作物产量对土壤pH 的响应差异及其影响因素

连旭东，张 璐，刘思汝，蔡泽江，郑 磊，张 强，周建利，徐明岗,,5

（1 长江大学农学院，湖北荆州 434025；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 / 农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室，北京 100081；3 中国热带农业科学院南亚热带作物研究所 / 海南省热带作物营养重点实验室，广东湛江 524091；4 金正大生态工程集团股份有限公司，山东临沭 276700；5 山西农业大学生态环境产业技术研究院，山西太原 030031）

土壤酸化是当前我国农田土壤质量退化的突出问题[1]，1990—2010 年我国主要耕地土壤pH 下降0.5 个单位[2]，研究表明，氮肥的过度施用是加剧农田土壤酸化的主要原因之一[3]，如湖南祁阳红壤旱地定位试验监测发现，施用化肥20 年后土壤pH 由5.7 下降至4.5[2]。土壤酸化导致营养元素缺乏(如P、K、Mg 和Ca)，有害元素活性增加(如铝等)，从而限制作物生长。Nagy 等[4]依托长期定位试验研究发现，当土壤pH 为6.20～6.87，pH 每降低0.10 个单位，玉米产量平均减产515 kg/hm2。Zhu 等[5]通过数据整合分析，发现如果氮肥投入以每年1%的速度增加，预测的土壤平均pH 将下降约 1.00 个单位，预计从2010—2050 年作物相对产量损失约增加4%～24%。当土壤pH 低于5.5 时，交换性铝含量显著增加，作物出现酸害现象[6]。由此可见，当土壤pH 低于某一阈值时，产量显著降低，该值对土壤酸化改良、提高作物产量具有重要意义。水稻、小麦和玉米是我国最主要的三大粮食作物，大豆是我国最主要的油料和蛋白作物之一[7]。由于不同作物对酸害的敏感性不同，作物酸害的临界土壤pH 也有所差异[8]。梁文君等[9]通过盆栽试验进行线性—平台方程拟合，发现在第四纪红土、红砂岩和板页岩3 种母质土壤上玉米酸害阈值分别为5.48、5.54、5.82；周志刚等[10]通过田间试验，采用施用生物炭的方法，将土壤pH 由5.46 调整到6.76，得出大豆在潮土上的酸害阈值为5.89；Liu 等[11]通过石灰改良酸性土壤的田间试验发现，小麦在4 种不同初始性质的土壤上的酸害阈值分别为4.30、4.60、4.70、5.60，这表明作物酸害阈值在很大程度上也受土壤性质的影响，这就给酸化土壤改良和提高作物产量带来了不确定性。铝毒是酸化土壤限制作物生长的主要因素之一，土壤性质可以改变活性铝对pH 的响应，如施用磷肥显著降低了土壤交换性铝的含量，高磷能缓解植物的铝毒害[12]；Christopher 等[13]研究表明，当土壤溶液Ca/Al 低于1.0 时，对树木生长或营养生长的不利影响风险为50%；而当土壤溶液Ca/Al 低于0.2 时，对树木生长或营养生长的不利影响风险为100%。因此，作物产量对土壤pH 的响应受到作物类型和土壤性质的共同影响。目前对多位点、多种作物类型的全方面作物酸害阈值研究还较少，且作物产量对土壤pH 响应的影响因素研究较为匮乏。本研究基于国内外大田试验研究，构建玉米、水稻、小麦和大豆4 种作物产量与土壤pH 的响应关系曲线，获得不同作物的酸害阈值，并分析作物产量对土壤pH 响应的影响因素，为酸化土壤改良和产能提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 建立数据库

