微地形作用下紫色母巖發(fā)育土壤的酸化特征*

譚孟溪 劉 莉 王朋順 程永毅 謝德體 李忠意

（西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716）

在熱帶和亞熱帶地區(qū)，最主要的土壤退化問題便是土壤的嚴(yán)重酸化［1］。土壤的成土過程本是一個(gè)非常緩慢的自然酸化過程，但人類活動(dòng)大大加速了土壤的酸化過程［2］。土壤酸化增加植物遭受鋁毒害的風(fēng)險(xiǎn)［3］；導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分元素的淋失，造成土壤肥力的下降［4］；活化土壤中的重金屬離子，影響了作物的生長［5］。因此，土壤的酸化問題得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［6－8］。但這些研究主要集中在磚紅壤、紅壤和黃壤等地帶性土壤，而對(duì)于紫色土等非地帶性土壤的關(guān)注不足［9－10］。

紫色土是由紫色母巖發(fā)育而成的一種幼年土，風(fēng)化程度較低。紫色土尚處在脫鈣和積鈣階段，原生礦物和鹽基離子含量豐富［11］。但有研究表明紫色土受酸沉降和氮肥施用的影響，已出現(xiàn)不同程度的酸化［12－13］。紫色土酸化后降低了土壤的酸緩沖性能，增加了土壤中重金屬的活性［14－15］。除人為因素加速紫色土的酸化過程外，自然條件下的微地形作用可能是部分紫色土嚴(yán)重酸化的原因。紫色土主要分布在我國西南丘陵地區(qū)。在微地形的作用下，水土在不同地形部位上重新分配，不僅直接影響土壤的礦物組成及其理化性質(zhì)，而且在土壤的發(fā)育過程中起著重要的調(diào)節(jié)控制作用［16］，并可能使微地形下不同部位的土壤呈現(xiàn)出不同的酸化特征，從而對(duì)紫色土的綜合開發(fā)利用產(chǎn)生影響。但目前有關(guān)紫色土酸化特征的研究大多集中在施肥和耕作對(duì)土壤酸化特征的影響，而尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)微地形作用對(duì)紫色土酸化影響的研究報(bào)道［4,17］。因此，本研究擬對(duì)紫色母巖丘陵地區(qū)不同地形部位土壤進(jìn)行采樣分析，以探究微地形作用下紫色土的酸化特征，揭示微域范圍內(nèi)的紫色土酸化機(jī)理，為區(qū)域內(nèi)土壤酸化的阻控和酸化土壤的改良提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

土壤樣品于2016年4月采自重慶市合川區(qū)，該地區(qū)位于川中丘陵和川東平行嶺谷的交匯地帶，區(qū)域內(nèi)出露的紫色巖層主要發(fā)育于中生代侏羅系沙溪廟組（J2s）的紫色砂巖和泥巖。結(jié)合土壤的發(fā)育特征，采集了紫色母巖（砂巖和泥巖）及該區(qū)域丘陵地區(qū)從坡頂至坡底不同部位耕地的紫色土。采集的紫色母巖為丘陵頂部出露的巖石，用鐵鏟或鐵錘去除風(fēng)化層后取1 kg左右的新鮮母巖。土壤的采集是根據(jù)土壤發(fā)生分類學(xué)知識(shí)確定丘陵不同部位的土種類型，然后采集每個(gè)土種的耕層樣品（0～20 cm）。在小范圍內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)采樣混合，然后通過四分法混勻后保留1 kg左右的土壤樣品。紫色母巖和土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后過2.00、1.00和0.25 mm尼龍篩備用。本次實(shí)驗(yàn)在微域范圍內(nèi)的不同地形部位采集了紫色砂巖、泥巖兩種母巖和石骨子土、半沙半泥土、大眼泥和紫黃泥4個(gè)土種的紫色土，按土壤系統(tǒng)分類，供試石骨子土可劃歸為新成土綱的紫色正常新成土（Purpli-Orthic Primosols）。而半沙半泥土、大眼泥和紫黃泥3種土壤可劃歸為雛形土綱的紫色濕潤雛形土（Purpli-Udic Cambosols）［18］。每種類型樣品的數(shù)量不低于14個(gè)。

