中国农业科学 ›› 2019, Vol. 52 ›› Issue (8): 1400-1412.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.010
收稿日期:
2018-09-29
接受日期:
2018-11-27
出版日期:
2019-04-16
发布日期:
2019-04-26
通讯作者:
徐明岗
作者简介:
周海燕,E-mail:基金资助:
ZHOU HaiYan,XU MingGang(),CAI ZeJiang,WEN ShiLin,WU HongHui
Received:
2018-09-29
Accepted:
2018-11-27
Online:
2019-04-16
Published:
2019-04-26
Contact:
MingGang XU
摘要:
【目的】以湖南省祁阳县为例,定量化分析整个县域不同土地利用方式下土壤的致酸因素,为我国的红壤酸化防治提供理论依据。【方法】通过搜集大量公开发表的文献、统计年鉴等,获取施肥量、主要农作物产量和林木生物量,以及地上部不同部位的养分含量等数据,基于经典的H +产生量的计算方法,解析氮循环过程、盐基离子吸收和酸沉降等三个关键过程的相对贡献大小。 【结果】对于整个祁阳县域,氮循环(N)过程致酸贡献率为66.5%(65.3%—68.8%),盐基(BC)吸收为33.0%(30.1%—34.4%),酸沉降则仅为0.5%(0.3%—1.7%)。无论是农田还是林地,氮循环过程都是产生H +的主要来源,是土壤酸化的主要驱动因素。3种土地利用方式中,单位面积旱地农田的H +净产量(产酸量)最高,达到19.0 kmol·hm -2·a -1,其次为水田(16.5 kmol·hm -2·a -1),林地的产酸量(3.2 kmol·hm -2·a -1)最低,旱地农田产酸量约为林地产酸量的6倍。6种主要农作物体系产酸量存在很大差异,从10.1 kmol·hm -2·a -1 到 30.0 kmol·hm -2·a -1不等,产酸量从大到小依次为:大豆>油菜>花生>水稻>玉米>甘薯,油料作物(油菜、花生、大豆)产酸量普遍大于粮食作物(水稻、玉米、甘薯)的产酸量;6种不同农作物的氮循环过程和盐基吸收的致酸贡献差异较大,氮循环过程致酸贡献率范围为45.3%— 78.3%,盐基吸过程为21.4%—54.2%。7种主要林地体系产酸量也存在很大差异,从2.0 kmol·hm -2·a -1到27.8 kmol·hm -2·a -1不等,柑橘>板栗>油茶林>马尾松>杉木>竹>湿地松,经济林(柑橘、板栗、油茶林)产酸量普遍大于用材林(马尾松、杉木、竹、湿地松)的产酸量;7种林木体系的氮循环过程和盐基吸收的致酸贡献率差异较大,氮循环过程致酸贡献率范围为46.1%—80.8%,盐基吸过程为19.0%—53.3%。采用“长期定位试验+土壤缓冲曲线”相结合的方法验证了本研究采用的H +产生量的计算方法,土壤pH的模拟值和实测值呈极显著正相关,均方根误差(RMSE)为0.15,两者之间吻合度较高。 【结论】氮循环过程是祁阳县域土壤酸化的主控因素。土壤酸化过程总产酸量差异和致酸因素贡献的大小主要取决于土地利用方式、农作物种类和林地类型。
周海燕,徐明岗,蔡泽江,文石林,吴红慧. 湖南祁阳县土壤酸化主要驱动因素贡献解析[J]. 中国农业科学, 2019, 52(8): 1400-1412.
ZHOU HaiYan,XU MingGang,CAI ZeJiang,WEN ShiLin,WU HongHui. Quantitative Analysis of Driving-Factors of Soil Acidification in Qiyang County, Hunan Province[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(8): 1400-1412.
