琯溪蜜柚園土壤酸化特征研究

李歆博，林偉杰，李湘君，林 鋒，莊木來(lái)，朱東煌，郭九信，陳立松，李 延

（1.福建農(nóng)林大學(xué) a.資源與環(huán)境學(xué)院；b.福建省土壤環(huán)境健康與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；2.福建省漳州市平和縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 琯溪蜜柚綜合試驗(yàn)站，福建 漳州 363700）

土壤酸化問(wèn)題是一個(gè)嚴(yán)重的土壤退化問(wèn)題，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)酸化土壤面積已達(dá)2.04×108hm2，占國(guó)土總面積的22.7%[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，土壤酸化的面積和程度有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)。Guo等[2]研究發(fā)現(xiàn)，1980年以來(lái)，我國(guó)90%的耕地出現(xiàn)了不同程度的酸化現(xiàn)象，農(nóng)田土壤的pH值平均下降了0.5個(gè)單位，其中53.2%的土壤pH值下降超過(guò)0.5個(gè)單位。酸化加劇了土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的流失，降低了土壤養(yǎng)分的生物有效性[3]，使土壤的保肥能力和供肥能力均有所下降；酸化促進(jìn)了土壤中鋁的活化[4]和重金屬的溶解[5]，危害了作物生長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境，已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要障礙。目前有關(guān)土壤酸化問(wèn)題的研究對(duì)象主要是耕地土壤，而有關(guān)柑橘園土壤酸化問(wèn)題的研究報(bào)道則少見(jiàn)。梁梅青等[6]對(duì) 1 405個(gè)贛南臍橙園土壤樣品的分析結(jié)果表明，土壤pH值在5.0以下的酸性、強(qiáng)酸性土壤樣本數(shù)占樣本總數(shù)的82.7%，其中pH＜4.5的強(qiáng)酸性土壤占其樣本總數(shù)的45.7%。廣東省西江流域有80.4%的砂糖橘果園土壤的pH值低于4.5[7]。有關(guān)研究結(jié)果表明，土壤酸化會(huì)造成柑橘產(chǎn)量和品質(zhì)的下降，而通過(guò)施用石灰提高土壤pH值可顯著提高柑橘產(chǎn)量，降低其果實(shí)中可滴定酸的含量，提高果實(shí)的糖/ 酸比值[8]?，g溪蜜柚是福建省平和縣的支柱產(chǎn)業(yè)，該縣種植面積達(dá)4.33×104hm2、產(chǎn)量120×104t，種植面積和產(chǎn)量均居全國(guó)首位[9]。前人對(duì)蜜柚園土壤酸化的研究?jī)H限于土壤pH值的測(cè)定[10-11]，而有關(guān)蜜柚園土壤酸化的土層分布特征、影響因素和酸化對(duì)土壤養(yǎng)分保存的影響情況的研究卻未見(jiàn)報(bào)道。為此，本研究采集福建省平和縣319個(gè)蜜柚園的土壤樣品和25個(gè)蜜柚園土壤剖面表土層（0～20 cm）、亞表土層（20～40 cm）和底土層（40～60 cm）的土壤樣品，分析了蜜柚園土壤pH值的分布特征、影響蜜柚園土壤酸化的因素和土壤pH值與鹽基飽和度以及交換性鈣與交換性鎂含量的關(guān)系，以期為蜜柚園土壤改良和蜜柚產(chǎn)量和品質(zhì)的提升及蜜柚產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

1.1.1 土壤樣品

選擇福建省漳州市平和縣10個(gè)蜜柚主產(chǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)具有代表性的319個(gè)果園，參照程琛文章中的方法[12]采集其土壤樣品，采樣時(shí)間為2017年9—10月。同時(shí)對(duì)果園中樹(shù)齡近2 a的蜜柚樹(shù)的施肥管理等措施進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，回收有效問(wèn)卷279份。

1.1.2 剖面土壤樣品

選取樹(shù)齡在15 a以上的蜜柚園25個(gè)，每個(gè)果園選取長(zhǎng)勢(shì)一致的5株蜜柚樹(shù)作為樣株，采集表土層（0～20 cm）、亞表土層（20～40 cm）和底土層（40～60 cm）的土壤樣品，采集的蜜柚園剖面土壤樣品合計(jì)75個(gè)。

