摘要
为明确配施酸性土壤改良剂对红壤活性铝形态及甜玉米铝吸收的影响，通过盆栽试验，设置空白对照 （CK）、单施化肥（F）、化肥配施有机肥（OMF）和化肥配施牡蛎壳粉（OSF）4 个处理。结果表明：（1）配施改良剂显著降低了甜玉米植株地上部和地下部的铝含量，分别降低 15.54%~39.61% 和 24.48%~36.72%；同时，植株干物质量分别提高 28.97%~35.24% 和 66.52%~83.26%。（2）配施改良剂显著降低了红壤中交换态铝、有机结合态铝及腐殖酸铝的含量，尤其是交换态铝，其降幅达 88.55%~97.84%。（3）土壤 pH 提高 25.61%~40.76%，交换性酸含量降低 77.47%~95.07%，且差异均达显著水平；（4）土壤细菌群落结构发生显著变化，Chao1、ACE 和 Shannon 指数分别提高 16.85%~33.30%、16.75%~33.53% 和 5.38%~8.45%；并增加了鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）和芽单胞菌属（Gemmatimonas）等细菌丰度。综上所述，在强酸性红壤中配施有机肥或牡蛎壳粉能显著控铝抑酸，有效减少甜玉米植株铝的吸收；其中，有机肥更有助于提高土壤细菌群落多样性，而牡蛎壳粉则更有利于缓解红壤酸化。
Abstract
To evaluate the impact of acidic amendments on the active aluminum forms in red soil and aluminum absorption by sweet corn，a pot experiment was conducted with four treatments：blank control（CK），single chemical fertilizer（F）， chemical fertilizer combined with organic fertilizer（OMF），and chemical fertilizer combined with oyster shell powder（OSF）. The results showed as the following：（1）The application of amendments significantly reduced the aluminum content in both aerial and root parts of sweet corn plants，with reductions of 15.54%-39.61% and 24.48%-36.72%，respectively； Concurrently，plant dry biomass increased by 28.97%-35.24% in the aerial part and 66.52%-83.26% in the root part. （2）The amendments significantly decreased the levels of exchangeable aluminum，organically bound aluminum，and humic-bound aluminum in red soil，especially exchangeable aluminum，with a decrease of 88.55%-97.84%.（3）Soil pH increased by 25.61%-40.76%，while the exchangeable acidity decreased by 77.47%-95.07%，with all differences being statistically significant；（4）The soil bacterial community structure changed significantly，with Chao1，ACE and Shannon indices increasing by 16.85%-33.30%，16.75%-33.53% and 5.38%-8.45%，respectively. Furthermore，the abundance of Sphingomonas and Gemmatimonas increased. In conclusion，the application of organic fertilizer or oyster shell powder in highly acidic red soil effectively mitigated aluminum toxicity and reduced aluminum absorption by sweet corn plants. Among these treatments，organic fertilizer was more effective in enhancing soil bacterial diversity，while oyster shell powder was more beneficial for alleviating soil acidification.
