川西稻田改为茶园后土壤pH和腐殖质组成剖面分布变化特征

袁大刚，蒲光兰，程伟丽，王昌全，何 刚

(四川农业大学 资源学院，四川 成都 611130)



川西稻田改为茶园后土壤pH和腐殖质组成剖面分布变化特征

袁大刚，蒲光兰，程伟丽，王昌全，何 刚

(四川农业大学 资源学院，四川 成都 611130)

为了探讨稻田及由稻田改造的茶园这2种土地利用方式下，土壤pH和腐殖质组成的剖面分布特征，按等间距采样法采集土样，分析各土层pH、腐殖质总碳及其组分含量。结果表明：(1)稻田和茶园土壤均呈酸性至强酸性反应，植茶加剧了土壤的酸化；(2)稻田和茶园土壤腐殖质总碳及其组分含量自上而下均呈递减趋势，且剖面分布特征与土地利用和植物根系分布密切相关，在稻田30 cm以下土层中显著降低，在茶园0—60 cm土层内缓慢降低；(3)稻田改为茶园，有利于土壤腐殖质总碳(CT)、腐殖酸碳(CHA+FA)和富里酸碳(CFA)的形成与积累，而胡敏酸碳(CHA)和胡敏素碳(CHM)含量因土层不同而有差异，在0—30 cm土层内不利于其积累，但在40—60 cm土层内表现出明显的积累特征；(4)各土层CFA/CT和CHA+FA/CT表现为茶园>稻田，CHM/CT为稻田>茶园；而CHA/CFA和CHA/CT因土层不同而有异，0—30 cm范围内表现为稻田>茶园，而40—60 cm范围内表现为茶园>稻田；(5)土壤pH越低，腐殖质总碳及其各组分含量越高；反之，腐殖质总碳及其各组分含量越高，pH越低。

稻田；茶园；pH；腐殖质；垂直分布

土壤pH是土壤最基本的化学性质之一，受成土母质、生物气候、人为活动等成土条件控制，也受土壤有机质含量和类型等影响[1]。土壤pH对土壤中的氧化-还原、溶解-沉淀、吸附-解吸和配合反应起支配作用，在元素的释放、迁移、固定，植物生长和微生物活动中起重要作用。土壤腐殖质是土壤重要的组成部分，按不同的酸碱提取过程，可分为富里酸、胡敏酸和胡敏素，其组成和特性也受成土母质[1-2]、植被类型[1，3]、人为活动[1，4-6]、土壤酸度[7-9]等影响。腐殖质可反映一定的成土条件和过程[2]，在土壤肥力和全球碳循环中有重要作用。

由于长期滞水潴育、侧渗漂洗等作用，川西台地广泛分布具漂白层的土壤——漂洗黄壤。这类土壤由于其平坦的地形条件，一直被作为水稻种植基地，土壤类型由漂洗黄壤水耕熟化而变为漂洗水稻土。近年来，由于茶叶经济效益较好，而漂洗水稻土为酸性土壤，可以种茶，因此，不少类似地块由种植水稻转变为种植茶树，土壤水分状况、亚铁离子含量等理化性质发生明显改变[10]，土壤pH和腐殖质组成与特性也相应发生变化。本文拟探讨土地利用方式/覆被变化前后土壤pH及腐殖质组分的垂直变化特征，以期为该区域土地合理利用与科学管理，促进农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处四川盆地西缘的名山县，属亚热带季风性湿润气候，雨量充沛，温暖湿润，年均气温15.4 ℃，年均降水量1 500 mm，年均日照1 018 h，年均无霜期298 d，年均相对湿度82%。台地地貌，老冲积(第四系统更新沉积物)母质，土壤类型为漂洗水稻土及受水耕熟化影响的漂洗黄壤。土地利用方式为稻田和由稻田改造的7 a生茶园，其中，稻田由于水利失修和经济效益较差而疏于管理，漏水漏肥较严重；茶园由于经济效益较好，秋冬季施用农家肥、采摘季节施用尿素等，土壤管理措施得到加强。

