南方典型母質(zhì)發(fā)育水稻土剖面酸化特征研究

周峻宇，李明德*，周 旋，唐珍琦，谷 雨，吳海勇，劉瓊峰

（1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.湖南省土壤肥料工作站，湖南 長(zhǎng)沙 410006）

水稻土是中國(guó)最為重要且受人為影響最為劇烈的耕地土壤，而南方地區(qū)則是其主要分布區(qū)域[1]。當(dāng)前，南方部分水稻土區(qū)域均出現(xiàn)不同程度的土壤pH降低現(xiàn)象[2-4]，引起K+、Ca+、Na+等鹽基離子淋失，且交換性H+、Al3+含量增加以及重金屬生物有效性的提高[5-6]，致使土壤質(zhì)量嚴(yán)重下降。一般而言，母質(zhì)通過(guò)影響土壤的理化性質(zhì)，會(huì)對(duì)酸化進(jìn)程產(chǎn)生重要影響[7-9]。因此，明確不同母質(zhì)發(fā)育水稻土的剖面酸化特征，分析其主要影響因素，采取有效措施減緩?fù)寥浪峄?，降低其帶?lái)的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)環(huán)境惡化，對(duì)提高耕地土壤肥力及生產(chǎn)力等具有重要的指導(dǎo)意義[10]。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，不同來(lái)源的母質(zhì)會(huì)對(duì)土壤中酸的強(qiáng)度、分布及中和能力產(chǎn)生作用，進(jìn)而影響酸化進(jìn)程[11]。何騰兵等[12]研究表明，土壤pH對(duì)母巖的繼承性較大；石灰?guī)r、河流沖積物及紫色砂頁(yè)巖發(fā)育的土壤pH呈中性至微堿性；紅色黏土、砂巖及頁(yè)巖發(fā)育的土壤pH則呈酸性至強(qiáng)酸性。郭榮發(fā)等[13]研究我國(guó)南方不同母質(zhì)發(fā)育的酸性土壤時(shí)發(fā)現(xiàn)，pH大小順序依次為粵北石灰?guī)r發(fā)育的紅壤 ＞粵中花崗巖發(fā)育的赤紅壤 ≥ 雷州半島地區(qū)玄武巖發(fā)育的磚紅壤。吳甫成等[14]研究發(fā)現(xiàn)，第四紀(jì)紅土、砂巖及花崗巖等發(fā)育土壤的鹽基離子含量少，酸緩沖能力較弱，更易發(fā)生酸化。土壤pH變化受多方面人為因素的影響，與其理化性質(zhì)密切相關(guān)。Simansky等[15]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳及全氮與pH呈顯著正相關(guān)，而Curtin等[16]則指出土壤全氮與pH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。唐賢等[17]研究表明，紅砂巖和河流沖積物母質(zhì)發(fā)育的水稻土pH與有機(jī)質(zhì)、全氮及交換性酸呈極顯著負(fù)相關(guān)，與交換性鹽基總量呈極顯著正相關(guān)，而與陽(yáng)離子交換量無(wú)相關(guān)性。

過(guò)去20多年間，湖南省水稻土顯著酸化[18]，并呈現(xiàn)明顯的階段性特征，主要受氮肥施用、長(zhǎng)期旱作、大氣酸沉降及土壤本身性質(zhì)等多種因素的影響[19-21]，但研究結(jié)果存在差異。同時(shí)，湖南境內(nèi)母質(zhì)資源豐富，水稻土成土母質(zhì)高達(dá)7類(lèi)之多。潴育性水稻土作為水稻土的重要亞類(lèi)，占水稻土土類(lèi)的72.7%，種稻歷史悠久，且雙季稻種植為其主要的種植制度，水耕熟化程度較高，是我國(guó)主要的糧食生產(chǎn)基地[22]。作為高產(chǎn)田的潴育性水稻土因長(zhǎng)期耕作培肥及周期性排灌，土體內(nèi)氧化還原過(guò)程交替進(jìn)行，剖面分化明顯，剖面上下鐵鋁氧化物、有機(jī)質(zhì)及顆粒含量等明顯不同[23-24]。

目前，針對(duì)不同母質(zhì)下土壤酸化特征及因素有較多研究，但基于南方典型成土母質(zhì)發(fā)育水稻土的剖面酸化特征及影響因素研究則較為缺乏。本研究以湖南省土壤母質(zhì)資源豐富的長(zhǎng)株潭地區(qū)為研究區(qū)域，選取7種不同母質(zhì)發(fā)育的潴育性水稻土為研究對(duì)象，分析耕作層（A）、犁底層（P）、潴育層（W）及母質(zhì)層（C）不同層次的土壤pH，比較A與C層pH的差異，揭示不同母質(zhì)水稻土pH的剖面酸化特征，明確影響耕作層酸化的主要因素。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

