模拟强酸雨对福州平原稻田土壤团聚体稳定性及碳氮分布的影响

陈优阳, 安婉丽, 陈晓旋, 王维奇

(1.福建师范大学地理研究所;2.福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室，福建 福州 350007)

酸雨指pH<5.6的大气降水，是当前最严重的环境问题之一[1]。随着我国经济迅速发展，酸雨问题愈发严重，且影响范围不断扩大，长江以南地区已成为酸雨的主要分布区[2]。近年来，长江以南酸雨频繁发生，使得土壤酸化、质量退化，导致土壤养分流失及结构损毁[3]。有关酸雨对土壤碳氮含量的影响存在不同观点。Guo et al[4]认为酸雨会影响土壤理化性质，破坏结构，加快碳、氮元素的淋失，进而降低土壤肥力，且酸雨可减少土壤微生物种群数量并抑制酶活性，降低有机质含量[5]；但吴建平等[6]认为酸雨可导致土壤氮含量增加，使其呼吸速率降低及碳释放减少，有利于有机碳的积累。

土壤团聚体是维持土壤质量的重要物质基础之一，对调节土壤养分供应和保持抗蚀性具有重要影响[7]。土壤团聚体还是土壤碳氮固定的重要场所，其稳定性与土壤有机质相关[8]。随着酸雨频发，土壤酸化、质量退化问题不断突出，有关酸雨对土壤团聚体作用机理的研究备受关注。孙水娟等[9]、许中坚等[10]研究表明，酸雨主要通过调节土壤酸碱度和胶结物质，进而影响团聚作用。酸雨作用一定程度上减少Al(OH)3和Fe(OH)3等胶结物质沉淀，且随着土壤pH降低，Al(OH)3和Fe(OH)3吸附作用减弱，从而抑制土壤大团聚体的形成，降低团聚体的稳定性[11]。林琳等[12]研究发现，在快速酸雨淋溶作用下，土壤>0.25 mm粒级团聚体(diameter of more than 0.25 mm, DR0.25)含量随模拟酸雨酸度升高而显著减少。目前，有关酸雨对稻田土壤团聚体的影响，特别是对不同生长季稻田土壤团聚体的影响鲜见报道。

福州市年均强酸雨(pH<4.5)发生频率高达22.3%[13]，是福建省酸雨高发区。水稻是福州平原的主要粮食作物。酸雨的不断淋溶致使土壤酸化，影响土壤结构及养分含量，对福州平原水稻产量造成威胁。基于此，本研究探讨模拟不同水平酸雨对福州平原稻田土壤团聚体稳定性及碳氮含量的影响，旨在为稻田土壤结构优化及可持续发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地设在福州市仓山区盖山镇福建省水稻研究所吴凤综合试验基地，位于福州城郊南部、乌龙江北岸(26.1°N，119.3°E)，属亚热带季风气候，年均气温19.6 ℃，年均降水量1 392.5 mm，年均蒸发量1 413.7 mm，相对湿度77.6%。该基地共有稻田7 hm2，主要实行“早稻—晚稻—蔬菜”轮作模式。稻田耕作层土壤全碳、全氮、全磷含量分别为18.16、1.93、1.80 g·kg-1。供试早晚稻品种分别为江西省农业科学研究院选育的和盛10号和福建省农业科学研究院选育的沁香优212，机插，株行距为14 cm×28 cm。水稻移栽前1天施加复合肥(N-P2O5-K2O，N、P2O5、K2O含量均为16%)和尿素(N含量为46%)，以40 kg·hm-2P2O5+42 kg·hm-2N+40 kg·hm-2K2O为底肥;移栽1周后施加分蘖肥:20 kg·hm-2P2O5+35 kg·hm-2N+20 kg·hm-2K2O;8周后施加穗肥:10 kg·hm-2P2O5+18 kg·hm-2N+10 kg·hm-2K2O。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 分别于2015年4月16日—7月17日进行早稻试验；2015年7月25日—11月7日进行晚稻试验。根据当前福州市酸雨范围(酸雨最低pH约3.5，最高pH约4.97)[13]，设置pH2.5、3.5和4.5酸雨3个处理，以不做任何处理为对照(CK)。随机区组排列，每小区面积10 m2，3个重复。为控制大田串水串肥现象，在田埂外围插入高×宽为30 cm ×0.5 cm的PVC板作为田埂围护，每个小区间隔约1 m。

1.2.2 土壤样品采集及测定 分别于早稻(7月17日)和晚稻(11月7日)收获当天用采土器采集各处理0～15 cm土层土壤。样品采集后立即放入自封袋，带回实验室。将去除杂质后的样品分成两份，一份放入4 ℃冰箱冷藏，备用；另一份自然风干后，取部分土样过0.149 mm孔筛，装入自封袋中，用于测定土壤全碳及全氮含量[17]。

