0 引言
【研究意义】近年来,土壤酸化加剧[1],严重制约着农业生产的可持续发展[2-3]。石灰作为传统而有效的土壤酸度改良剂之一,被广泛应用于作物增产[4-5]。然而,石灰的增产效果除与土壤起始酸度有关外,在很大程度上取决于作物种类、石灰施用量和类型,这也决定了应用石灰改良土壤酸度获得作物增产还存在一定的不确定性。因此,本文整合分析了在酸性土壤上添加石灰后的作物增产效应,初步探明影响石灰增产效果的主要因素,对科学合理施用石灰改良土壤酸度具有重要指导意义。【前人研究进展】FAGERIA等[6]研究表明不同作物对土壤酸敏感程度存在明显差异,其中各作物的酸害阈值（作物产量明显下降时的土壤 pH）大小顺序为：小麦（pH 6.3）>大豆（pH 5.6）>玉米（pH 5.4）>水稻（pH 4.9）。HART等[7]研究发现,苜蓿、蔬菜的最适土壤pH高于大多数农作物。即使同一种作物,由于土壤性质和石灰类型的差异,也会得出相反的研究结论,如张天彬[8]在初始pH为4.8的土壤上证实大豆对石灰的响应高于玉米;而 PAGANI等[9]在初始pH为5.37—5.71的土壤上的研究则显示玉米对石灰的响应程度高于大豆。石灰类物质种类较多,主要包括生石灰、石灰石粉、熟石灰等,它们之间的效应是否有显著差异,不同研究结果也不尽相同。姜超强等[10]发现,生石灰、白云石粉、熟石灰使烟草生物量分别增加13%、9% 和17%,即熟石灰增产效果最佳,是白云石粉的2倍;但 PAGANI等[9] 则表明施用不同来源的石灰对大豆产量的影响没有差异。尽管大量研究表明酸性土壤施用石灰明显增加作物产量,但连续或过量施用石灰,也会导致作物减产[11-13]。可见,施用石灰改良土壤酸度获得作物增产效果与作物的种类、土壤初始酸度、石灰类型和施用量密切相关,而目前习惯上不加区分地将土壤pH目标值定为5.5,以此计算石灰需要量,带有很大的盲目性[14]。【本研究切入点】对于酸性土壤施用石灰的研究,已有较多报道,但均基于一种或两种因素（土壤、作物、石灰种类及用量）,其结果只能回答特定条件下的增产效应,缺乏整体的综合分析,因此,对石灰的增产效应及其影响因素仍不清晰。【拟解决的关键问题】本研究以公开发表的文献数据资料为基础,通过数据整合分析,揭示石灰增产效应的主要影响因素,并针对不同作物和土壤,提出合理的石灰用量,为酸性土壤改良和农田可持续利用提供理论依据。1 材料与方法
1.1 数据库的建立
本研究数据主要运用“中国知网”、“Google Scholar”、“Web of Science”和“Science Direct”这4个文献数据库,输入关键词“土壤酸化（soil acidification）”、“石灰（lime）”、“作物产量/生物量（crop yield/biomass）”,搜索1900—2015年文献,筛选文献条件为：（1）同一试验必须包含配对的处理组和对照组,对照为不施石灰,处理组为施石灰;（2）同一个处理组中,土壤pH与作物产量/生物量必须成对出现;（3）施肥均为氮磷钾平衡施肥。采用 Excel 2003 软件建立了土壤 pH-作物产量/生物量的数据库,内容主要包括文献信息（作者、文献来源、出版年份等）、土壤原始信息（pH、交换性钙,交换性铝）、处理信息（施肥、施石灰、其他）、作物（种类、产量/生物量）、作物收获后土壤信息（pH、交换性钙,交换性铝等）。在搜集过程中,如果数据以图的形式展示,采用 GetData Graph Digitizer 2.24 软件来获取。不同来源、不同类型石灰均按其纯度和酸中和值（CaCO3：100%,CaO：179%,Ca(OH)2：136%）折算成CaO的施入量[15]。共收集到文献76篇（中文35篇、英文41篇）,数据643组。笔者选定的指标参数为作物种类、土壤初始pH、石灰类型和石灰施入量。样本分布如表1所示,粮食作物包括水稻、玉米、高粱、豆类、麦类、薯类,大量样本数主要集中在水稻、麦类、玉米和豆类,关于高粱和薯类的样本数较少。经济作物主要包括蔬菜、牧草、水果、烟草、油菜等,关于牧草的样本数最高,其他几种样本较少。