广东省酸性硫酸盐水稻土作物产量的主要限制因子分析

黄巧义， 唐拴虎， 黄 旭， 张发宝， 杨少海， 易 琼， 逄玉万， 张 木

(广东省农业科学院农业资源与环境研究所， 农业部南方植物营养与肥料重点实验室，广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室，广州 510640)



广东省酸性硫酸盐水稻土作物产量的主要限制因子分析

黄巧义， 唐拴虎*， 黄 旭， 张发宝， 杨少海， 易 琼， 逄玉万， 张 木

(广东省农业科学院农业资源与环境研究所， 农业部南方植物营养与肥料重点实验室，广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室，广州 510640)

酸性硫酸盐土; 理化性状; 水稻田; 因子分析

(Institute of Agricultural Resources and Environment, Guangdong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region, Ministry of Agriculture/Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation, Guangzhou 510640, China)

酸性硫酸盐土(Acidsulfatesoil)是发育于以黄铁矿为主的硫化物沉积物，成土过程中形成硫酸使土壤严重酸化，是难以利用的问题土壤之一[1]。我国酸性硫酸盐土面积约0.11×104hm2，分布在广东、 广西、 海南、 福建等地区，其中广东省面积最大[2]。调查发现，不同利用方式下酸性硫酸盐土酸化程度及生态风险系数不一致，而水田的安全性相对较大，且通过适当改良可以显著提高水稻产量水平[3-4]，稻作利用方式被认为是酸性硫酸盐土利用的较优方式[3]。因此，我国大部分酸性硫酸盐土被改造成水稻田，又称反酸田[5- 6]。然而，反酸田的产量水平远低于全国平均水平，是我国中低产田改良中重要的改良对象。印度尼西亚、 泰国、 几内亚比绍、 斯里兰卡等国家酸性硫酸盐土稻区的产量也较低[7]。

我国农用耕地资源严重缺乏，耕地生产负载大，人均耕地仅有0.11hm2，且还面临着退化、 污染、 沙化等威胁，如何保护“耕地红线”及保障“粮食安全”已成为我国亟待解决的重大问题[8-9]。随着经济发展，广东省耕地面积减少幅度尤为突出，人均耕地面积更低于0.06hm2[10-11]。赵其国院士提出“扩量、 提质、 增效、 持续增产”的保障“粮食安全”十字方针[9]，而中低产田产量提升技术是当前耕地面积不断萎缩条件下实现粮食安全的重要途径。有研究证明，通过开沟排水、 施用改良剂等措施可明显改善反酸田土壤酸环境，进而促进水稻生长，实现增产目标[3, 12-13]。做好反酸田改良措施是广东省粮食增产的重要且有效途径。为了更好地实施反酸田的改良工作，需明确酸性硫酸盐土发育的反酸田土壤限制因子，以更好地“对症下药”。因此，本研究开展对不同产量水平下酸性硫酸盐土水稻田的理化性状调查，摸清限制水稻生长的关键土壤化学因子，为反酸田的改良提供理论依据。

1　材料与方法

1.1研究区域概况及采样点的确定

目前，该区域大部分酸性硫酸盐土已开垦种植水稻，但其产量水平显著低于全国平均水平。台山市冲蒌镇八家村反酸田的酸度跨度大，水稻产量差异也较大，能够代表大部分反酸田状况。因而本研究的调查选择在广东省台山市冲蒌镇八家村(22.67°N,112.46°E)。根据连续3年产量水平的调查结果，将调查的田块定位于产量水平为4500、 3000、 1500kg/hm2的反酸田块(其面积分别约为1hm2)，并分别定义为4500、 3000、 1500kg采样点，同时，以因强酸而撂荒水稻田作为参照采样点，定义为Abandoned采样点。

于2013年6月28日早稻收获期在不同采样点采集耕层(0—20cm)土壤样品，采用棋盘采样法采集土样24个，合并成8个混合样品。土样经室内风干后，磨细过2mm和1mm的尼龙筛，备用。

