酸性红壤添加石灰对甜玉米幼苗生长、养分累积和土壤理化性质的影响

张思文 陈晓辉 蔡远扬 纪宗君 陈 圆 朱齐超 余文慧 张福锁 吴良泉*

(1.福建农林大学 资源与环境学院/国际镁营养研究所，福州 350002；2.吉林大学 植物科学学院，长春 130062；3.中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193)

适宜的土壤酸碱度是实现农业生产可持续发展的重要条件[1]。1980—2010年来，我国主要农田耕层土壤pH平均下降0.5个单位[2]。根据2005—2011年测土配方施肥数据显示，我国有150万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、广东、广西、海南等南方地区[4]。红壤是南方地区典型土壤，土壤背景pH较低，加之集约化农业生产，土壤酸化问题更加突出[5]。土壤酸化会导致土壤质量下降，如养分失衡、重金属活性增加、微生物活性和土壤酶活性降低等，影响农作物根系的生长发育和对养分的吸收，造成减产或绝收[6-10]。土壤酸化已成为限制我国南方耕地生产力提升重要因素之一[5]。因此，开展土壤酸化改良研究对中低产红壤耕地产能提升及农业可持续生产具有十分重要的意义。

施用石灰被认为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]，同时降低土壤Al和Mn对作物的毒害作用[14-15]。Caires等[12]研究表明撒施石灰可显著提高0～10 cm土层土壤的pH，减少Ca、Mg和K等养分的淋失，并增加有益微生物和脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶等的活性。敖俊华等[16]研究发现施用石灰显著提高土壤pH，改善土壤中养分的有效性，并且增加甘蔗的产量和含糖量。Hati等[17]长达30年的定位试验表明，长期且适量的施用石灰可以提升土壤pH(从5.0上升到6.0)并疏松土壤，其效果仅次于施用有机肥。然而，也有研究表明若长期过量施用石灰，则会引起土壤中Ca、K、Mg离子的平衡失调，破坏土壤结构，形成石灰性板结田，导致作物减产[18-19]。由此可见，确定适宜的石灰用量对于酸性土壤改良至关重要。

甜玉米又称为蔬菜玉米或水果玉米，主要种植于我国南方地区[20]。由于种植甜玉米经济效益显著，近年来其栽培面积不断增加，到2016年我国甜玉米种植面积已超40万hm2[21-22]。然而种植户长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续发展，亟需提出酸性土壤改良方案[23]。迄今为止关于酸性红壤条件下甜玉米种植的石灰改良的报道较少，且具体用量也不确定。为玉米苗期根系生长提供良好的土壤条件是玉米后期营养生长和生殖生长的基础[24]，而4叶期玉米的生长点仍在地下，节生根的萌发质量会直接影响玉米地上部生长[25-26]。因此，为探究酸性土壤施用石灰对玉米苗期干物质和养分积累与土壤理化性质的影响，本研究拟以先甜5号玉米幼苗为研究对象，采用盆栽试验方法探究不同石灰用量对酸性红壤甜玉米幼苗生长、土壤理化性质和土壤关键酶活性的影响，以期为甜玉米种植和酸性土壤改良提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年10月—11月在福建农林大学国际镁营养研究所大棚内进行。试验土壤采自福建省平和县小溪镇(24.34° N，117.31° E)，该地区属南亚热带季风气候，全年平均气温21.2 ℃，无霜期318 d，年降雨量 1 696 mm，干湿季明显，土壤类型为典型砖红壤(pH 3.91)。土壤自然风干后，剔除砾石及植物根茎等杂物，通过孔径为2 mm的网筛，保存用于装盆。土壤基本理化性质见表1。甜玉米品种为“先甜5号”(ZeamaysL.saccharata)，石灰为碳酸钙(福晨天津化学试剂有限公司，95%化学纯，天津)。

表1 供试土壤基本理化性质*Table 1 Physical and chemical properties of the test soil

1.2 试验方法

首先按照氢氧化钙滴定法[27]确定供试土壤酸性改良(目标pH=6.0)的适宜石灰添加量，然后据此设计5个石灰梯度，依次为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供试土壤与不同用量的石灰混匀后装入20 cm×16 cm×20 cm(上口径×下口径×高度)的塑料盆待后期玉米栽培。播种前，浇去离子水以保持土壤含水量为25%(质量比)，一周后播种4～5粒。出苗后，每盆留苗1株，试验过程不施用任何肥料，每个处理设置12次重复。除石灰用量不同，其他日常管理措施均一致。