表1
主要农作物和柑橘的年度养分输入量"
输入形式 Input | 作物类型 Crop | N (kg·hm-2·a-1) | P2O5 (kg·hm-2·a-1) | K2O (kg·hm-2·a-1) | Ca (kg·hm-2·a-1) | Mg (kg·hm-2·a-1) |
---|---|---|---|---|---|---|
化肥带入 Chemical fertilizer input | 水稻 Rice | 180 | 59 | 78 | 1.4 | - |
玉米Corn | 216 | 65 | 42 | 1.6 | - | |
花生Peanut | 120 | 52 | 70 | 1.2 | - | |
油菜Rape | 160 | 51 | 74 | 1.2 | - | |
甘薯Sweet potato | 102 | 45 | 51 | 1.1 | - | |
大豆Soybean | 165 | 41 | 41 | 1.0 | - | |
柑橘Citrus | 239 | 83 | 93 | 2.0 | - | |
大气沉降 Atmospheric deposition | 47.6 | - | 2.8 | 15 | 2.4 |
表2
祁阳县主要农作物籽粒秸秆的养分含量[21,22,23,24,25]"
作物 Crop | 面积 Area (hm2) | 籽粒产量 Grain yield (kg·hm-2) | 秸秆产量 Straw yield (kg·hm-2) | P(%) | K(%) | Ca(%) | Mg(%) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
籽粒 Grain | 秸秆 Straw | 籽粒 Grain | 秸秆 Straw | 籽粒 Grain | 秸秆 Straw | 籽粒 Grain | 秸秆 Straw | ||||
水稻 Rice | 71133 | 6660 | 5997 | 0.35 | 0.176 | 0.19 | 1.99 | 0.03 | 0.54 | 0.12 | 0.212 |
玉米Corn | 3224 | 3420 | 4104 | 0.26 | 0.152 | 0.34 | 1.18 | 0.013 | 0.54 | 0.120 | 0.224 |
花生Peanut | 2863 | 2610 | 2093 | 0.5 | 0.163 | 0.85 | 1.09 | 0.074 | 1.76 | 0.255 | 0.56 |
油菜Rape | 6144 | 1470 | 2195 | 1.47 | 0.144 | 7.77 | 1.94 | - | 1.52 | 0.94 | 0.25 |
甘薯Sweet potato | 6023 | 4320 | 2159 | 0.17 | 0.283 | 0.73 | 3.05 | 0.14 | 2.11 | 0.073 | 0.46 |
大豆Soybean | 4401 | 3045 | 4880 | 0.85 | 0.196 | 2.17 | 1.17 | 0.26 | 1.71 | 0.24 | 0.48 |
表3
祁阳典型种植体系氮的输入-输出通量"
作物类型 Cropping systems | 施氮量 N rate (kg·hm-2·a-1) | 氮沉降 N deposition (kg·hm-2·a-1) | 秸秆吸氮量 Straw N uptake (%) | 籽粒吸氮量 Grain N uptake (%) | NH3挥发 NH3 volatilization (%) | NO3-N淋洗量 NO3-N leaching (%) |
---|---|---|---|---|---|---|
水稻 Rice | 180 | 47.6 | 1.20 | 1.21 | 17.3 | 2.9 |
玉米Corn | 216 | 47.6 | 0.92 | 1.15 | 24.5 | 20.2 |
花生Peanut | 120 | 47.6 | 1.82 | 4.57 | 24.8 | 12.9 |
油菜Rape | 160 | 47.6 | 0.87 | 8.67 | 24.6 | 15.1 |
甘薯Sweet potato | 102 | 47.6 | 2.37 | 0.33 | 25.3 | 11.4 |
大豆Soybean | 165* | 47.6 | 1.81 | 7.82 | 25.0 | 11.7 |
柑橘Citrus | 239 | 47.6 | - | - | 24.6 | 17.7 |
表4
祁阳县主要用材林木生物量及枝干皮养分含量[34,35,36]"
林木类型 Tree species | 面积 Area (hm2) | 生物量 Biomass (kg·hm-2) | 树干养分含量 Element content in stem wood (%) | 树枝养分含量 Element content in branch wood (%) | 树皮养分含量 Element content in bark wood (%) | ||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
树干Stem | 树枝 Branch | 树皮Bark | N | P | K | Ca | Mg | N | P | K | Ca | Mg | N | P | K | Ca | Mg | ||
湿地松 Slash pine | 21080 | 34059 | 9874 | 7095 | 0.194 | 0.008 | 0.105 | 0.214 | 0.019 | 0.485 | 0.036 | 0.256 | 0.867 | 0.07 | 0.266 | 0.018 | 0.086 | 0.309 | 0.031 |
