不同土地利用方式下南亞熱帶赤紅壤酸化特征①

文慧穎，吳華勇，董 岳，馮文娟，盧 瑛，胡月明，張甘霖,4*

不同土地利用方式下南亞熱帶赤紅壤酸化特征①

文慧穎1,2，吳華勇1，董 岳1,2，馮文娟1，盧 瑛3，胡月明3，張甘霖1,2,4*

(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州 510642；4 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點實驗室，南京 210008)

土地利用方式是影響土壤酸化的重要因素，研究不同土地利用方式下赤紅壤酸化特征可為緩解和治理赤紅壤區(qū)土壤酸化提供依據(jù)。本研究采集了4種土地利用方式(菜地、果園、水田、林地)的赤紅壤區(qū)土壤樣品，測定了表層(0 ～ 20 cm)和表下層(20 ～ 40 cm)土壤的理化性狀，結(jié)合田間調(diào)查和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析了不同土地利用方式下土壤酸化特征及成因。結(jié)果表明：果園表層土壤pH顯著低于林地，果園表下層土壤pH顯著低于水田和林地；菜地、果園土壤交換性Al3+含量顯著高于水田和林地；果園表層土壤的鹽基飽和度與陽離子交換量均顯著低于自然林地，菜地表下層土壤鹽基飽和度顯著低于水田；與水田和林地相比，菜地和果園的酸化更嚴(yán)重，酸緩沖能力更低。不同土地利用下施肥、復(fù)種指數(shù)以及耕作方式上的差異可能是造成氣候與母質(zhì)相似地區(qū)土壤酸化差異的主要原因。

土壤酸化；土地利用方式；土壤pH；赤紅壤

赤紅壤成土母質(zhì)多為酸性深成巖花崗巖[1]，在高溫多雨條件下，礦物化學(xué)風(fēng)化速度快，多形成風(fēng)化程度高、鹽基飽和度低的土壤[2]。廣東省赤紅壤區(qū)耕地面積約為195萬公頃，約占全省耕地總面積的74%，是華南重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，主要耕地類型為水田、水澆地、旱地[3]。近幾十年來，珠江三角洲地區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展，帶來了包括土壤酸化在內(nèi)的一系列突出環(huán)境問題[4]。土壤酸化是土壤內(nèi)部產(chǎn)生的H+或外部輸入的H+消耗土壤酸緩沖物質(zhì)的過程[5]，是我國農(nóng)業(yè)土地利用的主要環(huán)境問題之一[6]。嚴(yán)重的土壤酸化使土壤難以為植物生長提供充足的養(yǎng)分元素和正常的生長環(huán)境，從而降低作物生產(chǎn)力[7]和作物產(chǎn)量[8]。當(dāng)前，赤紅壤區(qū)土壤酸化問題對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

