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我国南方热带和亚热带地区分布着广阔的红壤资源,这一地区水热资源丰富,农业生产和经济发展潜力很大。然而,较高的土壤酸度和较低的土壤肥力水平等因素限制了该地区农业的可持续发展。虽然近年开发出的多种改良方法可以有效降低红壤的酸度,但对改善红壤肥力的作用不大。加之红壤地区复种指数高,N肥的用量很高,在保证粮食高产的同时,也对土壤酸化产生明显影响。研究表明,由于铵态氮肥的大量施用,我国农田土壤酸化呈加速发展趋势。调查发现,从上个世纪80年代初至本世纪初的20年间,我国大部分地区农用土壤发生酸化,土壤pH降幅在0.13~0.80之间。因此,如何解决红壤施肥与酸化控制的矛盾,已经成为我国热带亚热带农业可持续发展中必须解决的问题。
传统观念认为酸性条件下硝化作用受到抑制,因此酸性土壤中硝化作用很弱。但近年来的研究表明,亚热带地区土壤利用方式对红壤中硝化作用有重要影响。自然植被下的酸性红壤,硝化作用很弱;但农田土壤由于农业利用使硝化作用显著增强,特别对茶园土壤,即使pH很低条件下硝化作用也很显著。红壤中硝化作用的发生特点及其对土壤酸化影响的相关机制还有待进一步研究。
基于此,本研究以红壤为研究对象,通过室内培养与盆栽实验相结合的方式,探讨了不同N肥、不同利用方式、不同初始pH、不同作物对红壤硝化作用及酸度的影响,以揭示红壤酸化的根源;同时,对改良后红壤复酸化的风险进行评价。
主要取得以下结论:
(1)研究了N肥对茶园红壤和农田红壤硝化作用及酸度的影响,结果表明:施用(NH4)2SO4显著降低两种红壤中AOB数量,从而抑制红壤硝化作用;茶园红壤和农田红壤硝化速率分别降低57%-88%、27%-75%,由此导致了在培养结束时施用(NH4)2SO4处理土壤pH高于对照处理。施用CO(NH2)2则显著增加两种红壤中AOB数量,从而促进红壤的硝化作用;茶园红壤和农田红壤硝化速率分别增加73%-220%、42-189%,同时加速红壤酸化过程。
(2)研究了N肥对不同初始pH红壤硝化作用及酸度的影响,结果表明:施用CO(NH2)2显著增加了初始pH分别为5.14、4.77和4.34的3种红壤的硝化速率,从而显著加速土壤酸化。培养结束时,土壤pH较培养过程中最高值分别下降2.14、1.23和0.56个单位。施用(NH4)2SO4抑制了初始pH较低(<5.0)的2种红壤的硝化作用,从而显著降低这2种土壤硝化速率和酸化速率,但显著增加了初始pH较高(>5.0)红壤的硝化速率,对其酸化速率未见显著影响。3种红壤的酸化速率与硝化速率存在着显著线性相关关系。
(3)研究了盆栽条件下N肥对红壤酸度的影响,结果表明:耕地土壤在无外源N肥施用且无作物生长时,其土壤pH波动不大,短期内不会发生明显酸化;耕地土壤施用化肥但无作物种植时,pH显著降低,土壤发生酸化;施用有机肥土壤pH显著增加,有助于缓解土壤酸度,减缓酸化过程。同时,耕地土壤施用化肥后,种植玉米显著降低土壤pH,种植小麦显著降低(NH4)2SO4处理土壤pH,但显著增加NH4HCO3、尿素处理土壤pH;施用有机肥处理,种植玉米及小麦均显著增加土壤pH。产生这种现象的原因与土壤中积累的无机N的形态和数量有关。
(4)研究了改良剂对红壤硝化作用和复酸化的影响,结果表明:石灰、碱渣等无机改良剂与生物质炭、有机肥等有机改良剂对红壤酸度均有一定的改良效果。由于施用石灰、碱渣等无机改良剂后,土壤pH显著提高,土壤交换性酸显著降低,由此导致了较强的硝化作用,因此,在有N肥输入的情况下,施用无机改良剂的土壤硝化作用强度显著高于对照处理,并造成土壤pH下降快于对照处理,导致培养结束时施用改良剂处理土壤pH低于对照处理,即改良剂对土壤酸度的改良作用被硝化作用的致酸作用抵消,土壤发生复酸化。然而,对于施用生物质炭及有机肥处理土壤,其改良效果弱于施用石灰、碱渣处理,因此在有N肥施用的条件下,土壤硝化作用强度并未发生显著变化,亦未对土壤pH产生显著影响,即培养结束时施用生物质炭及有机肥处理土壤pH仍高于对照处理,改良剂的改良效果仍有较好的维持作用。