模拟酸雨对福州平原水稻田土壤化学结合态有机碳含量的影响

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本站小编 Free考研考试/2021-12-31

陈晓旋¹, 安婉丽¹, 陈优阳¹, 刘旭阳¹, 金强¹, 王维奇^1,2
1. 福建师范大学地理研究所, 福州 350007;
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, 福州 350007
收稿日期: 2018-05-15; 修回日期: 2018-06-29; 录用日期: 2018-06-29
基金项目: 国家自然科学基金（No.41571287，31000209）；福建省公益类科研院所专项（No.2018R1034-1）；福建省高校****科研人才培育计划（2017）
作者简介: 陈晓旋(1993-), 男, E-mail:chencxx1027@163.com
通讯作者（责任作者）: 王维奇(1982—), 男, 副研究员, 长期从事农业生态研究, 在国内外核心学术刊物上发表论文70余篇, E-mail:Wangweiqi15@163.com

摘要: 为阐明酸雨对水稻田土壤化学结合态有机碳含量的影响，以福州平原水稻田为研究对象，在早稻和晚稻生长期中，设置对照（CK）、模拟pH=2.5、pH=3.5、pH=4.5酸雨处理，对酸雨影响下福州平原水稻田土壤化学结合态有机碳含量进行了测定与分析.结果表明，酸雨作用下早、晚稻土壤有机碳（SOC）含量介于13.40~20.17 g·kg^-1，与土壤全氮（TN）含量显著正相关（p < 0.01）；各处理下早稻田SOC含量均低于晚稻田，且早稻田土壤各处理间SOC含量差异不显著（p > 0.05），其中，晚稻CK、pH=2.5和pH=3.5处理的SOC含量与早稻差异显著（p < 0.05），酸雨处理均高于CK（p < 0.05）.早、晚稻土壤Ca-SOC含量介于0.31~0.42 g·kg^-1，早稻期间pH=2.5处理中Ca-SOC含量与其他处理差异明显（p < 0.05）.早、晚稻土壤Fe（Al）-SOC含量介于2.90~4.64 g·kg^-1，早稻各处理间差异不显著（p > 0.05），而晚稻各处理间差异显著（p < 0.05）.相比之下，晚稻残渣态-SOC含量显著高于早稻（p < 0.05），酸雨处理显著高于CK（p < 0.05），且pH=2.5处理含量最高，均值为（15.21±0.37）g·kg^-1，而早稻各处理残渣态-SOC含量差异不显著（p > 0.05）.此外，早、晚稻SOC与Fe（Al）-SOC、残渣态-SOC之间均具有显著正相关关系（p < 0.01），早稻残渣态-SOC、晚稻Fe（Al）-SOC与土壤TN显著正相关（p < 0.01）.综上所述，酸雨通过提高晚稻SOC和Fe（Al）-SOC含量，进而增强土壤碳库稳定性，促进有机碳的积累.
关键词:化学结合态有机碳酸雨水稻田福州平原
Effect of simulated acid rain on soil chemical bonded organic carbon content in paddy of Fuzhou plain
CHEN Xiaoxuan¹, AN Wanli¹, CHEN Youyang¹, LIU Xuyang¹, JIN Qiang¹, WANG Weiqi^1,2
1. Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007;
2. Key Laboratory of Humid Sub-tropical Eco-geographical Process of Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007
Received 15 May 2018; received in revised from 29 June 2018; accepted 29 June 2018
Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.41571287, 31000209), the Research Project of Public Institute of Fujian Province (No.2018R1034-1) and the Program of Outstanding Young Research Talents in Higher Education of Fujian Province(2017)
Biography: CHEN Xiaoxuan(1993—), male, E-mail:chencxx1027@163.com
^*Corresponding author: WANG Weiqi, E-mail:Wangweiqi15@163.com
