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氮素在作物生长过程中起着极其重要的作用，氮素吸收受阻将对作物生长发育产生不良影响。土壤酸化会降低作物对氮素的利用效率，抑制作物对氮素的吸收利用。然而，土壤酸化影响作物吸收和利用氮素的机制还不完全清楚。因此，亟需进一步明确土壤酸化与作物氮素吸收之间的关系，并提出改良土壤酸度、阻控土壤酸化和提高作物对氮素吸收的调控技术与措施。
本文通过水培实验和15N示踪盆栽实验，初步明确了作物根表不同形态铝与其氮素吸收积累之间的关系，研究了土壤不同酸化程度对作物氮素吸收和氮肥利用效率的影响，并通过田间实验考察了土壤酸度改良对作物生长、氮素吸收和氮肥利用效率的影响。此外，还通过培养实验和模拟酸化实验，探究了富里酸和作物秸秆腐解产物对土壤抗酸化能力的提升效果，重点研究了秸秆腐解产物减缓酸化的主要作用机制。最后，通过盆栽实验，对秸秆腐解产物改善土壤理化性质、提高土壤缓冲容量及促进作物生长的效果进行进一步验证。主要研究结果如下:
(1)选用泰玉1、郑单958和登海11三个不同铝耐性玉米品种，进行短期和长期铝胁迫实验，研究了铝胁迫对不同铝耐性玉米品种生长和氮素吸收的影响，以及不同铝耐性玉米品种氮素吸收与玉米根表铝形态之间的关系。结果表明，铝胁迫对玉米生长有抑制作用，其抑制程度与玉米根系铝积累量呈显著正相关关系(p＜0.05)。长期铝胁迫早期，玉米对氮的吸收效率受到抑制，而氮的积累不受铝胁迫的影响。长期铝胁迫后期，玉米对氮的吸收效率和氮的积累均受到抑制，且抑制程度随铝浓度的增加而增加。铝胁迫后，玉米根系吸附的铝分为交换态、络合态、沉淀态和残留态。长期铝胁迫初期，络合态铝含量最高，残留态铝和交换态铝次之，沉淀态铝含量最低，而铝胁迫后期，残留态铝含量最高，络合态铝次之。相关分析表明，交换态、沉淀态和残留态铝是影响玉米氮素吸收效率的主要铝形态。因此，减少铝在玉米根系的吸附和积累，可以降低铝胁迫对玉米尤其是铝敏感品种氮素吸收效率和积累的抑制作用。
(2)采用分别采自安徽和江西，发育于第四纪红黏土和第三纪红砂岩的两种红壤，进行不同pH梯度的玉米盆栽实验，运用15N同位素示踪技术，研究了土壤不同酸化程度对玉米生长、氮素吸收和氮肥利用效率，以及肥料氮分配比例的影响。结果表明，玉米在红黏土和红砂土中的生长临界土壤pH分别为4.8和5.0。在临界土壤pH以下，提高土壤pH可显著提高玉米株高和玉米地上部及根系生物量(p＜0.05)，但在临界土壤pH以上，土壤pH变化对玉米生长无显著影响。两种土壤pH的提高也增加了玉米的氮素积累，以及玉米中来自肥料的氮含量，并提高了玉米的氮素生理利用效率和氮素利用效率。红砂土pH的变化对玉米氮素利用效率、玉米中来自肥料的氮含量和氮素利用效率的影响比红黏土的大。红黏土pH6.0处理的玉米NUE比pH4.0处理的增加了24.4％，而红砂土中pH5.0处理的玉米氮素利用效率是pH4.0处理的4.8倍。土壤pH升高，增加了玉米氮积累量与土壤残留氮的比值，降低了两种土壤肥料氮的潜在损失。土壤酸化抑制了玉米生长，降低了玉米对氮素的吸收，从而降低了玉米的氮素利用效率。因此，保持酸性土壤pH高于作物生长临界值，对酸性土壤的可持续粮食生产具有重要的现实意义。
