張思文 陳曉輝 蔡遠(yuǎn)揚 紀(jì)宗君 陳 圓 朱齊超 余文慧 張福鎖 吳良泉*

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院/國際鎂營養(yǎng)研究所，福州 350002；2.吉林大學(xué) 植物科學(xué)學(xué)院，長春 130062；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193)

適宜的土壤酸堿度是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要條件[1]。1980—2010年來，我國主要農(nóng)田耕層土壤pH平均下降0.5個單位[2]。根據(jù)2005—2011年測土配方施肥數(shù)據(jù)顯示，我國有150萬hm2耕地土壤pH低于5.5[3]，主要集中分布在湖南、江西、福建、浙江、廣東、廣西、海南等南方地區(qū)[4]。紅壤是南方地區(qū)典型土壤，土壤背景pH較低，加之集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，土壤酸化問題更加突出[5]。土壤酸化會導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，如養(yǎng)分失衡、重金屬活性增加、微生物活性和土壤酶活性降低等，影響農(nóng)作物根系的生長發(fā)育和對養(yǎng)分的吸收，造成減產(chǎn)或絕收[6-10]。土壤酸化已成為限制我國南方耕地生產(chǎn)力提升重要因素之一[5]。因此，開展土壤酸化改良研究對中低產(chǎn)紅壤耕地產(chǎn)能提升及農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)具有十分重要的意義。

施用石灰被認(rèn)為是酸性土壤改良的最有效措施之一[11]。酸性土壤中施用石灰可以降低土壤酸度，提高土壤pH以及土壤Ca和Mg的有效性[12-13]，同時降低土壤Al和Mn對作物的毒害作用[14-15]。Caires等[12]研究表明撒施石灰可顯著提高0～10 cm土層土壤的pH，減少Ca、Mg和K等養(yǎng)分的淋失，并增加有益微生物和脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶等的活性。敖俊華等[16]研究發(fā)現(xiàn)施用石灰顯著提高土壤pH，改善土壤中養(yǎng)分的有效性，并且增加甘蔗的產(chǎn)量和含糖量。Hati等[17]長達(dá)30年的定位試驗表明，長期且適量的施用石灰可以提升土壤pH(從5.0上升到6.0)并疏松土壤，其效果僅次于施用有機(jī)肥。然而，也有研究表明若長期過量施用石灰，則會引起土壤中Ca、K、Mg離子的平衡失調(diào)，破壞土壤結(jié)構(gòu)，形成石灰性板結(jié)田，導(dǎo)致作物減產(chǎn)[18-19]。由此可見，確定適宜的石灰用量對于酸性土壤改良至關(guān)重要。

甜玉米又稱為蔬菜玉米或水果玉米，主要種植于我國南方地區(qū)[20]。由于種植甜玉米經(jīng)濟(jì)效益顯著，近年來其栽培面積不斷增加，到2016年我國甜玉米種植面積已超40萬hm2[21-22]。然而種植戶長期超量施肥和偏施氮肥使得土壤普遍酸化，不利于甜玉米的可持續(xù)發(fā)展，亟需提出酸性土壤改良方案[23]。迄今為止關(guān)于酸性紅壤條件下甜玉米種植的石灰改良的報道較少，且具體用量也不確定。為玉米苗期根系生長提供良好的土壤條件是玉米后期營養(yǎng)生長和生殖生長的基礎(chǔ)[24]，而4葉期玉米的生長點仍在地下，節(jié)生根的萌發(fā)質(zhì)量會直接影響玉米地上部生長[25-26]。因此，為探究酸性土壤施用石灰對玉米苗期干物質(zhì)和養(yǎng)分積累與土壤理化性質(zhì)的影響，本研究擬以先甜5號玉米幼苗為研究對象，采用盆栽試驗方法探究不同石灰用量對酸性紅壤甜玉米幼苗生長、土壤理化性質(zhì)和土壤關(guān)鍵酶活性的影響，以期為甜玉米種植和酸性土壤改良提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年10月—11月在福建農(nóng)林大學(xué)國際鎂營養(yǎng)研究所大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗土壤采自福建省平和縣小溪鎮(zhèn)(24.34° N，117.31° E)，該地區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，全年平均氣溫21.2 ℃，無霜期318 d，年降雨量 1 696 mm，干濕季明顯，土壤類型為典型磚紅壤(pH 3.91)。土壤自然風(fēng)干后，剔除礫石及植物根莖等雜物，通過孔徑為2 mm的網(wǎng)篩，保存用于裝盆。土壤基本理化性質(zhì)見表1。甜玉米品種為“先甜5號”(ZeamaysL.saccharata)，石灰為碳酸鈣(福晨天津化學(xué)試劑有限公司，95%化學(xué)純，天津)。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)*Table 1 Physical and chemical properties of the test soil