土地利用方式是影響土壤pH的重要因素[9]。不同的土地利用方式因地上部植物移除量及肥料用量等管理方式不同，從而對土壤酸化產(chǎn)生不同的影響[10]。袁宇志等[11]研究發(fā)現(xiàn)，2010年廣州市流溪河流域不同耕地類型土壤的pH大小為水澆地>水田>旱地。韓天富等[9]通過監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)除華南地區(qū)外，我國土壤pH變化表現(xiàn)為旱地>水旱輪作>水田。姬鋼等[12]發(fā)現(xiàn)南方紅壤區(qū)不同植被下的土壤pH存在顯著差異。Li等[13]發(fā)現(xiàn)1981—2012年，西南紫色丘陵區(qū)水田和果園的土壤比山地和草地的土壤酸化嚴(yán)重。前人研究多基于歷史數(shù)據(jù)，分析大范圍地區(qū)不同土地利用方式下的土壤pH變化，而對氣候與母質(zhì)相似地區(qū)不同土地利用方式對土壤酸化的影響特征和機制研究較少。因此，考慮到土壤酸化對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的巨大影響，理解當(dāng)前不同土地利用方式下的土壤酸化特征與成因可為制定土壤可持續(xù)性管理措施提供理論依據(jù)。本研究選擇南亞熱帶典型赤紅壤區(qū)——廣州市增城區(qū)作為研究區(qū)，通過分析增城區(qū)不同土地利用方式(菜地、果園、水田、自然林地)下土壤理化性質(zhì)，探究不同土地利用方式下土壤的酸化現(xiàn)狀；結(jié)合野外田間調(diào)查和統(tǒng)計數(shù)據(jù)解析不同土地利用對土壤酸化的影響，以期為赤紅壤區(qū)土壤酸化改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省廣州市增城區(qū)(113°32′E ～ 114°00′E，23°05′N ～ 23°37′N)。該區(qū)域?qū)贌釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，四季分明，光照充足，雨量充沛。市區(qū)年平均氣溫21.6 ℃，年均降水量1 720 mm，降水分布不均，主要集中在4—6月。增城區(qū)地勢北高南低，山地以低山為主，丘陵地主要分布在中南部，南部是三角洲平原與河谷平原。成土母質(zhì)主要是花崗巖[1]。耕地利用類型以水田、菜地、果園為主，主要作物有水稻、香蕉、荔枝、木瓜和龍眼等。

1.2 樣品采集與測定

在增城區(qū)共采集115個樣點，菜地、果園、水田和自然林地的樣點數(shù)量分別為45、46、10和14 (圖1)。每個樣點按照“隨機”“等量”“多點混合”的原則選取5個鉆孔點，使用不銹鋼土鉆采集表層0 ～ 20 cm與表下層20 ～ 40 cm深度的土壤樣品。采樣時調(diào)查了耕種歷史、施用肥料類型和數(shù)量、種植作物等信息。樣品自然風(fēng)干后，手動除去根茬和石塊等雜物，混勻后研磨過2、0.25和0.149 mm孔徑的尼龍篩作為待測樣品。

圖1 土壤采樣點分布圖

制備水土比為2.5︰1(︰)的土壤懸液測定土壤pH。用pH 7.0的1.0 mol/L乙酸銨溶液提取土壤交換性鹽基離子，用ICP-AES(Optima 8000，PerkinElmer)測定Ca2+、Mg2+、K+、Na+的含量。用乙酸銨法在pH 7.0條件下測定土壤陽離子交換量(CEC)。用1 mol/L KCl制備提取液，0.02 mol/L NaOH滴定提取液至酚酞終點，測定總可交換酸度(Al3+和H+)。將1 mL的3.5% NaF添加到100 mL提取液中，用0.02 mol/L NaOH將混合溶液滴定至酚酞終點，測定可交換性H+。可交換性酸度和可交換性H+之差即是可交換性Al3+(AlKCl)[14]。鋁飽和度(Alsat)計算：

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2010、SPSS 23.0、Origin Pro 2018和ArcGIS 10.7軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析與繪圖。采用獨立樣本t檢驗方法對不同土地利用方式的土壤理化性質(zhì)進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土層土壤pH特征

研究區(qū)以酸性土壤(4.5

2.2 不同土地利用方式下不同土層土壤pH特征

菜地、果園、水田和自然林地表層和表下層土壤pH存在顯著差異(圖2)。在兩個土層深度條件下，果園土壤pH均顯著低于自然林地土壤(<0.05)；果園表下層土壤pH顯著低于水田土壤(<0.05)；菜地表層與表下層土壤pH與其他利用方式的土壤間無顯著差異。

(圖柱上方小寫字母不同表示不同土地利用方式間差異顯著(P<0.05)，下圖同)

表1 不同土層土壤pH 特征

注：小寫字母不同表示不同土層間差異顯著(<0.05)。

2.3 不同土地利用方式下不同土層土壤交換性酸特征

在表層和表下層土壤中，菜地和果園的土壤交換性Al3+含量以及Al飽和度均顯著高于水田和自然林地(<0.05)(圖3)。不同土地利用方式下表層和表下層土壤交換性H+含量均無顯著差異(圖3)。

