3种改良剂对强酸性高硒茶园土壤硒有效性调控效果与机理

谢珊妮，宗良纲，张琪惠，戴荣波，潘含岳，原强

南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京 210095

3种改良剂对强酸性高硒茶园土壤硒有效性调控效果与机理

谢珊妮，宗良纲*，张琪惠，戴荣波，潘含岳，原强

南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京 210095

通过室内模拟试验和田间试验相结合的方法，探究3种改良剂（秸秆生物质炭、钙镁磷肥和蚯蚓液态肥）及其不同配施方式对强酸性高硒茶园土壤硒有效性的调控效果与机理。模拟施肥试验结果表明，不同处理均可显著提高土壤pH值和降低交换态铝含量，同时显著提高有效硒含量。形态分析结果表明，硒由有机结合态向可溶态转化，从而增加土壤有效硒含量；铝由交换态向有机配位态转化，土壤潜性酸度降低，进一步增强硒的有效性。田间试验结果表明，秸秆生物质炭和钙镁磷肥的不同配施方式均能有效抑制茶园土壤进一步酸化，显著提高土壤硒有效性及茶叶硒含量，其中同时施用秸秆生物质炭和钙镁磷肥再错时配施蚯蚓液态肥的效果最佳。本研究可为酸性富硒土壤地区开发富硒茶提供依据。

土壤改良剂；活性铝；有效硒；茶园土壤；酸化

随着环境问题的加剧，全世界土壤酸化面积不断增加[1]。土壤酸化会对植物的养分吸收和正常生长造成不良影响。尽管茶树是一种喜酸性植物，但近年来茶园土壤酸化日趋严重[2-3]，对茶叶产量和品质安全带来不利影响。本课题组2008～2010年对江苏省21个典型茶场的调查结果显示，所有被调查的茶园土壤pH值均低于茶树生长最适pH值5.5，其中pH值低于4.0的茶园比例达42.8%[4]。

硒是生命所必需的微量元素，硒的医学保健作用得到越来越广泛的应用[5-6]。茶树具有较强的富硒能力，可通过富集和转化作用，把非生物活性和毒性高的无机硒转化为安全有效的有机硒。茶园土壤酸化会抑制硒的有效性，从而影响茶树对土壤中硒的吸收，使富硒地区土壤硒素资源不能得到充分利用。本研究在前期工作的基础上，比较了秸秆生物质炭、钙镁磷肥和蚯蚓液态肥3种改良剂对强酸性高硒茶园土壤硒有效性的影响，分析其调控茶园土壤中铝和硒的形态变化，以期在不添加外源硒素的前提下，通过土壤中P-Se交互作用、错时配施措施等提高土壤中硒的化学有效性，从而提高其生物有效性，为富硒茶产业的发展提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

根据前期对茶园土壤硒含量的实地调查，田间试验选择在浙江省长兴基隆坞茶场的代表性茶园中进行，同时实验室模拟施肥的培养试验供试土壤亦采自该茶场。供试土壤pH 3.92，全硒含量为0.68 mg·kg-1，属于强酸性高硒土壤[7]。土壤碱解氮90.2 mg·kg-1，速效磷40.8 mg·kg-1，速效钾47.2 mg·kg-1，有机质31.09 mg·kg-1，粘粒比例6.53%。

1.2 供试材料

供试改良剂包括：（1）秸秆生物质炭：徐州万国生物能源科技有限公司生产，C含量≥150 mg·kg-1，pH 7.87；（2）钙镁磷肥：荆门市高园磷肥有限公司生产，有效磷（P2O5）含量≥120 g·kg-1，pH 9.68；（3）蚯蚓液态肥：北京清大元农生物科技有限公司生产，氨基酸≥100 g·L-1，pH 5.44。

1.3 试验方法

1.3.1 室内模拟试验

称取磨细过2 mm筛的风干土200 g与不同改良剂完全混合均匀，置于塑料烧杯中，加入一定量的去离子水将混合体系的含水量调节至土壤田间持水量的60%左右，用塑料保鲜膜封住烧杯口，并开若干小口便于空气交换。烧杯按随机排列方式置于25℃下培养，每3 d称重1次，补充水分。

