胡 敏，向永生，魯劍巍

（1華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院/農業(yè)部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070；2湖北省恩施州土壤肥料工作站，湖北恩施 445000）

石灰用量對酸性土壤酸度及大麥幼苗生長的影響

胡 敏1，向永生2，魯劍巍1

（1華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院/農業(yè)部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070；2湖北省恩施州土壤肥料工作站，湖北恩施 445000）

【目的】研究生石灰用量對酸性土壤（pH3.9）降酸效果和大麥幼苗生長的影響，以期明確適宜的生石灰用量，為酸性土壤改良及生石灰的合理施用提供科學依據?！痉椒ā吭囼炗谌A中農業(yè)大學盆栽場進行，采用土壤培養(yǎng)和盆栽試驗方法，依據Ca（OH）2滴定法計算出石灰需要量，設置不施生石灰和生石灰用量0.3、0.9、1.8、2.4和4.8 g·kg-1等6個處理，分別于培養(yǎng)后10、20、30、40、50、60、70和90 d取樣8次，監(jiān)測土壤pH、土壤交換性酸總量、土壤交換性H+含量和土壤交換性鋁含量動態(tài)變化；于培養(yǎng)后第90天播種大麥，2周后進行觀測，研究不同生石灰用量改良后的土壤對大麥幼苗生物量、根系形態(tài)指標及根系活力的影響?！窘Y果】土壤培養(yǎng)試驗結果表明，生石灰施入初期（前30 d）可明顯提高土壤pH，降低土壤交換性酸總量和土壤交換性鋁含量。石灰用量越高，潛在酸的含量越低，以至于石灰用量4.8 g·kg-1處理的土壤交換性酸總量、土壤交換性H+和交換性鋁含量均降為零。但受土壤緩沖性能的影響，其降酸效果隨著培養(yǎng)時間的延長而降低，到培養(yǎng)第90天，低石灰用量（＜1.8 g·kg-1）對于提高土壤pH已沒有明顯效果，而對降低土壤潛在酸效果顯著。盆栽試驗結果表明，施用生石灰可以顯著提高大麥株高和生物量，促進大麥根系生長發(fā)育。在生石灰用量1.8 g kg-1的范圍內，大麥幼苗株高、生物量、根系總根長、總表面積和根系活力均隨生石灰用量的增加而提高，大麥幼苗根系平均直徑隨生石灰用量的增加而降低；用量超過1.8 g·kg-1后，生石灰對大麥幼苗生長的促進作用明顯減弱。尤其是當生石灰用量為4.8 g·kg-1時，大麥根系活力顯著低于石灰用量0.9 g·kg-1處理，過量生石灰的施用，抑制了根系的生長。這表明生石灰用量1.8 g·kg-1的改良效果最佳，與采用Ca（OH）2滴定法計算出的石灰需要量1.76 g·kg-1相吻合?！窘Y論】在酸性土壤上施用生石灰能明顯中和土壤酸性，顯著促進大麥幼苗生長。在本試驗條件下，酸性土壤（pH3.9）最佳生石灰施用量為1.8 g·kg-1（相當于4 t·hm-2生石灰用量），與采用Ca（OH）2滴定法計算出的石灰需要量一致，證實該方法確定的石灰用量是適宜的。

