紅壤不同利用方式下的剖面酸度特征

唐 賢，蔡澤江，徐明崗*，梁 豐，文石林，高 強(qiáng)

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130118；3 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院衡陽(yáng)紅壤實(shí)驗(yàn)站/祁陽(yáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外試驗(yàn)站，湖南祁陽(yáng) 426182）

紅壤是我國(guó)南方丘陵區(qū)主要的土壤類(lèi)型，具有酸性強(qiáng)、鹽基高度不飽和、肥力水平低的特點(diǎn)[1]。在高強(qiáng)度的人為活動(dòng)下，大量外源質(zhì)子會(huì)進(jìn)入土壤，引起紅壤酸化，使土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)發(fā)生一系列變化，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)力及生態(tài)系統(tǒng)的演變和退化[2–3]。同時(shí)，紅壤酸化會(huì)引起鋁、錳和氫對(duì)植物的毒害及紅壤中營(yíng)養(yǎng)元素磷、鉀、鈣、鎂的缺乏，從而使作物減產(chǎn)[4–5]。由于其本身物理化學(xué)特性及受熱帶亞熱帶氣候的影響，土壤對(duì)人為土地利用導(dǎo)致酸性物質(zhì)的輸入特別敏感，加快了土壤的進(jìn)一步酸化[3]。因此，紅壤酸化對(duì)農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅[6]，明確不同土地利用方式下紅壤酸化現(xiàn)狀，可采取有效措施減緩酸化進(jìn)程，減少因土壤酸化造成的經(jīng)濟(jì)損失及生態(tài)環(huán)境的惡化。

有研究表明[7]，不僅糧田土壤存在酸化現(xiàn)象，果園和菜園的土壤酸化問(wèn)題也很突出。張?zhí)伊值萚8]在江西省余江縣進(jìn)行的研究表明，不同土地利用方式對(duì)紅壤pH的影響程度為旱地 ＞ 菜地 ＞ 水田。姬鋼等[9]研究表明，在人工林中0—40cm土層紅壤pH大小順序?yàn)椴鑸@ ＞ 濕地松林 ＞ 板栗 ＞ 柑橘園。由此可見(jiàn)，不同土地利用方式影響土壤pH變化[10]。因此，可以通過(guò)不同土地利用方式的調(diào)控，穩(wěn)定土壤pH值，減緩酸化，進(jìn)而保持土壤的持續(xù)生產(chǎn)力。

土地利用方式可以直接影響土壤的酸化狀況，前人的研究大多集中在表層或耕層土壤pH的變化特征[11–12]，關(guān)于土壤酸度特征在剖面上分布差異性的研究尚較缺乏。因此，本研究對(duì)紅砂巖母質(zhì)發(fā)育的紅壤在4種利用方式 (水田、旱地、果園、林地) 下，土壤pH、交換性酸、交換性鹽基總量以及鹽基飽和度等酸性相關(guān)指標(biāo)在不同土層 (0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm) 的變化特征進(jìn)行了分析，為我國(guó)南方丘陵區(qū)紅壤酸化特性和改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省鷹潭市余江縣 (28°04′～28°37′N(xiāo)、116°41′～117°09′E)，該地區(qū)年平均溫度17.6 ℃，年降水量1757.9 mm，年平均日照1777.6 h，年日照百分率為41%，無(wú)霜期270天左右，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，主要種植制度是雙季稻，土壤類(lèi)型為紅砂巖母質(zhì)發(fā)育的紅壤。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016年1月采用網(wǎng)格布點(diǎn)法 (2 km × 2 km) 在余江縣均勻采集了4種不同利用類(lèi)型 (水田、旱地、果園、林地) 共26個(gè)土壤剖面樣品，在每一點(diǎn)位所在的樣地隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)位，用土鉆進(jìn)行樣品采集，取樣層次分別為0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm共5個(gè)土層，同一土層深度3個(gè)樣品混合均勻后，按照四分法分取1 kg土樣，分揀出石礫、根系等雜物，磨細(xì)分別依次過(guò)2 mm、1 mm和0.25 mm篩備用。不同利用類(lèi)型的紅壤剖面基本狀況見(jiàn)表1。

