供磷型土壤调理剂在酸性土壤应用效果研究

倪志强 郜斌斌 石伟琦 樊秉乾 周爽 张强 陈清

摘 要 我国南方酸性土壤常存在交换性铝含量极高和磷素供应不足的问题，如何有效改良南方酸化土壤，提高土壤活性磷含量是个重要的问题。本文以南方酸性红壤为供试土壤，通过土壤培养试验和玉米盆栽试验探究了基于磷尾矿、磷酸镁铵和石灰等为主要原料的供磷营养型土壤调理剂对酸性土壤的改良效果和对玉米磷素养分利用的影响。采用添加不同原料比例和数量的土壤调理剂进行土壤培养，结果表明施用量在4～8 g/kg时，可使土壤pH升高1.1～1.6个单位，显著降低土壤交换性铝和有效铁含量，增加土壤交换性钙、镁和有效磷含量；盆栽玉米试验结果表明，与空白对照相比，施用C3配方土壤调理剂明显改善玉米苗期生长和植株磷素营养，但是土壤调理剂中辅料（白云石/石灰+膨润土）对促进磷酸二铵的肥效要明显优于土壤调理剂的供磷主料（磷酸铵镁+磷尾矿），说明在供磷方面主料的作用效果优于与辅料相混，辅料在增加土壤酸性改良效果的同时也钝化了主料中的磷素，该调理剂的配方需要进一步调整。

关键词 营养型土壤调理剂；酸性土壤；改良效果；养分供应

中图分类号 S143 文献标识码 A

Abstract Excessive soil exchangeable aluminum and phosphorus （P） deficiency are the common problems in acidic soils in Southern China. How to improve the soil quality and increase the soil available P in acidic soils are quite important and need to be studied. In this study， soil incubation experiments and pot experiments were conducted to investigate the improvement effects and nutrient supply of the nutritional soil conditioners in acidic red soil from Southern China. The soil conditioners were based on phosphorus tailings， ammonium magnesium phosphate and lime. Different components ratio and dosage of soil conditioners were incubated with acidic soil in the laboratory. The results showed that the soil pH raised by 1.1 to 1.6 with 4-8 g/kg soil conditioners added. Besides， soil exchangeable aluminum and efficient iron reduced significantly. And the exchangeable calcium，magnesium and effective P increased substantially. The results of the maize pot experiment showed that soil conditioners could significantly improve the growth of maize seedling stage and P absorption when compared with the control . But the supplementary components in the soil conditioners （dolomite or lime + bentonite） （S） could better improve the nutrient utilization of diammonium phosphate （DAP）， compared with the nutrient utilization of the main components （phosphorus tailings + ammonium magnesium phosphate） （M）. This indicated that the effect of M in P utilization was better than that of M and S together. S improved the quality of acid soil while stabilizing P in M. And the formula of soil conditioners in this experiments needs to be further adjusted.

Key words soil nutritional conditioners； phosphorus； acidic soil； improvement effect； nutrient supply

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.04.032

南方廣大亚热带地区是我国酸性土壤的主要分布地区，由于过量施用化肥导致的土壤酸化问题突出。例如云南省西双版纳傣族自治州土壤酸化现象普遍，部分地区属于强酸性土壤，酸性土壤比例在全州达85.40%[1]。酸性红壤含有大量易吸附固定磷素的铁铝化合物，极易造成水溶态磷素的固定，影响其有效性[2-4]。因此针对南方大面积土壤酸化导致的作物生长障碍和磷素有效性低等问题，如何组合矿物型酸性土壤调理剂，在有效改良土壤酸性的同时，通过矿物缓慢释放一些磷素来替代部分水溶性磷素，减少磷素的固定对于南方酸性土壤可持续发展具有重要的意义。

