冀建華 李絮花 劉秀梅 侯紅乾 劉益仁 王子君 呂真真藍(lán)賢瑾 陳劍秋 黃祥光

（1 土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018 ）（2 國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，南昌 330200）（3 養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司，山東臨沂 276700）（4 江西省泰和縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，江西泰和 343700）

近年來，由于過量施用氮肥、農(nóng)作物永久性移除和酸沉降，我國稻田土壤在高強(qiáng)度、集約化種植下開始大面積酸化［1］，而且這種趨勢在進(jìn)一步加速。土壤酸化導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分流失加速，鋁、錳和重金屬元素活性增加，進(jìn)而發(fā)生營養(yǎng)元素缺乏和元素毒害，影響植物的正常生長，使稻田生態(tài)系統(tǒng)退化，生物多樣性降低，產(chǎn)量及品質(zhì)逐漸下降［2］。

施用石灰是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為常見的調(diào)節(jié)土壤pH的措施。研究表明，施用石灰除了能有效降低土壤酸度之外，還可顯著減輕鋁毒和其他重金屬的毒害作用，補(bǔ)充營養(yǎng)元素（如Ca、Mg等），改良土壤物理結(jié)構(gòu)，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性和導(dǎo)水率，增加土壤全碳和全氮含量［3-5］，改善作物生長環(huán)境，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)［6］。然而，長期或大量施用石灰容易引發(fā)土壤養(yǎng)分失衡的問題，甚至對環(huán)境造成一些不良影響。Brennan等［7］研究表明，施用石灰容易引起土壤缺鋅，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。Nilsson等［8］報(bào)道森林生態(tài)系統(tǒng)施用石灰會改變土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量，使碳氮比和碳硫比顯著下降；同時(shí)土壤硝化作用增強(qiáng)，NO3-淋失量明顯增加。此外，施用石灰還會大大增加土壤CO2的排放［9］。連續(xù)多次施用石灰調(diào)節(jié)土壤酸度，效果明顯降低［6］。因此，尋找更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、營養(yǎng)元素全面且有效的石灰替代品，成為當(dāng)前酸性土壤改良研究的重要課題。

硅鈣鉀鎂肥是磷石膏、鉀長石在高溫下煅燒而形成的堿性肥料，含有水稻所需要的硅、鈣、鎂、磷、鉀大中量營養(yǎng)元素，可有效克服石灰養(yǎng)分單一的不足。研究表明，硅鈣鉀鎂肥可有效提高水稻產(chǎn)量和稻田耕層土壤pH，增加耕層土壤鹽基離子含量，降低土壤交換性鋁含量［10-11］。硅鈣鉀鎂肥不僅對稻田土壤有明顯的改良效果，而且對旱地土壤也有同樣的效果。粟方亮等［12］研究表明，硅鈣鉀鎂肥可提高蜜柚產(chǎn)量，改善蜜柚品質(zhì)，明顯提高土壤pH以及有效磷、速效鉀、交換性鈣和交換性鎂含量。王建康等［13］報(bào)道，硅鈣鉀鎂肥不僅可提高甘蔗產(chǎn)量、改善品質(zhì)，而且還可提高蔗田耕層土壤pH 0.09～0.80個(gè)單位。綜上可見，硅鈣鉀鎂肥改良稻田和旱地耕層土壤均表現(xiàn)出明顯的效果，但是對稻田土壤耕層以下酸性特性與分布的影響如何，仍不明確，改良南方稻田土壤酸性的機(jī)制尚需進(jìn)一步探索。

鑒于此，本研究選用硅鈣鉀鎂肥為研究對象，采用田間定位試驗(yàn)研究方法，通過分析硅鈣鉀鎂肥不同用量對土壤pH、交換性酸、交換性鹽基離子、交換性離子產(chǎn)生/消耗量、酸堿緩沖容量和堿產(chǎn)生量的影響，明確改良、培肥效果，探討作用機(jī)制，以期為南方稻田土壤長期合理施用硅鈣鉀鎂肥、提升土壤質(zhì)量和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)基地位于江西省泰和縣禾市鎮(zhèn)豐壟村（26°51′58.08″N，114°43′25.07″E）。田塊面積約為970 m2（68.3 m×14.2 m），土壤類型為典型水稻土，基本理化性質(zhì)見表1。該地區(qū)年平均日照時(shí)間1 756 h，年平均氣溫18.6 ℃，年平均降水量1 726 mm，無霜期281 d，四季分明，熱量豐富，雨量充沛，屬典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。

表1 試驗(yàn)前供試土壤基本性質(zhì)（0～20 cm）Table 1 Basic chemical properties of the test soil before the experiment