根据Haynes[18]的方法测定土壤团聚体粒级含量。采用土壤碳氮元素分析仪测定团聚体全碳、全氮含量[19]。参考文献[20]测定DR0.25含量；参考邱莉萍等[21]的方法测定平均质量直径(mean weight diameter, MWD)、平均几何直径(geometrical mean diameter, GMD)；采用杨培岭等[22]的方法计算分形维数(fractal dimension,D)。

1.3 统计与分析

采用SPSS 20.0软件对不同处理间各粒级团聚体含量、土壤全碳及全氮含量和相关参数的差异性进行单因素方差分析；采用皮尔逊相关性对土壤团聚体各粒级含量与相关参数进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 酸雨处理对福州稻田土壤团聚体分布的影响

酸雨对福州稻田土壤团聚体含量的影响见表1。由表1可知，早晚季水稻<0.25 mm粒级团聚体含量存在明显差异。早稻各处理土壤团聚体含量均以<0.25 mm粒级最大；喷淋pH2.5、3.5和4.5酸雨处理各粒级团聚体含量与CK差异均不显著(P>0.05)，且不同酸雨处理间差异也不显著(P>0.05)；同一处理<0.25 mm粒级土壤团聚体含量显著大于其他3个粒级(P<0.05)。与CK相比，pH2.5酸雨处理<0.25 mm和0.50～1.00 mm粒级团聚体含量分别减少了7.23%和9.66%，而0.25～0.50 mm与1.00～2.00 mm粒级则分别增加了22.41%和19.91%；pH3.5酸雨处理<0.25 mm和0.50～1.00 mm粒级团聚体含量分别减少了12.91%和12.52%，而0.25～0.50 mm和1.00～2.00 mm粒级则分别增加了6.84%和66.48%；pH4.5酸雨处理0.25～0.50 mm和1.00～2.00 mm粒级团聚体含量分别增加了6.32%和38.14%。

表1 模拟酸雨处理对福州稻田土壤团聚体含量的影响1)Table 1 Effect of simulated acid rain on soil aggregate content in Fuzhou paddy fields

1)不同大写字母表示同一粒级不同处理间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示同一处理不同粒级间差异显著(P<0.05)。

晚稻各处理土壤团聚体含量均以<0.25 mm粒级最大，且与其他3个粒级差异达显著水平(P<0.05)。各处理<0.25 mm粒级团聚体含量均与CK差异显著(P<0.05)。与CK相比，pH3.5酸雨处理<0.25 mm粒级团聚体含量增加了19.29%，其他3个粒级分别减少了7.29%、23.66%和60.45%；pH4.5酸雨处理<0.25 mm粒级团聚体含量增加了11.97%，其他3个粒级分别减少了2.09%、4.80%和43.58%。

2.2 酸雨处理对福州稻田土壤团聚体稳定性的影响

由表2可知，不同酸雨处理对早稻土壤团聚体MWD、GMD、DR0.25含量的影响不显著(P>0.05)。晚稻田pH2.5、3.5及4.5酸雨处理土壤团聚体MWD、GMD、DR0.25含量均低于CK，且差异显著(P<0.05)。与CK相比，晚稻田pH2.5酸雨处理MWD、GMD和DR0.25含量分别减少了26.51%、18.93%和24.31%；pH3.5酸雨处理分别减少了34.63%、24.58%和33.72%；pH4.5酸雨处理分别减少了23.53%、16.17%和20.93%。晚稻田3种pH处理D值分别比CK增加了4.49%、5.79%和4.01%，且差异显著(P<0.05)。

表2 模拟酸雨处理对福州稻田土壤团聚体稳定性参数的影响1)Table 2 Effect of simulated acid rain on stability parameter of soil aggregates in Fuzhou paddy fields

1)数值后附不同小写字母者表示同一季稻不同处理间差异显著(P<0.05)。MWD、GMD、DR0.25、D分别表示平均质量直径、平均几何直径、>0.25 mm粒级团聚体、分形维数。

2.3 各粒级土壤团聚体含量与稳定性参数的相关性分析

由表3可知，土壤团聚体MWD、GMD、DR0.25含量之间存在极显著正相关关系(P<0.01)；MWD、GMD、DR0.25含量与D值存在极显著负相关关系(P<0.01)，即D值随着MWD、GMD、DR0.25含量的增大而减小。GMD、DR0.25含量分别与土壤团聚体1.00～2.00 mm和0.50～1.00 mm粒级存在显著正相关(P<0.05)，而与<0.25 mm粒级存在极显著负相关(P<0.01)；D值与土壤团聚体<0.25 mm粒级存在极显著正相关(P<0.01)，与1.00～2.00 mm粒级存在极显著负相关(P<0.01)。1.00～2.00、0.50～1.00、0.25～0.50 mm粒级均与<0.25 mm粒级存在极显著负相关(P<0.01)，说明土壤大团聚体增加，微团聚体减少。

