水田长期种植蔬菜后土壤化学性状的变化分析

时间：2015-12-21 00:22:23 所属分类：农学 浏览量:

0 引言 土地利用作为人类利用土地各种活动的综合反映，是影响土壤肥力变化最普遍、最直接、最深刻的因素。土地利用方式的变化以及改变管理措施可导致土壤性质的变化以及土地生产能力的改变。因此，认识土地利用变化与土壤肥力的关系对于了解农田生态过程和科

　　0 引言

　　土地利用作为人类利用土地各种活动的综合反映，是影响土壤肥力变化最普遍、最直接、最深刻的因素。土地利用方式的变化以及改变管理措施可导致土壤性质的变化以及土地生产能力的改变。因此，认识土地利用变化与土壤肥力的关系对于了解农田生态过程和科学管理耕地质量具有十分重要的意义。土地利用变化与土壤肥力的关系已成为近年来国内外科学家关注的热点问题。水稻土是各种起源土壤（母土）或其他母质经过平整造田和淹水种稻，进行周期性灌溉排水、施肥、耕耘和轮作下逐步形成的一类人为土壤[1].

　　20 世纪 80 年代之前，中国南方地区的水稻土主要用于水稻生产，长期的水耕种植及定向培肥促进了土壤有机质的积累，土壤酸碱度向中性方向发展，同时土壤养分状况逐渐与水稻生长需要相协调[1].20世纪80年代以来，因经济发展需要，中国南方地区大面积的水田被改种为蔬菜、苗木、瓜果等经济作物[2].土地利用方式的变化，改变了土壤的水分管理和耕作方式及肥料结构，进而影响物质的输入-产出及土壤中碳、氮、磷等养分的循环，从而引起了土壤性质的演变[3-5].王清奎等[6]对湖南会同低山丘陵土壤的研究表明，不同土地利用方式可对土壤有机质总量产生明显的影响，有机质含量总体上为：林地>农田>竹林。傅伯杰等[7]对河北省遵化县近20年土地利用研究表明，旱地转换为林地土壤有机质显着提高。廖晓勇等[8]探讨三峡库区小流域不同土地利用方式对土壤肥力的影响特征，结果表明，土壤氮、磷、钾养分含量为旱地<柑橘园<林地。蔬菜生产因复种指数高，肥料投入量明显高于一般农作物，对土壤性质可产生较大的影响。已有研究表明，长期种植蔬菜可引起土壤养分的积累，引发土壤性质恶化[9-11],并可对农田周围水体质量产生影响[12-14].但目前有关种植蔬菜对土壤性状的影响研究主要基于小范围的定位试验结果或完全基于土地利用方式的调查，后者缺少严格的与蔬菜种植之前土壤的对比。很少有研究从较大的地域范围开展水田改种蔬菜后土壤性状与原有水田土壤性状之间的直接比较。为此，笔者以浙西北地区为例，从较大的地域范围采集了32对水田及其长期改种蔬菜的蔬菜地对比表层土壤样品，探讨了水田长期种植蔬菜后土壤化学性状的变化特征及其区域差异。

　　1 材料与方法

　　1.1 土壤样品

　　研究在浙江省西北部（包括杭州市、嘉兴市、绍兴市）选择了32个代表性区块，采集了32组水稻田-蔬菜地对比土壤。用于比较的对照（稻田）和蔬菜地分布相邻，距离在10~60 m之间，属于相同土种制图单元（即土壤种类相同），种植蔬菜时间在15~20年之间。每一采样区块的稻田和蔬菜地土壤样品各由7~9个分样混合而成，采样深度为0~15 cm.

　　1.2 分析方法

　　土壤样品经室内风干后，用木棍碾压，过2 mm孔径土筛，用于pH及有效养分等项目的测定。将通过2 mm 孔径筛的土样用四分法取出一部分继续碾磨，使之全部通过 0.25 mm 孔径筛，供有机质等项目的测定。土壤pH、可溶性盐分、有机碳、全磷、全氮、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰采用常规分析方法测定[15];土壤中重金属含量采用美国EPA标准方法测定[16],其中，Cd、Cu和Zn用盐酸-硝酸-高氯酸消解，用石墨炉原子吸收分光光度法测定Cd,用原子光谱吸收法测定Cu 和 Zn;Cr 用硫酸-硝酸-氢氟酸消解，原子光谱吸收法测定；Hg用硝酸-高锰酸钾消解，冷原子吸收光谱法测定；Pb用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解，石墨炉原子吸收分光光度法测定。用SPSS（V18.0）软件对所测数据进行统计与分析。