Keywords
铝（Al）是地壳中丰度最高的金属元素，仅次于氧和硅，通常以不溶性的硅铝酸盐和氧化铝形式存在[1]。在酸性条件下（pH<5），土壤溶液中的氢离子浓度增加，导致不稳定的粘粒结构中的晶体被破坏，从而使铝氧八面体解体，释放出被晶体束缚的铝离子，形成不同形态的活性铝[2]。活性铝的主要形态包括交换态铝、有机结合态铝、无机吸附态铝、酸溶无机物铝和腐殖酸铝。尽管活性铝的含量仅占全铝量的 2%，但其存在形态对土壤的结构和性质有显著影响[3]。不同形态铝的活性有明显差异，其对土壤的危害及作物的毒害作用强度也不同，其中交换态铝的毒性最大[4]。在酸性红壤区，交换态铝是限制作物生长的重要因素之一，具有直接生物毒性，其含量高低直接决定了土壤中可供植物吸收的量[5]。各形态铝在土壤溶液中通过水解、络合、结晶相互转化。因此，深入研究红壤中的铝形态、活性及转化机制，对于改善红壤铝环境特征，增强土壤肥力，提高作物产量和品质，促进农业可持续发展具有重要意义。
甜玉米（Zea mays L.）是玉米属的一个亚种，中国是世界上最大的甜玉米种植区，种植面积高达 40 万 hm2，约占全球总面积的 33%。其主产区在南方省份，约占全国种植面积的 63.4%[6]。甜玉米适合在南方红壤地区高温多雨的气候条件下生长，但红壤的酸性特征显著限制了其生产力。研究表明，玉米通过根系吸收铝，且吸收的主要形态为 Al3+，主要积累在根部，少数随质流上移至地上部[7]。因此，铝毒症状首先表现在作物根部，导致根系吸收养分和水分的效率大幅降低，植株生长发育受阻[8]。所以，铝毒被认为是制约酸性红壤中作物生长的关键因素。
红壤是我国南方地区重要的土壤类型之一，面积约 218 万 km2，约占全国土地总面积的 22.7%[9]。由于该地区高温多雨的气候条件，土壤及其母质的淋溶作用强烈，从而使大面积红壤出现酸化现象，并引起铝活化，影响作物根系生长发育和对养分的吸收，造成减产，制约其生产潜力难以发挥[10-11]。有研究显示，当土壤 pH 在 4.2 时，玉米干物质量会显著下降[12]。因此，改良红壤酸性障碍，控制活性铝形态，提高红壤生产力，实现资源高效利用，已成为当前的研究热点。
施用土壤改良剂是改善酸性红壤的主要策略。传统上石灰等无机改良剂被广泛应用于土壤酸化改良。研究发现，尽管石灰能够在短期内提高土壤 pH，但长期施用可能会导致土壤矿化速率加快，有机质含量减少，容易造成土壤板结和复酸化[13]。近年来，大量研究表明，有机肥和牡蛎壳粉等有机改良剂因富含碱性物质具有改良红壤酸化的潜力[14-15]。有机肥不仅提供丰富的有机质，还能与活性铝发生络合和吸附作用，形成有机铝复合物，使其活性降低从而削弱酸性红壤中的铝毒，提高土壤生产力和作物产量[16]。何浩等[17]研究表明，施用有机肥可以促进玉米植株的生长和发育，提高玉米株高、茎粗和叶面积指数，从而提高产量。牡蛎壳粉是由牡蛎壳煅烧而成的一种丰富的钙质生物质材料，含有大量钙离子，和土壤中的氢离子、铝离子进行离子交换反应，降低了土壤胶体中的氢离子和铝离子含量，提升土壤 pH，改善土壤酸化现象[18]。柳开楼等[19]通过在旱地红壤施用牡蛎壳粉，活化了土壤养分，降低了土壤潜性酸含量，抑制了土壤酸化。
本研究以‘闵双色 6 号’甜玉米为试验材料，采用盆栽试验，探讨有机肥和牡蛎壳粉对甜玉米植株铝吸收、红壤酸度、活性铝形态、细菌群落结构的影响。旨在明确有机肥和牡蛎壳粉对酸性红壤铝毒害的缓解效果，为酸性红壤改良和甜玉米种植提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验所用土壤采自福建省建瓯市东游镇叶屯村，属于第四纪红土发育的典型红壤，取样深度 0~20 cm。土壤基本理化性质：pH 3.9、有机质 12.0 g·kg-1、总氮 0.9 g·kg-1、碱解氮 56.0 mg·kg-1、有效磷 182.3 mg·kg-1、速效钾 230.6 mg·kg-1、交换性酸 2.6 cmol·kg-1、交换性铝 2.1 cmol·kg-1。采集后，土壤经剔除石块和植物残体，自然晾干后粉碎并过 2 mm 筛，备用。供试玉米品种为‘闽双色6 号’，有机肥和牡蛎壳粉均为市售产品。所选有机肥的有机质含量为 30%，总养分（N+P2O5+K2O） ≥ 8%；牡蛎壳粉则含有 CaO 35%。
