4种植物物料改良茶园土壤酸度的效果

李艳春 李兆伟 王义祥

摘要：以圆叶决明、印度豇豆、大豆、稻秸4种植物物料为试验材料，通过室内培养试验研究它们对茶园土壤酸度的改良效果。结果表明，培养90 d后，添加圆叶决明和稻秸的土壤pH值分别比对照显著提高0.39、0.71（2%添加量）和0.54、0.89个单位（4%添加量），其他处理对pH值的提升不显著。除2%添加量的大豆和印度豇豆处理外，其他处理都能显著降低土壤交换性铝以及交换性酸含量。4种植物物料均能显著增加交换性盐基离子总量以及土壤盐基饱和度，并且4%处理比2%处理的增加幅度更大。只有4%添加水平的大豆和圆叶决明处理能显著增加土壤阳离子交换量，其他处理对土壤阳离子交换量的影响不显著或有所降低。大豆、印度豇豆、圆叶决明（4%添加量）能够显著提升土壤硝态氮含量，2%添加量的圆叶决明处理对土壤硝态氮含量的影响不显著。相反地，稻秸降低了土壤硝态氮含量。综合比较，圆叶决明和稻秸可作为改良茶园酸化土壤的生物材料。

关键词：茶园;酸化土壤;改良效果;有机物料;阳离子交换量

土壤酸化是当前茶树种植业面临的严重问题之一。有学者对福建省107个典型茶园土壤进行调查发现，土壤pH值<4.5的茶园占86.9%，而其中pH值<4.0的严重酸化茶园占28.0%，pH值在 4.50～5.50符合高效生产条件的茶园占10.3%，pH值>5.5的占2.8%[1]。由此可见，福建省茶园土壤普遍酸化问题严重。茶园土壤酸化致使土壤中的活性铝含量增加，当过高含量的活性铝聚积到根尖时，就可能对茶树产生直接毒害，如抑制茶樹根系生长，抑制钾、镁等养分吸收进而影响茶树产量和茶叶品质[2]。此外，土壤酸化还会影响茶园土壤微生物种群以及土壤酶活性的变化，进而影响茶树的正常生长[3-4]。施用石灰或石灰石粉是改良酸性土壤的常用方法，但施入土壤后待石灰碱性消耗后土壤会再次发生酸化（即复酸化过程），并且酸化程度比之前有所加剧，其改良效果不持久[5]。近年来，一些农作物秸秆、豆科绿肥、畜禽粪肥等被开发为改良酸化土壤的有机物料，其改良效果可能受有机物料的性质、土壤类型和理化特性等因素的影响[6-8]。Wang 等发现由于豆科植物含有较高的灰化碱和有机氮，因此对土壤pH值的提升作用比非豆科植物更大[9]。有研究者发现，当酸性土壤与豆科植物物料一起培养时会出现早期土壤pH值增加，后期土壤pH值降低，原因在于培养早期有机氮矿化产生的铵根离子在后期发生了硝化作用，即有机氮矿化过程中产生的NH+4的硝化作用可能在一定程度上抵消了豆科植物物料对酸性土壤的改良作用[10-11]。可见，不同豆科植物物料对酸化土壤的改良效果及其机制值得进一步研究。

圆叶决明、印度豇豆、大豆是适宜热带、亚热带红壤丘陵区种植的优良绿肥品种。另外，稻秸是资源量非常丰富的农业废弃物。如果将这些植物物料利用起来，开发成绿色环保型的土壤改良剂，不仅能够满足农业生产对酸化土壤改良剂的需求，还可以节约农业成本，符合我国建设资源节约型社会的总体方针。因此，本研究选用4种植物物料，采用室内培养试验，评价这些植物物料对酸化茶园土壤的改良效果，通过试验获得较佳的改良物料以及施用量，为酸化茶园土壤的改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与植物材料