(3)采用石灰、碱渣(AS)、有机肥(OM)、花生秸秆(PS)和油菜秸秆(CS)等不同改良剂及其组合，在安徽郎溪开展了为期4年的田间实验，探究了不同改良剂对土壤酸度的改良效果及其与油菜和红薯养分吸收及氮肥利用效率的关系。结果表明，施用石灰、AS、AS+PS、AS+CS和AS+OM提高了土壤pH，降低了土壤交换性Al3+含量。单施和配施改良剂均提高了油菜和红薯的氮素生理利用效率(PNUE)和氮肥偏生产力(PFPN)，从而提高了作物对N、P、K、Ca、Mg的吸收，提高了油菜籽和红薯的产量。施用AS+OM对油菜PFPN的影响最大，而AS+CS对红薯PFPN的影响最大。AS+OM处理的油菜籽产量为2.61mg ha-1，是对照的5.84倍;AS+CS处理的红薯产量为8.07mg ha-1，比对照高32％。综上所述，AS+CS、AS+PS和AS+OM是改良土壤酸度、提高养分利用率和作物产量的有效途径，其中AS+OM是最佳改良剂处理。
(4)用采自安徽由第四纪红色黏土发育的红壤和采自江西由第三纪红砂岩发育的红壤进行培养实验，研究了添加富里酸对土壤酸度的改良效果和红壤酸化的阻控效果。结果表明，添加富里酸显著提高了两种土壤的pH，并且随着富里酸添加量的增加对土壤pH的提升效果逐渐增加，添加50gkg-1富里酸处理红黏土和红砂土的土壤pH分别由对照的4.31和4.69提高至5.91和5.97。添加富里酸也提高了两种土壤的pH缓冲容量(pHBC)，因而提高了土壤的抗酸化能力。与土壤pH的变化趋势相似，富里酸对土壤pHBC的提升效果也随其加入量的增加而增加。添加50g kg-1富里酸时，红黏土和红砂土的pHBC分别由对照的20.73和7.78mmol kg-1pH-1提高至35.31和23.30mmol kg-1pH-1，分别比对照提高了0.70和1.99倍。添加富里酸不仅可以有效改良红壤酸度，还可以提高红壤的抗酸化能力。
(5)为研发新型酸性土壤改良剂，探究四种作物秸秆腐解产物的特性及其对酸性土壤的改良效果。将花生、油菜、水稻和豌豆秸秆分别进行150天的腐解，得到腐解产物，分析了秸秆腐解产物的基本理化性质。将秸秆腐解产物分别与江西红砂土混合培养30天，然后测定土壤pH和土壤缓冲容量(pHBC)，并进行模拟酸化实验。结果表明，作物秸秆腐解产物含有碳酸盐、有机阴离子等碱性物质，具有较高的pH，并含有N、P、Ca、Mg等营养成分。施用作物秸秆腐解产物不仅提高了土壤pH，还增加了土壤pHBC，从而显著提高了土壤的抗酸化能力(p＜0.05)。其中，豌豆秸秆腐解产物对土壤pHBC的提升效果最好，其次是花生秸秆腐解产物。在土壤模拟酸化过程中，秸秆腐解产物的加入减缓了土壤酸化，降低了土壤可溶性铝和土壤交换性铝的含量。碳酸盐溶解、固体有机质表面有机阴离子质子化是秸秆腐解产物提高土壤pH和pHBC的主要机制。
(6)将上述花生、豌豆、油菜和水稻四种作物秸秆的腐解产物分别与采自安徽由第四纪红色黏土发育的红壤和采自江西由第三纪红砂岩发育的红壤混合，进行玉米盆栽实验，探究作物秸秆腐解产物对土壤酸度的改良效果和对玉米生长的影响。结果表明，添加秸秆腐解产物均提高了两种土壤的阳离子交换量、有机质含量和交换性盐基阳离子的含量。添加秸秆腐解产物处理均显著提高了两种土壤的pH(p＜0.05)，降低了土壤中交换性铝的含量。其中，红黏土和红砂土的最大pH均出现在添加豌豆秸秆腐解产物处理，分别为5.70和7.37，分别比对照处理提高了1.26和2.63个pH单位。红砂土和红黏土各添加秸秆腐解产物处理中，添加豌豆秸秆腐解产物处理的土壤交换性铝含量低于其他处理，分别为1.25和5.00mmol kg-1。添加秸秆腐解产物显著提高了两种土壤的pHBC(p＜0.05)。添加豌豆秸秆腐解产物后，红黏土和红砂土的pHBC分别提高了1.99和3.32mmol kg-1pH-1，提升效果是各处理中最明显的。并且添加豌豆秸秆腐解产物，增加了两种土壤中玉米的生物量，促进了玉米生长。综上，秸秆腐解产物不仅能有效改良酸性红壤酸度，提高红壤抗酸化能力，其中，豌豆秸秆腐解产物还能促进作物生长。