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試作物：早稻品種為欣榮優(yōu)5號；晚稻品種為五優(yōu)華占，基本苗均為2萬蔸。供試肥料：復(fù)合肥（N～P2O5～K2O 15%～15%～15%）、尿素（N 46%）、氯化鉀（K2O 60%）和硅鈣鉀鎂肥（養(yǎng)分含量分別為CaO 27.4%，MgO 9.37%，SiO226.85%，K2O 5.74%，P2O58.58%，酸中和量2.2 mol·kg-1，pH 8.7）。

硅鈣鉀鎂肥料定位試驗(yàn)開始于2013年。種植模式：早稻—晚稻—休閑。試驗(yàn)以農(nóng)民習(xí)慣施肥為對照（CK），在農(nóng)民習(xí)慣施肥基礎(chǔ)上每季增施750（標(biāo)記為CK+T50）、1 125（標(biāo)記為CK+T75）、1 500（標(biāo)記為CK+T100）和1 875 （標(biāo)記為CK+T125）kg·hm-2硅鈣鉀鎂肥四個(gè)用量水平。每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積30 m2（10 m×3 m），小區(qū)間以0.45 m深和0.5 m寬的田埂隔開，田埂用塑料薄膜包裹，獨(dú)立排灌。各小區(qū)田間管理與農(nóng)民習(xí)慣施肥處理一致。

農(nóng)民習(xí)慣施肥在早稻和晚稻上均施氮1 8 0 kg·hm-2，磷（P2O5）90 kg·hm-2，鉀（K2O）90 kg·hm-2，其中，移栽前施復(fù)合肥300 kg·hm-2，尿素75 kg·hm-2；分蘗期施復(fù)合肥225 kg·hm-2，尿素120 kg·hm-2；幼穗分化期施復(fù)合肥75 kg·hm-2。硅鈣鉀鎂肥4個(gè)用量水平施氮均為180 kg·hm-2；施磷（P2O5）分別為154.4、186.5、218.7、250.9 kg·hm-2；施鉀（K2O）分別為133.1、154.6、176.1、197.6 kg·hm-2，其中，尿素和復(fù)合肥的施肥量和施肥時(shí)期同農(nóng)民習(xí)慣施肥。硅鈣鉀鎂肥全作基肥，所有肥料均表面撒施。

1.3 樣品采集與分析

采用“S”型取樣法采集試驗(yàn)開始前的基礎(chǔ)土樣和2016年晚稻收獲后0～15、15～30、30～50和50～70 cm土層土壤樣品，分析土壤陽離子交換量（CEC）、pH、電導(dǎo)率以及有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、交換性Ca2+、交換性Mg2+、交換性K+、交換性Na+、交換性酸總量、交換性H+和交換性Al3+。

土壤陽離子交換量（CEC）采用乙酸銨交換法測定［14］；pH采用2.5∶1水浸提，酸度計(jì)（Seven Compact pH計(jì) S220，Mettler Toledo，上海）測定；電導(dǎo)率采用5∶1水浸提，電導(dǎo)率儀（Orion Star A212，Thermo Scientific，美國）測定［14］；交換性酸總量（交換性H+，交換性Al3+）采用1 mol·L-1KCl交換，中和滴定法測定［14］；交換性Ca2+、交換性Mg2+、交換性K+和交換性Na+采用1 mol·L-1乙酸銨浸提，原子吸收分光光度法（PinAAcle 900，PerkinElmer，美國）測定［14］；有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀采用常規(guī)分析方法［14］。

硅鈣鉀鎂肥的酸中和量采用0.1 mol·L-1H2SO4滴定已配制好的硅鈣鉀鎂肥懸液（固液比=1∶5）至pH5.0，然后根據(jù)H2SO4消耗量計(jì)算出硅鈣鉀鎂肥的酸中和量［15］。

土壤酸堿緩沖容量分析方法［16］：稱取過2 mm篩的風(fēng)干土樣2.5 g于塑料離心管中，每個(gè)管中準(zhǔn)確加入25 mL濃度分別為0、0.002、0.004、0.008、0.016、0.032 mol L-1系列HNO3溶液和相同濃度的系列NaOH溶液，然后在25 ℃條件下震蕩24 h，培養(yǎng)6 d，測量前再震蕩30 min后測定懸液的pH，土壤酸堿緩沖容量（pH buffer capacity，pHBC）的計(jì)算參照Nelson 和Sun［17］描述的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

堿產(chǎn)生量（Net alkalinity production，NAP）［18］=式中，pHT和pHCK分別代表添加硅鈣鉀鎂肥處理和農(nóng)民習(xí)慣施肥處理的pH。式中，ΔpH為試驗(yàn)開始前與結(jié)束后的土壤pH變化量；pHBC為試驗(yàn)結(jié)束后的土壤酸堿緩沖容量，mmol·kg-1·pH-1；BD為試驗(yàn)結(jié)束后的土壤容重，g·cm-3；V為單位面積下某一深度的土壤體積，m3·hm-2；T為試驗(yàn)時(shí)間，a。

