免耕条件下石灰与石膏施用对玉米–小麦–大豆轮作系统土壤肥力与作物产量的改善效应

《Archives of Agronomy and Soil Science》：Application of lime and gypsum under no-till improves soil fertility and crop yield in a maize–wheat–soybean rotation system

　　

摘要专业翻译 免耕条件下施用石灰和石膏可缓解与土壤酸化相关的限制因素。本研究评估了巴西南部氧化土（Oxisol）在不同石灰和石膏管理策略下的土壤化学变化及作物产量。试验处理于2012年建立并于2016年重新施用，包括免耕不施石灰（UN-NT）和常规翻耕不施石灰（UN-CT）两种对照，以70%和90%盐基饱和度为目标的地表撒施（S）和混施（I）石灰处理（B70-S、B70-I、B90-S、B90-I），以及石灰分别配施推荐量（GY1）和双倍量（GY2）石膏的处理。石灰提高了表层（0–0.10 m）土壤pH，在B90处理中其效应延伸至0.40 m深度。盐基饱和度主要在0–0.10 m土层增加，B90处理在0.10–0.20 m土层亦有增加。硫酸根硫（SO42--S）水平在GY和B70-S处理中自0.20 m深度以下最高，延伸至0.60 m。石灰混施降低了0–0.05 m土层的土壤有机质含量。玉米（2020/21）和大豆（2022/23）产量未受影响，而小麦（2022）在地表施石灰和施石膏处理下产量最高。石灰混施并未改善产量。石灰与石膏按推荐量配施获得了最大的籽粒产量增益，主要归因于亚表层硫酸盐供应的增加。

论文解读

一、研究背景与意义

巴西谷物种植系统普遍采用免耕（no-till, NT）管理，覆盖面积约3300万公顷，占全国耕地总面积约52%。免耕具有减少侵蚀、增加土壤碳储量、改善植物水分可利用性等优势。在免耕条件下，石灰等酸性改良剂通常撒施于土壤表面而不进行翻混，但这一做法可能阻碍亚表层（>0.20 m）土壤酸度的校正。石灰因溶解度低（约0.014 g L^?1）且溶解颗粒在大孔隙中迁移有限，在深层活性较弱。然而，巴西南部近期长期试验证据表明，在先前已深层改良的免耕土壤中，重复地表施石灰可在长达0.40 m深度维持良好的酸度相关性状，表明石灰改良的垂直范围还取决于土壤管理历史和施用后时间。

巴西许多免耕系统是在先前常规翻耕（conventional tillage, CT）管理的土壤上建立的，实施时未对亚表层酸度进行充分改良，导致亚表层持续存在酸度问题。石灰混施通过促进石灰颗粒的重新分布来降低深层土壤酸度，但翻耕可能导致土壤有机质损失，并对团聚体稳定性、容重和孔隙分布等土壤物理性质产生负面影响。另一方面，亚表层酸度对植物产生有害影响，铝离子（Al³⁺）抑制细胞有丝分裂和根伸长，导致根系利用的土壤体积减小，影响养分和水分吸收，尤其在水分亏缺时期。

石膏（CaSO₄·2H₂O）是广泛使用的农业投入品，无需混施即可改善亚表层土壤化学条件。石膏并非酸性改良剂，但其溶解度高于石灰，可促进阳离子向亚表层重新分布，并通过形成AlSO₄⁺离子对及次生铝羟基硫酸盐矿物降低土壤溶液中Al³⁺活性。亚表层Ca²⁺有效性的增加可促进根系生长，增强水分吸收能力。

