江蘇省茶園土壤ph降低速率的時(shí)空變化

江蘇省茶園土壤ph降低速率的時(shí)空變化

茶樹是土壤的一種生物，但土壤越酸茶樹的生長(zhǎng)越好。研究表明,茶樹生長(zhǎng)適宜的土壤pH范圍為4.5~6.0,其中最適值為pH5.5。然而,由于酸雨、人為施肥管理不當(dāng)以及茶樹生長(zhǎng)過(guò)程中的自身代謝作用等種種原因,茶園土壤酸化日趨嚴(yán)重。20世紀(jì)70—80年代,茶園土壤出現(xiàn)酸化現(xiàn)象,pH值相繼降到了4.0~5.0之間。到20世紀(jì)90年代,江蘇、浙江、安徽3省的茶園最適土壤pH的比例由1990—1991年的59.4%下降到了1998年的20.3%,酸化速度驚人。此后的相關(guān)報(bào)道指出,我國(guó)不同地區(qū)茶園土壤酸化加重,pH值適宜的茶園比例減少。江蘇省是我國(guó)主要的茶葉生產(chǎn)省份之一,也是重要的出口茶葉生產(chǎn)基地。近年來(lái)江蘇茶葉存在鉛、氟超標(biāo)現(xiàn)象,據(jù)分析很大程度上與茶園土壤嚴(yán)重酸化有關(guān)。相關(guān)研究也表明,土壤酸化程度的加劇會(huì)增加土壤重金屬和氟向茶葉中的轉(zhuǎn)移,從而會(huì)影響人體健康。茶園土壤環(huán)境質(zhì)量是影響茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素之一,可見,茶園土壤嚴(yán)重酸化已是一個(gè)不可忽視的土壤環(huán)境問(wèn)題。本文在課題組前期對(duì)江蘇省茶園土壤進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,著重分析江蘇典型茶園土壤的酸化現(xiàn)狀及其趨勢(shì),論述茶園土壤酸化的主要制約因素,旨在為進(jìn)一步調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)茶葉生產(chǎn)的合理區(qū)劃和科學(xué)管理提供依據(jù)。1材料和方法1.1茶園土壤樣品采集本課題組自2002年承擔(dān)江蘇省無(wú)公害茶葉攻關(guān)項(xiàng)目以來(lái),根據(jù)江蘇省主要茶葉產(chǎn)區(qū),采用GPS定位技術(shù),先后選擇了近30個(gè)茶場(chǎng)建立茶園土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)。此后,每隔一段時(shí)間于春季采茶期按統(tǒng)一采樣方法對(duì)其中部分茶園土壤進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)。每個(gè)茶場(chǎng)選擇代表性茶園設(shè)置定位點(diǎn),采用多點(diǎn)混合法,即每個(gè)茶園設(shè)6~8個(gè)分樣點(diǎn)采集0~20cm的表層土壤,混勻后通過(guò)四分法棄取,保留混合土樣1kg左右。采集的土樣經(jīng)風(fēng)干、剔除雜物后分別磨碎過(guò)1mm和0.149mm篩,備用待測(cè)。1.2土壤陽(yáng)離子交換量、土壤質(zhì)地測(cè)定茶園土壤樣品分析參照土壤農(nóng)化分析方法,土壤pH測(cè)定采用水浸提電位法(固液比1:2.5);土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法;土壤陽(yáng)離子交換量測(cè)定采用1mol/L乙酸銨交換法;土壤質(zhì)地測(cè)定采用比重計(jì)速測(cè)法;土壤交換性Ca2+和Mg2+測(cè)定采用1mol/L乙酸銨交換-原子吸收分光光度法,土壤交換性K+和Na+測(cè)定采用1mol/L乙酸銨交換-火焰光度法,土壤交換性鹽基總量為交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+之和。2結(jié)果與分析2.1江蘇省典型茶園土壤氧化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2.1.1典型茶場(chǎng)ph值,比一般資料生活2.2008—2010年對(duì)江蘇省21個(gè)典型茶場(chǎng)進(jìn)行新一輪的監(jiān)測(cè)分析,測(cè)定結(jié)果如圖1所示。茶園土壤表層土壤pH均值為4.19,最大值為5.13,最小值為3.66。以茶場(chǎng)個(gè)數(shù)計(jì),pH<4.0的茶場(chǎng)占42.8%,pH值在4.0~4.5的占38.1%,pH>4.5的占19.1%?？梢钥闯?目前江蘇典型茶場(chǎng)土壤pH值均低于文獻(xiàn)報(bào)道的茶樹生長(zhǎng)最適值(pH5.5),而高于茶樹生長(zhǎng)適宜范圍下限(pH4.5)的茶場(chǎng)數(shù)量也很少?？梢?目前江蘇茶園土壤存在嚴(yán)重的酸化現(xiàn)象,這無(wú)疑將會(huì)對(duì)江蘇茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)帶來(lái)不利的影響。將2008—2010年江蘇省典型茶場(chǎng)pH測(cè)定結(jié)果與本課題組在2003—2005年茶場(chǎng)調(diào)查監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)土壤pH低于4.0的茶場(chǎng)比例增加最快。