模擬強酸雨對福州平原稻田土壤團聚體穩定性及碳氮分布的影響

陳優陽, 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，是當前最嚴重的環境問題之一[1]。隨著我國經濟迅速發展，酸雨問題愈發嚴重，且影響范圍不斷擴大，長江以南地區已成為酸雨的主要分布區[2]。近年來，長江以南酸雨頻繁發生，使得土壤酸化、質量退化，導致土壤養分流失及結構損毀[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，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量并抑制酶活性，降低有機質含量[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量的重要物質基礎之一，對調節土壤養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，其穩定性與土壤有機質相關[8]。隨著酸雨頻發，土壤酸化、質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，酸雨主要通過調節土壤酸堿度和膠結物質，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，降低團聚體的穩定性[11]。林琳等[12]研究發現，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)發生頻率高達22.3%[13]，是福建省酸雨高發區。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，影響土壤結構及養分含量，對福州平原水稻產量造成威脅。基于此，本研究探討模擬不同水平酸雨對福州平原稻田土壤團聚體穩定性及碳氮含量的影響，旨在為稻田土壤結構優化及可持續發展提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地設在福州市倉山區蓋山鎮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業科學研究院選育的和盛10號和福建省農業科學研究院選育的沁香優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)。隨機區組排列，每小區面積10 m2，3個重復。為控制大田串水串肥現象，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(fractal dimension,D)。

1.3 統計與分析

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定性參數的影響1)Table 2 Effect of simulated acid rain on stability parameter of soil aggregates in Fuzhou paddy fields

1)數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分別表示平均質量直徑、平均幾何直徑、>0.25 mm粒級團聚體、分形維數。

2.3 各粒級土壤團聚體含量與穩定性參數的相關性分析

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 穩定性參數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分別表示平均質量直徑、平均幾何直徑、>0.25 mm粒級團聚體、分形維數。

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等膠結物質影響有關[23]。“稻田—蔬菜”輪作方式與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，激發微生物代謝活性，促進有機碳礦化與分解[25]，減少有機質等膠結物質的數量，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分也較低，而模擬酸雨一定程度上補充了鈣等養分含量，而這些養分是組成土壤膠結物質的重要元素，有利于團聚體的形成[26]。雖然持續噴淋酸雨后，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定性并未發生顯著變化。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，在這樣的背景下，酸雨帶來的養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定性[28]。

團聚體穩定性是衡量土壤結構優劣的重要指標，MWD和GMD越大，D值越小，團聚效果越好，團聚體越穩定[29]，土壤結構也越穩定。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，微生物的數量和群落組成結構受到一定影響，參與有機碳循環的微生物活性與數量也會受到抑制[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化的主要調節者[33]，而土壤酶活性受土壤pH的影響極顯著。張萍華等[34]研究發現，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，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過土壤微生物的活動、代謝產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分；(2)由于大團聚體可優化土壤結構，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。