表3 稳定性参数与各粒级团聚体含量相关性1)Table 3 Correlation between stability parameter and content of different size soil aggregates

1)*、**分别表示在0.05、0.01水平(双侧)上显著相关。MWD、GMD、DR0.25、D分别表示平均质量直径、平均几何直径、>0.25 mm粒级团聚体、分形维数。

2.4 酸雨处理对福州稻田土壤碳氮含量的影响

酸雨处理下福州稻田土壤碳氮含量变化见图1。由图1可知，早稻田pH2.5、3.5和4.5酸雨处理土壤碳含量与CK差异不显著(P>0.05)；晚稻田pH2.5、3.5和4.5酸雨处理组均可提高土壤碳含量，且与CK差异显著(P<0.05)。早稻田pH2.5、3.5和4.5酸雨处理土壤氮含量分别比CK增加了3.03%、4.04%和7.07%，但差异性均不显著(P>0.05);晚稻田pH2.5、3.5和4.5酸雨处理均可提高土壤氮含量，且与CK差异显著(P<0.05)。早、晚稻田pH2.5、3.5和4.5酸雨处理土壤C/N与CK差异均不显著(P>0.05)。

2.5 酸雨处理对不同粒级土壤团聚体碳氮含量的影响

由表4可知，早、晚稻田土壤碳氮含量主要集中在>0.25 mm粒级大团聚体中，且与<0.25 mm粒级微团聚体差异显著(P<0.05)。pH4.5处理早稻田1.00～2.00、0.50～1.00、0.25～0.50和<0.25 mm粒级团聚体碳含量差异不显著(P>0.05)；晚稻田1.00～2.00 mm粒级团聚体碳含量主要集中在各酸雨处理组，与CK相比差异较显著(P<0.05)。

不同小写字母表示同一季稻不同处理间差异显著(P<0.05)。图1 酸雨处理对福州稻田土壤碳氮含量及C/N的影响Figure 1 Effect of simulated acid rain on soil carbon and nitrogen contents and C/N ratio in Fuzhou paddy fields

生长季粒级/mmwC/(g·kg-1)pH2.5pH3.5pH4.5CKwN/(g·kg-1)pH2.5pH3.5pH4.5CK早稻<0.2513.93±0.74Ab14.47±0.26Ab13.44±1.32Aa14.70±0.52Ab1.21±0.03Ab1.30±0.02Ab1.27±0.11Aa1.24±0.05Ab0.25～0.5022.47±3.83Aa18.51±1.02Ba17.88±2.53Ba22.56±2.83Aa1.80±0.29Aa1.45±0.14Bab1.39±0.24Ba1.65±0.19ABa0.50～1.0020.62±1.44Aab21.42±2.09Aa19.62±3.29Aa22.06±1.27Aa1.67±0.04Aab1.61±0.06Aa1.50±0.28Aa1.66±0.10Aa1.00～2.0019.02±1.32Aab17.67±0.61Aab16.82±3.31Aa17.99±1.16Aab1.56±0..09Aab1.51±0.06Aab1.30±0.21Aa1.39±0.09Aab晚稻<0.2514.12±0.22Bc21.20±2.95Aa15.65±0.32Bb14.44±0.09Bb1.30±0.05Ab1.64±0.07Aa1.51±0.07Ab1.42±0.02Aa0.25～0.5027.71±2.39Aab30.26±3.43Aa24.21±1.96Ba25.62±3.37ABa2.02±0.18Aa2.04±0.24Aa1.87±0.18Aab1.84±0.27Aa0.50～1.0030.96±1.20Aa27.26±2.13Aa28.81±2.12Aa27.74±1.39Aa1.87±0.14Aa1.82±0.13Aa1.92±0.11Aa1.64±0.01Ba1.00～2.0023.76±2.41Ab32.59±15.61Aa25.29±4.02Aa17.59±0.30Bb1.70±0.08Aab1.65±0.05ABa1.71±0.12Aab1.45±0.01Ba

1)数值后附不同小写字母者表示同一季稻同一处理不同粒级间差异显著(P<0.05)，附不同大写字母者表示同一季稻同一粒级不同处理间差异显著(P<0.05)。

早稻田pH4.5处理组各粒级团聚体氮含量差异不显著(P>0.05)；晚稻田1.00～2.00、0.50～1.00粒级团聚体氮含量主要集中在各酸雨处理组，与CK相比差异较显著(P<0.05)。