根據(jù)采樣期間的農(nóng)戶(hù)調(diào)查，截至2016年，水田和林地利用年限超過(guò)30年，由于1997—2000年土地利用方式發(fā)生變化，旱地利用年限為5～10年，由于1985年沒(méi)有采集果園利用方式下的土壤樣品，因此數(shù)據(jù)缺省。1985年不同利用方式下紅壤基本化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤pH值采用電極電位法測(cè)定 (水土比2.5∶1)；有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法；全氮采用凱氏定氮法；土壤交換性酸（EA）采用 1 mol/L氯化鉀交換—中和滴定法測(cè)定；陽(yáng)離子交換量（CEC）采用乙酸銨交換法[13]；交換性鹽基離子（EB）用乙酸銨震蕩浸提法[14]；鹽基飽和度（BC= EB/CEC * 100%）通過(guò)計(jì)算獲得[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用 Duncan法檢驗(yàn)不同利用方式和不同土壤層次間酸度指標(biāo)的差異顯著性 (P ＜ 0.05) ；采用Excel 2016軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同利用方式下紅壤剖面pH變化特征

由圖1可以看出，紅壤pH隨著利用方式和土層深度呈現(xiàn)不同程度的變化趨勢(shì)，變化范圍在4.27～6.27之間。在不同利用方式下，紅壤剖面pH大小依次為水田 (5.69) ＞ 旱地 (4.71)和果園(4.74) ＞ 林地 (4.49)；在不同土層上，隨著土層的增加，紅壤剖面pH逐漸升高[80—100 cm (5.39) ＞60—80 cm (5.27) ＞ 40—60 cm (5.11) ＞ 20—40 cm(4.81) ＞ 0—20 cm (4.68)]；在水田利用方式下，隨著土層深度的增加，紅壤pH逐漸升高，為60—100 cm (6.17) ＞ 40—60 cm (5.84) ＞ 20—40 cm (5.29) ＞0—20 cm (4.94)；在旱地利用方式下，不同土層紅壤pH無(wú)顯著差異 (P ＞ 0.05)；在果園利用方式下，紅壤pH在80—100cm土層最高，為4.92；在林地利用方式下，紅壤pH在20—80 cm隨著土層的增加而逐漸升高，其大小順序?yàn)?60—100 cm (4.67) ＞40—60 cm (4.49) ＞ 0—40 cm (4.30)。

2.2 不同利用方式下紅壤剖面交換性酸含量變化特征

由圖2可以看出，在不同利用方式下，紅壤剖面交換性酸含量大小順序?yàn)榱值?(6.54 cmol/kg) ＞ 旱地 (6.52 cmol/kg) ＞ 果園 (3.51 cmol/kg) ＞ (0.79 cmol/kg)。在水田利用方式下，紅壤交換性酸含量在0—60 cm隨著土層深度的增加而逐漸降低，其大小順序?yàn)?—20 cm (2.00 cmol/kg) ＞ 20—40 cm (0.86 cmol/kg) ＞40—60 cm (0.23 cmol/kg)，80—100 cm 土層與40—60 cm土層間無(wú)顯著差異；在旱地利用方式下，紅壤交換性酸含量隨著土層深度的增加而逐漸升高，其大小順序?yàn)?0—100 cm (8.57 cmol/kg) ＞ 20—60 cm(6.12 cmol/kg) ＞ 0—20 cm (2.57 cmol/kg)；在果園和林地利用方式下，紅壤交換性酸含量在不同土層間無(wú)顯著差異。

表1 樣品采集點(diǎn)土地基本狀況Table 1 General information of lands for soil sampling

表2 1985年不同利用方式下紅壤基本化學(xué)性質(zhì)Table 2 Basic chemical properties of red soil under different land use patterns in 1985