本研究数据来源于“中国知网”、“W eb o f Science”数据库；搜索关键词：玉米(maize)、水稻(rice)、小麦(wheat)、大豆(soybean)、土壤pH (soil pH)、作物产量(yield)。搜索年份限制为1980—2020 年。数据筛选条件：1)同时有作物产量-pH 对应数据；2)施肥为NPK 平衡施肥；3)土壤环境没有受到污染；4)同一试验中土壤pH 变化应大于0.5 个单位；数据库内容包括：文献基本信息(作者、年限、题目、期刊、页码)、研究地点信息(采样地点、经纬度、年均温、年降水、土壤类型、土壤质地)、土壤初始性质(容重、土壤pH、交换性钙、交换性铝、交换性酸、有机质、全氮、全磷、全钾、阳离子交换量、碱解氮、有效磷、有效钾等)、处理信息(试验类型、试验年限、重复数、施肥类型、施肥量等)、作物信息(作物类型、品种、产量等)、作物收获后土壤性质(容重、土壤pH、交换性钙、交换性铝、交换性酸、有机质、全氮、全磷、全钾、阳离子交换量、碱解氮、有效磷、有效钾等)。选择土壤酸性指标(土壤pH、交换性钙、交换性铝、交换性酸) 和土壤肥力指标(有机质、有效磷、化学氮肥施用量)，进行作物酸害阈值影响因素分析。

1.2 土壤pH-作物产量模型拟合

为了尽量减少土壤类型、气候、田间管理等的影响，作物产量选择相对产量[14-15]，计算方法为：

式中：Y为相对产量，Yt为试验中每个处理产量，Ym为试验中最大产量。

为了消除不同试验采用不同水土比测定土壤pH 的误差，统一换算为pHH2O(1:2.5)，换算方法为：

通过Sigmoid 函数进行曲线拟合，来评估相对产量对土壤pH 的响应，该函数通常用于模拟生物量生长[19]：

式中：i 表示作物类型，即玉米、水稻、小麦和大豆；YpH表示给定pH 下的相对产量；a、b、pH1/2为回归分析得出的模型系数。系数a 决定了不受酸化影响的估计最大相对作物产量，b (b＜0)决定了与pH 关系的非线性斜率，pH1/2表示产量等于最大产量的50%时的pH。注意，YpH被定义为不受酸化影响的估计最高作物产量的一个部分，它不等于每个试验中最高产量(系数a 可能低于1)，因为品种和管理等其他因素仍可能造成产量差距。

将作物产量等于作物最高产量的95%、50%的pH 分别定义为作物开始出现减产的临界pH，达到最高产量一半时的pH[5]，计算公式为：

作物产量95%的pH=pH1/2-[(LN0.05)×b]

作物产量50%的pH=pH1/2-[(LN1)×b]

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2019 建立数据库，采用Sigma Plot 10.0 软件对pH-作物产量关系进行拟合以及制作图表，采用SPSS 25 软件进行数据统计分析，采用Pearson 相关分析方法，在5%和1%显著水平上分析作物产量与土壤性质之间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 作物产量对土壤pH 的响应

通过Sigmoid 函数，获得作物相对产量与土壤pH 响应关系曲线(图1)，4 种作物产量95%、50%的酸害阈值玉米为5.87、3.74，水稻为4.21、3.76，小麦为5.32、4.38，大豆为5.34、4.57 (表1)。这表明，玉米、大豆、小麦和水稻开始减产的pH 分别为5.87、5.34、5.32、4.21，此值可作为酸化土壤改良的目标pH。

表1 主要作物相对产量为95%和50%的pH 阈值Table 1 pH threshold for 95% and 50% of the relative yield of main crops

图1 主要作物产量与土壤pH 的响应关系曲线Fig.1 Response curves of main crop yields with soil pH

2.2 土壤酸性指标、土壤肥力指标、土壤pH、作物产量之间相关性分析

相关性分析显示，作物产量与交换性铝显著负相关，与交换性钙、钙铝比、有机质、有效磷、化学氮肥施用量显著正相关；土壤pH 与交换性酸、交换性铝和有机质显著负相关，与交换性钙、钙铝比、有效磷、化学氮肥施用量显著正相关(表2)。因此，土壤pH 是影响作物产量的关键因素之一，且土壤pH 与作物产量同时受到土壤交换性酸、交换性铝、交换性钙、钙铝比、土壤有机质、有效磷、化学氮肥施用量的影响。

