紫色土是由紫色母岩发育而来的一种幼年土壤，属于初育土土纲、石质初育土亚纲，作为我国重要的农业土壤资源，集中分布于四川盆地^[1-2]，其快速风化特性与高耕作强度使其成为土壤酸化敏感区^[3]。由于高强度人为活动以及较大降水量等因素的影响，国内土壤酸化进程大大加速。土壤酸化状况会对农业系统产生较强负面影响，导致土壤关键障碍特征凸显，盐基离子淋失加剧，养分库容缩小，作物产量降低^[4-5]。酸性紫色土主要通过盐基饱和紫色母岩在成土过程中因游离钙和盐基物质大量淋失等方式形成。近40年间，四川盆地耕层土壤pH已平均下降0.7个单位，强酸性耕地(pH < 5.5)面积达40万hm^2[6]。土壤有机质对土壤碳循环和土壤健康有重要意义。然而，全球1/3的土壤正在迅速流失有机质，这不仅会降低土壤养分供应能力和作物生产力，还会导致土壤持水能力与抗旱性下降，发生土壤退化^[7-8]。总体来看，近10年，受人为干扰等因素影响，四川省紫色土有机质含量低于国内平均水平^[9]，且呈逐渐降低的动态退化趋势^[10]，土壤肥力受到较大影响。紫色土“酸、瘦”协同退化已成为制约四川省农业可持续发展的核心瓶颈。

为减缓土壤酸化进程，已有研究通过添加土壤改良剂来改善土壤酸化问题。农业生产中，施用石灰不仅可以显著降低土壤酸性，改善土壤结构，还可以降低土壤中重金属对作物的毒害，提高作物的品质和产量^[11]。钙镁磷肥属于枸溶性磷肥，肥效平缓，磷素利用率高，可以有效提高土壤pH和营养元素含量，有利于稳定微生物群落结构，提高作物生产力，具有较大的应用潜力^[12]。此外，研究发现，氮肥过量施用是土壤pH下降的主要人为驱动因素。化肥的施用量过大可能会导致作物无法完全吸收养分，使氮素滞留在土壤中，造成环境污染，土壤质量下降^[13]。施用有机肥替代化肥，从而实现化肥减量是实现土壤降酸控铝的另一有效途径^[14]。研究发现，有机肥替代化肥在作物产量、土壤环境可持续性和土壤肥力方面显示出协同效益，有利于农业的可持续发展^[15-16]。然而，有试验表明，土壤有机质含量与水稻土酸化速率呈负相关关系^[17]。前期研究主要集中在单独解决紫色土“酸”或“瘦”的现象，没有考虑如何形成针对紫色母岩发育土壤酸化防治与产能提升的技术，改善二者之间因协同关系所造成的问题。

综上，本研究选取四川紫色土作为研究对象，选择9种不同的抑酸培肥模式对其进行改良，考察不同改良模式对酸性紫色土性质的影响，并揭示其主要影响机制，从而提出酸化防治与产能提升技术模式，为四川酸化土壤治理与耕地质量保护提供理论和数据支持。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

研究区位于四川省广安市广安区恒升镇潭龙村(106°46′E ~ 106°54′E，30°40′N ~ 30°56′N)。气候类型为亚热带季风性湿润气候，年均气温17.2 ℃，年均降水量1 072.7 mm，年均日照时数1 123.4 h。土壤类型为侏罗系沙溪庙组紫色母岩发育而成的水稻土。供试土壤(0 ~ 20 cm)基本性质如表 1所示。

1.2 供试材料

供试水稻、油菜使用当地主推品种川优670和双籽油11。

供试化肥为尿素(养分含量46%)、过磷酸钙(P₂O₅含量12%)、氯化钾(K₂O含量60%)。供试有机肥来自四川眉山益稷农业科技有限公司，氮、磷、钾养分含量分别为2%、1%、1%。供试土壤调理剂为钙镁磷肥和石灰。钙镁磷肥来自广西壮方利元生物科技有限公司，有效钙含量为20.0%，有效镁含量为4.0%，可溶性硅为20.0%；石灰来自当地化工厂，pH为11.87。