圖1 不同利用方式紅壤剖面pHFig. 1 pH of red soil profiles under different land use

圖2 不同利用方式下紅壤剖面交換性酸Fig. 2 Exchangeable acid of red soil profiles under different land use patterns

2.3 不同利用方式下紅壤剖面交換性鹽基總量變化特征

由圖3可以看出，在不同利用方式下，紅壤剖面交換性鹽基總量大小順序?yàn)樗?(4.47 cmol/kg) ＞旱地 (1.97 cmol/kg) ＞ 果園 (1.26 cmol/kg) ＞ 林地 (0.48 cmol/kg)。在不同土層上，隨著土層深度的增加，紅壤交換性鹽基總量逐漸升高，其大小順序?yàn)?0—100 cm (2.34 cmol/kg) ＞ 40—60 cm (2.05 cmol/kg) ＞0—40 cm (1.75 cmol/kg)。在水田利用方式下，紅壤交換性鹽基總量在20—60 cm隨著土層深度的增加而顯著升高，不同土層交換性鹽基總量順序?yàn)?0—100 cm (5.86 cmol/kg) ＞ 40—60 cm (4.74 cmol/kg) ＞0—40 cm (2.95 cmol/kg)；在旱地利用方式下，紅壤交換性鹽基總量在0—100 cm隨著土層深度的增加而逐漸降低，不同土層交換性鹽基總量順序?yàn)?—20 cm (3.00 cmol/kg) ＞ 20—60 cm (2.14 cmol/kg) ＞60—80 cm (1.30 cmol/kg)；在果園利用方式下，紅壤交換性鹽基總量在40—100 cm隨著土層深度的增加而逐漸升高，其中80—100 cm土層比40—60 cm土層顯著升高了0.60 cmol/kg，不同土層交換性鹽基總量順序?yàn)?60—100 cm (1.64 cmol/kg) ＞ 0—60 cm(1.00 cmol/kg)；在林地利用方式下，紅壤交換性鹽基總量在40—100 cm隨著土層深度的增加而逐漸升高，其中80—100 cm土層比40—60 cm土層顯著升高了0.25 cmol/kg，不同土層交換性鹽基總量大小順序?yàn)?60—100 cm (0.55 cmol/kg) ＞ 0—60 cm (0.43 cmol/kg)。

圖3 不同利用方式下紅壤剖面交換性鹽基總量Fig. 3 Total exchangeable base of red soil profiles under different land use patterns

2.4 不同利用方式下紅壤剖面鹽基飽和度變化特征

由圖4可以看出，在不同利用方式下，紅壤剖面鹽基飽和度大小順序?yàn)樗?(53.14%) ＞ 旱地(20.87%) ＞ 果園 (15.41%) ＞ 林地 (4.67%)。在不同土層上，隨著土層深度的增加，紅壤鹽基飽和度逐漸升高，其大小順序?yàn)?0—100 cm (33.95%) ＞ 60—80 cm (32.27%) ＞ 40—60 cm (31.31%) ＞ 20—40 cm(25.47%) ＞ 0—20 cm (21.08%)。在水田利用方式下，紅壤鹽基飽和度在0—60cm隨著土層深度的增加而逐漸升高，其大小順序?yàn)?0—100 cm (64.20%) ＞20—40 cm (45.19%) ＞ 0—20 cm (28.90%)；在旱地利用方式下，紅壤鹽基飽和度在0—80 cm隨著土層深度的增加而逐漸降低，不同土層鹽基飽和度的大小順序?yàn)?0—20 cm (38.68%) ＞ 20—40 cm (23.64%) ＞40—60 cm (19.03%) ＞ 60—100 cm (11.51%)；在果園利用方式下，紅壤鹽基飽和度在不同土層間無(wú)顯著差異；在林地利用方式下，紅壤鹽基飽和度在60—100 cm隨土層深度的增加而顯著升高了1.98%，不同土層鹽基飽和度80—100 cm 為6.53%，0—80 cm為4.17%。