生石灰用量；土壤酸度；大麥幼苗；根系形態(tài)指標

0 引言

【研究意義】從20世紀80年代至今，中國農田土壤pH平均下降了0.13—0.80個單位［1］，日趨嚴重的土壤酸化問題引起了社會的普遍關注。土壤酸化既會引起土壤理化性質惡化、養(yǎng)分流失，還會致使鋁離子和重金屬活度提高、土壤微生物活性降低，從而導致農作物減產［2］，嚴重制約著農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展［3-4］。長期以來，酸性土壤改良都是國內外關注的熱點［5］。在所有改良措施中，施用石灰是最有效的方法［6］，至今仍然是中國和世界農業(yè)生產中的經典技術［7-9］。同其他的農藝措施一樣，石灰施用技術直接影響著改良效果，尤其是石灰用量的確定至關重要?！厩叭搜芯窟M展】CAIRES等［10］研究表明，施用石灰可以顯著增加玉米和小麥產量，提高0—5 cm淺層土壤pH及土壤交換性Ca含量。PRIETZEL等［11］在pH僅為3.0—3.2的土壤上施用4 t·hm-2石灰，長期維持了較高的土壤pH。HATI等［12］和MANNA等［13］研究表明，在改良土壤物理性質上，長期施用石灰可以達到與有機肥相同的效果。也有不少研究表明，不恰當地使用石灰也會導致負面影響，過量施用石灰不但影響土壤結構、造成土壤板結，甚至產生次生石灰化，還會使土壤中鉀、鈣、鎂等營養(yǎng)元素出現(xiàn)平衡失調，從而導致作物減產［6，14-16］?！颈狙芯壳腥朦c】施用石灰對于改良酸性土壤效果顯著，是一項古老的改良措施［17］，石灰適宜用量的確定是決定這一措施是否有效和能否推廣應用的關鍵。20世紀80年代中期以來，中國農業(yè)生產逐漸少用或停用石灰就與當時石灰不當施用導致的負面效應有關［18］，而這一停用是導致當前土壤嚴重酸化全面暴發(fā)的重要原因。因此，科學確定石灰用量已成為中國目前農業(yè)生產推廣石灰應用酸化土壤改良的重要技術。但在石灰用量對土壤酸度動態(tài)變化及其施用量的科學確定等方面的報道較少?！緮M解決的關鍵問題】本研究基于土壤培養(yǎng)試驗探討不同石灰用量對酸性土壤的改良效果，并利用對土壤酸度敏感的大麥［19］作為指示作物，通過短期生物盆栽試驗，驗證Ca（OH）2滴定法確定適宜的石灰需要量，為科學施用石灰、改良酸性土壤提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年8—11月在華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院進行。供試土壤采自湖北省恩施州的農田表土，前季作物為玉米，土壤pH為3.9，土壤交換性酸總量為4.87 cmol·kg-1，土壤交換性H+含量為0.55 cmol·kg-1，土壤交換性鋁含量為4.32 cmol·kg-1。盆栽試驗供試大麥品種為鄂大麥9號。供試生石灰由天津市福晨化學試劑廠提供，其主要成分CaO含量為98.0%、MgO含量為0.5%，pH為12.27。

1.2 土壤培養(yǎng)試驗

在試驗設計前，根據Ca（OH）2滴定法計算出供試土壤石灰需要量，計算公式如下［20］：

式中，c、V—滴定時消耗Ca（OH）2標準溶液的濃度（mol·L-1）和體積（mL）；

m—風干土樣重（g）；

0.028 —1/2 CaO的摩爾質量（kg·mol-1）；

2250000—每公頃耕層土壤的質量（kg·hm-2），按土壤容重1.15 g·cm-3、耕作層厚度20 cm計算；

1 /2—實驗室測定值與田間實際情況的差異系數。由施入的石灰類物質特性決定，當施用的石灰為CaCO3時，其作用相對溫和，差異系數大于1（一般選用1.3），而當施用的石灰類物質是CaO（生石灰）時，因其作用強烈，差異系數應該小于1（一般選用0.5）。

計算出石灰施用量為3 950 kg·hm-2，經換算為1.76 g·kg-1土壤。

試驗共設6個生石灰用量，分別為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）。每盆裝土2 kg，將生石灰與土壤混勻，以不施生石灰為對照，每個處理3次重復，隨機區(qū)組排列，進行3個月培養(yǎng)試驗。試驗期間用稱重法澆去離子水，保持土壤質量含水量為25%左右，定期取樣，觀測土壤酸度動態(tài)變化。