本文通过水培实验和15N示踪盆栽实验，初步明确了作物根表不同形态铝与其氮素吸收积累之间的关系，研究了土壤不同酸化程度对作物氮素吸收和氮肥利用效率的影响，并通过田间实验考察了土壤酸度改良对作物生长、氮素吸收和氮肥利用效率的影响。此外，还通过培养实验和模拟酸化实验，探究了富里酸和作物秸秆腐解产物对土壤抗酸化能力的提升效果，重点研究了秸秆腐解产物减缓酸化的主要作用机制。最后，通过盆栽实验，对秸秆腐解产物改善土壤理化性质、提高土壤缓冲容量及促进作物生长的效果进行进一步验证。主要研究结果如下:
(1)选用泰玉1、郑单958和登海11三个不同铝耐性玉米品种，进行短期和长期铝胁迫实验，研究了铝胁迫对不同铝耐性玉米品种生长和氮素吸收的影响，以及不同铝耐性玉米品种氮素吸收与玉米根表铝形态之间的关系。结果表明，铝胁迫对玉米生长有抑制作用，其抑制程度与玉米根系铝积累量呈显著正相关关系(p＜0.05)。长期铝胁迫早期，玉米对氮的吸收效率受到抑制，而氮的积累不受铝胁迫的影响。长期铝胁迫后期，玉米对氮的吸收效率和氮的积累均受到抑制，且抑制程度随铝浓度的增加而增加。铝胁迫后，玉米根系吸附的铝分为交换态、络合态、沉淀态和残留态。长期铝胁迫初期，络合态铝含量最高，残留态铝和交换态铝次之，沉淀态铝含量最低，而铝胁迫后期，残留态铝含量最高，络合态铝次之。相关分析表明，交换态、沉淀态和残留态铝是影响玉米氮素吸收效率的主要铝形态。因此，减少铝在玉米根系的吸附和积累，可以降低铝胁迫对玉米尤其是铝敏感品种氮素吸收效率和积累的抑制作用。
(2)采用分别采自安徽和江西，发育于第四纪红黏土和第三纪红砂岩的两种红壤，进行不同pH梯度的玉米盆栽实验，运用15N同位素示踪技术，研究了土壤不同酸化程度对玉米生长、氮素吸收和氮肥利用效率，以及肥料氮分配比例的影响。结果表明，玉米在红黏土和红砂土中的生长临界土壤pH分别为4.8和5.0。在临界土壤pH以下，提高土壤pH可显著提高玉米株高和玉米地上部及根系生物量(p＜0.05)，但在临界土壤pH以上，土壤pH变化对玉米生长无显著影响。两种土壤pH的提高也增加了玉米的氮素积累，以及玉米中来自肥料的氮含量，并提高了玉米的氮素生理利用效率和氮素利用效率。红砂土pH的变化对玉米氮素利用效率、玉米中来自肥料的氮含量和氮素利用效率的影响比红黏土的大。红黏土pH6.0处理的玉米NUE比pH4.0处理的增加了24.4％，而红砂土中pH5.0处理的玉米氮素利用效率是pH4.0处理的4.8倍。土壤pH升高，增加了玉米氮积累量与土壤残留氮的比值，降低了两种土壤肥料氮的潜在损失。土壤酸化抑制了玉米生长，降低了玉米对氮素的吸收，从而降低了玉米的氮素利用效率。因此，保持酸性土壤pH高于作物生长临界值，对酸性土壤的可持续粮食生产具有重要的现实意义。
(3)采用石灰、碱渣(AS)、有机肥(OM)、花生秸秆(PS)和油菜秸秆(CS)等不同改良剂及其组合，在安徽郎溪开展了为期4年的田间实验，探究了不同改良剂对土壤酸度的改良效果及其与油菜和红薯养分吸收及氮肥利用效率的关系。结果表明，施用石灰、AS、AS+PS、AS+CS和AS+OM提高了土壤pH，降低了土壤交换性Al3+含量。单施和配施改良剂均提高了油菜和红薯的氮素生理利用效率(PNUE)和氮肥偏生产力(PFPN)，从而提高了作物对N、P、K、Ca、Mg的吸收，提高了油菜籽和红薯的产量。施用AS+OM对油菜PFPN的影响最大，而AS+CS对红薯PFPN的影响最大。AS+OM处理的油菜籽产量为2.61mg ha-1，是对照的5.84倍;AS+CS处理的红薯产量为8.07mg ha-1，比对照高32％。综上所述，AS+CS、AS+PS和AS+OM是改良土壤酸度、提高养分利用率和作物产量的有效途径，其中AS+OM是最佳改良剂处理。