已有研究报道采用含营养元素的碱性矿物质来解决酸性土壤问题[5]，但缺乏运用无害性矿物资源与缓释性养分结合的酸性土壤改良剂。本研究利用工业生产中产生的大量磷尾矿粉无害性工业废弃物、石灰、膨润土等矿物资源及磷酸铵镁，研制针对南方土壤酸化问题的一种供磷营养型酸性土壤调理剂，探究其对南方酸性红壤的改良和磷素养分的供应作用。其中磷酸铵镁为工业物料回收转化的副产物，将其施入土壤后具有缓释养分作用，且能中和土壤酸性[6-8]，因此将其肥料化施用既能节省肥料，改良土壤，也能实现固体废物资源化利用。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试土壤 培养试验与盆栽试验供试土壤均采自广东湛江地区的酸性砖红壤，分别取自同一地点的0～20 cm和60～80 cm土层。所取土壤经风干、过筛后去除石块及植物残体等杂物，充分混合均匀后备用。供试土壤基本理化性质见表1，培养试验所用土壤其他指标如下：交换性铝1.19 cmol/kg、交换性氢0.40 cmol/kg、交换性镁207.5 mg/kg、交换性钙476.2 mg/kg、有效铁72.1 mg/kg。

1.1.2 供试调理剂 供试调理剂为实验室自制供磷营养型酸性土壤调理剂。调理剂主料以磷尾矿和磷酸铵镁为主，分别加入白云石、生石灰、膨润土等辅料，经过磨碎、过筛、按不同比例混合配制，调理剂编号为C1、C2、C3。其中C1和C2两个配方调理剂用于土壤培养试验；C3是在C1、C2基础上优化配制而成，用于玉米盆栽试验。土壤调理剂组成、pH、矿质成分与比表面积等指标特性见表2，土壤调理剂中的氮、磷养分来源于于主料中，而辅料中不含氮、磷养分。

1.2 方法

1.2.1 土壤培养试验 将C1、C2配方的土壤调理剂分别按0、4、8 g/kg的用量与200 g土样充分混匀，装入广口聚乙烯塑料瓶内，添加去离子水至土壤田间持水量的60%，塑料瓶覆盖打孔塑膜后，放入恒温（T=25 ℃）恒湿（湿度=70%）培养箱中进行为期2个月的培养，试验过程中添加去离子水维持其恒重。试验处理编号分别为：CK、4C1、4C2、8C1、8C2。在培养第1、3、7、15、31、60天，分别从各处理组取出3个聚乙烯塑料瓶中的土壤，风干后过筛，测定土壤pH、交换性氢、交换性铝、交换性钙、交换性镁、有效铁、有效磷含量。

1.2.2 盆栽试验 盆栽试验在广东湛江中国热带农业科学院南亚热带作物研究所的温室内进行，供试作物为玉米，品种为美玉后13号糯玉米。

试验按照等养分施用的原则（带入0.175 g P即0.40 g P2O5，0.16 g N），共设5个处理：CK：对照处理；DAP：施用磷酸二铵0.75 g/kg；S+DAP：施用土壤调理剂C3配方的辅料（不带入N、P养分）+磷酸二铵0.75 g/kg；M：施用土壤调理剂C3配方的主料2.5 g/kg（带入N、P养分）；S+M：施用土壤调理剂C3配方的主料和辅料。每盆土壤同时施尿素（从尿素中扣除磷酸二氢铵带入的N）和氯化钾，补足一致为原则；各处理物料添加量见表3，每个处理5次重复。

将物料与土样（8 kg/盆）均匀混合装入直径34 cm高23 cm的盆中，在土壤表面下1.5 cm处种植3粒玉米种子，待出苗后仅留一株，种植42 d收获。每盆玉米随机排列，期间进行常规管理并定期测量植株高度，玉米收获后测定植株的干重与吸磷量。

1.3 样品分析

调理剂粒径和比表面积采用养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室中的激光粒度衍射仪测定；矿质成分钙镁硅采用氯化铵浸提，ICP-AES测定；磷采用磷钼酸喹啉重量法测定；氮采用凯氏定氮法测定。土壤理化性质分析采用实验室常规方法：土壤pH用酸度计测定（无CO2蒸馏水浸提，水土比1∶2.5）；有效磷采用盐酸-氟化铵法；交换性钙、镁采用乙酸铵浸提，ICP-AES测定；有效铁采用盐酸浸提-原子吸收法测定；交换性氢、铝采用氯化钾交换-中和滴定法测定。全磷采用酸溶-钼锑抗比色法测定，植株株高用卷尺测量。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理和作图，利用SPSS（Version 17.0）软件进行统計检验与数据分析。采用最小显著法（LSD）检验试验数据的差异显著性水平（p敿0.05）。