依据前期研究结果，本研究中除对照（CK，生产上常规施肥用量，不施加任何改良剂）外，设置了秸秆生物质炭、钙镁磷肥、蚯蚓液态肥单施和复配施用共9个不同处理：第1类施用单一改良剂，包括3个处理：单施秸秆生物质炭（C）10 g·kg-1、单施钙镁磷肥（P）1.5 g·kg-1、单施蚯蚓液态肥（B）0.03 g·kg-1；第2类同时配施两种改良剂，包括2个处理：同时配施秸秆生物质炭与钙镁磷肥（C+P）10 g·kg-1＋1.5 g·kg-1、同时配施秸秆生物质炭与蚯蚓液态肥（C+B）10 g·kg-1＋0.03 g·kg-1；第3类错时配施两种改良剂，包括3个处理：先施钙镁磷肥后施秸秆生物质炭（P-C）1.5 g·kg-1＋10 g·kg-1、先施钙镁磷肥后施蚯蚓液态肥（P-B）1.5 g·kg-1＋0.03 g·kg-1、先施秸秆生物质炭后施蚯蚓液态肥（C-B）10 g·kg-1＋0.03 g·kg-1；第4类配施多种改良剂，1个处理：即先混施秸秆生物质炭和钙镁磷肥，后施用蚯蚓液态肥（C＋P-B）1.5 g·kg-1＋10 g·kg-1＋0.03 g·kg-1。每个处理重复3次。其中，错时配施两种改良剂的处理，前后两次施用改良剂间隔30 d，即在取出第1次土样后再施加另一种改良剂。整个培养试验持续60 d，分别在30 d和60 d时各采集土样1次，风干，磨细过筛备用。

1.3.2 田间试验

田间试验地选择在浙江省长兴县基隆坞茶场。在茶园常规施肥管理的基础上，除对照（CK，不施加改良剂）外，根据模拟施肥试验效果，设置了3个不同处理：先施秸秆生物质炭2 kg·m-2后施蚯蚓液态肥（C-B）、先施钙镁磷肥0.3 kg·m-2后施蚯蚓液态肥（P-B）、先同时配施秸秆生物质炭与钙镁磷肥2 kg·m-2＋0.3 kg·m-2后施蚯蚓液态肥（C＋P-B）。各处理均设3次重复，12个小区随机分布，在茶垄一侧开沟施入改良剂，时间与茶园秋季施肥同步，错时配施蚯蚓液态肥在1个月后进行，即在茶垄另一侧开沟施入蚯蚓液态肥（6 g·m-2，400倍稀释液），以增强茶树根系吸收能力，旨在提高土壤硒的生物有效性。田间试验于2015年11月布置完成，并于2016年4月采茶时进行土壤及茶叶样品的采集。

1.4 测定项目与方法

土壤pH值采用水浸提电位法测定。有机质含量采用油浴外加热重铬酸钾氧化-容量法测定。速效磷含量采用0.05 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1(1/2 H2SO4)法测定。阳离子交换量（CEC）采用1 mol·L-1乙酸铵交换法测定。

土壤活性铝形态采用邵宗臣等[8]改进的连续分级提取方法，分别用0.2 mol·L-1HCl、1 mol·L-1KCl、0.1 mol·L-1Na4P2O7逐步提取交换态、羟基吸附态和有机配位态铝，采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定。

土壤有效硒及硒形态参照瞿建国等[9]推荐的方法测定。用0.5 mol·L-1NaH2PO4溶液浸提土壤中有效态硒，分别用0.25 mol·L-1KCl、0.7 mol·L-1KH2PO4、2.5 mol·L-1HCl、5% K2S2O8和HNO3逐步提取可溶态、可交换态及碳酸盐结合态、铁-锰氧化物结合态和有机物结合态硒，采用氢化物发生-原子荧光光谱法（HG-AFS）测定。

茶叶硒含量测定：茶叶烘干粉碎后，用硝酸-盐酸-氢氟酸4∶1∶1微波消解，HG-AFS测定。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据处理与图表制作，通过SPSS 17.0软件进行差异显著性和相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 模拟试验对茶园土壤中硒有效性的影响及其机理

