模擬酸雨對(duì)黑麥草草茬還田后水稻土壤質(zhì)量的影響

王文娟　楊知建　徐華勤　劉紅梅　魏甲斌　唐先亮

摘要 [目的]為了研究黑麥草草茬還田對(duì)酸化水稻土質(zhì)量的影響。[方法] 采用室內(nèi)培養(yǎng)模擬酸雨淋溶條件的方法（pH分別為3.5、4.5和5.5， 并以pH 6.5為對(duì)照）。[結(jié)果] 在模擬酸雨環(huán)境下，水稻土中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和速效磷含量在黑麥草草茬還田后隨pH的下降有不同程度增加，但增幅有限。然而，土壤活性有機(jī)碳、微生物量氮?jiǎng)t呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，微生物量碳、磷隨酸雨pH先升高后減低。強(qiáng)酸（pH≤3.5）抑制了黑麥草草茬還田后水稻土壤中過(guò)氧化氫酶、脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性。[結(jié)論]酸雨能在短時(shí)間內(nèi)加速黑麥草草茬分解腐爛和養(yǎng)分釋放。

關(guān)鍵詞 模擬酸雨；水稻土；黑麥草草茬；酶

中圖分類(lèi)號(hào) S154.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）19-066-04

酸雨是指pH小于5.6的大氣降水，主要包括濕沉降（如酸雨、酸雪、酸霧、酸霜） 和干沉降（如SO2、NOX、HCl等氣體酸化性物）。酸雨能改變土壤理化和生物學(xué)性狀，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不容忽視的危害[1-3]。具體表現(xiàn)：長(zhǎng)期酸雨淋溶會(huì)降低土壤pH，使得土壤有機(jī)質(zhì)含量減少；削減土壤中微生物總量，減弱土壤微生物的氨化作用；影響土壤酶活性；造成土壤貧瘠。目前，酸雨與全球氣候變暖、臭氧層破壞并列為當(dāng)今世界的三大生態(tài)環(huán)境災(zāi)難。近年來(lái)，我國(guó)長(zhǎng)江以南的廣大東北地區(qū)已成為繼歐洲和北美以外的第三大酸雨區(qū)之一[4-6]。據(jù)相關(guān)報(bào)道，酸雨污染每年給我國(guó)造成的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)1 100億元[7]。

長(zhǎng)江以南廣大地區(qū)是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。豐富的水熱資源為水稻生產(chǎn)提供良好的自然條件，承擔(dān)著保障人口不斷增長(zhǎng)的糧食安全問(wèn)題的重大責(zé)任。但是，該地區(qū)又恰好是酸性土壤的分布區(qū)，再加上近年來(lái)酸雨頻繁發(fā)生，很多地方已出現(xiàn)土壤酸化現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化。眾多研究發(fā)現(xiàn)，冬閑田草茬還田可顯著改善土壤理化性狀，提高土壤對(duì)酸化的緩沖能力。線琳等[8-9]發(fā)現(xiàn)，綠肥還田可顯著提高土壤的含磷量。周開(kāi)芳等[10]證實(shí)，豆科冬綠肥還田提高了土壤中氮、磷和鉀的含量。戴志剛[11]研究表明，油菜還田能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，且土壤有機(jī)質(zhì)含量與油菜還田量呈正比關(guān)系。連續(xù)兩年紫云英和油菜翻壓還田后土壤有機(jī)質(zhì)比冬閑-稻模式下提高1.2%～1.4%，良好地緩解土壤酸化進(jìn)程[12]。

黑麥草是一種公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)牧草種資源，因其優(yōu)良的豐產(chǎn)性、抗逆性、高品質(zhì)、廣泛的適應(yīng)性、較高的飼料轉(zhuǎn)化率、類(lèi)型多用途廣而深受廣大牧草育種生產(chǎn)工作者的衷愛(ài)。我國(guó)南方冬閑田面積大。利用冬閑田種植發(fā)展黑麥草，種草養(yǎng)畜，具有顯著的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。肖小平等[13]研究表明，黑麥草覆蓋還田顯著提高土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量。徐明崗等[14]研究證實(shí)，黑麥草還田能提高土壤中全氮和堿解氮含量。張文平等[15]研究黑麥草翻壓還田對(duì)植煙土壤微生物量及土壤酶活性的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)黑麥草還田后，土壤中微生物量碳、氮含量和脲酶、酸性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶的活性會(huì)在一定范圍內(nèi)隨黑麥草翻壓量的提高而增加。但是，目前涉及黑麥草草茬還田改良酸化水稻土質(zhì)量的研究鮮有報(bào)道。采用室內(nèi)模擬培養(yǎng)方法，筆者研究了模擬對(duì)黑麥草草茬還田后水稻土質(zhì)量的影響，旨在為水稻田可持續(xù)健康發(fā)展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況 試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)研究所進(jìn)行。該研究所位于湖南省長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)農(nóng)大路1號(hào)（113 E，28.21 N），氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候。試驗(yàn)前，所選土壤為具有代表性的南方紅壤性水稻土。

