3種改良劑對強酸性高硒茶園土壤硒有效性調控效果與機理

謝珊妮，宗良綱，張琪惠，戴榮波，潘含岳，原強

南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇 南京 210095

3種改良劑對強酸性高硒茶園土壤硒有效性調控效果與機理

謝珊妮，宗良綱*，張琪惠，戴榮波，潘含岳，原強

南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇 南京 210095

通過室內模擬試驗和田間試驗相結合的方法，探究3種改良劑（秸稈生物質炭、鈣鎂磷肥和蚯蚓液態肥）及其不同配施方式對強酸性高硒茶園土壤硒有效性的調控效果與機理。模擬施肥試驗結果表明，不同處理均可顯著提高土壤pH值和降低交換態鋁含量，同時顯著提高有效硒含量。形態分析結果表明，硒由有機結合態向可溶態轉化，從而增加土壤有效硒含量；鋁由交換態向有機配位態轉化，土壤潛性酸度降低，進一步增強硒的有效性。田間試驗結果表明，秸稈生物質炭和鈣鎂磷肥的不同配施方式均能有效抑制茶園土壤進一步酸化，顯著提高土壤硒有效性及茶葉硒含量，其中同時施用秸稈生物質炭和鈣鎂磷肥再錯時配施蚯蚓液態肥的效果最佳。本研究可為酸性富硒土壤地區開發富硒茶提供依據。

土壤改良劑；活性鋁；有效硒；茶園土壤；酸化

隨著環境問題的加劇，全世界土壤酸化面積不斷增加[1]。土壤酸化會對植物的養分吸收和正常生長造成不良影響。盡管茶樹是一種喜酸性植物，但近年來茶園土壤酸化日趨嚴重[2-3]，對茶葉產量和品質安全帶來不利影響。本課題組2008～2010年對江蘇省21個典型茶場的調查結果顯示，所有被調查的茶園土壤pH值均低于茶樹生長最適pH值5.5，其中pH值低于4.0的茶園比例達42.8%[4]。

硒是生命所必需的微量元素，硒的醫學保健作用得到越來越廣泛的應用[5-6]。茶樹具有較強的富硒能力，可通過富集和轉化作用，把非生物活性和毒性高的無機硒轉化為安全有效的有機硒。茶園土壤酸化會抑制硒的有效性，從而影響茶樹對土壤中硒的吸收，使富硒地區土壤硒素資源不能得到充分利用。本研究在前期工作的基礎上，比較了秸稈生物質炭、鈣鎂磷肥和蚯蚓液態肥3種改良劑對強酸性高硒茶園土壤硒有效性的影響，分析其調控茶園土壤中鋁和硒的形態變化，以期在不添加外源硒素的前提下，通過土壤中P-Se交互作用、錯時配施措施等提高土壤中硒的化學有效性，從而提高其生物有效性，為富硒茶產業的發展提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

根據前期對茶園土壤硒含量的實地調查，田間試驗選擇在浙江省長興基隆塢茶場的代表性茶園中進行，同時實驗室模擬施肥的培養試驗供試土壤亦采自該茶場。供試土壤pH 3.92，全硒含量為0.68 mg·kg-1，屬于強酸性高硒土壤[7]。土壤堿解氮90.2 mg·kg-1，速效磷40.8 mg·kg-1，速效鉀47.2 mg·kg-1，有機質31.09 mg·kg-1，粘粒比例6.53%。

1.2 供試材料

供試改良劑包括：（1）秸稈生物質炭：徐州萬國生物能源科技有限公司生產，C含量≥150 mg·kg-1，pH 7.87；（2）鈣鎂磷肥：荊門市高園磷肥有限公司生產，有效磷（P2O5）含量≥120 g·kg-1，pH 9.68；（3）蚯蚓液態肥：北京清大元農生物科技有限公司生產，氨基酸≥100 g·L-1，pH 5.44。