1.3 植株样品采集与分析

玉米播种4周后进入幼苗期，紧贴土表将幼苗剪断并用尺子测定其株高。然后分离土壤与根系，分离过程中尽量保持根系的完整性，将根系冲洗干净后，对地上部和根系分别称重，用Epson扫描仪(Perfection V800，Regent Instruments Inc.，加拿大)进行根系扫描，采用WinRHIZO Pro2009 软件分析总根长、根系面积和根体积[28]，同时采用TTC还原法测定根系活力[29]。地上部植株和根系用去离子水洗净，经105 ℃杀青30 min后于70 ℃烘干至恒重，称重后用磨样机粉碎留样。植株N、P、K浓度的测定方法参照鲍士旦[27]，样品经H2SO4-H2O2消煮制得待测液，采用连续流动分析仪(希思迪，FLOWSYS，意大利)测定N浓度，电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)(珀金埃尔墨，Avio 200，美国)测定P浓度，火焰光度计(上海仪电，FP640，上海)测定K浓度；另取样品经HNO3-HClO4消煮制得待测液，采用ICP-OES测定植株Ca、Mg和Al浓度。根冠比=根鲜重/地上部鲜重；养分累积量=养分浓度×干重。

1.4 土壤样品采集与分析

玉米植株收获后(玉米播种1个月后)，对土壤进行取样，将培养盆中的土壤充分混匀，经四分法获取50 g土样并自然风干，然后研磨分别过1 mm(18目)和2 mm(10目)筛用于相关指标测定。根据鲍士旦[27]的方法，土壤pH采用电极电位法测定(水土质量比2.5∶1)(赛默飞，A215，新加坡)，土壤交换性酸与交换性铝浓度采用氯化钾交换—中和滴定法测定，土壤铵态氮和硝态氮采用氯化钾浸提法-连续流动分析仪(希思迪，FLOWSYS，意大利)测定，有效磷采用氟化铵盐酸浸提法测定，速效钾、交换性钙和交换性镁浓度采用乙酸铵交换法。土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性分别采用靛酚蓝比色法、硫代硫酸钠滴定法和高锰酸钾滴定法测定[30-31]。

1.5 数据分析

分别采用Microsoft Excel 2016、IBM SPSS 21、IBM SPSS Amos 24和Origin 2020软件进行试验数据的录入、计算、统计分析和制图，显著性差异检验采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 不同石灰用量对甜玉米幼苗期生物量的影响

酸性土壤施用不同用量的石灰对玉米幼苗长势影响不同(图1)。结合图1和表2可知，适量施用石灰会促进玉米幼苗生长，过量施用则会抑制植株生长。当石灰用量为2.4 g/kg时(L2.4)，玉米幼苗的株高、生物量及根冠比达到最大值，分别为59.68 cm，9.71 g/株和0.23。低于该用量，幼苗株高、生物量和根冠比随着石灰的增加而增加，高于该用量则会显著抑制玉米地上部和地下部的生长。与L0处理相比较，L1.2、L2.4、L3.6和L4.8处理的玉米幼苗总生物量(鲜重)分别提高37.3%、51.8%、35.9%和17.1%；根冠质量比则显著提高35.3%(L2.4)或显著降低23.5%(L4.8)。

L0、L1.2、L2.4、L3.6和L4.8分别代表石灰用量为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.图1 不同石灰用量对甜玉米幼苗生长的影响Fig.1 Effects of lime rates on growth of sweet maize seedlings

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

2.2 不同石灰用量对甜玉米幼苗根系形态的影响

酸性土壤施用石灰可显著改善玉米幼苗根系生长且以L2.4处理效果最佳(表3)。与L0处理相比，L2.4处理的总根长、根表面积和根体积分别显著增加333.4%、269.8%和181.8%。过量施用石灰则会抑制玉米幼苗生长，如L4.8处理玉米苗总根长、根表面积和根体积相比L2.4处理分别降低153.2%、89.0%和60.0%，相比于L0处理增幅最小(分别增加71.2%、95.6%和84.7%)。施用石灰可显著降低玉米苗根系的铝浓度，且随着石灰用量的增加铝浓度显著降低(图2)；适当施用石灰可显著提高酸性红壤玉米幼苗根系活力，当石灰用量为2.4 g/kg时，根系活力最高(346.0 μg/(g·h))，超过该用量，根系活力显著下降。

