水田改旱地土壤酸度變化的模擬研究

王道澤，丁志峰,楊瓊瑤，章明奎

(1.浙江省杭州市鄉(xiāng)村振興服務(wù)中心，浙江 杭州 310020；2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058)

土壤酸堿性是土壤許多化學(xué)性質(zhì)特別是鹽基狀況的綜合反映，它對土壤中微生物的活動、有機(jī)質(zhì)的合成與分解、氮磷和微量元素的轉(zhuǎn)化與有效性及土壤養(yǎng)分保持等都有很大的影響。同時，土壤酸堿度又是土壤眾多性狀中易變、極易受耕作施肥等人為因素影響和極易被人為調(diào)控的土壤性質(zhì)。因此，認(rèn)識土壤酸堿性的變化規(guī)律并采取相應(yīng)的措施，是提高土壤肥力、達(dá)到作物高產(chǎn)的重要手段。近年來的大量調(diào)查[1～3]表明，由于煤、石油等燃燒引起的酸雨污染和農(nóng)業(yè)化肥用量的增加，從20世紀(jì)80年代至今，我國廣大地區(qū)的土壤發(fā)生了明顯的酸化，其中耕地土壤的酸化尤為明顯[4-5]。土壤的酸化速率與氮肥用量、肥料種類和土壤性質(zhì)有關(guān)，許多研究把耕地土壤酸化的原因歸結(jié)為化肥的高量施用和大氣酸沉降[5～9]。但值得注意的是，我國南方地區(qū)自20世紀(jì)80年代以來耕地發(fā)生了酸化,同時也伴隨著土地利用方式的改變，特別是大面積的水田改為旱地、種植蔬菜和果樹等經(jīng)濟(jì)作物。同一地區(qū)的水田土壤pH值常高于旱地土壤，這意味著土地利用方式的改變可能也是引起土壤酸化的原因之一。為此，本文采用室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗(yàn)，觀察研究了水田改露天旱地與大棚種植環(huán)境下土壤酸度的變化特點(diǎn)。

1 材料與方法

從浙江省選擇了3類種植面積較大的典型農(nóng)田土壤用于模擬研究。3類土壤分別為淡涂泥田、黃斑田和黃泥田，它們的成土母質(zhì)分別為灘涂沉積物、河湖相沉積物和酸性巖風(fēng)化再積物，分別代表濱海平原、水網(wǎng)平原和丘陵山地的典型水稻土。采集土壤的深度為0～15 cm，土壤的基本性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)前供試土壤的理化性質(zhì)

每類土壤各設(shè)3個處理，分別模擬種植水稻、露地旱作和大棚種植等的土壤環(huán)境，試驗(yàn)在溫室中進(jìn)行。試驗(yàn)選擇長、寬和深分別為30、25、20 cm的塑料容器，容器底部設(shè)有排水裝置，可控制排水。每一容器裝土深度為15 cm，裝土量13.5 kg，相當(dāng)于容重1.20 g/cm3。裝土前土壤過5 mm土篩，每一類土壤裝土各9盆(即每一處理各設(shè)置3個重復(fù))。

在試驗(yàn)初期，對各塑料容器中土壤進(jìn)行50 d的淹水處理，土表保持淹水層5 cm。之后，開始3種處理的試驗(yàn)，分別模擬種植水稻、露地旱作和大棚種植等土壤環(huán)境。在試驗(yàn)過程中以每45 d為一個周期模擬一年作物生長季的田間狀況。每一周期分別添加相當(dāng)于田間一年的酸性物質(zhì)和由施肥等引起的鹽分輸入量。據(jù)Guo等[5]的研究，華北冬小麥-夏玉米輪作、華南水稻-小麥輪作等“一年兩熟”種植體系中由氮肥大量施用每年所產(chǎn)生的酸量為20～30 kmol(H+)/hm2；蔬菜大棚等設(shè)施農(nóng)業(yè)中過量施氮的年產(chǎn)酸量約為200 kmol(H+)/hm2；秸稈移出帶走的鹽基對土壤酸化的貢獻(xiàn)為15～20 kmol(H+)/hm2。又據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的長期定位試驗(yàn)[10]，施用化學(xué)氮肥處理實(shí)際酸化速率為4.0～6.7 kmol(H+)/(hm2·a)。結(jié)合浙江省水田、露天旱地和大棚蔬菜地氮肥施用水平(1∶1.20∶1.75)，分別選擇20、24和35 kmol(H+)/hm2(相當(dāng)于10、12、17.5 mmol/kg土壤)為每年輸入水田、露天旱地和大棚蔬菜地的酸量，作為試驗(yàn)中每一周期添加的酸量。同時根據(jù)浙江省典型地區(qū)施肥水平每年殘留在土壤中肥料量確定每一試驗(yàn)周期添加的鹽量為0.1、0.12和0.175 g/kg土壤。添加的酸和鹽分別用H2SO4和氮磷鉀復(fù)合肥配制。3個處理的試驗(yàn)情況如下：(1)模擬種植水稻環(huán)境：每個試驗(yàn)周期內(nèi)分為4個時段(分別持續(xù)16、6、16、7 d)，分別模擬田間淹水-排水-淹水-排水的輪回。淹水期間土面以上保持5 cm的水層，排水期間排除土壤中的自由水；每一試驗(yàn)周期添加的酸和鹽與灌溉水一并加入。(2)模擬露地種植旱作環(huán)境：保持75%～85%的田間持水量，每15 d(即每一試驗(yàn)周期3次)模擬田間降水引起的排水，每次模擬降水量為120 mm。容器底部的排水裝置保持開通，模擬降水采用一自動加液器添加，在1～2 d內(nèi)完成，并保證土內(nèi)無積水。每一試驗(yàn)周期添加的酸與鹽量分3次在模擬降水后加入土壤中(即添加前溶于少量水中)。(3)模擬大棚種植環(huán)境：土壤水分保持75%～85%的田間持水量，無自由水通過土體。每一試驗(yàn)周期添加的酸與鹽量在調(diào)節(jié)土壤水分時同時加入。為了了解水田改為旱地后土壤酸度的變化，在經(jīng)過50 d淹水處理后的第1個周期內(nèi)不添加酸和鹽，即添加酸和鹽從試驗(yàn)的第2個周期內(nèi)開始。試驗(yàn)共進(jìn)行了17個周期(相當(dāng)于17 a)。

