模擬強酸雨對福州平原稻田土壤團聚體穩(wěn)定性及碳氮分布的影響

陳優(yōu)陽, 安婉麗, 陳曉旋, 王維奇

(1.福建師范大學地理研究所;2.福建師范大學濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點實驗室，福建 福州 350007)

酸雨指pH<5.6的大氣降水，是當前最嚴重的環(huán)境問題之一[1]。隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，酸雨問題愈發(fā)嚴重，且影響范圍不斷擴大，長江以南地區(qū)已成為酸雨的主要分布區(qū)[2]。近年來，長江以南酸雨頻繁發(fā)生，使得土壤酸化、質(zhì)量退化，導致土壤養(yǎng)分流失及結構損毀[3]。有關酸雨對土壤碳氮含量的影響存在不同觀點。Guo et al[4]認為酸雨會影響土壤理化性質(zhì)，破壞結構，加快碳、氮元素的淋失，進而降低土壤肥力，且酸雨可減少土壤微生物種群數(shù)量并抑制酶活性，降低有機質(zhì)含量[5]；但吳建平等[6]認為酸雨可導致土壤氮含量增加，使其呼吸速率降低及碳釋放減少，有利于有機碳的積累。

土壤團聚體是維持土壤質(zhì)量的重要物質(zhì)基礎之一，對調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分供應和保持抗蝕性具有重要影響[7]。土壤團聚體還是土壤碳氮固定的重要場所，其穩(wěn)定性與土壤有機質(zhì)相關[8]。隨著酸雨頻發(fā)，土壤酸化、質(zhì)量退化問題不斷突出，有關酸雨對土壤團聚體作用機理的研究備受關注。孫水娟等[9]、許中堅等[10]研究表明，酸雨主要通過調(diào)節(jié)土壤酸堿度和膠結物質(zhì)，進而影響團聚作用。酸雨作用一定程度上減少Al(OH)3和Fe(OH)3等膠結物質(zhì)沉淀，且隨著土壤pH降低，Al(OH)3和Fe(OH)3吸附作用減弱，從而抑制土壤大團聚體的形成，降低團聚體的穩(wěn)定性[11]。林琳等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在快速酸雨淋溶作用下，土壤>0.25 mm粒級團聚體(diameter of more than 0.25 mm, DR0.25)含量隨模擬酸雨酸度升高而顯著減少。目前，有關酸雨對稻田土壤團聚體的影響，特別是對不同生長季稻田土壤團聚體的影響鮮見報道。

福州市年均強酸雨(pH<4.5)發(fā)生頻率高達22.3%[13]，是福建省酸雨高發(fā)區(qū)。水稻是福州平原的主要糧食作物。酸雨的不斷淋溶致使土壤酸化，影響土壤結構及養(yǎng)分含量，對福州平原水稻產(chǎn)量造成威脅?；诖耍狙芯刻接懩M不同水平酸雨對福州平原稻田土壤團聚體穩(wěn)定性及碳氮含量的影響，旨在為稻田土壤結構優(yōu)化及可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地設在福州市倉山區(qū)蓋山鎮(zhèn)福建省水稻研究所吳鳳綜合試驗基地，位于福州城郊南部、烏龍江北岸(26.1°N，119.3°E)，屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫19.6 ℃，年均降水量1 392.5 mm，年均蒸發(fā)量1 413.7 mm，相對濕度77.6%。該基地共有稻田7 hm2，主要實行“早稻—晚稻—蔬菜”輪作模式。稻田耕作層土壤全碳、全氮、全磷含量分別為18.16、1.93、1.80 g·kg-1。供試早晚稻品種分別為江西省農(nóng)業(yè)科學研究院選育的和盛10號和福建省農(nóng)業(yè)科學研究院選育的沁香優(yōu)212，機插，株行距為14 cm×28 cm。水稻移栽前1天施加復合肥(N-P2O5-K2O，N、P2O5、K2O含量均為16%)和尿素(N含量為46%)，以40 kg·hm-2P2O5+42 kg·hm-2N+40 kg·hm-2K2O為底肥;移栽1周后施加分蘗肥:20 kg·hm-2P2O5+35 kg·hm-2N+20 kg·hm-2K2O;8周后施加穗肥:10 kg·hm-2P2O5+18 kg·hm-2N+10 kg·hm-2K2O。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 分別于2015年4月16日—7月17日進行早稻試驗；2015年7月25日—11月7日進行晚稻試驗。根據(jù)當前福州市酸雨范圍(酸雨最低pH約3.5，最高pH約4.97)[13]，設置pH2.5、3.5和4.5酸雨3個處理，以不做任何處理為對照(CK)。隨機區(qū)組排列，每小區(qū)面積10 m2，3個重復。為控制大田串水串肥現(xiàn)象，在田埂外圍插入高×寬為30 cm ×0.5 cm的PVC板作為田埂圍護，每個小區(qū)間隔約1 m。