1.3 試驗方法

1.3.1 室內模擬試驗

稱取磨細過2 mm篩的風干土200 g與不同改良劑完全混合均勻，置于塑料燒杯中，加入一定量的去離子水將混合體系的含水量調節至土壤田間持水量的60%左右，用塑料保鮮膜封住燒杯口，并開若干小口便于空氣交換。燒杯按隨機排列方式置于25℃下培養，每3 d稱重1次，補充水分。

依據前期研究結果，本研究中除對照（CK，生產上常規施肥用量，不施加任何改良劑）外，設置了秸稈生物質炭、鈣鎂磷肥、蚯蚓液態肥單施和復配施用共9個不同處理：第1類施用單一改良劑，包括3個處理：單施秸稈生物質炭（C）10 g·kg-1、單施鈣鎂磷肥（P）1.5 g·kg-1、單施蚯蚓液態肥（B）0.03 g·kg-1；第2類同時配施兩種改良劑，包括2個處理：同時配施秸稈生物質炭與鈣鎂磷肥（C+P）10 g·kg-1＋1.5 g·kg-1、同時配施秸稈生物質炭與蚯蚓液態肥（C+B）10 g·kg-1＋0.03 g·kg-1；第3類錯時配施兩種改良劑，包括3個處理：先施鈣鎂磷肥后施秸稈生物質炭（P-C）1.5 g·kg-1＋10 g·kg-1、先施鈣鎂磷肥后施蚯蚓液態肥（P-B）1.5 g·kg-1＋0.03 g·kg-1、先施秸稈生物質炭后施蚯蚓液態肥（C-B）10 g·kg-1＋0.03 g·kg-1；第4類配施多種改良劑，1個處理：即先混施秸稈生物質炭和鈣鎂磷肥，后施用蚯蚓液態肥（C＋P-B）1.5 g·kg-1＋10 g·kg-1＋0.03 g·kg-1。每個處理重復3次。其中，錯時配施兩種改良劑的處理，前后兩次施用改良劑間隔30 d，即在取出第1次土樣后再施加另一種改良劑。整個培養試驗持續60 d，分別在30 d和60 d時各采集土樣1次，風干，磨細過篩備用。

1.3.2 田間試驗

田間試驗地選擇在浙江省長興縣基隆塢茶場。在茶園常規施肥管理的基礎上，除對照（CK，不施加改良劑）外，根據模擬施肥試驗效果，設置了3個不同處理：先施秸稈生物質炭2 kg·m-2后施蚯蚓液態肥（C-B）、先施鈣鎂磷肥0.3 kg·m-2后施蚯蚓液態肥（P-B）、先同時配施秸稈生物質炭與鈣鎂磷肥2 kg·m-2＋0.3 kg·m-2后施蚯蚓液態肥（C＋P-B）。各處理均設3次重復，12個小區隨機分布，在茶壟一側開溝施入改良劑，時間與茶園秋季施肥同步，錯時配施蚯蚓液態肥在1個月后進行，即在茶壟另一側開溝施入蚯蚓液態肥（6 g·m-2，400倍稀釋液），以增強茶樹根系吸收能力，旨在提高土壤硒的生物有效性。田間試驗于2015年11月布置完成，并于2016年4月采茶時進行土壤及茶葉樣品的采集。

1.4 測定項目與方法

土壤pH值采用水浸提電位法測定。有機質含量采用油浴外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定。速效磷含量采用0.05 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1(1/2 H2SO4)法測定。陽離子交換量（CEC）采用1 mol·L-1乙酸銨交換法測定。

土壤活性鋁形態采用邵宗臣等[8]改進的連續分級提取方法，分別用0.2 mol·L-1HCl、1 mol·L-1KCl、0.1 mol·L-1Na4P2O7逐步提取交換態、羥基吸附態和有機配位態鋁，采用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）測定。

