有机物料调控红壤化学氮肥致酸效应的差异与机制

【摘要】：红壤以“酸瘦”为基本特征,近30年来,不合理施用化学氮肥加剧红壤区农田土壤酸化,铝毒害问题突出,严重制约了该地区农业的可持续发展。有机物料作为红壤肥力提升和酸化防治的材料,在农业生产中普遍应用。然而,湖南祁阳的长期定位试验发现,粪肥能有效防治红壤酸化,秸秆未能缓解酸化,其差异机制尚不清楚。因此,本研究基于中国农业科学院衡阳红壤实验站不同施肥、有机无机配施、农田养分管理3个红壤旱地长期定位试验(分别始于1990、2009和2009年)分析了不同有机物料(粪肥和作物秸秆)投入下红壤酸化特征,结合室内培养试验研究了有机物料中和红壤酸度的作用机理,有机物料调控红壤硝化作用和氢离子(H~+)产生的效应与机理,以及有机酸盐在减缓红壤酸化中的作用,从而揭示了不同有机物料调控红壤化学氮肥致酸效应的差异与机制。主要结果与结论如下:(1)长期猪粪氮替代化肥氮70%或以上能有效防治红壤酸化;作物秸秆还田未能缓解化学氮肥引起的红壤酸化。长期不同施肥定位试验结果表明,施氮量300 kg N ha~(-1) yr~(-1)时猪粪氮替代化肥氮70%或以上(NPKM和M)土壤pH分别维持稳定或提高1.08个单位,交换性酸显著降低,盐基阳离子含量显著增加,有效防治红壤酸化;而单施化学肥料(NPK)和化学肥料加当季作物秸秆一半还田(NPKS1)处理在施肥的前8-10年土壤pH、交换性钙、镁含量快速降低,此后pH稳定在4.2-4.5,随施肥年限增加土壤交换性酸(以交换性铝为主)显著增加,加剧土壤酸化。(2)维持红壤不酸化的猪粪氮替代化肥氮比例随施氮量增加而增大。有机无机配施试验结果表明,当施氮量225 kg N ha~(-1) yr~(-1)时,单施化学肥料(NPKM0)或猪粪氮替代化肥氮20%处理(NPKM20)均显著加速红壤pH降低、交换性酸、铝增加,而当猪粪氮替代化肥氮40%和60%时(NPKM40和NPKM60),可有效维持或提高红壤pH、降低土壤交换性酸、铝含量,提高土壤交换性盐基阳离子含量,有效防治红壤酸化;而不同施肥定位试验(施氮量300 kg N ha~(-1) yr~(-1))结果表明猪粪氮替代化肥氮70%能有效维持红壤不酸化,可见维持红壤不酸化的猪粪氮替代化肥氮比例随施氮量增加而增大。(3)猪粪和作物秸秆矿化释放碱性物质是其中和土壤酸度的主要机理,高碳氮比(C/N)作物秸秆降低土壤硝态氮(NO_3~--N+NO_2~--N)含量、消耗H~+是其提高土壤pH的机理之一。培养试验结果表明,三种有机物料(猪粪、大豆秸秆、玉米秸秆)单施均能有效提高红壤pH和交换性盐基阳离子含量,降低交换性酸含量;大豆秸秆提高红壤pH的效果与猪粪相当,均显著高于玉米秸秆,土壤pH与碱添加量呈显著正相关,可见释放碱性物质是三种有机物料中和土壤酸度的主要机理;猪粪降低土壤交换性铝的效果是作物秸秆的2-20倍;猪粪处理显著增加土壤NO_3~--N+NO_2~--N含量,而大豆和玉米秸秆处理显著降低土壤NO_3~--N+NO_2~--N含量。(4)有机物料氮替代化肥氮降低土壤硝化作用,减少NO_3~--N+NO_2~--N和H~+产生量,且当肥料C/N比30显著降低土壤NO_3~--N+NO_2~--N含量和增加H~+消耗,从而缓解红壤酸化。在无作物吸收情况下,施氮量150 mg N kg~(-1)时猪粪氮替代化肥氮比例每增加1%,NO_3~--N+NO_2~--N产生量降低0.08-1.18 mg N kg~(-1)、H~+产生量降低0.01-0.08 mmol kg~(-1),且当替代比例≥70%可有效维持或提高红壤pH;玉米秸秆氮占施氮量≥50%时(C/N比30),可显著降低土壤NO_3~--N+NO_2~--N含量,提高土壤pH;进一步证明,有机物料提高肥料C/N,减弱硝化作用和降低土壤NO_3~--N+NO_2~--N含量是高C/N比作物秸秆缓解酸化的机理之一。(5)有机酸盐阴离子去羧基作用中和了氮肥硝化作用释放的H~+,防治红壤酸化。与单施尿素相比,配施有机酸盐均显著提高了NPK和NPKM土壤pH,以配施草酸钙处理增幅最大,其次为柠檬酸钙和苹果酸钙处理;尿素配施有机酸盐显著降低了NPK土壤交换性酸、铝含量;红壤pH变化量与CO_2累积释放量均呈显著正相关,与NO_3~-含量/CO_2累积释放量呈极显著正相关,表明有机酸阴离子去羧基作用中和了氮肥硝化作用释放的H~+;有机酸盐促进了NPK土壤(pH4.36)硝化作用,而降低了NPKM土壤(pH5.88)硝化作用;低pH土壤显著限制了硝化作用而对去羧基作用无显著影响。由此可见,猪粪富含碱性物质,中和土壤酸度能力强,猪粪氮替代化肥氮能有效防治红壤酸化,且维持红壤不酸化的替代比例随施氮量增加而增大;作物秸秆碱性物质含量低,常规还田量下不足以中和化肥氮硝化产生的H~+量,未能缓解红壤酸化。有机物料碱性物质释放,有机氮替代化肥氮降低硝化作用、减少硝态氮和H~+产生量,以及增加C/N比降低土壤硝态氮含量和增加H~+消耗是有机物料调控化学氮肥致酸效应的三方面机理。本研究表明,长期施用猪粪可有效防治红壤酸化,且是畜禽粪便资源化利用的主要措施之一;作物收获后,秸秆还田对土壤酸度具有改善作用,但以秸秆还田作为红壤酸化防治措施,应与其他改良措施配合施用。