在每一個試驗(yàn)周期結(jié)束時采集土壤樣品。采集的土樣用于分析pH值，交換性酸、鹽分、CEC、NH4-N、NO3-N、有機(jī)質(zhì)、還原性物質(zhì)、交換性鋁、吸附態(tài)鋁、酸溶性無機(jī)鋁和絡(luò)合態(tài)鋁含量等。土壤pH和還原性物質(zhì)采用原位(濕土)土壤直接測定[11]，其中，pH測定時調(diào)節(jié)土水比為1∶1，還原性物質(zhì)用硫酸鋁浸提劑提取測定。其它性質(zhì)采用風(fēng)干土測定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測定[12]；交換性酸采用KCl交換-中和法測定[12]；陽離子交換量(CEC)采用醋酸銨交換法測定[12]；交換性鹽基用醋酸銨交換，Ca、Mg用原子吸收光譜法測定，Na、K用火焰光度法測定[12]。非交換性酸采用CEC與交換性鹽基差值計算。土壤中各形態(tài)鋁采用連續(xù)提取法進(jìn)行提取[13-14]，即：用1.0 mol/L KCl提取土壤中交換態(tài)鋁；用1.0 mol/L NaOAc提取單聚體羥基鋁；用1.0 mol/L HCl提取酸溶無機(jī)鋁；用0.5 mol/L NaOH提取腐殖酸鋁。

2 結(jié)果與分析

2.1 水田改旱地引起的土壤酸度變化

3個土壤的模擬培養(yǎng)試驗(yàn)(圖1)表明，由于持續(xù)的酸性物質(zhì)的輸入，不同處理的土壤pH均呈下降的趨勢。在水田種植環(huán)境下土壤pH只呈現(xiàn)輕微的下降，至17個試驗(yàn)周期后，淡涂泥田從7.28下降至7.19，黃斑田從6.97下降至6.71，黃泥田從6.25下降至5.88；pH平均下降量：黃泥田(0.37)>黃斑田(0.26)>淡涂泥田(0.09)。露地種植旱作和大棚種植環(huán)境下土壤pH的下降明顯大于水田種植環(huán)境下的，并以大棚種植環(huán)境下土壤pH的下降最為明顯。在露地種植旱作環(huán)境下，至17個試驗(yàn)周期后，平均土壤pH顯著下降。其中，淡涂泥田的pH從7.28下降至6.54，黃斑田從6.97下降至5.69，黃泥田從6.25下降至5.02；平均下降量：黃斑田(1.28)>黃泥田(1.23)>淡涂泥田(0.74)。在大棚種植環(huán)境下，至17個試驗(yàn)周期后，平均土壤pH也顯著地下降，其中，淡涂泥田的pH從7.28下降至6.03，黃斑田從6.97下降至5.23，黃泥田從6.25下降至4.72；平均下降量：黃斑田(1.74)>黃泥田(1.53)>淡涂泥田(1.25)。3個土壤之間pH下降量的差異可能與土壤的緩沖性能不同有關(guān)，淡涂泥田因含有碳酸鈣，其對酸的緩沖能力較強(qiáng)。