柱形和折线上不同小写字母分别表示不同石灰处理间差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters on column and broken line indicate significant differences among different lime treatments (P<0.05).图2 不同石灰用量处理对甜玉米幼苗根系活力和铝浓度的影响Fig.2 Effects of lime application rates on root activity and aluminum concentration of maize seedlings

表3 不同石灰用量对甜玉米幼苗根系形态指标的影响Table 3 Effects of lime application rates on root morphological index of maize seedlings

2.3 不同石灰用量对甜玉米幼苗养分累积的影响

不同石灰用量对玉米幼苗地上部和根系N、P、K、Ca和Mg的养分累积影响不同。随着石灰用量的增加，这五种养分的累积量均呈先增加后降低的趋势，当石灰用量为2.4 g/kg时，养分累积量达到最大(图3)。与不施石灰(L0)处理相比，L2.4处理的地上部N、P、K、Ca和Mg累积量分别显著提高109.9%、103.7%、101.1%、181.8%和112.9%；根系N、P、K、Ca和Mg累积量分别显著提高129.6%、136.7%、140.3%、294.5%和222.1%。当石灰用量为4.8 g/kg时，养分累积量的增加幅度(与L0相比)最小，地上部N、P、K、Ca和Mg的累积量分别提高60.4%、58.7%、49.6%、132.1%和54.9%；根系Ca和Mg的累积量分别提高124.1%和30.1%，而N、P和K的累积量与L0处理无明显差异。

柱形上方、右侧上和右侧下方不同小写字母分别表示玉米幼苗总养分(地上部+根系)、地上部和根系养分累积不同处理间差异显著(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.图3 不同石灰用量处理对甜玉米幼苗氮、磷、钾、钙和镁累积的影响Fig.3 Effects of lime rates on nitrogen, phosphorus, potassium,calcium and magnesium accumulation of maize seedlings

2.4 不同石灰用量对土壤理化性质和酶活性的影响

施用石灰不仅改善酸性红壤的土壤理化性质，还影响土壤的酶活性。如表4所示，土壤pH、交换性钙含量随着石灰用量的增加而显著增加，土壤交换性酸和交换性铝含量则随着石灰用量的增加而逐渐降低，当石灰用量为3.6 g/kg时，土壤中交换性酸和交换性铝含量趋于0。随着石灰用量增加，土壤无机氮、有效磷、速效钾和交换性镁含量呈先上升后下降趋势，其中铵态氮含量随着石灰用量的增加逐渐下降。当石灰用量为3.6 g/kg时，土壤无机氮和有效磷含量达到最大，较L0处理分别提高49.0%和31.3%；石灰用量为2.4～3.6 g/kg时，速效钾和交换性镁含量达到最大，较L0处理分别提高16.3%和11.9%。从表5可以看出，随着石灰用量的增加，酸性红壤中脲酶、蔗糖酶与过氧化氢酶的活性均逐渐增加，酸性磷酸酶活性则表现出先上升后下降趋势，在L3.6处理达到最大值(4.18 mg/(g·h))。

表4 不同石灰用量对酸性红壤土壤理化性质的影响Table 4 Effects of different lime application rates on soil physical and chemical properties of acidic red soil

表5 不同石灰用量对酸性红壤土壤酶活性的影响Table 5 Effects of different lime application rates on soil enzyme activity of acidic red soil mg/(g·h)

2.5 石灰施用与土壤、根系、植株养分累积量指标的路径分析

玉米幼苗养分累积受石灰施用、土壤pH、土壤酶活性、土壤养分和根系直接或间接影响，各影响因素的影响系数大小依次为土壤pH>根系>石灰施用>土壤养分>土壤酶活(图4)。结构方程模型的结果表明，石灰施用可以通过影响土壤pH、土壤酶活性、土壤养分和根系间接影响玉米幼苗总养分累积量，影响系数分别为0.84和-0.23，总影响系数为0.61(表6)。土壤pH和土壤酶活性间接影响玉米幼苗总养分累积量，总影响系数分别为0.82和 0.28。根系与土壤养分对玉米幼苗养分累积存在直接的正效应，影响系数分别0.65和0.33。土壤养分比例对养分累积无显著影响。