文中所有圖表和數(shù)據(jù)采用SigmaPlot10和Excel 2010進(jìn)行繪圖和數(shù)據(jù)整理，采用SPSS16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。不同處理間土壤屬性顯著性差異采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD0.05）多重比較進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1 硅鈣鉀鎂肥對土壤pH的影響

由圖1 可見，與C K 處理相比，C K+T 5 0、CK+T75、CK+T100和CK+T125處理對0～30 cm土壤pH有明顯影響，對30 cm以下影響不明顯。其中，0～15 cm分別提高了1.22、1.31、1.57和1.58個(gè)pH單位；15～30 cm分別提高了0.35、0.37、0.42和0.64個(gè)pH單位。由此可見，土壤pH的提高幅度在0～15 cm明顯高于15～30 cm，其中，0～15 cm達(dá)到了施1 t·hm-2硅鈣鉀鎂肥提高0.1個(gè)pH單位（y=0.10x+4.62，R2=0.85）；15～30 cm僅為施1 t·hm-2硅鈣鉀鎂肥提高0.04個(gè)pH單位（y=0.04x+5.93，R2=0.93），并且在0～15 cm和15～30 cm均表現(xiàn)出隨硅鈣鉀鎂肥用量增加而顯著增大的趨勢。

圖1 硅鈣鉀鎂肥處理下的土壤剖面pH（土水比為1∶2.5）Fig. 1 Soil pH（ratio of soil to water is 1∶2.5）in the soil profile relative to treatment

2.2 硅鈣鉀鎂肥對土壤交換性酸的影響

經(jīng)過4 a 8季連續(xù)定位施肥試驗(yàn)，各施肥處理的土壤交換性酸發(fā)生了明顯變化。由圖2可見，與CK處理相比，CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125處理的土壤交換性酸總量在0～30 cm顯著降低，30 cm以下無明顯變化，其中0～15 cm分別降低了75.02%、78.95%、80.57%和84.02%；15～30 cm分別降低了32.31%、47.69%、49.74%和51.28%?？梢?，硅鈣鉀鎂肥用量越高，土壤交換性酸總量的降低幅度相對越大，并且降低量在0～15 cm明顯高于15～30 cm。

土壤交換性酸總量是由交換性H+和交換性Al3+組成。由圖2可見，施肥處理對0～30 cm土壤交換性H+和Al3+有明顯影響，其中，CK處理的土壤交換性酸（H+和Al3+）最高，土壤交換性Al3+占交換性酸總量的比例也相應(yīng)最高，在0～15 cm和15～30 cm分別達(dá)到了77.51%和44.62%；CK+T50和CK+T75其次，土壤交換性Al3+占交換性酸總量的比例在0～15 cm 分別為57.57%和54.55%，在15～30 cm分別為23.49%和0%；CK+T100和CK+T125處理的土壤交換性酸相對最低，土壤交換性Al3+占交換性酸總量的比例也相應(yīng)最小，在0～15 cm分別為48.77%和48.5%，在15～30 cm幾乎為零。由此說明，硅鈣鉀鎂肥處理較農(nóng)民習(xí)慣施肥處理不僅顯著降低了土壤交換性H+和Al3+，而且也降低了土壤交換性Al3+占交換性酸的比例，用量越高，降低的幅度相對越大。研究表明，土壤交換性H+和Al3+對交換性酸的貢獻(xiàn)大小與土壤酸化程度有關(guān)，酸化程度越嚴(yán)重，交換性Al3+所占比例越高［20］。這與本研究結(jié)果基本一致。

圖2 硅鈣鉀鎂肥處理下的土壤剖面交換性酸Fig. 2 Exchangeable acid in the soil profile relative to treatment

2.3 硅鈣鉀鎂肥對土壤電導(dǎo)率的影響

土壤浸出液的電導(dǎo)率（EC）能反映土壤可溶性鹽含量，可指示土壤水溶性離子濃度［14］。于晚稻收獲后測定0～70 cm土壤電導(dǎo)率，結(jié)果如圖3，硅鈣鉀鎂肥處理的EC較CK處理在0～30 cm均有所提高，其中，CK+T100和CK+T125處理的提高幅度最大，均達(dá)到了顯著性差異水平；CK+T75處理次之，CK+T50處理的提高幅度相對最小，差異不顯著。由此可見，連續(xù)4 a 8季施用硅鈣鉀鎂肥，每季用量在1 500 kg·hm-2以上可有效提高0～30 cm土壤溶液中離子濃度。土壤水溶性離子濃度的增加可能會補(bǔ)充土壤交換性鹽基離子，增加土壤交換性鹽基總量。