1.2 土樣的采集 供試土樣采自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園水稻田中0～20 cm的表層土壤。剔除土樣中石粒和草根等雜物，自然風(fēng)干后過(guò)3 mm篩。

1.3 供試草茬的處理 黑麥草草茬于2013年4月采自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園試驗(yàn)基地。采回草茬烘干后用剪刀剪成2～3 cm長(zhǎng)的小段，用聚乙烯封口袋密封保存，備用。品種為四倍體一年生黑麥草。

1.4 試驗(yàn)方法 使用塑料盆（上口內(nèi)直徑為21 cm、下口內(nèi)直徑為15 cm、高為18.5 cm），分別裝入3 kg供試土壤樣品和10 g黑麥草草茬，攪拌，混合均勻。裝完土樣后，在土樣表面再放置一層玻璃纖維以防噴灑酸雨時(shí)土粒濺出。

根據(jù)長(zhǎng)沙市近年來(lái)酸雨污染特征與酸沉降水平[16]，用純硫酸和硝酸按摩爾比3∶1配制模擬酸雨母液，用蒸餾水稀釋配制成pH分別為3.5、4.5和5.5酸性水溶液。酸雨處理試驗(yàn)包括3個(gè)人工模擬酸雨處理（pH 3.5、pH 4.5、pH 5.5）和1個(gè)對(duì)照（蒸餾水，pH 6.5左右）。每個(gè)處理3次重復(fù)。模擬降雨按照當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅窟M(jìn)行噴淋，每48 h淋溶1次，每次每盆均勻淋溶450 ml，持續(xù)40 d。40 d后，采集土壤表層0～5 cm。將土壤樣品分為兩份，一份立即放在4 ℃冰箱中用于測(cè)定微生物量指標(biāo)和土壤酶活性，另一份自然風(fēng)干后用于測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)。

1.5 指標(biāo)測(cè)定與方法 pH用pHS-3C計(jì)測(cè)定。土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)分析方法[17]測(cè)定。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定，全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定，全磷采用HClO4-H2SO4消煮-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，微生物量碳、氮、磷采用氯仿熏蒸提取法測(cè)定[18]。蛋白酶活性采用茚三酮比色法測(cè)定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法測(cè)定，過(guò)氧化氫酶活性采用高猛酸鉀滴定法測(cè)定，脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法[19]測(cè)定。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析 采用Microsoft Excel 2007和SPSS18.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH的變化 由表1可知，在模擬酸雨淋溶40 d后，各處理中土壤pH均較原始土有小幅下降，其中pH 3.5處理降幅最大，從6.07下降為6.03，但各處理間均無(wú)顯著差異（P>0.05）。這說(shuō)明短時(shí)期的酸雨淋溶會(huì)造成土壤pH略微下降，原因是水稻土壤對(duì)酸雨有緩沖作用。但是，在黑麥草草茬還田后，各處理水稻土壤的pH較無(wú)草茬還田（冬閑）均有小幅升高，各處理間仍均無(wú)顯著差異（P>0.05）。這說(shuō)明黑麥草草茬還田后水稻土壤具有良好的緩沖能力。

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)碳和微生物量碳含量的變化 土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)土壤肥力高低的重要指標(biāo)之一。其大小可以影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。由表2可知，與pH 6.5（CK）相比，不同pH酸雨淋溶（pH 3.5、pH 4.5、pH 5.5）后土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加了11.45%、8.02%和1.15%；但是，各處理間均無(wú)顯著差異。這表明水稻土添加黑麥草草茬后，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨酸雨pH的降低呈升高趨勢(shì)，但在短時(shí)期內(nèi)沒(méi)有明顯的影響。這表明一定程度的酸化使得黑麥草秸稈腐解速度加快。

土壤活性有機(jī)碳是指土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分，是土壤中易被微生物分解礦化、有效性較高且對(duì)植物養(yǎng)分供應(yīng)有著最直接作用的那部分碳元素。與pH 6.5（CK）相比，不同pH酸雨淋溶（pH 3.5、pH 4.5、pH 5.5）后土壤活性有機(jī)碳含量降低了2.85%、1.43%和5.71%，但各處理間差異均不顯著。這說(shuō)明添加黑麥草草茬后，在短時(shí)期內(nèi)不同pH的酸雨淋溶對(duì)水稻土活性有機(jī)碳的影響不大。