1.2.2 土壤樣品采集及測定 分別于早稻(7月17日)和晚稻(11月7日)收獲當天用采土器采集各處理0～15 cm土層土壤。樣品采集后立即放入自封袋，帶回實驗室。將去除雜質(zhì)后的樣品分成兩份，一份放入4 ℃冰箱冷藏，備用；另一份自然風干后，取部分土樣過0.149 mm孔篩，裝入自封袋中，用于測定土壤全碳及全氮含量[17]。

根據(jù)Haynes[18]的方法測定土壤團聚體粒級含量。采用土壤碳氮元素分析儀測定團聚體全碳、全氮含量[19]。參考文獻[20]測定DR0.25含量；參考邱莉萍等[21]的方法測定平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter, MWD)、平均幾何直徑(geometrical mean diameter, GMD)；采用楊培嶺等[22]的方法計算分形維數(shù)(fractal dimension,D)。

1.3 統(tǒng)計與分析

采用SPSS 20.0軟件對不同處理間各粒級團聚體含量、土壤全碳及全氮含量和相關參數(shù)的差異性進行單因素方差分析；采用皮爾遜相關性對土壤團聚體各粒級含量與相關參數(shù)進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 酸雨處理對福州稻田土壤團聚體分布的影響

酸雨對福州稻田土壤團聚體含量的影響見表1。由表1可知，早晚季水稻<0.25 mm粒級團聚體含量存在明顯差異。早稻各處理土壤團聚體含量均以<0.25 mm粒級最大；噴淋pH2.5、3.5和4.5酸雨處理各粒級團聚體含量與CK差異均不顯著(P>0.05)，且不同酸雨處理間差異也不顯著(P>0.05)；同一處理<0.25 mm粒級土壤團聚體含量顯著大于其他3個粒級(P<0.05)。與CK相比，pH2.5酸雨處理<0.25 mm和0.50～1.00 mm粒級團聚體含量分別減少了7.23%和9.66%，而0.25～0.50 mm與1.00～2.00 mm粒級則分別增加了22.41%和19.91%；pH3.5酸雨處理<0.25 mm和0.50～1.00 mm粒級團聚體含量分別減少了12.91%和12.52%，而0.25～0.50 mm和1.00～2.00 mm粒級則分別增加了6.84%和66.48%；pH4.5酸雨處理0.25～0.50 mm和1.00～2.00 mm粒級團聚體含量分別增加了6.32%和38.14%。

表1 模擬酸雨處理對福州稻田土壤團聚體含量的影響1)Table 1 Effect of simulated acid rain on soil aggregate content in Fuzhou paddy fields

1)不同大寫字母表示同一粒級不同處理間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一處理不同粒級間差異顯著(P<0.05)。

晚稻各處理土壤團聚體含量均以<0.25 mm粒級最大，且與其他3個粒級差異達顯著水平(P<0.05)。各處理<0.25 mm粒級團聚體含量均與CK差異顯著(P<0.05)。與CK相比，pH3.5酸雨處理<0.25 mm粒級團聚體含量增加了19.29%，其他3個粒級分別減少了7.29%、23.66%和60.45%；pH4.5酸雨處理<0.25 mm粒級團聚體含量增加了11.97%，其他3個粒級分別減少了2.09%、4.80%和43.58%。

