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学术交流

2016/7/16南方地区红壤酸化及综合防治技术

文/中国农业科学院 徐明岗 文石林 周世伟 孙楠

引言

红壤是我国南方地区重要的土壤类型之一,遍及湖南、江西、福建、广西等13个省(区),总面积约5690万公顷,占全国土壤总面积的6.5%,pH值多在5.5以下,酸性强,需要改良才能利用。本团队历经20年,深入研究了湖南、江西、福建和广西等省(区)长期不同施肥和种植模式下,红壤酸化的特征、机理、酸缓冲性能和酸化速率等,结合野外监测和调查,利用盆栽试验研究了红壤酸化中土壤pH值、铝离子浓度对作物生长的毒害阈值和机理,提出了红壤酸化的综合防治技术。

一、阐明我国南方红壤酸化特征

野外取样分析表明,自第二次土壤普查以来,南方红壤pH值下降了0.2~1.2个单位,平均下降0.5~0.6个单位。湖南省红壤旱地土壤pH值变化范围为4.5~6.1,为偏酸性和酸性土壤,其中,pH≤5.5的酸性土壤占样本总数的70.2%;福建土壤pH值下降了0.4个单位,广西和江西分别下降了约0.6个单位。

不仅粮田土壤存在酸化现象,果园和菜园的土壤酸化也很严重。广西红壤的柑桔、荔枝、龙眼和芒果4种果园151个样品统计结果显示,pH值小于4.5的强酸性果园,以及pH值在4.5~5.5之间的酸性果园分别占样本总数的34%和49%,比1980年分别增加了19%和11%,酸化趋势越来越严重,且具有普遍性,应给予重视。

二、探明红壤酸化的影响因素

1.施肥不科学,结构不合理,偏施氮肥加速土壤酸化。据统计,红壤区化肥施用量是1980年的1.7~4.6倍,有机肥施用量减少了近一半,占总施肥量比例不足5%。监测结果表明,长期施用化肥氮肥,20年后土壤pH值从5.7降到4.5左右,尤其是单施氮肥和氮钾肥配施的土壤,pH值已经降到了4.2。相反,施用有机肥的土壤,pH值则保持稳定或有所增加。

2.不合理的连作制度加速了土壤酸化。研究发现,连作模式比轮作模式土壤酸化现象更明显,连作模式的土壤pH值比轮作降低0.2个单位。

3.大气酸沉降和酸雨加剧土壤酸化。湖南省在酸沉降中氮的带入量以NH4+-N为主,为NOX--N的2.4倍;干湿相比较而言,以干沉降为主,占比62.8%。福建全省23个列入统计的城市中,有20个城市出现酸雨。

三、揭示长期偏施或过量施用化肥对红壤酸化的作用机理

1.土壤交换性酸、铝离子和氢离子含量增加。偏施或过量施用化肥(N、NP、NK和NPK)土壤交换性氢离子是不施肥对照(CK)土壤的2倍,交换性铝比CK处理增加30倍左右,且随施肥年限的延长而增加;施有机肥(单施有机肥或化肥和有机肥配施)土壤交换性氢离子、铝离子比CK低,且土壤交换性酸、铝离子和氢离子含量随施肥年限延长呈下降趋势。

2.土壤盐基总量和盐基饱和度降低。施用氮肥和氮钾肥土壤的盐基总量与19年前相比,分别减少了6.52cmol/kg和6.25cmol/kg,盐基饱和度分别降低73.42%和70.91%,土壤中的钾、钠、钙、镁等阳离子减少。

3.土壤盐基离子下移并具有垂向变化特征。土壤pH值明显变小的拐点基本在土壤剖面50cm左右,说明近地表50cm的土壤处于酸化状态,有毒的可溶性铝离子大量溶出。

4.土壤营养元素流失和有效性降低。土壤酸化使盐基饱和度降低,土壤矿物质元素流失严重,土壤对磷酸根的固定能力增强,土壤中磷的有效性降低,有效性硼、硅等微量元素含量也有所降低,使土壤更趋贫瘠化。

5.土壤微生物类群、数量和土壤酶活性发生改变,不利于土壤培肥与修复。

6.在长期偏施或过量施用化肥的情况下,土壤的缓冲体系发生变化,由硅酸盐缓冲体系+交换性阳离子缓冲体系过渡为以风化矿物为主的铝缓冲体系,土壤的缓冲容量已经进入土壤有机质和土壤阳离子交换量无明显关系区域,土壤缓冲容量明显增加,提高了土壤修复难度和成本。红壤的平均酸化速度变化范围在0.482~3.788kmolH+/hm2/a之间,与土壤pH值下降趋势一致,单施氮肥和施氮钾肥土壤酸化速率最大。

四、探明红壤酸化对作物生长及产量的影响,确定了南方几种主要作物受铝毒害的阈值

1.长期施用化肥作物产量下降,变化趋势与土壤pH值呈正相关关系。

2.铝在作物体内积累导致铝毒害。铝毒首先影响作物根系,使根细胞的结构和功能受到损害,影响根的正常生长及生理功能;其次铝在根内大量沉积,阻碍养分吸收且可能抑制一些植物对钾的吸收;严重削弱作物养分运输能力,阻碍养分顺利到达植物需要供养的生长部分。

3.铝毒害严重抑制作物根系生长,使根系总量和根毛减少,大大减弱根系吸收水分的能力,影响水分的向上运输。

4.确定了几种作物pH值、铝毒害阈值。通过盆栽试验,证明大豆、玉米、小麦pH危害阈值在4.2~4.6之间,铝毒害阈值则因作物不同而发生变化:当土壤交换性铝为3.6cmol/kg,水溶性铝0.92cmol/kg,pH=4.3时,小麦遭受毒害;当土壤交换性铝为4.66cmol/kg、pH=4.6时,玉米遭受毒害;土壤交换性铝为3.8cmol/kg,水溶性铝达到1.03cmol/kg,pH=4.4时,油菜遭受毒害;土壤交换性铝为4.86cmol/kg,水溶性铝为1.96cmol/kg,pH=4.3时,大豆遭受毒害。