1.2分析项目与方法

土壤pH用电位法(水 ∶土=2.5 ∶1)测定。水溶性酸度和交换性酸度参照林初夏等[14]的方法进行，分别通过土 ∶水1 ∶5或1mol/LKCl浸提后，用0.01mol/LNaOH滴定至pH5.5。吸持性酸参照Vithana等[15]的方法，测定净酸溶性硫酸盐含量然后再转换成吸持性酸(换算比例折中取2.5)。水溶性硫和交换性硫参照Lin等[16]的方法，分别采用去离子水(1 ∶5)和0.1mol/L的EDTA(1 ∶20)浸提，用比浊法测定硫酸盐含量。

土壤有机质采用K2Cr2O7氧化—外加热法; 碱解氮用扩散法; 有效磷采用0.03mol/LNH4F-0.025mol/LHCl浸提—钼锑抗比色法; 速效钾采用1mol/LNH4OAc浸提—火焰光度法; 阳离子交换量用EDTA+NH4OAc交换—容量法; 交换性钙、 镁采用1mol/LNH4OAc浸提—原子吸收分光光度法; 交换性Fe、Mn、Zn、Cu用DTPA浸提—原子吸收分光光度法; 交换性Al采用1mol/LKCl浸提—ICP-OES法测定。

1.3数据处理

试验数据采用Excel软件整理，R软件进行方差分析、 相关分析、 主成分分析及作图。

2　结果与分析

2.1土壤有机质含量和阳离子代换量

酸性硫酸盐土的成土母质常形成于有机质含量较高的滨海环境中，其有机质背景值较高。从图1可看出，反酸田的有机质含量水平较高，均达到30g/kg以上。但不同采样田块间的有机质含量没有明显差异，表明稻作利用方式对反酸田有机质含量没有显著影响，即土壤有机质含量不是调查区域限制水稻产量的因素。而不同采样点的阳离子交换量(CEC)差别较大，4500、 3000kg采样点显著低于Abandoned，4500kg采样点显著低于1500kg采样点。

2.2土壤pH值及各种形态的酸含量

图2显示，种植水稻田块的酸含量明显低于撂荒水稻田，且不同产量水平下水稻田的酸含量有显著差异。随着调查田块水稻产量的增加，其pH值逐步提高，而撂荒水稻田的pH值最低。与撂荒水稻田(对照)相比，1500、 3000、 4500kg稻田的土壤pH值分别提高了0.11、 0.33、 0.70个单位。

水溶性酸和交换性酸是土壤中的活性酸，由H+、Al3+、Fe2+等酸性阳离子形成[17]，吸持性酸储存于黄钾铁矾、 施氏矿物和羟矾石等容易水解的Fe/Al羟基硫酸盐二次矿物中，活性较低[15]。当酸性硫酸盐土强烈酸化时，一部分水溶性酸或交换性酸会以吸持性酸的形态被暂时固定下来，防止土壤进一步酸化，而当土壤pH值提高到一定程度时，吸持性酸将被释放出来[14]。从图2还可以看出，反酸田的水溶性酸、 交换性酸和吸持性酸含量均分别达到0.8、 2.5、 1.8cmol/kg以上，且随着水稻产量的增加而降低。与对照相比，产量为1500、 3000、 4500kg/hm2稻田的土壤水溶性酸分别降低了40.06%、 61.12%、 80.20%; 交换性酸分别降低了13.95%、 23.60%、 51.03%; 吸持性酸分别降低了46.08%、 76.28%、 86.28%。表明不同采样点各种酸含量的差异程度大于pH值的差异，更能表征土壤的酸度水平，而尤以水溶性酸和吸持性酸的变化最明显。

图1　不同采样点有机质含量和阳离子交换量Fig.1　Soil organic matter and CEC in different sampling fields

图2　不同采样点pH值和各种酸组分含量Fig.2　Soil pH value and acidity contents of the plough layer in different sampling fields

图3　不同采样点总存在酸的含量及其组成情况Fig.3　Existing acidity contents of the plough layer in different sampling fields

2.3土壤碱解氮、 有效磷和速效钾含量

图4　不同采样点的氮、 磷、 钾含量Fig.4　N, P, K contents in different sampling fields

[注(Note): 柱上不同字母表示采样点间差异达5%显著水平Differentlettersabovethebarsmeansignificantamongthesamplingfieldsatthe5%level(n=8).]