4種土地利用方式下表層和表下層土壤pH均與交換性酸(Al3+和H+)之間存在極顯著反指數(shù)關(guān)系(<0.001)(圖4)。當(dāng)土壤pH<5.5時，土壤交換性Al3+隨著土壤pH的降低而迅速增加；同時，Al飽和度也隨著土壤pH的升高而呈指數(shù)下降趨勢。菜地和果園表層和表下層土壤Al飽和度均值在25% ～ 35% (圖3)，且菜地和果園土壤Al飽和度均顯著高于水田(<0.05)。

2.4 不同土地利用方式下不同土層土壤交換性鹽基離子特征

土壤交換性鹽基離子含量大小為Ca2+>Mg2+> Na+>K+(表2)。果園表層土壤鹽基飽和度顯著低于水田與自然林地土壤，且其交換性鹽基離子總量顯著低于水田土壤(<0.05)；菜地表下層土壤交換性鹽基離子總量與鹽基飽和度均顯著低于水田土壤(<0.05)。果園表層土壤CEC顯著低于水田與自然林地土壤，4種土地利用方式下表下層土壤CEC之間無顯著差異。

3 討論

3.1 不同土地利用方式下赤紅壤區(qū)典型土壤酸化特征

本研究區(qū)中4種土地利用方式下的土壤以酸性與微酸性為主，且表層的土壤pH顯著低于表下層，表明當(dāng)前表層土壤酸化程度比表下層更為嚴(yán)重。果園表層和表下層土壤pH均顯著低于自然林地，且果園表層土壤鹽基飽和度和CEC均顯著低于自然林地，表明當(dāng)前果園的酸化程度比自然林地嚴(yán)重。作為決定土壤酸緩沖能力的關(guān)鍵因素[15–16]，果園土壤鹽基飽和度和CEC均較低，這意味著果園土壤的酸緩沖能力低于自然林地土壤。當(dāng)外部酸性物質(zhì)輸入時，果園比自然林地更易發(fā)生土壤酸化。此外，雖然沒有在菜地和自然林地之間發(fā)現(xiàn)土壤pH的顯著差異，但菜地表層和表下層的土壤交換性Al3+均顯著高于自然林地，表明當(dāng)前菜地的潛在酸化程度比自然林地嚴(yán)重。由于沒有發(fā)現(xiàn)水田和自然林地之間各酸化特征的顯著差異，因此水田和自然林地之間的土壤酸化程度沒有差異。

本研究中菜地與果園土壤潛性酸均以交換性Al3+為主，約占總酸度的80%，而交換性H+占比低(<10%)。菜地與果園表層和表下層土壤Al飽和度均值為25% ～ 35%，部分果園土壤Al飽和度甚至已經(jīng)超過60%，這表明菜地與果園土壤可能存在Al毒的風(fēng)險，從而對植物生長產(chǎn)生不利影響，因為當(dāng)Al飽和度達到60% 或更高時，土壤溶液中Al濃度將會急劇增加，致使植物產(chǎn)量顯著下降[17]。同時，在表層和表下層中，菜地和果園土壤交換性Al3+、Al飽和度均高于水田，而酸緩沖能力(交換性鹽基離子)均小于水田。因此，旱作土地利用方式下土壤酸化比水田更為嚴(yán)重。而由于沒有發(fā)現(xiàn)菜地和果園之間各酸化特征的顯著差異，因此菜地和果園之間的土壤酸化程度沒有差異。