土壤初始pH值介于3.1—6.6,在此基础上按0.5 pH个单位将其划分为五个阶段：<4.5、4.5—5.0、5.0—5.5、5.5—6.0、≥6.0,大量数据样本集中在pH<4.5,4.5—5.0和5.0—5.5 3个阶段。石灰类型主要包括生石灰（CaO）、石灰石粉（CaCO3）和熟石灰（Ca(OH)2）,其中Ca(OH)2 的样本数最少,仅占总样本数的5%,CaO和CaCO3 的样本数最高,分别是355和255。数据整理发现,石灰施用量跨度较大,样本数主要集中在 750—6 000 kg·hm-2 处,数据量达到470,占据整个样本数的73%。
Table 1
表1
表1数据库样本分布情况
Table 1Database sample distribution
| 作物类型 Crop species | 初始土壤pH Initial soil pH | 石灰类型 Types of lime | 石灰施入量 Lime application rate (kg CaO·hm-2) | |
|---|---|---|---|---|
| 粮食作物Cereal crops (386) | 经济作物Cash crops (257) | |||
| 水稻 Rice (93) | 蔬菜 Vegetable (29) | <4.5 (168) | CaO (355) | <750 (84) |
| 玉米 Maize (80) | 牧草 Pasture (112) | 4.5-5.0 (222) | CaCO3 (255) | 750-1500 (131) |
| 高粱 Sorghum (16) | 水果 Fruit (37) | 5.0-5.5 (195) | Ca(OH)2 (33) | 1500-3000 (179) |
| 豆类 Bean (71) | 烟草 Tobacco (33) | 5.5-6.0 (51) | — | 3000-6000 (151) |
| 麦类Wheat (87) | 油菜 Rape (46) | ≥6.0 (7) | — | >6000 (89) |
| 薯类 Tuber (39) | — | — | — | — |
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将所收集到的全部增产率数据输入SPSS运行,检验数据是否符合正态分布。检验结果显示,数据符合正态分布（P<0.01）,按大小排序,取处于5%—95%区间的样本进行数据分析。
1.2 整合分析
分别按作物种类、土壤初始pH、石灰类型和石灰施入量对数据进行分组。数据收集于多个相互独立的研究,采用作物增产率作为计算的效应值, 其计算公式如下：作物增产率（%）=（处理的产量-对照的产量）/对照的产量×100,平均值均取自每组数据按大小排序的5%—95%数据范围内,利用SigmaPlot 12.5软件中的随机效应模型对原始数据进行整合分析,利用SigmaPlot 12.5和Excel 2003软件进行作图,用Duncan法检验不同处理间的差异显著性。2 结果
2.1 施石灰对不同作物的增产效果
分析显示（图1）,酸性土壤施用石灰提高作物产量,增产率为2%—255%,其中粮食类作物和经济类作物的增产率分别为42%和47%。对粮食类作物之间进行比较发现（图1-A）,玉米（149%）、高粱（142%）对施加石灰的响应效果显著高于其他作物;麦类（55%）、豆类（32%）的增产率处于中等水平,接近粮食类作物整体的平均值;对石灰的响应程度最低的是薯类和水稻,增产率分别为2%和4%。经济类作物（图1-B）中蔬菜对施用石灰的响应程度显著高于其他作物,增产率达到了255%;牧草、水果、烟草和油菜的增产率之间没有显著差异,按增产率大小排序,其产量对石灰的响应为：牧草（85%）>油菜（26%）>水果（23%）>烟草（7%）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同作物对施石灰的响应
A：粮食作物,B：经济作物。括号内的数值和百分数分别代表样本数和平均增产率。a、b、c代表不同作物的增产率在5%水平上差异显著