1.2 试验设计
本试验于 2023 年 9—11 月在福建省农业科学院土壤肥料研究所开展，采用盆栽试验。试验设置 4 个处理：不添加肥料的空白对照（CK）、仅添加化肥处理（F，配比为 N∶P2O5 ∶K2O=1∶0.65∶0.76），以及在添加等量化肥的基础上，分别配施有机肥 9.0 g·kg-1 （OMF），牡蛎壳粉 3.0 g·kg-1（OSF），每个处理设定 10 盆。试验时，将过筛好的土壤装入口径 29.5 cm，高 26.5 cm 的聚乙烯盆中，每盆装土 14 kg。在分别添加有机肥和牡蛎壳粉后，所有肥料一次性施入，并将土壤与肥料充分混匀，随后灌以足量水分，保持土壤平衡约 1 周。待土壤稳定后，选择长势均匀一致的玉米苗进行移栽，每盆栽种 1 株。在玉米生长期间，进行常规栽培管理。
在玉米植株抽雄期和收获期，分别对植株和土壤进行取样。每次取样时，每个处理选取长势较均匀的 3 盆植株，每盆作为 1 个重复。植株取样步骤：首先将地上部剪断，然后将根系从盆里挖出，轻轻抖落附着的土壤。接着用纯水清洗地上部和地下部，随后在 105℃下杀青 30 min，然后在 75℃烘干至恒重后，分别称量地上部及地下部的干物质量，并测定其铝含量。植株样取完后，将盆中的土壤倒出并混匀，采用四分法进行取样，样品自然风干后，研磨并分别过孔径 0.85 和 0.15 mm 筛，以备后续相关指标的测定。
1.3 分析方法
土壤 pH 采用台式 pH 参数测定仪（SevenExcel-lence S400-K）测定，水土比 2.5∶1；土壤交换性酸（交换性铝、交换性氢）采用氯化钾交换-中和滴定法测定；玉米植株地上部及地下部铝含量采用硝酸-高氯酸法消解、土壤活性铝形态采用改进的连续分级浸提法浸提-电感耦合等离子发射光谱仪测定[20]。DNA 提取根据 E.Z.N.A.®soil 试剂盒 （Omega Bio-tekInc，Doravilla，GA，USA）说明书进行总 DNA 抽提，利用 1% 琼脂糖凝胶电泳检测抽提 DNA 样品质量，利用 NanoDrop2000 超微量分光光度计检验 DNA 浓度和纯度，使用细菌 16S 通用引物 338F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′） 和 806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）对 V3~V4 可变区进行 PCR 扩增。纯化后的扩增片段扩建构建 PE2×300 的文库，利用 Illumina MiSeq 平台进行高通量测序。
1.4 数据处理
采用 Excel 2021 整理数据，SPSS 26 进行差异显著性分析，Origin 2022 作图。微生物数据分析是基于上海美吉生信云平台（http://cioud.majorbio. com/index.html）进行。
2 结果与分析
2.1 不同处理对玉米植株铝吸收和干物质量的影响
从图1可知，在生育期内，单施化肥或配施改良剂均能有效降低玉米植株地上部和地下部铝含量，提高植株干物质量。不同处理间铝含量的高低依次为 CK>F>OMF>OSF，各个处理之间数值差异均达到了显著水平。同时，收获期植株铝含量明显高于抽雄期。在收获期，F 处理的地上部和地下部铝含量较 CK 分别降低 8.19% 和 6.71%；与 F 处理相比，OMF 处理的地上部和地下部铝含量分别降低 15.54% 和 24.48%，而 OSF 处理的铝含量分别降低 39.61% 和 36.72%。在抽雄期，各处理地上部和地下部干物质量已经表现出明显差异。在收获期，F 处理的地上部和地下部干物质量较 CK 分别提高 18.97% 和 26.63%； 与 F 处理相比，OMF 处理的地上部和地下部干物质量分别提高 28.97% 和 66.52%，而 OSF 处理的干物质量分别提高 35.24% 和 83.26%，差异均显著。
图1不同处理下植株铝含量和干物质量的变化
注：不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。
2.2 不同处理对红壤酸度的影响
从图2可知，单施化肥或配施改良剂均能有效提高红壤 pH，降低交换性氢、交换性铝及交换性酸含量，且抽雄期与收获期结果较为一致。在收获期，F 处理较 CK 显著提高 pH 6.48%，并降低交换性氢、交换性铝和交换性酸含量 24.06%、 28.29% 和 26.73%。进一步分析显示，与 F 处理相比，OMF 和 OSF 处理的土壤 pH 分别提高了 25.61% 和 40.76%，交换性氢、交换性铝、交换性酸含量分别降低了 65.99% 和 89.99%、84.50%和 98.17%、77.47% 和 95.07%，其数值差异均达到了显著水平。此外，OSF 较 OMF 处理在pH、交换性氢和交换性酸数值差异上也表现出显著性。
