水田改旱地土壤酸度变化的模拟研究

王道泽，丁志峰,杨琼瑶，章明奎

(1.浙江省杭州市乡村振兴服务中心，浙江 杭州 310020；2.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058)

土壤酸碱性是土壤许多化学性质特别是盐基状况的综合反映，它对土壤中微生物的活动、有机质的合成与分解、氮磷和微量元素的转化与有效性及土壤养分保持等都有很大的影响。同时，土壤酸碱度又是土壤众多性状中易变、极易受耕作施肥等人为因素影响和极易被人为调控的土壤性质。因此，认识土壤酸碱性的变化规律并采取相应的措施，是提高土壤肥力、达到作物高产的重要手段。近年来的大量调查[1～3]表明，由于煤、石油等燃烧引起的酸雨污染和农业化肥用量的增加，从20世纪80年代至今，我国广大地区的土壤发生了明显的酸化，其中耕地土壤的酸化尤为明显[4-5]。土壤的酸化速率与氮肥用量、肥料种类和土壤性质有关，许多研究把耕地土壤酸化的原因归结为化肥的高量施用和大气酸沉降[5～9]。但值得注意的是，我国南方地区自20世纪80年代以来耕地发生了酸化,同时也伴随着土地利用方式的改变，特别是大面积的水田改为旱地、种植蔬菜和果树等经济作物。同一地区的水田土壤pH值常高于旱地土壤，这意味着土地利用方式的改变可能也是引起土壤酸化的原因之一。为此，本文采用室内模拟培养试验，观察研究了水田改露天旱地与大棚种植环境下土壤酸度的变化特点。

1 材料与方法

从浙江省选择了3类种植面积较大的典型农田土壤用于模拟研究。3类土壤分别为淡涂泥田、黄斑田和黄泥田，它们的成土母质分别为滩涂沉积物、河湖相沉积物和酸性岩风化再积物，分别代表滨海平原、水网平原和丘陵山地的典型水稻土。采集土壤的深度为0～15 cm，土壤的基本性质见表1。

表1 试验前供试土壤的理化性质

每类土壤各设3个处理，分别模拟种植水稻、露地旱作和大棚种植等的土壤环境，试验在温室中进行。试验选择长、宽和深分别为30、25、20 cm的塑料容器，容器底部设有排水装置，可控制排水。每一容器装土深度为15 cm，装土量13.5 kg，相当于容重1.20 g/cm3。装土前土壤过5 mm土筛，每一类土壤装土各9盆(即每一处理各设置3个重复)。

在试验初期，对各塑料容器中土壤进行50 d的淹水处理，土表保持淹水层5 cm。之后，开始3种处理的试验，分别模拟种植水稻、露地旱作和大棚种植等土壤环境。在试验过程中以每45 d为一个周期模拟一年作物生长季的田间状况。每一周期分别添加相当于田间一年的酸性物质和由施肥等引起的盐分输入量。据Guo等[5]的研究，华北冬小麦-夏玉米轮作、华南水稻-小麦轮作等“一年两熟”种植体系中由氮肥大量施用每年所产生的酸量为20～30 kmol(H+)/hm2；蔬菜大棚等设施农业中过量施氮的年产酸量约为200 kmol(H+)/hm2；秸秆移出带走的盐基对土壤酸化的贡献为15～20 kmol(H+)/hm2。又据中国农业科学院的长期定位试验[10]，施用化学氮肥处理实际酸化速率为4.0～6.7 kmol(H+)/(hm2·a)。结合浙江省水田、露天旱地和大棚蔬菜地氮肥施用水平(1∶1.20∶1.75)，分别选择20、24和35 kmol(H+)/hm2(相当于10、12、17.5 mmol/kg土壤)为每年输入水田、露天旱地和大棚蔬菜地的酸量，作为试验中每一周期添加的酸量。同时根据浙江省典型地区施肥水平每年残留在土壤中肥料量确定每一试验周期添加的盐量为0.1、0.12和0.175 g/kg土壤。添加的酸和盐分别用H2SO4和氮磷钾复合肥配制。3个处理的试验情况如下：(1)模拟种植水稻环境：每个试验周期内分为4个时段(分别持续16、6、16、7 d)，分别模拟田间淹水-排水-淹水-排水的轮回。淹水期间土面以上保持5 cm的水层，排水期间排除土壤中的自由水；每一试验周期添加的酸和盐与灌溉水一并加入。(2)模拟露地种植旱作环境：保持75%～85%的田间持水量，每15 d(即每一试验周期3次)模拟田间降水引起的排水，每次模拟降水量为120 mm。容器底部的排水装置保持开通，模拟降水采用一自动加液器添加，在1～2 d内完成，并保证土内无积水。每一试验周期添加的酸与盐量分3次在模拟降水后加入土壤中(即添加前溶于少量水中)。(3)模拟大棚种植环境：土壤水分保持75%～85%的田间持水量，无自由水通过土体。每一试验周期添加的酸与盐量在调节土壤水分时同时加入。为了了解水田改为旱地后土壤酸度的变化，在经过50 d淹水处理后的第1个周期内不添加酸和盐，即添加酸和盐从试验的第2个周期内开始。试验共进行了17个周期(相当于17 a)。