Abstract: In order to elucidate the effect of acid rain on the chemically bounded soil organic carbon content in paddy, different simulated acid rain treatments (CK, simulated pH=2.5, pH=3.5 and pH=4.5) were performed in the paddy of Fuzhou plain, and the effect of simulated acid rain on chemically bonded soil organic carbon content was determined in the growth stages of early rice and late rice. The results showed that the SOC content of early and late paddy under acid rain was between 13.40 and 20.17 g·kg^-1, which was significantly and positively correlated with soil TN (p < 0.01). The SOC content of early paddyunder all treatments was lower than that of the late paddy, and there was no significant difference in SOC content among treatments in early paddy (p > 0.05). The CK, pH=2.5 and pH=3.5 treatments in late paddy were significantly different from those of the early paddy (p < 0.05), and acid rain treatment was significantly higher than that of the CK (p < 0.05). The Ca-SOC content in early and late paddy was ranged from 0.31 to 0.42 g·kg^-1. The Ca-SOC content in early paddy during pH=2.5 treatment was significantly different from those of other treatments (p < 0.05). The contents of Fe(Al)-SOC in early and late paddy was ranged from 2.90 to 4.64 g·kg^-1. There was no significant difference among treatments in early paddy(p > 0.05), and the averaged values of the treatments were significantly difference among treatments in late paddy (p < 0.05). In contrast, the residue-state SOC content of late paddy was significantly higher than that of early paddy (p < 0.05), and acid rain treatment was significantly higher than that of CK (p < 0.05), and was highest in pH=2.5, with a mean value of (15.21±0.37) g·kg^-1, while the residue status of early paddy processing-SOC were not significant differences (p > 0.05). In addition, there was significantly positively correlation between soil SOC and Fe(Al)-SOC/residual-state SOC in early and late paddy (p < 0.01). Residual residue-SOC in early paddy and Fe(Al)-SOC in late paddy were significantly and positively correlated with soil TN (p < 0.01). In summary, soil SOC and Fe (Al)-SOC content was increased by acid rain in late paddy, thereby the stability of soil carbon pools was improved and accelerated the accumulation of organic carbon.