長(zhǎng)株潭地區(qū)位于亞熱帶中部及北部的過(guò)渡地帶（26°30′～28°40′N(xiāo)，110°53′～114°15′E），山地丘陵為主，包括長(zhǎng)沙、株洲及湘潭3個(gè)地級(jí)市、4個(gè)縣級(jí)市、8個(gè)縣、181個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積為28088 km2。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，氣候溫暖濕潤(rùn)、四季分明、雨量充沛、植物生長(zhǎng)期長(zhǎng)。長(zhǎng)株潭地區(qū)地理位置及資源優(yōu)勢(shì)突出，是湖南省工業(yè)及水稻的重要生產(chǎn)基地，區(qū)域內(nèi)土壤母質(zhì)豐富且類(lèi)型多樣，水稻土面積較大，涵蓋省內(nèi)多數(shù)成土母質(zhì)及土壤類(lèi)型[25-27]。

基于此，本研究選取位于長(zhǎng)株潭地區(qū)7種典型土壤母質(zhì)（板頁(yè)巖、第四紀(jì)紅土、花崗巖、河流沖積物、砂巖、石灰?guī)r及紫色砂頁(yè)巖）發(fā)育的潴育性水稻土剖面共計(jì)41個(gè)，土壤采樣點(diǎn)基本情況見(jiàn)表1。

表1 供試土壤采樣點(diǎn)基本情況

1.2 試驗(yàn)材料

于2018年3～5月在長(zhǎng)株潭地區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取7種土壤母質(zhì)發(fā)育的潴育性水稻土剖面共計(jì)41個(gè)，分別采集耕作層（A）、犁底層（P）、潴育層（W）及母質(zhì)層（C）共4個(gè)層次的土壤樣品，待自然風(fēng)干后，清除石塊及殘根等雜物，磨碎后過(guò)2 mm篩，再取約300 g土樣作為待測(cè)樣品。4個(gè)不同層次土壤樣品均測(cè)定pH，耕作層（A）土壤樣品測(cè)定有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量、總氮及顆粒組成。

1.3 試驗(yàn)方法

土壤pH、有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量、總氮及顆粒組成均參照《土壤農(nóng)化分析》[28]進(jìn)行測(cè)定。

所有圖表及數(shù)據(jù)分析均采用Excel 2013及SPSS 20.0。不同處理間的顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）則采用Duncan新復(fù)極差法；逐步回歸分析借助SPSS 20.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同母質(zhì)水稻土的剖面pH

不同母質(zhì)水稻土pH剖面變化見(jiàn)圖1。石灰?guī)r剖面土壤的pH最高，平均為6.39～6.92，其次為河流沖積物（6.24～6.66）及紫色砂頁(yè)巖土壤（5.90～6.57），均呈微酸性至中性；再次是板頁(yè)巖土壤（5.91～6.46），呈微酸性；最后依次為第四紀(jì)紅土（5.45～6.12）、花崗巖（5.47～5.88）及砂巖土壤（5.47～5.85），均呈酸性至微酸性。

圖1 不同母質(zhì)水稻土pH剖面特征

此外，板頁(yè)巖、第四紀(jì)紅土、花崗巖、石灰?guī)r及紫色砂頁(yè)巖水稻土的pH隨土層深度（C-WP-A）減少呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，C至A層降低幅度分別為0.55、0.67、0.41、0.53及0.67個(gè)單位；而河流沖積物及砂巖水稻土的pH隨土層深度減少雖表現(xiàn)出高低起伏的不規(guī)則變化，但C至A層降低幅度分別為0.37及0.17個(gè)單位，A層較C層仍然呈降低的趨勢(shì)。7種母質(zhì)剖面各層次土壤間，除板頁(yè)巖及第四紀(jì)紅土外，其他母質(zhì)土壤C與A層均未呈現(xiàn)顯著性差異，但總體來(lái)看，不同母質(zhì)發(fā)育水稻土耕作層均出現(xiàn)不同程度的酸化現(xiàn)象，從而造成耕作層的pH均小于母質(zhì)層。