2 结果与分析

2.1 施用调理剂对酸土的改良效果

2.1.1 土壤酸度 从图1-a可见，在培养期间，施用调理剂处理的土壤pH均先升高后逐渐下降并趋于稳定，添加4、8 g/kg调理剂处理后pH分别保持在5.3和5.8左右，与对照相比，pH升高1.1～1.6个pH单位。施用调理剂处理的交换性氢先急剧下降后显著上升，稳定后逐渐升高（除4C1处理）；而对照处理则呈先下降后升高，最后逐渐升高保持稳定的趋势，但均高于施调理剂的处理（图1-b）。各处理交换性铝在初始阶段都是先急剧下降，施调理剂的处理中期缓慢上升，后期缓慢下降，趋于稳定状态；对照处理中期急剧上升，后期缓慢上升，保持稳定状态，对照处理的交换性铝均高于施调理剂的处理（图1-c）。

2.1.2 土壤交换性钙、镁和有效铁含量 从图2可看出，在培养的前两周，施用调理剂处理的土壤交换性钙含量均呈上升趋势，其后添加8 g/kg调理剂的处理保持稳定，添加4 g/kg调理剂的处理先下降后稳定；且与对照相比，添加调理剂的处理可以显著提高酸性红壤中交换性钙的含量，添加量为4、8 g/kg时，交换性钙含量分别提高396～467 mg/kg和703～785 mg/kg。添加4、8 g/kg调理剂处理的土壤交换镁含量的变化趋势均随培养时间的延长而逐渐增加，在培养的第31天达最大并保持稳定，与对照相比，交换性镁含量分别提高360、635 mg/kg左右。添加调理剂处理的土壤有效铁含量则先下降（除8C2处理），其后与对照变化一致，上升后下降，且在培养期间一直低于对照处理。

2.1.3 土壤有效磷含量 从图3可知，随着培养时间的变化，添加调理剂各处理中土壤有效磷含量整体均呈下降趋势，而对照处理中有效磷含量初期略有上升，其后呈下降趋势。整个培养过程中添加调理剂处理的土壤有效磷含量均高于对照组，在培养末期，添加调理剂处理的有效磷含量提高了16～31 mg/kg。

2.2 调理剂对玉米生长及磷素吸收的影响

2.2.1 调理剂对玉米株高的影响 由表4可知，与对照相比，添加磷肥或调理剂均能显著促进作物生长。其中，S+DAP处理的玉米长势最快，在第42天株高达到73.08 cm，显著高于DAP处理，增幅为7.41%；CK处理玉米生长最慢，且在第42天出现衰老。在玉米生长初期即第7天左右，S+DAP、M及S+M处理的玉米株高均显著大于不加调理剂成分的CK和DAP处理，而在玉米生长的中后期却没有此现象发生。中、后期各处理玉米长势依次为：S+DAP>DAP>M>S+M>CK。

2.2.2 玉米植株干物质量与磷素吸收 不同处理对玉米植株干物质量及吸磷量的影响见表4。与对照相比，添加磷肥或调理剂均能显著提高玉米的干物质量和吸磷量；其中S+DAP处理效果最佳，单株玉米干物质量和吸磷量分别为13.25 g和33.90 mg，且相对于DAP处理，分别提高了36.3%和76.4%。收获时，M和S+M处理的玉米植株干物质量和吸磷量分别是CK处理的10.1、25.6倍和3.6、7.0倍，但显著低于DAP处理。M和S+M处理间差异显著（p<0.05）。

3 讨论

我国集约化农业生产和不合理施肥造成农田土壤大面积酸化，氮肥过量施用、水冲洗、以及农作物收获带走大量的钙、镁等碱性离子，是造成土壤酸化的主要原因[9-10]。传统酸性土壤改良剂主要有石灰等碱性物质，粉煤灰、碱渣、磷石膏等工业废弃物，有机肥、作物秸秆、生物炭等有机物质，以及他们相互复合的改良剂[11]。磷尾矿是磷矿采矿与选矿过程中产生的一种工业固体废弃物，其含有镁、钙、少量的磷等有价值的成分[12]。本文中改良剂以磷尾矿为主，并添加磷素缓释肥磷酸铵镁，再搭配传统石灰/白云石等，对工业废弃物进行了资源化利用；而且在改良土壤酸性的同时，具有提高酸性土壤磷素供应的功能。

