铁元素在植物体内许多重要的代谢反应中发挥关键作用[1],也是联结土壤重要物质循环过程的枢纽。铁氧化物在土壤中的含量和活性较高,其形态和性质易随环境条件的变化而转化[2-3]。川西地区稻田改造成茶园(稻改茶)改变了土壤水分状况[4],土壤腐殖质总碳、腐殖酸碳和富里酸碳升高[5],而pH下降[6]。茶树在生长过程中其凋落物归还到土壤会使土壤酚类物质随植茶年限的增加而积累[7],并且茶树根系会向土壤中分泌大量的低分子量有机酸[8]。植物多酚与低分子量有机酸均能通过自身解离配体与土壤中的铁络合[9]和通过解离质子与铁作用[10],具有邻位羟基的多酚对高价铁还具有还原作用[11-12]。稻田改为茶园及随茶园植茶年限的延长,川西漂洗水稻土亚铁、有效铁含量发生变化[4, 13],茶树–土壤系统铁的生物地球化学循环受到影响[14]。以往对稻田、茶园土壤铁形态研究多基于化学选择溶解法[15-16],而连续提取法蕴含更丰富的铁形态转化信息;系统的土壤磁学性质研究可以较好地解决时间序列水稻土中铁形态演变[15, 17-18],但茶园土壤局限于简单的质量磁化率研究[19],无法提供土壤氧化铁矿物转化更丰富的信息[20]。因此,本研究选取四川省雅安市名山区稻田及由稻田改造的不同植茶年限茶园土壤,通过BCR连续提取法与环境磁学技术相结合,联合分析土壤各形态铁氧化物分布特征,以探讨茶树栽培条件下土壤铁氧化物转化途径以及磁学性质动态演变特征,以期深化对土地利用/覆被变化(稻田改为茶园)条件下土壤铁转化规律的认识,并为当地土壤管理提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况四川省雅安市名山区(103°02′ ~ 103°23′ E,29°58′ ~ 30°16′ N)位于成都平原西南边缘,属亚热带季风性湿润气候,年均气温15.4 ℃,年均降水量1 500 mm,年均无霜期298 d,年均日照1 018 h,年均相对湿度82%;地形以丘陵、台地为主;土壤类型主要有漂洗水稻土、黄壤和酸性紫色土。由于农业结构调整,大部分漂洗水稻土因适于种植茶树而被改造为能获取更高经济效益的茶园。
1.2 样品采集与分析在四川名山区稻田改茶园集中分布区地形(老冲积台地,即第三级阶地)、母质(第四纪更新统沉积物–冰碛物及冰水沉积物)、土壤类型(漂洗水稻土)一致的部位,于2010年5月,选择长期种稻(记为IIID-2010)的稻田和由种稻改为植茶6 a(记为IIIC6-2010)的茶园(之前也为长期稻田),每个样地再选取3个代表性采样点作为3次重复,用荷兰Eijkelkamp公司生产的不锈钢土钻按10 cm间距向下采集土样,至距土表110 cm处,即每个采样点11个样品,每个样地共33个样品;2014年5月分别在同一地块再次在靠近2010年采样位置处按相同方式采集土样,原先未植茶的稻田已改种茶树,且植茶3 a (记为IIID-2014);原先已植茶6 a的茶园一直保持种茶,即植茶10 a(记为IIIC6-2014)。样品风干后磨细,分别过10、60和100目尼龙筛,装袋储存以测土壤各形态铁以及磁学参数。
土壤样品采用BCR法[21]进行酸溶态铁(Acid- Fe)、可氧化态铁(Oxi-Fe)和可还原态铁(Red-Fe)的连续分级提取。样品各形态铁含量均用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP- AES)测定。BCR法连续分级提取的Acid-Fe、Red-Fe及Oxi-Fe的总和被认为是能被植物吸收利用的土壤有效铁(Fea)[22],即Fea= Acid-Fe + Red-Fe + Oxi-Fe。