1.2 試驗方法

首先按照氫氧化鈣滴定法[27]確定供試土壤酸性改良(目標(biāo)pH=6.0)的適宜石灰添加量，然后據(jù)此設(shè)計5個石灰梯度，依次為0 g/kg(L0，CK)、1.2 g/kg(L1.2)、2.4 g/kg(L2.4)、3.6 g/kg(L3.6)和4.8 g/kg(L4.8)。取1.2 kg供試土壤與不同用量的石灰混勻后裝入20 cm×16 cm×20 cm(上口徑×下口徑×高度)的塑料盆待后期玉米栽培。播種前，澆去離子水以保持土壤含水量為25%(質(zhì)量比)，一周后播種4～5粒。出苗后，每盆留苗1株，試驗過程不施用任何肥料，每個處理設(shè)置12次重復(fù)。除石灰用量不同，其他日常管理措施均一致。

1.3 植株樣品采集與分析

玉米播種4周后進(jìn)入幼苗期，緊貼土表將幼苗剪斷并用尺子測定其株高。然后分離土壤與根系，分離過程中盡量保持根系的完整性，將根系沖洗干凈后，對地上部和根系分別稱重，用Epson掃描儀(Perfection V800，Regent Instruments Inc.，加拿大)進(jìn)行根系掃描，采用WinRHIZO Pro2009 軟件分析總根長、根系面積和根體積[28]，同時采用TTC還原法測定根系活力[29]。地上部植株和根系用去離子水洗凈，經(jīng)105 ℃殺青30 min后于70 ℃烘干至恒重，稱重后用磨樣機(jī)粉碎留樣。植株N、P、K濃度的測定方法參照鮑士旦[27]，樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮制得待測液，采用連續(xù)流動分析儀(希思迪，F(xiàn)LOWSYS，意大利)測定N濃度，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)(珀金埃爾墨，Avio 200，美國)測定P濃度，火焰光度計(上海儀電，F(xiàn)P640，上海)測定K濃度；另取樣品經(jīng)HNO3-HClO4消煮制得待測液，采用ICP-OES測定植株Ca、Mg和Al濃度。根冠比=根鮮重/地上部鮮重；養(yǎng)分累積量=養(yǎng)分濃度×干重。

1.4 土壤樣品采集與分析

玉米植株收獲后(玉米播種1個月后)，對土壤進(jìn)行取樣，將培養(yǎng)盆中的土壤充分混勻，經(jīng)四分法獲取50 g土樣并自然風(fēng)干，然后研磨分別過1 mm(18目)和2 mm(10目)篩用于相關(guān)指標(biāo)測定。根據(jù)鮑士旦[27]的方法，土壤pH采用電極電位法測定(水土質(zhì)量比2.5∶1)(賽默飛，A215，新加坡)，土壤交換性酸與交換性鋁濃度采用氯化鉀交換—中和滴定法測定，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用氯化鉀浸提法-連續(xù)流動分析儀(希思迪，F(xiàn)LOWSYS，意大利)測定，有效磷采用氟化銨鹽酸浸提法測定，速效鉀、交換性鈣和交換性鎂濃度采用乙酸銨交換法。土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性分別采用靛酚藍(lán)比色法、硫代硫酸鈉滴定法和高錳酸鉀滴定法測定[30-31]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

分別采用Microsoft Excel 2016、IBM SPSS 21、IBM SPSS Amos 24和Origin 2020軟件進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的錄入、計算、統(tǒng)計分析和制圖，顯著性差異檢驗采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同石灰用量對甜玉米幼苗期生物量的影響

酸性土壤施用不同用量的石灰對玉米幼苗長勢影響不同(圖1)。結(jié)合圖1和表2可知，適量施用石灰會促進(jìn)玉米幼苗生長，過量施用則會抑制植株生長。當(dāng)石灰用量為2.4 g/kg時(L2.4)，玉米幼苗的株高、生物量及根冠比達(dá)到最大值，分別為59.68 cm，9.71 g/株和0.23。低于該用量，幼苗株高、生物量和根冠比隨著石灰的增加而增加，高于該用量則會顯著抑制玉米地上部和地下部的生長。與L0處理相比較，L1.2、L2.4、L3.6和L4.8處理的玉米幼苗總生物量(鮮重)分別提高37.3%、51.8%、35.9%和17.1%；根冠質(zhì)量比則顯著提高35.3%(L2.4)或顯著降低23.5%(L4.8)。