KFe3(SO4)2(OH)6+6H+

(1)

2.4交换性钙、 镁、 硫含量

从图5可以看出，不同采样点的交换性镁含量没有显著差异。各采样点的交换性钙含量偏低，且4500kg/hm2产量采样点的交换性钙含量显著高于撂荒水稻田(Abandoned，对照)，而其他采样点间差异不显著，表明该地区酸性硫酸盐土母质中石灰性物质较少，4500kg/hm2产量采样点大幅增加的交换性钙离子可能主要来自于农用施肥。表1显示，交换性钙含量与各种形态酸含量极显著负相关，表明调查区域酸度水平的降低可能与施用含钙的化学物质有关。

不同采样点的水溶性硫和交换性硫含量差异显著，与对照相比，1500、 3000、 4500kg/hm2产量采样点的水溶性硫含量分别降低了19.28%、 56.24%、 74.62%，交换性硫含量分别降低了22.38%、 48.64%、 79.80%。硫酸根是酸性硫酸盐土成土母质黄铁矿的氧化产物，因不易被土壤吸附而容易被淋洗出土体，稻作利用下长期大量灌溉，进一步加快了硫酸根的淋洗，因此，水稻田的硫酸盐含量明显低于撂荒田块。然而，当土壤中硫酸盐含量达到一定阈值，在淹水还原条件下形成H2S，严重危害水稻的根系生长。因此，硫酸根引起的H2S毒害是酸性硫酸盐土水稻田的障碍因子之一，本试验结果也表明，产量越高的酸性硫酸盐土水稻田块(反酸田)的硫酸盐含量越低。

2.5交换性铁、 锰、 锌、 铜、 铝含量

图6显示，不同采样点的交换性铁含量均较高，但差异不显著。酸性硫酸盐土成土母质氧化发育过程中，形成大量的铁中间产物，因此酸性硫酸盐土中的铁含量较高。不同采样点的交换性锌、 交换效铜含量规律不明显，仅3000采样点的交换性锌显著低于其他采样点，4500kg/hm2产量采样点的交换性铜含量显著高于其他采样点，其他田块没有差异。交换性铜含量与酸含量显著负相关，而交换性锌则与酸含量显著正相关(表1)。在酸性硫酸盐土的强酸环境下，金属离子移动性显著提高，其有效性显著提高，但也加大了流失风险[18]。不同金属离子在酸性硫酸盐土中的化学行为不同，以致其活性及淋失风险截然不同。酸性硫酸盐土的强酸环境中锌离子的活化程度较大[19]，而铜离子主要被黄铁矿矿物所结合，在黄铁矿氧化过程中被释放出来。然而，铜和锌在酸性硫酸盐土壤中活化和淋失程度比较尚不明确。

图5　不同采样点的交换性钙、 镁、 硫含量Fig.5　Exchangeable Ca, Mg and S contents of the plough layer in different sampling fields

[注(Note): 柱上不同字母表示采样点间差异达5%Differentlettersabovethebarsmeansignificantamongthesamplingfieldsatthe5%level(n=8).]

表1　元素有效含量和土壤酸、 硫酸盐含量的相关性(n=32)Table 1　Pearson correlation coefficients for relationships between available element contents andthe selected soil properties

注(Note):SA—Solubleacidity水溶性酸;ExA—Exchangeableacidity交换性酸;RA—Retainedacidity吸持性酸;SS—SolubleS水溶性硫;ES—ExchangeableS交换性硫. *—P < 0.05; **—P < 0.01.