圖4 不同利用方式下紅壤剖面鹽基飽和度Fig. 4 Base saturation of red soil profiles under different land use patterns

2.5 不同利用方式下紅壤剖面pH與酸度指標(biāo)間關(guān)系

在不同利用方式下紅壤pH與酸度指標(biāo)間具有顯著的相關(guān)關(guān)系 (表3)。在水田、旱地和果園利用方式下，紅壤pH與交換性酸呈顯著負(fù)相關(guān)，與交換性鹽基總量和鹽基飽和度呈顯著正相關(guān) (P ＜ 0.01)；在林地利用方式下，紅壤pH與交換性酸、全氮和有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，與鹽基飽和度呈顯著正相關(guān) (P ＜0.05)，與交換性鹽基總量無(wú)相關(guān)性。

3 討論

土地利用是人類(lèi)在自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等條件綜合作用下的長(zhǎng)期過(guò)程，反映了人類(lèi)與大自然之間的相互關(guān)系[15–16]，受人類(lèi)活動(dòng)的直接影響[17]。土地利用作為人類(lèi)干預(yù)土壤質(zhì)量最直接和最重要的活動(dòng)，深刻影響著土壤的理化性狀及其生態(tài)環(huán)境，合理的土地利用方式可有效地改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤質(zhì)量，而不合理的土地利用則會(huì)加重土壤侵蝕，降低土壤對(duì)外界環(huán)境的抵抗力[18–20]。本研究表明，林地、果園和水田土壤pH在0—60 cm土層隨土層深度增加而升高，這與劉菊秀等的研究結(jié)果一致[21]?？赡苁且?yàn)樵谠诙嘤旰褪┓蕳l件下，紅壤中的鹽基離子向下淋溶，氫離子代替鹽基離子被土壤吸附，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為鋁質(zhì)土壤[22]，使得土壤剖面底層鹽基離子含量增加，pH升高。

本研究表明，4種利用方式下0—100 cm土層的 pH 大小為水田 ＞ 果園 ≈ 旱地 ＞ 林地，且水田、果園和林地紅壤表層pH顯著低于底層，主要有以下幾個(gè)原因：1) 林地中含有豐富的根系群和微生物群，其在土壤中的呼吸作用會(huì)引起硅酸鹽的溶解，導(dǎo)致堿性離子流失，加劇土壤酸化[23–24]，另外，森林凋落物含有大量的單寧、樹(shù)脂和木質(zhì)素等，其分解可產(chǎn)生酸性物質(zhì)，進(jìn)入土壤后引起林地土壤pH降低、交換性酸含量增加[25]。2) 果園由于果實(shí)收獲會(huì)帶走部分堿基[26]，抵消了部分由于施肥和降雨產(chǎn)生的質(zhì)子[27]，在一定條件下，其pH比林地高。3) 旱地種植的是花生和大豆，都屬豆科作物，在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)根瘤菌的固氮作用從土壤中吸收的陽(yáng)離子量大于陰離子量，引起花生地紅壤中質(zhì)子增加而加劇紅壤酸化，花生固定的氮被硝化和淋溶以及施肥等措施也會(huì)導(dǎo)致土壤酸化[28]，這與姬綱等[29]研究結(jié)果一致。4) 水田pH顯著高于其他土地利用方式，其表層pH低于底層，主要由于：①化學(xué)氮肥施用可以在土壤中產(chǎn)生大量的酸，如的硝化作用、的積累和淋失等，其都能夠產(chǎn)生大量的H+[30]，使水稻土表層pH降低；②水稻收獲后，秸稈和籽粒會(huì)帶走大量的鹽基離子，導(dǎo)致水稻土中陰陽(yáng)離子的不平衡[31]，從而使水稻土表層pH降低；③研究區(qū)域的水田都是全量秸稈還田，水稻秸稈短期還田主要通過(guò)淹水作用產(chǎn)生有機(jī)酸等酸性物質(zhì)影響水稻土酸度[32]，同時(shí)，水稻秸稈分解過(guò)程中銨態(tài)氮的硝化作用引起水稻土表層pH降低[33]；④由于長(zhǎng)期淹水，水稻土中形成了特殊的酸堿緩沖體系，耕層士壤Eh值顯著下降，亞鐵、亞錳等還原物質(zhì)明顯增加，導(dǎo)致還原淋溶和絡(luò)合淋移作用的加強(qiáng)[34]，特別是土壤中的鐵、錳氧化物被還原消耗質(zhì)子可使溶液中的氫離子濃度下降，中和了施肥、收獲和秸稈還田等原因產(chǎn)生的氫離子，因此，水田pH顯著高于其他利用方式，長(zhǎng)期種植水稻后土壤酸堿度一般是向中性方向發(fā)展[35]。