2.2 不同母質(zhì)水稻土的酸化特征

在A層土壤中，石灰?guī)r母質(zhì)土壤pH顯著高于第四紀(jì)紅土及花崗巖土壤，而其它母質(zhì)間并無(wú)顯著性差異。P層土壤中，石灰?guī)r及河流沖積物母質(zhì)土壤pH顯著高于第四紀(jì)紅土、花崗巖及砂巖土壤，且以河流沖積物pH最高，其他母質(zhì)間并無(wú)顯著性差異。W層土壤中，石灰?guī)r母質(zhì)土壤pH最高且顯著高于砂巖、花崗巖及第四紀(jì)紅土土壤，板頁(yè)巖、第四紀(jì)紅土、河流沖積物及紫色砂頁(yè)巖間并無(wú)顯著性差異。在C層土壤中，石灰?guī)r母質(zhì)土壤pH最高且顯著高于第四紀(jì)紅土、花崗巖、砂巖土壤，板頁(yè)巖、第四紀(jì)紅土及花崗巖間并無(wú)顯著性差異，河流沖積物、石灰?guī)r及紫色砂頁(yè)巖間也無(wú)顯著性差異。

選取水稻土A和C層分別作為表層和底層，通過(guò)比較A與C層間酸堿度的差異以表征表層土的酸化進(jìn)程狀況。由表2可見(jiàn)，在表層土壤中，以石灰?guī)r土壤pH最高，其次為河流沖積物、板頁(yè)巖、紫色砂頁(yè)巖及砂巖，花崗巖及第四紀(jì)紅土土壤pH最低且顯著低于石灰?guī)r母質(zhì)土壤。而在底層中，以石灰?guī)r土壤pH最高，其次為河流沖積物、紫色砂頁(yè)巖及板頁(yè)巖，再次為第四紀(jì)紅土及花崗巖，砂巖土壤pH最低且顯著低于板頁(yè)巖、河流沖積物、石灰?guī)r及紫色砂頁(yè)巖母質(zhì)土壤。

表2 不同母質(zhì)水稻土各層次土壤pH值及A～C層差值

通過(guò)對(duì)表層與底層pH的差值比較發(fā)現(xiàn)，不同母質(zhì)水稻土表層均出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，且酸化程度大小依次為紫色砂頁(yè)巖、第四紀(jì)紅土＞板頁(yè)巖、石灰?guī)r、花崗巖＞河流沖積物、砂巖。其中，河流沖積物和砂巖土壤酸化程度顯著小于第四紀(jì)紅土及紫色砂頁(yè)巖土壤。

2.3 不同母質(zhì)發(fā)育水稻土耕作層的土壤有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量、總氮及顆粒組成

由表3可見(jiàn)，表層土壤有機(jī)質(zhì)含量以石灰?guī)r水稻土最高（40.88 g·kg-1），其次為板頁(yè)巖（38.59 g·kg-1）、第四紀(jì)紅土（38.50 g·kg-1）、花崗巖（38.44 g·kg-1）及砂巖（38.27 g·kg-1），再次為河流沖積物（37.22 g·kg-1），而紫色砂頁(yè)巖土壤的有機(jī)質(zhì)含量最低（36.84 g·kg-1），但各母質(zhì)間有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著。

表3 不同母質(zhì)水稻土耕作層土壤有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量、總氮及顆粒組成

表層陽(yáng)離子交換量以紫色砂頁(yè)巖水稻土最高（16.61 cmol·kg-1），其次為石灰?guī)r（14.82 cmol·kg-1）、河流沖積物（14.68 cmol·kg-1）、板頁(yè)巖（13.62 cmol·kg-1）及 花 崗 巖（12.78 cmol·kg-1），再 次為第四紀(jì)紅土（11.14 cmol·kg-1）及砂巖（10.11 cmol·kg-1），其中砂巖最低，且第四紀(jì)紅土及砂巖母質(zhì)水稻土的陽(yáng)離子交換量顯著低于紫色砂頁(yè)巖母質(zhì)水稻土。

表層總氮以石灰?guī)r最高（2.53 g·kg-1），其次為紫色砂頁(yè)巖（2.01 g·kg-1）、花崗巖（1.82 g·kg-1）、板頁(yè)巖（1.76 g·kg-1）、砂巖（1.76 g·kg-1）及河流沖積物（1.67 g·kg-1），第四紀(jì)紅土最低（1.43 g·kg-1）且顯著低于石灰?guī)r母質(zhì)水稻土。

表層顆粒組成結(jié)果可看出，板頁(yè)巖黏粒含量最高（30.64%），顯著高于河流沖積物母質(zhì)水稻土（17.92%），其它母質(zhì)間黏粒含量并無(wú)顯著性差異。第四紀(jì)紅土粉粒含量最高（24.50%），且與板頁(yè)巖（22.77%）顯著高于紫色砂頁(yè)巖母質(zhì)粉粒（15.56%），其它母質(zhì)間粉粒含量并無(wú)顯著性差異。紫色砂頁(yè)巖砂粒含量最高（64.27%），但各母質(zhì)間并無(wú)顯著性差異。

