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胶东集约化农田土壤酸化效应及改良调控途径

周海燕  
【摘要】:近年来,我国农田土壤酸化逐渐趋于明显,已成为影响农业生产不可忽视的问题。为探索集约化农田土壤酸化的时空演变规律及其影响因素,揭示农田土壤酸化区域变异的原因,定量化土壤酸化对粮食作物生长的影响,寻求并田间验证农田土壤酸化阻控的有效措施,本论文以山东胶东半岛为主要研究区域,通过收集全国第二次土壤普查数据、全国测土配方施肥项目数据、统计年鉴和气象资料等区域尺度的大样本观测和统计资料,分析了集约化农业生产条件下农田土壤酸化的特征、田间管理措施的效果以及酸化对土壤养分变化的影响,在严重酸化的典型地块上定量研究小麦-玉米体系的土壤化学性质、根系、地上部生长状况和产量变化情况,通过2年的田间定位试验,探讨了基于根系吸收阴阳离子平衡和土壤缓冲原理的改良土壤酸化的调控策略与途径,主要研究结果和结论如下: 1.集约化农业生产条件下,胶东地区棕壤酸化效应突出,高化肥投入和低缓冲能力是导致土壤酸化加剧的主要因素。该区域耕层土壤酸化程度高于全国农田平均酸化程度,与上世纪80年代相比,土壤pH平均下降1.6个单位,土壤酸化现象在1.5米土壤剖面通体存在,降雨量和酸雨对胶东半岛土壤酸化的贡献不大。影响胶东农田土壤酸化的主要因子的贡献率依次为氮肥循环过程(63%)、阳离子移走(30%)和生物固氮(7%)。施用氮肥引起的土壤酸化主要归因于铵态氮的硝化作用和植物吸收。研究表明胶东地区4种种植体系均存在土壤酸化现象,土壤pH范围4.91-5.87,蔬菜体系酸化最为严重,其次是小麦-玉米-花生体系,再次为苹果体系,小麦-玉米体系相对较轻。作物秸秆还田和施用动物有机肥能减缓土壤pH的降低,小麦和玉米秸秆还田10年以上的土壤pH较高,达5.97,小麦玉米连续多年秸秆还田可较好维持土壤pH。连续施用化肥10年以上的酸化农田,土壤有机碳增加,有效锰和有效铜分别超出适宜值范围2倍和6倍,锰毒和铜毒已成为限制胶东地区酸化土壤农业生产的主要障碍因子。 2.通过对严重酸化典型地块的系统定量化分析,明确了土壤酸化对粮食作物的影响,特别是对养分吸收和有害金属元素吸收、转运的影响。农田土壤严重酸化导致土壤CEC降低17.3%,交换性盐基钙和镁分别降低了21%和35%,土壤活性铝、锰、铜分别增加了1.9倍、1.8倍和22倍,铝毒、锰毒、铜毒与钙缺乏和镁缺乏成为严重酸化农田影响作物生产的主要限制因素。严重酸化区域的小麦和玉米生长明显受阻。田间植株生长跟踪检测表明:土壤酸化导致作物根尖铝毒危害严重,根尖膨大扭曲,根直径小于0.3mm细根总根长减少90-97%,严重限制了作物对养分的吸收,地上部生物量降低为对照的10-20%,小麦和玉米收获期秸秆和籽粒有害元素含量显著增加,小麦秸秆铝、锰和铜含量分别增加了4.5倍、1.4倍和8.1倍,籽粒铝、锰和铜含量分别增加了3.8倍、2.4倍和3.0倍;玉米秸秆铝和锰含量分别增加了1.5倍和1.9倍,籽粒铝和锰含量分别增加了2.0倍和2.6倍,产量构成因素各项指标均显著降低,小麦亩穗数和穗粒数下降最为明显,玉米千粒重和行粒数也显著降低,小麦和玉米产量降低了84%,产量降幅达到了极显著水平,严重影响了玉米和小麦籽粒的产量和质量。 3.针对胶东土壤酸化的特征及对作物生长的影响,基于根际阴阳离子吸收平衡和土壤缓冲原理,明确了胶东地区改良土壤酸化的根际调控策略与途径。通过2年的田间定位试验验证了土壤酸化的改良效应,提出了减缓土壤酸化的根际调控途径和策略。结果表明,控制和降低氮肥施用量可有效减缓土壤的酸化程度,但不能提高土壤的pH,这种方法主要适用于酸化程度较低的土壤。施用石灰、碱性肥料(硝酸钙、钙镁磷肥、硅钙钾肥)、以及增施有机物料(鸡粪或秸秆)不同程度地提高了土壤pH值,连续2年的施用使土壤pH值提高0.1-0.5个单位。施用石灰、碱性磷钾肥、碱性氮磷钾肥、鸡粪处理能显著降低土壤交换性铝,第一年的降低幅度为36-81%,第二年的降低幅度为56-86%;显著降低土壤有效锰,第一年的降低幅度为25-62%,第二年的降低幅度为35-71%;提高土壤交换性钙离子,2年提高幅度达36-56%。施用石灰、碱性磷钾肥、碱性氮磷钾肥处理降低了土壤有效铜含量,施用1年降低11-22%,施用2年降低25-31%。连续2年施用碱性磷钾肥、碱性氮磷钾肥和鸡粪使土壤交换性镁含量提高50-75%。 4.系统分析了不同酸化土壤的改良措施对花生生长的影响。碱性磷钾肥处理、碱性氮磷钾肥处理、鸡粪处理和石灰处理可使花生秸秆中的锰含量显著下降,2012年下降幅度分别为39%、46%、35%和34%,2013年下降幅度分别为47%、56%、38%和49%,碱性氮磷钾肥处理降低的最明显,达到56%,连续处理2年的效果优于第1年。碱性磷钾肥处理、碱性氮磷钾肥处理、鸡粪处理、石灰处理和玉米秸秆处理连续改良两年后,花生秸秆中的钙增加,碱性氮磷钾肥处理呈显著增加趋势,增加幅度为36%。碱性磷钾肥处理、碱性氮磷钾肥处理连续施用两年后能显著增加花生秸秆中镁含量,增幅分别为27%和18%。石灰连续施用两年后,花生秸秆中锌含量显著降低52%。连续两年施用鸡粪,可增加花生秸秆中的铜含量,增幅为23%。碱性磷钾肥处理、碱性氮磷钾肥处理、鸡粪处理和石灰处理可降低花生籽粒中的锰含量,降低幅度分别为28%、40%、30%和40%。施用石灰、碱性磷钾肥、碱性氮磷钾肥和鸡粪处理提高了花生产量,第一年提高幅度为8-16%,第二年提高幅度为27-47%,碱性磷钾肥、碱性氮磷钾肥和鸡粪处理还能显著增加花生根瘤数和根瘤鲜重。 上述结果表明,在集约化农业生产条件下,酸化土壤改良的主要调控策略是控制氮肥的投入量,根据酸化程度用碱性肥料替代酸性肥料,基于根际阴阳离子平衡原理,降低根系吸收过量阳离子诱导的土壤酸化效应,磷钾的施用以提高土壤盐基离子为重要目标,在此基础上强化有机肥和秸秆还田对土壤的缓冲作用,综合集成上述措施,是胶东地区有效改良土壤酸化的重要调控途径。


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