Keywords: chemically bonded organic carbonacid rainpaddyFuzhou plain
1 引言(Introduction)自20世纪50年代初以来, 酸雨已成为全球性的环境问题(Wang et al., 2004；Qiu et al., 2015).近年来, 随着中国经济迅速发展, 机动车尾气排放、燃煤电厂的排放及农业施肥等已造成严重的酸雨问题, 导致中国南方大面积地区遭受pH < 4.5的酸雨的影响范围仍在不断扩大(Xie et al., 2009；Wu et al., 2016).酸雨频发对中国南方陆地生态系统的影响已引起了人们的广泛关注(Liu et al., 2010；Dai et al., 2013), 其中, 农田生态系统作为重要的陆地生态系统深受影响.
在农田生态系统中, 土壤是酸雨的主要接受者(Liu et al., 2007).酸雨主要是影响土壤的理化性质, 破坏土壤结构, 加速土壤中矿物质风化, 加快土壤碳与养分元素的淋失, 降低土壤肥力(Guo et al., 2010), 尤其是对土壤有机碳赋存与转化的影响更为明显.有研究表明, 酸雨可通过减少土壤微生物种群数量和抑制土壤酶活性, 降低土壤微生物量碳(MBC)含量, 进而导致土壤中有机质含量下降(Frey et al., 2014).同时, 酸雨的持续作用可增加土壤易氧化态碳(EOC)含量, 降低土壤有机碳的稳定性, 不利于土壤有机碳的积累(Ouyang et al., 2008).然而, 吴建平等(2015)及Wu等(2016)研究发现, 酸雨酸化土壤会抑制土壤呼吸速率与碳释放, 提高土壤有机碳的积累量.综上所述, 有关酸雨对农田土壤碳库影响的研究相对较少, 有限的研究表明酸雨对不同活性碳组分的影响并不一致, 因此, 进一步深入、系统地开展酸雨对土壤有机碳赋存和转化的影响及机制研究具有重要的意义.
钙键和铁铝键结合态有机碳是土壤有机碳重要的有机-无机结合存在形式(邰继承等, 2011), 在土壤有机碳的化学稳定中起着重要的作用, 固碳效果明显, 对土壤肥力维持与农作物生长发育也具有重要的作用, 尤其是Fe/Al等多价阳离子对有机-无机矿质复合体在土壤中的积累具有显著效果(Jastrow et al., 2007).此外, 土壤总有机碳库和Ca-SOC的矿化稳定性被证实小于土壤Fe(Al)-SOC, 但Fe(Al)-SOC含量高于Ca-SOC, 并能够稳定保存(雷敏等, 2012).同时, Fe/Al氧化物对新积累碳的促进作用已被证明有利于土壤有机碳的封存与稳定(Osher et al., 2003, Zhou et al., 2009).尽管有矿物质的化学保护, 但有关不同强度酸雨对化学结合态土壤有机碳的影响还不十分清楚，其是否会通过影响土壤环境的氧化与还原过程进而改变化学结合键, 这些问题仍有待探明, 因此, 有必要开展化学结合态土壤有机碳对不同强度酸雨响应的研究.
福州市作为中国东南部酸雨高发区城市之一(陈彬彬等, 2016), 酸雨已严重影响到福州平原主要粮食作物水稻的可持续生产.本研究主要探讨不同强度酸雨影响下, 水稻田土壤钙键和铁-铝键结合态有机碳含量变化, 以表征这些水稻土的碳耦合中的化学保护作用, 为维持稻田土壤有机碳的稳定性和提升土壤肥力提供科学依据.
2 研究区与研究方法(Study area and methods)2.1 研究区概况本实验区位于福建省水稻研究所吴凤综合实验基地(26.1°N, 119.3°E), 该基地稻田面积为7 hm².实验区内主要实行早稻-晚稻-蔬菜的轮作制度, 实验前人工整平翻耕后的田地, 以保持土壤的均一性(Wang et al., 2016).实验区早、晚稻栽培品种分别为江西省农科院研发的和盛10号和福建省农科院研发的沁香优212, 采用机插, 株行距为14 cm×28 cm, 早稻于2015年4月16日机插移栽, 2015年7月17日收割, 晚稻于2015年7月25日机插移栽, 2015年11月7日收割.复合肥(N:P₂O₅:K₂O=16%:16%:16%)和尿素(46% N)是本研究中的主要施加肥料, 移栽前一天施加底肥(42 kg·hm^-2 N、40 kg·hm^-2 P₂O₅和40 kg·hm^-2 K₂O), 移栽约1周后施加分蘖肥(35 kg·hm^-2 N、20 kg·hm^-2 P₂O₅和20 kg·hm^-2 K₂O), 移栽约8周后施加穗肥(18 kg·hm^-2 N、10 kg·hm^-2 P₂O₅和10 kg·hm^-2 K₂O)(Wang et al., 2016；安婉丽等, 2017).水稻生长期间的水分管理为：水稻分蘖期以前实行水淹管理, 分蘖期后实行烤田-淹水-湿润灌溉相结合.经测试, 水稻田耕层土壤全碳(TC)含量为(18.16±0.36) g·kg^-1, 全氮(TN)含量为(1.93±0.11) g·kg^-1, 全磷(TP)含量为(1.80±0.06) g·kg^-1.