2.4 不同母質(zhì)水稻土酸化的主要因素

本研究對(duì)可能與潴育性水稻土表層酸化的相關(guān)因素（包括土壤有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量、總氮及顆粒組成）進(jìn)行逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，除陽(yáng)離子交換量外均未被輸入到方程中，即針對(duì)不同母質(zhì)發(fā)育的潴育性水稻土，陽(yáng)離子交換量是影響7種母質(zhì)潴育性水稻土表層酸化的最主要因素。

本研究基于A與C層的△pH進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，選用Shapiro-Wilk Test模型進(jìn)行小樣本檢驗(yàn)（3≤n≤50，本研究n=41，屬小樣本）。分析表明，統(tǒng)計(jì)量為0.950，顯著性水平為0.219（P＞0.05），故△pH服從正態(tài)性分布，進(jìn)一步通過(guò)回歸分析可得到以下線性回歸方程：

式中：y表示△pH，即表層與底層土壤的pH差值；x1表示陽(yáng)離子交換量。

回歸系數(shù)的顯著性均小于0.05，即自變量同因變量之間存在顯著性差異，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，故留在方程中。自變量x1對(duì)y的直接作用為P1y=0.420，表明陽(yáng)離子交換量對(duì)水稻土表層酸化有直接影響。△pH即酸化強(qiáng)度與陽(yáng)離子交換量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，陽(yáng)離子交換量是影響不同母質(zhì)發(fā)育潴育性水稻土表層酸化的最主要因素。

3 討論

土壤pH對(duì)母巖具有較大的繼承性[29]。依據(jù)土壤酸堿度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本研究中石灰?guī)r、河流沖積物及紫色砂頁(yè)巖水稻土均為微酸性至中性（5.5～7.5）。其中，石灰?guī)r土壤中碳酸鈣及鹽基豐富，能有效延緩鹽基淋失及酸化進(jìn)程[30]，故剖面pH最高；河流沖積物則為多種地表物的混合沉積物，在水分作用的驅(qū)動(dòng)下，致使河流沖積物母質(zhì)發(fā)育的土壤接近于中性[29]；紫色砂頁(yè)巖的發(fā)育較遲緩，風(fēng)化較弱，含有碳酸鈣，鹽基飽和度高[31]。所以石灰?guī)r、河流沖積物及紫色砂頁(yè)巖水稻土剖面的pH相對(duì)較高，均呈微酸性至中性。而與之相比，板頁(yè)巖、第四紀(jì)紅土、花崗巖及砂巖發(fā)育的水稻土則呈酸性或微酸性，這可能是因?yàn)檫@幾種母質(zhì)的風(fēng)化過(guò)程較為完全，大部分鹽基淋失進(jìn)而導(dǎo)致pH較低[32]。

在7種母質(zhì)潴育性水稻土中，剖面各層次間除板頁(yè)巖、第四紀(jì)紅土外，其它母質(zhì)土壤C與A層均未出現(xiàn)顯著性差異，但總體呈現(xiàn)耕作層pH小于母質(zhì)層的一致趨勢(shì)。因此，本研究以A層作為表層，C層作為底層，通過(guò)比較表層與底層pH的變化差異來(lái)表征潴育性水稻土耕層土壤的酸化狀況。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，7種母質(zhì)發(fā)育水稻土表層均出現(xiàn)pH的降低，說(shuō)明表層土壤均發(fā)生酸化，可能是由于長(zhǎng)株潭雙季稻種植區(qū)域相對(duì)較高的年降水量在一定程度上增加了土壤中鹽基離子和NO3-的淋溶風(fēng)險(xiǎn)，加速了土壤的酸化作用[33-34]。此外，雙季稻種植區(qū)因產(chǎn)量較高，作物收獲帶走相當(dāng)一部分的K+、Ca2+、Na+、Mg2+等鹽基離子，進(jìn)一步加劇了土壤酸化程度[35]。本研究表明，南方典型7種母質(zhì)中，以紫色砂頁(yè)巖和第四紀(jì)紅土發(fā)育的表層酸化最為嚴(yán)重，并顯著高于河流沖積物及砂巖發(fā)育土壤，其它母質(zhì)介于兩者之間，可能是因?yàn)楹恿鳑_積物及砂巖水稻土的酸化空間較小所致。

