生石灰對遼東南地區(qū)酸化土壤改良及玉米幼苗生長的影響

張麗麗，樊 葉，薛兵東，莫姣嬌，楊海龍，付 俊

（丹東農(nóng)業(yè)科學院，遼寧 鳳城 118109）

1982—2012 年，遼寧省棕壤酸化程度加劇，pH顯著降低，弱酸性、酸性耕地棕壤面積增加［1］，其中遼東南地區(qū)（寬甸）酸土面積增加28.16%，pH 下降0.84 個單位［2］，嚴重限制了玉米的種植。玉米是遼東南區(qū)域主要農(nóng)作物，對酸較為敏感，pH 5.4 為玉米酸害閾值［3］，而遼東南地區(qū)土壤pH 低于此值的面積較大。生石灰類是較為常用的土壤酸化調(diào)節(jié)劑，應用較為廣泛［4，5］。前人研究表明，施用生石灰可顯著提高土壤pH 與交換性鈣含量［6］，增加土壤生物多樣性［7］，提高作物產(chǎn)量［8］。但也有報道發(fā)現(xiàn)連續(xù)使用生石灰會加速土壤K+和Mg2+浸出，停止施加會出現(xiàn)更強的復酸化過程，而且長期大量施用生石灰，容易形成CaSO4破壞土壤孔隙結構，進而導致土壤板結［9］，此外還會加速土壤有機質(zhì)中富里酸和胡敏酸的分解。生石灰用量過高時土壤中全氮、銨態(tài)氮、速效鉀，有效Fe、Mn、Cu、Zn 含量降低［10］。使用生石灰作為酸化調(diào)節(jié)劑有其適用范圍，pH 大于5.8 時不宜施用生石灰［8］。因此，本研究旨在探明生石灰對遼東南地區(qū)酸化土壤的調(diào)節(jié)作用及其適宜施用量，以期為該地區(qū)的土壤改良與玉米生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在丹東農(nóng)業(yè)科學院試驗站作物生理實驗室采用盆栽方式進行。供試土壤采于丹東農(nóng)業(yè)科學院試驗地農(nóng)田表土0～20 cm，前季作物為玉米。土壤pH 4.75，生石灰pH 12.1。

1.2 生石灰用量計算

為探明生石灰用量，采用氫氧化鈣滴定法計算供試土壤生石灰需要量，公式如下［11］：

CaO（kg/hm2）=cV/m×0.028×2 500 000×1/2

式中，c為消耗Ca（OH）2標準溶液的濃度（mol/L）；V為消耗Ca（OH）2標準溶液的體積（mL）；m為風干土樣重（g）；0.028 為1/2 CaO 的摩爾質(zhì)量（kg/mol）；按本地區(qū)表層土壤容重1.25 g/cm3、耕作層厚度20 cm計算，每公頃耕層土壤的質(zhì)量為2 500 000 kg；1/2 是實驗室測定值與田間實際情況的差異系數(shù)，由施入石灰類型決定［6］，本試驗施入的是CaO（生石灰），因此差異系數(shù)選用1/2。經(jīng)計算得出，施用生石灰用量為3 071 kg/hm2，折合盆栽土壤用量為1.23 g/kg土壤。

1.3 試驗設計

基于生石灰用量計算結果，進行室內(nèi)土壤培養(yǎng)與盆栽試驗。生石灰設0（對照）、0.5、1.0、1.5、2.0 g/kg土壤5 個處理，將生石灰與土壤混勻，每處理12 盆，其中3 盆每盆裝土8 kg，用于土壤培養(yǎng)，共培養(yǎng)32 d，分別為A0（對照）、A0.5、A1.0、A1.5、A2.0 處理。培養(yǎng)期間定期澆去離子水，使土壤保持濕潤。另外9盆每盆裝土16 kg，在土壤培養(yǎng)15 d 后進行玉米盆栽試驗，分別為B0（對照）、B0.5、B1.0、B1.5、B2.0 處理。

