0 引言
【研究意义】从20世纪80年代至今,中国农田土壤pH平均下降了0.13—0.80个单位[1],日趋严重的土壤酸化问题引起了社会的普遍关注。土壤酸化既会引起土壤理化性质恶化、养分流失,还会致使铝离子和重金属活度提高、土壤微生物活性降低,从而导致农作物减产[2],严重制约着农业生产可持续发展[3-4]。长期以来,酸性土壤改良都是国内外关注的热点[5]。在所有改良措施中,施用石灰是最有效的方法[6],至今仍然是中国和世界农业生产中的经典技术[7-9]。同其他的农艺措施一样,石灰施用技术直接影响着改良效果,尤其是石灰用量的确定至关重要。【前人研究进展】CAIRES等[10]研究表明,施用石灰可以显著增加玉米和小麦产量,提高0—5 cm浅层土壤pH及土壤交换性Ca含量。PRIETZEL等[11]在pH仅为3.0—3.2的土壤上施用4 t·hm-2石灰,长期维持了较高的土壤pH。HATI等[12]和MANNA等[13]研究表明,在改良土壤物理性质上,长期施用石灰可以达到与有机肥相同的效果。也有不少研究表明,不恰当地使用石灰也会导致负面影响,过量施用石灰不但影响土壤结构、造成土壤板结,甚至产生次生石灰化,还会使土壤中钾、钙、镁等营养元素出现平衡失调,从而导致作物减产[6,14-16]。【本研究切入点】施用石灰对于改良酸性土壤效果显著,是一项古老的改良措施[17],石灰适宜用量的确定是决定这一措施是否有效和能否推广应用的关键。20世纪80年代中期以来,中国农业生产逐渐少用或停用石灰就与当时石灰不当施用导致的负面效应有关[18],而这一停用是导致当前土壤严重酸化全面暴发的重要原因。因此,科学确定石灰用量已成为中国目前农业生产推广石灰应用酸化土壤改良的重要技术。但在石灰用量对土壤酸度动态变化及其施用量的科学确定等方面的报道较少。【拟解决的关键问题】本研究基于土壤培养试验探讨不同石灰用量对酸性土壤的改良效果,并利用对土壤酸度敏感的大麦[19]作为指示作物,通过短期生物盆栽试验,验证Ca(OH)2滴定法确定适宜的石灰需要量,为科学施用石灰、改良酸性土壤提供依据。1 材料与方法
1.1 试验材料
试验于2015年8—11月在华中农业大学资源与环境学院进行。供试土壤采自湖北省恩施州的农田表土,前季作物为玉米,土壤pH为3.9,土壤交换性酸总量为4.87 cmol·kg-1,土壤交换性H+含量为0.55 cmol·kg-1,土壤交换性铝含量为4.32 cmol·kg-1。盆栽试验供试大麦品种为鄂大麦9号。供试生石灰由天津市福晨化学试剂厂提供,其主要成分CaO含量为98.0%、MgO含量为0.5%,pH为12.27。1.2 土壤培养试验
在试验设计前,根据Ca(OH)2滴定法计算出供试土壤石灰需要量,计算公式如下[20]：CaO(kg·hm-2)=
式中,c、V—滴定时消耗Ca(OH)2标准溶液的浓度（mol·L-1）和体积（mL）;
m—风干土样重（g）;
0.028—1/2 CaO的摩尔质量（kg·mol-1）;
2250000—每公顷耕层土壤的质量（kg·hm-2）,按土壤容重1.15 g·cm-3、耕作层厚度20 cm计算;
1/2—实验室测定值与田间实际情况的差异系数。由施入的石灰类物质特性决定,当施用的石灰为CaCO3时,其作用相对温和,差异系数大于1（一般选用1.3）,而当施用的石灰类物质是CaO（生石灰）时,因其作用强烈,差异系数应该小于1（一般选用0.5）。
计算出石灰施用量为3 950 kg·hm-2,经换算为1.76 g·kg-1土壤。
试验共设6个生石灰用量,分别为0 g·kg-1（CK）、0.3 g·kg-1（L0.3）、0.9 g·kg-1（L0.9）、1.8 g·kg-1（L1.8）、2.4 g·kg-1（L2.4）和4.8 g·kg-1（L4.8）。每盆装土2 kg,将生石灰与土壤混匀,以不施生石灰为对照,每个处理3次重复,随机区组排列,进行3个月培养试验。试验期间用称重法浇去离子水,保持土壤质量含水量为25%左右,定期取样,观测土壤酸度动态变化。
1.3 盆栽试验
上述土壤培养试验的各处理,取经过培养90 d的土样500 g,分别装入12 cm×12 cm（直径×高）的塑料桶后,播种大麦,11月01日播种,11月15日收获。每盆播种10粒,定期用称重法浇去离子水,保证土壤质量含水量在25%左右,整个过程中不施用任何肥料,每个处理3次重复。试验期间播种、浇水等日常管理措施按照常规方法进行。1.4 土壤样品采集与分析