2.2 酸雨處理對福州稻田土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

由表2可知，不同酸雨處理對早稻土壤團聚體MWD、GMD、DR0.25含量的影響不顯著(P>0.05)。晚稻田pH2.5、3.5及4.5酸雨處理土壤團聚體MWD、GMD、DR0.25含量均低于CK，且差異顯著(P<0.05)。與CK相比，晚稻田pH2.5酸雨處理MWD、GMD和DR0.25含量分別減少了26.51%、18.93%和24.31%；pH3.5酸雨處理分別減少了34.63%、24.58%和33.72%；pH4.5酸雨處理分別減少了23.53%、16.17%和20.93%。晚稻田3種pH處理D值分別比CK增加了4.49%、5.79%和4.01%，且差異顯著(P<0.05)。

表2 模擬酸雨處理對福州稻田土壤團聚體穩(wěn)定性參數(shù)的影響1)Table 2 Effect of simulated acid rain on stability parameter of soil aggregates in Fuzhou paddy fields

1)數(shù)值后附不同小寫字母者表示同一季稻不同處理間差異顯著(P<0.05)。MWD、GMD、DR0.25、D分別表示平均質(zhì)量直徑、平均幾何直徑、>0.25 mm粒級團聚體、分形維數(shù)。

2.3 各粒級土壤團聚體含量與穩(wěn)定性參數(shù)的相關性分析

由表3可知，土壤團聚體MWD、GMD、DR0.25含量之間存在極顯著正相關關系(P<0.01)；MWD、GMD、DR0.25含量與D值存在極顯著負相關關系(P<0.01)，即D值隨著MWD、GMD、DR0.25含量的增大而減小。GMD、DR0.25含量分別與土壤團聚體1.00～2.00 mm和0.50～1.00 mm粒級存在顯著正相關(P<0.05)，而與<0.25 mm粒級存在極顯著負相關(P<0.01)；D值與土壤團聚體<0.25 mm粒級存在極顯著正相關(P<0.01)，與1.00～2.00 mm粒級存在極顯著負相關(P<0.01)。1.00～2.00、0.50～1.00、0.25～0.50 mm粒級均與<0.25 mm粒級存在極顯著負相關(P<0.01)，說明土壤大團聚體增加，微團聚體減少。

表3 穩(wěn)定性參數(shù)與各粒級團聚體含量相關性1)Table 3 Correlation between stability parameter and content of different size soil aggregates

1)*、**分別表示在0.05、0.01水平(雙側)上顯著相關。MWD、GMD、DR0.25、D分別表示平均質(zhì)量直徑、平均幾何直徑、>0.25 mm粒級團聚體、分形維數(shù)。

2.4 酸雨處理對福州稻田土壤碳氮含量的影響

酸雨處理下福州稻田土壤碳氮含量變化見圖1。由圖1可知，早稻田pH2.5、3.5和4.5酸雨處理土壤碳含量與CK差異不顯著(P>0.05)；晚稻田pH2.5、3.5和4.5酸雨處理組均可提高土壤碳含量，且與CK差異顯著(P<0.05)。早稻田pH2.5、3.5和4.5酸雨處理土壤氮含量分別比CK增加了3.03%、4.04%和7.07%，但差異性均不顯著(P>0.05);晚稻田pH2.5、3.5和4.5酸雨處理均可提高土壤氮含量，且與CK差異顯著(P<0.05)。早、晚稻田pH2.5、3.5和4.5酸雨處理土壤C/N與CK差異均不顯著(P>0.05)。

2.5 酸雨處理對不同粒級土壤團聚體碳氮含量的影響

由表4可知，早、晚稻田土壤碳氮含量主要集中在>0.25 mm粒級大團聚體中，且與<0.25 mm粒級微團聚體差異顯著(P<0.05)。pH4.5處理早稻田1.00～2.00、0.50～1.00、0.25～0.50和<0.25 mm粒級團聚體碳含量差異不顯著(P>0.05)；晚稻田1.00～2.00 mm粒級團聚體碳含量主要集中在各酸雨處理組，與CK相比差異較顯著(P<0.05)。

