石灰改良前后土壤阳离子交换量无显著变化;土壤交换性酸与交换性铝呈极显著正相关关系,与p H值和交换性钙含量呈极显著负相关关系;土壤交换性铝含量与阳离子交换量呈显著负相关(P<0.05);土壤阳离子交换量与有机质含量等呈极显著正相关关系。(3)长期不同有机无机配施下,土壤交换性铝、吸附态羟基铝和有机络合态铝含量呈现随p H值下降而升高的趋势。相比于NPKM3处理,NPKM1处理土壤交换性铝含量增加了159.04 mg·kg-1,吸附态羟基铝含量增加了96.34 mg·kg-1,以及有机络合铝含量增加了152.88 mg·kg-1。而短期施用石灰改良的NPKM0处理与NPKM1处理相比,土壤交换性铝和吸附性羟基铝均无显著差异,但显著降低了土壤有机络合铝含量,降低幅度为71.43 mg·kg-1。相关性分析结果表明,土壤酸度和阳离子交换量是引起土壤活性铝之间形态转化的主要因素。(4)土壤酸缓冲曲线表明,伴随土壤p H降低,NPKM0、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤交换性铝增加率分别为2.71、2.42、1.93和0.16cmol(+)·kg-1·p H-1;相关分析结果表明,土壤交换性铝增加率与土壤p H值、交换性镁、阳离子交换量、交换性钾、有机质含量呈极显著或显著负相关关系。(5)培养实验结果表明,在模拟酸化的过程中,土壤p H值每降低一个单位,NPKM0和NPKM3处理交换性酸分别增加1.32 cmol(+)·kg-1和0.76 cmol(+)·kg-1,交换性铝分别增加1.23 cmol(+)·kg-1和0.40 cmol(+)·kg-1,而土壤交换性氢分别增加0.35 cmol(+)·kg-1和0.37 cmol(+)·kg-1;NPKM0处理吸附态羟基铝含量降低54.36cmol(+)·kg-1,而NPKM3处理变化不显著;两处理有机络合铝随p H值变化不显著。综上所述,相比于短期施用石灰改良土壤酸度,长期施用有机肥可以有效防治红壤酸化,其中有机肥代替40%化学氮肥既可有效防止红壤p H值降低又能抑制土壤铝的活化,显著降低土壤活性铝含量;此外,长期施用有机肥有助于增加土壤有机质含量与阳离子交换量及其它养分元素含量。由此可见,配施有机肥既能防治红壤酸化又能提升红壤抗酸化能力,是实现红壤资源可持续利用的最佳施肥措施。
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