1.2 样品采集

在四川省名山县县城附近第五级阶地选择处于相同地貌的稻—油轮作稻田及由其改造的7 a生茶园作为研究对象，于2010年5月采集土壤样品。采样时，在采样点用荷兰Eijkelkamp公司生产的不锈钢土钻按10 cm间距从土壤表层向下取土，取土深度为110 cm，即每个采样点采集11个土壤样品；2种土地利用类型分别采3个样点，共采集6个样点66个土壤样品。所采样品风干后，挑出枯枝落叶、侵入体和石砾等，磨细，过筛，备用。

1.3 指标及其测定方法

土壤pH(H2O)和pH(KCl)用电位法测定，土水质量比均为1∶2.5，分别反映活性酸与交换性酸数量；腐殖质总碳(CT)用重铬酸钾-硫酸消化法测定；腐殖质组成中，腐殖酸总碳用焦磷酸钠-氢氧化钠混合浸提剂提取，胡敏酸通过往焦磷酸钠-氢氧化钠提取液中加硫酸形成沉淀而分离，提取、分离的腐殖酸总碳(CHA+FA)和胡敏酸碳(CHA)均用重铬酸钾-硫酸消化法测定；富里酸碳和胡敏素碳通过差减法计算得到：富里酸碳(CFA)=CHA+FA-CHA，胡敏素碳(CHM)=CT-CHA+FA[11]。

1.4 数据处理

用Excel 2003软件进行描述性统计分析与剖面分布图制作，用DPS 7.05进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 稻田和茶园土壤pH的剖面分布特征

土壤pH是土壤酸度的强度指标，是土壤最基本的化学性质之一。土壤pH(H2O)反映了土壤活性酸的数量，由图1可知，无论稻田还是茶园，沿土壤剖面自上而下总体上均呈逐渐升高的趋势；土壤pH(KCl)反映了土壤交换性酸的数量，在稻田土壤剖面中自上而下表现出先升高后降低再升高的特征，而在茶园土壤剖面中则表现出先升高后降低的特征。无论是pH(H2O)还是pH(KCl)，30 cm以内土层均表现出从表层向下pH逐渐升高的趋势，即表层酸性更强，说明表层酸度更容易受氮肥施用、酸雨等的影响而变酸；同时pH值均表现为稻田>茶园，这是因为稻田淹水使土壤趋于中性，而植茶则会促进土壤酸化，这与公认结论一致。

图1 稻田和茶园土壤pH的垂直分布特征Fig.1 The vertical distribution characteristics of soil pH under paddy field and tea garden

2.2 稻田和茶园土壤腐殖质组成的剖面分布特征

2.2.1 CT

由图2可知，无论茶园还是稻田，土壤CT自上而下均呈递减的特征，稻田CT含量在30 cm以下土层趋于稳定，而茶园CT含量在60 cm以下土层才趋于稳定。这可能是受人类活动和植物根系分布特征影响所致：稻田0—30 cm土层为耕作层，其中含一紧实的犁底层，植物根系在犁底层中穿插困难；同时，0—30 cm土层也是水稻、油菜两种作物根系的主要分布区域，因此，稻田0—30 cm土层CT含量显著高于30 cm以下土层。而茶树种植需打破犁底层，同时茶树根系分布相对较深，约60 cm，因而在0—60 cm土层，土壤CT含量随深度增加而逐渐降低，在60 cm以下土层趋于稳定。一般认为，稻田土壤有利于有机质的积累，但在本研究中，茶园土壤也表现出较强的碳增汇效应，CT含量在60 cm以上土层总体表现为茶园>稻田，这与茶园每年施用大量猪粪、油枯等有机肥以及产生大量茶树枯落物[12]有关；30 cm以上土层茶园与稻田土CT含量相差不大，这可能与有机质的矿质化和腐殖化过程在同样的气候、地形和土壤等条件下趋于平衡有关；此外，由于根系对60 cm以下土层影响较小，稻田和茶园60 cm以下土层CT含量趋于一致。