不同小寫字母表示同一季稻不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖1 酸雨處理對福州稻田土壤碳氮含量及C/N的影響Figure 1 Effect of simulated acid rain on soil carbon and nitrogen contents and C/N ratio in Fuzhou paddy fields

生長季粒級/mmwC/(g·kg-1)pH2.5pH3.5pH4.5CKwN/(g·kg-1)pH2.5pH3.5pH4.5CK早稻<0.2513.93±0.74Ab14.47±0.26Ab13.44±1.32Aa14.70±0.52Ab1.21±0.03Ab1.30±0.02Ab1.27±0.11Aa1.24±0.05Ab0.25～0.5022.47±3.83Aa18.51±1.02Ba17.88±2.53Ba22.56±2.83Aa1.80±0.29Aa1.45±0.14Bab1.39±0.24Ba1.65±0.19ABa0.50～1.0020.62±1.44Aab21.42±2.09Aa19.62±3.29Aa22.06±1.27Aa1.67±0.04Aab1.61±0.06Aa1.50±0.28Aa1.66±0.10Aa1.00～2.0019.02±1.32Aab17.67±0.61Aab16.82±3.31Aa17.99±1.16Aab1.56±0..09Aab1.51±0.06Aab1.30±0.21Aa1.39±0.09Aab晚稻<0.2514.12±0.22Bc21.20±2.95Aa15.65±0.32Bb14.44±0.09Bb1.30±0.05Ab1.64±0.07Aa1.51±0.07Ab1.42±0.02Aa0.25～0.5027.71±2.39Aab30.26±3.43Aa24.21±1.96Ba25.62±3.37ABa2.02±0.18Aa2.04±0.24Aa1.87±0.18Aab1.84±0.27Aa0.50～1.0030.96±1.20Aa27.26±2.13Aa28.81±2.12Aa27.74±1.39Aa1.87±0.14Aa1.82±0.13Aa1.92±0.11Aa1.64±0.01Ba1.00～2.0023.76±2.41Ab32.59±15.61Aa25.29±4.02Aa17.59±0.30Bb1.70±0.08Aab1.65±0.05ABa1.71±0.12Aab1.45±0.01Ba

1)數(shù)值后附不同小寫字母者表示同一季稻同一處理不同粒級間差異顯著(P<0.05)，附不同大寫字母者表示同一季稻同一粒級不同處理間差異顯著(P<0.05)。

早稻田pH4.5處理組各粒級團聚體氮含量差異不顯著(P>0.05)；晚稻田1.00～2.00、0.50～1.00粒級團聚體氮含量主要集中在各酸雨處理組，與CK相比差異較顯著(P<0.05)。

3 討論

3.1 酸雨對稻田土壤團聚體組成及穩(wěn)定性的影響

本研究表明，早、晚稻各處理組土壤團聚體含量均以<0.25 mm粒級為主，這可能與土地利用和管理方式對土壤有機質(zhì)等膠結物質(zhì)影響有關[23]?！暗咎铩卟恕陛喿鞣绞脚c干濕交替的田間管理增強田間土壤擾動頻率，降低大團聚體對機械干擾的抵抗能力[24],同時改善土壤通氣性，激發(fā)微生物代謝活性，促進有機碳礦化與分解[25]，減少有機質(zhì)等膠結物質(zhì)的數(shù)量，弱化土壤團聚作用，提高土壤微團聚體比例。