1.2 樣品分析

采用電位法（土∶水=1∶2.5）測(cè)定所有土壤的pH。其中中性和堿性土壤（pH≥6.5）采用量氣法測(cè)定碳酸鹽含量［19］。酸性土壤（pH＜6.5）采用常規(guī)分析方法測(cè)定交換性酸和交換性鹽基含量［20］。土壤交換性酸和交換性H+的測(cè)定采用KCl淋溶—中和滴定法；交換性K+、Na+采用NH4OAc交換—火焰光度法；交換性Ca2+、Mg2+采用NH4OAc交換—原子吸收分光度法（Z-5000，日本日立）。隨機(jī)選取母巖和土壤采用X射線衍射法（XRD）進(jìn)行土壤晶型礦物成分鑒定（XD-3，北京普析）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

交換性Al3+=交換性酸-交換性H+

交換性鹽基總量=交換性K++交換性Na++交換性Ca2++交換性Mg2+

有效陽離子交換量（Effective cation exchange capacity，ECEC）=交換性鹽基總量+交換性酸

鹽基飽和度=交換性鹽基總量/ECEC×100%。

利用Excel軟件和SPSS 23.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。采用 t 檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)間的差異性分析。文中數(shù)據(jù)表示方式為均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同一測(cè)試項(xiàng)目指標(biāo)間字母不同表示數(shù)據(jù)差異顯著（P＜0.05）。

2 結(jié) 果

2.1 微地形作用下的紫色土發(fā)育特征

紫色巖層主要出露于我國西南的丘陵和低山地區(qū)，區(qū)域內(nèi)年降雨量大于1 000 mm，水土流失嚴(yán)重，水土在不同地形部位上發(fā)生重新分配，導(dǎo)致不同地形部位土壤的理化特征存在差異［21］。因此，即使在數(shù)十米大小的微域范圍內(nèi)，同一土屬的紫色土也因性質(zhì)差異形成不同土種的土壤（圖1）。由于土壤遭受沖刷嚴(yán)重，在丘陵頂部常有紫色砂巖或泥巖等母巖出露。紫色母巖黏土礦物含量豐富，吸水能力強(qiáng)，受濕熱膨脹作用的影響極易發(fā)生物理風(fēng)化，因此常在丘陵頂部或緊鄰頂部的地方形成沙土或石骨子土。隨著地形部位的往下，受地形水文作用的影響，土壤進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)風(fēng)化作用，土壤中黏粒含量逐步增加，依次發(fā)育形成半沙半泥土或泥夾石骨子土和大眼泥或豆瓣泥。在丘陵底部時(shí)，土壤耕作類型主要為水稻土，地下水位較低。受丘陵上部水分淋溶作用和水分測(cè)滲的影響，存在鐵、錳的還原和游離鐵、錳的漂洗過程，因此常形成紫黃泥和白鱔泥。在紫色土丘陵地區(qū)，土壤的發(fā)育程度從坡頂?shù)狡碌滓来卧黾樱?2］。隨機(jī)選取母巖和土壤的XRD分析結(jié)果如圖2所示。可以看出紫色砂巖和泥巖碳酸鈣含量豐富。石骨子土、半沙半泥土和大眼泥富含長石、蛭石等原生礦物和云母等2∶1型層狀硅酸鹽礦物，但各土壤中未見明顯的碳酸鹽衍射峰出現(xiàn)。紫黃泥由于土壤發(fā)育程度較深，化學(xué)風(fēng)化作用較強(qiáng)，土壤礦物成分主要為SiO2和高嶺石。從圖2中可以看出本研究所采集的土壤樣品隨地形部位的下降而發(fā)育程度逐漸增加，具有較好的代表性。