　　2 结果与分析

　　2.1 土壤 pH 和水溶性盐分的变化特征

　　32 对蔬菜地与水田的比较表明，水田长期改种蔬菜后土壤pH和水溶性盐分含量发生了一定的变化（表1）。其中，土壤 pH 下降了 0.12~0.68 个单位，平均下降了0.42个单位。表1统计结果表明，pH平均下降幅度以水网平原与河谷平原最高，滨海平原相对较低。种植蔬菜后土壤pH的下降量与种植蔬菜前原有水田土壤的pH呈“U”字型关系，近中性土壤的pH下降量最大，向酸性和向碱性两侧的pH变化量逐渐减小（图1）。与土壤的 pH 的变化相反，种植蔬菜后土壤盐分呈现增加的趋势，32个蔬菜地土壤的盐分含量分别比对应的水田增加0.08~0.47 g/kg,平均增量为0.22 g/kg;其中，水网平原、河谷平原、滨海平原的水田种植蔬菜后土壤盐分的平均增加在0.23~0.26 g/kg之间，而丘陵山地的水田种植蔬菜后土壤盐分的增量相对较低，平均增量为0.14 g/kg（表1）。

　　2.2 土壤有机碳与全氮的变化特征

　　水田长期改种蔬菜后，土壤有机碳普遍呈现下降趋势，与对应水田相比，土壤有机碳含量下降量在0.32~4.12 g/kg之间，平均下降量为1.61 g/kg.土壤有机碳下降量：水网平原（2.47 g/kg）>丘陵山地（1.46 g/kg）>河谷平原（1.39 g/kg）>滨海平原（1.11 g/kg）；种植蔬菜后土壤有机碳的下降量与改种蔬菜前水田土壤土有机碳含量呈正相关，相关系数为0.945（n=32）。水田长期改种蔬菜后，土壤全氮也发生了变化，但其变化趋势与有机碳不完全一致。对于种植蔬菜前土壤全氮较高的土壤，种植蔬菜后土壤全氮呈现下降的趋势；而对于种植蔬菜前土壤全氮较低的土壤，种植蔬菜后土壤全氮呈现增加的趋势。与对应水田相比，种植蔬菜后全氮的变化量在-0.23~0.26 g/kg之间，平均下降量为0.01 g/kg;在研究的32对水田与蔬菜地对比土壤中，种植蔬菜后全氮呈现下降的有14对，占43.75%.从平均变化量来看，滨海平原和河谷平原水田种植蔬菜后土壤全氮略有增加（分别增加0.08、0.02 g/kg），而水网平原和丘陵山地水田种植蔬菜后土壤全氮略有下降（分别下降0.06、0.02 g/kg）。种植蔬菜后土壤全氮的下降量随原土全氮增加而增加，相关系数为0.886（n=32）。

　　2.3 土壤磷、钾、铁、锰的变化特征

　　水田长期改种蔬菜后，土壤全磷与有效磷无一例外地增加（表 2），与对应水田相比，全磷增加量在0.06~0.64 g/kg 之间，平均增加量为 0.20 g/kg;有效磷增 加 量 在 2.34~32.14 mg/kg 之 间 ,平 均 增 加 量 为15.71 mg/kg.改种蔬菜后土壤全磷和有效磷的增加量：丘陵山地>河谷平原>滨海平原>水网平原。种植蔬菜后，土壤速效钾也呈现增加趋势，与对应水田相比，速效钾的变化量在-6.00~24.00 mg/kg之间，平均增加量为10.03 mg/kg.在研究的32对水田与蔬菜地对比土壤中，种植蔬菜后速效钾呈现下降的仅有2对，占6.25%.从平均变化量来看，河谷平原和丘陵山地水田种植蔬菜后土壤速效钾的增量略高于水网平原和滨海平原。

　　水田长期改种蔬菜后，多数情况下土壤有效铁与有效锰呈现下降，与对应水田相比，土壤有效铁与有效锰的变化量分别为-41.00~6.00 mg/kg和-14.00~3.00 g/kg,平均变化量分别为-22.19 mg/kg和-5.09 mg/kg.在研究的32对水田与蔬菜地对比土壤中，种植蔬菜后土壤有效铁和有效锰呈现下降的分别为30和25对，分别占93.75%和 78.13%.