3 讨论

3.1 酸雨对稻田土壤团聚体组成及稳定性的影响

本研究表明，早、晚稻各处理组土壤团聚体含量均以<0.25 mm粒级为主，这可能与土地利用和管理方式对土壤有机质等胶结物质影响有关[23]。“稻田—蔬菜”轮作方式与干湿交替的田间管理增强田间土壤扰动频率，降低大团聚体对机械干扰的抵抗能力[24],同时改善土壤通气性，激发微生物代谢活性，促进有机碳矿化与分解[25]，减少有机质等胶结物质的数量，弱化土壤团聚作用，提高土壤微团聚体比例。

本研究中，早稻田各酸雨处理组DR0.25含量及稳定性与CK相比无显著差异；晚稻田各酸雨处理组DR0.25含量均低于CK，说明酸雨降低了土壤团聚体稳定性。这可能由于早稻季酸雨喷淋期间温度较低，土壤微生物活性减弱，有机残体如水稻秸秆等分解较慢，向土壤分解释放的养分也较低，而模拟酸雨一定程度上补充了钙等养分含量，而这些养分是组成土壤胶结物质的重要元素，有利于团聚体的形成[26]。虽然持续喷淋酸雨后，土壤pH也会一定程度上降低，并限制团聚体的形成，但二者的综合影响使得大团聚体及稳定性并未发生显著变化。而晚稻田酸雨喷淋期间温度较高，加快还田秸秆的分解，为土壤团聚体的促成提供了丰富的胶结物质，在这样的背景下，酸雨带来的养分并不是团聚体形成的主要贡献者。酸雨对早、晚稻土壤团聚体影响的差异还可能与晚稻移栽时间较长，模拟酸雨的持续喷淋时间延长，致使晚稻土壤酸化程度更高有关。在晚稻生长期，喷淋酸雨处理使土壤酸化，水稻根系活力显著下降[27]，根系分泌物减少，减弱其对土壤颗粒的胶结作用，从而降低土壤团聚结构和稳定性[28]。

团聚体稳定性是衡量土壤结构优劣的重要指标，MWD和GMD越大，D值越小，团聚效果越好，团聚体越稳定[29]，土壤结构也越稳定。本研究表明，早稻田各处理土壤MWD、GMD和D差异性不显著。晚稻田pH3.5、4.5和2.5酸雨处理土壤MWD和GMD均低于CK，D值则高于CK，且差异显著，表明不同酸度的酸雨喷淋均能降低晚稻土壤团聚体稳定性。

3.2 酸雨对稻田土壤碳氮含量的影响

本研究表明，早稻田酸雨处理对土壤碳含量影响不显著，而晚稻田各酸雨处理组土壤碳含量均高于CK，且差异显著(P<0.05)。这可能由于季节是水热条件的综合反映，会掩盖模拟酸雨的作用[30]。早稻生长阶段温度较低，致使稻田土壤中残茬及根系分解缓慢，对土壤碳的输入量，特别是活性碳的输入量较少，使得土壤碳对酸雨响应的敏感性较弱，碳含量变化不大[31]。而晚稻生长期温度较高，早稻成熟收割后，其秸秆及根系被翻压还田，高温加快腐解过程，进而释放大量活性小分子有机碳。因此，减少活性碳的释放将有利于土壤碳的保持。与CK相比，酸雨的长期淋溶使土壤酸化不断加剧，微生物的数量和群落组成结构受到一定影响，参与有机碳循环的微生物活性与数量也会受到抑制[32]，减少土壤微生物呼吸与碳的释放，促进碳的存储。此外，土壤酶是活性有机碳分解和转化的主要调节者[33]，而土壤酶活性受土壤pH的影响极显著。张萍华等[34]研究发现，当pH<4时，酸雨对土壤酶活性有明显的抑制作用。随着土壤酸化的加剧，抑制了参与土壤有机碳分解酶活性，降低土壤活性有机碳的释放，促进碳的积累。

3.3 稻田土壤不同粒级团聚体碳氮含量变化及其与团聚体稳定性关系

本研究表明，早、晚稻田土壤不同粒级团聚体碳氮含量百分比主要集中在>0.25 mm粒级大团聚体内，与微团聚体相比差异显著。这主要由于土壤大团聚体是由微团聚体经过土壤微生物的活动、代谢产物或植物分泌物的胶结作用形成的[36]。具体原因为：(1)稻田基肥的施加和还田秸秆的分解，共同促进了土壤碳氮等养分含量的增加，有利于大团聚体的形成，因此，大团聚体中含有相对较高的碳氮养分；(2)由于大团聚体可优化土壤结构，增强土壤固持碳氮的能力，最终使得大团聚体具有较高的碳氮含量。