此前关于石灰与石膏联合施用的研究结果存在分歧。部分研究发现石灰与石膏配施可获得最高玉米和大豆产量，归因于根系发育改善和氧化应激调节；也有研究报告石膏施用对大豆、玉米和小麦产量响应不佳，或降低大豆产量，与Mg²⁺淋洗及交换性阳离子平衡被破坏有关。这些对比鲜明的发现强调需要开展长期研究，评估不同土壤化学条件下石灰与石膏的联合效应。在低酸度土壤中，石灰和石膏管理对其土壤化学性质和作物生产力的残余效应仍存在重要知识空白。此外，哪些土壤化学属性和采样深度与作物生产力最密切相关，此前关注较少。因此，本研究通过整合土壤剖面化学性质变化、五个种植季累积籽粒产量及相关性分析，对免耕下石灰和石膏管理进行长期评估，旨在识别与作物生产力最密切相关的土壤属性和采样深度，为改善长期免耕条件下土壤肥力诊断提供信息。

二、研究设计与技术方法

本研究属于2012年在巴西巴拉那州Campo Mour?o的COAMO实验农场启动的长期试验，土壤为Rhodic Hapludox（氧化土），黏粒含量极高（740 g kg^?1）。试验采用随机完全区组设计，4次重复。共设8个处理：UN-NT（免耕不施石灰对照）、UN-CT（常规翻耕不施石灰对照）、B70-S（地表施石灰至70%盐基饱和度）、B70-I（混施石灰至70%盐基饱和度）、B90-S（地表施石灰至90%盐基饱和度）、B90-I（混施石灰至90%盐基饱和度）、GY1（地表施石灰至70%盐基饱和度+石膏推荐量3.7 Mg ha^?1）、GY2（地表施石灰至70%盐基饱和度+石膏双倍量7.4 Mg ha^?1）。石灰用量按盐基饱和度法计算，石膏用量按GR = 50 × 黏粒含量的公式计算。2012年5月首次施用，2016年根据化学分析结果重新施用。石灰混施采用铧式犁翻耕至0.20 m深度，随后进行重型圆盘耙整地。2020/21至2022/23季种植玉米、小麦、大豆轮作。2022年11月（处理重新施用后77个月）采集0–0.05、0.05–0.10、0.10–0.20、0.20–0.40和0.40–0.60 m土层样品进行化学分析。主要技术方法包括：土壤pH（CaCl₂）测定、KCl提取交换性Ca²⁺/Mg²⁺/Al³⁺、SMP缓冲液法测定H+Al、磷酸盐-醋酸提取硫酸根硫（SO₄^2?-S）并采用比浊法测定、重铬酸钾氧化-比色法测定总有机碳。统计分析采用方差分析（ANOVA）、Scott–Knott分组检验（p < 0.05）及Pearson相关性分析。

三、研究结果

土壤化学性质

大多数土壤化学性质受石灰和石膏施用影响。除Mg²⁺、Al³⁺饱和度和SO₄^2?-S外，处理效应最深延伸至0.20–0.40 m土层。不施石灰处理pH值最低。在0–0.05 m土层，地表施石灰和施石膏处理pH比不施石灰处理高16%。B90处理在0.20–0.40 m土层pH比其他处理高8.7%。石灰和石膏施用降低了Al³⁺含量至0.20–0.40 m深度。B90-S处理在0–0.05和0.05–0.10 m土层Mg²⁺含量分别提高108%和115%。在0–0.05 m土层，B70-S、B90-S、GY1和GY2处理盐基饱和度最高。B90处理在0.10–0.20和0.20–0.40 m土层盐基饱和度高于其他处理。SO₄^2?-S含量在0.20–0.40 m深度以下，石膏处理（GY1和GY2）和B70-S显著高于其他处理，在0.20–0.40 m增加85%，在0.40–0.60 m增加105%。土壤有机质效应仅限于0–0.05 m土层，地表施石灰、施石膏和UN-NT处理比混施和不施石灰处理高21%。