2003—2005年對(duì)江蘇省調(diào)查的茶場(chǎng)中pH<4.0的只占12.5%,而到了2008—2010年,其比例升高到42.8%,是2003—2005年茶場(chǎng)所占比例的近3.5倍,pH4.0~4.5的茶場(chǎng)比例沒有大幅度變化。也就是說(shuō),在此期間江蘇省典型茶園土壤酸化程度加劇,pH低于4.0的茶園比例增加尤為突出,這充分說(shuō)明了江蘇茶園土壤酸化的嚴(yán)重程度。2.1.2茶園土壤ph年際變化特征為了比較不同茶園土壤酸化的進(jìn)程及其動(dòng)態(tài),將前后兩次觀測(cè)的茶園土壤pH差值折合到每年的變化量定義為茶園土壤pH變化速率(pH降低速率為正值,pH升高速率為負(fù)值)。對(duì)江蘇部分茶園不同時(shí)段土壤pH監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯總并計(jì)算出相應(yīng)時(shí)期平均的土壤pH變化速率(表1)。結(jié)果可以看出,自本課題組2002年建立茶園土壤酸化定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)以來(lái),江蘇不同地區(qū)大部分茶園土壤均存在酸化現(xiàn)象,且在2005—2008年期間茶園土壤pH降低速率較大,其次是2003—2005年,而2008—2010年土壤pH降低速率相對(duì)較小。以句容高廟茶場(chǎng)為例,2003—2010年間茶園土壤pH降低速率表現(xiàn)了先增大后減小的相同變化規(guī)律。在2008—2010年期間,前期土壤pH4.0以下的茶園土壤pH值甚至升高,如句容高廟和南京江寧兩個(gè)茶園,這可能與江蘇地區(qū)酸雨強(qiáng)度減弱和頻率降低有關(guān)。同時(shí),將每年監(jiān)測(cè)的茶園土壤pH值進(jìn)行匯總并計(jì)算相應(yīng)的土壤pH變化速率(圖2)。圖中可以看出,2003—2007年茶園土壤pH降低速率呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì),2007年度土壤pH降低速率出現(xiàn)最大值。土壤pH降低速率數(shù)值的變化主要是由不同茶園土壤酸化進(jìn)程所決定的。在現(xiàn)有的觀測(cè)期內(nèi),江蘇省茶園土壤隨時(shí)間的推進(jìn),其年均pH值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)(圖3)。2007年之后,茶園土壤pH年均值下降變緩,土壤pH降低速率逐漸減小,其規(guī)律同于表1的變化趨勢(shì)?？傮w而言,2003—2010年期間,江蘇茶園呈現(xiàn)嚴(yán)重的土壤酸化現(xiàn)象,但最近兩年的土壤pH降低速率有所變小。未來(lái)江蘇茶園土壤pH降低速率是否會(huì)繼續(xù)呈減小的趨勢(shì),或茶園土壤pH最后穩(wěn)定在什么水平,要取決于酸雨、人為施肥管理以及茶樹自身代謝的綜合作用,這將有待進(jìn)一步研究。2.2年生時(shí)期江蘇茶園土壤ph值的變化茶園土壤酸化與茶樹自身物質(zhì)代謝和人為施肥管理等因子有關(guān),同時(shí),環(huán)境條件(酸雨)的變化對(duì)土壤酸化也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。21世紀(jì)初期以來(lái),江蘇省酸雨的發(fā)生不僅具有明顯的年際分布特性,而且出現(xiàn)一定的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。2008年之前,江蘇省國(guó)民經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)勃勃生機(jī),整體經(jīng)濟(jì)實(shí)力一直處于高速持續(xù)增長(zhǎng),導(dǎo)致全省空氣環(huán)境質(zhì)量下降,其中酸雨就成為了大氣污染中最突出的問(wèn)題。據(jù)《江蘇省環(huán)境狀況公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示,2003—2007年全省年均降水pH值呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢(shì),全省年均酸雨率則呈上升趨勢(shì)(圖4)。近幾年,江蘇省采取了改善能源結(jié)構(gòu)、推行清潔生產(chǎn)、淘汰落后工藝設(shè)備和煙氣治理等一系列控制措施,空氣環(huán)境質(zhì)量有了較明顯的改善。2008年和2009年,全省酸雨程度有所下降,年均降水pH值升高,年均酸雨率則降低,江蘇省茶園土壤pH降低速率減小的趨勢(shì)與此規(guī)律相一致。江蘇茶園土壤pH的變化速率也存在地區(qū)差異。所調(diào)查的茶場(chǎng)分布在江蘇省酸雨控制區(qū)的6個(gè)城市,包括揚(yáng)州、南京、鎮(zhèn)江、常州、無(wú)錫和蘇州。近兩年江蘇部分茶場(chǎng)土壤pH降低速率明顯小于前幾年,并且鎮(zhèn)江高廟和南京江寧2個(gè)茶園在近兩年還出現(xiàn)了土壤pH值升高現(xiàn)象(表1)。究其原因,茶園土壤pH的變化速率與研究區(qū)域酸雨強(qiáng)度和頻率的變化具有直接的聯(lián)系。據(jù)《江蘇省環(huán)境狀況公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示,近兩年鎮(zhèn)江、揚(yáng)州和南京3個(gè)城市的年均降水酸度和酸雨率明顯低于無(wú)錫、常州和蘇州,且和前幾年相比有降低的趨勢(shì)。