1.3 盆栽試驗

上述土壤培養(yǎng)試驗的各處理，取經過培養(yǎng)90 d的土樣500 g，分別裝入12 cm×12 cm（直徑×高）的塑料桶后，播種大麥，11月01日播種，11月15日收獲。每盆播種10粒，定期用稱重法澆去離子水，保證土壤質量含水量在25%左右，整個過程中不施用任何肥料，每個處理3次重復。試驗期間播種、澆水等日常管理措施按照常規(guī)方法進行。

1.4 土壤樣品采集與分析

分別在培養(yǎng)試驗的第10、20、30、40、50、60、70和90天采集土壤樣品。采用長450 mm、直徑6 mm的圓柱形取樣器垂直插入土壤，每盆隨機取點4個，實驗室風干、磨細過篩，測定土壤pH和土壤潛在酸（土壤交換性酸總量、土壤交換性H+含量和土壤交換性鋁含量）。具體測定方法［20］：土壤pH按水土比2.5∶1，pH計測定；土壤交換性酸總量、土壤交換性H+分別采用1 mol·L-1KCl淋洗——NaOH滴定方法測定；土壤交換性鋁=土壤交換性酸總量-土壤交換性H+。

1.5 植株樣品采集與分析

大麥播種2周后收獲，將整個植株帶根取出，分離根系與土壤，盡量保持根系的完整性，測定其株高。將獲得的完整根系沖洗干凈后，在根系掃描儀EPSON（PERFECTION C700）上進行掃描，采用WinRHIZO PRO 2009軟件進行分析［21］，得到總根長、根系總表面積和平均直徑等指標參數，并采用TTC還原法測定根系活力［22］。將地上部和根系于105℃殺青30 min，70℃烘至恒重，稱其干重。

1.6 數據統(tǒng)計

試驗數據采用Excel 2003軟件進行計算處理，并用OriginPro 8.5軟件繪圖、Genstat 18.0和SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果

2.1 生石灰對土壤酸度動態(tài)變化的影響

通過測定生石灰用量對土壤酸度動態(tài)變化（圖1），在培養(yǎng)前30 d，生石灰的施入可以顯著提高土壤pH，降低土壤交換性酸總量、土壤交換性H+含量和土壤交換性鋁含量；石灰用量越高，潛在酸的含量越低，以至于L4.8處理的土壤交換性酸總量、土壤交換性H+和交換性鋁含量均降為零。培養(yǎng)第60天后，L0.3、L0.9及對照處理土壤pH沒有差異，其他處理差異顯著，但各處理均顯著降低了土壤潛在酸含量。培養(yǎng)后期（70 d后），土壤交換性H+含量直線上升，而土壤交換性鋁含量明顯下降，導致土壤pH降低。不同生石灰用量處理的土壤pH達到平衡的時間不同，L4.8和L2.4均在培養(yǎng)第30天趨于穩(wěn)定，L1.8、L0.9和L0.3均在培養(yǎng)第50天趨于平穩(wěn)，對照處理在整個培養(yǎng)過程中變化不大。到培養(yǎng)第90天，L4.8、L2.4、L1.8較對照處理分別提高了2.88、1.16和0.74個pH單位?？梢?，在酸性土壤上，石灰施入初期（前30 d）可以明顯降低土壤酸度，但由于土壤的緩沖作用，其效應逐漸衰減，經過90 d培養(yǎng)后，低石灰用量（＜ 1.8 g·kg-1）對于提高土壤pH已沒有明顯效果，但對降低土壤潛在酸度效果顯著。