圖1 西南丘陵地區(qū)紫色母巖發(fā)育土壤的景觀照（A：淺丘地貌；B：中丘地貌；C：高丘地貌）及微地形作用下的土壤種類差異示意圖（D）Fig. 1 Landscape photographs of soils developed from purple rock in the hilly region of southwest China (A: Low mount region, B:Meso-mount region, and C: High hill region) and the schematic diagram of the variation of soil species with micro-topography (D)

圖2 不同地形部位紫色土/母巖的XRD圖譜Fig. 2 The X-ray diffraction spectra of the purple soil relative to micro-topography

2.2 不同紫色土pH和碳酸鹽含量

從表1可以看出，紫色砂巖和泥巖由于富含碳酸鹽均具有較高的pH，所有土壤均為中性或堿性土。當(dāng)從紫色母巖發(fā)育成紫色土后，部分紫色土的pH變至酸性。從丘陵頂部至底部，紫色土的發(fā)育程度逐漸增加，酸性土所占的比例逐漸增加，且中性和堿性土的碳酸鹽含量也逐漸降低。如26個(gè)石骨子土中中性和堿性土壤有21個(gè)，酸性土壤有5個(gè)，酸性土壤所占的比例僅為19%。而半沙半泥土、大眼泥和紫黃泥中酸性土壤所占的比例分別為37%、50%和76%（表1）。非酸性石骨子土的碳酸鹽含量為40.3±29.2 g·kg-1，而非酸性紫黃泥的碳酸鹽含量僅為16.4±5.40 g·kg-1。所以，在微地形的作用下，不同地形部位的紫色土酸化程度不同，位于丘陵坡中下部的紫色土因發(fā)育程度更深，酸化范圍更大。但值得注意的是，各紫色土中酸性土壤的pH均值并未隨著紫色土在微域范圍內(nèi)地形部位的降低而下降。盡管四種紫色土中酸性土壤的pH差異不顯著，但卻隨著土壤發(fā)育程度的增加有微弱的上升。

表1 紫色母巖和紫色土的pH和碳酸鹽含量統(tǒng)計(jì)表Table 1 The pH and carbonate content of parent rocks and purple soils

2.3 不同紫色土交換性酸含量

將所有酸性土壤的pH與交換性酸度指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析（圖3）。可以看到土壤pH與交換性酸度指標(biāo)間均呈極顯著的負(fù)相關(guān)。當(dāng)土壤pH處于5.5～6.5之間時(shí)，土壤的交換性酸含量極低，且土壤交換性酸的組成主要以交換性H+為主，幾乎不含交換性Al3+。當(dāng)土壤pH低于5.5時(shí)，土壤交換性酸和交換性Al3+含量均隨著土壤pH的下降而呈指數(shù)關(guān)系增長，且交換性Al3+占土壤交換性酸的比重不斷增加。所以當(dāng)紫色土pH降低后，土壤的潛性酸含量不斷增加，并有可能對(duì)植物產(chǎn)生Al3+的毒害作用。

同pH變化規(guī)律相似，酸性紫色土的交換性酸、交換性H+和交換性Al3+含量均值均隨著土壤所處地形部位的下降而呈現(xiàn)出逐漸降低的規(guī)律（表2）。表現(xiàn)出紫色土在微域范圍內(nèi)隨著發(fā)育程度的增加，酸化程度反而有所降低。所以在微域范圍內(nèi)，隨著紫色土所處坡位的下降，盡管紫色土的酸化范圍在擴(kuò)大，但酸化程度卻并未加重。

圖3 土壤pH與交換性酸含量的相關(guān)性Fig. 3 Relationship between soil pH and exchangeable acidity

表2 土壤交換性酸度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statics of soil exchangeable acidity/(cmol·kg-1)