本研究中，早稻田各酸雨處理組DR0.25含量及穩(wěn)定性與CK相比無顯著差異；晚稻田各酸雨處理組DR0.25含量均低于CK，說明酸雨降低了土壤團聚體穩(wěn)定性。這可能由于早稻季酸雨噴淋期間溫度較低，土壤微生物活性減弱，有機殘體如水稻秸稈等分解較慢，向土壤分解釋放的養(yǎng)分也較低，而模擬酸雨一定程度上補充了鈣等養(yǎng)分含量，而這些養(yǎng)分是組成土壤膠結物質(zhì)的重要元素，有利于團聚體的形成[26]。雖然持續(xù)噴淋酸雨后，土壤pH也會一定程度上降低，并限制團聚體的形成，但二者的綜合影響使得大團聚體及穩(wěn)定性并未發(fā)生顯著變化。而晚稻田酸雨噴淋期間溫度較高，加快還田秸稈的分解，為土壤團聚體的促成提供了豐富的膠結物質(zhì)，在這樣的背景下，酸雨帶來的養(yǎng)分并不是團聚體形成的主要貢獻者。酸雨對早、晚稻土壤團聚體影響的差異還可能與晚稻移栽時間較長，模擬酸雨的持續(xù)噴淋時間延長，致使晚稻土壤酸化程度更高有關。在晚稻生長期，噴淋酸雨處理使土壤酸化，水稻根系活力顯著下降[27]，根系分泌物減少，減弱其對土壤顆粒的膠結作用，從而降低土壤團聚結構和穩(wěn)定性[28]。

團聚體穩(wěn)定性是衡量土壤結構優(yōu)劣的重要指標，MWD和GMD越大，D值越小，團聚效果越好，團聚體越穩(wěn)定[29]，土壤結構也越穩(wěn)定。本研究表明，早稻田各處理土壤MWD、GMD和D差異性不顯著。晚稻田pH3.5、4.5和2.5酸雨處理土壤MWD和GMD均低于CK，D值則高于CK，且差異顯著，表明不同酸度的酸雨噴淋均能降低晚稻土壤團聚體穩(wěn)定性。

3.2 酸雨對稻田土壤碳氮含量的影響

本研究表明，早稻田酸雨處理對土壤碳含量影響不顯著，而晚稻田各酸雨處理組土壤碳含量均高于CK，且差異顯著(P<0.05)。這可能由于季節(jié)是水熱條件的綜合反映，會掩蓋模擬酸雨的作用[30]。早稻生長階段溫度較低，致使稻田土壤中殘茬及根系分解緩慢，對土壤碳的輸入量，特別是活性碳的輸入量較少，使得土壤碳對酸雨響應的敏感性較弱，碳含量變化不大[31]。而晚稻生長期溫度較高，早稻成熟收割后，其秸稈及根系被翻壓還田，高溫加快腐解過程，進而釋放大量活性小分子有機碳。因此，減少活性碳的釋放將有利于土壤碳的保持。與CK相比，酸雨的長期淋溶使土壤酸化不斷加劇，微生物的數(shù)量和群落組成結構受到一定影響，參與有機碳循環(huán)的微生物活性與數(shù)量也會受到抑制[32]，減少土壤微生物呼吸與碳的釋放，促進碳的存儲。此外，土壤酶是活性有機碳分解和轉(zhuǎn)化的主要調(diào)節(jié)者[33]，而土壤酶活性受土壤pH的影響極顯著。張萍華等[34]研究發(fā)現(xiàn)，當pH<4時，酸雨對土壤酶活性有明顯的抑制作用。隨著土壤酸化的加劇，抑制了參與土壤有機碳分解酶活性，降低土壤活性有機碳的釋放，促進碳的積累。

3.3 稻田土壤不同粒級團聚體碳氮含量變化及其與團聚體穩(wěn)定性關系

本研究表明，早、晚稻田土壤不同粒級團聚體碳氮含量百分比主要集中在>0.25 mm粒級大團聚體內(nèi)，與微團聚體相比差異顯著。這主要由于土壤大團聚體是由微團聚體經(jīng)過土壤微生物的活動、代謝產(chǎn)物或植物分泌物的膠結作用形成的[36]。具體原因為：(1)稻田基肥的施加和還田秸稈的分解，共同促進了土壤碳氮等養(yǎng)分含量的增加，有利于大團聚體的形成，因此，大團聚體中含有相對較高的碳氮養(yǎng)分；(2)由于大團聚體可優(yōu)化土壤結構，增強土壤固持碳氮的能力，最終使得大團聚體具有較高的碳氮含量。