图2不同处理下红壤酸度的变化
2.3 不同处理对红壤活性铝形态的影响
从图3可知，在生育期内，不同处理对 5 种红壤活性铝形态的影响存在差异。其中，F 处理的交换态铝含量在抽雄期和收获期分别较 CK 处理降低了 46.58% 和 30.00%，差异均显著；与 F 处理相比，OMF 处理的交换态铝含量在抽雄期和收获期显著降低了 65.39% 和 88.55%，而 OSF 处理的降低幅度更为明显，分别为 90.05% 和 97.84%，且 OSF 与 OMF 之间差异显著。就有机结合态铝而言，在生育期内，其含量整体呈下降趋势，具体表现为 CK>F>OMF>OSF。在收获期时，F 处理的有机结合态铝含量较 CK 降低了 5.07%，但差异不显著；与 F 处理相比，OMF 和 OSF 处理的降低幅度分别为 20.76% 和 31.89%，差异均显著。在生育期内，无机吸附态铝和酸溶无机物铝在部分处理间差异显著，而腐殖酸铝含量变化明显。收获期时，F 处理的腐殖酸铝含量较 CK 显著降低了 23.73%；与 F 处理相比，OMF 和 OSF 处理分别降低了 34.95% 和 40.69%，差异均显著。
2.4 不同处理对红壤细菌群落结构多样性及组成的影响
对不同处理红壤细菌群落结构 Alpha 多样性分析，如图4所示。与 CK 相比，F 处理的 Chao1、 ACE 和 Shannon 指数分别提高了 63.19%、64.01% 和 15.43%，差异均显著；而 Simpson 指数显著降低 58.87%。与 F 处理相比，OMF 处理的 Chao1 指数、ACE 指数和 Shannon 指数分别提高 33.30%、 33.53% 和 8.45%，差异均显著；而 OSF 处理的3 个指数数值差异则均未达到显著水平。
对不同处理红壤细菌群落结构进行主成分分析，如图5所示，PC1 轴和 PC2 轴对样本组成差异的贡献值分别为 38.08% 和 12.01%，二者的累计贡献率达到 50.09%。分析结果显示，4 个处理的红壤细菌群落结构被分开形成 3 簇，其中 OMF 处理和 OSF 处理的土壤细菌群落结构之间没有明显界限，聚集成一簇，并且与 CK 处理和 F 处理的土壤细菌群落结构距离较远。这表明，CK 处理、F 处理及配施改良剂处理的土壤细菌群落结构之间存在明显差异，且配施两种不同改良剂的土壤具有相似的细菌群落结构。
由图6可知，在属水平上，不同处理下相对丰度前 15 的细菌菌属有 norank_f_JG30-KF-AS9、 Chujaibacter、芽孢杆菌属（Bacillus）、FCPS473、 norank_o_Gaiellales、norank_f_LWQ8、norank_f_JG30-KF-CM45、norank_o_IMCC26256、unclassified_f_Acetobacteraceae、链霉菌属（Streptomyces）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、短芽孢杆菌属 （Tumebacillus）、芽单胞菌属（Gemmatimonas）、 unclassified_o_Frankiales、norank_c_JG30-KF-CM66。与 CK 处理相比，其他各处理的 norank_f_JG30-KF-AS9 和 Chujaibacter 均有不同程度的降低，且 CK>F>OSF>OMF； 而 norank_o_Gaiellales、 norank_o_IMCC26256 和链霉菌属（Streptomyces） 均有增加。与 F 处理相比，OMF 和 OSF 处理的 norank_f_JG30-KF-AS9、Chujaibacter、FCPS473、 norank_f_LWQ8 等细菌丰度有不同程度的降低，而鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、芽单胞菌属 （Gemmatimonas）丰度均有增加。
图3不同处理下红壤活性铝形态的变化
图4不同处理下红壤细菌群落 Alpha 多样性
2.5 红壤活性铝形态与细菌群落结构组成的相关分析