杉木 Fir | 20876 | 62406 | 9664 | 8386 | 0.075 | 0.007 | 0.031 | 0.067 | 0.015 | 0.443 | 0.032 | 0.289 | 0.543 | 0.207 | 0.283 | 0.024 | 0.231 | 0.432 | 0.045 |
马尾松Pine | 7905 | 67400 | 12100 | 5910 | 0.17 | 0.014 | 0.121 | 0.235 | 0.05 | 0.381 | 0.026 | 0.143 | 0.164 | 0.099 | 0.477 | 0.042 | 0.353 | 0.856 | 0.144 |
竹 Bamboo | 7108 | 42685 | 3488 | - | 0.247 | 0.016 | 0.225 | 0.013 | 0.029 | 0.386 | 0.017 | 0.108 | 0.015 | 0.02 | - | - | - | - | - |
表5
祁阳县主要经济林生物量及枝干和果实养分含量[34,35,36,37]"
林木类型 Tree species | 面积 Area (hm2) | 生物量 Biomass (kg·hm-2) | 枝干养分含量 Element content in stem wood (%) | 果实养分含量 Element content in fruits (%) | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
枝干 Stems and branches | 果实 Fruits | N | P | K | Ca | Mg | N | P | K | Ca | Mg | ||
板栗Chestnut | 137 | 13725 | 3750 | 0.978 | 0.186 | 0.253 | 1.400 | 0.210 | 1.376 | 0.27 | 0.664 | 2.048 | 0.222 |
油茶林Camellia oleifera | 28513 | 7681 | 1798 | 0.65 | 0.045 | 0.31 | 0.129 | 0.131 | 0.831 | 0.093 | 0.971 | 0.437 | 0.129 |
柑橘Citrus | 2068 | 26190 | 40397 | 0.513 | 0.070 | 0.420 | 1.193 | 0.247 | 0.158 | 0.052 | 0.236 | 0.062 | 0.016 |
表6
小麦-玉米长期试验籽粒秸秆产量及养分含量"
作物类型 Crop types | 平均产量Average yield (kg·hm-2·a-1) | 养分含量 Element content (%) | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1990-1995 | 1996-2000 | 2001-2005 | 2006-2010 | 2011-2012 | P | K | Ca | Mg | |||
小麦 Wheat | 籽粒Grain | 1788 | 905 | 928 | 374 | 316 | 0.364 | 0.48 | 0.047 | 0.15 | |
秸秆 Straw | 1967 | 995 | 1020 | 411 | 347 | 0.80 | 1.05 | 0.52 | 0.17 | ||
玉米 Corn | 籽粒 Grain | 3369 | 3237 | 1858 | 1326 | 1188 | 0.26 | 0.39 | 0.007 | 0.12 | |
秸秆 Straw | 3032 | 2913 | 1672 | 1194 | 1088 | 0.15 | 1.18 | 0.54 | 0.22 |
表7
不同土地利用类型的关键致酸过程的H+产生量"
利用类型 Land use pattern | 氮循环 N cycling process | 盐基吸收 BC uptake | 酸雨 Acid deposition | 总H+产量 Total H+ production (kmol·hm-2·a-1) | 磷吸收 P uptake (kmol·hm-2·a-1) | H+净产量 H+ net production (kmol·hm-2·a-1) | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
H+产量 H+ production (kmol·hm-2·a-1) | 贡献率 Contribution (%) | H+产量 H+ production (kmol·hm-2·a-1) | 贡献率 Contribution (%) | H+产量 H+ production (kmol·hm-2·a-1) | 贡献率 Contribution (%) | ||||
林地 Forest soil | 2.2 | 68.2 | 1.0 | 30.1 | 0.056 | 1.7 | 3.2 | -0.05 | 3.2 |
水田Paddy | 11.5 | 65.3 | 6.1 | 34.4 | 0.056 | 0.3 | 17.6 | -1.1 | 16.5 |
旱地Upland | 13.6 | 68.8 | 6.1 | 30.9 | 0.056 | 0.3 | 19.7 | -0.7 | 19.0 |
全县* Whole county | 7.3 | 66.5 | 3.6 | 33.0 | 0.056 | 0.5 | 10.9 | -0.5 | 10.4 |
表8
不同农作物体系的关键致酸过程的H+产生量"