L0、L1.2、L2.4、L3.6和L4.8分別代表石灰用量為0、1.2、2.4、3.6和4.8 g/kg。L0, L1.2, L2.4, L3.6 and L4.8 represent the lime (CaCO3) application amounts of 0, 1.2, 2.4, 3.6 and 4.8 g/kg, respectively.圖1 不同石灰用量對甜玉米幼苗生長的影響Fig.1 Effects of lime rates on growth of sweet maize seedlings

表2 不同石灰用量對甜玉米幼苗株高和生物量(鮮重和干重)的影響Table 2 Effects of lime rates on biomass (fresh weight and dry weight) of sweet maize seedlings

2.2 不同石灰用量對甜玉米幼苗根系形態(tài)的影響

酸性土壤施用石灰可顯著改善玉米幼苗根系生長且以L2.4處理效果最佳(表3)。與L0處理相比，L2.4處理的總根長、根表面積和根體積分別顯著增加333.4%、269.8%和181.8%。過量施用石灰則會抑制玉米幼苗生長，如L4.8處理玉米苗總根長、根表面積和根體積相比L2.4處理分別降低153.2%、89.0%和60.0%，相比于L0處理增幅最小(分別增加71.2%、95.6%和84.7%)。施用石灰可顯著降低玉米苗根系的鋁濃度，且隨著石灰用量的增加鋁濃度顯著降低(圖2)；適當(dāng)施用石灰可顯著提高酸性紅壤玉米幼苗根系活力，當(dāng)石灰用量為2.4 g/kg時，根系活力最高(346.0 μg/(g·h))，超過該用量，根系活力顯著下降。

柱形和折線上不同小寫字母分別表示不同石灰處理間差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters on column and broken line indicate significant differences among different lime treatments (P<0.05).圖2 不同石灰用量處理對甜玉米幼苗根系活力和鋁濃度的影響Fig.2 Effects of lime application rates on root activity and aluminum concentration of maize seedlings

表3 不同石灰用量對甜玉米幼苗根系形態(tài)指標(biāo)的影響Table 3 Effects of lime application rates on root morphological index of maize seedlings

2.3 不同石灰用量對甜玉米幼苗養(yǎng)分累積的影響

不同石灰用量對玉米幼苗地上部和根系N、P、K、Ca和Mg的養(yǎng)分累積影響不同。隨著石灰用量的增加，這五種養(yǎng)分的累積量均呈先增加后降低的趨勢，當(dāng)石灰用量為2.4 g/kg時，養(yǎng)分累積量達(dá)到最大(圖3)。與不施石灰(L0)處理相比，L2.4處理的地上部N、P、K、Ca和Mg累積量分別顯著提高109.9%、103.7%、101.1%、181.8%和112.9%；根系N、P、K、Ca和Mg累積量分別顯著提高129.6%、136.7%、140.3%、294.5%和222.1%。當(dāng)石灰用量為4.8 g/kg時，養(yǎng)分累積量的增加幅度(與L0相比)最小，地上部N、P、K、Ca和Mg的累積量分別提高60.4%、58.7%、49.6%、132.1%和54.9%；根系Ca和Mg的累積量分別提高124.1%和30.1%，而N、P和K的累積量與L0處理無明顯差異。

柱形上方、右側(cè)上和右側(cè)下方不同小寫字母分別表示玉米幼苗總養(yǎng)分(地上部+根系)、地上部和根系養(yǎng)分累積不同處理間差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters above the column, right upper and right lower indicate significant differences (P<0.05) total, shoot and root nutrient accumulation of sweet maize seedlings among different treatments, respectively.圖3 不同石灰用量處理對甜玉米幼苗氮、磷、鉀、鈣和鎂累積的影響Fig.3 Effects of lime rates on nitrogen, phosphorus, potassium,calcium and magnesium accumulation of maize seedlings