圖3 硅鈣鉀鎂肥處理下的土壤剖面電導(dǎo)率（土水比為1∶5）Fig. 3 Electrical conductivity（ratio of soil to water is 1∶5）in the soil profile relative to treatment

2.4 硅鈣鉀鎂肥對土壤交換性鹽基離子的影響

與土壤電導(dǎo)率提高相對應(yīng)，C K+T 5 0、CK+T75、CK+T100和CK+T125處理的土壤交換性鹽基總量較CK處理在0～30 cm均有所增加（表2）。其中，增幅在0～15 cm分別為110.6%、119.8%、133.6%和136.8%，各處理均達(dá)到了顯著性差異水平；在15～30 cm分別為5.39%、10.73%、11.68%和12.98%，僅CK+T125處理差異顯著?？梢?，土壤交換性鹽基總量的增加主要集中在0～15 cm土層，并且隨硅鈣鉀鎂肥用量的增加而明顯增大。由于土壤交換性鹽基總量的增加，CK+T50、CK+T75、CK+T100和C K+T 1 2 5 處理的鹽基飽和度較C K 處理在0～30 cm也相應(yīng)顯著增大，增幅大小順序?yàn)椋篊K+T125＞CK+T100＞CK+T75＞CK+T50，0～15 cm明顯高于15～30 cm?？梢?，硅鈣鉀鎂肥對土壤鹽基飽和度的影響與交換性鹽基總量相似，硅鈣鉀鎂肥用量越大，土壤鹽基飽和度相對越高，且對0～15 cm影響最大，15～30 cm其次，30 cm以下影響最小。

土壤交換性鹽基總量是由交換性Na+、Ca2+、Mg2+和K+四種離子構(gòu)成。由表2可知，與CK處理相比，CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125處理的土壤交換性Ca2+、Mg2+、K+在0～15 cm均有所增加，其中，土壤交換性Ca2+的增加量相對最大，分別為1.78、1.96、2.20、2.20 cmol·kg-1；土壤交換性Mg2+次之，分別為0.87、0.92、1.00、1.07 cmol·kg-1，各處理差異均顯著；土壤交換性K+的增加量相對最小，分別為0.02、0.03、0.04和0.06 cmol·kg-1，僅CK+T100和CK+T125處理達(dá)到了顯著性差異水平。CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125處理的土壤交換性Ca2+、Mg2+較CK處理在15～30 cm同樣表現(xiàn)出增加趨勢，其中CK+T125處理達(dá)到了顯著性差異水平；土壤交換性K+較CK處理在15～30 cm差異不顯著。由此說明，土壤交換性Ca2+、Mg2+和K+含量的增加量主要集中在0～15 cm，并且隨硅鈣鉀鎂肥施用量的增加而顯著增大，多次大量施硅鈣鉀鎂肥有利于Ca2+、M g2+向1 5 c m 以下土層移動，對K+幾乎無明顯影響。

2.5 硅鈣鉀鎂肥對土壤陽離子交換量和土壤酸堿緩沖容量的影響

CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125處理的土壤陽離子交換量（CEC）在0～50 cm土層略高于CK處理（表2），但差異均不顯著。研究表明，長期施石灰可以提高土壤CEC［20-22］，歸因于土壤有機(jī)質(zhì)含量增加和石灰用量大。Houle等［21］及Moore等［22］研究發(fā)現(xiàn)石灰用量在5 t·hm-2才有明顯效果。本研究中土壤CEC表現(xiàn)出增加趨勢，但不顯著，可能與施用量較少和施用時(shí)間較短有關(guān)。

土壤pH是評價(jià)土壤酸化的強(qiáng)度指標(biāo)，土壤酸堿緩沖容量（pHBC）是土壤pH改變一個(gè)單位情況下所添加酸或堿的當(dāng)量，是容量指標(biāo)［17,19］。由表3可知，與CK處理相比，CK+T75、CK+T100和CK+T125處理的pHBC在0～15 cm均有所增加，其中，CK+T100和CK+T125處理達(dá)到了顯著性差異水平，增幅分別為34.85%和48.51%。15～30 cm同樣表現(xiàn)出增加趨勢，但差異不顯著。由此說明，硅鈣鉀鎂肥在雙季稻上每季用量為1 500和1 875 kg·hm-2，且連續(xù)施用8季，可有效提高表層土壤酸堿緩沖容量。