-->Fig. 1Response of different crops to liming
A: Cereal crops, B: Cash crops. The value and percent in brackets represent sample numbers and average crop growth rate, respectively. a, b, c represent significantly different in crops growth rate (%) at the 5% level, respectively
-->
2.2 不同土壤初始pH、石灰类型及施入量下作物的增产效果
从整体看（图2）,酸性土壤施用石灰可显著提高作物产量,平均增产率为48%,随土壤初始pH升高,作物增产率对施用石灰的响应呈现先增加后降低的趋势,当pH为4.3时,增产率达到最大（99%）,pH大于5.8时,施用石灰,作物出现减产。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2土壤不同初始pH值下作物产量对施石灰的响应
括号内的数值分别代表曲线处于顶点和曲线交于右侧X轴时的坐标值
-->Fig. 2Response of crop yield to liming under different initial soil pH
The values in parentheses represent the coordinates of the curve at the vertex and the curve intersecting the right X-axis, respectively
-->
进一步分析同一初始土壤pH下,不同石灰（CaO）用量的增产效应,如（图3）所示。结果表明,当pH<4.5 时,作物增产率呈现随石灰施入量（73—53 000 kg·hm-2）增加而升高的趋势,增产率达47%—90%,但石灰用量大于6 000 kg·hm-2时,其对作物的增产效果并未显著高于施用量为750—1 500 kg·hm-2和3 000—6 000 kg·hm-2石灰处理,仅显著高于用量小于750 kg·hm-2和1 500—3 000 kg·hm-2的石灰处理。pH处在4.5—5.0之间时,呈现出先增加后降低的趋势,此阶段施用3 000—6 000 kg·hm-2 的石灰增产效果最佳,增产率可达到173%,显著高于除750—1 500 kg·hm-2石灰处理外的其他石灰用量。pH处在5.0—5.5之间时,施用石灰对作物的增产效果明显低于前两个阶段,石灰施入量为3 000—6 000 kg·hm-2 时增产率最大,达到55%,显著高于用量低于750 kg·hm-2的石灰处理。pH>5.5时,施用石灰对作物的增产效果不明显,甚至出现减产现象,此阶段由于数据样本量总数为7个,其中石灰用量小于750 kg·hm-2的样本数为4个,750—1 500 kg·hm-2为0个,剩余3个样本数分别分布在石灰用量为1 500— 3 000 kg·hm-2、3 000—6 000 kg·hm-2、大于6 000 kg·hm-2 3个石灰用量阶段,无法进行差异显著性分析。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同初始土壤pH及不同石灰施入量下作物增产效果
误差棒表示标准误差
-->Fig. 3Effect of different application rates of lime on crop growth rate under different initial soil pH
Error bars indicate standard error (SE)
-->