表2 作物相对产量与土壤性质及施氮量的相关性Table 2 Correlation of relative yields with soil properties and nitrogen application rate

当土壤pH 大于酸害阈值时，相关性分析表明相对产量与pH 无相关性，土壤pH 与交换性酸、交换性铝、有机质显著负相关，与交换性钙、钙铝比、有效磷显著正相关；相对产量与有机质、有效磷显著正相关性(表3)。当土壤pH 小于酸害阈值时，相关性分析表明相对产量与土壤pH 显著正相关，土壤pH 和相对产量与交换性铝显著负相关，与交换性钙、钙铝比显著正相关(表3)。因此，在作物不出现酸害的条件下，影响作物产量的主要是土壤肥力指标，其中有机质是影响水稻和大豆产量的主要因素，化学氮肥施用量是影响小麦的主要因素(表4)；在作物出现酸害的条件下，影响作物产量的主要是土壤酸性指标，其中交换性酸、交换性铝、钙铝比是影响玉米产量的主要因素，交换性铝、交换性钙是影响小麦产量的主要因素，交换性酸、交换性铝是影响大豆产量的主要因素(表4)。

表3 土壤pH 小于和大于酸害阈值时作物相对产量与土壤性质的相关性Table 3 Correlation of relative crop yields and soil properties when soil pH is less and higher than the acid damage threshold

表4 不同作物相对产量和土壤pH 与酸害驱动因素的相关性Table 4 Correlation of relative yields of different crops with soil pH and driving factors of acid damage

2.3 土壤酸性指标、土壤肥力指标、作物产量及土壤pH 之间偏相关性分析

偏相关性分析显示，剔除有机质影响后(表5)，相对产量与pH 的相关系数升高0.207，与交换性铝的相关系数增加了0.072，而交换性铝与pH 的相关系数降低0.289。这表明在低有机质土壤中，作物产量对pH 和交换性铝的响应变强，增加了作物的铝毒害风险。因此在相同pH 条件下增加土壤有机质含量能降低作物的铝毒害风险。剔除有效磷影响后(表6)，相对产量与pH 的相关系数升高0.085，与交换性铝的相关系数升高0.147，而pH 与交换性铝的相关系数降低0.023。这表明在低有效磷土壤中，作物产量对pH 和交换性铝的响应变强，增加了作物的铝毒害风险。因此在相同pH 条件下增加土壤有效磷的含量能降低作物的铝毒害风险。剔除化学氮肥施用量影响后(表7)，相对产量与pH 的相关系数升高0.026，与交换性铝的相关系数降低0.009，而交换性铝与pH 的相关系数升高0.049，这表明过量的施用化学氮肥后，作物产量对pH 和交换性铝的响应变强，增加了作物的铝毒害风险。因此在相同pH 条件下控制化学氮肥的施用量能降低作物的铝毒害风险。因此，土壤肥力指标(有机质、有效磷)和化学氮肥施用量是影响土壤酸性指标对土壤作物产量与pH 响应的关键因素。

表5 剔除有机质影响前后土壤酸性指标、土壤肥力指标、土壤pH 及相对产量偏相关系数Table 5 Partial correlation coefficient of soil acidity index, soil fertility index, soil pH and relative yield before and after removing the influence of SOM

表6 剔除有效磷影响前后土壤酸性指标、土壤肥力指标、土壤pH 及相对产量偏相关系数Table 6 Partial correlation coefficient of soil acidity index, soil fertility index, soil pH and relative yield before and after removing the influence of AP

表7 剔除化学氮肥施用量前后土壤酸性指标、土壤肥力指标、土壤pH 及相对产量的偏相关系数Table 7 Partial correlation coefficient of soil acidity index, soil fertility index, soil pH and relative yield before and after removing the influence of N application rate