籽粒产量

玉米（2020/21）和大豆（2022/23）产量在处理间无显著差异，均值分别为9877和3932 kg ha^?1。两个小麦季中，B70-I与不施石灰处理无显著差异。2022年小麦季，B90-I与不施石灰处理无显著差异。小麦（2021和2022）和大豆（2021/22）中，石膏处理和地表施石灰处理产量最高。五个种植季累积产量排序为：UN-CT < UN-NT = B70-I = B90-I < B70-S = B90-S < GY1 = GY2。与UN-NT相比，B70-I增产0.7%，B90-I增产3.0%，B70-S增产5.3%，B90-S增产6.3%，GY1增产9.6%，GY2增产10.6%。

相关性分析

相关性矩阵显示，0–0.10 m土层盐基饱和度（r = 0.83）和0.05–0.10 m土层Al³⁺饱和度（r = ?0.79）与累积产量相关性最强。SO₄^2?-S方面，0.20–0.40 m土层与累积产量相关性最强（r = 0.40）。

四、讨论与结论

讨论要点

石灰的残余效应在重新施用77个月后仍然明显，但部分处理土壤pH仍处于酸性范围，反映了持续种植系统下主要由氮肥硝化反应驱动的土壤再酸化过程。地表施石灰在提高亚表层（至0.10 m）土壤pH方面比混施更有效，但只有最高石灰用量能在更深层提高pH，表明碱化程度与石灰施用量成正比。B90处理在降低Al³⁺饱和度方面比B70处理更有效。免耕管理即使不施石灰，其Al³⁺饱和度也低于常规翻耕，这与有机酸对Al³⁺的络合作用有关。石灰混施因翻耕稀释效应可能降低表层Ca²⁺含量。B90处理在深层Mg²⁺含量较高，与白云石质石灰中Mg²⁺的存在及Ca²⁺优先吸附于黏粒表面从而置换Mg²⁺向下迁移有关。石膏处理在0.20–0.40 m土层SO₄^2?-S含量达到充足水平（9.0 mg dm^?3），而其他处理低于临界值。SO₄^2?-S含量低于此前研究报告值，与石膏重新施用至土壤采样间隔长达77个月有关，降雨促使硫酸盐逐渐重新分布和减少。石灰混施降低表层土壤有机质含量的效应持续至77个月后。玉米对石灰和石膏施用无响应，可能归因于生长季降雨过多和阴天等环境条件，因为施石灰的效益在水分子缺时期最明显。小麦对施石灰的响应大于大豆，与谷类作物根系阳离子交换量较低有关。石膏处理提高累积产量可归因于SO₄^2?-S的供应，该养分在热带和亚热带农业土壤中常被忽视，其缺乏与高产需求增加、含硫量低的肥料使用及有机残体投入少等因素有关。0–0.10 m土层适合评估盐基饱和度，0.05–0.10 m土层适合评估Al³⁺饱和度，0.20–0.40 m土层最适合评估SO₄^2?-S有效性。

研究结论

地表施石灰提高了土壤pH、Ca²⁺和Mg²⁺含量并降低了Al³⁺含量。虽然石灰混施改善了亚表层盐基饱和度，但降低了表层土壤有机质含量，且与地表施用相比未提供额外的农艺效益。同样，将石灰用量提高至90%盐基饱和度并无必要，推荐用量（B70，实际约达到50%盐基饱和度）足以维持令人满意的土壤条件。在评估的管理措施中，按推荐量（3.7 Mg ha^?1）施用石膏是最合适的策略，因其在五个种植季中促进了最高累积籽粒产量，可能归因于SO₄^2?-S供应的增加，且无需扰动土壤。0–0.10和0.05–0.10 m土层适合评估盐基饱和度和Al³⁺饱和度，而0.20–0.40 m土层最适合评估SO₄^2?-S有效性。这些发现有助于改善高度风化亚热带土壤长期免耕系统中的土壤酸度管理和施石灰效率。此外，籽粒产量与0.20–0.40 m土层SO₄^2?-S之间的显著相关性凸显了亚表层硫有效性作为土壤肥力诊断中值得更多关注的参数的重要性。