2.4 不同石灰用量對土壤理化性質(zhì)和酶活性的影響

施用石灰不僅改善酸性紅壤的土壤理化性質(zhì)，還影響土壤的酶活性。如表4所示，土壤pH、交換性鈣含量隨著石灰用量的增加而顯著增加，土壤交換性酸和交換性鋁含量則隨著石灰用量的增加而逐漸降低，當(dāng)石灰用量為3.6 g/kg時，土壤中交換性酸和交換性鋁含量趨于0。隨著石灰用量增加，土壤無機(jī)氮、有效磷、速效鉀和交換性鎂含量呈先上升后下降趨勢，其中銨態(tài)氮含量隨著石灰用量的增加逐漸下降。當(dāng)石灰用量為3.6 g/kg時，土壤無機(jī)氮和有效磷含量達(dá)到最大，較L0處理分別提高49.0%和31.3%；石灰用量為2.4～3.6 g/kg時，速效鉀和交換性鎂含量達(dá)到最大，較L0處理分別提高16.3%和11.9%。從表5可以看出，隨著石灰用量的增加，酸性紅壤中脲酶、蔗糖酶與過氧化氫酶的活性均逐漸增加，酸性磷酸酶活性則表現(xiàn)出先上升后下降趨勢，在L3.6處理達(dá)到最大值(4.18 mg/(g·h))。

表4 不同石灰用量對酸性紅壤土壤理化性質(zhì)的影響Table 4 Effects of different lime application rates on soil physical and chemical properties of acidic red soil

表5 不同石灰用量對酸性紅壤土壤酶活性的影響Table 5 Effects of different lime application rates on soil enzyme activity of acidic red soil mg/(g·h)

2.5 石灰施用與土壤、根系、植株養(yǎng)分累積量指標(biāo)的路徑分析

玉米幼苗養(yǎng)分累積受石灰施用、土壤pH、土壤酶活性、土壤養(yǎng)分和根系直接或間接影響，各影響因素的影響系數(shù)大小依次為土壤pH>根系>石灰施用>土壤養(yǎng)分>土壤酶活(圖4)。結(jié)構(gòu)方程模型的結(jié)果表明，石灰施用可以通過影響土壤pH、土壤酶活性、土壤養(yǎng)分和根系間接影響玉米幼苗總養(yǎng)分累積量，影響系數(shù)分別為0.84和-0.23，總影響系數(shù)為0.61(表6)。土壤pH和土壤酶活性間接影響玉米幼苗總養(yǎng)分累積量，總影響系數(shù)分別為0.82和 0.28。根系與土壤養(yǎng)分對玉米幼苗養(yǎng)分累積存在直接的正效應(yīng)，影響系數(shù)分別0.65和0.33。土壤養(yǎng)分比例對養(yǎng)分累積無顯著影響。

實線表示顯著正相關(guān)，虛線表示顯著負(fù)相關(guān)，灰線表示無顯著相關(guān)；土壤酶活性為脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶的主成分1，土壤養(yǎng)分為無機(jī)氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣和鎂的主成分1，根系為根活力和根長主成分1，土壤養(yǎng)分比例為氮、磷、鉀和鎂分別與鈣比例的主成分1，養(yǎng)分累積為總氮、磷、鉀、鈣和鎂累積的主成分1；“*”表示兩項指標(biāo)存在顯著正相關(guān)性(P<0.05)；“**”表示兩項指標(biāo)存在極顯著正相關(guān)性(P<0.01)。The solid line, dashed line and gray line show significant positive correlation, negative correlation and no significant correlation, respectively. Soil enzyme activity is the principal component 1 (PC1) of urease, sucrase and acid phosphatase; Soil nutrient is the PC1 of inorganic N, available P, available K, exchangeable Ca and Mg. Root is the PC1 of root activity and total root length. Soil nutrient ratio is the PC1 of soil N, P, K and Mg ratio to Ca. * indicates that there is a significant positive correlation between the two indicators (P<0.05) and ** indicates that the two indicators have a very significant positive correlation (P<0.01).圖4 石灰施用、土壤、根系與植株養(yǎng)分累積指標(biāo)間關(guān)系的結(jié)構(gòu)方程模型Fig.4 Structural equation model (SEM) of the causal relationship among lime application, soil, root and nutrient accumulation to nutrient accumulation

表6 各影響因素對玉米幼苗養(yǎng)分累積的影響總系數(shù)Table 6 Total effects for each variable in relation to nutrient accumulation of maize seedling