3 讨论

3.1 4 种作物酸害阈值

本研究结果显示，4 种作物酸害阈值分别为玉米(5.87)、大豆(5.34)、小麦(5.32)、水稻(4.21)(表1)。其中玉米、大豆、小麦酸害阈值在5.50 左右，水稻酸害阈值最低，表明粮食作物在土壤pH 降低到5.50 可能就会发生明显减产。周世伟[20]调查发现2005—2010 年我国粮食产量与土壤pH 呈负相关关系，土壤pH=5.50 时，粮食减产972 kg/hm2，土壤pH=5.00 时，粮食减产1216 kg/hm2，这一结果与本研究结果相似。而Zhu 等[5]整合分析了多个长期试验数据发现，作物酸害阈值为小麦5.90、玉米5.10、水稻5.00；Fageria 等[21]研究表明，作物酸害阈值为小麦6.30、大豆5.60、玉米5.40、水稻4.90。以上结果与本研究结果相近，表明水稻是4 种作物中最为耐酸的作物。在酸化条件下水稻在受到铝胁迫时，主要通过有机酸螯合、细胞壁固定和根屏障等外部排斥机制与内部耐铝机制来抵御酸害[22-24]。其中外部排斥机制利用细胞壁和其他器官作为屏障，将Al3+排除在植物细胞之外，以避免Al3+的植物毒性，而内部耐铝机制主要依靠Al3+与细胞质中的有机化合物(主要是有机酸，如苹果酸、柠檬酸和草酸等)络合形成稳定的配合物，将进入细胞的活性铝转变为不溶或微溶的形式，降低对作物的有害影响[25-28]。而水稻在铝胁迫下能增加根尖OsFRDL4 的表达量，促进分泌更多的柠檬酸，此外还会降低NRAT1基因的表达量，增加根部的伸长，进而提高耐铝能力[29]。同时因为水稻在长期淹水厌氧条件下，水田中硝化作用较旱地弱，NH4+较NO3-含量高，而Zhao 等[30]研究表明，NH4+与Al3+存在协同作用，NO3-与Al3+存在拮抗作用。其可能的机制是NH4+通过直接和间接质子与Al3+竞争细胞壁的阳离子结合位点[31-32]，从而使得水稻较其他谷物有更强的耐酸能力。但是水稻酸害阈值为4.21，远小于Zhu 等[5]和Fageria 等[21]的研究结果(5.00、4.90)，这可能受到了土壤养分的影响。臧小平等[33]在酸性硫酸盐土壤中施用磷矿粉研究发现，在土壤pH 低至4.5 以下时，水稻产量出现明显的下降； Shamsun 等[34]、Liu 等[35]、Ai 等[36]研究发现，在土壤pH 低至4.4 以下时，水稻产量出现明显下降，其土壤有机质含量很高，达到28.38～52.00 g/kg；Swain 等[37]研究发现，在土壤pH 低至5.3 时，水稻出现明显减产，其土壤有机质仅为4.29～7.78 g/kg。这表明有机质仍是影响作物产量以及酸害阈值的重要因素。

本研究发现，玉米和小麦酸害阈值分别为5.87和5.32 (表1)；蔡泽江[38]进行盆栽试验，得出小麦和玉米的酸害阈值分别为6.03 和5.92，发现当土壤pH低于酸害阈值时，每降低一个pH 单位，小麦和玉米的生物量分别下降40.0%和25.7%，表明玉米比小麦更加耐酸。Baquy 等[39]研究发现，玉米在第四纪红土的pH 阈值为4.73[39]；Baquy 等[40]研究发现，红壤中种植的小麦的pH 阈值为5.29[40]。研究还表明，在铝胁迫下，植物能分泌大量有机酸，有机酸与铝离子形成螯合物，大大降低铝的生物毒性。小麦根系能分泌苹果酸，玉米根系能分泌柠檬酸，而柠檬酸螯合Al 的能力强于苹果酸[41]。各研究结果的差异可能与供试土壤的母质、试验条件、管理措施等因素有关，应该综合考虑影响因素，有针对性地研究不同物种的耐酸能力。