圖1 不同模擬種植條件下土壤酸化程度隨時間的變化

隨著土壤pH的下降，土壤中交換性酸也隨培養(yǎng)周期逐漸增加。至17個試驗(yàn)周期后，土壤交換性酸均比試驗(yàn)初期顯著增加。在水田種植環(huán)境下，土壤中交換性酸增加量相對較小，至試驗(yàn)結(jié)束時，淡涂泥田交換性酸從0.00 cmol/kg增加至0.24 cmol/kg，黃斑田從0.28 cmol/kg增加至0.53 cmol/kg，黃泥田從0.65 cmol/kg增加至1.43 cmol/kg；平均增加量：黃泥田(0.78 cmol/kg)>黃斑田(0.25 cmol/kg)>淡涂泥田(0.24 cmol/kg)。在露地種植旱作環(huán)境下，淡涂泥田交換性酸從0.00 cmol/kg增加至0.47 cmol/kg，黃斑田從0.28 cmol/kg增加至1.43 cmol/kg，黃泥田從0.65 cmol/kg增加至4.27 cmol/kg；平均增加量：黃泥田(3.62 cmol/kg)>黃斑田(1.15 cmol/kg)>淡涂泥田(0.47 cmol/kg)。在模擬大棚種植環(huán)境下，淡涂泥田交換性酸從0.00 cmol/kg增加至1.36 cmol/kg，黃斑田從0.28 cmol/kg增加至3.16 cmol/kg，黃泥田從0.65 cmol/kg增加至7.34 cmol/kg；平均增加量：黃泥田(6.69 cmol/kg)>黃斑田(2.88 cmol/kg)>淡涂泥田(1.36 cmol/kg)。

隨著土壤酸化程度的加重(表2)，土壤交換性酸組成中交換性氫的比例逐漸下降，而交換性鋁的比例逐漸上升。這一結(jié)果表明，隨著土壤酸化程度的加劇，土壤中鋁被逐漸釋放，成為交換性酸的重要組成部分。在相同試驗(yàn)周期內(nèi)，土壤中交換性鋁占交換性酸的比例表現(xiàn)為大棚旱地>露天旱地>水田。

表2 土壤交換性鋁和交換性氫的組成 %

土壤鋁的化學(xué)形態(tài)組成分析結(jié)果(表3)表明，試驗(yàn)前后土壤中鋁的化學(xué)形態(tài)發(fā)生了一定的變化，土壤酸化后，土壤中交換性鋁和吸附態(tài)鋁都顯著地增加，酸溶態(tài)鋁輕微下降，而絡(luò)合態(tài)鋁明顯減少。這一結(jié)果表明，在酸化過程中發(fā)生了絡(luò)合態(tài)鋁、酸溶態(tài)鋁向交換性鋁、吸附態(tài)鋁的轉(zhuǎn)化。

表3 土壤鋁的化學(xué)組成 mg/kg

2.2 露天旱地與大棚種植地土壤酸化的差異

露天旱地與大棚種植地土壤酸化存在明顯的差異，后者的酸化速率明顯高于前者。大棚種植地土壤的pH明顯低于露天旱地，而大棚種植地土壤的交換性酸明顯高于露天旱地。

3 討論

3.1 水田改旱地后土壤酸化的原因

水田改旱地后土壤呈現(xiàn)明顯的酸化。圖1表明，這種酸化作用在水田改為旱地初期已有顯現(xiàn)。在沒有酸性物質(zhì)輸入之前，一直保持水田環(huán)境下的土壤的pH值，幾乎沒有變化；而轉(zhuǎn)變?yōu)楹档氐耐寥涝谧畛醯乃锱潘D(zhuǎn)變?yōu)楹档剡^程中土壤pH已發(fā)生了明顯的下降。其中，淡涂泥田、黃斑田和黃泥田因排水引起的pH下降量分別達(dá)0.24、0.63、0.79，這種下降似乎與排水后土壤緩沖體系發(fā)生變化有關(guān)。由表4可知，水田轉(zhuǎn)變?yōu)楹档睾?，土壤中還原性物質(zhì)(主要為Fe2+、Mn2+)明顯地減少，而NH4-N也下降，NO3-N增加，這些物質(zhì)的變化表明排水后土壤中發(fā)生了Fe2+、Mn2+和NH4-N氧化，而在氧化過程中可產(chǎn)生H+，促進(jìn)了土壤的酸化[15]。

表4 水田轉(zhuǎn)旱地后土壤中還原性物質(zhì)的變化

3.2 露天旱地與大棚種植地土壤酸化差異的原因

大棚種植地土壤酸化明顯高于露天旱地，這與大棚種植地施肥量大，但土壤缺乏雨水的淋洗、鹽分大量積累有關(guān)(表5)。土壤中鹽分濃度的提高可促進(jìn)土壤膠體表面的交換鋁向土壤溶液遷移，增加了土壤溶液中鋁的濃度，從而導(dǎo)致土壤pH的下降。另外，大棚蔬菜系統(tǒng)中酸性物質(zhì)輸入量較高也是導(dǎo)致其酸化更大的原因。

表5 土壤中水溶性鹽含量 g/kg

4 結(jié)論

模擬試驗(yàn)研究表明，不同利用方式下土壤酸化速率有很大的差異，露地種植旱作和大棚種植環(huán)境下土壤pH的下降明顯大于水稻種植環(huán)境，大棚種植環(huán)境下土壤酸化速率明顯高于露天旱地，表明水田改旱地可加劇土壤酸化。水田改旱地后土壤中還原性物質(zhì)氧化可能是改旱后土壤酸化加劇的主要原因;高量施肥和鹽分積累是大棚種植地土壤pH進(jìn)一步下降的原因。