红壤区不同施肥处理对蔗区土壤酸化及甘蔗产量的影响

谭宏伟等

摘 要 以长期定位试验为基础，甘蔗为供试作物，不施肥为对照（CK），设化学氮磷钾肥（NPK）、化学氮磷钾肥+有机肥（NPKM）、化学氮磷钾+蔗叶还田（NPK+蔗叶）3种不同施肥处理，研究不同施肥条件下红壤pH的变化规律。结果表明：长期施用NPK肥，不仅导致红壤交换性酸和交换性铝的持续增加，而且对提高红壤中有效磷和有效钾含量效果不显著，同时不能确保甘蔗产量的持续增产；长期施用NPKM或NPK+蔗叶处理，降低了红壤中交换性酸和交换性铝的含量，不仅有助于减缓红壤酸化进程，而且显著提高红壤有效磷和有效钾的含量，同时有助于提高和维持较高的甘蔗产量。

关键词 甘蔗；不同施肥；红壤；酸化

中图分类号 S794.1 文献标识码 A

Abstract Based on a long-term experiment including no fertilizer（CK），chemical fertilizer（NPK）， chemical fertilizer+organic manure（NPKM）and chemical fertilizer+sugarcane leaves（NPKL）treatments， the effect of different fertilizers on soil acidification and sugarcane yield were analyzed. The results showed that the long term application of NPK would lead to increased soil exchangeable acidity and exchangeable Al content and lead to lower available phosphorous and potassium content in the soils in NPKM and NPKL treatments， and was not helpful to improve sugarcane yield sustainably； The long term application of NPKM and NPKL would lead to lower soil exchangeable acidity and exchangeable Al content， alleviated soil acidification， increased available phosphorous and potassium content and higher productivity.

Key words Sugarcane；Different fertilizations；Red soil；Soil acidification

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.07.007

红壤是中国热带、亚热带地区重要的土地资源，总面积达2.19×106 km2，其中耕地面积达2.80×107 hm2[1]。广西红壤面积达5.64×106 hm2，占全区土壤总面积的34.95%[2]。广西红壤是广西农业综合开发和林业发展的重要基地，亦是农业生产强度高和实现其高产出的地区之一[3-5]。

目前广西的甘蔗生产已发展成为广西经济的支柱产业之一[6]。然而广西蔗区主要分布于红壤区，土壤具有瘦、粘、pH值较低等特点[7-9]，并呈现出进一步酸化的趋势。目前广西红壤的酸化问题，已严重地威胁着广西农业，尤其是蔗区甘蔗生产的可持续发展和生态环境的平衡与稳定。研究认为，导致土壤酸化发生的2个基本过程：一是增加了土壤H+，二是土壤盐基减少；任何有利于这2个过程进行的人为因素都将导致或加重土壤酸化[10]。已有研究结果表明，长期施用化学氮肥18 a后pH降低了1.11～1.56个单位，是加速红壤酸化的主要原因之一，而且施氮量是影响红壤酸化的主要原因之一[11-12]。本课题组的研究结果发现，红壤区土壤酸化还影响土壤阳离子交换量和盐基饱和度，导致土壤养分失衡[13-16]。另一方面，有关红壤区酸性土壤的改良研究至今亦有诸多报道[17-18]。其中，施用石灰是其中最有效的办法之一，而实际上农业生产中有机物料的施用是最常见且经济可行的措施[19]。但比较不同施肥处理对土壤酸化的影响，尤其是基于长期定位试验的研究报道更少。

鉴于此，本研究以红壤为研究对象，甘蔗为供试作物，探讨长期不同施肥条件下蔗区土壤酸化的变化规律，旨在构建防治红壤区蔗区土壤酸化的施肥技术体系，为实现广西甘蔗生产的可持续性发展提供技术指导和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