1.3 试验设计与处理

试验小区种植模式为水稻–油菜轮作。由于过量施用化肥是导致本区域土壤酸化的重要因素之一，因此除有机肥替代化肥处理以外，还设计了化肥减量处理。试验采用单因素随机区组设计，共9组处理：常规化肥施用(CF)、常规化肥施用+钙镁磷肥(CFCMP)、常规化肥施用+石灰(CFSL)、减量施用25% 化肥(RCF)、减量施用25% 化肥+钙镁磷肥(RCFCMP)、减量施用25% 化肥+石灰(RCFSL)、有机肥替代25% 化肥(OCF)、有机肥替代25% 化肥+钙镁磷肥(OCFCMP)、有机肥替代25% 化肥+石灰(OCFSL)。各处理中石灰、钙镁磷肥的添加量均为1 125 kg/hm²。

常规化肥施用在水稻季，水稻插秧前，一次性均匀撒施氮肥135 kg/hm²、磷肥120 kg/hm²、钾肥90 kg/hm²作为底肥，进行一次耙田，将肥料均匀翻入土壤。在水稻分蘖期，均匀撒施45 kg/hm²氮肥作为追肥。水稻拔节期，按产品推荐用量喷施叶面中微量元素复合肥料一次。油菜季，油菜移栽前，将氮肥180 kg/hm²、磷肥97.5 kg/hm²、钾肥75 kg/hm²作为底肥一次性条施。以CF处理为参考，根据测定的有机肥氮磷钾含量计算出有机肥的施用量，即水稻插秧前撒施相应有机肥1 687.5 kg/hm²，分蘖期撒施562.5 kg/hm²；油菜季施用2 250 kg/hm²。试验每组处理设3个重复，共设置27个小区，每个小区长6 m，宽5 m，区组随机排列，各小区相互独立，并在四周垒高30 cm、宽30 cm的田坎。水稻于每年5月初播种育苗，6月上旬移栽，行距为0.2 m，株距为0.25 m；油菜则于每年10月中旬直播，行距为0.8 m，株距为0.3 m。根据当地水稻和油菜种植的田间管理措施对试验区进行统一的灌排、病虫鸟害及杂草防治管理。

1.4 作物产量测定

油菜和水稻成熟并收割后，装入网袋进行悬挂晾晒，待其自然风干后脱粒，称量各试验小区的作物产量。

1.5 土壤样品采集与测定

于试验开始时以及各作物成熟后采集土壤样品，用于理化性质的测定。样品采集时，每个小区按五点采样法随机采集表层(0 ~ 20 cm)土样，采用四分法取混合样品，剔除杂质装入聚乙烯袋中，带回实验室经自然风干、研磨后过1 mm及0.15 mm尼龙筛，装袋保存用以试验分析。每次采样共收集27个混合土壤样品。

土壤pH采用酸度计测定，水土质量比1∶2.5；土壤有机质(SOM)采用重铬酸钾容量法测定；土壤全氮(TN)采用凯氏定氮法测定^[18]；有效磷(AP)采用NaOH熔融–钼锑抗比色法测定；速效钾(AK)采用NaOH熔融–火焰光度计法测定；土壤阳离子交换量(CEC)采用醋酸铵交换法测定；交换性酸和交换性H⁺采用KCl交换–中和滴定法测定^[19-20]。

1.6 数据处理

数据整理和图表制作使用Excel 2021软件完成；利用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析(ANOVA)和显著性检验(Duncan)。