2.2.2 CHA

由图2可知，稻田和茶园土壤CHA含量沿土壤剖面自上而下也呈递减趋势，其中，稻田CHA含量在30 cm以下土层较30 cm以上土层显著降低，向下趋于稳定；而茶园土壤CHA含量自上而下缓慢下降，自60 cm土层向下趋于稳定。稻田与茶园相比，0—30 cm土层CHA含量为稻田>茶园，尤以表层20 cm差异显著，可能与土壤水分状况、耕作制度及土壤pH有关。淹水种稻有利于胡敏酸的形成[1-2，4]，同时，土壤呈酸性反应(图1)，胡敏酸易于沉淀，迁移能力差，不易淋失而有利于积累，与李玉琴等[6]的研究结果一致。但在30 cm以下土层CHA含量为茶园>稻田，这可能是因为胡敏酸与富里酸有发生学联系，30 cm以上土层形成的大量富里酸向下迁移后转化为胡敏酸而淀积，从而导致CHA含量为茶园>稻田。

2.2.3 CFA

由图2可知，与CT相似，稻田和茶园土壤CFA沿土壤剖面自上而下呈递减趋势。稻田30 cm以下土层CFA含量较30 cm以上土层显著降低，并向下趋于稳定；而茶园土壤在整个剖面上表现为逐渐降低，60 cm以下土层趋于稳定。整个剖面土壤CFA含量均表现为稻田<茶园，且以表层20 cm差异最显著。这是因为：①稻田淹水利于富里酸的渗洗[2]，尤其是酸性土壤，由于富里酸的酸溶性，其迁移能力更强，从而更利于淋失；②水改旱后CHA含量降低，CFA含量升高[13]；③强酸性土壤中CFA含量较高[14]；④茶树每年产生大量枯枝落叶，其中茶多酚含量较高，从而导致土壤中酚类物质积累较多[15]，按多酚学说，其淋出液中的多酚可能最先形成大量富里酸，从而导致其CFA含量较无淹水季节的茶园低，Duan等[16]最近的研究结果也证实了添加茶多酚可以增加土壤CFA含量。CFA稳定性低于CHA，其含量增加不利于土壤碳的固存；富里酸酸性强于胡敏酸，CFA含量增加可能使pH降低。

2.2.4 CHA+FA

由图2可知，与CFA剖面分布规律一致，稻田和茶园土壤CHA+FA含量从上至下呈递减趋势，但稻田30 cm以下土层CHA+FA含量显著降低，且趋于稳定，而茶园土壤在整个剖面上逐渐降低，至60 cm以下土层才趋于稳定。整个剖面，尤其是60 cm以上土层，CHA+FA含量均表现为茶园>稻田，这可能是土壤胡敏酸与富里酸相互转化及迁移与累积综合作用的结果。

2.2.5 CHM

由图2可知，与CT类似，稻田和茶园土壤CHM自上而下总体均呈递减趋势，其中稻田CHM含量在30 cm以下土层趋于稳定，与水稻土犁底层位置相一致；而茶园CHM含量在60 cm以下土层才趋于稳定，与其根系分布相一致。稻田和茶园土壤CHM含量在0—30 cm土层和60 cm以下土层均为稻田>茶园，而30—60 cm土层表现为茶园>稻田。李玉琴等[6]在川西低山区土壤腐殖质组成研究中也发现，0—30 cm土层CHM也表现为稻田>茶园，说明稻田表层较茶园表层更有利于胡敏素的累积。胡敏素与矿质部分紧密结合，是一种惰性腐殖质，从而利于碳的固定。

图2 稻田和茶园土壤腐殖质组成的垂直分布特征Fig.2 The vertical distribution characteristics of soil humus fractions under paddy field and tea garden