红壤蔗区长期施肥定位试验位于广西壮族自治区来宾县城厢镇福隆村，海拔高度120 m，年平均气温20.2 ℃，最高温度33.5～36.0 ℃，≥10.0 ℃的积温6 820 ℃，年降雨量1 100～1 700 mm，年蒸发量1 708.4 mm，无霜期327 d，日照时数1 582～1 750 h。试验地处丘陵中部，土壤类型为第4纪红色粘土发育而成的红壤。1990年试验开始时的土壤基本性质为：有机质19.0 g/kg，全氮1.11 g/kg，全磷0.52 g/kg，全钾10.92 g/kg，碱解氮13.0 mg/kg，有效磷1.3 mg/kg、有效钾30.0 mg/kg，pH6.0，阳离子交换量（CEC）为6.27cmol（+）/kg，交换性酸和交换性铝分别为0.29、0.19 cmol（+）/kg。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 长期试验共设置4个处理，即：不施肥的对照（CK）、化学氮磷钾肥（NPK）、化学氮磷钾肥加有机肥（NPKM）、化学氮磷钾加蔗叶还田（NPK+蔗叶），试验小区面积为33.3 m2。其中，氮肥用尿素（含N 46%），磷肥用过磷酸钙（含P2O5 12.5%），钾肥用氯化钾（含K2O 60%），有机肥用农家堆沤粪肥（平均含N 7.1%、含P2O5 2.5%和含K2O 5.6%，其中有机N占总N的70%）。施肥处理均为等量化肥施入，不考虑有机肥和蔗叶中的氮、磷、钾投入。施用肥料用量详见表1。试验种植甘蔗，所有肥料基肥施用总施肥量的10%，追肥施用2次肥料量占总施肥的90%，各施肥处理管理方法相同。

1.2.2 样品采集及分析方法 土壤样品于甘蔗收获后采集，2000年后每隔2 a以相同取样方法采集1次。即：每个处理小区按“之”字形用土钻随机采取0～20 cm的5个土壤样品，混合均匀，室内自然风干后过1 mm筛备用。土壤pH采用电极法（水土比5 ∶ 1，型号：PHS-3CT型，上海康仪仪器有限公司）测定，土壤交换性酸采用1 mol/L KCl交换-中和滴定法测定，交换性铝采用采用氟化钾取代EDTA容量法测定，阳离子交换量采用1 mol/L KCl乙酸铵交换法测定，盐基总量采用加和法算出，盐基饱和度，即交换性盐基（EB）占阳离子交换量（CEC）的百分比。上述测定分析方法均参照鲍土旦[20]的方法。

2 结果与分析

2.1 不同处理中土壤交换性酸和交换性铝的年际变化

由表2可知，单一施用NPK处理，土壤交换酸和交换性铝均随着施用年限的增加而呈显著升高的趋势；其中，1990～2000年的10 a间，交换性酸和交换性铝分别增长了0.50、0.46 cmol/kg，并与2000年同期的不施肥处理相比，也分别增长了0.47、0.44 cmol/kg；而且随着施用年限的延长，增幅逐步加剧，至2008年土壤交换性酸和交换性铝分别增至1.52、1.36 cmol/kg，分别比初期1990年的数值增加了5.24、7.16倍，也分别比2008年同期的不施肥对照处理增加了3.71、5.23倍。另一方面，施用NPKM处理，虽然土壤交换性酸和土壤交换性铝呈现与NPK处理相似的增加趋势，但增幅显著低于同期的NPK处理。1990～2000年的10 a间，交换性酸和交换性铝仅分别增长了0.08、0.04 cmol/kg，至2008年也分别仅是不施肥处理的1.27、1.77倍。此外，NPK+蔗叶处理中，土壤交换性酸和土壤交换性铝的时间变化与NPKM处理相仿，增幅均显著低于NPK处理（表2）。以上结果表明：长期施用NPKM或NPK+蔗叶，有助于显著减少红壤区蔗田土壤的交换性酸和交换性铝含量，即化肥配施有机质有助于显著减缓红壤区蔗田土壤的酸化进程。

2.2 不同处理中土壤磷钾营养元素有效性的年际变化

从表3可知，试验区土壤1990年有效磷和有效钾含量仅分别为1.3、30.0 mg/kg，CK或施肥处理，经过10 a或18 a后，有效磷或有效钾含量均呈递增趋势。其中，CK处理中10 a间（2000年）有效磷和有效钾含量分别增加了1.0、8.5 mg/kg，至2008年18 a间也分别增加了2.0、16.1 mg/kg，其含量增加的原因可能是甘蔗每年采收后残留于田间的蔗叶或蔗根都未能完全清理干净，其后于田间焚烧或腐烂分解及矿物质分解释放等所致。此外，施用化肥处理，10 a间（2000年）有效磷和有效钾含量也分别仅增加了2.8、15.5 mg/kg；均显著低于同期的NPKM处理和NPK+蔗叶处理。另一方面，至2008年，施用NPK处理土壤中的有效磷和有效钾含量虽然显著高于CK处理土壤，但也显著低于NPKM处理；并与NPK+蔗叶处理相比，除有效磷含量差异不显著外，有效钾含量同样显著低于NPK+蔗叶处理（表3）。以上结果表明，NPKM和NPK+蔗叶处理与单一地施用NPK处理相比，可显著提高蔗区土壤有效磷和有效钾的含量。