1.2 分析方法

土壤pH值的測(cè)定，采用電位法（水∶土= 2.5∶1.0）；土壤交換性氫和鋁的測(cè)定，采用KCl浸提-NaOH中和滴定法[13]；土壤堿解氮的測(cè)定，采用堿解擴(kuò)散法[14]；土壤有效硫的測(cè)定，采用磷酸鹽-乙酸浸提，硫酸鋇比濁法；用醋酸銨法測(cè)定陽(yáng)離子交換量（CEC）；以醋酸銨浸提法測(cè)定交換性鉀、鈣、鎂的含量，以火焰光度法測(cè)定鉀含量，以原子吸收光度法測(cè)定鈣、鎂的含量。以交換性鹽基總量（指交換性鉀、鈣、鎂含量之和）占CEC的比值計(jì)算鹽基飽和度[13]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Office Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖，用SPSS 19.0進(jìn)行方差和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蜜柚園土壤的酸化狀況

根據(jù)Kanyanjua等[15]提出的土壤酸度劃分標(biāo)準(zhǔn)，將土壤酸度劃分為極強(qiáng)酸（pH＜4.5）、強(qiáng)酸（pH為4.5～5.0）、酸（pH為5.0～6.0）和微酸（pH為6.0～6.5）4個(gè)等級(jí)。平和縣319個(gè)蜜柚園土壤pH值的變化幅度為3.26～6.22，其平均值為4.34，具體調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。其中，極強(qiáng)酸（pH＜ 4.5）、強(qiáng)酸（pH為4.5～5.0）、酸（pH為5.0～6.0）和微酸（pH為6.0～6.5）的果園分別占調(diào)查總果園數(shù)的67.71%、22.26%、9.40%和0.63%。謝志南等[16]的研究結(jié)果表明，柑橘生長(zhǎng)適宜的土壤pH值為5.0～6.5。由此可以得出，319個(gè)蜜柚園土壤樣品中有89.97%的果園土壤pH值低于適宜指標(biāo)的下限（pH為5.0），僅有10.03%的蜜柚園土壤樣品的pH值處于適宜柑橘生長(zhǎng)的范圍內(nèi)，說(shuō)明蜜柚園土壤存在嚴(yán)重的酸化問(wèn)題。

不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)蜜柚園土壤樣品的pH平均值存在明顯差異，除文峰鎮(zhèn)、山格鎮(zhèn)蜜柚園土壤的pH平均值＞4.5外，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)蜜柚園土壤的pH平均值均＜ 4.5。不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)果園pH＜4.5極強(qiáng)酸的土壤占比從大到小依次為崎嶺鄉(xiāng)（88.23%）、蘆溪鎮(zhèn)（87.50%）、國(guó)強(qiáng)鄉(xiāng)（84.62%）、坂仔鎮(zhèn)（80.95%）＞霞寨鎮(zhèn)（77.78%）、九峰鎮(zhèn)（70.00%）＞南勝鎮(zhèn)（59.09%）、小溪鎮(zhèn)（58.93%）＞文峰鎮(zhèn)（47.06%）、山格鎮(zhèn)（42.86%），說(shuō)明崎嶺鄉(xiāng)、蘆溪鎮(zhèn)、國(guó)強(qiáng)鄉(xiāng)和坂仔鎮(zhèn)的蜜柚園土壤酸化最為嚴(yán)重。

表1 平和縣蜜柚園土壤pH值的調(diào)查結(jié)果?Table 1 Survey results of soil pH values in pomelo orchards of Pinghe county

2.2 蜜柚園土壤剖面的酸化特征

25個(gè)蜜柚園土壤剖面不同土層的p H值見(jiàn)表2。由表2可知，25個(gè)蜜柚園土壤剖面的pH平均值隨土層深度的增加而降低，不同土層極強(qiáng)酸、強(qiáng)酸土壤樣品的占比從大到小依次為20～40 cm亞表土層（96.00%）、40～60 cm底土層（92.00%）、0～20 cm表土層（88.00%），與表土層土壤 pH＜4.5的占比相比，亞表土層和底土層的分別提高了50.00%和35.71%，說(shuō)明平和縣蜜柚園不僅存在表土酸化的問(wèn)題，而且其亞表土層和底土層的土壤同樣存在酸化問(wèn)題，且其酸化現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