2.2 实验设计与样品采集本实验在插秧后第1 d, 选取实验区秧苗高度、密度较一致的地点为采样点.早、晚稻时期分别设置空白对照(CK)、pH=2.5、pH=4.5和pH=3.5的酸雨处理组, 每种处理3个重复, 共12个小区.在小区设置上, 为降低大田串水串肥现象, 设置小区面积为10 m², 随机区组排列, 并用田埂围护, 同时在田埂外围插入0.5 cm厚、30 cm高的PVC板, 每个小区之间的间隔约为1 m, 作为不同处理之间的缓冲区(孙永健等, 2016；Liang et al., 2016).根据福州市酸雨成分配置酸雨母液, 主要成分及含量(μmol·L^-1)分别为：Na⁺ 147.96、K⁺ 13.40、Mg²⁺ 24.086、Ca²⁺ 72.97、NH₄⁺ 47.35、Cl^- 159.44、NO₃^- 119.19、SO₄^2- 76.35, 并用体积比为1:1的浓HNO₃和浓H₂SO₄混合液调酸雨pH值(安婉丽等, 2017).根据福州市历年年均酸沉降量计算出每次每个样方喷淋酸雨450 mL, 水稻移栽后每隔7 d喷淋一次酸雨, 喷淋高度位于植株顶部上方5 cm处, 均匀喷淋到样方中, 直至水稻收割.
土样采集：用采土器采集水稻收获期各处理犁耕层0~15 cm土壤, 装入自封袋, 并用便携式保温箱密封保存, 带回实验室, 挑去植物残体根系后, 分成两份, 一份自然风干后装入自封袋保存待用, 一份放入4 ℃冰箱冷藏待用.
2.3 样品测定土壤养分测定：土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾-外加热法测定(鲁如坤, 2000)；土壤全氮(TN)采用CN元素分析仪(Elementar Vario MAX CN, Germany)测定(鲁如坤, 2000), 全磷(TP)采用硫酸-高氯酸消解, 在连续流动分析仪(SKALAR SAN++, Netherlands)中测定(牟晓杰等, 2013).
键合有机碳测定(Xu et al., 1993)：称取2.00 g过0.25 mm筛的土壤样品, 加入20 mL Na₂SO₄(0.5 mol·L^-1)溶液振荡2 h, 然后放置24 h, 以转速3000 r·min^-1离心10 min, 收集上清液, 再向土壤中加入20 mL Na₂SO₄(0.5 mol·L^-1)溶液, 洗涤2次, 至溶液无Ca²⁺, 再用1% Na₂SO₄洗至上清液无色为止.所有液体集中于250 mL塑料瓶中, 离心除去粘粒, 定容至250 mL容量瓶中, 用总有机碳分析仪(Shimadzu TOC-VCPH, 日本)测定溶液有机碳, 即为Fe(Al)-SOC含量.上述剩余土壤中加入20 mL NaOH (0.1 mol·L^-1)和Na₄P₂O₇(0.1 mol·L^-1)混合溶液, 放置过夜, 次日以转速3000 r·min^-1离心15 min, 收集上清液, 反复数次, 至溶液近无色为止.所有液体集中于250 mL塑料瓶中, 离心除去粘粒, 定容至250 mL容量瓶中, 用总有机碳分析仪(Shimadzu TOC-VCPH, 日本)测定溶液有机碳, 即为Ca-SOC含量.残渣态有机碳的计算采用差减法, 即残渣态有机碳=[SOC]-[Ca-SOC]-[Fe(Al)-SOC].
环境因子测定：土壤pH值测定时设置水土质量比为2.5:1, 振荡30 min, 静置后用便携式pH计(STARTER 300, 美国)测定；土壤含水量(质量含水量)采用烘干法测定(鲁如坤, 2000)；地下10 cm土层(表征0~15 cm土壤的均值)的土温和电导率(EC)采用便携式电导计(2265FS, USA)测定；土壤中铁(Fe)和二价铁(Fe²⁺)采用邻菲罗啉比色法, 利用紫外可见分光光度计测定, [Fe³⁺]=[Fe]-[Fe²⁺](鲁如坤, 2000).
2.4 数据处理与分析运用Excel 2013、Origin8.0、SPSS 20.0软件对测定数据进行统计分析.其中, 采用Excel 2013进行原始数据平均值及标准偏差的计算, 并运用Origin8.0绘制含量及比值图.采用SPSS20.0进行酸雨对早、晚水稻田土壤化学有机碳含量及比值的差异性单因素方差分析.利用Origin8.0对土壤化学结合态有机碳与SOC进行线性拟合并制图.采用SPSS 20.0软件进行Pearson相关性分析.
3 结果与分析(Result and analysis)3.1 酸雨作用下稻田土壤理化性质的变化由表 1可知, 酸雨作用下的土壤pH总体上低于CK处理(p < 0.05)；早稻生长期间土壤EC变化不大, 晚稻生长期间酸度较大的pH=2.5与pH=3.5处理土壤EC值显著高于其他处理(p < 0.05)；早稻CK处理土壤容重显著低于其他处理, 而晚稻则相反(p < 0.05)；且早稻采样时间的土温显著高于晚稻(p < 0.05)；酸雨处理下TN、TP含量总体高于CK处理(p < 0.05).
表 1(Table 1)