施用不同类型石灰物质,作物增产效果存在显著差异（图4）,施用Ca(OH)2 的作物增产率达到100%,显著高于施用CaCO3（64%）和CaO（32%）,增产效果分别是它们的1.5倍和3倍;CaCO3 和 CaO 间也存在显著差异,以生石灰施用的作物增产效果最差。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4作物产量对不同石灰类型的响应
括号内的数值和百分数分别代表样本数和平均增产率
-->Fig. 4Response of crop yield to different types of lime
The value and percent in brackets represent sample numbers and average crop growth rate, respectively
-->
2.3 土壤pH增加量（△pH）、交换性铝和交换性钙浓度与石灰用量及作物增产的关系
酸性土壤施用石灰对土壤△pH、交换性钙及交换性铝浓度的影响较大。分析发现,土壤△pH随石灰施入量的增加呈快速上升渐至平缓的二次函数趋势（图5-a）,同时,石灰的施入向土壤中增加了外源钙,土壤交换性钙浓度随石灰施入量的加大呈直线增加（图5-c）;石灰用量越高,土壤潜在酸的含量越低,交换性铝浓度明显降低（图5-e）。结合着产量关系分析显示,当△pH为1.5时,增产率达到最大,为99%（图5-b）,此时石灰施入量是7 200 kg·hm-2（图5-a）;土壤交换性钙浓度的适当增加有利于作物的增产,图5-d显示,土壤交换性钙浓度介于0.56—11.8 cmol·kg-1之间对作物生长有益,当浓度达到6.2 cmol·kg-1时,作物增产最佳（95%）,超过11.8 cmol·kg-1后作物减产;交换性铝浓度过高会对作物生长造成毒害,当铝浓度降低到0.2 cmol·kg-1以下时,铝毒的危害不明显,作物增产显著（图5-f）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5土壤pH增加（△pH）、交换性铝和交换性钙与石灰用量及作物增产的关系
b,d 括号内的数值分别代表曲线处于顶点和曲线交于右侧X轴时的坐标值。Exc-Al代表交换性铝
-->Fig. 5Relationships between soil ΔpH, exchangeable aluminum and exchangeable calcium and lime application rate and crop growth rate
b, d values in parentheses represent the coordinates of the curve at the vertex and the curve intersecting the right X-axis, respectively. Exc-Al is exchangeable Al3+
-->
3 讨论
整体而言,与不施石灰相比,酸性土壤上施用石灰可以提高作物产量,但不同作物的提高幅度有所不同,一方面原因在于不同作物对土壤酸度的敏感程度不同,即酸害阈值不同[16-17]。本研究结果显示玉米对土壤酸度的敏感程度高于麦类和豆类,土壤pH低时玉米减产严重,施入石灰后增产效应高于麦类和豆类。另一方面,石灰对作物产量的影响还与土壤营养元素的丰缺情况有关[18-19],如蔬菜类对土壤中营养元素的需求量较高,土壤pH降低导致此类元素的缺乏,造成蔬菜类作物的严重减产,施用石灰提高土壤pH的同时增加营养元素的浓度,显著提高蔬菜类作物产量[20-21]。施用石灰后烟草增产效果较低,主要是因为适宜烟草生长的土壤酸度范围较广,在此范围内改良土壤酸度对烟草的增产效果不明显,但由于烟叶中总糖、烟碱等成分的形成受到土壤pH和钾、钙等元素的限制,因此生产上也常常会对酸性植烟土壤施用一定量的石灰,以提高烟叶的品质[22-23]。水稻增产效果较低的原因,可能是淹水条件下土壤还原能力加强,一般来说淹水后土壤pH接近 6.0—7.0,而种植水稻只有当pH达到5.0及其以下时,施石灰才可获得明显效益[24]。因此,不同作物在同一土壤酸度条件下对石灰的响应程度不同,使得数据样本增产率的范围较大,除此之外,土壤性质和实验条件也可能是导致增产率差异较大的原因。