土壤初始有效磷和交換性鎂含量改變了小麥生長對pH的響應

張璐， 鄭磊， 劉思汝， 蔡澤江*， 孫楠， 張強*， 徐明崗，

（1.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，農業(yè)農村部耕地質量監(jiān)測與評價重點實驗室，北京 100081；2.金正大生態(tài)工程集團股份有限公司，山東 臨沭 276700； 3.中國熱帶農業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所，海南省熱帶作物營養(yǎng)重點實驗室，廣東 湛江 524091）

近30 年來，我國農田土壤酸化呈快速增加的態(tài)勢，成為南方、東北和膠東等典型農業(yè)區(qū)土壤退化的主要形式之一[1-2]。土壤酸化導致鈣、鎂、磷等元素有效含量降低，鋁、錳等作物毒害元素活性增加，從而限制了農作物的生長[3]。一般認為當土壤pH低于5.5時，交換性鋁含量顯著增加，酸害發(fā)生[4]。Mullen 等[5]研究表明，土壤pH 在4.4~5.9 時，油菜籽產量隨pH 降低呈線性減產的趨勢。蔡澤江等[6]通過長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，當紅壤pH 下降到4.2 時，小麥和玉米已經(jīng)絕產，分析發(fā)現(xiàn)小麥和玉米產量下降的臨界pH 分別為6.0 和5.9。由此可見，作物生長對土壤酸化的響應具有一定的pH范圍，當土壤pH低于某一閾值時，產量顯著降低；該pH 閾值對土壤酸化防治和酸性土壤改良具有重要意義。Zhu等[7]將作物最高產量的95%和5%對應的pH分別定義為酸害閾值和酸害絕產值，并基于長期定位試驗數(shù)據(jù)計算了小麥、玉米、水稻的2個閾值分別為5.9 和3.5、5.1 和3.8、5.0 和4.0。Baquy 等[8]基于盆栽試驗結合雙直線方程擬合的方法，獲得了作物生長對土壤pH 響應的拐點，即酸害閾值，發(fā)現(xiàn)玉米在第四紀紅土、花崗巖和紅砂巖發(fā)育的紅壤上pH 閾值分別為4.73、4.77 和5.07；梁文君等[9]也通過盆栽試驗研究發(fā)現(xiàn)，玉米在第四紀紅土、板頁巖和紅砂巖發(fā)育紅壤上的酸害閾值分別為5.48、5.82 和5.54。綜上所述，盡管前人對作物的酸害閾值進行了大量研究，也取得了一些進展，但各研究結果間酸害閾值差異較大。究其原因，可能與試驗所選土壤的初始性質有關，Bache 等[10]研究表明，磷、鋁、pH 間的相互作用影響了大麥對土壤酸度的響應。為此，本研究選取了5 種母質發(fā)育的土壤，且初始性質差異較大，通過盆栽試驗分析了小麥生長的pH 閾值與土壤初始性質的關系，為土壤酸害閾值的確立及培肥、改良酸害提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

在湖南省選取母質板頁巖、第四紀紅土、河流沖積物、紅砂巖、花崗巖發(fā)育的5 種典型紅壤。采集0—20 cm 的表層土壤，自然風干后，除去石塊和殘根，混勻后過1 cm 篩，供盆栽試驗用。同時保留待測樣，分別過20 和60 目篩，用于土壤基本性質測定，供試土壤理化性質見表1。

表1 供試土壤基礎理化性質Table 1 Selected chemical properties of the soils as the initial conditions for the pot experiment in this study