表 1 稻田土壤理化性质 Table 1 Physicochemical properties of paddy soil

生长季	酸雨处理	pH	EC/ (mS·cm^-1)	含水量	容重/ (g·cm^-3)	土温/℃	TN/ (g·kg^-1)	TP/ (g·kg^-1)
早稻	CK	6.14±0.05^a	0.49±0.01^a	0.49%±0.01%^a	1.06±0.02^b	27.93±0.03^a	1.98±0.01^a	1.74±0.05^b
	pH=2.5	5.95±0.07^ab	0.51±0.04^a	0.51%±0.04%^a	1.34±0.03^a	27.77±0.09^ab	2.04±0.11^a	1.91±0.08^a
	pH=3.5	5.97±0.10^ab	0.37±0.08^a	0.37%±0.08%^b	1.28±0.16^a	27.53±0.07^b	2.04±0.18^a	2.05±0.14^a
	pH=4.5	5.86±0.07b	0.44±0.01^a	0.44%±0.01%^a	1.24±0.03^a	27.87±0.15^a	2.12±0.21^a	2.01±0.19^a
晚稻	CK	6.26±0.09^a	0.38±0.03^b	0.38%±0.03%^b	1.39±0.01^a	21.03±0.03^a	2.04±0.03^b	1.77±0.02^b
	pH=2.5	5.74±0.05^b	0.48±0.01^a	0.48%±0.01%^a	1.26±0.04^b	20.87±0.03^b	2.21±0.02^a	2.06±0.04^a
	pH=3.5	5.90±0.05^b	0.47±0.03^ab	0.47%±0.03%^ab	1.21±0.03^b	20.87±0.03^b	2.19±0.02^a	1.99±0.02^a
	pH=4.5	5.94±0.09^b	0.39±0.04^b	0.39%±0.04%^b	1.26±0.03^b	20.97±0.03^ab	2.15±0.04^a	1.91±0.14^a
注：同列不同字母表示同一指标不同处理数据间差异显著(p < 0.05).

3.2 酸雨作用下稻田SOC与键合有机碳组分含量的变化酸雨作用下早稻和晚稻SOC含量介于13.40~20.17 g·kg^-1, 且不同处理间总体分布特征相似(图 1), 早稻各处理SOC含量差异不显著, 晚稻CK、pH=2.5、pH=3.5和pH=4.5处理SOC含量均值依次为(17.77±0.08)、(19.45±0.30)、(19.32±0.46)和(18.89±0.20) g·kg^-1, 晚稻各处理SOC含量均高于早稻, 其中, 晚稻CK、pH=2.5和pH=3.5处理的SOC含量与早稻差异显著(p < 0.05), 且晚稻酸雨处理SOC含量均高于CK处理(p < 0.05).
图 1(Fig. 1)

图 1 酸雨作用下稻田SOC与键合有机碳组分含量 (大、小写字母分别表示早、晚稻不同处理之间差异显著(p < 0.05), *表示同一处理不同季水稻之间差异显著(p < 0.05), 下同) Fig. 1Effect of acid rain on SOC and bound organic carbon component in paddy soil

酸雨作用下早稻和晚稻土壤Ca-SOC含量介于0.31~0.42 g·kg^-1, 除早稻pH=2.5处理土壤中Ca-SOC含量与其他处理差异显著之外(p < 0.05), 其他处理间差异不显著(p > 0.05).早稻和晚稻土壤Fe(Al)-SOC含量介于2.90~4.64 g·kg^-1, 早稻各处理间差异不显著(p > 0.05), 晚稻各处理土壤Fe(Al)-SOC含量均值大小依次为pH=3.5> pH=4.5> pH=2.5>CK, 且各处理间差异显著(p < 0.05).相比之下, 晚稻残渣态-SOC含量显著高于早稻(p < 0.05), 酸雨处理下残渣态-SOC含量显著高于CK(p < 0.05), 且以pH=2.5处理土壤残渣态-SOC含量最高, 均值为(15.21±0.37) g·kg^-1, 而早稻各处理间残渣态-SOC含量差异不显著.
3.3 酸雨对稻田土壤有机碳和键合有机碳的线性回归分析本研究中, 通过对稻田SOC和键合有机碳的线性回归分析发现, 早稻和晚稻土壤Fe(Al)-SOC、残渣态-SOC与土壤总有机碳存在显著的线性拟合关系(图 2, p < 0.01), 且土壤有机碳含量随着土壤键合有机碳含量的升高而变大；而土壤Ca-SOC含量与SOC的拟合程度较低, 说明与土壤有机碳含量的关系不大.
图 2(Fig. 2)

图 2 酸雨作用下稻田SOC与键合有机碳的线性回归分析 Fig. 2Analysis of SOC and bonded organic carbon in paddy soils under acid rain