3.2 作物酸害阈值的影响因素

土壤酸化会导致土壤中铝生物毒性增加，而铝毒会改变细胞膜通透性，物质外泄作用加强，进而抑制植物和微生物的生长，导致作物产量、植物和土壤微生物的丰度和多样性下降[42-43]，因此明确影响作物产量对土壤pH 响应的因素对抑制土壤酸化和提高作物产量具有重要意义。

3.2.1 有机质影响作物产量对pH 的响应 本研究发现，有机质是影响作物产量对土壤酸化响应的重要因素之一，在作物未出现酸害的情况下土壤有机质含量与土壤pH 呈显著负相关关系，作物出现酸害后土壤有机质含量与土壤pH 之间没有显著相关性。然而在中性及微碱性土壤环境条件下，微生物活动较高，有利于土壤有机碳的矿化，但pH 低于4.5 时不利于有机质的矿化[44]。梁颁捷等[45]研究发现，土壤pH 为4.6～7.5 时，随pH 降低土壤有机质矿化程度增加。刘杰等[46]的研究则表明土壤pH 变化与有机质含量之间没有明显相关性。土壤有机质是土壤微生物活动的底物和植物生长的养分源[47]，受到微生物活动的影响。此外，土壤有机质含量还与气候因素、农田管理措施、土壤粘粒含量等因素密切相关[48]。研究结果的差异可能是因为土壤母质、水热条件、田间管理等诸多因素的影响太大。这表明有机质与土壤pH 之间可能不仅仅是单纯的线性关系，探讨有机质与pH 之间的关系需要考虑土壤酸度、土壤类型、地理因素等多种因素的影响。

研究表明，随着土壤有机质含量的增加，土壤中对生物毒性强的交换性铝或无机吸附态羟基铝会与土壤中的有机质发生络合作用，形成无(少)毒的有机络合态铝，降低作物受到的铝毒害[49]。Wang 等[50]向小麦施用有机肥后通过冗余分析发现，土壤pH 和有机质解释了铝形态变异的84%，有机质决定了土壤活性铝的形态变化。因此在较高有机质水平下，作物会大大增加耐酸耐铝能力，使得作物在较低的土壤pH 水平下仍然有较高的产量，即有机质能降低作物的酸害阈值。

3.2.2 有效磷对作物酸害阈值的影响 本研究中相关性分析结果显示，土壤有效磷与作物产量和pH 显著正相关，偏相关分析结果表明有效磷能影响作物产量对土壤pH 的响应，这可能与磷能降低作物铝毒害风险有关。万延慧等[51]通过溶液培养试验发现高磷可缓解铝对大豆的毒害作用，一种原因可能是在营养液中一部分磷与铝结合生成磷酸铝盐沉淀，降低了介质中铝的浓度，从而减轻了铝的毒害作用；另一种原因可能是由于在大豆植株内部铝与磷形成沉淀，降低了铝的毒害。温元波[52]研究发现，黄壤交换性铝随着磷酸盐的加入明显降低，而Al(PO4)+离子含量不断升高，进而形成磷酸铝化合物。朱美红[53]通过对荞麦根际土壤铝形态的研究发现，施磷促使土壤中的交换态铝向吸附态铝转化。磷酸根与土壤中的铝离子形成铝-磷复合物沉淀后，土壤中的活性铝含量降低，使荞麦根系所受铝毒害降低。同时磷参与碳水化合物的生成与分解，促进了作物对碳水化合物的运输，对作物光合作用及生长发育有着重要的作用，进而影响作物的产量[54]。因此，土壤有效磷是影响作物酸害阈值的重要因素之一。