1.2 調節(jié)土壤pH

按照成杰民等[11]的研究方法，根據(jù)土壤的初始pH情況，設置11個pH梯度，每種母質發(fā)育的土壤各稱取11份10 g土壤樣品于120 mL塑料瓶中，加入不同體積的0.1 mol·L-1的硫酸或0.1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液，并用蒸餾水將水土比調整為5∶1。將塑料瓶放入25 ℃恒溫震蕩機中往返震蕩12 h，靜置2 h，反復6 次使土壤酸堿快速反應達到基本平衡后，測定土壤pH，以酸堿添加量為縱坐標、土壤pH為橫坐標，繪制土壤酸堿緩沖曲線。土壤酸堿緩沖曲線中線性部分斜率的絕對值即為土壤酸堿緩沖容量[12]。以此作為盆栽試驗土壤調節(jié)pH的參考，計算達到預期pH所需的酸或堿量。采用硫酸溶液和生石灰將5 種母質發(fā)育的紅壤調節(jié)為pH 3.5~7.5 梯度，并用蒸餾水將土壤含水量調節(jié)至70%田間持水量，穩(wěn)定30 d，期間測定pH，待穩(wěn)定后開始盆栽試驗。

1.3 盆栽試驗

每盆稱取相當于0.8 kg烘干土重的風干土，與肥料溶液充分混勻后裝入盆中。盆的規(guī)格為口內徑14 cm、底內徑9 cm、高11 cm。所有處理均施用相同量的氮、磷、鉀肥，其中尿素、磷酸二氫鉀和氯化鉀用量分別為250 mg N·kg-1、125 mg P2O5·kg-1和125 mg K2O·kg-1。每盆均勻地播入大小相似的小麥種子13粒，小麥品種為湘麥4號，小麥出苗后間苗至10株。每個處理3次重復，將盆栽隨機擺放在網(wǎng)室內，每天補充澆水。出苗30 d后收獲，用剪刀緊挨土表將植株剪下，測量株高（cm）；采用抖根法將土與根系分離，并用水將根系沖洗干凈，地上部和根系在80 ℃烘箱中烘干48 h 后，稱重。同時將盆栽試驗土壤風干，磨細過20目篩，測定土壤pH。

1.4 樣品采集與分析

基礎土樣及盆栽試驗后土壤性質測定參考土壤農化分析方法[13]。土壤pH 采用電位法測定，水土比為5∶1；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤有效磷采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定；土壤交換性鈣和交換性鎂采用1 mol·L-1乙酸銨交換-原子吸收分光光度法測定；土壤交換性氫、鋁采用1 mol·L-1氯化鉀浸提-氫氧化鈉中和滴定法測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 16.0 軟件進行各處理間結果的顯著性檢驗和相關分析；所有圖采用Sigmaplot 10軟件制作。小麥地上部生物量、根系生物量、株高對pH 的響應關系采用Sigmaplot 10軟件Sigmoidal公式擬合，公式如下。

式中，a為小麥地上部生物量、根系生物量或株高的穩(wěn)定值；b 為方程系數(shù)；x0為達到穩(wěn)定值的50%時pH閾值，即pH50%；x為土壤pH。

小麥地上部生物量、根系生物量、株高達穩(wěn)定值95%和5%時的pH閾值，由以下公式計算獲得。

2 結果與分析

2.1 土壤酸堿緩沖曲線

各母質發(fā)育的紅壤酸堿緩沖曲線如圖1 所示。在線性條件成立的情況下，土壤酸堿緩沖曲線線性擬合的斜率即為土壤酸堿緩沖容量。由圖1可知，板頁巖、第四紀紅土、河流沖積物、紅砂巖和花崗巖發(fā)育的紅壤酸堿緩沖容量分別為24.2、24.0、18.8、22.2、18.1 mmol(+)·kg-1·pH-1。

圖1 不同母質發(fā)育的紅壤酸堿緩沖曲線Fig. 1 pH buffering curve of soils derived from different parent materials