作物类型 Crop system | 氮循环过程 N cycling process | 盐基吸收 BC uptake (kmol·hm-2·a-1) | 盐基吸收贡献率 BC uptake contribution (%) | 磷吸收 P uptake process (kmol·hm-2·a-1) | H+净产量 H+ net production (kmol·hm-2·a-1) | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
H+产量 H+ production (kmol·hm-2·a-1) | 贡献率 Contribution (%) | K | Ca | Mg | ||||
甘薯 Sweet potato | 4.8 | 45.3 | 2.49 | 2.57 | 0.65 | 54.2 | -0.439 | 10.1 |
玉米 Corn | 12.2 | 78.3 | 1.54 | 1.13 | 0.66 | 21.4 | -0.488 | 15.1 |
水稻 Rice | 11.5 | 65.3 | 3.35 | 1.67 | 1.04 | 34.4 | -1.096 | 16.5 |
花生 Peanut | 14.6 | 78.3 | 1.15 | 1.93 | 0.92 | 21.4 | -0.532 | 18.1 |
油菜 Rape | 16.5 | 71.2 | 4.00 | 1.66 | 0.96 | 28.6 | -0.795 | 22.4 |
大豆 Soybean | 21.8 | 70.1 | 3.15 | 4.56 | 1.53 | 29.7 | -1.147 | 30.0 |
表9
不同林地的关键致酸过程的H+产生量"
林地类型 Forest system | 氮循环过程 N cycling process | 盐基吸收 BC uptake (kmol·hm-2·a-1) | 盐基吸收贡献率 BC uptake contribution (%) | 磷吸收 P uptake process (kmol·hm-2·a-1) | H+净产量 H+ net production (kmol·hm-2·a-1) | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
H+产量 H+ production (kmol·hm-2·a-1) | 贡献率 Contribution (%) | K | Ca | Mg | ||||
湿地松 Slash pine | 1.3 | 66.8 | 0.09 | 0.45 | 0.06 | 30.4 | -0.012 | 2.0 |
竹 Bamboo | 1.6 | 77.0 | 0.17 | 0.17 | 0.09 | 20.3 | -0.024 | 2.1 |
杉木 Fir | 1.4 | 62.8 | 0.11 | 0.50 | 0.18 | 34.7 | -0.019 | 2.3 |
马尾松 Pine | 1.9 | 69.3 | 0.15 | 0.33 | 0.32 | 28.7 | -0.033 | 2.8 |
油茶林 Camellia oleifera | 2.1 | 63.9 | 0.48 | 0.42 | 0.23 | 34.4 | -0.060 | 3.2 |
板栗 Chestnut | 5.0 | 46.1 | 0.68 | 4.31 | 0.80 | 53.3 | -0.368 | 10.5 |
柑橘 Citrus | 23.0 | 80.8 | 2.58 | 2.03 | 0.80 | 19.0 | -0.702 | 27.8 |
表10
祁阳小麦-玉米长期试验田的土壤缓冲性能及年度理论氢离子产生量"
年份 Year | y = a - bx | H+净产量 H+ net production (kmol·hm-2·a-1) | ||
---|---|---|---|---|
a | b | R2 | ||
1991 | 5.70 | 0.0602 | 0.9698 | 5.02 |
1992 | 5.60 | 0.0631 | 0.9639 | 5.02 |
1993 | 5.40 | 0.0610 | 0.9855 | 5.02 |
1994 | 5.26 | 0.0650 | 0.9566 | 5.02 |
1995 | 5.30 | 0.0593 | 0.9551 | 5.02 |
1996 | 5.20 | 0.0701 | 0.9270 | 4.51 |
1997 | 4.60 | 0.0601 | 0.9359 | 4.51 |
1998 | 4.60 | 0.0603 | 0.9728 | 4.51 |
1999 | 4.30 | 0.0489 | 0.9639 | 4.51 |
2000 | 4.20 | 0.0400 | 0.9229 | 4.51 |
2001 | 4.30 | 0.0393 | 0.9566 | 3.76 |
2002 | 4.32 | 0.0593 | 0.9889 | 3.76 |
2003 | 4.31 | 0.0434 | 0.9387 | 3.76 |
2004 | 4.60 | 0.0439 | 0.9855 | 3.76 |
2005 | 4.46 | 0.0383 | 0.9591 | 3.76 |
2006 | 4.48 | 0.0292 | 0.9852 | 3.20 |
2007 | 4.33 | 0.0489 | 0.9607 | 3.20 |
2008 | 4.53 | 0.0373 | 0.9229 | 3.20 |
2009 | 4.50 | 0.0383 | 0.9579 | 3.20 |
2010 | 4.30 | 0.0312 | 09851 | 3.20 |
2011 | 4.38 | 0.0292 | 0.9889 | 3.11 |
2012 | 4.30 | 0.0219 | 0.9589 | 3.11 |
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