供试土壤于2015年8月取自福建省安溪县感德镇铁观音茶园。采集0～20 cm地表土，自然风干后研磨过2 mm筛，充分混匀后备用。供试土壤的基本性质为pH值3.76，总氮含量1.62 g/kg，有机碳含量21.81 g/kg，碱解氮含量319.65 mg/kg，速效钾含量121.64 mg/kg，有效磷含量83.90 mg/kg。供试植物材料为3种豆科绿肥：圆叶决明、印度豇豆、大豆以及农业废弃物稻秸。3种豆科植物于盛花期刈割，105 ℃杀青20 min后65 ℃烘干。稻秸收集自当地农田，65 ℃烘干。4种植物材料粉碎过 1 mm 筛备用，植物材料的灰化碱、总碳、总氮等主要化学成分见表1。

1.2 培养试验设计

于2015年9—12月在福建省农业科学院生态所进行试验。植物物料按2%和4%这2个水平添加，分别称取10、20 g的植物物料与500 g风干土混合均匀，装入塑料盆中，调节土壤水分至田间持水量的70%，分别相当于田间用量的45、90 t/hm2，每个处理3次重复。对照不添加任何植物物料。在塑料盆盖上钻3个大小适宜的孔，使土壤保持通气和湿润状态，将塑料盆置于25 ℃恒温培养箱中培养90 d，为维持土壤含水量恒定，定期（每隔3 d）称质量并补充水分。分别于培养的0、3、6、10、20、30、40、50、60、70、80、90 d取土壤样品测定pH值、铵态氮含量和硝态氮含量[12]。在培养结束时取土样测交换性铝含量、交换性酸含量、阳离子交换量（CEC）、交换性盐基等指标。

1.3 测定方法

植物物料的pH值测定采用复合电极法，物料与水的比例为1 ∶ 10。灰化碱的测定参考王宁等的方法[13]，用马弗炉灰化、酸溶解和NaOH返滴定法测定。取灰化物酸溶液，采用原子吸收分光光度法以及火焰光度法测定Ca、Mg、K、Na含量。植物材料的总碳和总氮含量、土壤的pH值、铵态氮含量、硝态氮含量、阳离子交换量、交换性铝含量、交换性酸含量以及交换性盐基总量的测定参考鲁如坤的方法[14]。

2 结果与分析

2.1 植物物料添加对茶园土壤pH值的影响

由图1可知，在培养过程中，添加豆科植物物料的土壤pH值呈现先增加后降低的趋势，在培养 20 d 时pH值达到最高，且pH值随植物材料添加量的增加而有所提高。添加稻秸的土壤pH值在0～3 d 有小幅增加，之后变化不明显。由图1-a可见，在培养结束时，添加2%圆叶决明和稻秸的土壤pH值分别比对照提高了0.39和0.71;由图1-b可见，添加4%圆叶决明和稻秸的土壤pH值分别比对照提高了0.54和0.89，其他处理与对照之间的土壤pH值差异不明显。

2.2 植物物料添加对土壤交换性酸的影响

土壤胶体上吸附的交换性离子（H+和Al3+）所引起的酸度称为潜性酸，是土壤酸度的一个容量指标。由表2可知，2%添加水平时，只有圆叶决明和稻秸处理的土壤交换性Al3+含量显著低于对照，分别降低18.07%和30.66%;4%添加水平时，大豆、印度豇豆、圆叶决明和稻秸分别比对照显著降低24.10%、29.05%、25.97%和4645%，且稻秸处理与大豆、印度豇豆和圆叶决明处理间差异显著。2%添加水平时，只有圆叶决明和稻秸处理显著降低了交换性酸含量;4%添加水平时，4种植物物料都能显著降低交换性酸含量，结果与对交换性Al3+含量的影响类似。只有4%添加量的大豆和圆叶决明处理显著增加了土壤交换性H+含量，其他处理对交换性H+含量的影响不显著。

2.3 植物物料添加对土壤交换性能的影响

土壤阳离子交换量是影响土壤缓冲能力，评价土壤保肥能力的重要指标。由表3可见，添加4%的大豆和圆叶决明能显著提高茶园土壤CEC，增幅分别是6.55%和8.81%，其他处理与对照之间差异不显著或有所降低。4种植物物料含有丰富的Ca、Mg、K等灰分元素，这些物料施入土壤可直接增加交换性盐基离子含量，提高盐基饱和度，并且4%添加量的增加幅度较2%添加量的增加幅度更高。4种物料对土壤交换性盐基离子的增加效果依次为印度豇豆>大豆>圆叶决明、稻秸。