1.4 檢測指標與方法

土壤pH：培養(yǎng)后每3～7 d 取一次土樣，土壤pH測定按水土比5∶1 進行［11］。

玉米幼苗地上部與根系干重：將玉米植株貼近根部切下作為地上部，于105 ℃殺青30 min 后，在80 ℃下烘干至恒重。根系樣品用去離子水沖洗干凈，烘干稱重。根冠比=根系干重/地上部干重×100%。

2 結果與分析

2.1 生石灰用量對土壤pH 的影響

2.1.1 生石灰用量對土壤pH 的影響 圖1 顯示，與對照相比，施用生石灰后土壤pH 明顯提升，但在初期有一個緩慢回落的過程。除對照外，培養(yǎng)的4～10 d，隨培養(yǎng)時間的延長，土壤pH 均呈降低趨勢，其中培養(yǎng)4～7 d 下降幅度較大，7～10 d 下降幅度較為平緩，10 d 后，各處理 pH 基本趨于穩(wěn)定。培養(yǎng) 4～10 d，與對照相比，A1.0 與A0.5 處理土壤pH 分別降低6.63%、9.46%，下降幅度高于A1.5 與A2.0 處理。

施用生石灰可明顯提高土壤pH，圖1 中隨生石灰施用量的增加各階段土壤pH 均有所提高，均表現(xiàn)為 A2.0＞A1.5＞A1.0＞A0.5＞A0。培養(yǎng) 4 d 時，各處理pH 均高于對照，其中A2.0 與A1.5 無顯著差異，A1.5顯著高于 A0.5，但與A1.0 無顯著差異，A1.0 與A0.5無顯著差異。培養(yǎng)7 d 后，A1.5 與A2.0 顯著高于對照，A0.5、A1.0 與對照無顯著差異?？梢?，生石灰施入量高于1.5 g/kg 土壤才能顯著提高土壤pH。

圖1 生石灰用量對土壤pH 的影響

2.1.2 生石灰用量與土壤pH 的相關性分析 由圖1 可知，施入生石灰10 d 后，土壤pH 基本趨于穩(wěn)定，因此將生石灰施入量與培養(yǎng)10～32 d 的土壤pH 進行相關分析（進行相關分析時每一施用量處理均為培養(yǎng)后10、18、25、32 d 的數(shù)據(jù)），如圖2 所示。從圖2可以看出，生石灰施入量與土壤pH 呈線性關系，方程為y= 0.442 8x+ 4.725 5（R2= 0.955 7***）。如按玉米 pH 生長閾值 5.4 計算［3］，本試驗條件下，生石灰施用量應為1.52 g/kg 土壤。如以生石灰能夠實現(xiàn)的酸化改良目標 pH 5.8 計算［8］，生石灰施用量應為2.42 g/kg 土壤。

圖2 生石灰用量與土壤pH 的相關性分析

2.2 生石灰用量對玉米生長的影響

2.2.1 生石灰用量對玉米幼苗株高的影響 施用生石灰對玉米植株生長影響明顯，從圖3 可見，B0.5 和B1.0 處理玉米幼苗株高與對照無顯著差異，B1.5 與B2.0 處理玉米幼苗株高無顯著差異，但二者顯著高于其他處理。由此可見，為了緩解土壤酸化對玉米幼苗株高的影響，生石灰施用量應高于1.5 g/kg 土壤，繼續(xù)提高生石灰用量，對玉米幼苗株高無顯著促進作用。

圖3 生石灰用量對玉米幼苗株高的影響

2.2.2 生石灰用量對玉米幼苗干重的影響 由圖4可見，玉米幼苗地上部干重隨生石灰用量增加而增大，B1.0、B1.5 與 B2.0 處理較對照分別高 9.35%、14.1%、13.7%，均顯著高于對照。由圖5 可見，B1.0、B1.5 與B2.0 處理玉米幼苗根系干重較對照分別高83.8%、129.5%、125.8%，差異均達顯著水平。各處理間玉米幼苗地上部干重表現(xiàn)為，B1.5 與B2.0 處理顯著高于B0.5 處理，與B1.0 無顯著差異。由此可見，為促進酸化土壤玉米幼苗地上部的生長，生石灰施用量應高于1.0 g/kg 土壤，但為了同時兼顧玉米幼苗地上部株高與干重，生石灰用量應高于1.5 g/kg 土壤，繼續(xù)提高施用量至2.0 g/kg 土壤對玉米幼苗無負作用。