2.3茶園土壤侵蝕與土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)的關(guān)系2.3.1土壤ph的變化酸化作用是土壤形成過(guò)程中極為普遍和活躍的一個(gè)過(guò)程,其實(shí)質(zhì)是土壤中酸緩沖能力的下降和氫離子濃度的增加。因此,分析土壤酸化作用可通過(guò)觀測(cè)土壤pH的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。土壤pH的高低在一定程度上反映土壤具有的不同酸緩沖能力,將已取得的不同觀測(cè)期茶園土壤pH降低速率與觀測(cè)期起點(diǎn)土壤pH進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),兩者之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.8114,p=0.0001<0.01),如圖5所示。觀測(cè)期起點(diǎn)土壤pH值高,土壤容易發(fā)生酸化,土壤pH降低速率相對(duì)較大,后文將對(duì)土壤理化性質(zhì)與土壤pH降低速率的關(guān)系作進(jìn)一步的機(jī)理分析。2.3.2土壤陽(yáng)離子增加土壤有機(jī)質(zhì)是土壤所含有機(jī)物質(zhì)的總和,具有膠體特性,其中腐殖質(zhì)是土壤所特有的性質(zhì)穩(wěn)定的高分子化合物。腐殖質(zhì)能吸附大量的陽(yáng)離子而使土壤具有緩沖性。另一方面,腐殖質(zhì)膠體成分起到土壤化學(xué)分子與鋁結(jié)合的橋梁作用,從而抑制茶樹根系分泌有機(jī)酸引起的可溶性鋁的增加而表現(xiàn)為一定的緩沖作用。茶園土壤pH降低速率與土壤有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)分析表明,兩者之間達(dá)到極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.7808,p=0.0003<0.01),即土壤有機(jī)質(zhì)含量高的茶園土壤pH降低速率相對(duì)較小(圖6)。2.3.3土壤陽(yáng)離子交換量土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)是指帶負(fù)電荷的土壤膠體,借靜電引力而吸附土壤溶液中陽(yáng)離子的數(shù)量。不同土壤的陽(yáng)離子交換量存在差異,其大小會(huì)影響土壤pH的變化,它是評(píng)價(jià)土壤緩沖能力的重要指標(biāo)。圖7結(jié)果表明,茶園土壤pH降低速率與土壤陽(yáng)離子交換量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)r=-0.5949,p=0.015<0.05,達(dá)到顯著水平。說(shuō)明陽(yáng)離子交換量大的土壤對(duì)酸性物質(zhì)緩沖性能較強(qiáng),土壤pH降低速率較小。2.3.4土壤黏粒的吸附作用土壤pH降低速率除了與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤陽(yáng)離子交換量之間存在一定的關(guān)系外,與土壤黏粒含量之間同樣存在著相關(guān)關(guān)系。土壤黏粒(粒徑<0.01mm)具有較強(qiáng)的吸附能力,土壤黏粒的吸附作用可減弱土壤有機(jī)質(zhì)的分解能力。研究表明,有機(jī)質(zhì)與黏粒結(jié)合可增強(qiáng)有機(jī)質(zhì)物理穩(wěn)定性和抗分解能力,另一方面,黏粒是土壤中主要的無(wú)機(jī)交換體,黏粒含量高,土壤負(fù)電荷量增多,土壤陽(yáng)離子交換量也就越大。所以,土壤黏粒含量越高,土壤的緩沖能力越強(qiáng)。如圖8所示,土壤pH降低速率與土壤黏粒含量之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.6098,p=0.012<0.05),即黏粒含量高的茶園土壤pH降低速率較小,土壤不易被酸化。2.3.5土壤交換性鹽基總量土壤膠體上吸附的金屬離子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等,稱為鹽基離子,4種鹽基離子之和為土壤交換性鹽基總量。土壤交換性鹽基總量是土壤交換性能的計(jì)量指標(biāo)之一,交換性鹽基總量的高低直接關(guān)系到土壤的緩沖能力。土壤pH降低速率與交換性鹽基總量之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.7170,p=0.002<0.01),土壤膠體上吸附的鹽基總量高,則對(duì)土壤中H+的交換能力加強(qiáng),土壤pH降低速率就變小(圖9)。3茶園土壤ph降低速率的動(dòng)態(tài)變化特征(1)江蘇省茶園土壤酸化現(xiàn)狀非常嚴(yán)峻。2008—2010年間江蘇省21個(gè)典型茶場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示:所有茶園土壤pH值均低于茶樹生長(zhǎng)最適值5.5;低于茶樹生長(zhǎng)適宜范圍下限pH4.5的茶園占81.9%,其中pH低于4.0茶園比例達(dá)42.8%。2003—2007年,茶園土壤pH降低速率呈現(xiàn)逐年增