2.2 生石灰對大麥幼苗生物量的影響

施用生石灰可以顯著提高大麥株高及地上部、地下部生物量（表1、圖2）。生石灰用量在0—1.8 g·kg-1，大麥株高及生物量隨生石灰用量增加而提高，當生石灰用量為1.8 g·kg-1時，株高及生物量達到最高，而生石灰用量高于1.8 g·kg-1時，則出現(xiàn)下降趨勢。因此，生石灰用量為1.8 g·kg-1時，效果最好，這與采用Ca（OH）2滴定法計算出的石灰需要量（1.76 g kg-1）基本吻合。從大麥根冠比數值可以看出，當生石灰用量≤2.4 g·kg-1時，可以促進大麥根系的生長，但當生石灰用量為4.8 g·kg-1時，根冠比明顯減小，說明過量的生石灰施入土壤抑制了根系的生長。

圖1 生石灰用量對土壤酸度動態(tài)變化影響Fig. 1 Effects of lime dosage on the dynamics of soil acidity

表1 生石灰用量對大麥幼苗生長的影響Table1 Effects of lime dosage on barley seeding growth

圖2 生石灰用量對大麥幼苗長勢的影響Fig. 2 Effects of lime dosage on barley growth

表2 生石灰用量對大麥根系形態(tài)指標的影響Table2 Effects of lime dosage on root morphological index of barely

2.3 生石灰對大麥根系形態(tài)指標的影響

在酸性土壤上施用生石灰顯著增加了大麥幼苗總根長（表2），低石灰用量（≤0.3 g·kg-1）對于根系總表面積及平均直徑沒有促進效果，生石灰用量≥0.9 g·kg-1，其施入顯著促進了根系的生長，根系總表面積顯著增大，根系平均直徑明顯減少；但當生石灰用量超過1.8 g·kg-1，生石灰的施入對根系的促進作用明顯減弱。

2.4 生石灰對大麥根系活力的影響

隨著生石灰用量的增加，大麥根系活力呈遞增的趨勢（圖3），當生石灰用量＞1.8 g·kg-1土時，促進作用明顯減弱，尤其是當生石灰用量為4.8 g·kg-1時，大麥根系活力顯著低于L0.9處理。說明過量生石灰的施用，抑制了根系的生長。因此，合理的生石灰用量有利于促進根系生長發(fā)育，提高大麥根系對養(yǎng)分的吸收能力及根系活性。

圖3 生石灰用量對大麥根系活力的影響Fig. 3 Effects of lime dosage on barely root activity

3 討論

本研究表明，單純從土壤施用生石灰培養(yǎng)試驗看，土壤的酸度指標均隨著生石灰用量的增加而呈現(xiàn)不斷改善的趨勢，說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）能夠明顯提高土壤pH，降低土壤交換性酸總量和交換性鋁含量，到培養(yǎng)后期（60 d后），土壤交換性H+含量增加，土壤pH呈略微下降趨勢。這可能是生石灰施入土壤一段時間后，表層土壤中的Ca2+含量下降導致土壤中陽離子交換量降低，而土壤中陰離子含量的增加又加速了土壤中有機質的分解，從而增加了土壤中H+的含量［23］。隨著培養(yǎng)時間的延長和土壤緩沖性能的作用，低石灰用量（≤0.9 g kg-1）對于提高土壤pH已沒有明顯效果，但其對降低土壤潛在酸（土壤交換性酸總量、土壤交換性H+和土壤交換性鋁）效果顯著，且大麥幼苗試驗結果也表明生石灰的施入能顯著增加大麥幼苗生物量。這說明土壤pH作為反映土壤酸度指標雖然有著測試簡單、快速的優(yōu)點，但僅僅只用pH來評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，且可以保持相當長的時間，這與PRIETZEL等［11］和孟賜福等［23］的研究一致。同時，本研究還表明，當生石灰用量超過1.8 g·kg-1后，對大麥幼苗生長的促進作用明顯減弱，這說明對作物而言適宜的石灰用量非常重要。于世舉［24］研究表明，在酸性土壤上施石灰超過1 500 kg·hm-2，平均每千克石灰對水稻的增產效果呈明顯下降趨勢；敖俊華等［25］研究表明，每千克土壤施用石灰1.2 g，甘蔗產量和糖分最佳，當石灰施用過多，單位石灰增施量對其表現(xiàn)出負效；雷宏軍等［26］的盆栽試驗結果發(fā)現(xiàn)，酸性土壤上適當施用石灰能極顯著提高蠶豆的產量，且不同土壤類型、不同石灰種類，蠶豆獲得最佳產量所需的石灰用量明顯不同，這也是本試驗結果所得到的最佳石灰施用量與前人研究不同的主要原因。