2.3 稻田和茶园土壤腐殖质组成化学计量比的剖面分布特征

2.3.1 CHA/CFA

CHA/CFA可反映土壤腐殖质组成特征、形成条件和腐殖酸结构的复杂程度，其值越大，胡敏酸相对含量越高，腐殖酸分子量增大，分子结构越趋于复杂；反之，富里酸含量高，结构简单。由图3可知，稻田0—30 cm土层的CHA/CFA自上而下逐渐降低，而30 cm以下各土层波动较大；茶园土壤CHA/CFA在整个剖面上总体表现为自上而下逐渐增加的趋势，但各土层间差异不显著。稻田与茶园相比，在30 cm以上土层，CHA/CFA表现为稻田>茶园，与李玉琴等[6]的研究结果一致，这可能是因为长期渍水有利于富里酸的渗洗及胡敏酸的形成与积累，从而导致CHA/CFA值较高[2]；也与杨东方等[13]水改旱后土壤腐殖质中易矿化的组分增加，HA/FA值下降的研究结果一致，但与其水改旱后，与粘粒结合的腐殖质中，HA/FA值升高的研究结果相反。

图3 稻田和茶园土壤腐殖质组成化学计量比的垂直分布特征Fig.3 The vertical distribution characteristics on stoichiometry of soil humus fractions under paddy field and tea garden

2.3.2 CHA/CT

由图3可知，稻田CHA/CT自上而下剖面垂直分布总体呈现出递减的趋势，而茶园土壤则呈现出递增的趋势，这可能是由于稻田CHA降低的比例高于CT降低的比例，而茶园CHA降低的比例低于CT降低的比例。稻田与茶园相比，0—30 cm土层的CHA/CT值为稻田>茶园，与李玉琴等[6]的研究结果一致；30 cm以下土层为茶园>稻田，表明在30 cm以下各土层，茶园土壤的胡敏酸比例较稻田土壤高，腐殖化过程中胡敏酸的形成是重要方向。

2.3.3 CFA/CT

由图3可知，稻田土壤30 cm以上土层的CFA/CT明显高于30 cm以下土层，30 cm以下各土层CHA+FA/CT差异较小；茶园土壤40 cm以上土层的CFA/CT基本一致，但40 cm以下各土层的CFA/CT有一定波动。稻田与茶园相比，各土层的CFA/CT也均表现为茶园>稻田，与李玉琴等[6]的研究结果一致，进一步证实茶园土壤腐殖化过程中富里酸的积累是重要方向。

2.3.4 CHA+FA/CT

CHA+FA/CT是土壤腐殖化程度的指标[14]。由图3可知，稻田土壤30 cm以上土层的CHA+FA/CT明显高于30 cm以下土层，30 cm以下各土层的CHA+FA/CT差异较小；茶园土壤40 cm以上土层的CHA+FA/CT基本一致，但40 cm以下各土层的CHA+FA/CT有一定波动。稻田与茶园相比，各土层CHA+FA/CT均表现为茶园>稻田，与李玉琴等[6]在川西低山区土壤腐殖质组成研究中的结果一致，表明茶园土壤腐殖化程度较高。由2.3.1节可知，30 cm以上土层CHA/CFA表现为稻田>茶园，这表明茶园表层土壤腐殖化过程以富里酸的形成为主要方向。

2.3.5 CHM/CT

由图3可知，稻田和茶园土壤CHM/CT的剖面分布与CHA+FA/CT基本相反。从稻田与茶园的比较来看，各土层CHM/CT均表现为稻田>茶园，即稻田土壤中胡敏素比例较茶园土壤高，这与李玉琴等[6]的研究结果一致，进一步说明稻田表层较茶园表层更有利于胡敏素的累积。