土壤低频磁化率(0.47 kHz)和高频磁化率(4.7 kHz)采用Bartington MS-2B型磁化率仪分别测定,连续测定2次取其平均值,并计算质量磁化率(MS)、频率磁化率(χfd,χfd=[χld–χhd]/ χld×100)。非滞后剩磁(ARM)应用Molspin交变退磁仪退磁,所用交变磁场峰值为100 mT,直流磁场为0.04 mT,以Minispin旋转磁力仪测定,并计算ARM磁化率(χARM);等温剩磁(IRM)应用Molspin脉冲磁化仪在1 000、–20、–100、–300 mT磁场中先后磁化,再利用Minispin旋转磁力仪测定等温剩磁。1 000 mT下的IRM称为饱和等温剩磁(SIRM),20 mT条件下的IRM称为软剩磁(IRMs);硬剩磁(IRMh)、退磁参数(S–100mT,%)分别由公式IRMh=(SIRM+IRM–300mT)×0.5、S–100mT(%)= [(SIRM-IRM–100mT)/(2×SIRM)]×100算得。上述磁性参数在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室完成,其意义可参阅文献[23]。
1.3 数据分析数据处理及相关分析在Excel 2016、SPSS 20平台下完成。
2 结果 2.1 稻田改为茶园土壤铁形态变化特征由表 1可知,稻田及不同植茶年限(3、6、10 a)土壤110 cm土体各形态铁含量平均值均表现为Red-Fe > Oxi-Fe > Acid-Fe。稻田改为茶园植茶3 a后,整个土壤剖面各形态铁含量均有所降低,其中Red-Fe含量降低最为明显,减少0.17 g/kg,三者变异系数均变大,表明对剖面各形态铁均有影响。植茶6 a茶园土壤继续植茶4 a后,Acid-Fe含量显著增加2.60 mg/kg,Red-Fe含量降低0.12 g/kg,Oxi-Fe含量降低0.01 g/kg,三者变异系数变化不大。
从图 1A~D可知,各形态铁含量在IIID地块0 ~ 30 cm土层剧烈下降,稻田改为茶园植茶3 a后,0 ~ 10 cm土层Acid-Fe含量增加4.37 mg/kg,而10 ~ 30 cm土层表现为下降趋势,其中10 ~ 20 cm土层下降达7.27 mg/kg(图 1A);Red-Fe含量曲线表现为整体向左平移,其中10 ~ 20 cm土层下降量最大,为0.64 g/kg (图 1B);Oxi-Fe含量在0 ~ 10 cm土层升高,而在10 ~ 90 cm土层表现为下降,其中在10 ~ 20 cm土层降低最大,为0.12 g/kg,此变化趋势与Acid-Fe含量变化情况相同(图 1C);Fea含量整体呈现降低的趋势,10 ~ 20 cm土层表现最突出,下降0.78 g/kg。综上,IIID地块各形态铁分布表现为稻田经过3 a植茶后,有促进表层土壤Red-Fe向Acid-Fe、Oxi-Fe转化的趋势,10 cm以下土层则表现出3种形态铁含量均降低,致使Fea含量表现出减少的趋势(图 1D)。
由图 1 E ~ H可知,IIIC6地块土壤剖面各形态铁含量随土壤深度的增加表现为降低的趋势。IIIC6地块继续植茶4 a后,Acid-Fe含量在0 ~ 30 cm土层先增后减,与IIID地块表现相似,30 cm以下土层整体表现为增加的趋势(图 1E);Red-Fe含量在0 ~ 90 cm土层与IIID地块表现相似(图 1F);Oxi-Fe在0 ~ 20 cm土层含量增加,其中0 ~ 10 cm土层与IIID地块表现趋势相同,20 ~ 50 cm土层为下降趋势;Oxi-Fe含量在0 ~ 30 cm土层表现规律与Acid-Fe含量表现相同(图 1G)。Fea含量在0 ~ 40 cm土层之间表现为下降,其中20 ~ 30 cm土层下降值最大,为0.55 g/kg。综上,植茶6 a茶园继续植茶4 a后,土壤表层与亚表层表现为Red-Fe向Acid-Fe、Oxi-Fe转化的趋势,但20 ~ 30 cm土层表现为3种形态铁含量均降低,Fea含量呈减少趋势。