分别在培养试验的第10、20、30、40、50、60、70和90天采集土壤样品。采用长450 mm、直径6 mm的圆柱形取样器垂直插入土壤,每盆随机取点4个,实验室风干、磨细过筛,测定土壤pH和土壤潜在酸（土壤交换性酸总量、土壤交换性H+含量和土壤交换性铝含量）。具体测定方法[20]：土壤pH按水土比2.5﹕1,pH计测定;土壤交换性酸总量、土壤交换性H+分别采用1 mol·L-1 KCl淋洗——NaOH滴定方法测定;土壤交换性铝=土壤交换性酸总量-土壤交换性H+。1.5 植株样品采集与分析
大麦播种2周后收获,将整个植株带根取出,分离根系与土壤,尽量保持根系的完整性,测定其株高。将获得的完整根系冲洗干净后,在根系扫描仪EPSON（PERFECTION C700）上进行扫描,采用WinRHIZO PRO 2009软件进行分析[21],得到总根长、根系总表面积和平均直径等指标参数,并采用TTC还原法测定根系活力[22]。将地上部和根系于105℃杀青30 min,70℃烘至恒重,称其干重。1.6 数据统计
试验数据采用Excel 2003软件进行计算处理,并用OriginPro 8.5软件绘图、Genstat 18.0和SPSS 18.0软件进行统计分析。2 结果
2.1 生石灰对土壤酸度动态变化的影响
通过测定生石灰用量对土壤酸度动态变化（图1）,在培养前30 d,生石灰的施入可以显著提高土壤pH,降低土壤交换性酸总量、土壤交换性H+含量和土壤交换性铝含量;石灰用量越高,潜在酸的含量越低,以至于L4.8处理的土壤交换性酸总量、土壤交换性H+和交换性铝含量均降为零。培养第60天后,L0.3、L0.9及对照处理土壤pH没有差异,其他处理差异显著,但各处理均显著降低了土壤潜在酸含量。培养后期（70 d后）,土壤交换性H+含量直线上升,而土壤交换性铝含量明显下降,导致土壤pH降低。不同生石灰用量处理的土壤pH达到平衡的时间不同,L4.8和L2.4均在培养第30天趋于稳定,L1.8、L0.9和L0.3均在培养第50天趋于平稳,对照处理在整个培养过程中变化不大。到培养第90天,L4.8、L2.4、L1.8较对照处理分别提高了2.88、1.16和0.74个pH单位。可见,在酸性土壤上,石灰施入初期（前30 d）可以明显降低土壤酸度,但由于土壤的缓冲作用,其效应逐渐衰减,经过90 d培养后,低石灰用量（< 1.8 g·kg-1）对于提高土壤pH已没有明显效果,但对降低土壤潜在酸度效果显著。2.2 生石灰对大麦幼苗生物量的影响
施用生石灰可以显著提高大麦株高及地上部、地下部生物量（表1、图2）。生石灰用量在0—1.8 g·kg-1,大麦株高及生物量随生石灰用量增加而提高,当生石灰用量为1.8 g·kg-1时,株高及生物量达到最高,而生石灰用量高于1.8 g·kg-1时,则出现下降趋势。因此,生石灰用量为1.8 g·kg-1时,效果最好,这与采用Ca(OH)2滴定法计算出的石灰需要量（1.76 g kg-1）基本吻合。从大麦根冠比数值可以看出,当生石灰用量≤2.4 g·kg-1时,可以促进大麦根系的生长,但当生石灰用量为4.8 g·kg-1时,根冠比明显减小,说明过量的生石灰施入土壤抑制了根系的生长。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1生石灰用量对土壤酸度动态变化影响
-->Fig. 1Effects of lime dosage on the dynamics of soil acidity
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2生石灰用量对大麦幼苗长势的影响
-->Fig. 2Effects of lime dosage on barley growth
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Table 1
表1
表1生石灰用量对大麦幼苗生长的影响
Table 1Effects of lime dosage on barley seeding growth
