长期施肥下红壤酸化特征及影响因素

由于不合理农业措施导致我国红壤地区土壤酸化严重,造成铝、锰等对植物的毒害以及钙、镁等营养元素的缺乏,已严重影响了整个地区农业的持续发展。本研究以湖南祁阳典型红壤上进行不同施肥长期定位试验为基础,经过18年监测分析了长期施肥下红壤酸化特征;并结合盆栽试验探讨了小麦和玉米的酸害pH;从氮肥矿化的角度通过培养试验和淋溶试验对红壤酸化驱动机制进行研究,为减缓红壤酸化合理施肥模式的提出提供理论依据。主要研究结果如下: (1)在红壤旱地上,长期施用化学氮肥是加速红壤酸化的主要原因;施肥18年后,施用化学氮肥处理红壤pH降低了1.11-1.56个单位,其中pH降低幅度最大的是单施氮肥(N)和化学氮钾肥(NK)处理分别降低了1.56和1.53个单位,其次是化学氮磷肥(NP)、化学氮磷钾(NPK)和化学氮磷钾加秸秆还田(NPKS)处理pH分别降低了1.28、1.28和1.11个单位;不施肥(CK)和化学磷钾肥(PK)处理施肥18年后土壤pH没有发生显著变化;施用有机肥能维持和提高红壤pH,以单施有机肥(M)pH升高最大,施肥18年升高了0.92个单位。 (2)红壤pH降低主要发生在施肥的前8～14年,即当土壤pH>4.6时;NP、NPK和NPKS处理土壤pH分别经过9、8和8年施肥达到稳定,稳定pH分别为4.5、4.5和4.6;而N和NK处理分别需要12和14年施肥达到稳定pH4.2。施用化学氮肥处理实际酸化速率为4.0-6.7 kmol(H+)/hm2/a,每年需要371-614 kg/hm2的石灰来中和产生的酸,其中实际酸化速率的大小顺序为NPK>NP、NPKS>N、NK,可见配施化学磷肥能进一步加速红壤酸化。 (3)施用化学氮肥处理施肥18年后,土壤交换性铝增加了5.34-6.57 cmol/kg、交换性盐基离子降低了3.83-6.52 cmol/kg、盐基饱和度降低了50.8%-73.4%;红壤酸化严重限制了作物的生长,经相关分析表明作物产量与土壤pH呈极显著正相关;通过盆栽试验研究表明,小麦和玉米的酸害pH分别为6.03和5.92,当土壤pH值低于酸害pH值时,pH每降低1个单位生物量分别减少40.0%和25.7%,可见小麦对酸害的敏感性强于玉米。 (4)化肥配施有机肥(NPKM)和单施有机肥(M)能改善红壤酸度,施肥18年后土壤交换性铝含量分别为0.17和0 cmol/kg、盐基离子总量分别增加了3.68和4.82 cmol/kg、阳离子交换量分别增加了3.67和4.71 cmol/kg;施用有机肥促进了作物对养分吸收利用,维持作物高产,尤其是化肥配施有机肥能获得持续的最高产量,是红壤区土壤培肥和持续高产的最佳施肥模式。 (5)施氮量是影响红壤酸化的主要原因之一,随施氮量的增加硝化潜势从49.07 mg/kg增至335.62 mg/kg;当施氮量小于200 kgN/hm2时,对红壤pH没有显著影响,而施氮量200和400kgN/hm2时,培养结束后pH分别降低了0.29和0.69个单位,土壤明显酸化;配施秸秆不能降低硝化潜势,但减小了硝化速率;有机氮肥替代化学氮肥,能降低硝化潜势,减缓土壤pH降低,随有机肥施用比例的增加硝化潜势从148.17mg/kg降低到66.97mg/kg,土壤pH从4.97升至5.29。 综上所述,长期单施化学氮肥和化学氮肥配施磷钾肥以及秸秆还田,均加速了红壤酸化,而不施肥和化学磷钾肥配施红壤酸化不明显,可见施用化学氮肥是加速红壤酸化的主要原因;单施有机肥和配施有机肥能维持和改善红壤酸度,尤其是无机肥配施有机肥能获得持续的最高产量,是红壤区最佳的施肥模式。