微生物量碳是土壤中易利用的養(yǎng)分庫(kù)和氮礦化的動(dòng)力，與土壤中的碳、氮、磷、硫等養(yǎng)分循環(huán)有密切關(guān)系。其變化可反映土壤肥力變化及土壤的污染情況。由表2可知，經(jīng)過(guò)酸雨淋溶處理后，微生物量碳含量隨pH降低呈先升高后下降的趨勢(shì)，其中pH 4.5、pH 3.5均與pH 5.5間差異顯著（P<0.05）。可見(jiàn)，弱酸（pH≥4.5）脅迫可以促進(jìn)土壤微生物量碳的活性，而在強(qiáng)酸（pH<4.5）脅迫下微生物量碳活性受到抑制，與有機(jī)質(zhì)和活性有機(jī)碳等指標(biāo)變化相比，此時(shí)微生物碳更為敏感。

2.3 土壤全氮全氮、速效氮和微生物量氮含量的變化 全氮是指土壤中有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮之和。由表3可知，與pH 6.5（CK）相比，土壤全氮含量在不同pH酸雨淋溶（pH 3.5、pH 4.5和pH 5.5）后增加11.45%～1.53%，其中在pH 3.5的處理下增幅最大。各處理全氮含量間均無(wú)顯著差異。在添加黑麥草草茬后，水稻土全氮含量隨酸雨pH降低呈升高趨勢(shì)，但在短時(shí)期內(nèi)增幅有限。其變化趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)含量一致，說(shuō)明土壤全氮含量與有機(jī)質(zhì)含量有著密切的相關(guān)性。

速效氮就是可以被植物根系吸收和利用的氮元素，包括游離態(tài)和水溶態(tài)的一些氨態(tài)氮、硝態(tài)氮。與pH 6.5（CK）相比，土壤速效氮含量在不同pH酸雨淋溶（pH 3.5、pH 4.5和pH 5.5）后分別增加了20.85%、3.76%和11.08%， pH 3.5和pH 5.5與pH 6.5（CK）間差異顯著（P<0.05）?？梢?jiàn)，水稻土中添加黑麥草草茬后，一定程度的酸雨使得土壤速效氮含量降低，但高酸度的酸雨反而使得土壤速效氮含量有一定程度的提高。

微生物量氮是土壤氮元素中較活躍的組成成分之一，其含量能在一定程度上反映土壤的肥力狀況。與pH 6.5（CK）相比，土壤微生物量氮含量在不同pH酸雨淋溶后均有所下降。其中，微生物量氮在pH 5.5處理下降幅最大，降低了19.99%，pH 6.5（CK）和pH 5.5有顯著差異（P<0.05）。 可見(jiàn)，酸雨對(duì)水稻土壤微生物量氮的活性有抑制作用。

2.4 土壤全磷、速效磷和微生物量磷含量的變化 磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，也是植物生長(zhǎng)過(guò)程中的主要限制營(yíng)養(yǎng)因子之一。土壤全磷量即磷的總貯量，包括有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷兩大類(lèi)。由表4可知，土壤全磷含量隨酸雨pH的降低呈略微增加趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)一致。

速效磷是土壤中可以被植物吸收的磷組成部分，包括全部的水溶性磷、部分吸附態(tài)磷和有機(jī)磷。與pH 6.5（CK）相比，土壤速效磷含量在不同pH酸雨淋溶（pH 3.5、pH 4.5和pH 5.5）后分別增加了17.54%、11.68%和12.56%，3個(gè)處理與pH 6.5（CK）均有顯著差異（P<0.05）。其變化趨勢(shì)與土壤全磷類(lèi)似，但增幅稍大。

微生物量磷是土壤有機(jī)磷中較活躍的部分。與pH 6.5（CK）相比，微生物量磷在不同pH酸雨淋溶后的變化趨勢(shì)與微生物量碳一致，即隨pH的降低呈先升高后下降?？梢?jiàn)，弱酸（pH≥5.5）脅迫可以促進(jìn)土壤微生物量磷的活性，而隨酸雨酸度增強(qiáng)（pH<5.5），微生物量磷活性受到抑制。

2.5 土壤中蛋白酶活性、酸性磷酸酶活性、過(guò)氧化氫酶活性、脲酶活性的變化 土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化中的催化劑。它可以催化土壤中的一切生物和化學(xué)反應(yīng)，反映土壤中所有生化過(guò)程的強(qiáng)度和方向，故土壤各種酶的活性能作為土壤肥力的指標(biāo)。

土壤蛋白酶活性反映土壤中氮素的轉(zhuǎn)化情況。由表5可知，蛋白酶活性在pH 4.5情況下活性最高，在pH 3.5情況下活性最低，各處理間無(wú)顯著差異。

磷酸酶反映土壤中磷的轉(zhuǎn)化情況。酸性磷酸酶活性的變化趨勢(shì)為隨pH的下降而下降，在pH 3.5情況下活性最低，其中pH 6.5（CK）與pH 3.5差異顯著（P<0.05）。