值得注意的是，酸性硫酸盐土的交换性铝和交换性锰含量在不同采样点差异显著，且其变化趋势一致。以撂荒水稻田(Abandoned)为参照，1500、 3000、 4500kg/hm2产量采样点的交换性锰含量分别降低了5.12%、 79.43%、 97.28%，交换性铝含量分别降低了12.53%、 35.37%、 67.80%。总体上，1500kg/hm2产量采样点与对照点的交换性铝和交换性锰含量没有差异，但均显著高于3000、 4500kg/hm2产量采样点。随着采样点水稻产量的降低，其交换性铝、 交换性锰含量呈渐次提高趋势，其中交换性锰的增幅更大，从表1可以看出，交换性锰和交换性铝均与各种形态酸的含量极显著相关，表明强酸环境导致锰和铝大量活化，进而影响水稻生产。

2.6土壤理化性状的主成分分析

以有机质含量(Organicmatter)、 阳离子交换量(CEC)、pH、 水溶性酸(SA)、 交换性酸(ExA)、 吸持性酸(RA)、 碱解氮(N)、 有效磷(P)、 速效钾(K)、 水溶性硫(SS)、 交换性硫(ES)、 交换性钙(Ca)、 交换性镁(Mg)、 交换性铁(Fe)、 交换性锰(Mn)、 交换性铜(Cu)、 交换性锌(Zn)和交换性铝(Al)作为原始变量，不同取样点作为分类变量，进行主成分分析，其结果如图7所示。从主成分碎石图(图7a)可见，各原始变量主成分分析可提取出11个主成分，仅第一至第四主成分的特征值大于1.0。第一主成分(PC1)表达了总变量云的变异度的64.99%，为主导关键主成分。第二主成分的重要性相对较低，仅概括了总变异度的11.64%，第三、 四主成分分别概括了总变异度的8.11%、 6.42%，累积贡献率达91.16%。表明这4个合成变量(PC1、PC2、PC3、PC4)可以概括18个原始变量的大部分信息，因此可失去其他主成分。

图7b、 7d展示了构成PC1、PC2和PC3、PC4的原始变量云图。PC1主要与原始变量SS、ES、Al、ExA、Mn、SA、RA、CEC、Zn极显著正相关(P<0.01)，同时与pH、P、K、Cu、Ca极显著负相关(P<0.01)(表2)。PC2主要与Fe和N极显著正相关(P<0.01)。PC3主要与Zn和Ca显著正相关(P<0.05)，PC4主要与OM和Mg显著相关(P<0.05)。由此可见，PC1主要反映土壤酸含量水平及受酸含量显著影响的相关元素离子有效含量，能总结酸性硫酸盐土理化性状的关键特性。PC2、PC3和PC4主要包含了土壤理化性状的部分信息，对酸性硫酸盐土的理化性状影响较小。

图7c、 7e显示不同采样点在PC1、PC2和PC3、PC4平面的得分荷载情况，不同采样点沿差异度的主轴(PC1)方向进行空间分布，表明不同采样点在该维度所代表的土壤理化性状具有显著差异性。水稻产量越高的酸性硫酸盐土水稻田越趋向于PC1的负轴方向，相反，产量越低的酸性硫酸盐土水稻田则越趋向于该轴的正方向，而撂荒水稻田最接近PC1的正轴方向。而不同采样点在PC2、PC3、PC4方向的空间分布情况差异不大，且分布趋势与采样点的产量变化趋势不具有规律性。因此，PC1表征了不同采样点理化性状差异的主要信息。结合图7-b中构成PC1的原始变量云情况，可以推断，稻作利用方式下酸性硫酸盐土中SS、ES、Al、ExA、Mn、SA、RA、CEC、Zn显著降低，pH、P、K、Cu、Ca则显著提高; 水稻产量状况显著受土壤理化性状的影响，水稻产量越高的田块，其SS、ES、Al、ExA、Mn、SA、RA、CEC、Zn越低，pH、P、K、Cu、Ca则越高。由此可见，SS、ES、Al、ExA、Mn、SA、RA、CEC、Zn为影响反酸田产量水平的负效应变量，而pH、P、K、Cu、Ca为影响反酸田产量水平的正效应变量。