(4)用采自安徽由第四纪红色黏土发育的红壤和采自江西由第三纪红砂岩发育的红壤进行培养实验，研究了添加富里酸对土壤酸度的改良效果和红壤酸化的阻控效果。结果表明，添加富里酸显著提高了两种土壤的pH，并且随着富里酸添加量的增加对土壤pH的提升效果逐渐增加，添加50gkg-1富里酸处理红黏土和红砂土的土壤pH分别由对照的4.31和4.69提高至5.91和5.97。添加富里酸也提高了两种土壤的pH缓冲容量(pHBC)，因而提高了土壤的抗酸化能力。与土壤pH的变化趋势相似，富里酸对土壤pHBC的提升效果也随其加入量的增加而增加。添加50g kg-1富里酸时，红黏土和红砂土的pHBC分别由对照的20.73和7.78mmol kg-1pH-1提高至35.31和23.30mmol kg-1pH-1，分别比对照提高了0.70和1.99倍。添加富里酸不仅可以有效改良红壤酸度，还可以提高红壤的抗酸化能力。
(5)为研发新型酸性土壤改良剂，探究四种作物秸秆腐解产物的特性及其对酸性土壤的改良效果。将花生、油菜、水稻和豌豆秸秆分别进行150天的腐解，得到腐解产物，分析了秸秆腐解产物的基本理化性质。将秸秆腐解产物分别与江西红砂土混合培养30天，然后测定土壤pH和土壤缓冲容量(pHBC)，并进行模拟酸化实验。结果表明，作物秸秆腐解产物含有碳酸盐、有机阴离子等碱性物质，具有较高的pH，并含有N、P、Ca、Mg等营养成分。施用作物秸秆腐解产物不仅提高了土壤pH，还增加了土壤pHBC，从而显著提高了土壤的抗酸化能力(p＜0.05)。其中，豌豆秸秆腐解产物对土壤pHBC的提升效果最好，其次是花生秸秆腐解产物。在土壤模拟酸化过程中，秸秆腐解产物的加入减缓了土壤酸化，降低了土壤可溶性铝和土壤交换性铝的含量。碳酸盐溶解、固体有机质表面有机阴离子质子化是秸秆腐解产物提高土壤pH和pHBC的主要机制。
(6)将上述花生、豌豆、油菜和水稻四种作物秸秆的腐解产物分别与采自安徽由第四纪红色黏土发育的红壤和采自江西由第三纪红砂岩发育的红壤混合，进行玉米盆栽实验，探究作物秸秆腐解产物对土壤酸度的改良效果和对玉米生长的影响。结果表明，添加秸秆腐解产物均提高了两种土壤的阳离子交换量、有机质含量和交换性盐基阳离子的含量。添加秸秆腐解产物处理均显著提高了两种土壤的pH(p＜0.05)，降低了土壤中交换性铝的含量。其中，红黏土和红砂土的最大pH均出现在添加豌豆秸秆腐解产物处理，分别为5.70和7.37，分别比对照处理提高了1.26和2.63个pH单位。红砂土和红黏土各添加秸秆腐解产物处理中，添加豌豆秸秆腐解产物处理的土壤交换性铝含量低于其他处理，分别为1.25和5.00mmol kg-1。添加秸秆腐解产物显著提高了两种土壤的pHBC(p＜0.05)。添加豌豆秸秆腐解产物后，红黏土和红砂土的pHBC分别提高了1.99和3.32mmol kg-1pH-1，提升效果是各处理中最明显的。并且添加豌豆秸秆腐解产物，增加了两种土壤中玉米的生物量，促进了玉米生长。综上，秸秆腐解产物不仅能有效改良酸性红壤酸度，提高红壤抗酸化能力，其中，豌豆秸秆腐解产物还能促进作物生长。