2.1.1 不同处理对土壤硒有效性的影响

土壤硒是植物吸收利用硒的最直接来源，土壤中有效硒是决定食物链中硒水平的关键因素。本试验中，不同处理土壤中有效硒的含量均有不同程度提高（图1），与CK相比差异几乎均达到了显著水平（P＜0.05），且与pH呈正相关（r=0.78，P＜0.05）。单施处理效果依次为P＞C＞B，60 d时土壤有效硒分别比对照提高了28.32、20.68、10.08 μg·kg-1，增幅分别为53.4%、39.0%和19.0%。配施处理中有效硒含量平均提高了37.01 μg·kg-1，增幅达70.0%，效果优于单施处理。在所有处理中，C＋P处理效果最佳，培养至60 d时土壤有效硒含量提高了50.38 μg·kg-1，增幅为95.0%。

土壤中硒的生物有效性在一定程度上取决于化学有效性，而化学有效性与其存在形态密切相关。通过分析不同处理条件下土壤中硒的形态（表1）可知：供试土壤中可溶态、可交换态及碳酸盐结合态硒含量较低，而主要以有机结合态和铁-锰氧化物结合态硒存在。可溶态硒是最易迁移和被植物利用的硒[10]，不同处理下其含量持续上升，与有效硒含量呈正相关（r=0.74，P＜0.05），60 d时C+P、P-C和C+P-B 3个处理的可溶态硒含量均达到对照的2.5倍以上。土壤可交换态及碳酸盐结合态硒是土壤可利用硒的重要组成部分，与对照相比，C、C+B、P-C和C+P-B处理含量均有增加。铁-锰氧化物结合态硒一般不能被植物吸收利用，在本试验中没有明显变化。有机质是土壤中固定和贮存硒的重要媒介。有机结合态硒是含量相对较高的形态，该形态硒在土壤环境中易发生转化[11]。在本试验中，各处理有机结合形态硒含量与对照相比，除个别处理外，基本上均显著降低（P＜0.05）。可见在改良剂的作用下，土壤中硒从有机结合态中释放，并向可溶态转化，从而提高了土壤有效硒的含量。

图1 不同处理对土壤有效硒含量的影响Fig. 1 The effects of different treatments on soil available Se

2.1.2 不同处理提高土壤中硒有效性的机理

（1）对土壤pH值的影响。尽管茶树是一种喜酸性作物，其适宜生长的土壤pH值范围在4.5～6.0之间，当土壤pH值低于4.0时，茶树生长就会受到抑制，更会对茶叶品质产生不良影响[12]。在本试验中，模拟施肥进行到第60天时，在前30 d pH值提高的基础上，各处理土壤pH值仍有提高（图2），与CK相比，提高幅度为0.20～1.13，均达到显著水平（P＜0.05）。单施处理效果依次为P＞C＞B，土壤pH值比对照分别提高了0.85、0.71和0.20。配施处理的土壤pH值平均提高了0.99，比单施处理效果更佳。C+P、P-C、P-B和C+P-B 4个处理效果突出，pH分别达到5.03、5.05、4.97和5.04。

结果表明，3种土壤改良剂都可以有效提高土壤pH值。其中，钙镁磷肥的增幅最大，主要通过其碱性中和土壤中的H+。秸秆生物质炭还拥有含氧官能团和碳酸盐，能以阴离子形式与酸性土壤中的H+发生缔合反应[13]。另外，土壤中的H+还会与这两种改良剂表面钙、镁等阳离子发生反应，从而降低土壤中H+浓度。而蚯蚓液态肥中和土壤酸度的效果较差，本试验中使用是为了在后续田间试验中通过其促进根系生长来提高土壤中硒的生物有效性。

土壤pH值可通过改变土壤胶体表面羟基的解离度以及表面电荷等方式影响土壤对硒的吸附。随pH的升高，土壤胶体表面所带的负电荷也有所增加，不利于对硒含氧阴离子的吸附，硒溶解性增强，土壤可溶态硒含量增加，从而提高硒的有效量。pH值的大小直接决定了土壤溶液中OH-的数量。土壤中OH-等竞争阴离子的存在是影响硒的迁移性、生物可利用性及毒性的重要因素。改良剂的施用中和了土壤酸性，释放阴离子OH-竞争硒在土壤表面的吸附位点，铁锰铝等氧化物和腐殖质对硒的吸附能力也降低[14]。