2.4 不同紫色土交換性鹽基成分含量

進(jìn)一步將酸化紫色土的pH與交換性鹽基成分進(jìn)行相關(guān)性分析（表3）。可以看出，土壤的pH與四種鹽基離子之間均呈正相關(guān)，其中與交換性Ca2+間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，與交換性Mg2+間的相關(guān)性達(dá)到顯著水平。土壤酸化后，土壤膠體表面負(fù)電位點(diǎn)所吸附的鹽基離子不斷被致酸離子所取代，造成土壤交換性鹽基離子的損失［23］。此外，酸化紫色土的pH與土壤的鹽基總量和鹽基飽和度間也呈極顯著的正相關(guān)（表3）。紫色土酸化后，以Ca2+和Mg2+為主的鹽基離子被致酸離子H+和Al3+交換，造成了土壤的鹽基總量和鹽基飽和度的下降。但酸化紫色土的pH與土壤的ECEC間的相關(guān)性不顯著（表3）。ECEC值能夠反映出土壤表面所帶的負(fù)電荷量，且受到土壤膠體的礦物組成特征影響。因此，可以看出紫色土的酸化過程并未對(duì)土壤的電荷特征和礦物組成產(chǎn)生顯著的影響。

表3 土壤pH與交換性鹽基成分間的相關(guān)性Table 3 Correlation analysis of soil pH and exchangeable base cation

但當(dāng)將酸化紫色土的交換性鹽基成分按土種類型統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，與土壤pH呈極顯著正相關(guān)性的交換性Ca2+、交換性Mg2+、鹽基總量和鹽基飽和度與土壤的酸度指標(biāo)在各土種中的含量變化規(guī)律并不完全一致（表4）。除交換性Mg2+外，交換性Ca2+、鹽基總量和鹽基飽和度均值均表現(xiàn)石骨子土＜半沙半泥土＜大眼泥。即在這3種旱地土壤中，隨著微域范圍內(nèi)地形部位的下降（土壤發(fā)育程度的增加），土壤的鹽基含量更加豐富。這與紫色土的酸化程度變化規(guī)律相同，即土壤的酸化程度降低，鹽基離子含量和鹽基飽和度增加。而隨著地形部位的進(jìn)一步下降，從以旱地為主的大眼泥到以水田為主的紫黃泥，盡管土壤的酸化程度并未增加（表2），但土壤的交換性Ca2+、鹽基總量和鹽基飽和度均表現(xiàn)出較大幅度的下降。此外，酸化紫色土的ECEC含量隨著微域范圍內(nèi)地形部位的降低也呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。從上述結(jié)論中可以看出，在微地形的作用下，紫色土的酸化程度與鹽基成分含量間的相互作用較為復(fù)雜。

3 討 論

紫色土酸化增加了土壤的交換性酸含量。盡管大部分酸化紫色土的交換性酸含量低于熱帶和亞熱帶地區(qū)的紅壤和磚紅壤［24-25］。但最近的研究表明較低的土壤交換性酸含量就有可能對(duì)作物產(chǎn)生鋁毒害［26］。如Abdulaha-Al等［27］在研究安徽和湖南兩地的紅壤時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩地的土壤pH分別小于5.4和4.7，土壤交換性酸含量分別大于0.56和1.72 cmol·kg-1時(shí)，小麥的生長受到明顯的影響。Sutradhar等［28］研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤pH低于5.3，交換性Al3+含量高于6.35 mg·kg-1時(shí)，種植的向日葵可減產(chǎn)達(dá)10%。而土壤交換性Al3+含量分別大于15和18 mg·kg-1時(shí)，種植的油菜和高粱也大幅減產(chǎn)［29］?？梢?，部分酸化紫色土的pH和交換性Al3+含量均達(dá)到了能對(duì)植物產(chǎn)生毒害的臨界值。因此，應(yīng)對(duì)紫色土的酸化問題應(yīng)引起足夠的重視。

表4 不同種類酸性紫色土的交換性鹽基成分含量統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statics of exchangeable base cations relative to type of acidic purple soils

從土壤pH可以看出，隨著微域范圍內(nèi)土壤所處地形部位的下降，發(fā)育程度的增加，紫色土的酸化范圍不斷擴(kuò)大。紫色母巖富含碳酸鹽，通過碳酸鹽的緩沖作用可以使土壤的pH穩(wěn)定在7以上。當(dāng)土壤碳酸鹽遭受淋失后，土壤由堿性土變?yōu)樗嵝酝?。隨著紫色土在微域范圍內(nèi)所處位置的降低，發(fā)育程度的增加，土壤的碳酸鹽含量逐漸降低（表1）。因此，土壤的酸化范圍逐漸擴(kuò)大。