3.4 酸雨对稻田土壤键合有机碳组分变化的影响由图 3可知, 键合有机碳与总有机碳比值稳定性不同, 其中, 土壤Fe(Al)-SOC和残渣态-SOC稳定性较强, 而土壤Ca-SOC稳定性较差；其次, 早稻土壤Ca-SOC/SOC高于晚稻, 且CK和pH=3.5处理间差异显著(p < 0.05), 早稻土壤Fe(Al)-SOC/SOC略高于晚稻, 与残渣态-SOC/SOC相反, 说明样地土壤以Fe(Al)-SOC含量变化为主.
图 3(Fig. 3)

图 3 酸雨作用下键合有机碳占总有机碳的比例 Fig. 3The ratio of bonded organic carbon to total organic carbon under acid rain

3.5 酸雨作用下键合有机碳与土壤理化性质之间的相关关系键合有机碳之间及与土壤理化性质的Pearson相关性分析显示(表 2), 早稻土壤Fe(Al)-SOC、残渣态-SOC与SOC两两之间均具有显著正相关关系(p < 0.01), 且与土壤TN、TP存在显著正相关关系(p < 0.01), 与土壤Fe、Fe³⁺存在显著负相关关系(p < 0.05)；残渣态-SOC、SOC与Fe²⁺存在显著正相关关系(p < 0.01), pH与SOC存在显著负相关关系(p < 0.01), 与残渣态-SOC显著负相关(p < 0.05).晚稻SOC与Fe(Al)-SOC、残渣态-SOC之间, 以及土壤TN与SOC、Fe(Al)-SOC之间均具有显著正相关关系(p < 0.01), 土壤Fe²⁺与Fe(Al)-SOC存在显著负相关关系(p < 0.01), 土温、pH与SOC之间, 土温与残渣态-SOC之间均存在显著负相关关系(p < 0.01), 容重与SOC(p < 0.01)、Fe(Al)-SOC(p < 0.05)、残渣态-SOC(p < 0.05)显著正相关.
表 2(Table 2)

表 2 键合有机碳与土壤理化性质之间的相关性(n=12) Table 2 Correlation between bonded organic carbon and soil physical and chemical properties(n=12)

	早稻				晚稻
	Ca-SOC	Fe(Al)-SOC	残渣态-SOC	SOC	Ca-SOC	Fe(Al)-SOC	残渣态-SOC	SOC
Ca-SOC	1	0.187	0.116	0.146	1	0.089	0.109	0.032
Fe(Al)-SOC	0.187	1	0.747^**	0.856^**	0.089	1	0.036	0.821^**
残渣态-SOC	0.116	0.747^**	1	0.982^**	0.109	0.036	1	0.892^**
SOC	0.146	0.856^**	0.982^**	1	0.032	0.821^**	0.892^**	1
TN	0.090	0.874^**	0.935^**	0.967^**	-0.006	0.437	0.808^**	0.893^**
TP	0.022	0.734^**	0.715^**	0.763^**	0.234	0.415	0.399	0.502
Fe	0.144	-0.632^*	-0.601^*	-0.642^*	-0.306	-0.507	-0.075	-0.298
Fe²⁺	0.084	0.512	0.788^**	0.747^**	-0.192	-0.821^**	-0.308	-0.576
Fe³⁺	0.126	-0.673^*	-0.683^*	-0.716^**	-0.299	0.305	0.021	-0.146
EC	-0.060	0.116	0.315	0.274	-0.258	0.364	0.263	0.368
含水量	-0.130	0.303	0.256	0.289	-0.180	0.247	0.480	0.562
土温	0.214	-0.388	-0.362	-0.386	-0.260	-0.311	-0.900^**	-0.885^**
pH	0.437	-0.545	-0.681^*	-0.781^**	-0.116	-0.533	-0.566	-0.730^**
容重	-0.444	-0.188	0.004	-0.040	-0.376	0.579^*	0.637^*	0.761^**
注：表示在0.05水平(双侧)上显著相关；*表示在0.01水平(双侧)上显著相关.