酸性土壤施用石灰提高作物产量主要是通过提高土壤pH和交换性钙,同时降低交换性铝浓度来实现的[25]。在不同酸度土壤上施用石灰,作物增产效果差异较大,这主要是因为土壤不同酸度情况下,达到目标pH所需的石灰量不同[26]。本研究结果显示,初始pH为5.8时使用石灰作物不再增产,考虑大多数作物生长对土壤酸度的需求[4],将 pH 5.8作为酸性土壤改良的目标值,再结合土壤△pH为1.5时施用7 200 kg·hm-2 石灰作物增产效果最好的结果分析,可推算出土壤 pH 为4.3时石灰施入量应为7 200 kg·hm-2,这将是最大的石灰需要量,而对pH高于4.3的酸性土壤（pH 4.4—5.5）而言,△pH<1.5,所需的石灰用量应低于 7 200 kg·hm-2,此推论与图3中pH处于4.5—5.5范围的土壤,其适宜石灰施用范围是3 000—6 000 kg·hm-2 这个结论一致。酸性土壤施用石灰提高土壤pH的同时,向土壤中引入了外源钙,提高了土壤中交换性钙的浓度。钙是作物生长发育必需的营养元素,其在土壤中的有效含量过低易造成作物钙素缺乏,影响作物的生长;过剩则会造成土壤中钾、钙、镁等营养元素平衡失调,抑制作物对其他元素的吸收,导致作物减产[27-29]。王文军等[30]研究发现,酸性黄红壤施用白云石可以提高土壤交换性钙浓度,当交换性钙浓度介于1.76—2.40 cmol·kg-1之间时,小麦增产显著;当交换性钙浓度大于1.00 cmol·kg-1时,玉米增产显著,与本研究土壤交换性钙浓度介于0.56—11.8 cmol·kg-1之间对作物生长有益的结果一致。因此,土壤适宜的交换性钙浓度有助于作物的增产,这也从另一层面说明石灰施用并非越多越好,适宜的用量既保证提供足够的钙营养,又防治钙过剩造成的营养失衡和资源浪费。此外,石灰的施用对降低土壤交换性铝浓度具有重要意义。土壤酸化程度越严重,交换性铝浓度越高,抑制或毒害作物根系生长后间接影响作物对养分的吸收,造成作物减产甚至绝产[31-32]。pH为3.9的土壤上,低石灰用量对提高土壤pH没有明显效果,但对降低土壤交换性铝浓度效果显著[31],土壤交换性铝浓度与pH的变化呈负相关[33-34],当土壤pH小于5.0时,交换性铝浓度增加,危害作物生长[35],土壤pH大于5时,有效缓解了土壤中有毒形态的活性铝离子,提高了作物产量。因此,土壤交换性铝浓度也可作为一个衡量酸性土壤施用石灰提高作物产量的指标。
作物增产效果也与石灰种类密切相关,不同石灰种类因所含成分和组分比例不同,对植物体营养吸收的影响也不尽相同[29]。相比于CaCO3 和CaO,Ca(OH)2 增产效果更好（图4）,因为Ca(OH)2具有较强的杀菌消毒效果,连作障碍的土壤上有害真菌含量较高,且真菌在pH较低的土壤中有很强的活性,易使作物发生病害,此时施用Ca(OH)2,可以降低病害的发生率,提高作物产量和品质[36]。
4 结论
整合分析表明,酸性土壤上施用石灰可提高作物产量,增产幅度为2%—255%,其中以蔬菜（255%）和玉米（149%）的增产最突出,水稻（4%）、薯类（2%）及烟草（7%）的增产效应较小,因此,石灰的使用应优先用在蔬菜和玉米上。熟石灰的增产效果（100%）要优于生石灰（32%）和石灰石粉（64%）,因而,实际酸性土壤改良时,应优先选用熟石灰。以 pH 等于5.8 作为改良目标值,施用石灰以提高小于1.5个土壤pH单位为最佳,因此推论施用石灰改良初始pH介于4.3—5.8之间的土壤效果最好,且初始土壤pH为4.3时,适宜的石灰用量为 3 000—6 000 kg·hm-2。土壤交换性钙浓度随石灰用量的增加呈线性增加,但过高的钙（11.8 cmol·kg-1）导致作物减产,而交换性铝浓度随石灰用量的增加呈快速下降趋势,土壤低于0.2 cmol·kg-1的交换性铝浓度有利于作物生长,进一步表明施用石灰改良酸性土壤需要适合的石灰用量。The authors have declared that no competing interests exist.