過(guò)氧化氫酶參與生物的呼吸代謝，同時(shí)可以消除在呼吸過(guò)程中產(chǎn)生的對(duì)活細(xì)胞有害的過(guò)氧化氫。過(guò)氧化氫酶活性與好氧微生物數(shù)量、土壤肥力有密切聯(lián)系。它可以表示土壤氧化過(guò)程的強(qiáng)度。過(guò)氧化氫酶活性在pH 4.5情況下最高，pH 3.5和pH 5.5情況下活性最低，其中pH 6.5（CK）與pH 3.5、pH 5.5兩個(gè)處理間差異顯著（P<0.05）。

土壤脲酶廣泛存在于土壤中，能夠催化土壤中尿素分解生成氨、二氧化碳和水，對(duì)提高氮素利用率及促進(jìn)土壤氮素循環(huán)具有重要作用。脲酶活性大小順序?yàn)閜H 6.5（CK）=pH 4.5>pH 5.5>pH 3.5，各處理間均無(wú)顯著差異。

雖然酸雨淋溶黑麥草草茬還田的水稻土后各處理間的差異都不大，但在強(qiáng)酸（pH<4.5）脅迫下土壤中上述4種酶的活性均受到抑制。

3 結(jié)論與討論

張俊平等[20]研究發(fā)現(xiàn)，土壤本身對(duì)酸雨具有一定的緩沖性能，只有強(qiáng)酸（pH<4.5）淋溶才會(huì)加大土壤的酸化趨勢(shì)。該研究表明，經(jīng)過(guò)40 d模擬酸雨淋溶，土壤pH有所下降，但降幅均不顯著。經(jīng)酸雨淋溶后土壤pH的下降幅度在一定程度上可以反映土壤緩沖性能[21]。徐華勤等[22]研究表明，酸雨淋溶赤紅壤旱地土40 d后，土壤pH略有降低，體現(xiàn)土壤的緩沖性能，但其土壤pH的降幅較該試驗(yàn)大一些，可見(jiàn)水稻土酸雨的緩沖性能比旱地土更大。肖孔操[23]研究表明，紫云英、稻草和油菜還田都能在一定程度提高酸性土壤pH。該試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黑麥草草茬還田也有相同的作用。

朱雪竹等[24]研究表明，短時(shí)間內(nèi)酸雨對(duì)土壤中作物秸稈的分解影響顯著，能加速作物秸稈養(yǎng)分釋放。研究證實(shí)，在短期內(nèi)，利用同屬禾本科的稻草還田的土壤養(yǎng)分均有不同程度的提高，其中土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量分別提高了2.3%、1.2%，速效磷含量是冬閑處理的0.5倍[25]。該研究同樣發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)模擬酸雨環(huán)境，水稻土中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和速效磷含量在黑麥草草茬還田后隨pH的下降有不同程度的增加，但增幅都十分有限。這可能與酸雨能在短時(shí)間內(nèi)加速黑麥草草茬分解腐爛和養(yǎng)分釋放有關(guān)。然而，土壤活性有機(jī)碳、微生物量氮?jiǎng)t呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，微生物量碳、磷則隨酸雨pH先升高后減低。這可能是因?yàn)橥寥牢⑸锘顒?dòng)適宜的pH是中性的。徐華勤等[26]研究發(fā)現(xiàn)，隨酸雨pH的降低，土壤微生物量磷的變化趨勢(shì)呈先升高后降低，當(dāng)酸雨pH≥4.0時(shí)，酸雨脅迫可促進(jìn)微生物量磷活性；當(dāng)強(qiáng)酸（pH<4.0）淋溶時(shí)，微生物量磷活性受到抑制。試驗(yàn)表明，當(dāng)酸雨pH≥5.5時(shí)，酸雨脅迫促進(jìn)土壤微生物量碳、磷的活性；當(dāng)酸雨達(dá)到一定強(qiáng)度（pH<5.5），隨著酸性的增強(qiáng)，微生物量碳、磷活性受到抑制。出現(xiàn)這種差異的原因可能是試驗(yàn)土壤中施加了黑麥草草茬。

研究表明，土壤酶活性受土壤pH的影響極顯著，尤其是在酸性和堿性土壤中。細(xì)菌和植物分泌的胞外酶活性的最適pH是中性和堿性[27]。張萍華等[28]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH小于4時(shí)，酸雨對(duì)過(guò)氧化氫酶、脲酶和蛋白酶活性有明顯的抑制作用。研究中，在強(qiáng)酸（pH≤3.5）淋溶條件下，黑麥草草茬還田后水稻土壤中過(guò)氧化氫酶、脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶的活性均受到抑制。

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