在每一个试验周期结束时采集土壤样品。采集的土样用于分析pH值，交换性酸、盐分、CEC、NH4-N、NO3-N、有机质、还原性物质、交换性铝、吸附态铝、酸溶性无机铝和络合态铝含量等。土壤pH和还原性物质采用原位(湿土)土壤直接测定[11]，其中，pH测定时调节土水比为1∶1，还原性物质用硫酸铝浸提剂提取测定。其它性质采用风干土测定，有机质采用重铬酸钾氧化法测定[12]；交换性酸采用KCl交换-中和法测定[12]；阳离子交换量(CEC)采用醋酸铵交换法测定[12]；交换性盐基用醋酸铵交换，Ca、Mg用原子吸收光谱法测定，Na、K用火焰光度法测定[12]。非交换性酸采用CEC与交换性盐基差值计算。土壤中各形态铝采用连续提取法进行提取[13-14]，即：用1.0 mol/L KCl提取土壤中交换态铝；用1.0 mol/L NaOAc提取单聚体羟基铝；用1.0 mol/L HCl提取酸溶无机铝；用0.5 mol/L NaOH提取腐殖酸铝。

2 结果与分析

2.1 水田改旱地引起的土壤酸度变化

3个土壤的模拟培养试验(图1)表明，由于持续的酸性物质的输入，不同处理的土壤pH均呈下降的趋势。在水田种植环境下土壤pH只呈现轻微的下降，至17个试验周期后，淡涂泥田从7.28下降至7.19，黄斑田从6.97下降至6.71，黄泥田从6.25下降至5.88；pH平均下降量：黄泥田(0.37)>黄斑田(0.26)>淡涂泥田(0.09)。露地种植旱作和大棚种植环境下土壤pH的下降明显大于水田种植环境下的，并以大棚种植环境下土壤pH的下降最为明显。在露地种植旱作环境下，至17个试验周期后，平均土壤pH显著下降。其中，淡涂泥田的pH从7.28下降至6.54，黄斑田从6.97下降至5.69，黄泥田从6.25下降至5.02；平均下降量：黄斑田(1.28)>黄泥田(1.23)>淡涂泥田(0.74)。在大棚种植环境下，至17个试验周期后，平均土壤pH也显著地下降，其中，淡涂泥田的pH从7.28下降至6.03，黄斑田从6.97下降至5.23，黄泥田从6.25下降至4.72；平均下降量：黄斑田(1.74)>黄泥田(1.53)>淡涂泥田(1.25)。3个土壤之间pH下降量的差异可能与土壤的缓冲性能不同有关，淡涂泥田因含有碳酸钙，其对酸的缓冲能力较强。