五、提出红壤酸化综合防治技术

1.化学改良技术

化学改良技术主要有白云石粉、石灰、碱性肥料、红壤改良调理剂等,效果明显,可使作物增产15%~21%。

1.1施用白云石粉

白云石粉是碳酸钙和碳酸镁以等分子比结晶的碳酸钙镁盐,施用白云石粉是改良酸性红壤的一种重要措施,不仅能改良酸性红壤,也能避免因施用石灰不均匀或用量过大对作物生长造成伤害。

油菜产量随白云石粉施用量增加而提高,但施用白云石粉油菜的农学效率随施用量的增加而下降,从增产效果及农学效率两方面考虑,白云石粉适宜用量为每公顷750~1125kg(表1)。

     

从增值幅度和增值率分析,随着白云石粉施用量的增加,增值和增值率均呈下降趋势(表2)。

1.2施用石灰

在红壤旱地施用石灰可提高土壤pH值和产量,施用375~1125kg/hm2的石灰有明显增产和防治土壤酸化效果(表3),该措施成本低、用量小、效果明显。

1.3施用红壤改良调理剂

红壤的特点是酸、粘、瘦、土壤pH值较低、有效养分缺乏,加入碱性无机物、海泡石粉,富含钙、镁及松散物(膨化珍珠)和有效养分等造粒而成的红壤调理剂,在大田多种作物上的试验结果表明,能够提高土壤pH值0.2~0.3个单位,增产幅度24%以上(表4)。

1.4施用碱性肥料

钙镁磷肥是一种弱碱性肥料,施用钙镁磷肥不仅可以给作物营养,还能降低土壤酸性,效果明显,成本适中,农民易接受。2002—2003年在红壤旱地大豆-花生中试验,在pH值为4.76的红壤旱地,氮、钾肥用量相同(花生、大豆施N量分别为150kg/hm2和90kg/hm2;施K2O量分别为180kg/hm2和120kg/hm2)的条件下,施用不同用量的钙镁磷肥可以提高土壤的pH值0.2个单位左右,增加花生、大豆的产量约10%,而施用过磷酸钙则会导致土壤酸化,且增产效果也较钙镁磷肥差(表5)。

2.生物防治技术种植耐酸牧草

种植禾本科和豆科牧草被公认是改良土壤和保护土壤的主要途径。研究表明(表6、表7),不同种植模式,经过3~5年,土壤有机质、阳离子代换量及氮、磷、钾等有效养分得以提高,土壤pH值一般升高0.3~0.5个单位。

3.施用有机肥和秸秆还田

3.1施用有机肥

土壤酸化最大的特点是土壤中交换性铝含量的增加导致作物受铝的危害,而红壤的有机质则是影响土壤交换性铝活度的重要因素。为了阐明红壤有机质含量与土壤活性铝的关系,对长期不同施肥土壤进行室内模拟实验,结果表明,不同肥料品种对土壤有机质累积不同,加入等量的铝后,土壤对铝的吸附能力不同,再次浸提出来的活性铝含量也不相同(表8)。

以上结果表明,施用有机肥可以降低代换性铝的含量,减轻铝的毒害,是改良红壤酸性的重要措施。因此,增施有机肥可以明显阻止土壤酸化,增加土壤的有机质含量,提高土壤肥力(表9)。与单施化肥比较,化肥和有机肥配合施用或单施有机肥,土壤pH值升高了0.2~0.3个单位,土壤中有机质、全氮、磷、钾,以及速效氮、磷、钾含量明显升高,这说明增施有机肥对土壤酸度和化学性状具有显著的改良作用。

对有机肥料用量与土壤酸度改良关系的研究发现,施用有机肥料不但能增加玉米生物产量,还能提高土壤pH值和养分,特别对提高土壤有机质和有效磷效果更显著(表10)。

3.2秸秆还田

红壤利用改良中,采用秸秆还田对土壤熟化的作用等进行了取土测试,结果表明,长期施用秸秆,同样能降低土壤铝毒害,提高土壤pH值0.3个单位左右(表11)。

从表11可以看出,秸秆还田处理土壤pH值高于施肥处理(NPK),而交换性铝和水溶性铝含量低于NPK处理。从不同剖面深度表现看出,对照(CK)、化肥处理(NPK)交换性铝和水溶性铝含量从上到下呈减少趋势,而秸秆则与其相反。这说明,秸秆对土壤表层酸化的改良效果明显。

对酸化的红壤旱地开展了秸秆用量改良酸度试验,结果表明,在酸化土壤上,施用秸秆(秸秆加入量按土壤的0.5%、1%、1.5%),能够提高土壤的pH值,表现开始土壤的pH值上升幅度大,随时间延长而下降,360天后,土壤的pH值上升0.2个单位以上(表12)。

此外,还有研究表明,甘蔗叶直接还田也能提高土壤pH值0.3个单位左右,还能使甘蔗产量提高4560~11262kg/hm2,增产幅度为2%~13.6%,平均增产8.9%。

以上结果表明,红壤利用改良中,长期施用有机肥和秸秆还田,可使土壤有机质增加,从而起到降低土壤铝毒和改善土壤酸度的作用,以耕层0~20cm最明显,并且可以向下延伸到20~50cm土层,有效改良和防治红壤酸化。  

                                     责编/刘荣




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