土壤的酸碱度是影响土壤养分平衡和作物生长的重要因素，施用土壤调理剂能够直接影响土壤的酸碱度。本试验结果表明，施用调理剂能显著改善酸性土壤理化特性，调理剂中钙、镁盐能抑制酸性土壤中铁、铝对磷素的固定，增加磷素的有效性。施用调理剂后，由于中和作用及外源添加的钙、镁等碱性物质使土壤pH升高，交换性氢和交换性铝含量减少，但随着培养时间的延长，土壤自身的潜在性酸释放和缓冲性能使pH略有下降。而红壤中的潜在性酸度95%以上是交换性Al3+产生的[13]，交换性铝与pH的变化呈显著负相关[14]，pH在很大程度上决定于交换性铝[15]。因此，pH的变化是酸性土壤自身性质与外源碱性物质共同作用的表现。酸度的降低有助于消除铝毒，在土壤pH为5左右时，交换性铝含量开始明显下降，pH为5.5左右时，几乎没有交换性铝。此外，土壤调理剂自身含有丰富的交换性盐基离子，施入土壤后这些盐基阳离子会与土壤交换性铝发生交换作用，从而降低土壤中交换性铝含量，缓解铝毒。调理剂含有大量石灰/白云石、镁矿性物质，能引起交换性钙、镁显著增加，有效铁明显下降。随着培养时间的延长，Ca2+、Mg2+进入土壤溶液后部分被土壤胶体吸附转变为交换性钙或交换性镁，而交换性钙镁与溶液中的钙镁处于一种动态平衡，使其各自含量维持在一定水平[16]。溶解的钙易与磷酸根结合而被固定，使交换性钙含量下降，并最终保持稳定。而交换性镁含量与交换性钙含量变化趋势的差异化主要是由于土壤溶液中Ca2+的交换能力大于Mg2+，且其自身矿质组成中钙含量远大于镁含量，所以本研究中交换性镁的变化趋势没有呈现先上升后下降的趋势。添加调剂处理的有效铁含量在培养后第3天下降，主要是调理剂为碱性物质所致，之后由于前期快速的中和作用，碱性降低，暂时引起有效铁含量上升，之后又下降，主要原因是有效铁含量与调理剂中碱性物质添加比例呈负相关。同时酸性红壤中Fe矿物溶解释放出的Fe3+引起磷素固定等消耗铁的因素存在[3， 17-18]。这些因素共同作用使有效铁含量处于动态变化之后达到平衡。

在本研究中，添加调理剂各处理中土壤有效磷含量整体均呈下降趋势，但整个培养过程中添加调理剂处理的土壤有效磷含量均高于对照组，这主要是土壤pH等自身特性及外源添加磷素与钙镁等综合作用的结果[5]。在培养第1天，由于添加调理剂中外源磷素的投入，处理组有效磷含量较高，随后土壤中的有效磷被酸性土壤的Fe3+和Al3+固定，导致土壤有效磷含量迅速下降。在酸性土壤中，钙可以减轻或消除铁、铝、锰过量存在而对磷的抑制作用，在一定范围内钙对磷的活化有一定促进作用[19-20]。且當铁、铝磷化合物的沉淀和溶解是控制水溶态磷含量的主要因素时，随着土壤pH值的增加，铁、铝磷化合物的溶解性增强，磷的有效性增加。因此，添加调理剂的处理由于外源钙镁的添加与土壤pH的增加，导致土壤有效磷含量呈上升趋势。而在培养7 d后，pH达到最高且保持稳定趋势时，酸性红壤中含有大量铝和铁与外源添加的钙和镁，与土壤磷素形成一定转化体系，使可溶性磷酸盐固定，形成钙、镁、铁、铝等磷酸盐，磷的有效性降低[16]。