2.4 土壤pH与腐殖质组成及其化学计量比的相关关系

由表1可知，土壤CT，CHA+FA，CHM，CHA，CFA两两间均呈显著或极显著正相关关系，表明腐殖质组分之间及腐殖质组分与总量之间关系密切。pH(H2O)与CT，CHA+FA，CHM，CHA，CFA间均呈极显著的负相关关系，表明CT，CHA+FA，CHM，CHA，CFA与土壤酸度密切相关，二者相互影响，土壤酸性越强，腐殖质总碳及其组分含量越高；反之，腐殖质总碳及其组分含量越高，土壤酸性越强。本研究中，茶园土壤表层pH低于4.5，属强酸性土壤，不利于大多数细菌和放线菌活动，即不利于有机碳的矿质化，而有利于有机碳的腐殖化，因而腐殖质与pH呈上述相关关系。另一方面，富里酸和胡敏酸是土壤酸性的重要来源，因而表现出其含量越高pH值越低。

表1 土壤pH与腐殖质组成及其化学计量比的相关系数矩阵

Table 1 Correlation coefficient between pH and humus fractions in bleached paddy soil

指标pH(H2O)pH(KCl)CTCFACHACHA+FACHMCHA/CFACHA+FA/CTCHA/CTCFA/CTpH(KCl)0.62**CT-0.91**-0.44*CFA-0.88**-0.57**0.91**CHA-0.63**-0.160.78**0.46*CHA+FA-0.91**-0.51*0.98**0.96**0.69**CHM-0.89**-0.390.99**0.86**0.83**0.96**CHA/CFA0.140.270.03-0.260.42*-0.080.11CHA+FA/CT-0.55**-0.45*0.410.50*0.240.49*0.35-0.34CHA/CT-0.28-0.180.2500.63**0.20.280.390.53**CFA/CT-0.51*-0.48*0.320.53**0.010.44*0.24-0.54**0.93**0.26CHM/CT0.53**0.48*-0.36-0.46*-0.21-0.44*-0.30.35-0.98**-0.55**-0.95**

注：*和**分别表示显著(P≤0.05)与极显著(P≤0.01)。

3 结论

(1)稻田和茶园土壤均呈酸性至强酸性反应，植茶加剧了土壤的酸化。

(2)稻田和茶园土壤腐殖质总碳及其组分自上而下均呈递减趋势，且剖面分布规律与土地利用和植物根系分布密切相关。稻田在30 cm以下土层显著降低，茶园土在0—60 cm土层范围内缓慢下降。

(3)植茶有利于土壤表层腐殖质总碳、富里酸碳的形成与积累及胡敏酸碳和胡敏素碳的转化，而不利于胡敏酸碳和胡敏素碳的积累。尽管植茶有利于土壤腐殖化程度提高，但表层土壤腐殖化过程以富里酸形成为主要方向。

(4)土壤腐殖质总碳及其组分与土壤酸度密切相关，二者相互影响，土壤酸性越强，腐殖质总碳及其组分含量越高；反之，腐殖质总碳及其组分含量越高，土壤酸性越强。

[1] 中国科学院南京土壤研究所. 中国土壤[M]. 北京: 科学出版社， 1978.

[2] 彭福泉， 吴介华. 水稻土的腐殖质组成[J]. 土壤学报， 1965， 13(2): 208-215.

[3] 郁夢德， 白锦泉. 两广地区不同植被类型与土壤性质的关系[J]. 土壤学报， 1962， 10(1): 29-43.

[4] 马溶之， 陈家坊， 刘芷宇， 等. 水稻丰产的土壤环境及其调节[J]. 土壤学报， 1960， 8(2): 79-100.

[5] 李忠佩， 程励励， 林心雄. 红壤腐殖质组成变化特点及其与肥力演变的关系[J]. 土壤， 2002， 34(1): 9-15.

[6] 李玉琴， 夏建国. 土地利用方式对川西低山区土壤腐殖质组成以及结合形态的影响[J]. 安徽农业科学， 2008， 36(6): 2441-2444.

[7] 文启孝. 土壤有机质的组成、形成和分解[J]. 土壤， 1984， 6(3): 121-129.

[8] 文启孝. 我国土壤有机质和有机肥料研究现状[J]. 土壤学报， 1989， 26(3): 255-261.