| 生石灰用量 Lime dosage (g·kg-1) | 株高 Plant height (cm) | 生物量Biomass (mg/plant) | 根冠比 Root/shoot ratio | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 地上部 Shoot | 地下部 Root | 合计 Total | |||
| 0 | 10.6f | 11.44e | 2.35e | 13.79e | 0.21e |
| 0.3 | 11.8e | 12.23d | 5.43d | 17.66d | 0.44d |
| 0.9 | 14.4c | 13.53c | 7.53c | 21.07c | 0.56c |
| 1.8 | 17.6a | 19.61a | 12.56a | 32.17a | 0.64b |
| 2.4 | 16.3b | 17.28b | 11.84b | 29.12b | 0.69a |
| 4.8 | 13.6d | 13.71c | 7.47c | 21.18c | 0.55c |
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2.3 生石灰对大麦根系形态指标的影响
在酸性土壤上施用生石灰显著增加了大麦幼苗总根长（表2）,低石灰用量（≤0.3 g·kg-1）对于根系总表面积及平均直径没有促进效果,生石灰用量≥0.9 g·kg-1,其施入显著促进了根系的生长,根系总表面积显著增大,根系平均直径明显减少;但当生石灰用量超过1.8 g·kg-1,生石灰的施入对根系的促进作用明显减弱。Table 2
表2
表2生石灰用量对大麦根系形态指标的影响
Table 2Effects of lime dosage on root morphological index of barely
| 生石灰用量 Lime dosage (g·kg-1) | 总根长 Total root length (cm) | 总表面积 Total surface area (cm2) | 平均直径 Average diameter (mm) |
|---|---|---|---|
| 0 | 4.80e | 1.22c | 0.787a |
| 0.3 | 13.91d | 2.37c | 0.719a |
| 0.9 | 31.59bc | 5.49a | 0.563b |
| 1.8 | 42.52a | 5.95a | 0.392c |
| 2.4 | 36.39b | 3.85b | 0.399c |
| 4.8 | 26.10c | 3.67b | 0.363c |
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2.4 生石灰对大麦根系活力的影响
随着生石灰用量的增加,大麦根系活力呈递增的趋势（图3）,当生石灰用量>1.8 g·kg-1土时,促进作用明显减弱,尤其是当生石灰用量为4.8 g·kg-1时,大麦根系活力显著低于L0.9处理。说明过量生石灰的施用,抑制了根系的生长。因此,合理的生石灰用量有利于促进根系生长发育,提高大麦根系对养分的吸收能力及根系活性。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3生石灰用量对大麦根系活力的影响
-->Fig. 3Effects of lime dosage on barely root activity
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3 讨论
本研究表明,单纯从土壤施用生石灰培养试验看,土壤的酸度指标均随着生石灰用量的增加而呈现不断改善的趋势,说明生石灰施用量越大,土壤酸度改良效果越好。生石灰施入初期（前30 d）能够明显提高土壤pH,降低土壤交换性酸总量和交换性铝含量,到培养后期（60 d后）,土壤交换性H+含量增加,土壤pH呈略微下降趋势。这可能是生石灰施入土壤一段时间后,表层土壤中的Ca2+含量下降导致土壤中阳离子交换量降低,而土壤中阴离子含量的增加又加速了土壤中有机质的分解,从而增加了土壤中H+的含量[23]。随着培养时间的延长和土壤缓冲性能的作用,低石灰用量（≤0.9 g kg-1）对于提高土壤pH已没有明显效果,但其对降低土壤潜在酸（土壤交换性酸总量、土壤交换性H+和土壤交换性铝）效果显著,且大麦幼苗试验结果也表明生石灰的施入能显著增加大麦幼苗生物量。