2.3 不同处理中甘蔗产量的年际变化

由表4可知，每年度虽然不同施肥处理的甘蔗产量高于不施肥的对照产量。但单一地施用NPK，甘蔗产量不仅由初期（1990年）的109 890.0 kg/hm2，减少至10 a后（2000年）106 806.0 kg/hm2，共减少了3 030 kg/hm2；而且18 a后（2008年）又降至103 425.0 kg/hm2，共减少了6 465 kg/hm2，呈逐年下降的趋势。另一方面，施用NPKM或NPK+蔗叶处理的甘蔗产量却呈现与单一施肥NPK处理不同的变化趋势，施用10 a后（2000年），NPKM或NPK+蔗叶处理的甘蔗产量均高于初期（1990年）产量，分别增加了1 515、1 755 kg/hm2，而且施用18 a后（2008年）也比初期（1990年）产量分别提高了255、1 440 kg/hm2，同时2种添加有机质的施肥处理中甘蔗产量均显著高于同期的单一施肥化肥处理。

综上所述，NPKM和NPK+蔗叶处理对甘蔗产量的影响效果显著优于单一施用NPK处理，而且随着施用时间的延长，亦能维持较高的甘蔗产量。

2.4 土壤pH与甘蔗产量的相关性分析

基于1990～2008年18 a间，调查不同肥料种类长期定位施用试验区采集的土壤样品pH，以及土壤pH与甘蔗产量之间的关系。其中，土壤pH的结果详见表5，甘蔗产量结果详见表6。

针对上述土壤pH与甘蔗产量的数值进行方差分析，结果表明，甘蔗产量与土壤pH的相关系数为0.272**，土壤pH与甘蔗产量的关系方程式：Y=151 146.068 7*e-0.055 213*pH，甘蔗产量与土壤pH呈现显著的相关关系（表7）。

3 讨论与结论

氮的输入是加速农田土壤酸化的重要因子之一。其中NH4+的硝化作用，NO3-的积累与淋溶过程中H+的产生强度均大于大气酸沉降，尤其是长期偏施氮肥或施氮量超过作物需要时，酸化作用将更加明显[21]。

本试验中单施化肥NPK、NPKM及NPK+蔗叶处理，均导致了土壤交换性酸和交换性铝的逐年增加。但单施化肥NPK处理的土壤交换性酸和交换性铝增幅效果明显大于NPKM及NPK+蔗叶处理。此结果表明，NPKM及NPK+蔗叶处理可能具有高于单一化肥NPK处理的土壤酸碱缓冲容量。张永春等[22]的研究结果表明，施用有机肥能保持甚至提高土壤的酸碱缓冲性能，减缓土壤的酸化趋势，其机理可能与有机肥中含有大量的盐基离子有关；而单施尿素的土壤pH下降的同时酸碱缓冲性能下降，导致土壤酸化的加速[22]。同时，大量的研究结果也表明，在红壤上施用有机肥能够改善红壤酸度。本试验结果也表现出类似的结果。

另一方面，研究发现长期施用有机肥能提高磷素的有效性[23]。本试验结果亦显示，NPKM和NPK+蔗叶处理土壤的有效磷含量均高于单一化肥NPK和CK处理，并随着施用年限的增加呈上升趋势。有效钾含量亦呈现NPKM和NPK+蔗叶处理高于单一化肥NPK和CK处理，其原因可能是施用有机肥时带入了大量包括钾元素在内的盐基离子及蔗叶内含的钾元素分解后进入土壤所致。

本研究结果表明，不同施肥处理土壤pH与甘蔗产量呈显著相关关系。这可能与不同施肥处理导致土壤酸化的程度紧密相关。已有的研究结果表明，当土壤的pH低于5.5时，层状铝硅盐粘土矿物和铝氢氧化物矿物开始溶解，释放出羟基铝阳离子和Al3+[24]，从而导致作物的生长受到抑制[25]。同样基于本试验的结果亦表明：长期施用单一的氮、磷、钾化肥可导致红壤交换性酸和交换性铝的持续增加；而长期施用NPKM或NPK+蔗叶处理降低了红壤中交换性酸和交换性铝的含量，有助于减缓红壤酸化的进程。

此外，虽然长期施用单一的氮、磷、钾化肥一定程度的提高了红壤中有效磷和有效钾的含量，但效果并不显著；而化肥配施有机肥或化肥配施蔗叶处理均可显著提高红壤有效磷和有效钾的含量。另一方面，长期施用单一的氮、磷、钾化肥并不能够确保甘蔗产量的持续增产；而化肥配施有机肥或化肥配施蔗叶处理均有助于提高和维持较高的甘蔗产量。

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