玉米盆栽试验结果表明，调理剂在玉米生长初期对玉米生长的影响较大，具有明显促进作用。主要因为天然矿物型调理剂以微粒或粉状的形式施用时，能有效提高种子的发芽和生长，通过调节管理碳代谢流及与植株生长相关蛋白质的表达，从而影响植株早期的生长和发育[21]。一方面，磷酸二铵作为磷源，全部为有效磷供应，而调理剂主料或调理剂中的磷素只有一部分为有效磷供应；因此，DAP处理玉米长势优于M和S+M处理。另一方面，调理剂辅料中含有大量的钙、镁，可以抑制酸性土壤中铁、铝过量存在对施入磷肥中有效磷的固定作用[19-20]；所以，调理剂辅料与磷酸二铵混施，促进了磷素的供应，使玉米长势优于单施磷酸二铵处理。M处理的玉米长势优于S+M处理，增幅达38.65%，这说明调理剂辅料的存在，减弱了调理剂主料的供磷能力，这主要可能是由于磷酸铵镁具有一定缓释肥料效果[8]，且在酸性条件下有利于磷酸铵镁养分的释放，符合其易溶于酸，不溶于碱的特性[22]；调理剂成分呈碱性，施调理剂的条件下，调理剂主料和辅料同时存在，使得调理剂碱性增强，这不利于磷酸铵镁养分的释放，从而降低了植物的吸磷量。另一方面可能的原因是，调理剂主料中也含有高量钙、镁，与调理剂辅料一起施用，使得钙、镁盐的施用量大大升高，而已有研究指出，适量施用白云石或石灰促进作物生长，高量施用白云石或石灰使作物减产[9-11]。调理剂C3主料与辅料之间的拮抗机理还需进一步研究，固土壤调理剂配方也需进一步调整完善。

施用磷肥的基础上，施用碱性的调理剂辅料，不仅改善了土壤的理化性状，而且促进了土壤磷素的活化，提高玉米对磷的吸收利用效率[19]，进而提高了玉米产量。不同处理玉米植株干物质量和吸磷量的差异与玉米株高的差异一致，其可能的原因也相同。M和S+M处理的玉米植株干物质量和吸磷量明显高于对照组，但显著低于施磷酸二铵的处理。可见，在初始盆栽土壤全磷量极低的情景下，施用调理剂能明显提高玉米的生物产量和植株的吸磷量，但不如施用全部供应速效磷养分的磷酸二铵的处理；处理M和S+M之间的差异显著，表明调理剂自身所含成分之间存在拮抗问题。

调理剂辅料存在抑制调理剂主料中磷素养分释放的问题，这可能是调理剂主料和辅料同时存在，增加了调理剂的pH，减缓了主料中磷酸铵镁养分的释放；因此，和磷酸铵镁等类似磷素缓释肥搭配施用的酸性土壤调理剂，其调理剂碱性不易过强。另外，主料与辅料同时存在提高了钙、镁的施入，这与已有的报道中酸性土壤里高量钙、镁的投入并不利于作物增产的研究结果一致[23-25]。

关于磷尾矿用作酸性土壤调理剂的研究国内鲜有报道。欧阳玲等[26]施用脱硫石膏和生石灰组合改良剂（用量生石灰3.06 g/kg和脱硫石膏4.24 g/kg），使盆栽土壤酸度（pH值4.92）提高约1.58个单位。胡敏等[27]的土壤（pH值3.9）培养试验（用量1.8 g/kg）表明，90 d后以石灰降酸效果最好，相比对照提高了0.66个单位，其次为钾硅肥（提高0.15个单位）和有机肥（提高0.14个单位）。姜超强等[28]的不同改良剂（生石灰、白云石粉和熟石灰）盆栽试验（用量0.66 g/kg）显示，生石灰效果最好，将酸性土壤pH从5.60提高了0.52个单位。杜玉凤等[29]通过盆栽试验（土壤pH值4.96）表明，单施磷矿粉（用量0.64 g/kg）提高0.27个pH单位，施用磷矿粉和白云石、牡蛎壳、有机肥（用量10 g/kg）的复合调理剂，分别提高0.45、0.29、0.49个pH单位。范文静等[30]的棕壤（pH值5.67）盆栽试验表明，施用硅钙镁钾调理剂4.89 g/kg土时，土壤pH提高1.83个单位。本研究培养试验结果表明，调理剂施用量在4～8 g/kg时，可使土壤pH从4.30升高1.1～1.6个单位，和传统石灰类等改良剂的酸度改良效果相当；但考虑到成本和石灰类改良剂长期或过量施用的负作用问题，本研究调理剂实际应用前景更好。

综合而言，该供磷型酸性土壤调理剂具有改良酸土、提供养分、活化土壤磷素，提高肥料利用效率等多重功能，但调理剂主料与辅料的拮抗问题需要进一步研究，调理剂配方也需要进一步调整；而且下几季作物长势情况也需要追踪[31]。供磷型酸性土壤调理剂与磷肥混施，在保证不减产的情况下，调理剂自身的养分能替代多少当量的磷肥，以及其在不同质地酸土上的改良效果如何，也有待研究。

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