土壤有效硒及硒形態參照瞿建國等[9]推薦的方法測定。用0.5 mol·L-1NaH2PO4溶液浸提土壤中有效態硒，分別用0.25 mol·L-1KCl、0.7 mol·L-1KH2PO4、2.5 mol·L-1HCl、5% K2S2O8和HNO3逐步提取可溶態、可交換態及碳酸鹽結合態、鐵-錳氧化物結合態和有機物結合態硒，采用氫化物發生-原子熒光光譜法（HG-AFS）測定。

茶葉硒含量測定：茶葉烘干粉碎后，用硝酸-鹽酸-氫氟酸4∶1∶1微波消解，HG-AFS測定。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2007軟件進行數據處理與圖表制作，通過SPSS 17.0軟件進行差異顯著性和相關性分析。

2 結果與討論

2.1 模擬試驗對茶園土壤中硒有效性的影響及其機理

2.1.1 不同處理對土壤硒有效性的影響

土壤硒是植物吸收利用硒的最直接來源，土壤中有效硒是決定食物鏈中硒水平的關鍵因素。本試驗中，不同處理土壤中有效硒的含量均有不同程度提高（圖1），與CK相比差異幾乎均達到了顯著水平（P＜0.05），且與pH呈正相關（r=0.78，P＜0.05）。單施處理效果依次為P＞C＞B，60 d時土壤有效硒分別比對照提高了28.32、20.68、10.08 μg·kg-1，增幅分別為53.4%、39.0%和19.0%。配施處理中有效硒含量平均提高了37.01 μg·kg-1，增幅達70.0%，效果優于單施處理。在所有處理中，C＋P處理效果最佳，培養至60 d時土壤有效硒含量提高了50.38 μg·kg-1，增幅為95.0%。

土壤中硒的生物有效性在一定程度上取決于化學有效性，而化學有效性與其存在形態密切相關。通過分析不同處理條件下土壤中硒的形態（表1）可知：供試土壤中可溶態、可交換態及碳酸鹽結合態硒含量較低，而主要以有機結合態和鐵-錳氧化物結合態硒存在。可溶態硒是最易遷移和被植物利用的硒[10]，不同處理下其含量持續上升，與有效硒含量呈正相關（r=0.74，P＜0.05），60 d時C+P、P-C和C+P-B 3個處理的可溶態硒含量均達到對照的2.5倍以上。土壤可交換態及碳酸鹽結合態硒是土壤可利用硒的重要組成部分，與對照相比，C、C+B、P-C和C+P-B處理含量均有增加。鐵-錳氧化物結合態硒一般不能被植物吸收利用，在本試驗中沒有明顯變化。有機質是土壤中固定和貯存硒的重要媒介。有機結合態硒是含量相對較高的形態，該形態硒在土壤環境中易發生轉化[11]。在本試驗中，各處理有機結合形態硒含量與對照相比，除個別處理外，基本上均顯著降低（P＜0.05）。可見在改良劑的作用下，土壤中硒從有機結合態中釋放，并向可溶態轉化，從而提高了土壤有效硒的含量。

圖1 不同處理對土壤有效硒含量的影響Fig. 1 The effects of different treatments on soil available Se

2.1.2 不同處理提高土壤中硒有效性的機理

（1）對土壤pH值的影響。盡管茶樹是一種喜酸性作物，其適宜生長的土壤pH值范圍在4.5～6.0之間，當土壤pH值低于4.0時，茶樹生長就會受到抑制，更會對茶葉品質產生不良影響[12]。在本試驗中，模擬施肥進行到第60天時，在前30 d pH值提高的基礎上，各處理土壤pH值仍有提高（圖2），與CK相比，提高幅度為0.20～1.13，均達到顯著水平（P＜0.05）。單施處理效果依次為P＞C＞B，土壤pH值比對照分別提高了0.85、0.71和0.20。配施處理的土壤pH值平均提高了0.99，比單施處理效果更佳。C+P、P-C、P-B和C+P-B 4個處理效果突出，pH分別達到5.03、5.05、4.97和5.04。