2 结果与分析 2.1 酸化土壤改良对土壤酸度及阳离子交换量的影响

本研究发现各处理的土壤pH均在油菜季提高，在水稻季结束后降低，且大部分处理降低到了低于或接近改良前的数值(图 1A)。9组处理中，RCF、RCFCMP、OCFCMP处理改良后最终的pH高于初始值，但提升并不显著(P > 0.05)。相较于油菜季，CFSL、CFCMP和OCFSL处理在水稻季结束后pH显著降低(P < 0.05)。常规的化肥施用处理(CF、CFSL、CFCMP)下，土壤交换性酸含量高于其他处理(图 1B)。RCFCMP处理pH在水稻季结束后增长4.12%，同时也抑制了土壤交换性酸含量的增加(降低了33.17%)。其他处理的土壤交换性酸相较于改良前均有不同幅度的提高，CF处理在油菜季显著提高(P < 0.05)。土壤交换性酸含量在改良后提升幅度最大的为OCFSL处理，其增长率达到了56.44%。各处理的交换性H⁺含量有上升趋势，特别是常规化肥施用的CF、CFSL、CFCMP处理以及RCFSL、RCFCMP、OCFSL处理显著提高(图 1C)。改良后各处理交换性Al³⁺与交换性酸呈现相似变化趋势，增幅最大的为CF，提高了14.30%，降幅最大的为RCFSL，降低了77.96%，其余处理均呈现出下降或基本不变的趋势(图 1D)。由于试验中交换性Al³⁺的变化均不显著，且改良后基本趋于不变或下降，因此土壤交换性酸的上升趋势可能与交换性H⁺的变化有关。各处理的土壤阳离子交换量表现为先上升后下降，且最终与改良前相比均未有显著变化(图 1E)。由此可见，与常规化肥处理相比，施加钙镁磷肥的处理抑酸潜力突出，可以有效抑制土壤交换性酸和交换性Al³⁺。

2.2 酸化土壤改良对土壤肥力的影响

施加改良剂并在油菜–水稻轮作后，土壤有机质含量总体呈提高的趋势，其中增幅最大的为OCFSL处理，增长了43.02%；其次为OCF处理，增幅为34.81%(图 2A)。土壤速效钾含量均在改良后下降，其中CFSL、RCFSL、OCFSL处理降幅较大，分别为33.54%、30.86%、23.75%，降幅最小的为OCFCMP处理，仅下降6.35%(图 2B)。改良前后，土壤有效磷变化幅度较大，CF处理降低21.44%；其余处理则均表现为提高，其中有5组的增幅达到一倍以上，增幅最大的为RCFSL处理，达175.58%；另外两组施加石灰的处理CFSL、OCFSL增幅分别为64.25% 和127.90%，其均值比不施加改良剂的处理和施加钙镁磷肥处理的增幅更高(图 2C)。由图 2D可知，各处理改良前后的土壤全氮含量总体趋势相似，除CF处理略下降以外，其他处理都有不同幅度的提高。其中OCF、OCFSL和RCFSL处理提高幅度最大，分别为37.96%、28.46%、22.87%。相比于改良前或CF处理，有机肥替代化肥的改良措施(OCF、OCFSL、OCFCMP)均有提高土壤有机质、全氮和有效磷含量的趋势。总体来看，有机肥替代化肥比常规化肥施用、减量化肥施用更有利于土壤肥力的提高。

2.3 酸化土壤改良对作物产量的影响

改良措施对油菜产量影响显著(图 3A)。在化肥施加条件相同时，施加钙镁磷肥的处理油菜产量更高，在各处理中增产效果最好，单独化肥处理油菜产量最低。所有处理中，OCFCMP处理油菜产量最高，为1 831.5 kg/hm²。有机肥替代化肥处理下，油菜产量相较于常规化肥处理增产25.00% ~ 55.08%。各改良处理下水稻产量差异不显著，均达到9 800 kg/hm²，其中有机肥替代化肥的3个处理水稻产量总体更高，均超过10 500 kg/hm²(图 3B)。

3 讨论

尽管石灰、有机肥和钙镁磷肥等改良剂被证实可提升酸性土壤pH^[21]，本研究中各处理对土壤pH均未有显著影响。这一结果可能与交换性H⁺未能被有效中和有关。值得注意的是，本试验中，季节性水分管理可能是关键影响因素：油菜季土壤pH和CEC均呈现短暂上升，而水稻季淹水环境则导致多数处理pH显著降低。这表明石灰和钙镁磷肥的抑酸效应在淹水条件下易被削弱，其缓释特性不足以维持长期的酸度调控。除此以外，有学者认为，改良剂的性质、时间尺度、土壤缓冲能力等因素也会影响对pH的改良效果^[22]。本研究中，所施加的改良剂碱度较低，针对试验田的改良时间较短，可能也是pH变化不大的原因。唯一提升pH并降低交换性酸的处理是化肥减量配施钙镁磷肥(RCFCMP)，表明该措施在紫色土区具有相对稳定的抑酸潜力。CEC作为表征土壤保肥与缓冲能力的关键指标^[23]，前人研究发现^[24]，施用有机肥可有效改善土壤结构，使土壤中形成有机–无机复合胶体，增加土壤胶体表面阳离子吸附位点，从而提高土壤阳离子交换量。本研究未观察到其显著变化，与Tazebew等^[25]的研究中有机肥显著提升土壤CEC的结论存在差异。根本原因可能在于土壤酸化改良的阶段性特征限制了土壤电荷系统的根本性转变。不同种植时期CEC的动态变化趋势与pH相似(油菜季上升，改良后的水稻季下降)支持了这一推测。