[9] 马云飞， 罗会斌， 宋街明， 等. 我国部分典型植烟区土壤腐殖质组成特征及其与部分土壤因子的关系[J]. 中国烟草学报， 2013， 19(1): 21-25.

[10] 袁大刚， 谭海燕， 程伟丽， 等. 川西漂洗水稻土亚铁时空分布对土地利用/覆被变化的响应[J]. 水土保持学报， 2012， 26(1): 128-135.

[11] 张甘霖， 龚子同. 土壤调查实验室分析方法[M]. 北京: 科学出版社， 2012.

[12] 李庆康， 丁瑞兴， 黄瑞采. 茶树凋落物在茶园土壤系统物质流中的意义[J]. 茶叶， 1988 (2): 12-15.

[13] 杨东方， 李学垣. 水旱轮作条件下土壤有机无机复合状况的研究[J]. 土壤学报， 1989， 26(1): 1-8.

[14] 周健民， 沈仁芳. 土壤学大辞典[M]. 北京: 科学出版社， 2013.

[15] WICKREMASINGHE K N， SIVASUBRAMANIAM S， NALLIAH P. Urea hydrolysis in some tea soils[J].PlantandSoil， 1981， 62(3): 473-477.

[16] DUAN D， WANG M， YU M， et al. Does the compositional change of soil organic matter in the rhizosphere and bulk soil of tea plants induced by tea polyphenols correlate with Pb bioavailability？[J].JournalofSoilsandSediments， 2014， 14(2): 394-406.

(责任编辑 高 峻)

Changes in vertical distribution characteristics of soil pH and humus fractions after paddy field switched to tea garden in west Sichuan Basin

YUAN Da-gang， PU Guang-lan， CHENG Wei-li， WANG Chang-quan， HE Gang

(CollegeofResources，SichuanAgriculturalUniversity，Chengdu611130，China)

In order to investigate the vertical distribution characteristics of soil pH and humus fractions in bleached paddy soil under 2 land use types， i.e. tea garden and paddy field， the pH， and the content of total humus carbon (CT) and its fractions in each soil layer were studied by sampling method of equal interval. The results were as follows: (1) Both paddy field and tea garden soil showed acid to strong acid reaction. However， after tea plantation， the acidification of bleached paddy soil increased; (2) On the whole， the vertical distribution characteristics about the content of CTand its fractions under both paddy field and tea garden appeared descend trend from surface layer to bottom layer. Meanwhile， the profile distribution characteristics of CTand its fractions were closely related to root distribution depth. The content of CTand its fractions below 30 cm soil layer under paddy field declined significantly. However， within 0—60 cm range under tea garden， it declined slowly; (3) The transformation from paddy field into tea garden favored the formation and accumulation of total humus carbon(CT) and fulvic acid carbon (CFA). On the other hand， the content of humic acid carbon (CHA) and humin carbon (CHM) varied within different soil layers， as they were only accumulated in 40—60 cm soil layer other than in 0—30 cm soil layer; (4) The value of CFA/CTand CHA+FA/CTin each soil layer of tea garden was higher than that in paddy field， but the CHM/CTvalue was higher in paddy field than in tea garden. The value of CHA/CFAand CHA/CTvaried within different soil layers. For instance， in 0—30 cm soil layer， it was higher in paddy field than that in tea garden. However， it was higher in tea garden than that in paddy field in 40—60 cm soil layer; (5) When the pH value was lower， the content of total carbon and its fractions were higher， and vice versa.

paddy field; tea garden; pH; humus; vertical distribution

http://www.zjnyxb.cn

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.01.18

2015-06-09

国家自然科学基金(41371230；40801079)

袁大刚(1975—)，男，重庆云阳人，博士，副教授，主要从事土壤资源可持续利用研究。E-mail: gangday@sohu.com

S151.1

A

1004-1524(2016)01-0104-06

浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2016，28(1):104-109

袁大刚，蒲光兰，程伟丽，等. 川西稻田改为茶园后土壤pH和腐殖质组成剖面分布变化特征[J].浙江农业学报，2016，28(1)：104-109.