4 讨论(Discussion)4.1 酸雨对稻田SOC和键合有机碳的影响有机碳是土壤中物质循环的核心, 对土壤的物理、化学和生物化学过程及对其生态功能的恢复和提高具有重要的调控作用(王小利等, 2017).研究发现, 模拟酸雨对于早稻SOC含量影响不大, 却明显提高了晚稻SOC含量, 且晚稻的SOC含量高于早稻.这主要是由于在早稻期间温度相对较低, 外源秸秆等分解的碳源向土壤中输入的有机碳量较少, 而晚稻生长期温度较高, 外源秸秆等分解的碳源向土壤中输入的有机碳含量相对较多, 从而使得晚稻土壤有机碳含量更高；此外, 晚稻期间土壤微生物在酸雨胁迫下活动受到抑制, 减少了微生物活动, 减缓了矿化速度和土壤有机质的分解速度(Liang et al., 2013), 从而进一步有利于土壤有机碳的保存.
研究发现, 土壤Ca-SOC含量较低, 主要是由于在南方酸性土壤中存在丰富的铁铝氧化物, 主要形成稳定性较高的铁铝键结合的SOC, 而钙键结合的SOC主要在盐基饱和度较高的中性、石灰性土壤中形成.其次, 土壤Ca-SOC含量与SOC比值较低, 主要与土壤中钙离子的浓度有关, 如果土壤中仍存在可以与有机物质键合的钙离子, 有机碳含量的上升就意味着更多钙离子与有机碳的键合, 但随着有机碳含量的提高, 钙离子与有机碳键合的比例逐渐降低导致稀释效应, Ca-SOC占总有机碳的比率也呈下降趋势(雷敏等, 2012).钙结合态有机碳的不稳定性是因为Ca-SOC是外圈配合产物, 主要是活性部分有机碳, 化学稳定性较差(周萍等, 2009).
相反, Fe(Al)-SOC是内圈配合产物, 稳定性较高(周萍等, 2009), 从前面的数据分析中可以得出其稳定性要高于土壤Ca-SOC和总有机碳, 说明其矿化稳定性占优.其次, 在模拟酸雨的处理中, 晚稻Fe(Al)-SOC含量高于早稻, 且以pH=3.5处理最为明显, 主要是因为晚稻期间温度相对较高, 降雨量相对较少, 有利于铁铝氧化物的生成, 作为土壤的重要组成部分之一, 在土壤中具有专性吸附作用、胶结作用和易随环境变化而改变其表面性质等特征(Bortoluzzi et al., 2016).研究发现, 早晚稻Fe(Al)-SOC与SOC显著正相关, 说明Fe(Al)键随着土壤有机碳的增加, 进而与土壤有机碳键合形成更多的Fe(Al)-SOC, 两者相互促进；早晚稻酸雨处理下土壤Fe(Al)-SOC含量高于对照处理, 有研究表明, 铁、铝氧化物与腐殖质相互作用的主要机理可能包括阴离子交换、表面配位交换、氢键及阳离子键桥等, 而酸雨提供数量较多的H⁺, 铁铝氧化物能够与H⁺发生质子化, 质子化的表面更容易与有机质配位(孟红旗等, 2013), 进而形成土壤Fe(Al)-SOC.另一方面, 化学保护有机碳同属于惰性矿物结合态有机碳范畴, 惰性矿物结合态有机碳是有机物分解的最终产物与土壤黏粒和粉粒相结合的部分, 稳定性更强(彭新华等, 2004；王小利等, 2017), 所以化学保护有机碳得以积累, 而土壤酶活性受酸雨抑制, 降低了对土壤惰性碳的分解(Chigineva et al., 2011).
此外, 土壤中残渣态-SOC含量显著高于Ca-SOC和Fe(Al)-SOC, 且晚稻中的含量高于早稻中的含量, 这与晚稻生长期温度较高, 更有利于土壤中活性碳的分解释放, 从而使得土壤中保存下来的惰性碳的比例不断增加有关.
4.2 酸雨作用下稻田土壤键合有机碳的影响因素研究发现, 在酸雨作用下, 土壤TN、TP与早稻Fe(Al)-SOC存在显著正相关, 说明早稻生长阶段碳固持过程中氮、磷养分的限制更为明显, 这主要是因为在早稻生长阶段, 温度较低, 外源有机物质分解较慢, 通过外源有机物质分解输入到土壤中的养分供应量较少；同时, 早稻生长阶段为福建的雨季, 降水丰沛, 使得人为施加的氮、磷养分也有较大程度的损失(Xu et al., 2015).残渣态-SOC及SOC显著正相关, 这主要是因为土壤惰性碳是难分解的部分, 在土壤中的含量较高, 说明土壤碳库的稳定性越强, 从而也会保存更多的碳在土壤中(Sanderman et al., 2016).