实线表示显著正相关，虚线表示显著负相关，灰线表示无显著相关；土壤酶活性为脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶的主成分1，土壤养分为无机氮、有效磷、速效钾、交换性钙和镁的主成分1，根系为根活力和根长主成分1，土壤养分比例为氮、磷、钾和镁分别与钙比例的主成分1，养分累积为总氮、磷、钾、钙和镁累积的主成分1；“*”表示两项指标存在显著正相关性(P<0.05)；“**”表示两项指标存在极显著正相关性(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).图4 石灰施用、土壤、根系与植株养分累积指标间关系的结构方程模型Fig.4 Structural equation model (SEM) of the causal relationship among lime application, soil, root and nutrient accumulation to nutrient accumulation

表6 各影响因素对玉米幼苗养分累积的影响总系数Table 6 Total effects for each variable in relation to nutrient accumulation of maize seedling

3 讨 论

3.1 石灰施用对甜玉米幼苗生物量与根系的影响

本研究通过在酸性红壤上的玉米幼苗石灰梯度盆栽试验表明，随着石灰用量的增加，甜玉米幼苗长势呈现先增加后降低的趋势(图1，表2)。该研究结果与酸性土壤上油菜和水稻的产量随着石灰施用量增加的变化规律一致[32]。低pH、高土壤铝离子(Al3+)浓度是酸性土壤抑制植株生长的一个重要原因[33-34]，尤其当pH降低到4.50以后，土壤铝则主要以Al3+态存在，会直接危害作物生长[6]。已有研究表明，Al3+会通过影响根尖细胞分裂和伸长，阻止主根轴和侧根生成，形成典型的“粗短”根型，导致根系无法进行正常养分吸收[35]。如在水稻上的研究表明，当铝离子浓度超过5 mg/kg时便会对水稻幼苗根的伸长产生抑制作用，影响其对养分吸收[36]。本研究结果显示，在pH为3.91的酸性土壤上施用石灰后，土壤pH升高、土壤和玉米根系中铝离子浓度均显著降低，此时，根系活力显著提高，进而促进了根系的生长(石灰用量介于1.2～2.4 g/kg)(表2，图2，表3)，与胡敏等[28]在大麦幼苗上的研究结果相似。

3.2 石灰施用对土壤养分有效性的影响

土壤养分有效性也会影响植株养分吸收[16]。本研究通过结构方程模型也进一步证明酸性土壤施用石灰可以影响土壤pH和土壤酶活性进而影响土壤养分并最终影响养分累积量(图4)。石灰用量介于1.2～2.4 g/kg时，此时pH为5.05～6.02，随着石灰用量的增加，土壤无机氮、有效磷、速效钾、交换性钙和镁含量，以及土壤酶(脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶)活性均呈现上升趋势。徐光泽等[37]和邓小华等[38]的研究发现，施用生石灰后土壤过氧化氢酶、中性磷酸酶、脲酶活性均显著提高，与本研究结果规律一致。这可能是由于土壤酶活性对pH变化敏感，碱性物质的添加对土壤酶起到激活作用[39]。已有研究结果表明，土壤酸碱度会影响土壤养分有效性[40]。石灰施用后，土壤pH显著提高，增加了土壤氮矿化速率和硝化速率，其主要原因可能是施用石灰改善了土壤酸度环境，提高了土壤氧化铵细菌的生物多样性和活性[41]，因而提高无机氮含量，同时降低了酸性土壤中铁铝氧化物对磷的吸附，提高了土壤磷的生物有效性[42-43]。不仅如此，石灰的施入直接引入Ca2+，大量Ca2+与土壤中Mg2+和K+竞争相同的吸附位点，从而提高土壤溶液中Mg2+和K+的含量[13]。

3.3 石灰用量对植株生长的影响

4 结 论

酸性土壤施用石灰可以提高土壤pH，降低土壤酸度，然而，对于作物而言，石灰用量并非越多越好。随着石灰用量的增加，玉米幼苗(V4期)的根系活力、生物量与养分累积量呈现先上升后下降趋势，当石灰用量为2.4 g/kg(土壤pH=6.02)时，根系活力、生物量与养分累积量达到最高。若石灰用量超过3.6 g/kg，土壤无机氮、有效磷、速效钾、交换性镁含量、酸性磷酸酶均显著降低；与此同时，玉米幼苗根系活力、生物量与养分累积量也显著下降，玉米幼苗生长受到抑制。结果表明施用石灰改良酸性(pH=3.91)土壤的适宜用量为2.4 g/kg(折合大田用量约5.2 t/hm2)。本研究可为酸性土壤改良提供科学参考。由于试验周期较短(仅考虑幼苗期)，需进一步设置大田试验，探究该石灰用量对甜玉米生长后期及产量的影响，为土壤酸化改良提供更全面的评估。