2子離基鹽性換交面剖壤土下理處肥鎂鉀鈣硅表tnemtaert ot evitaler eliforp lios eht ni noitarutas esab dna CEC,noitac esab elbaegnahcxE 2 elbaT+++2+2 aN K gM aC量換交子離陽量總基鹽性換交性換交性換交性換交性換交esaB度和飽基鹽理處層土+++2+2 CEC snoitac esab elbaegnahcxE aN elbaegnahcxE K elbaegnahcxE gM elbaegnahcxE aC elbaegnahcxE/noitarutas stnemtaerT sreyal lioS%111111------)gk·lomc(/)gk·lomc(/)gk·lomc(/)gk·lomc(/)gk·lomc(/)gk·lomc(/c86.4 77.04 a03.009.5 b93.014.2 a10.011.0 c00.011.0 c80.072.0 b13.029.1 KC mc 51 0±±±±±±±～b90.2 92.58 a34.059.5 a94.080.5 a20.011.0 cb20.031.0 b60.041.1 a34.007.3 05T+KC±±±±±±±ba08.1 97.78 a45.040.6 a55.013.5 a30.090.0 cba10.041.0 ba11.091.1 a44.098.3 57T+KC±±±±±±±ba77.1 22.98 a14.023.6 a64.046.5 a20.001.0 ba20.051.0 ba30.062.1 a64.031.4 001T+KC±±±±±±±a31.1 80.19 a83.072.6 a24.027.5 a30.090.0 a10.071.0 a41.043.1 a62.021.4 521T+KC±±±±±±±c57.0 60.98 a13.059.5 b82.003.5 a10.031.0 a10.060.0 b60.038.0 b32.072.4 KC mc 0351±±±±±±±～b02.2 36.29 a03.020.6 ba14.085.5 a20.090.0 a10.060.0 ba11.059.0 ba23.084.4 05T+KC±±±±±±±ba09.0 45.49 a62.012.6 ba22.078.5 a20.001.0 a10.060.0 ba01.020.1 ba03.096.4 57T+KC±±±±±±±ba95.0 67.49 a23.042.6 ba33.029.5 a20.080.0 a00.070.0 ba41.030.1 ba32.037.4 001T+KC±±±±±±±a44.0±79.49 a11.0±03.6 a11.0±89.5 a20.0±01.0 a10.0±70.0 a90.0±70.1 a50.0±57.4 521T+KC a20.0 01.59 a44.096.7 a24.013.7 a20.060.0 a00.070.0 a60.003.1 a74.088.5 KC mc 0503±±±±±±±～a55.0 74.59 a53.067.7 a73.014.7 a00.060.0 a00.080.0 a11.042.1 a54.030.6 05T+KC±±±±±±±a04.0 41.59 a13.009.7 a13.025.7 a00.060.0 a00.070.0 a60.082.1 a52.001.6 57T+KC±±±±±±±a55.0±36.59 a05.0±19.7 a54.0±75.7 a00.0±60.0 a10.0±80.0 a50.0±82.1 a14.0±51.6 001T+KC a73.0 67.59 a72.090.8 a32.057.7 a10.070.0 a00.080.0 a50.073.1 a91.032.6 521T+KC±±±±±±±a44.0 03.69 a63.028.8 a33.094.8 a00.060.0 a00.080.0 a60.045.1 a82.018.6 KC mc 0705±±±±±±±～a74.0 10.79 a45.079.8 a65.007.8 a00.060.0 a10.090.0 a90.084.1 a15.070.7 05T+KC±±±±±±±a96.0 19.69 a36.039.8 a76.056.8 a00.060.0 a00.080.0 a01.045.1 a95.089.6 57T+KC±±±±±±±a41.0 54.69 a66.048.8 a56.035.8 a00.060.0 a00.070.0 a60.005.1 a06.009.6 001T+KC±±±±±±±a02.0 48.69 a32.078.8 a22.095.8 a00.060.0 a00.070.0 a30.016.1 a02.048.6 521T+KC±±±±±±±P nmuloc emas eht ni srettel tnereffid ehT .noitaived dradnats naem fo era elbat eht ni atad eht :etoN 50.0＜±同下。）（著顯異差示表母字同不列同，差準(zhǔn)標(biāo)±值均平為據(jù)數(shù)中表：注P woleb emas ehT .)50.0＜( ecnereffid tnacifingis naem

對于酸性土壤且同一種土壤質(zhì)地而言，土壤p H B C 的變化主要受土壤有機(jī)質(zhì)和C E C 的影響［17］。相關(guān)研究表明，土壤CEC與pHBC之間呈顯著正相關(guān)，土壤CEC越高，土壤酸堿緩沖性能越大［17］。本研究采用線性回歸方程對土壤CEC與pHBC之間關(guān)系進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，硅鈣鉀鎂肥連續(xù)施用8季后，0～15 cm土壤CEC與pHBC呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系（y=0.037x+5.19，R2=0.87，P=0.02），這與前人研究結(jié)果基本一致。說明硅鈣鉀鎂肥導(dǎo)致的土壤酸堿緩沖容量變化主要?dú)w因于土壤陽離子交換量的增加。