結果表明，3種土壤改良劑都可以有效提高土壤pH值。其中，鈣鎂磷肥的增幅最大，主要通過其堿性中和土壤中的H+。秸稈生物質炭還擁有含氧官能團和碳酸鹽，能以陰離子形式與酸性土壤中的H+發生締合反應[13]。另外，土壤中的H+還會與這兩種改良劑表面鈣、鎂等陽離子發生反應，從而降低土壤中H+濃度。而蚯蚓液態肥中和土壤酸度的效果較差，本試驗中使用是為了在后續田間試驗中通過其促進根系生長來提高土壤中硒的生物有效性。

土壤pH值可通過改變土壤膠體表面羥基的解離度以及表面電荷等方式影響土壤對硒的吸附。隨pH的升高，土壤膠體表面所帶的負電荷也有所增加，不利于對硒含氧陰離子的吸附，硒溶解性增強，土壤可溶態硒含量增加，從而提高硒的有效量。pH值的大小直接決定了土壤溶液中OH-的數量。土壤中OH-等競爭陰離子的存在是影響硒的遷移性、生物可利用性及毒性的重要因素。改良劑的施用中和了土壤酸性，釋放陰離子OH-競爭硒在土壤表面的吸附位點，鐵錳鋁等氧化物和腐殖質對硒的吸附能力也降低[14]。

圖2 不同處理對土壤pH的影響Fig. 2 The effects of different treatments on soil pH

（2）對土壤鋁活性的影響。土壤酸化促使固定態的礦物鋁部分活化成為可溶態的鋁，增強了鋁的活性。交換態鋁、羥基吸附態鋁和有機配位態鋁是土壤鋁中比較活躍的部分。交換態鋁是土壤交換性酸度、潛性酸和土壤pH值的決定性因素。在本試驗中，鋁的交換態變化最明顯（表2）。所有處理土壤交換態鋁的含量均顯著低于對照（P＜0.05）。3個單施處理中土壤交換態鋁含量的減幅P＞C＞B，30 d時分別達到52.1%、47.2%和23.0%，60 d時P和C處理分別比對照下降了59.6%和57.3%，但B處理交換態鋁含量略有回升。配施處理中，C+P處理在30 d時交換態鋁含量降幅已達到60%以上，60 d時C+P、P-C和C+P-B處理中交換態鋁含量均比對照下降了78%以上。而P-B處理進行到60 d時，交換態鋁含量僅略有減少，且效果遠不如P處理；C-B處理效果則不如C和C+B處理，C-B、C和C+B處理分別比對照下降了51.4%、59.6%和61.3%。

加入改良劑后，鋁的形態由交換態逐漸向非交換態轉化，使土壤中的鋁以低活性鋁形式存在（表2）。羥基吸附態鋁是鋁形態轉化的中間產物[15]，在30 d時，除B處理與對照含量相當外，其他處理均顯著增加；60 d時，B和C處理相較于30 d時羥基吸附態鋁呈上升趨勢，其他處理均下降，鋁由羥基吸附態向有機配位態轉化。有機配位態鋁在鋁形態轉化中也起到重要作用[16]。在本試驗中，有機配位態鋁含量除B處理無明顯變化外，其他處理均比對照含量顯著上升，說明在改良劑的作用下，鋁在土壤中的移動性加強，而活性減弱。

改良劑通過改變土壤的pH值影響酸性土壤中鋁的活性。本試驗中，土壤交換態鋁與pH值顯著負相關（r=0.85，P＜0.05）。鈣鎂磷肥在抑制鋁活性方面作用尤為突出。鈣鎂磷肥不僅能通過鈣、鎂等元素與土壤中的高活性鋁競爭結合位點，還通過大量磷酸根作為無機配位體，形成低活性的磷酸鋁復合體[17-18]。生物炭表面則含有豐富的含氧官能團、交換性鹽基離子和孔性結構，施入土壤后有機官能團能與鋁形成穩定的配合物，鹽基陽離子會與土壤交換態鋁發生交換和吸附等反應，從而降低土壤中鋁的活性，增加土壤中鈣、鎂離子濃度[19-20]。蚯蚓液態肥中的氨基酸對土壤中交換態鋁存在鰲合作用，但該作用較弱且不穩定，這是由于氨基酸比腐殖質更易被微生物所降解，與金屬離子的鰲合作用不如腐殖質類鰲合劑強。