2.2 小麥生長對pH的響應

2.2.1小麥地上部生物量對pH 的響應 5 種母質發(fā)育的紅壤上，小麥地上部生物量對pH的響應均符合“S”型曲線（圖2）。板頁巖、第四紀紅土、河流沖積物、紅砂巖和花崗巖發(fā)育的紅壤上，地上部生物量穩(wěn)定值分別為2.71、1.17、2.06、1.57 和1.70 g·pot-1；板頁巖發(fā)育的紅壤達到穩(wěn)定值95%、50%和5%時的pH 閾值（即pH95%、pH50%、pH5%）分別為5.31、4.42 和3.53，第四紀紅土發(fā)育的紅壤分別為5.79、4.79 和3.80，河流沖積物發(fā)育的紅壤分別為5.25、4.71 和4.16，紅砂巖發(fā)育的紅壤分別為4.94、4.61和4.29，花崗巖發(fā)育的紅壤分別為5.72、4.66和3.59（表2）。

圖2 不同母質土壤上小麥地上部生物量對pH的響應Fig. 2 Response of wheat shoot biomass to pH of soils derived from different parent materials

表2 不同母質土壤上小麥地上部生物量的pH閾值Table 2 Critical pH of wheat shoot biomass in soils derived from different parent materials

2.2.2小麥根系生物量對pH 的響應 5 種母質發(fā)育的土壤上，小麥根系生物量對pH的響應曲線一致（圖3）。板頁巖、第四紀紅土、河流沖積物、紅砂巖和花崗巖發(fā)育的紅壤上，小麥根系生物量穩(wěn)定值分別為0.59、0.41、0.49、0.40和0.48 g·pot-1；板頁巖發(fā)育的紅壤達到穩(wěn)定值95%、50%和5%時的pH閾值分別為6.20、4.79和3.39，第四紀紅土發(fā)育的紅壤分別為4.73、4.40 和4.07，河流沖積物發(fā)育的紅壤分別為5.60、4.91 和4.21,紅砂巖發(fā)育的紅壤分別為4.70、4.28 和3.87，花崗巖發(fā)育的紅壤分別為4.38、4.27和4.16（表3）。

圖3 不同母質土壤上小麥根系生物量對pH的響應曲線Fig. 3 Response of wheat root biomass to pH of soils derived from different parent materials

表3 不同母質土壤上小麥根系生物量的pH閾值Table 3 Critical pH of wheat root biomass in soils derived from different parent materials

2.2.3小麥株高對pH 的響應 小麥株高對pH的響應曲線如圖4 所示。板頁巖、第四紀紅土、河流沖積物、紅砂巖和花崗巖發(fā)育的紅壤上，小麥株高穩(wěn)定值分別為51.34、34.76、53.40、42.43和36.70 cm；板頁巖發(fā)育的紅壤達到穩(wěn)定值95%、50%和5%時的pH 閾值分別為4.67、4.02 和3.37，第四紀紅土發(fā)育的紅壤分別為5.17、4.36和3.56，河流沖積物發(fā)育的紅壤分別為5.09、4.32和3.55，紅砂巖發(fā)育的紅壤分別為5.01、4.31 和3.61，花崗巖發(fā)育的紅壤分別為4.32、4.26和4.20（表4）。

圖4 不同母質土壤上小麥株高對pH的響應曲線Fig. 4 Response of wheat height to pH of soils derived from different parent materials

表4 不同母質土壤上小麥株高的pH閾值Table 4 Critical pH of wheat height in soils derived from different parent materials

2.3 作物酸害閾值與土壤基礎性質的相關分析

小麥生長的酸害閾值與土壤基礎性質的相關分析如表5 所示。地上部生物量pH50%與有效磷含量呈顯著負相關；穩(wěn)定值與土壤初始pH、有效磷、交換性鎂和交換性鈣含量呈顯著或極顯著正相關。根系生物量pH95%和pH50%均與土壤初始pH 呈顯著正相關，pH95%與交換性鎂和交換性鈣含量呈顯著和極顯著正相關，而pH50%與交換性鋁含量呈顯著負相關；穩(wěn)定值與土壤初始pH、有效磷含量呈顯著正相關。株高pH50%與土壤初始有效磷、交換性鎂含量呈顯著負相關。

表5 小麥酸害閾值與土壤基礎性質的相關性分析Table 5 Coefficient of correlation between critical pH of wheat and soil initial chemical properties