2.6 硅鈣鉀鎂肥對土壤堿產(chǎn)生量的影響

酸化率（AR）和堿產(chǎn)生量是土壤pH變化量與土壤酸堿緩沖容量的函數(shù)。由表3可見，在雙季稻上經(jīng)過4 a 8季連續(xù)施肥后，CK處理的土壤pH由試驗(yàn)前的4.7降低到了4.36，下降了約0.34個(gè)單位，導(dǎo)致0～30 cm土壤明顯酸化，土壤酸化率即每年質(zhì)子產(chǎn)生量達(dá)到了2.86 kmol·hm-2·a-1。與之相反，在農(nóng)民習(xí)慣施肥基礎(chǔ)上增施一定量硅鈣鉀鎂肥能有效阻止該酸化進(jìn)程，顯著增加0～30 cm土壤堿量。CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125處理的堿產(chǎn)生量在0～30 cm分別達(dá)到了9.69、10.53、16.2和18.44 kmol·hm-2·a-1，其中，0～15 cm土層所占比例達(dá)80%以上?？梢?，土壤堿產(chǎn)生量隨硅鈣鉀鎂肥用量的增加而明顯增大，并且主要集中在0～15 cm土層。

表3 土壤酸堿緩沖容量與堿產(chǎn)生量Table 3 pH buffer capacity(pHBC) and net alkalinity production

2.7 交換性鹽基離子釋放與交換性酸消耗之間的關(guān)系

硅鈣鉀鎂肥處理的交換性鹽基離子釋放量為CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125處理的交換性鹽基離子含量與CK處理相減而得；同理，硅鈣鉀鎂肥處理的土壤交換性酸消耗量是CK處理的土壤交換性酸含量與CK+T50、CK+T75、CK+T100和CK+T125處理間的差值。由圖4可見，硅鈣鉀鎂肥在土壤中釋放的交換性鹽基離子總量與土壤交換性酸消耗量有良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為y=1.043x+0.145。由此說明，土壤交換性酸消耗量中硅鈣鉀鎂肥釋放在土壤中的交換性鹽基離子和相應(yīng)堿貢獻(xiàn)了104.3%，換言之，土壤交換性酸的減少主要由硅鈣鉀鎂肥釋放的鹽基離子和相應(yīng)堿所消耗。

3 討 論

3.1 硅鈣鉀鎂肥對稻田土壤酸度的影響

圖4 土壤交換性酸消耗量與鹽基離子釋放量之間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between exchangeable acid consumption and release of base cations from SCPM in the soil

本研究結(jié)果表明，農(nóng)民習(xí)慣施肥處理在每季水稻施氮量為360 kg·hm-2，連續(xù)施用8季后土壤pH由試驗(yàn)前的4.7降低到了4.36，下降了約0.34個(gè)單位，導(dǎo)致0～30 cm土壤明顯酸化，酸化率即質(zhì)子產(chǎn)生量達(dá)到了2.86 kmol·hm-2·a-1。Cai等［19］報(bào)道南方紅壤旱地施氮量為300 kg·hm-2·a-1時(shí)，產(chǎn)生3.2～3.9 kmol·hm-2·a-1質(zhì)子。Noble等［23］研究表明，在甘巴草（Gamba grass）上每年施銨態(tài)氮肥287 kg·hm-2產(chǎn)生16.6 kmol·hm-2·a-1質(zhì)子，施同樣量的硝態(tài)氮肥僅產(chǎn)生5.6 kmol·hm-2·a-1質(zhì)子。與這些研究相比，本研究結(jié)果相對較低，這是因?yàn)榈咎镅退畢捬鯒l件下硝化作用相對較弱，硝酸鹽向耕層以下淋洗量相對較少，質(zhì)子產(chǎn)生量主要以水稻永久性移除為主。相反，在旱地好氧條件下將有大量硝酸鹽產(chǎn)生并隨土壤溶液向下淋溶，從而產(chǎn)生大量的質(zhì)子。在農(nóng)民習(xí)慣施肥基礎(chǔ)上增施一定量硅鈣鉀鎂肥可以有效阻止土壤酸化進(jìn)程，C K+T 5 0、C K+T 7 5、CK+T100和CK+T125處理的堿產(chǎn)生量分別達(dá)到了9.69、10.53、16.2和18.44 kmol·hm-2·a-1。Lesturgez等［24］報(bào)道石灰施用量為1.5 t·hm-2時(shí)，豇豆—玉米輪作和裸地休閑兩種種植模式下堿產(chǎn)生量分別為5.95和7.25 kmol·hm-2·a-1。與之相比，本研究的堿產(chǎn)生量相對較高。究其原因，（1）稻田生態(tài)系統(tǒng)中質(zhì)子產(chǎn)生量較旱地相對較少，中和質(zhì)子后殘留的堿相對較多；（2）硅鈣鉀鎂肥堿度較石灰相對較低，但鹽基離子含量相對較高。硅鈣鉀鎂肥的堿度為2.2 mol·kg-1，每年施入稻田土壤的堿量分別為3.30、4.95、6.60、8.25 kmol·hm-2。而實(shí)際硅鈣鉀鎂肥在稻田土壤產(chǎn)生的堿量遠(yuǎn)高于施入的堿量，這是因?yàn)楣桠}鉀鎂肥主要由38%的硅酸鈣鎂、20%氟磷灰石、20%鉀石膏和17%白云石等礦物組成，所測定的酸中和量僅為酸可以中和的那一部分堿性物質(zhì)，對于硅鈣鉀鎂肥而言，僅有17%白云石和部分硅酸鈣鎂可被酸有效中和，所以酸中和量僅能反映硅鈣鉀鎂肥中一部分堿度，對鉀石膏和氟磷灰石的堿度基本無法反映。而實(shí)際上，鉀石膏和氟磷灰石進(jìn)入稻田土壤后同樣產(chǎn)生大量堿，并且起主要作用。