對(duì)土壤pH值和土壤交換性氫、交換性鋁含量的相關(guān)性進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，土壤pH值與土壤交換性氫、交換性鋁含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)方程分別為：

y(土壤交換性氫含量)=-1.615 7x(土壤pH值)+9.122 9，r=0.481 5**，n=75；

y(土壤交換性鋁含量)=-0.622 7x(土壤pH值)+3.691 6，r=0.315 1**，n=75。

這一分析結(jié)果說(shuō)明，酸化會(huì)導(dǎo)致土壤中氫離子和鋁離子數(shù)量的增加。

表2 25個(gè)蜜柚園土壤剖面不同土層的pH值Table 2 pH values of different soil profile layers in 25 pomelo orchards

圖1 土壤pH值和土壤交換性氫、交換性鋁含量的相關(guān)關(guān)系Fig.1 Relationship of soil pH value with contents of exchangeable hydrogen and exchangeable aluminum in soil

2.3 蜜柚園土壤酸化的影響因素

2.3.1 氮肥施用量和土壤堿解氮含量

調(diào)查結(jié)果表明，平和縣279個(gè)蜜柚園結(jié)果樹(shù)的化學(xué)氮肥年施用量為0.30～3.06 kg·株-1，其平均施用量為1.32 kg·株-1。以蜜柚結(jié)果樹(shù)適宜氮肥施用量0.9～1.1 kg·株-1[17]為標(biāo)準(zhǔn)，有65.47%的蜜柚園氮肥施用量大于1.1 kg·株-1，說(shuō)明蜜柚生產(chǎn)中普遍存在氮肥施用過(guò)量的問(wèn)題。按照氮肥適宜施用量的上限為1.1 kg·株-1的標(biāo)準(zhǔn)劃分氮肥用量的等級(jí)，分析不同氮肥用量等級(jí)對(duì)土壤pH值的影響情況，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，土壤pH平均值隨氮肥施用量的增加而降低，不同pH值等級(jí)的土壤占比隨氮肥施用量的增加而變化的情況分別表現(xiàn)為：pH＜4.5的極強(qiáng)酸土壤的占比，隨氮肥施用量的增加而提高；pH＜4.0的土壤占比，氮肥施用量分別為1.1～1.5 kg·株-1和＞ 1.5 kg·株-1的比氮肥施用量＜1.1 kg·株-1的分別提高了30.23%和95.42%。

表3 氮肥施用量對(duì)蜜柚園土壤pH值的影響Table 3 Effect of nitrogen application on soil pH values in pomelo orchards

調(diào)查結(jié)果表明，平和縣319個(gè)蜜柚園土壤堿解氮的含量為21.35～262.43 mg·kg-1，平均含量為（104.50±35.54）mg·kg-1。根據(jù)土壤堿解氮含量水平的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，土壤堿解氮含量＜50、50～100、100～200、＞200 mg·kg-1的 依 次被評(píng)為極缺、缺乏、適宜和高量，共4個(gè)含量等級(jí)[11]。平和縣319個(gè)蜜柚園中堿解氮含量依次屬于極缺、缺乏、適宜和高量等級(jí)的土壤占比分別為3.45%、45.14%、49.84%、1.57%，此結(jié)果與之前關(guān)于蜜柚園過(guò)量施用氮肥的結(jié)論并不吻合。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，由于勞動(dòng)力資源缺乏、雇工成本高，平和縣蜜柚生產(chǎn)中，除采后將化肥與有機(jī)肥混合開(kāi)溝深施外，其他生長(zhǎng)季節(jié)的化肥施用均采用撒施方法，而撒施導(dǎo)致的氮素大量損失是蜜柚園土壤堿解氮含量并未因過(guò)量施用氮肥而提高的原因。對(duì)土壤pH值和堿解氮含量的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，土壤pH值與土壤堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其擬合方程為：

y(土壤pH值)=-0.002 6x(土壤堿解氮含量)+4.613 9，r=0.206 1**，n=319。

圖2 土壤pH值和堿解氮含量的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Relationship of soil pH value with alkali- hydrolyzable nitrogen content

2.3.2 種植年限

將蜜柚樹(shù)種植年限按≤8、8～15、≥15 a進(jìn)行分級(jí)，蜜柚樹(shù)的種植年限對(duì)蜜柚園土壤pH值的影響情況見(jiàn)表4。表4表明，不同蜜柚樹(shù)種植年限等級(jí)間土壤pH平均值的差異不明顯，但是，pH＜4.0的土壤占比隨著蜜柚樹(shù)種植年限的增加而提高，園中極強(qiáng)酸土壤的占比，蜜柚樹(shù)種植年限分別為8～15和≥15 a的較種植年限≤8 a的分別提高了60.67%和74.14%。