3 討 論

3.1 石灰施用對甜玉米幼苗生物量與根系的影響

本研究通過在酸性紅壤上的玉米幼苗石灰梯度盆栽試驗表明，隨著石灰用量的增加，甜玉米幼苗長勢呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(圖1，表2)。該研究結(jié)果與酸性土壤上油菜和水稻的產(chǎn)量隨著石灰施用量增加的變化規(guī)律一致[32]。低pH、高土壤鋁離子(Al3+)濃度是酸性土壤抑制植株生長的一個重要原因[33-34]，尤其當(dāng)pH降低到4.50以后，土壤鋁則主要以Al3+態(tài)存在，會直接危害作物生長[6]。已有研究表明，Al3+會通過影響根尖細(xì)胞分裂和伸長，阻止主根軸和側(cè)根生成，形成典型的“粗短”根型，導(dǎo)致根系無法進(jìn)行正常養(yǎng)分吸收[35]。如在水稻上的研究表明，當(dāng)鋁離子濃度超過5 mg/kg時便會對水稻幼苗根的伸長產(chǎn)生抑制作用，影響其對養(yǎng)分吸收[36]。本研究結(jié)果顯示，在pH為3.91的酸性土壤上施用石灰后，土壤pH升高、土壤和玉米根系中鋁離子濃度均顯著降低，此時，根系活力顯著提高，進(jìn)而促進(jìn)了根系的生長(石灰用量介于1.2～2.4 g/kg)(表2，圖2，表3)，與胡敏等[28]在大麥幼苗上的研究結(jié)果相似。

3.2 石灰施用對土壤養(yǎng)分有效性的影響

土壤養(yǎng)分有效性也會影響植株養(yǎng)分吸收[16]。本研究通過結(jié)構(gòu)方程模型也進(jìn)一步證明酸性土壤施用石灰可以影響土壤pH和土壤酶活性進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分并最終影響?zhàn)B分累積量(圖4)。石灰用量介于1.2～2.4 g/kg時，此時pH為5.05～6.02，隨著石灰用量的增加，土壤無機(jī)氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣和鎂含量，以及土壤酶(脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶)活性均呈現(xiàn)上升趨勢。徐光澤等[37]和鄧小華等[38]的研究發(fā)現(xiàn)，施用生石灰后土壤過氧化氫酶、中性磷酸酶、脲酶活性均顯著提高，與本研究結(jié)果規(guī)律一致。這可能是由于土壤酶活性對pH變化敏感，堿性物質(zhì)的添加對土壤酶起到激活作用[39]。已有研究結(jié)果表明，土壤酸堿度會影響土壤養(yǎng)分有效性[40]。石灰施用后，土壤pH顯著提高，增加了土壤氮礦化速率和硝化速率，其主要原因可能是施用石灰改善了土壤酸度環(huán)境，提高了土壤氧化銨細(xì)菌的生物多樣性和活性[41]，因而提高無機(jī)氮含量，同時降低了酸性土壤中鐵鋁氧化物對磷的吸附，提高了土壤磷的生物有效性[42-43]。不僅如此，石灰的施入直接引入Ca2+，大量Ca2+與土壤中Mg2+和K+競爭相同的吸附位點，從而提高土壤溶液中Mg2+和K+的含量[13]。

3.3 石灰用量對植株生長的影響

4 結(jié) 論

酸性土壤施用石灰可以提高土壤pH，降低土壤酸度，然而，對于作物而言，石灰用量并非越多越好。隨著石灰用量的增加，玉米幼苗(V4期)的根系活力、生物量與養(yǎng)分累積量呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，當(dāng)石灰用量為2.4 g/kg(土壤pH=6.02)時，根系活力、生物量與養(yǎng)分累積量達(dá)到最高。若石灰用量超過3.6 g/kg，土壤無機(jī)氮、有效磷、速效鉀、交換性鎂含量、酸性磷酸酶均顯著降低；與此同時，玉米幼苗根系活力、生物量與養(yǎng)分累積量也顯著下降，玉米幼苗生長受到抑制。結(jié)果表明施用石灰改良酸性(pH=3.91)土壤的適宜用量為2.4 g/kg(折合大田用量約5.2 t/hm2)。本研究可為酸性土壤改良提供科學(xué)參考。由于試驗周期較短(僅考慮幼苗期)，需進(jìn)一步設(shè)置大田試驗，探究該石灰用量對甜玉米生長后期及產(chǎn)量的影響，為土壤酸化改良提供更全面的評估。