河谷平原水田植茶酸化對耕層土壤化學和生物學性狀的影響

阮弋飛， 汪天娜， 章明奎

(1.杭州市臨安區農田建設服務中心，浙江 杭州 311300； 2.杭州市臨安區農林技術推廣中心，浙江 杭州 311300；3.浙江大學 環境與資源學院，浙江 杭州 310058)

近30 a來我國耕地出現了較為嚴重的“非糧化”現象。其中，水田改為茶園成為南方丘陵河谷地區耕地“非糧化”的主要形式[1]。由于高量氮肥的施用(通過硝化作用釋放質子)及茶園內源酸化因子(茶樹自身的物質循環和根系分泌物致酸)的綜合作用，茶園土壤酸化速率明顯高于其他用地[2-3]，因此,一旦耕地成為茶園，土壤酸化不可避免，并隨種植時間的增加,酸化逐漸加劇，這已被許多調查所證實[4-5]。酸堿度是土壤的基本性狀，土壤酸化不僅會危害陸地生態系統，而且會對土壤產生多方面的影響，包括改變土壤碳、氮、硫等養分的循環[6-8]。雖然以往對土壤酸化問題已有較多的研究，但主要研究對象是鐵鋁土等因自然酸化形成的土壤[9-10]，因利用方式改變導致的土壤酸化對土壤性狀影響的研究較少。為此，本研究以浙江省長期種植茶樹的河谷平原水田為例，探討了水田植茶酸化對耕作層土壤化學和生物學性狀的影響。

1 材料與方法

1.1 研究土壤

以浙江省杭州、麗水、溫州、衢州等地的河谷平原多年種植茶樹的水田為對象，采集表層(0～20 cm)土樣39個，按土壤酸堿度(pH)把采集土壤分為5.5～6.5、4.5～<5.5和<4.5 3組，樣品數分別為9、12和18個。

1.2 研究方法

土壤樣品風干后研磨過2.00 mm的尼龍篩用于試驗，部分土樣進一步研磨過0.25、0.149 mm的尼龍篩用于土壤分析，分析內容包括土壤化學性狀和生物學性狀2個方面。化學指標包括陽離子交換量、交換性酸、有機質、有效磷、速效鉀、堿解氮、有效鈣、有效鎂、有效硼、有效鋅、有效銅、有效鐵、有效錳、有效硫和有效硅；生物學指標包括酶活性和微生物生物量碳。化學指標用常規方法測定[11]；土壤酶活性測定參考文獻[12-13]，蔗糖轉化酶用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，過氧化氫酶用滴定法測定，脲酶用奈氏比色法測定，脫氫酶用氯化三苯基四氮唑法測定，磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測定。土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法[14]-Shimadzu TOC自動分析儀測定。

2 結果與分析

2.1 土壤有機質、陽離子交換量及有效態大量元素

表1結果表明，土壤酸化后交換性酸含量顯著增加，3組土壤之間交換性酸含量差異顯著，pH<4.5土壤的平均交換性酸比pH 4.5～<5.5土壤高1.76 cmol·kg-1。酸化后土壤有機質呈輕微增加，pH<4.5土壤的有機質含量分別比pH 4.5～<5.5土壤和pH 5.5～6.5土壤高2.32和3.10 g·kg-1，但3組土壤之間的差異不顯著；土壤有機質的輕微增加可能與酸化后微生物活性下降、降低了有機質礦化有關。酸化后土壤陽離子交換量也有較為明顯的下降，pH<4.5土壤比pH 4.5～<5.5土壤的陽離子交換量低1.79 cmol·kg-1，其原因可能是酸化后部分黏土礦物發生了化學變化。酸化抑制了土壤微生物的活動，土壤微生物生物量碳隨酸化呈先輕微增加后明顯下降的變化特征，pH<4.5土壤的平均微生物生物量碳比pH 4.5～<5.5土壤降低18.50 mg·kg-1。同時，由于土壤微生物活性的降低，土壤堿解氮也趨向下降，pH<4.5土壤的平均堿解氮比pH 4.5～<5.5土壤降低20.21 mg·kg-1。土壤酸化對土壤有效磷和速效鉀的影響較小，其原因可能是有效磷和速效鉀同時受施肥的影響，施肥掩蓋了酸化的作用。

表1 pH與土壤有機質、陽離子交換量及有效態大量元素的關系

2.2 土壤有效態中量元素和微量元素

酸化后土壤有效態中量元素和微量元素也發生了較大的變化(表2)。隨著土壤酸化的增加，有效鈣、有效鎂呈現明顯的下降，pH<4.5土壤的平均有效鈣含量分別比pH 4.5～<5.5土壤和pH 5.5～6.5土壤低94.89和238.17 mg·kg-1，有效鎂含量分別低17.00和32.40 mg·kg-1。土壤pH由5.5～6.5下降至4.5～<5.5對有效硫、有效硅、有效硼含量的影響較小，但當土壤pH下降至4.5以下時，土壤有效硫、有效硅、有效硼含量明顯下降，分別比pH 4.5～<5.5下降35.29%、25.98%和28.00%，表明酸化加劇了土壤中鈣、鎂、硫和硼的淋失，降低了硅的溶解度。與以上元素變化不同，酸化后土壤有效鐵、有效錳呈現顯著的增加，其含量隨pH的下降而增加，其原因是酸化促進了土壤中穩定態鐵、錳向有效態鐵、錳的轉化。土壤有效鋅和有效銅隨酸化呈現先增加后減少的變化趨勢，當土壤pH由5.5～6.5下降至4.5～<5.5時，土壤中有效鋅和有效銅因溶解度增加而增加，但當土壤pH進一步下降至4.5后，因大量可溶態鋅、銅淋失導致有效鋅和有效銅顯著下降。

表2 pH與土壤有效態中量元素和微量元素的關系

2.3 土壤酶活性

表3表明，土壤中過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和脫氫酶活性隨土壤酸化呈現先增加后下降的變化方式，當土壤pH由5.5～6.5下降至4.5～<5.5時，以上土壤酶活性有增加的趨勢，但當土壤pH進一步下降至4.5以下后，所有土壤酶活性均呈現下降，土壤轉化酶、過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和脫氫酶活性分別比pH 4.5～<5.5下降29.95%、22.40%、28.45%、29.42%和17.71%。降低的原因可能與酸化抑制了土壤微生物活性有關，而土壤微生物活性的下降減少了酶的釋放。

表3 pH與土壤酶活性的關系

3 小結

研究結果表明，河谷平原水田長期植茶不僅會導致土壤酸化，而且明顯改變了土壤化學和生物學性狀，表現在耕層土壤有效鈣、有效鎂、有效硫、有效硅、有效硼均呈下降趨勢，而有效鐵、有效錳呈增加趨勢，土壤有效鋅、有效銅和酶活性隨酸化呈現先增加后減少的變化，土壤酸化還輕微降低土壤陽離子交換量。