对红壤活性铝形态与相对丰度前 15 的优势细菌属进行 Spearman 相关分析（图7）。结果表明，交换态铝与 Chujaibacter、FCPS473 呈显著正相关，与鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、芽单胞菌属（Gemmatimonas）、norank_f_LWQ8、norank_c_JG30-KF-CM66、norank_c_TK10 呈显著负相关。有机结合态铝与 Chujaibacter、norank_f_JG30-KF-AS9 和短芽孢杆菌属（Tumebacillus）呈显著正相关，与鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、芽单胞菌属（Gemmatimonas）、norank_c_TK10 呈显著负相关。酸溶无机物铝与 norank_o_Gaiellales 呈显著正相关，与 Chujaibacter 呈显著负相关。腐殖酸铝与 Chujaibacter、norank_f_JG30-KF-AS9 和 FCPS473 呈显著正相关，与鞘氨醇单胞菌属 （Sphingomonas）、芽单胞菌属（Gemmatimonas）和 norank_f_LWQ8 呈显著负相关。
图5不同处理红壤细菌群落结构主成分分析
图6不同处理红壤细菌属水平群落组成
图7红壤活性铝形态与细菌优势属 Spearman 相关分析
注：Ex-Al、Or-Al、In-Al、Hy-Al、Ha-Al 分别表示交换态铝、有机结合态铝、无机吸附态铝、酸溶无机物铝、腐殖酸铝； * 表示 P<0.1，** 表示 P<0.05，*** 表示 P<0.01。
3 讨论
本研究表明，配施有机肥或牡蛎壳粉均能显著提高土壤 pH，并降低交换性氢、交换性铝及交换性酸等含量，这与杜玉凤等[21]的研究结果相一致。其主要原因在于，不同改良剂自身含有碱性物质，当施入酸性土壤后，可以中和一部分酸性物质[22]。具体而言，有机肥富含有机质，可以增加土壤中的有机物质含量，进而增强土壤对酸度变化的缓冲能力。同时，有机肥还显著提高了土壤中交换性阳离子含量，从而进一步降低土壤酸度[23]。另一方面，牡蛎壳粉中的 CaO 在与土壤中的水分发生化学反应时，会生成 Ca（OH）2 并释放 OH-，这导致土壤 pH 上升。此外，生成的 OH- 与土壤溶液中的 Al3+ 结合形成 Al（OH）3，从而有效降低土壤中交换态铝的含量[24]。进一步分析发现，配施有机肥或牡蛎壳粉能有效降低土壤交换态铝、有机结合态铝及腐殖酸铝等活性铝的含量，这一结果与李昂等[25]的研究结果一致。原因是有机肥中含有大量的小分子腐植酸，可以络合和吸附活性铝，促进毒性较大的活性铝形态向低毒且移动性低的铝形态转化；而牡蛎壳表面大量的微孔结构表现出较强的吸附能力，能够有效吸附土壤溶液中的 Al3+，从而减少活性铝的生成和含量[26]。
土壤细菌群落是土壤生态环境的重要组成部分，其在土壤养分循环和转化中起着至关重要的作用，因此，细菌群落结构的多样性是评估土壤健康的重要指标[27]。本研究显示，施用有机肥或牡蛎壳粉提高酸化红壤中细菌的 Chao1 指数、ACE 指数和 Shannon 指数，表明土壤细菌群落稳定性得到增强，这与刘金光等[28]的研究结果相一致。分析其原因，首先，有机肥含有丰富的有机质，这些有机质在矿化过程中能够分解为碳和其他微生物生长所需的营养物质，进而提高微生物活性和多样性[29]； 其次，牡蛎壳由矿物质、蛋白和多糖等有机大分子组成，能够为微生物的繁殖提供必要的生境，并提供丰富的碳源和能源，从而增加了微生物的数量[30]。进一步的主成分分析发现，配施有机肥或牡蛎壳粉的细菌群落结构趋于相似，但与化肥和对照处理相比产生了显著差异。这一结果说明，配施改良剂能够有效改善土壤微生态环境，从而导致土壤微生物群落结构的改变。
本研究发现，配施有机肥或牡蛎壳粉可以有效降低甜玉米植株铝吸收，并提高干物质量，这与刘昊等[31]的研究结果相一致。这一现象的主要原因在于，有机肥的施用能够调节土壤的酸碱性，提高钙、镁等阳离子的含量，从而减少植物体内铝的累积，充分发挥植物根系的运输功能，将吸收的水分和养分供应到植株，促进玉米植株的生长发育，最终提高植株干物质量[32]。同时，牡蛎壳粉中富含大量的 Ca2+，它能与土壤胶体中的 Al3+ 进行置换反应，并在植物根系表面形成竞争吸附，从而降低植株对 Al3+ 的吸收，促进了盐基离子的吸收，有利于植株干物质量的累积[33]。值得注意的是，本研究还发现，牡蛎壳粉降低植株铝吸收、提高干物质量的效果优于有机肥。这可能与有机肥作为长效缓释肥料，其养分释放相对较慢，导致在短时间内不会显著提升植株干物质量有关。此外，牡蛎壳粉中丰富的钙元素作为作物生长所需的重要中量营养元素，对植株干物质量的累积起到了积极的促进作用。
4 结论
配施有机肥或牡蛎壳粉均可显著降低强酸性红壤中交换态铝、有机结合态铝及腐殖酸铝的含量，尤其是交换态铝，并有效减少玉米植株对铝的吸收。此外，有机肥更有助于提高土壤细菌群落结构多样性，而牡蛎壳粉则更有利于缓解红壤酸化。