表2 土壤中各形態鋁含量Table 2 The contents of different forms of aluminum in soil

鋁形態的轉化是影響硒有效性及形態分布的重要因素。有研究表明，活性鋁和活性鐵是酸性土壤中硒的主要吸附體，活性鋁的存在對硒的吸附影響更大[21]。pH值的升高減少了活性鋁的釋放，同時能減少鋁離子水解產生的H+，有助于抑制土壤的進一步酸化，從而增強硒的有效性；另一方面，在酸性條件下（pH＜5.5），以簡單離子為主的鋁容易與有機質形成穩定的配合物[22]。本試驗中，在改良劑作用下，土壤中鋁由交換態向羥基吸附態過渡，并轉化為低活性形式，使有機配位態鋁在供試土壤中大量存在，取代了有機質的結合位點和吸附位點上的硒，從而促進硒由有機結合態轉化為可溶態等容易被植物吸收利用的硒，通過實現硒在土壤中的形態再分布，提高了土壤硒的有效性。

（3）P-Se交互作用。增施足量的磷肥在供茶樹生長利用的同時，還可以對土壤硒的有效性進行內源調控。分別比較模擬試驗中單施和同時配施處理的結果，60 d時P、C和B處理的有效硒含量分別是對照的1.53、1.39和1.19倍，C+P和C+B則為1.95和1.71倍，相較于秸稈生物質炭和蚯蚓液態肥，鈣鎂磷肥對硒有效性的增強作用更突出。磷和硒在土壤中均以含氧陰離子的形式存在，且化學行為相似[23]。陰離子的吸附競爭和交換作用是P-Se交互作用的主要機理。亞硒酸鹽是酸性和中性土壤中硒的主要形態，而磷酸根與亞硒酸根在土壤顆粒表面具有相似的吸附位點，表現出較強的競爭作用。研究表明，兩者的競爭可能涉及表面配合物的形成以及與磷酸根有關的表面積累或沉淀[24]。磷在土壤中具有很強的陰離子置換能力，使土壤溶液解析出較多的硒供植株吸收，從而提高了土壤中硒的生物有效性，植株中硒的吸收量增加；另一方面，強堿性的磷肥能提高土壤pH值，磷酸根能和鋁形成配合物抑制鋁活性，從而推動鋁和硒在土壤中賦存形態的轉化，促使鋁由強活性態向有機配位態轉化，硒由有機結合態向水溶態轉化，實現土壤硒素的進一步活化。

表3 不同處理對土壤性質及茶葉硒含量的影響Table 3 The effects of different treatments on properties of soil and contents of Se in tea

2.2 田間試驗效果

2.2.1 不同處理對強酸性茶園土壤的改良效果田間試驗設置了秸稈生物質炭和鈣鎂磷肥的3種施用方式，并錯時配施蚯蚓液態肥。這樣能避免同時施用時強堿性物質對蚯蚓液態肥生物活性部分的抑制，充分發揮堿性改良劑和生物活性肥料的共同作用。由表3可以看出，3個處理的pH值與對照相比顯著上升（P＜0.05），分別提高了0.25、0.12和0.29；交換態鋁含量顯著下降，分別下降了38.8%、22.6%和39.3%；陽離子交換量（CEC）分別比對照提高了6.4%、17.0%和31.9%。施用磷肥能擴大土壤磷儲備，提高土壤磷素有效性，施用生物質炭能通過改善微生物生存環境，促進磷素循環，同時提高土壤有機碳含量，增強土壤肥力[25-26]。與對照相比，單施秸稈生物質炭、鈣鎂磷肥及同時配施處理，速效磷含量分別提高了57.4%、208.6%和237.30%，單施秸稈生物質炭及同時配施處理土壤有機質含量分別提高了20.1%和21.6%。田間試驗結果表明，同時配施改良劑比單施秸稈生物質炭和鈣鎂磷肥對土壤的改良效果更佳。