施用石灰是一項傳統(tǒng)的酸性土壤改良措施［17］，然而石灰適宜用量的確定是決定這一措施是否有效和能否推廣應用的關鍵。人們在確定石灰需要量方面進行了大量研究，可以計算石灰適宜用量的方法很多，根據pH確定石灰用量的方法主要有SMP單緩沖法、SMP雙緩沖法和Ca（OH）2滴定法［20，27］，相比于SMP單緩沖法和SMP雙緩沖法而言，Ca（OH）2滴定法更準確［28-29］。本研究的供試土壤采用Ca（OH）2滴定法計算出生石灰適宜用量為1.76 g·kg-1，與用大麥幼苗法的生物研究結果非常吻合，再次說明采用Ca（OH）2滴定法計算酸性土壤改良適宜石灰用量的可行性。

在酸性土壤上施用石灰使大麥增產的原因主要是施用石灰提高了土壤pH，改善了土壤酸度，減少了土壤交換性鋁含量，從而促進根系發(fā)育［30-32］，這與本研究結果一致。但本研究還表明，生石灰用量在超過1.8 g·kg-1范圍后，隨著用量的增加大麥幼苗生長狀況不斷變差。前人在石灰過量施用產生負面效果的機制上進行了系列研究［33］，例如過量石灰施用可能會因形成磷酸鈣鹽沉淀，或者被新形成的高度活性的Al—OH多聚體所吸附而導致大麥吸磷量的降低［34］；此外，石灰過多施用，還可能造成土壤溶液中K/Ca比例失調，降低鉀素吸收［35］，進而影響大麥生長。在本研究中，幼苗試驗只進行了2周，大麥的生長主要還是利用種籽自身的養(yǎng)分，因此，大麥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養(yǎng)分，估計是土壤溶液的pH變化對植物礦質營養(yǎng)產生間接影響，造成某些營養(yǎng)離子的虧缺而破壞細胞中的離子穩(wěn)態(tài)［36］。同時，當生石灰用量超過一定量時，原本嚴重酸化的土壤因石灰施用導致土壤pH＞7或接近7時，高pH會抑制植物組織和器官的分化［37］。在本研究中，當石灰用量超過1.8 g·kg-1后抑制大麥幼苗生長的確切原因及其機理還有待進一步研究。

本研究采用的是室內培養(yǎng)試驗，與在開放自然條件下進行的田間試驗相比，屬于半封閉式體系，土壤緩沖性能也相對較弱，幾乎不存在H+和Al3+淋洗作用，并且在整個培養(yǎng)過程中的水分條件與田間差異較大，會導致與田間實際情況有一定差異，因此，還需進一步結合田間試驗研究確定最佳生石灰用量。另外，大麥盆栽試驗只考慮了幼苗期，對其生長后期及產量的影響還不清楚，且石灰施入土壤后必定會引起土壤養(yǎng)分有效性及土壤結構的改變［17］。因此，在以后的研究中，可進一步探討生石灰施入對大麥收獲期產量、養(yǎng)分吸收等影響，根據不同土壤酸堿環(huán)境確定更優(yōu)方案及施用量，為石灰的科學施用提供依據。

4 結論

4.1 在酸性土壤（pH3.9）上，施用生石灰初期（前30 d）能夠顯著提高土壤pH，降低土壤交換性酸總量和交換性鋁含量；由于土壤的緩沖性能，這種效果隨著培養(yǎng)時間逐漸降低，低石灰用量（＜1.8 g·kg-1）對于提高土壤pH失去效果，但對降低土壤潛在酸效果仍然顯著。