这说明土壤pH作为反映土壤酸度指标虽然有着测试简单、快速的优点,但仅仅只用pH来评估酸性土壤改良效果并不全面;另外,施用石灰可以有效抵抗土壤酸化,且可以保持相当长的时间,这与PRIETZEL等[11]和孟赐福等[23]的研究一致。同时,本研究还表明,当生石灰用量超过1.8 g·kg-1后,对大麦幼苗生长的促进作用明显减弱,这说明对作物而言适宜的石灰用量非常重要。于世举[24]研究表明,在酸性土壤上施石灰超过1 500 kg·hm-2,平均每千克石灰对水稻的增产效果呈明显下降趋势;敖俊华等[25]研究表明,每千克土壤施用石灰1.2 g,甘蔗产量和糖分最佳,当石灰施用过多,单位石灰增施量对其表现出负效;雷宏军等[26]的盆栽试验结果发现,酸性土壤上适当施用石灰能极显著提高蚕豆的产量,且不同土壤类型、不同石灰种类,蚕豆获得最佳产量所需的石灰用量明显不同,这也是本试验结果所得到的最佳石灰施用量与前人研究不同的主要原因。施用石灰是一项传统的酸性土壤改良措施[17],然而石灰适宜用量的确定是决定这一措施是否有效和能否推广应用的关键。人们在确定石灰需要量方面进行了大量研究,可以计算石灰适宜用量的方法很多,根据pH确定石灰用量的方法主要有SMP单缓冲法、SMP双缓冲法和Ca(OH)2滴定法[20, 27],相比于SMP单缓冲法和SMP双缓冲法而言,Ca(OH)2滴定法更准确[28-29]。本研究的供试土壤采用Ca(OH)2滴定法计算出生石灰适宜用量为1.76 g·kg-1,与用大麦幼苗法的生物研究结果非常吻合,再次说明采用Ca(OH)2滴定法计算酸性土壤改良适宜石灰用量的可行性。
在酸性土壤上施用石灰使大麦增产的原因主要是施用石灰提高了土壤pH,改善了土壤酸度,减少了土壤交换性铝含量,从而促进根系发育[30-32],这与本研究结果一致。但本研究还表明,生石灰用量在超过1.8 g·kg-1范围后,随着用量的增加大麦幼苗生长状况不断变差。前人在石灰过量施用产生负面效果的机制上进行了系列研究[33],例如过量石灰施用可能会因形成磷酸钙盐沉淀,或者被新形成的高度活性的Al—OH多聚体所吸附而导致大麦吸磷量的降低[34];此外,石灰过多施用,还可能造成土壤溶液中K/Ca比例失调,降低钾素吸收[35],进而影响大麦生长。在本研究中,幼苗试验只进行了2周,大麦的生长主要还是利用种籽自身的养分,因此,大麦幼苗在石灰施用量高于1.8 g·kg-1后受抑制的主要原因可能不是养分,估计是土壤溶液的pH变化对植物矿质营养产生间接影响,造成某些营养离子的亏缺而破坏细胞中的离子稳态[36]。同时,当生石灰用量超过一定量时,原本严重酸化的土壤因石灰施用导致土壤pH>7或接近7时,高pH会抑制植物组织和器官的分化[37]。在本研究中,当石灰用量超过1.8 g·kg-1后抑制大麦幼苗生长的确切原因及其机理还有待进一步研究。
本研究采用的是室内培养试验,与在开放自然条件下进行的田间试验相比,属于半封闭式体系,土壤缓冲性能也相对较弱,几乎不存在H+和Al3+淋洗作用,并且在整个培养过程中的水分条件与田间差异较大,会导致与田间实际情况有一定差异,因此,还需进一步结合田间试验研究确定最佳生石灰用量。另外,大麦盆栽试验只考虑了幼苗期,对其生长后期及产量的影响还不清楚,且石灰施入土壤后必定会引起土壤养分有效性及土壤结构的改变[17]。因此,在以后的研究中,可进一步探讨生石灰施入对大麦收获期产量、养分吸收等影响,根据不同土壤酸碱环境确定更优方案及施用量,为石灰的科学施用提供依据。
4 结论
4.1 在酸性土壤（pH3.9）上,施用生石灰初期（前30 d）能够显著提高土壤pH,降低土壤交换性酸总量和交换性铝含量;由于土壤的缓冲性能,这种效果随着培养时间逐渐降低,低石灰用量（<1.8 g·kg-1）对于提高土壤pH失去效果,但对降低土壤潜在酸效果仍然显著。4.2 在研究条件下,施用生石灰改良后的土壤显著促进了大麦幼苗生长,且生石灰用量与土壤改良效果密切相关,以每千克土施用生石灰1.8 g（相当于4 t·hm-2生石灰用量）改良土壤酸性效果最佳,这与采用Ca(OH)2滴定法计算出的石灰需要量1.76 g·kg-1相吻合。
（责任编辑 李莉）
The authors have declared that no competing interests exist.