图6　不同采样点交换性铁、 锰、 锌、 铜、 铝含量Fig.6　Exchangeable Fe, Mn, Zn, Cu and Al contents of the plough layer in different sampling fields

[注(Note): 柱上不同字母表示采样点间差异达5%Differentlettersabovethebarsmeansignificantamongthesamplingfieldsatthe5%levels(n=8).]

3　讨论

图7　土壤理化性状的主成分分析Fig.7　Results of PCA showing the four PCs[Individuals (observations) graph (c, e) and variables (chemical parameters) graph (b, d)]

表2　组成四个主成分的原始数据型变量的相关度Table 2　Correlations and explained quantitative variance for the four PCs

注(Note):SA—水溶性酸Solubleacidity;ExA—交换性酸Exchangeableacidity;RA—吸持性酸Retainedacidity;SS—水溶性硫SolubleS;ES—交换性硫ExchangeableS.

反酸田酸化过程主要受成土母质风化程度的影响，其酸化原因有别于一般酸性土壤。本研究发现，反酸田的产量主要限制化学因子也较一般酸性土壤复杂多样，其改良难度也远远高于一般酸性土壤。因此，在反酸田改良工程中，既需借鉴一般酸性土壤改良经验，亦需摸索反酸田特有的改良措施。施用磷矿粉、 钙镁磷肥等碱性肥料或者石灰、 粉煤灰等改良剂，提高土壤pH值，是酸性土壤改良的有效手段[26]。有研究表明，施用碱性肥料或改良剂也能有效暂时改善反酸田，促进水稻生长[12-13]。然而，反酸田因酸度水平较高，施用碱性肥料降低土壤酸性的改良措施所需成本极大，且改良效果的持续性不佳[30]。为了更有效地改善反酸田，应改善反酸田水分管理模式，加大排灌密度，减缓黄铁矿氧化、 促进黄钾铁矾水解，进而使黄钾铁矾出现的土层下降，提高耕层土壤pH值[5-6]。

4　结论

硫酸根含量过高、 铝毒、 锰毒、 酸毒、 缺磷、 缺钾是限制反酸田产量的主要土壤化学因子。黄铁矿氧化过程中形成的酸、 硫酸盐是影响广东省反酸田水稻生长的原生及根本性障碍因素，而铝毒、 锰毒、 缺磷、 缺钾等均是由土壤中高含量的酸、 硫酸盐引起的次生障碍因素。因此，在反酸田改良过程中，应以减缓黄铁矿氧化、 促进黄钾铁矾水解，降低耕层土壤酸、 硫酸盐含量为主要目标。

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HUANGQiao-yi,TANGShuan-hu*,HUANGXu,ZHANGFa-bao,YANGShao-hai,YIQiong,