盡管紫色土的酸化面積在不斷擴(kuò)大，但土壤的酸化強(qiáng)度卻并未增加。傳統(tǒng)的土壤酸化理論認(rèn)為隨著風(fēng)化和淋溶作用增強(qiáng)，土壤發(fā)育程度提高, 土壤酸化作用應(yīng)該增強(qiáng)［2］。顯然，紫色土這一變化趨勢(shì)與傳統(tǒng)的土壤酸化理論并不完全相符。在pH為5～7的范圍內(nèi)，土壤pH開始受陽離子交換反應(yīng)的緩沖所控制。結(jié)合酸化紫色土的交換性鹽基成分含量分析可以得出，微地形作用下的紫色土酸化特征可能主要受土壤陽離子交換性能和土壤鹽基狀況所支配，而土壤的鹽基狀況又取決于淋溶過程和復(fù)鹽基過程的相對(duì)強(qiáng)弱。受土壤發(fā)育程度的影響，隨著坡度的降低，土壤的ECEC值先增加后降低。石骨子土的ECEC值最低，其次為紫黃泥（表4）。位于坡頂?shù)氖亲油了峄?，土壤的鹽基離子遭受到凈的淋溶作用。加上其ECEC值較低，交換性鹽基離子對(duì)土壤酸化的緩沖能力較弱。因此，石骨子土中盡管酸化土壤所占的比例較低，但這些土壤的酸化程度均較重。位于坡下方的半沙半泥土和大眼泥酸化后土壤的鹽基離子同樣遭受淋溶作用，但坡上部的石骨子土被淋溶出來的鹽基離子又會(huì)對(duì)坡下部土壤的鹽基離子起到補(bǔ)充作用。這個(gè)復(fù)鹽基過程使得三種土壤的酸化程度表現(xiàn)出大眼泥＜半沙半泥土＜石骨子土。而位于丘陵下部以水田為主的紫黃泥受水分?jǐn)y帶鹽基離子運(yùn)移的影響，土壤的交換性鹽基含量較低。但由于紫黃泥發(fā)育程度更深，化學(xué)風(fēng)化更強(qiáng)，土壤的ECEC值較低。較低的陽離子交換量使紫黃泥膠體表面可供H+和Al3+吸附的負(fù)電荷位點(diǎn)較少。這樣使紫黃泥表現(xiàn)出較低交換性酸和交換性鹽基含量。因此，隨著地形部位的降低，土壤的酸化程度并未增加。通過對(duì)微域范圍內(nèi)紫色土的酸化特征開展研究，能夠?qū)δ壳皣?yán)重缺乏的田塊尺度的土壤酸度信息起到補(bǔ)充作用，為土壤酸化分類調(diào)控對(duì)策的制訂、酸化土壤的改良和土壤酸化的阻控提供依據(jù)［30］。

4 結(jié) 論

西南丘陵地區(qū)的紫色土已經(jīng)出現(xiàn)了一定程度的酸化，土壤酸化后增加了交換性酸含量，降低了土壤的交換性Ca2+、交換性Mg2+、交換性鹽基離子總量和鹽基飽和度。部分土壤的酸化程度已可能對(duì)作物的生長產(chǎn)生危害。在微地形的作用下，土壤碳酸鹽從坡頂?shù)狡碌驮馐艿牧苋茏饔靡来卧鰪?qiáng)。因此，隨著地形部位的降低，酸性土壤所占的比例逐漸增大。但受微地形作用的影響，不同地形部位土壤的發(fā)育程度不同和鹽基離子遭受淋溶過程和復(fù)鹽基過程的相對(duì)強(qiáng)弱不同，盡管土壤酸化的范圍隨著地形部位的降低而增加，但土壤的總體酸化程度并未增加。