3.2.3 施氮量对作物酸害阈值的影响 近几十年来人为活动加速了土壤酸化的进程[8]，其中过量的化学氮肥施用是一个重要的因素。湖南祁阳定位试验的监测结果显示，长期单施化肥20年后土壤pH 由5.7 下降至4.5[2]。长期(26 年)施用氮肥(尿素)，黑土pH 降低了0.82 个单位，因为脲酶将尿素分解为碳铵，经过硝化作用向土壤释放出H+，而硝态氮不能很快被作物全部利用，会在土壤中积累。一方面NO3-能够形成硝酸，使土壤周围pH 进一步降低。耕作年限越长，土壤的酸度会越低[55]；另一方面NO3-与金属阳离子结合形成硝酸盐，造成氮素淋失，降低氮素利用率。蔡泽江等[56]通过长期定位试验发现，随着年限延长施用化学氮肥会导致土壤pH 不断降低，玉米和小麦产量也随之不断降低。Deng 等[57]通过3 年的尿素和控释肥试验发现，小麦和玉米分别在施N 150 和200 kg/hm2处理下产量达到最高，此后随施氮量增加产量开始下降，此外，每施N 1 kg，土壤pH 就下降0.0004～0.0012 个单位。这表明随着施用化学氮肥的量和年限增加，作物在较高pH 下就会出现产量降低的现象，提高作物的酸害阈值。

本研究发现，化学氮肥施用量与土壤pH 显著负相关，与作物相对产量显著正相关(表2)，这与前人研究结果相同。但在本研究中玉米作物的化学氮肥施用量与土壤pH 显著正相关，其他3 种作物的化学氮肥施用量与土壤pH 相关性不显著(表4)。铵态氮肥施入土壤后，发生硝化作用产生H+，造成土壤酸化，而以尿素为代表的酰胺基氮肥，施入土壤后首先会转化为铵态氮消耗H+，再发生硝化作用产生H+[58-60]。数据整合分析显示，在不同作物上化学氮肥对土壤pH 的影响表现不同，原因可能是土壤pH 不仅受到氮肥施用量的影响，氮肥品种也是其影响因素。因此，探究施用氮肥对土壤酸化的影响应同时从施用量和肥料种类着手。

3.2.4 土壤活性铝对作物酸害阈值的影响 研究表明，土壤酸化会导致土壤铝活性的增加，而铝的生物毒性是造成作物减产的主要原因[61]。本研究显示，有效磷与交换性铝没有显著相关性(表2)，也有研究发现，土壤中活性铝结合磷酸根离子形成植物难利用的磷酸铝化合物，降低了土壤磷的有效性[62]，同时也降低了土壤活性铝的含量。这表明磷虽然可以与活性铝结合，降低铝活性，但其可能并不是降低铝活性的最重要因素，也可能有其他因素的影响。本研究显示，有机质与交换性铝相关性也不显著(表2)，然而许多研究结果表明，有机质分解产生的有机酸、酚等化合物能与铝形成稳定的复合体降低土壤中的活性铝含量，而与有机物复合的铝对植物生长基本没有生物毒性，因此能显著减轻铝对作物的毒害[63]。这表明土壤活性铝的含量可能受到pH、有机质、有效磷等多种因素的共同影响，在这些因素驱动下，土壤活性铝会转变成其他铝形态存在于土壤中。因此，缓解土壤酸化，降低作物产量损失，应从研究土壤铝形态转化的主要驱动因素，降低铝生物毒性入手。

4 结论

土壤pH 是影响作物产量的关键因素之一，玉米、大豆、小麦和水稻产量95%的酸害阈值分别为5.87、5.34、5.32、4.21，作物酸害阈值受到土壤酸性指标(交换性酸、交换性铝、交换性钙和钙铝比)和土壤肥力指标(有机质、有效磷)及化学氮肥施用量的共同影响。

在pH 未达到酸害的土壤中，提高土壤有机质和有效磷含量，适当增加氮肥用量可以保证较高的作物产量。随着土壤酸化加剧，需要提高土壤pH，降低铝活性，才能保证较高的作物产量。