PANGYu-wan,ZHANGMu

【Objectives】Thegrowthofriceinacidsulfatepaddyfields(ASPS)whichwerethetypicallow-midyieldingfieldsinsouthChinawasseverelylimitedduetostrongacid,thereby,andthericeyieldswerelowerthanthenationalaverage.InordertoamelioratesoilsandincreasericeyieldsinASPS,thelimitingfactorsofacidsulfatepaddyfieldsshouldbecleared.SoilchemicalpropertiesofASPSwiththreelevelsofriceyieldwerestudiedtoanalyzelimitinghazardouschemicalfactorsofASPS,andprovidetheoreticalguidanceonASPSimprovements. 【Methods】SoilsampleswerecollectedinthreetypicalASPSwiththreelevelsofriceyield(4500, 3000and1500kg/hm2)accordingtopreliminarysurveyandabandonedASPSasthecontroltreatmentinTaishancity,GuangdongprovinceonJune28, 2013.Eightreplicatesampleswerecollectedoneachsamplingfield.Soilorganicmatter,acidity,nutrientelementsandmicro-elementsweremeasured,andthelimitinghazardouschemicalfactorsofASPSwerediscussedbycorrelationanalysisandprincipalcomponentsanalysis. 【Results】TheorganicmatterandalkalinehydrolyzableNofASPSwithdifferentyieldlevelshavenosignificantdifferences,whichsuggeststhattheorganicmatterandalkalinehydrolyzableNarenotthelimitingfactorsofASPS.ASPSareveryacid,theirpHvaluesareabout3.0-4.0,andtheirsolubleacidity,exchangeableacidityandretainedacidityareabout0.6-5.6、 2.7-6.3and1.3-14.1cmol/kg.Thesolubleacidity,exchangeableacidityandretainedacidityhaveadecreasingtendencyastheyieldlevelincreasing,especiallygreaterdeclinesofthesolubleacidityandretainedacidityareobserved.Asriceyieldleveldecreasing,availablePandKdecreasesignificantly,whilesolubleS,exchangeableS,exchangeableMn,exchangeableAlincreasesignificantly,andexchangeableCa,Zn,Cuarenotsignificantlydifferent,whichindicatesthePdeficiency,Kdeficiency,moreSO4,AltoxicityandMntoxicityarethelimitinghazardouschemicalfactorsofASPS.ThecorrelationanalysisindicatesthatavailablePandKcorrelatessignificantlyandnegativelywithvariousformsacidityandsulfate,whileexchangeableCa,Mn,Cu,ZnandAlcorrelatesignificantlyandpositivelywithvariousformsacidityandsulfate,whichsuggeststhatthelimitinghazardouschemicalfactorsofASPSareaffectedbyacidityandsulfate.Theprincipalcomponentsanalysis(PCA)showsthatsolubleS,exchangeableS,exchangeableAl,exchangeableacidity,solubleacidity,retainedacidity,pHvalue,availablePandKconstitutearelativelyhomogeneousgroup,whichsummarize64.99%ofthetotalvariabilityofsoilchemicalpropertiesofASPSwithdifferentriceyields,theyarethecriticallimitinghazardouschemicalfactorsofASPS.TheresultsofPCAalsosuggeststhatsolubleS,exchangeableS,exchangeableAl,exchangeableacidity,solubleacidity,retainedacidityarethevariableswhichhavenegativeeffectsonriceyieldinASPS,whilepHvalue,availablePandKarethevariableswhichhavepositiveeffectsonriceyieldinASPS. 【Conclusions】TheSO4stress,Altoxicity,Mntoxicity,acidtoxicity,PdeficiencyandKdeficiencyarethecriticalchemicalfactorsthatlimitingyieldofriceinASPS.AcidandsulfateformedinASPSdevelopmentarenativeandfundamentalobstaclefactorsofASPSinGuangdongprovince.TheAltoxicity,Mntoxicity,Pdeficiency,andKdeficiencyaresecondaryobstaclefactors.Thus,ASPSimprovementshouldfocusonslowingdownpyriteoxidationandpromotingjarositehydrolysis,anddecreasingacidandsulfatecontentsattheploughlayer.

acidsulfatesoil;soilchemicalproperties;paddyfield;factoranalysis

2014-08-15接受日期: 2014-10-21网络出版日期: 2015-07-17

公益性行业(农业)科技专项 (201003016); 广东省科技计划项目(2012A020100004)资助。

黄巧义(1985—)，男，广东潮阳人，硕士，助理研究员，主要从事土壤培肥及高效施肥技术研究。

Tel: 020-32885730，E-mail:huangqiaoyi@hotmail.com。 * 通信作者Tel: 020-85161400,E-mail: 1006339502@qq.com

S158;S155.4+2

A

1008-505X(2016)01-0180-12