图1 不同模拟种植条件下土壤酸化程度随时间的变化

随着土壤pH的下降，土壤中交换性酸也随培养周期逐渐增加。至17个试验周期后，土壤交换性酸均比试验初期显著增加。在水田种植环境下，土壤中交换性酸增加量相对较小，至试验结束时，淡涂泥田交换性酸从0.00 cmol/kg增加至0.24 cmol/kg，黄斑田从0.28 cmol/kg增加至0.53 cmol/kg，黄泥田从0.65 cmol/kg增加至1.43 cmol/kg；平均增加量：黄泥田(0.78 cmol/kg)>黄斑田(0.25 cmol/kg)>淡涂泥田(0.24 cmol/kg)。在露地种植旱作环境下，淡涂泥田交换性酸从0.00 cmol/kg增加至0.47 cmol/kg，黄斑田从0.28 cmol/kg增加至1.43 cmol/kg，黄泥田从0.65 cmol/kg增加至4.27 cmol/kg；平均增加量：黄泥田(3.62 cmol/kg)>黄斑田(1.15 cmol/kg)>淡涂泥田(0.47 cmol/kg)。在模拟大棚种植环境下，淡涂泥田交换性酸从0.00 cmol/kg增加至1.36 cmol/kg，黄斑田从0.28 cmol/kg增加至3.16 cmol/kg，黄泥田从0.65 cmol/kg增加至7.34 cmol/kg；平均增加量：黄泥田(6.69 cmol/kg)>黄斑田(2.88 cmol/kg)>淡涂泥田(1.36 cmol/kg)。

随着土壤酸化程度的加重(表2)，土壤交换性酸组成中交换性氢的比例逐渐下降，而交换性铝的比例逐渐上升。这一结果表明，随着土壤酸化程度的加剧，土壤中铝被逐渐释放，成为交换性酸的重要组成部分。在相同试验周期内，土壤中交换性铝占交换性酸的比例表现为大棚旱地>露天旱地>水田。

表2 土壤交换性铝和交换性氢的组成 %

土壤铝的化学形态组成分析结果(表3)表明，试验前后土壤中铝的化学形态发生了一定的变化，土壤酸化后，土壤中交换性铝和吸附态铝都显著地增加，酸溶态铝轻微下降，而络合态铝明显减少。这一结果表明，在酸化过程中发生了络合态铝、酸溶态铝向交换性铝、吸附态铝的转化。

表3 土壤铝的化学组成 mg/kg

2.2 露天旱地与大棚种植地土壤酸化的差异

露天旱地与大棚种植地土壤酸化存在明显的差异，后者的酸化速率明显高于前者。大棚种植地土壤的pH明显低于露天旱地，而大棚种植地土壤的交换性酸明显高于露天旱地。

3 讨论

3.1 水田改旱地后土壤酸化的原因

水田改旱地后土壤呈现明显的酸化。图1表明，这种酸化作用在水田改为旱地初期已有显现。在没有酸性物质输入之前，一直保持水田环境下的土壤的pH值，几乎没有变化；而转变为旱地的土壤在最初的水田排水转变为旱地过程中土壤pH已发生了明显的下降。其中，淡涂泥田、黄斑田和黄泥田因排水引起的pH下降量分别达0.24、0.63、0.79，这种下降似乎与排水后土壤缓冲体系发生变化有关。由表4可知，水田转变为旱地后，土壤中还原性物质(主要为Fe2+、Mn2+)明显地减少，而NH4-N也下降，NO3-N增加，这些物质的变化表明排水后土壤中发生了Fe2+、Mn2+和NH4-N氧化，而在氧化过程中可产生H+，促进了土壤的酸化[15]。

表4 水田转旱地后土壤中还原性物质的变化

3.2 露天旱地与大棚种植地土壤酸化差异的原因

大棚种植地土壤酸化明显高于露天旱地，这与大棚种植地施肥量大，但土壤缺乏雨水的淋洗、盐分大量积累有关(表5)。土壤中盐分浓度的提高可促进土壤胶体表面的交换铝向土壤溶液迁移，增加了土壤溶液中铝的浓度，从而导致土壤pH的下降。另外，大棚蔬菜系统中酸性物质输入量较高也是导致其酸化更大的原因。

表5 土壤中水溶性盐含量 g/kg

4 结论

模拟试验研究表明，不同利用方式下土壤酸化速率有很大的差异，露地种植旱作和大棚种植环境下土壤pH的下降明显大于水稻种植环境，大棚种植环境下土壤酸化速率明显高于露天旱地，表明水田改旱地可加剧土壤酸化。水田改旱地后土壤中还原性物质氧化可能是改旱后土壤酸化加剧的主要原因;高量施肥和盐分积累是大棚种植地土壤pH进一步下降的原因。