此外, 土壤TN、TP与SOC显著正相关, 这说明养分含量是影响着SOC的主要因素, 前人研究表明, 氮、磷是限制水稻生长的关键养分(郭腾飞等, 2016), 在养分限制的情况下, 土壤微生物活性和数量均减弱, 从而减少土壤碳的活化与释放, 使土壤中惰性碳得以固持(Shen et al., 2010).在酸雨影响下, 土壤对磷的吸附量增加(张新明等, 2007), 降低了土壤氮、磷等养分的有效性(廖雪菊等, 2016), 从而有利于土壤有机碳的稳定和积累, 促进碳的累积.
土温与残渣态-SOC及SOC存在显著负相关关系, 主要是因为土壤增温在短期内可以提高土壤微生物代谢活动, 促进土壤的呼吸作用, 导致土壤有机碳释放量升高(唐偲頔等, 2017)；同时, 土温升高可提高土壤酶活性, 并通过增加碳底物扩散过程, 促进微生物作用下的土壤有机碳矿化(黄锦学等, 2017).此外, 本研究表明, 土壤pH值与早晚稻SOC均存在显著负相关关系, 主要是因为较低的土壤pH可抑制土壤微生物的活性, 并降低有机碳的分解, 促进有机碳的固持, 这与结果中pH=2.5处理SOC含量最高一致, 同时, 土壤中活性氧化铁含量增高, 土壤碳的固持能力増强(Zhou et al., 2009).然而, pH=3.5处理下土壤Ca-SOC和Fe(Al)-SOC含量均高于pH=2.5处理, 说明土壤酸度对土壤碳组分活性高低影响存在临界值, 低于或高于临界值, 其含量均降低(张俊平等, 2007；Shen et al., 2010).
4.3 酸雨作用下稻田土壤碳库及其稳定性本研究中, 酸雨作用下土壤键合有机碳含量增加, 键合有机碳是土壤有机碳中重要的有机-无机结合存在形式, 土壤中的有机碳与活性游离氧化铁稳定结合, 可以结合外来有机碳进而增加土壤碳库, 提高碳库稳定性, 固碳效果明显(邰继承等, 2012).Fe(Al)-SOC与SOC呈正相关关系, 说明其在土壤有机矿质复合体的形成过程中起着极为重要的作用, 因而影响土壤碳的组成、性质及其在土壤中的转化(Kanda et al., 2016).国外有试验指出, 铁铝氧化物在酸性条件下可与土壤黏粒和有机质相结合并起到土壤颗粒物团聚作用, 固存较多有机碳(Gérard et al., 2016), 这与本研究酸雨影响的试验结果一致.此外, 酸雨影响下参与有机碳循环的相关酶活性也会受到抑制, 导致微生物对碳源利用率的下降, 进而促进土壤有机碳的保存(吴建平等, 2014).
5 结论(Conclusions)1) 酸雨作用下, 福州平原早稻SOC含量无显著变化, 晚稻SOC含量为酸雨处理显著高于对照处理(p < 0.05), 且高于早稻各处理(p < 0.05)；早、晚稻土壤TN、TP含量为酸雨处理显著高于对照组(p < 0.05)；且早、晚稻SOC与土壤TN存在显著正相关关系(p < 0.01)；晚稻土温、pH与SOC之间显著负相关(p < 0.01), 而容重却相反(p < 0.01).
2) 早稻pH=2.5处理土壤Ca-SOC含量显著低于其他处理(p < 0.05), 晚稻各处理土壤Ca-SOC含量无显著变化；早稻各处理土壤Fe(Al)-SOC、残渣态-SOC含量无显著变化, 而晚稻酸雨处理显著高于对照处理(p < 0.05)；早、晚稻SOC与Fe(Al)-SOC、残渣态-SOC之间均具有显著正相关关系(p < 0.01), 其中, 残渣态-SOC与土温显著负相关(p < 0.01).
3) 早稻土壤残渣态-SOC、晚稻土壤Fe(Al)-SOC与TN显著正相关(p < 0.01)；早稻SOC、稻残渣态-SOC与Fe²⁺显著正相关(p < 0.01)；晚稻土壤Fe(Al)-SOC与Fe²⁺显著负相关(p < 0.01), 且Fe(Al)-SOC、残渣态-SOC与容重显著正相关(p < 0.05).

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