2.3.3 土壤有效硫含量

調(diào)查結(jié)果表明，平和縣蜜柚園土壤有效硫含量為10.98～116.65 mg·kg-1，平均含量為（55.73± 24.45）mg·kg-1。以土壤有效硫含量＞30 mg·kg-1作為高量標(biāo)準(zhǔn)[18]來(lái)評(píng)價(jià)，有96.24%的果園其土壤有效硫處于高量水平，表明蜜柚園土壤存在硫的富集問(wèn)題。按土壤有效硫含量＜30、30～60、＞ 60 mg·kg-1的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，不同有效硫含量等級(jí)的土壤其pH平均值隨其有效硫含量的增高而下降（表5），其差異達(dá)顯著水平 （P＜0.05）。不同土壤有效硫含量等級(jí)間，pH＜4.5和pH＜4.0的土壤占比均隨土壤有效硫含量的增加而提高，與有效硫含量＜30 mg·kg-1的土壤樣品比較，有效硫含量為30～60和＞60 mg·kg-1而pH＜4.0的土壤樣品的占比分別提高了311.20%與735.68%。

表4 種植年限對(duì)蜜柚園土壤pH值的影響Table 4 Effect of planting years on soil pH values in pomelo orchards

表5 土壤有效硫含量對(duì)蜜柚園土壤pH值的影響Table 5 Effect of available sulfur content in soil on soil pH values in pomelo orchards

2.4 酸化對(duì)土壤鹽基飽和度和交換性鈣、交換性鎂含量的影響

2.4.1 鹽基飽和度

鹽基飽和度是土壤肥力的重要影響因素。土壤pH值和土壤鹽基飽和度的相關(guān)關(guān)系的分析結(jié)果如圖3所示。土壤pH值與土壤鹽基飽和度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，其擬合方程為：

Y(土壤鹽基飽和度)=7.962 6x(土壤pH值)-22.701，r=0.556 8**，n=319。

這一分析結(jié)果表明，酸化會(huì)導(dǎo)致土壤鹽基離子的淋失。

圖3 土壤pH值和土壤鹽基飽和度的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relationship of soil pH value with salt base saturation in soil

2.4.2 交換性鈣、交換性鎂的含量

調(diào)查結(jié)果表明，平和縣蜜柚園土壤交換性鈣含量為90.47～2 705.82 mg·kg-1，平均含量為（495.42±317.24）mg·kg-1，其中交換性鈣含量低于適宜值（500 mg·kg-1）[19]的土壤樣品占65.83%。土壤交換性鎂含量的變幅為0.45～272.25 mg·kg-1，其平均值為（56.96±48.26）mg·kg-1，有77.12%的土壤樣品其交換性鎂含量低于適宜值（80 mg·kg-1）[19]。土壤pH值和土壤交換性鈣、交換性鎂含量的相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果如圖4所示。圖4表明，土壤pH值與土壤交換性鈣、交換性鎂含量間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，其擬合方程分別為：

y(土壤交換性鈣含量)=371.46x(土壤pH值)-1118.4，r=0.520 8**，n=319；

y(土壤交換性鎂含量)=40.186x(土壤pH值)-117.62，r=0.370 4**，n=319。

這一分析結(jié)果說(shuō)明，酸化是導(dǎo)致蜜柚園土壤鈣和鎂缺乏的重要原因。

圖4 土壤pH值和土壤交換性鈣、交換性鎂含量的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relationship of soil pH value with contents of exchangeable calcium and exchangeable magnesium in soil