2.4 植物物料添加对土壤铵态氮和硝态氮含量的影响

由图2可见，与稻秸相比，添加豆科植物物料有较高的铵态氮含量，土壤铵态氮含量呈现出先增加后降低的趨势。由图2-a可见，添加2%豆科植物物料，在培养 30 d 时土壤铵态氮含量增加到最大值;由图2-b可见，添加4%豆科植物物料，在培养的 40～60 d时土壤铵态氮含量达到最大值。在培养后期铵态氮含量开始降低，是由于铵态氮的硝化作用。由图3可见，添加豆科植物物料的土壤硝态氮含量在培养后期呈逐渐增加的趋势。培养结束时，土壤硝态氮含量大小依次为大豆、印度豇豆>圆叶决明>稻秸。

3 讨论

已有研究表明，物料中的灰化碱含量、有机氮转化都是影响土壤pH值的主要因素[7，11]。物料的灰化碱含量是对有机阴离子含量的估计，随着有机物料的分解，有机阴离子被脱羧，导致质子的消耗和CO2的释放[15-16]。在本研究中，各处理的土壤pH值在初始3 d内迅速升高，这可能与植物材料的灰化碱含量有关。另外，本研究发现，添加大豆、印度豇豆、圆叶决明植物物料的土壤pH值呈现先增加后降低的趋势，这可能与物料中有机氮的转化相关。有研究发现，物料中有机氮氨化为NH+4的过程中，一个OH-离子被释放，会导致土壤pH值升高;但在NH+4硝化为NO-3-N的过程中，会释放2个H+离子，又会导致土壤pH值下降;因此，在有机氮向NO-3-N转化的整个过程中，会产生1个H+离子，导致土壤逐渐酸化[12]。本研究中土壤有机氮的转化是引起土壤pH值动态变化得另外一个重要因素。有研究表明，添加不同C/N有机物料的土壤有机氮的矿化进程显著不同，土壤中添加C/N低于 25的物料在培养初期可迅速矿化出无机氮，添加C/N约为25的物料在培养60 d内净矿化氮量很低，添加C/N高于25的物料在培养 210 d 后土壤中没有有机氮的净矿化[17]。本研究中大豆和印度豇豆的C/N小于 25，圆叶决明C/N约为25，都能在90 d的培养期内发生有机氮的氨化和铵态氮的硝化反应，因此，虽然豆科植物材料具有较高的灰化碱含量，但由于铵态氮硝化作用释放的质子会抵消物料的部分改良效果，因此3种豆科植物材料对土壤pH值的提升作用反而小于稻秸。

土壤交换性铝对植物根系有毒害作用，因此交换性铝的减少有益于植物的生长。添加植物物料后，减少了土壤交换性酸和交换性铝含量，土壤交换性盐基含量显著增加，盐基饱和度增加，这主要是受植物物料本身元素组成的影响。Ortiz等在对夏威夷热带酸性土壤进行有机物料修复时也发现交换性铝含量呈下降趋势[18]。

4种植物物料中3种豆科植物均能不同程度地提高土壤NO-3-N含量，但添加稻秸反而降低了土壤硝态氮含量，这可能是由于稻秸C/N值高，碳源丰富，直接施入土壤会刺激微生物迅猛活动，导致土壤中有效氮被微生物固持[19]。因此，为防止土壤微生物与作物争肥现象发生，在利用稻秸作为物料改良酸性土壤时，应该注意配施氮肥。

4 结论

添加圆叶决明和稻秸能显著提升土壤pH值，显著降低土壤交换性铝以及交换性酸含量，增加土壤盐基离子量和土壤盐基饱和度，并且4%添加量的改良效果较2%添加量的改良效果更好。4%圆叶决明添加量能显著增加土壤NO-3-N含量，但稻秸反而会降低土壤硝态氮含量。综合比较，圆叶决明和稻秸都可以作为改良茶园酸化土壤的生物材料，但要注意稻秸作为物料改良酸性土壤时应配施氮肥。

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