圖4 生石灰用量對玉米幼苗地上部干重的影響

圖5 生石灰施用量對玉米幼苗根系干重的影響

2.2.3 生石灰用量對玉米幼苗根冠比的影響 由圖6 可見，隨生石灰用量的增加，玉米幼苗根冠比增大，說明施用生石灰量可以促進玉米幼苗根系的生長，在0.5～1.5 g/kg 土壤范圍內(nèi)，根冠比增加幅度較大，1.5～2.0 g/kg 土壤范圍內(nèi)增加幅度較小。各處理間，B1.0、B1.5、B2.0 處理根冠比均顯著高于對照，其中B2.0 與B1.5 無顯著差異。

圖6 生石灰施用量對玉米幼苗根冠比的影響

3 小結與討論

試驗結果表明，施入生石灰后，土壤pH 迅速提高，之后小幅回落，繼而進入相對穩(wěn)定的狀態(tài)。本研究中土壤培養(yǎng)結果表明，施入生石灰10 d 內(nèi)，土壤pH 升高，培養(yǎng)10 d 后趨于穩(wěn)定。而有些土壤培養(yǎng)結果顯示，培養(yǎng) 30 d 后土壤 pH 趨于穩(wěn)定［6，12］。詹紹軍等［13］研究認為土壤培養(yǎng)30～60 d，土壤 pH 趨于穩(wěn)定，這可能與土壤基礎pH 不同有關。

土壤酸堿性對植株種子萌發(fā)及幼苗生長影響顯著［14］。施入生石灰提高了土壤pH，緩解土壤酸度，降低土壤交換性鋁含量，從而促進根系發(fā)育［15］，有利于植株干重增加。本研究盆栽試驗結果顯示，生石灰用量大于1.0 g/kg 土壤時，玉米幼苗株高與根冠比顯著高于對照，施入量大于1.5 g/kg 土壤時，玉米幼苗地上部干重顯著高于對照。

土壤pH 隨生石灰施入量的增加而提高，但由于土壤存在一定的緩沖作用，在培養(yǎng)10 d 后，低濃度（A0.5、A1.0 處理）的生石灰對土壤無顯著調(diào)節(jié)作用，用量高于1.5 g/kg 土壤才能夠顯著提高土壤pH。王孟等［16］研究顯示，Ca（OH）2施入量與土壤 pH 顯著線性相關。本研究結果顯示，在生石灰施入量為0～2 g/kg 土壤范圍內(nèi)，生石灰施用量與土壤pH 顯著線性相關，這與前人研究結果較為一致［16］。有研究認為，玉米是對酸較為敏感的作物，玉米生長pH 閾值為5.4［3］，低于閾值玉米生長將受到抑制。生石灰作為調(diào)節(jié)劑對土壤pH 的促進有一定范圍，研究認為只有當土壤pH 低于5.0 時，施生石灰才可獲得明顯效益，而土壤pH 為5.8 的土壤施用生石灰，作物產(chǎn)量不再提高，因此認為pH 5.8 是酸化改良的目標，土壤pH 介于4.3～5.8 時，施用石灰改良效果最好，適宜石灰施用量在 3 000～6 000 kg/hm2［8］。本試驗土壤 pH為4.75，通過計算得出，如果以玉米酸害閾值為目標，生石灰施用量應為1.52 g/kg 土壤，相當于每公頃施生石灰3 800 kg，這與使用盆栽試驗結果一致，與Ca（OH）2滴定法計算出的石灰需要量基本吻合。如以生石灰能夠實現(xiàn)的酸化改良目標pH 5.8 計算，生石灰施用量應為2.42 g/kg 土壤，折合每公頃施生石灰6 050 kg。分析顯示生石灰用量3 800 kg/hm2顯著提高玉米幼苗株高、地上部干重，同時促進根系生長、提高根冠比，因此，可作為遼東南地區(qū)生石灰低適宜施用量。