2.2.2 不同處理對硒有效性的影響

土壤硒素供應是影響茶樹硒吸收和累積的主要因素。土壤硒化學有效性的增強能直接影響硒的生物有效性。土壤有效態硒含量是影響茶葉硒含量的主要因素[27]。田間試驗結果（表3）表明，3個處理與對照相比，土壤有效硒含量分別增加了19.3、15.4、25.1 μg·kg-1，增幅為44.6%、35.6%和58.0%；茶葉硒含量均有不同程度的提高，分別增加30.1、57.6、58.5 μg·kg-1，增幅達20.3%、38.8%和39.4%。茶葉是人體硒攝入的重要途徑，是理想的天然硒源。本試驗中，堿性改良劑和生物活性肥料的共同作用，通過增強土壤中硒化學有效性和改善茶樹根系環境實現了硒生物有效性的強化，使茶葉中硒的含量達200 μg·kg-1以上，充分利用了當地土壤豐富的硒素資源，為進一步開發富硒茶提供科學依據。

3 結論

（1）模擬試驗結果表明，施用3種改良劑及其不同配施處理均可以顯著提高強酸性茶園土壤的pH值和有效硒含量，降低土壤交換態鋁含量。其中，同時施用秸稈生物質炭和鈣鎂磷肥效果最佳。形態分析結果表明，水溶態硒與pH、有效硒呈顯著正相關，交換態鋁與pH呈顯著負相關。加入改良劑后，硒由有機結合態向水溶態轉化，鋁由交換態向羥基吸附態和有機配位態轉化，提高了土壤有效硒含量，從而增強土壤硒的化學有效性。

（2）秸稈生物質炭和鈣鎂磷肥的不同配施方式不僅有效抑制茶園土壤進一步酸化，同時提高土壤硒化學有效性和生物有效性效果顯著。供試土壤pH、有機質、速效磷、CEC、有效硒含量及茶葉硒含量均得到顯著提高，3種處理土壤有效硒含量和茶葉硒含量增幅基本都達到顯著水平（P＜0.05），其中同時施用秸稈生物質炭和鈣鎂磷肥再錯時配施蚯蚓液態肥的效果最佳。

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Effects of Three Amendments on Selenium Availability of Highly Acidic and Se-rich Soil in Tea Garden and their Relative Mechanisms

XIE Shanni, ZONG Lianggang*, ZHANG Qihui, DAI Rongbo, PAN Hanyue, YUAN Qiang
College of Resources and Environmental Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China

A series of incubation experiment and field trail were carried out to study the effects and mechanisms of three amendments (straw charcoal, calcium-magnesium phosphate and earthworm liquid fertilizer) and their different applying modes on selenium (Se) availability of highly acidic and Se-rich soil in tea gardens. The results of incubation experiment showed that all treatments increased soil pH and the contents of available Se, but decreased the contents of exchangeable aluminum (Al) significantly. Se was transformed from organic bound form to soluble form, and Al was transformed from exchangeable form to organic complexed form by morphological analysis. The results of field trail showed that different applying modes effectively inhibited further soil acidification, enhanced the availability of Se and increased the Se content in tea leaves simultaneously. A combined application of straw charcoal, calcium-magnesium phosphate and earthworm liquid fertilizer showed the highest effects. The results of this research provide reference to develop Se-enriched tea in acidic and selenium-rich area.

soil amendment, active alumina, available selenium, tea soil, acidification

S571.1；S143.7+9

A

1000-369X(2017)03-299-09

2016-11-03

：2017-03-01

農業部科研項目（201303106）、國家科技支撐計劃項目（2014BAK19B00）。

謝珊妮，女，碩士研究生，主要從事環境質量與食品安全研究，E-mail：2014103054@njau.edu.cn。*通訊作者：zonglg@njau.edu.cn