3.2 不同土地利用方式下赤紅壤區(qū)典型土壤酸化差異成因

研究發(fā)現(xiàn)氮肥過量施用、植物對陰陽離子的差異吸收以及大氣酸沉降是土壤酸化的主要原因[6，18]。大氣酸沉降在促進陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤酸化方面發(fā)揮著重要的作用[19–20]。廣東省是我國酸雨最嚴(yán)重的省份之一，且占全國酸雨控制區(qū)的16%[19]。陳璇等[20]與Huang等[21]分別發(fā)現(xiàn)氮、硫沉降是導(dǎo)致廣州土壤酸化的重要驅(qū)動因素。但在本研究中，各土地利用方式的土壤擁有相同的氣候環(huán)境，因此，大氣酸沉降不是造成不同土地利用方式下赤紅壤酸化差異的主要原因。

氮肥施用能有效提高作物產(chǎn)量，但長期過量施用可加速土壤酸化[6]。增城區(qū)2020年的化肥施用量較2010年增長了60% 左右[22]。尿素水解后NH4+硝化作用會導(dǎo)致H+的凈累積[23]，若硝化作用產(chǎn)生的NO3–全部被植物根系吸收，則會外排2個OH–，不會導(dǎo)致土壤酸化，但在熱帶高溫多雨的環(huán)境下，NO3–和交換性鹽基離子同步淋失，導(dǎo)致交換性Al和質(zhì)子的凈累積，最終造成土壤酸化[2]。同時，氮的添加還會降低2︰1型黏土礦物的數(shù)量并增加1︰1型黏土礦物的數(shù)量，從而降低土壤的酸緩沖能力[24]。本研究的野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，菜地和果園種植歷史大多在20年及以上，過量施肥現(xiàn)象非常普遍。因此，與沒有受到人為擾動的自然林地相比，施肥等人為因素是造成菜地和果園酸化程度比自然林地嚴(yán)重的主要原因。

圖3 不同土地利用方式下不同土層土壤交換性酸含量和Al飽和度

圖4 不同土地利用方式下土壤交換性酸含量及Al飽和度與土壤pH的關(guān)系

表2 不同土地利用方式下不同土層土壤交換性離子及相關(guān)指標(biāo)

注：表中同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示同一土層不同土地利用方式間差異顯著(<0.05)。

菜地和果園更高的施氮量也可能是造成旱作土壤酸化更為嚴(yán)重的原因。蔬菜的種植需要大量的化肥尤其是氮肥的投入來保障其高產(chǎn)[25]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國蔬菜地的氮肥施用量是大田作物的數(shù)倍甚至數(shù)十倍[26]，廣東省蔬菜種植氮肥用量高且利用率低[27]。而水田土壤的周期性排水和淹水過程使得其土壤pH變化相對復(fù)雜[28]。水稻生長期間的淹水耕作所導(dǎo)致Fe、S以及CO2的氧化還原等生物地球化學(xué)過程會中和土壤中的H+，并維持水田土壤pH的相對穩(wěn)定[29]；且土壤反硝化速率會在淹水條件下增加，從而消耗H+并在一定程度上提高土壤pH[30]。不同土地利用方式下這種酸化程度的差異也意味著，在條件適宜的情況下，如能實現(xiàn)水田和蔬菜種植的有序輪作，將可能緩解目前這種較快的土壤酸化趨勢。