鹽基養(yǎng)分對維持水稻健康生長至關(guān)重要。相關(guān)研究［10-13］表明，硅鈣鉀鎂肥在提高土壤交換性Ca2+、Mg2+、K+和有效硅含量等方面表現(xiàn)出良好的效果，但是作為土壤改良劑，用量多少才可有效改良耕層以下土壤酸性，仍未明確。Goulding［6］研究表明，對于初始pH為5.0～6.2的土壤，石灰推薦量在不同質(zhì)地上為3～14 t·hm-2。Long等［25］發(fā)現(xiàn)一次施用石灰?guī)r22.4 t·hm-2，土壤pH、交換性Ca2+和Mg2+的增加能到達(dá)35～45 cm。石灰施用后對耕層以下土壤的改良效果與用量和施用次數(shù)有關(guān)［26］。本研究結(jié)果顯示，在南方雙季稻地區(qū)，硅鈣鉀鎂肥用量每季在1 500 kg·hm-2以上，且連續(xù)施用8季可顯著改良亞表層（15～30 cm）土壤酸性，同時(shí)有效補(bǔ)充耕層和亞表層土壤鹽基養(yǎng)分。

3.2 硅鈣鉀鎂肥對稻田土壤酸度改良作用機(jī)制探討

目前常用的酸化土壤改良材料主要有石灰、硅酸鹽、碳酸鹽、白云石粉或白云石灰?guī)r、堿渣和石膏等物質(zhì)。研究表明，石灰施入土壤后水解產(chǎn)生OH-和能有效中和土壤H+，顯著提高土壤pH［27］。當(dāng)大量或長期多次施石灰于表層土壤后，伴隨著Ca2+將由表層土壤移動至亞表層土壤，從而提高亞表層土壤鹽基離子含量和pH［25］。石膏或堿渣中含有大量的由于這些帶負(fù)電荷，容易向表層土壤以下淋溶，在此過程中與土壤表面的OH-發(fā)生配位交換反應(yīng)，生成大量OH-而提高表層和亞表層土壤的pH，同時(shí)，攜帶的鹽基離子可與表層和亞表層土壤的交換性酸進(jìn)行交換反應(yīng)，降低土壤交換性酸含量［27］。硅酸鹽具有較高的可溶性，進(jìn)入土壤后由于水解產(chǎn)生OH-，同樣可提高土壤pH。此外，硅酸鹽具有較強(qiáng)的可移動性，在多次大量施用下同樣可攜帶鹽基離子由表層移動至亞表層，提高亞表層鹽基離子含量和土壤pH［28］。與石灰相比，硅酸鹽在提高pH、交換性Ca2+、Mg2+和作物產(chǎn)量以及減少交換性Al3+方面的效果相對更好［29］，并且隨硅酸鹽用量的增加，土壤p H、交換性C a2+和M g2+及鹽基飽和度顯著增加，交換性酸和交換性A l3+顯著降低［30］。另外一類改良材料是白云石粉或白云石灰?guī)r，主要成分是C a M g(C O3)2。白云石灰?guī)r一次性施入土壤后交換性A l3+逐年降低，交換性C a2+和M g2+逐年升高［25］，并且隨白云石粉用量的增加，土壤p H、交換性C a2+、M g2+和鹽基飽和度呈線性或二次方增加，交換性酸呈二次方降低［21-22］，在白云石粉基礎(chǔ)上配施石膏，效果相對更顯著［31］。