稻田改为茶园以及随着植茶年限延长,IIID与IIIC6地块0 ~ 90 cm土层Red-Fe含量均表现为下降,两者0 ~ 10 cm土层Acid-Fe与Oxi-Fe含量的变化均表现为升高,IIID地块Acid-Fe与Oxi-Fe含量在10 ~ 20 cm土层变为下降趋势,IIIC6地块Acid-Fe与Oxi- Fe含量在20 ~ 30 cm土层出现下降趋势,表明IIID与IIIC6地块随植茶年限增加出现相似规律,植茶会使表层土壤Red-Fe向Acid-Fe与Oxi-Fe转化,并且会随着年限的增加向下移动。Acid-Fe含量表现为随植茶年限的增加而增加,且在表层与亚表层尤为明显,土壤Red-Fe含量表现为随植茶时间的延长,其含量相对亏缺,并且表层与亚表层变化更快,向下移动。综合上述分析可知,表层土壤Red-Fe含量呈现稻田(IIID-2010) > 植茶3 a(IIID-2014) > 植茶6 a(IIIC6- 2010) > 植茶10 a(IIIC6-2014)的特征,而表层土壤Oxi- Fe含量呈现稻田 < 植茶3 a < 植茶6 a < 植茶10 a的规律。同一地块Fea含量整体表现为稻田 > 植茶3 a,植茶6 a > 植茶10 a,表层土壤呈现稻田 > 植茶3 a > 植茶6 a > 植茶10 a,剖面规律与Red-Fe含量极为相似。由此可知,稻田改为茶园后土壤中可利用铁会相对减少,并随着植茶年限延长而降低。
2.2 稻田改为茶园土壤磁学性质变化特征由表 2可知,不同植茶年限土壤110 cm土体MS值(单位:×10–8m3/kg)变化不大,IIID与IIIC6地块SIRM值均有所下降,IIID地块由259降为233,IIIC6地块由273降为244(单位:×10–6Am2/kg, IRMh、IRMs同)。IIID地块土体IRMh降低13,IIIC6地块IRMh变化不大。IIID与IIIC6地块土体IRMs均有所降低,分别下降11、6。
由图 2可知,不同植茶年限土壤随土层深度增加,MS、SIRM、IRMh、IRMs总体呈现降低的趋势;同一地块30 ~ 110 cm土体的MS、SIRM、IRMh、IRMs在2014年都明显小于2010年,磁学性质在0 ~ 30 cm土层产生较大差异。由图 2A可知,IIID地块植茶3 a后MS在0 ~ 20 cm土层明显升高,改变了该地块在两个采集时间土壤剖面MS的整体变化趋势,20 cm以下土层则表现为下降趋势。由图 2E可知,IIIC6地块继续植茶4 a后,MS在0 ~ 60 cm土层明显降低,土壤剖面MS曲线整体向左平移。
随着植茶年限的延长,MS在0 ~ 20 cm土层表现为IIIC6地块明显小于IIID地块。SIRM在IIID地块表层增加212,但表层以下土壤为明显的降低趋势;IIIC6地块0 ~ 70 cm土层SIRM均变小,与MS表现类似的特征。IRMh在IIID地块的0 ~ 30、50 ~ 70 cm土层表现下降趋势,而在30 ~ 50 cm土层呈增加特征;IIIC6地块IRMh的变化与IIID地块同步。IRMs在IIID地块的0 ~ 20 cm土层增大,在20 cm以下土层则为减小;而IIIC6地块IRMs在0 ~ 70 cm土层之间均表现为减小。同一时间采集的0 ~ 20 cm土壤IRMs表现为植茶6 a > 稻田,植茶3 a > 植茶10 a。
由表 3可以看出,研究土壤MS与SIRM呈极显著正相关关系,其次为IRMs,各形态铁中,MS与Red-Fe含量相关系数最大(为0.88),即联系最紧密。SIRM与Red-Fe含量也为极显著正相关,相关系数达0.94。
稻田改为茶园植茶3 a后土壤剖面Red-Fe、Oxi-Fe、Acid-Fe含量均有所降低,主要是因为水田改造为茶园后季节性淹水条件消失,土壤Eh升高,pH下降,致使铁的迁移转化过程受到影响。植茶6 a茶园继续植茶4 a后Red-Fe含量降低而Acid-Fe含量增加,表明随着植茶年限增加,茶树枯枝落叶还田促进土壤腐殖质积累[5],还原性物质总量增加,随着pH降低[6],各种沉淀态亚铁的溶解度增大[24],可溶态铁含量升高。