　　2.4 土壤重金属的变化特征

　　水田长期改种蔬菜后，土壤重金属普遍呈现积累趋势（表3）。与对应水田相比，土壤Cd、Cu、Cr、Pb、Hg和 Zn 的变化量分别为-0.04~0.07、-3.15~9.58、-6.45~7.24、-3.24~8.98、-0.05~0.07、-3.25~14.65 mg/kg,平均变化量分别为 0.02、2.61、1.57、0.02、2.80、5.08mg/kg,平均分别比水田土壤增加了12.40%、9.85%、2.81%、11.76%、9.50%和 7.18% ,土壤中 Cr 的变化相对不明显。在研究的32对水田与蔬菜地对比土壤中，种植蔬菜后土壤Cd、Cu、Cr、Pb、Hg和Zn呈现增加的分别为26、26、19、26、24、27 对 ,分别占 81.25% 、81.25% 、59.38%、81.25%、75.00%和 84.38%.长期种植蔬菜后，土壤中Cd、Pb、Hg的变化在水网平原、河谷平原、滨海平原和丘陵山地等地貌区中的变化较为接近；土壤中Cu 的变化在河谷平原和丘陵山地等地貌区中的变化较为明显；土壤中Zn的变化在丘陵山地小于水网平原、河谷平原和滨海平原等地貌区。

　　3 结论

　　水田长期种植蔬菜后土壤化学性状发生了明显的变化，土壤水溶性盐分和土壤磷素（包括全磷的有效磷）呈明显增加，土壤有机碳普遍呈现下降；多数土壤速效钾呈现增加，多数土壤有效铁和有效锰呈现下降；土壤全氮有增有减，总体上变化较小；土壤明显酸化，pH 平均下降达 0.42 个单位。pH 变化量与原土 pH 呈抛物线关系，近中性土壤的pH下降量最大，向酸性和向碱性两侧的pH变化量逐渐减小。有机质和全氮的下降量随原土有机质和全氮含量增加而增加，两者呈显着的正相关。长期种植蔬菜后，土壤重金属污染有增加的趋势，其中以Cd、Cu、Pb、Hg和Zn的积累较为明显。

　　4 讨论

　　由于不同的土地利用方式对土地的要求不同，因此，当土地利用方式发生改变时，施肥、耕作、灌溉、排水等管理措施都会发生相应的改变。水田改种蔬菜后，由于蔬菜复种指数较高及蔬菜生长需要较多的养分，肥料的投入量将比种植水稻的情况下有明显的提高；同时，蔬菜生产不需要对土壤淹水，从而显着地改变了土壤的氧化还原状况。水分、养分的输入-产出平衡发生改变极大地影响了土壤的物理、化学及生物学过程，从而改变了土壤的肥力状况。以上研究结果表明，水田长期种植蔬菜后，土壤中水溶性盐分明显增加，这与肥料的投入增加、而土壤灌溉-排水的强度减弱减少了土壤中盐分的淋洗有关。另外，蔬菜生产的部分季节土壤被地膜覆盖也明显增加了盐分积累的风险。而长期种植蔬菜后土壤呈现明显的酸化也主要与肥料（特别是氮肥）施用量的增加有关，已有研究表明，不当的施肥量和施肥方式如作物收获移走土壤中的碱性物质等也可促进土壤酸化[17-18].而种植蔬菜后土壤pH 的下降量在近中性的土壤最大可能与近中性的条件下，土壤对酸的缓冲能力较低有关。

　　土壤有机质始终处于不断的积累与降解动态变化中。农业生产中各种有机物质的输入与输出及影响土壤有机质形成与降解因素的变化都将在一定程度上改变土壤有机质的平衡。影响土壤有机质平衡的因素大致有生物、物理化学和社会经济等因素。水田长期改种植蔬菜后，土壤水分含量减少、通气性增加，大大改变了土壤的水热条件，由于土壤通气性增强促进了土壤微生物活性，加速了土壤有机质的矿化，从而导致了土壤有机碳的下降[19].由于水分含量的下降和通气性的增加，土壤中无定形铁、锰可逐渐脱水向结晶较也的游离态转化，这可能是导致长期种植蔬菜后土壤有效铁、有效锰下降的主要原因。种植蔬菜后，随着土壤有机碳矿化的增加，土壤中与有机质结合的氮素通过矿化损失的强度也有一定的提高，但由于种植蔬菜的施肥量较高（特别是氮素），弥补了因矿化损失的氮素，因而蔬菜地土壤氮素并不因为有机碳矿化而显着地下降，而保持基本不变。由于蔬菜生产经济效益较高，磷、肥与钾肥的用量常常要高于水稻生产，因此，长期改种蔬菜后土壤中全磷、有效磷和速效钾都呈现增加了趋势。

　　种植蔬菜后，土壤中重金属的积累量有不同程度的提高，这可能与蔬菜生产中肥料投入量较大，由此引入的重金属数量相对较多有关。有研究表明，我国化肥（特别是磷肥与钾肥或复合肥）、不同来源的有机肥中都存在一定含量的重金属[20-23],长期施用这些含重金属的肥料势必会增加土壤中重金属的积累。

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