本研究結(jié)果表明，農(nóng)民習(xí)慣施肥導(dǎo)致土壤pH、交換性鹽基和鹽基飽和度顯著降低，土壤交換性酸和交換性Al3+大幅增加，這是因?yàn)樵跓o鹽基補(bǔ)充的情況下，每年永久性生物量移除和氮肥用量過多導(dǎo)致的結(jié)果［1］。硅鈣鉀鎂肥由于含有硅、鈣、鎂、磷、鉀等營養(yǎng)元素，可有效補(bǔ)充損失的部分。本研究結(jié)果顯示，在雙季稻區(qū)連續(xù)4 a 8季施硅鈣鉀鎂肥，稻田0～30 cm土壤pH、交換性鹽基和鹽基飽和度隨用量的增加而顯著提高，土壤交換性酸，特別是土壤交換性Al3+隨用量的增加而顯著降低。本研究結(jié)果與上述前人的結(jié)論基本一致。本研究中選用的硅鈣鉀鎂肥，主要由氟磷灰石（Ca5F(PO4)3）、鉀石膏（K2Ca(SO4)2·H2O）、白云石（CaMg(CO3)2）和硅酸鈣鎂（Ca2Mg5H2(SiO3)8）等礦物組成。這些成分?jǐn)y帶鹽基離子與土壤交換性酸進(jìn)行交換反應(yīng)，增加土壤交換性鹽基總量，降低土壤交換性酸，其中，鉀石膏含有和硅酸鈣鎂含有的作為穩(wěn)定的陰離子在多次大量施用條件下，可攜帶鹽基離子向下淋溶至15～30 cm，甚至30～50 cm，從而提高亞表層土壤鹽基離子總量和鹽基飽和度，降低亞表層土壤交換性酸，有效改良亞表層土壤酸性。這些陰離子在表層或亞表層同樣可發(fā)生水解或?qū)Ｐ晕?，有效中和土壤中的H+和Al3+，提高土壤pH，此外，硅鈣鉀鎂肥中硅酸鹽具有很強(qiáng)的移動性，可與表層和亞表層土壤Al3+發(fā)生反應(yīng)，生成羥基鋁硅酸鹽沉淀，降低Al3+活性［29］。

Shi等［32］通過室內(nèi)酸化模擬試驗(yàn)研究表明：生物質(zhì)炭的鹽基離子釋放占質(zhì)子消耗的67%，是土壤酸堿緩沖容量增加的主要作用機(jī)制，可溶性硅與質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)占質(zhì)子消耗的20%。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤交換性酸消耗量中硅鈣鉀鎂肥釋放于土壤中的交換性鹽基離子和相應(yīng)堿貢獻(xiàn)了104.3%，是土壤交換性酸減少的主要作用機(jī)制，其他物質(zhì)如可溶性硅等未直接參與交換性酸的消耗。這與前人研究結(jié)果有所差異，究其原因本研究是在田間試驗(yàn)條件下進(jìn)行的，考察了土壤交換性Al3+和H+與鹽基離子的交換作用，更符合實(shí)際情況；而前人是在室內(nèi)模擬條件下進(jìn)行的，僅僅分析了溶液中質(zhì)子的中和反應(yīng)及交換作用，與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，因此與田間試驗(yàn)結(jié)果有所差異。

綜上所述，當(dāng)硅鈣鉀鎂肥連續(xù)多次施入稻田土壤表面后，一方面，釋放大量的鹽基離子與表層土壤交換性酸進(jìn)行交換反應(yīng)；另一方面，等陰離子攜帶Ca2+、Mg2+向下移動，與表層以下土壤交換性酸進(jìn)行交換反應(yīng)，同時(shí)的專性吸附和水解生產(chǎn)的OH-有效中和了交換下來的H+和Al3+。最終保證了硅鈣鉀鎂肥堿度的有效釋放，土壤pH大幅提高。

4 結(jié) 論

硅鈣鉀鎂肥的合理施用對改善農(nóng)田養(yǎng)分管理、提高尾礦治理水平和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。連續(xù)4 a不同用量硅鈣鉀鎂肥田間定位試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）農(nóng)民習(xí)慣施肥降低了土壤pH、交換性鹽基離子含量，增加了土壤交換性酸，導(dǎo)致土壤酸化，酸化率達(dá)到了2.88 kmol·hm-2·a-1；（2）硅鈣鉀鎂肥顯著增加了表層（0～15 cm）土壤交換性Ca2+、Mg2+、K+和鹽基飽和度，用量越高，增加量越大，并且Ca2+、Mg2+等鹽基離子向下移動的量相對越多，用量在1 875 kg·hm-2時(shí)顯著提高了亞表層（15～30 cm）土壤交換性Ca2+、Mg2+；同時(shí)減少了表層和亞表層土壤交換性酸，特別是土壤交換性Al3+。硅鈣鉀鎂肥釋放的鹽基離子和堿是交換性酸減少的主要途徑；（3）硅鈣鉀鎂肥能提高南方稻田表層和亞表層土壤pH和酸堿緩沖容量，有效改良土壤酸性，并產(chǎn)生大量堿，在0～30 cm達(dá)到了9.93～13.82 kmol·hm-2·a-1，在本研究范圍內(nèi)用量越大，效果越明顯。