表3 不同利用方式下紅壤剖面酸度指標(biāo)之間的相關(guān)性Table 3 Correlation coefficients among acid indexes of red soil profiles under different land use patterns

交換性離子分布的差別是成土母質(zhì)、生物物質(zhì)循環(huán)及淋溶作用等綜合作用的結(jié)果，與母質(zhì)類(lèi)型、利用方式以及土壤養(yǎng)分等條件密切相關(guān)[36]。本研究表明，在成土母質(zhì)、地形以及氣候條件一致的情況下，不同土地利用方式下紅壤剖面交換性酸變化特征與pH相反，而交換性鹽基總量和鹽基飽和度變化特征與pH一致，主要由于不同利用方式下的紅壤剖面有機(jī)質(zhì)和全氮含量均隨土層深度的增加而降低(圖5)，且在水田利用方式下，紅壤交換性酸含量隨全氮和有機(jī)質(zhì)含量的增加而顯著增加；交換性鹽基總量和鹽基飽和度隨全氮和有機(jī)質(zhì)含量的增加而顯著降低 (P ＜ 0.01)；在旱地和果園利用方式下，紅壤交換性酸含量隨全氮和有機(jī)質(zhì)含量的增加而顯著降低；在旱地利用方式下，交換性鹽基總量和鹽基飽和度隨全氮和有機(jī)質(zhì)含量的增加而顯著增加 (P ＜0.01)；在果園和林地利用方式下，全氮和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)交換性鹽基總量和鹽基飽和度無(wú)顯著影響；在林地利用方式下，紅壤交換性酸含量隨全氮含量的增加顯著降低，與有機(jī)質(zhì)含量無(wú)相關(guān)性 (表2)。因此，不同的土地利用方式下交換性離子的差異是由于土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量剖面分布的差異引起的[37]。從整體來(lái)看，林地紅壤交換性離子相對(duì)較低，這是因?yàn)榱值厮峄斐赏寥澜粨Q性鹽基離子流失較快[38]。不同利用方式下的紅壤pH均與交換性酸呈顯著 (P ＜0.05) 負(fù)相關(guān)，與交換性鹽基總量和鹽基飽和度呈顯著 ( P ＜ 0.05) 正相關(guān)，說(shuō)明不同利用方式下紅壤交換性離子和鹽基飽和度的變化會(huì)引起土壤pH的變化，與黃尚書(shū)等[39]研究結(jié)果一致。

圖5 不同利用方式下紅壤剖面有機(jī)質(zhì)和全氮含量Fig. 5 Organic matter and total nitrogen of red soil profiles under different land use patterns

4 結(jié)論

4種利用方式下，0—40 cm土層，林地紅壤酸度最高，其次是果園和旱地，水田紅壤酸度最低，在40—100 cm土層酸度變異較小。通過(guò)改變土地利用方式，降低紅壤交換性酸含量、增加交換性鹽基總量和鹽基飽和度，可以有效降低紅壤酸度。