在土壤酸堿緩沖體系的分類(lèi)研究中，Ulrich等[36-37]研究認(rèn)為，紫色砂頁(yè)巖、石灰?guī)r及河流沖積物母質(zhì)發(fā)育的堿性土壤主要由碳酸鹽對(duì)外界酸堿源起緩沖作用，而板頁(yè)巖、第四紀(jì)紅土、花崗巖及砂巖母質(zhì)發(fā)育的酸性土壤則主要由陽(yáng)離子交換量對(duì)外界酸堿源起緩沖作用。趙凱麗等[5]對(duì)7種母質(zhì)紅壤pH剖面特征及酸化分析的研究表明，陽(yáng)離子交換量是影響板頁(yè)巖、第四紀(jì)紅土、花崗巖及砂巖母質(zhì)發(fā)育紅壤表層酸化的主要原因，其它母質(zhì)并未發(fā)現(xiàn)主要的影響因素。與前人研究相比，本研究對(duì)與潴育性水稻土表層酸化可能相關(guān)的幾種因素（土壤有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量、總氮及顆粒組成）進(jìn)行逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)離子交換量是影響不同母質(zhì)潴育性水稻土表層酸化的最主要因素。這可能是由于選取的7種母質(zhì)發(fā)育潴育性水稻土的pH差異較?。傮w跨度為5.45～6.92）、酸化空間較小所致。

本研究結(jié)果表明，陽(yáng)離子交換量是影響7種母質(zhì)發(fā)育潴育性水稻土表層酸化的最主要因素，其中表層以紫色砂頁(yè)巖最高，其次為石灰?guī)r、河流沖積物、板頁(yè)巖及花崗巖，第四紀(jì)紅土和砂巖顯著低于紫色砂頁(yè)巖，且以砂巖最低。主要原因可能是第四紀(jì)紅土母質(zhì)水稻土在成土過(guò)程中淋溶強(qiáng)烈、鹽基流失較嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)疏松，故陽(yáng)離子交換量也不高。紫色砂頁(yè)巖發(fā)育土壤一般具有較良好的結(jié)構(gòu)性和通透性，富含鉀、鈣等養(yǎng)分，同時(shí)，本研究中的紫色砂頁(yè)巖采樣點(diǎn)曾種植過(guò)果樹(shù)，可能由于受長(zhǎng)期化肥、有機(jī)肥施用的影響導(dǎo)致鹽基離子增加[38]，故陽(yáng)離子交換量最高。

唐賢等[17]在研究紅砂巖和河流沖積物母質(zhì)發(fā)育的水稻土剖面酸化特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)離子交換量與水稻土酸堿緩沖容量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。一般而言，土壤膠體中交換性陽(yáng)離子是致使土壤具備緩沖性能的主因之一，陽(yáng)離子交換量越大，其緩沖性也越強(qiáng)[39]。我國(guó)南方水稻土為典型的交換性鹽基緩沖體系[40]，可通過(guò)增加水稻土的交換性陽(yáng)離子含量以減緩其酸化進(jìn)程。此外，長(zhǎng)期過(guò)量施用化肥及有機(jī)肥用量減少是導(dǎo)致南方水稻土酸化的重要因素[1]，應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)化肥減施、增施有機(jī)肥、栽種綠肥等田間管理措施以及施用石灰等酸性調(diào)理劑來(lái)防控水稻土的酸化進(jìn)程。

4 結(jié)論

不同母質(zhì)發(fā)育的潴育性水稻土酸化特征表現(xiàn)為：石灰?guī)r剖面土壤的pH最高，達(dá)6.39～6.92，其次為河流沖積物（6.24～6.66）及紫色砂頁(yè)巖土壤（5.90～6.57），均呈微酸性至中性；再次是板頁(yè)巖土壤（5.91～6.46），呈微酸性；最后依次為第四紀(jì)紅土（5.45～6.12）、花崗巖（5.47～5.88）及砂巖土壤（5.47～5.85），均呈酸性至微酸性。

與底層（母質(zhì)層）相比，南方典型母質(zhì)發(fā)育的潴育性水稻土表層（耕作層）中均出現(xiàn)一定程度的酸化現(xiàn)象，酸化程度大小依次表現(xiàn)為紫色砂頁(yè)巖、第四紀(jì)紅土＞板頁(yè)巖、石灰?guī)r、花崗巖＞河流沖積物、砂巖。

土壤陽(yáng)離子交換量與表層水稻土酸化差值呈顯著負(fù)相關(guān)，是影響不同母質(zhì)發(fā)育潴育性水稻土表層酸化的主要因素。