3 討論

本研究表明，小麥地上部生物量和株高pH50%與土壤初始有效磷和交換性鎂含量呈負相關關系，即土壤初始有效磷、交換性鎂含量越高，pH50%越低。一方面，磷能夠通過增加根系有機酸含量改善鋁脅迫作物光合系統(tǒng)，從而緩解鋁毒害[14]；另一方面，磷能緩解土壤中鋁毒導致的根系結構和功能受損，從而影響?zhàn)B分的吸收和利用[15-16]；此外，磷含量增加可降低根系總鋁和單核鋁含量，使毒性形態(tài)的鋁轉化為無毒形態(tài)，并減少鋁在根尖以及細胞壁的積累，以緩解鋁對根伸長的抑制，提高作物根系的抗鋁毒害能力[17]。Bache 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，當土壤有效磷含量從18 mg·kg-1增加到73 mg·kg-1，大麥的pH 閾值從4.9 降低至4.3，本研究所選板頁巖、第四紀紅土、河流沖積物、紅砂巖和花崗巖發(fā)育的紅壤初始有效磷含量分別為30.4、5.7、15.4、9.7 和12.1 mg·kg-1，在Bache 等[10]研究的范圍內，為此，有效磷含量是影響不同紅壤上pH閾值差異的原因之一。

本研究所選土壤初始pH 與交換性鎂含量呈顯著正相關，即土壤初始pH 越高、交換性鎂含量越高。本研究所選板頁巖、第四紀紅土、河流沖積物、紅砂巖和花崗巖發(fā)育的紅壤初始交換性鎂含量分別為1.35、0.26、0.52、0.23 和0.15 cmol+·kg-1，而當交換性鎂含量低于0.50 cmol+·kg-1即為缺鎂土壤[18]。模擬酸化的過程中，盡管采用硫酸溶液將土壤酸化至較低pH，但缺少淋溶過程，鎂等養(yǎng)分元素仍滯留在土壤中，板頁巖發(fā)育的紅壤具有相對較低的pH50%。此結果也在一定程度上說明，缺乏淋溶的人為模擬酸化過程可能會低估作物的酸害閾值，而選取初始pH和養(yǎng)分含量較低的土壤進行酸害閾值研究，可能會消除這一影響。Baquy等[8]研究發(fā)現(xiàn)，土壤初始陽離子交換量和交換性鹽基離子含量決定了玉米生長對pH的響應，且土壤初始交換性鹽基離子含量越高酸害閾值越低，其中鋁飽和度更能反映毒害的程度。不同母質發(fā)育的土壤，黏粒和土壤礦物含量也存在差異，模擬酸化條件下，土壤消耗質子的過程也不同，導致同等pH 條件下交換性鋁含量及鋁飽和度存在顯著差異，進而影響了作物生長[19]。本研究表明，穩(wěn)定值與土壤初始pH、有效磷、交換性鎂和交換性鈣含量呈顯著或極顯著正相關，這與Bossolani 等[20]研究結果一致，即相較于單施石灰調節(jié)土壤pH外，適量補充磷和鎂元素，可顯著提高大豆產量；Lauricella 等[21]也通過盆栽試驗證明，調理劑對作物生長的影響主要取決于鋁毒的緩解和有效磷含量增加。由此可見，土壤肥力水平和酸度共同決定了作物生長。因此，培肥土壤、改善土壤磷和鈣鎂等營養(yǎng)，有利于降低酸化危害。

綜上所述，地上部生物量pH50%與有效磷含量呈顯著負相關；根系生物量pH95%和pH50%均與土壤初始pH 呈顯著正相關，pH95%與交換性鎂和交換性鈣含量呈顯著和極顯著正相關，而pH50%與交換性鋁呈顯著負相關；株高pH50%與土壤初始有效磷、交換性鎂含量呈顯著負相關。酸害閾值受土壤初始有效磷和交換性鎂含量的影響，土壤肥力水平和酸度共同決定了作物的最大生物量。