植物通常會吸收更多的鹽基離子，在得不到全部歸還的條件下將導(dǎo)致土壤酸化[31]。從2005年到2020年，增城區(qū)蔬菜產(chǎn)量增加了23.4%[22]，蔬菜產(chǎn)量的提高意味著大量交換性鹽基從土壤中被帶走，表明土壤中交換性鹽基離子被大量去除。因此，作物對交換性鹽基離子的吸收在促進土壤酸化過程中發(fā)揮了重要作用，同時也是造成旱作土壤酸化嚴(yán)重的另一個原因。在本研究中，蔬菜較糧食作物有更高的產(chǎn)量和復(fù)種指數(shù)，增城區(qū)2020年的蔬菜產(chǎn)量(3.17×104kg/(hm2·a))遠高于稻谷產(chǎn)量(5.27×103kg/(hm2·a))[22]，且增城區(qū)的蔬菜種植多為一年三熟至一年四熟，這表明由于蔬菜的種植與收獲，菜地土壤中的交換性鹽基離子被大量去除。此外，與水田作物相比，果樹的生物量也更大，因此需要更多的營養(yǎng)元素，包括Ca、Mg與K等鹽基離子[18]。植物對鹽基離子的吸收會直接導(dǎo)致土壤中H+的生成，同時，土壤交換性鹽基離子含量的下降也會降低土壤酸緩沖能力。研究表明，長期作物收獲帶走大量的鹽基離子能夠使我國農(nóng)田每年增加H+15 ～ 20 kmol/hm2[6]。植物也會通過對土壤中鹽基離子的再分配對土壤交換性鹽基離子含量變化起到至關(guān)重要的作用[32]。因此，在典型赤紅壤區(qū)，菜地更高的產(chǎn)量和復(fù)種指數(shù)會通過農(nóng)作物帶走更多的鹽基離子，加之秸稈還田較少，農(nóng)作物的收獲帶走大量的鹽基養(yǎng)分而得不到有效及時補充，從而使土壤酸化趨勢加劇。通過有效的鹽基離子歸還平衡養(yǎng)分輸入和輸出，如秸稈還田措施，也是減緩?fù)寥浪峄闹匾緩健?/p>

4 結(jié)論

典型赤紅壤區(qū)以弱酸性和酸性土壤為主。表層土壤的酸化程度比表下層更嚴(yán)重。與水田和自然林地的土壤相比，菜地和果園土壤酸化情況更嚴(yán)重、酸緩沖能力更弱。潛性酸以交換性Al3+為主，約占總酸度的80%，Al的水解是增城區(qū)農(nóng)田土壤酸度的主要來源。菜地與果園表層和表下層土壤Al飽和度均值為25% ～ 35%，土壤存在Al毒風(fēng)險。氮肥過量施用、復(fù)種指數(shù)高等人為因素是土地利用方式影響酸化的主要途徑。水田和蔬菜的有序輪作、秸稈還田等措施有助于提高土壤酸緩沖能力以及鹽基離子的歸還，從而緩解土壤酸化。

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WEN Huiying1, 2, WU Huayong1, DONG Yue1, 2, FENG Wenjuan1, LU Ying3, HU Yueming3, ZHANG Ganlin1, 2, 4*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 4 Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Land use type is an important factor affecting soil acidification. Study on the acidification characteristics and differences of lateritic red soil under different land use types is the premise of mitigating and controlling soil acidification in lateritic red soil region. In this study, four land use types (vegetable lands, orchards, paddy fields, woodlands) of lateritic red soil were selected, soil physical and chemical properties were measured at different depths (surface: 0–20 cm; subsurface: 20–40 cm), and then the acidification characteristics and causes of lateritic red soil under different land use types were analyzed with the combination of field investigation. The results show that pH of orchards is significantly lower than that of woodlands in the surface layer, and significantly lower than that of paddy fields and woodlands in the subsurface layer. Exchangeable Al3+content is significantly higher in vegetable lands and orchards than those of paddy fields and woodlands. In surface layer, base saturation (BS) and CEC of orchards are significantly lower than those of woodlands. In subsurface layer, BS of paddy fields is significantly higher than that of vegetable lands (<0.05). Compared with paddy fields and woodlands, vegetable lands and orchards have more serious acidification and worse acid buffering capacity. Differences in fertilization, multiple cropping index and tillage methods may be responsible for soil acidification under different land uses.

Soil acidification; Land use types; Soil pH; Lateritic red soil

S153

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.02.018

文慧穎, 吳華勇, 董岳, 等. 不同土地利用方式下南亞熱帶赤紅壤酸化特征. 土壤, 2023, 55(2): 372–378.

國家自然科學(xué)基金面上項目(U1901601，41977003)資助。

(glzhang@issas.ac.cn)

文慧穎(1997—)，女，廣西桂林人，碩士研究生，主要研究方向為土壤地理學(xué)。E-mail: wenhuiying@issas.ac.cn