有机肥替代化肥增加了土壤不稳定性氮素，是提高土壤氮肥力的策略，被作为水稻种植中化肥和有机肥施用的有效措施。本研究中，有机肥替代化肥(OCF)处理显著提升土壤有机质和全氮含量，其机制在于有机物料输入一方面经过微生物分解，转化为腐殖质，增加了碳氮库容；另一方面，又通过形成大量有机胶体和有机–无机复合胶体，促进养分转化的效率，提高养分含量^{[15, 26-27]}，这与丁馨茹等^[28]、Hou等^[29]的研究一致。在土壤速效肥力上，石灰施用呈现双重效应，一方面，所有配施石灰处理均导致速效钾含量显著下降，这可能与Ca²⁺和K⁺的拮抗作用减少了钾的可利用性有关^[30]；另一方面，石灰处理同步推动有效磷增长，其机制可能是石灰与土壤中活性铝、铁反应产生沉淀，减少了紫色土对磷元素的吸附与固定，从而提高了土壤中有效磷含量。值得注意的是，钙镁磷肥由于富含磷、钙、镁、硅等营养元素，其磷素利用率高，能有效补充植物所需的微量元素^[31]。本试验中，钙镁磷肥处理表现出养分协同增益，在维持速效钾稳定的同时，有效磷显著提升，说明其缓释特性可平衡钾磷供给，避免石灰的负面效应。

降低土壤酸度、减轻铝毒作用和增加土壤肥力被认为是实现酸性土壤作物增产的有效改良途径。而本研究表明，各改良处理对酸性紫色土水稻产量均无显著影响。作物产量与土壤碳、氮、磷元素密切相关，三者协同互促，共同维系作物的生长发育进程，土壤有机碳、全氮、有效磷等相关指标对作物产量存在重要影响^[32-34]。而本试验中各改良处理土壤全氮、有效磷含量整体差异不显著，这可能是导致处理间水稻产量差异不明显的原因之一。此外，氮素流失可能引起植株缺氮，进而抑制光合作用与养分吸收，最终影响水稻产量^[35-36]。对于油菜产量而言，有机肥替代化肥处理最高，其次为常规化肥与改良剂配施处理。相关研究表明，有机肥施用能直接补充土壤有机质及多种养分，有效增强作物对土壤养分的吸收利用，从而促进油菜生长并实现增产^[37]。而适量的化肥可以作为土壤改良剂，有效改善土壤理化性质的同时提升作物品质和产量^[38]。在相同化肥用量与用法下，配施钙镁磷肥改良可显著提升油菜产量，此结果与王雅洁等^[39]的研究一致。由于钙镁磷肥是枸溶性磷肥，磷元素利用率高，具体体现在其能缓慢溶解并释放磷元素，与此同时提供钙、镁、硅等其他养分元素，故钙镁磷肥对于土壤改良效果较好，能有效提升作物产量。

4 结论

1) 减量25% 化肥配施钙镁磷肥处理抑制了交换性酸的上升趋势，且提高了土壤pH。

2) 有机肥替代25% 化肥及配施改良剂处理提升了土壤有机质、全氮和有效磷含量，改良效果强于常规化肥施用与减量化肥施用及配施改良剂处理。

3) 有机肥替代25% 化肥处理下作物平均产量较高，油菜季中钙镁磷肥处理增产效果显著。

综上，有机肥替代化肥以及配施钙镁磷肥对土壤酸化防治与产能提升有明显的效果。