图2 不同处理对土壤pH的影响Fig. 2 The effects of different treatments on soil pH

（2）对土壤铝活性的影响。土壤酸化促使固定态的矿物铝部分活化成为可溶态的铝，增强了铝的活性。交换态铝、羟基吸附态铝和有机配位态铝是土壤铝中比较活跃的部分。交换态铝是土壤交换性酸度、潜性酸和土壤pH值的决定性因素。在本试验中，铝的交换态变化最明显（表2）。所有处理土壤交换态铝的含量均显著低于对照（P＜0.05）。3个单施处理中土壤交换态铝含量的减幅P＞C＞B，30 d时分别达到52.1%、47.2%和23.0%，60 d时P和C处理分别比对照下降了59.6%和57.3%，但B处理交换态铝含量略有回升。配施处理中，C+P处理在30 d时交换态铝含量降幅已达到60%以上，60 d时C+P、P-C和C+P-B处理中交换态铝含量均比对照下降了78%以上。而P-B处理进行到60 d时，交换态铝含量仅略有减少，且效果远不如P处理；C-B处理效果则不如C和C+B处理，C-B、C和C+B处理分别比对照下降了51.4%、59.6%和61.3%。

加入改良剂后，铝的形态由交换态逐渐向非交换态转化，使土壤中的铝以低活性铝形式存在（表2）。羟基吸附态铝是铝形态转化的中间产物[15]，在30 d时，除B处理与对照含量相当外，其他处理均显著增加；60 d时，B和C处理相较于30 d时羟基吸附态铝呈上升趋势，其他处理均下降，铝由羟基吸附态向有机配位态转化。有机配位态铝在铝形态转化中也起到重要作用[16]。在本试验中，有机配位态铝含量除B处理无明显变化外，其他处理均比对照含量显著上升，说明在改良剂的作用下，铝在土壤中的移动性加强，而活性减弱。

改良剂通过改变土壤的pH值影响酸性土壤中铝的活性。本试验中，土壤交换态铝与pH值显著负相关（r=0.85，P＜0.05）。钙镁磷肥在抑制铝活性方面作用尤为突出。钙镁磷肥不仅能通过钙、镁等元素与土壤中的高活性铝竞争结合位点，还通过大量磷酸根作为无机配位体，形成低活性的磷酸铝复合体[17-18]。生物炭表面则含有丰富的含氧官能团、交换性盐基离子和孔性结构，施入土壤后有机官能团能与铝形成稳定的配合物，盐基阳离子会与土壤交换态铝发生交换和吸附等反应，从而降低土壤中铝的活性，增加土壤中钙、镁离子浓度[19-20]。蚯蚓液态肥中的氨基酸对土壤中交换态铝存在鳌合作用，但该作用较弱且不稳定，这是由于氨基酸比腐殖质更易被微生物所降解，与金属离子的鳌合作用不如腐殖质类鳌合剂强。

表2 土壤中各形态铝含量Table 2 The contents of different forms of aluminum in soil

铝形态的转化是影响硒有效性及形态分布的重要因素。有研究表明，活性铝和活性铁是酸性土壤中硒的主要吸附体，活性铝的存在对硒的吸附影响更大[21]。pH值的升高减少了活性铝的释放，同时能减少铝离子水解产生的H+，有助于抑制土壤的进一步酸化，从而增强硒的有效性；另一方面，在酸性条件下（pH＜5.5），以简单离子为主的铝容易与有机质形成稳定的配合物[22]。本试验中，在改良剂作用下，土壤中铝由交换态向羟基吸附态过渡，并转化为低活性形式，使有机配位态铝在供试土壤中大量存在，取代了有机质的结合位点和吸附位点上的硒，从而促进硒由有机结合态转化为可溶态等容易被植物吸收利用的硒，通过实现硒在土壤中的形态再分布，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树生长利用的同时，还可以对土壤硒的有效性进行内源调控。分别比较模拟试验中单施和同时配施处理的结果，60 d时P、C和B处理的有效硒含量分别是对照的1.53、1.39和1.19倍，C+P和C+B则为1.95和1.71倍，相较于秸秆生物质炭和蚯蚓液态肥，钙镁磷肥对硒有效性的增强作用更突出。磷和硒在土壤中均以含氧阴离子的形式存在，且化学行为相似[23]。阴离子的吸附竞争和交换作用是P-Se交互作用的主要机理。亚硒酸盐是酸性和中性土壤中硒的主要形态，而磷酸根与亚硒酸根在土壤颗粒表面具有相似的吸附位点，表现出较强的竞争作用。研究表明，两者的竞争可能涉及表面配合物的形成以及与磷酸根有关的表面积累或沉淀[24]。磷在土壤中具有很强的阴离子置换能力，使土壤溶液解析出较多的硒供植株吸收，从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，强碱性的磷肥能提高土壤pH值，磷酸根能和铝形成配合物抑制铝活性，从而推动铝和硒在土壤中赋存形态的转化，促使铝由强活性态向有机配位态转化，硒由有机结合态向水溶态转化，实现土壤硒素的进一步活化。