稻田改为茶园以及植茶年限的不同使各形态铁在0 ~ 30 cm土层之间重新分配。有研究表明,随植茶年限的延长,各土层土壤的pH会呈现不同程度的下降,表层酸化较为明显,并且土壤有机质、总酚和水溶性酚含量均会增加,但随着土层的加深而减少[6]。稻田改为茶园土壤表层Acid-Fe含量的增加,主要因为土壤酚类物质的质子作用与土壤pH降低促进了羟基表面络合作用使更多的铁溶解,表明茶树种植有利于耕层土壤Acid-Fe的积累,且随植茶年限的延长,Acid-Fe还可以向下迁移。Oxi-Fe主要为与有机质结合形态的铁,随着植茶年限的延长,土壤有机质不断积累,且茶树根系与茶叶凋落物中的酚类具有酚羟基,具有络合作用,使表层土壤Oxi-Fe含量随植茶年限的延长而增加。但随着植茶年限的延长,20 cm以下土壤会出现Oxi-Fe含量下降的趋势,与Acid-Fe含量表现相同,表明茶树种植初期Acid-Fe与Oxi-Fe有表聚现象。Red-Fe包括无定形和弱晶质的铁氧化物,在还原条件下稳定性较差,稻田改为茶园后随着植茶年限的增加,土壤板结加重,还原性增强,酸化加剧,且酚类和有机酸增加,络合、还原作用使Red-Fe不稳定,易于向其他形态转化。稻田改为茶园以及植茶年限的延长均使土壤Fea含量降低,可能与大量氮磷肥不合理施用能显著降低Fea含量[25]且促进土体内铁的淋溶[26]有关,也与铁元素在茶树叶富集[27]有关。
茶树种植使土壤剖面磁学性质分异变大,该区植茶土壤由于漂洗作用而使亚铁磁性矿物含量总体较少[15],MS整体较低。稻田改茶园植茶3 a后0 ~ 30 cm土层磁性矿物数量会有所增加,但随着植茶年限的延长土壤剖面磁性矿物会减少。该区土壤χfd多在2% ~ 10%,表明超顺磁颗粒与粗颗粒同时存在[28]。稻田改茶园植茶3 a后表层土壤亚铁磁性矿物与不完整磁性矿物总和显著增加,但随着植茶年限的增加,两者总和会减少,并且该趋势会下移。稻田改茶园植茶3 a后土壤表层与亚表层土壤IRMh降低,而IRMs明显升高,表明茶树种植会使表层土壤磁铁矿、磁赤铁矿增加,从而使其MS升高;但随植茶年限的延长,30 ~ 60 cm土层土壤则表现相反。植茶年限延长,表层土壤不完整反铁与亚铁磁性矿物都会减少,并且亚铁磁性矿物的减少向下迁移的趋势更快,MS与IRMs和SIRM的高度相关关系(表 2)也表明亚铁磁性矿物主导土壤磁性特征,但同时有不完整反铁磁性矿物的贡献。稻田进行茶树种植后,因耕作方式以及植物类型的改变使亚铁磁性矿物增加,但随着植茶年限的延长,土壤板结并酸化,茶多酚/有机酸等物质逐渐积累,使亚铁磁性矿物不稳定,进一步导致以弱晶质铁形式存在的Red-Fe在还原、质子、络合作用下向Acid-Fe和Oxi-Fe转化的同时部分铁被稳定硅酸盐矿物晶格固定。这与前人“稻田变为旱地后铁氧化物结晶度逐渐增加,而活化度降低[29],土壤铁锰斑数量显著增加,氧化铁晶胶比显著提高”[30]研究结果一致。
4 结论稻田改为茶园植茶3 a地块与植茶6 a继续植茶4 a地块各形态铁与磁学性质变化特征不尽相同,表层及亚表层与其他土层也具有不同表现。稻田改为茶园后土壤剖面Acid-Fe、Res-Fe、Red-Fe含量总体均表现降低趋势,随植茶年限的延长,Acid-Fe含量有所增加。稻田改为茶园及随植茶年限的延长,亚表层以上土壤Red-Fe向Acid-Fe、Oxi-Fe转化,表层土壤磁化率升高,但随植茶时间延长土体磁化率降低,土壤亚铁磁性矿物不稳定,并由弱晶质铁向其他形态铁转化,使土壤铁的分异变大,且随着植茶年限的延长,铁可利用性降低。
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