3 結(jié)論與討論

平和縣蜜柚園土壤存在嚴(yán)重的酸化問(wèn)題，有89.97%的蜜柚園其土壤pH值低于柑橘生長(zhǎng)適宜pH值的下限（pH為 5.0～6.5）（表1）。已有研究結(jié)果表明，高鋁脅迫會(huì)抑制柑橘對(duì)礦質(zhì)元素的吸收，表現(xiàn)為葉片中磷、鉀、鎂、銅、鋅和鉬含量均顯著低于對(duì)照[20]，高鋁顯著降低了柑橘葉綠素含量、光化學(xué)焠滅系數(shù)和PSⅡ電子傳遞速率，使葉綠素希爾反應(yīng)和光合磷酸化均受到抑制，凈光合速率下降[21]，高鋁脅迫下，柑橘新生根和須根數(shù)量均顯著減少[22]，柑橘根、莖、葉的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均明顯降低[23]。酸化土壤中氫離子和鋁離子通過(guò)與土壤膠體表面吸附的鹽基離子交換，促進(jìn)了土壤交換性鹽基離子的淋失，本研究結(jié)果表明，土壤鹽基飽和度和交換性鈣、交換性鎂的含量均隨土壤pH值的下降而降低（圖3和4），說(shuō)明土壤酸化會(huì)導(dǎo)致土壤保肥能力和供肥能力的減弱。本研究中發(fā)現(xiàn)，亞表層和底層土壤的酸化問(wèn)題較表層土壤更為突出（表2）。Mohammad[24]比較分析了施用石灰、堿渣、磷石膏對(duì)紅壤不同土層土壤pH值的影響情況，結(jié)果表明，與對(duì)照相比較，3種改良劑均可顯著提高0～20 cm土層土壤的pH值，但施用石灰并不能顯著提高20～30和30～40 cm土層土壤的pH值，施用磷石膏和堿渣可顯著提高底土層的pH值，其中堿渣的改良效果優(yōu)于磷石膏。

本研究結(jié)果表明，蜜柚園土壤酸化程度隨氮肥施用量的增加而提高（表3），土壤pH值與土壤堿解氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（圖2），說(shuō)明氮肥過(guò)量施用是導(dǎo)致土壤酸化的重要原因。長(zhǎng)期田間定位試驗(yàn)結(jié)果表明，連續(xù)18 a施用尿素 （300 kg·hm-2a-1）可使小麥—玉米輪作土壤的pH值由5.7下降至4.2[25]，化肥氮肥施用量的增加顯著加大了土壤的酸化程度和酸化速率，旱地紅壤氮肥施用量每增加100 kg·hm-2，土壤pH值平均下降0.2[26]，以300 kg·hm-2a-1的氮量施用量處理的紅壤酸化速率（0.107 pH·a-1）是不施肥對(duì)照 （0.044 pH·a-1）的2.4倍[27]。土壤中的銨態(tài)氮通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N，并且釋放出H+，而 NO3--N的淋溶伴隨鹽基離子的淋失，致使土壤緩沖酸化的能力降低，因此，硝化反應(yīng)和NO3--N的淋溶作用是氮肥過(guò)量施用導(dǎo)致土壤酸化的主要原因[28]。

長(zhǎng)期以來(lái)，柑橘一直被視為是“忌氯作物”，長(zhǎng)期施用含硫肥料（主要是硫酸鉀）會(huì)使蜜柚園土壤出現(xiàn)明顯的硫累積。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，土壤有效硫含量的增加，促進(jìn)了土壤酸化程度的增大（表5）。鄒長(zhǎng)明等[29]在紅壤稻田開(kāi)展的26 a長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，與施用含氯肥料處理相比，含硫肥料更易造成土壤的酸化。土壤有效硫的富集導(dǎo)致土壤酸化的原因尚不完全清楚。陳銘等[30]研究認(rèn)為，施用含硫肥料處理的土壤其電導(dǎo)率較含氯肥料處理的高，而土壤電解質(zhì)濃度的提高壓縮了膠體表面的雙電層，從而代換出較多的H+，這是含硫肥料導(dǎo)致土壤pH值降低的原因。此外，土壤SO42-的移動(dòng)性大，SO42-的淋溶伴隨著Ca2+、Mg2+離子的淋失，也是引起土壤酸化的原因[31]。

綜上所述，平和縣蜜柚園土壤酸化嚴(yán)重，且隨著蜜柚樹(shù)種植年限的延長(zhǎng)，土壤酸化加劇，酸化導(dǎo)致土壤交換性鈣、交換性鎂含量降低，土壤鈣、鎂缺乏，而高量施用氮肥和硫肥是引起土壤酸化的原因。生產(chǎn)上蜜柚園土壤酸化的調(diào)控，一方面可通過(guò)施用白云石等堿性土壤改良劑，既中和土壤酸性，又能補(bǔ)充鈣、鎂營(yíng)養(yǎng)元素，施用方法則宜結(jié)合果園深翻改土，以改良蜜柚園亞表層和底層土壤的酸化；另一方面可通過(guò)測(cè)土配方施肥，減少致酸物質(zhì)氮、硫的投入，以有機(jī)肥替代化肥，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加土壤的酸緩沖容量。本研究得出的有關(guān)土壤硫富集導(dǎo)致柑橘園土壤酸化的結(jié)論和機(jī)理還有待通過(guò)長(zhǎng)期的田間試驗(yàn)予以驗(yàn)證。