表3 不同处理对土壤性质及茶叶硒含量的影响Table 3 The effects of different treatments on properties of soil and contents of Se in tea

2.2 田间试验效果

2.2.1 不同处理对强酸性茶园土壤的改良效果田间试验设置了秸秆生物质炭和钙镁磷肥的3种施用方式，并错时配施蚯蚓液态肥。这样能避免同时施用时强碱性物质对蚯蚓液态肥生物活性部分的抑制，充分发挥碱性改良剂和生物活性肥料的共同作用。由表3可以看出，3个处理的pH值与对照相比显著上升（P＜0.05），分别提高了0.25、0.12和0.29；交换态铝含量显著下降，分别下降了38.8%、22.6%和39.3%；阳离子交换量（CEC）分别比对照提高了6.4%、17.0%和31.9%。施用磷肥能扩大土壤磷储备，提高土壤磷素有效性，施用生物质炭能通过改善微生物生存环境，促进磷素循环，同时提高土壤有机碳含量，增强土壤肥力[25-26]。与对照相比，单施秸秆生物质炭、钙镁磷肥及同时配施处理，速效磷含量分别提高了57.4%、208.6%和237.30%，单施秸秆生物质炭及同时配施处理土壤有机质含量分别提高了20.1%和21.6%。田间试验结果表明，同时配施改良剂比单施秸秆生物质炭和钙镁磷肥对土壤的改良效果更佳。

2.2.2 不同处理对硒有效性的影响

土壤硒素供应是影响茶树硒吸收和累积的主要因素。土壤硒化学有效性的增强能直接影响硒的生物有效性。土壤有效态硒含量是影响茶叶硒含量的主要因素[27]。田间试验结果（表3）表明，3个处理与对照相比，土壤有效硒含量分别增加了19.3、15.4、25.1 μg·kg-1，增幅为44.6%、35.6%和58.0%；茶叶硒含量均有不同程度的提高，分别增加30.1、57.6、58.5 μg·kg-1，增幅达20.3%、38.8%和39.4%。茶叶是人体硒摄入的重要途径，是理想的天然硒源。本试验中，碱性改良剂和生物活性肥料的共同作用，通过增强土壤中硒化学有效性和改善茶树根系环境实现了硒生物有效性的强化，使茶叶中硒的含量达200 μg·kg-1以上，充分利用了当地土壤丰富的硒素资源，为进一步开发富硒茶提供科学依据。

3 结论

（1）模拟试验结果表明，施用3种改良剂及其不同配施处理均可以显著提高强酸性茶园土壤的pH值和有效硒含量，降低土壤交换态铝含量。其中，同时施用秸秆生物质炭和钙镁磷肥效果最佳。形态分析结果表明，水溶态硒与pH、有效硒呈显著正相关，交换态铝与pH呈显著负相关。加入改良剂后，硒由有机结合态向水溶态转化，铝由交换态向羟基吸附态和有机配位态转化，提高了土壤有效硒含量，从而增强土壤硒的化学有效性。

（2）秸秆生物质炭和钙镁磷肥的不同配施方式不仅有效抑制茶园土壤进一步酸化，同时提高土壤硒化学有效性和生物有效性效果显著。供试土壤pH、有机质、速效磷、CEC、有效硒含量及茶叶硒含量均得到显著提高，3种处理土壤有效硒含量和茶叶硒含量增幅基本都达到显著水平（P＜0.05），其中同时施用秸秆生物质炭和钙镁磷肥再错时配施蚯蚓液态肥的效果最佳。

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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

农业部科研项目（201303106）、国家科技支撑计划项目（2014BAK19B00）。

谢珊妮，女，硕士研究生，主要从事环境质量与食品安全研究，E-mail：2014103054@njau.edu.cn。*通讯作者：zonglg@njau.edu.cn