4.2 在研究條件下，施用生石灰改良后的土壤顯著促進了大麥幼苗生長，且生石灰用量與土壤改良效果密切相關，以每千克土施用生石灰1.8 g（相當于4 t·hm-2生石灰用量）改良土壤酸性效果最佳，這與采用Ca（OH）2滴定法計算出的石灰需要量1.76 g·kg-1相吻合。

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（責任編輯 李莉）

Effects of Lime Application Rates on Soil Acidity and Barley Seeding Growth in Acidic Soils

HU Min1， XIANG Yong-sheng2， LU Jian-wei1
（1College of Resources and Environment， Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation（Middle and Lower Reaches of Yangtse River）， Ministry of Agriculture， Wuhan 430070；2Soil and Fertilizer Station of Enshi Prefecture， Enshi 445000， Hubei）

【Objective】The aim of this study was to assess the effects of lime on soil acidity and barley seedling growth in an acidic soil （pH 3.9）， and to determine the suitable dosage of lime and thus providing scientific proof for acidic soil improvement and reasonable application rate. 【Method】 The trial was conducted at the experimental base of Huazhong Agricultural University. Soil incubation and pot experiments were used. The Ca（OH）2titration method was employed to estimate the lime requirement， andsix treatments were designed: no lime， 0.3 g·kg-1， 0.9 g·kg-1， 1.8 g·kg-1， 2.4 g·kg-1and 4.8 g·kg-1lime application rates. Samples were collected on 10， 20， 30， 40， 50， 60， 70 and 90 days after incubation to monitor the dynamic changes of soil pH， soil exchangeable acidity， exchangeable H+and exchangeable Al3+. Barley was sowed on the 90th day and harvested after 2 weeks to assess the effects of liming rates on barley biomass， morphological parameters， and root activity. 【Result】 Soil incubation results demonstrated that lime application significantly improved soil pH， however the content of exchangeable acidity and exchangeable Al3+were decreased significantly during the first 30 days. The content of potential acid decreased gradually with the increasing dosage of lime， therefore the content of soil exchangeable acid， exchangeable H+and exchangeable Al3+were zero in the treatment of 4.8 g·kg-1. From then on， due to the influences of soil buffer， low lime dosages （＜ 1.8 g·kg-1） showed no obvious effects on improving soil pH but significantly reduced soil potential acidity. The results of pot experiment showed that application of lime significantly enhanced barley growth through improving plant height， biomass and root development. Barely seedlings plant height，dry mass， total root length and surface area， and root activity improved with the lime application rate from 0 to 1.8 g·kg-1. Whereas，lime input decreased root average diameter. Barley growth was inhibited significantly when lime application rate was above 1.8 g·kg-1. The root activity in the treatment of 4.8 g·kg-1was lower than that of 0.9 g·kg-1， the excess of lime application retarded the root growth. Thus， the optimum liming rate was 1.8 g·kg-1， which agreed with the lime requirement calculated using the Ca（OH）2titration method. 【Conclusion】 Lime application is capable of neutralizing soil acidity and promoting barley seedling growth. Under the conditions of this study （soil pH 3.9）， the appropriate liming rate was 1.8 g·kg-1（4 t·hm-2）. This rate was consistent with that from the Ca （OH）2titration method， confirming that the approach adopted in this study is appropriate for determining the lime application rate.

lime application rate； soil acidity； barley seedling； root morphological index parameters

2016-04-08；接受日期：2016-07-14

國家“十二五”科技支撐計劃（2014BAD11B03）、國家測土配方施肥補貼資金（財農［2009］211號）、恩施州科技計劃（XYJ2014000039）

聯(lián)系方式：胡敏，E-mail：huxiaomin@webmail.hzau.edu.cn。通信作者魯劍巍，E-mail：lunm@mail.hzau.edu.cn