稻作對(duì)酸性硫酸鹽土酸分布及遷移的影響

黃巧義， 楊少海， 唐拴虎， 黃 旭， 李 蘋(píng)， 付弘婷， 易 瓊， 張發(fā)寶

(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,農(nóng)業(yè)部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640)

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稻作對(duì)酸性硫酸鹽土酸分布及遷移的影響

黃巧義， 楊少海， 唐拴虎*， 黃 旭， 李 蘋(píng)， 付弘婷， 易 瓊， 張發(fā)寶

(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,農(nóng)業(yè)部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640)

【目的】酸性硫酸鹽土(ASS)酸含量極高，F(xiàn)e、Al、Mn、As等有毒金屬移動(dòng)性強(qiáng)。許多開(kāi)發(fā)利用方式不僅影響其成土母質(zhì)黃鐵礦的氧化程度并可能帶來(lái)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，稻作利用被認(rèn)為是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低的方式。本研究開(kāi)展水田和荒地兩種利用條件下ASS中酸含量調(diào)查研究，探討稻作利用方式對(duì)ASS酸含量的影響。【方法】于2013年8月，在廣東省臺(tái)山市發(fā)育于珠江三角洲濱海ASS的水稻田和嚴(yán)重酸化的長(zhǎng)期撂荒地采集土壤樣品，從土表向下0—300 cm范圍內(nèi)采用寬45 mm的土鉆每20 cm采集1個(gè)樣品，每個(gè)剖面共采集15個(gè)樣品。比較兩種利用方式下ASS各土層土壤pH值、水溶性酸、交換性酸、吸持性酸含量，探討稻作利用方式對(duì)ASS酸分布及運(yùn)移的影響。【結(jié)果】珠江三角洲平原ASS的酸含量極高，在0—80 cm深度范圍內(nèi)，總存在酸含量隨著土層深度加深而提高，土層深度每下降20 cm，總存在酸含量就平均提高61.62%; 80 cm以下土層總存在酸含量隨著土層深度下降逐漸降低，其中80—180 cm深度范圍內(nèi)的降幅較大，土層深度每下降20 cm，總存在酸含量就平均降低61.62%; 當(dāng)土層深度下降至220 cm時(shí)，pH值上升到6.0，酸含量非常低。稻作利用方式顯著影響ASS的酸含量及其在土壤剖面的遷移情況。與荒地比較，稻田0—80 cm土層的總存在酸含量顯著降低，其中水溶性酸、交換性酸和吸持性酸含量平均降幅分別為77.01%、36.75%、27.74%，水溶性酸和交換性酸的差異達(dá)到顯著水平，吸持性酸僅在0—20 cm 和60—80 cm土層的差異達(dá)到顯著水平; 100—120 cm深度范圍內(nèi)稻田的總存在酸含量顯著高于荒地，其中水溶性酸、交換性酸和吸持性酸含量的增幅分別為128.19%、54.87%、154.96%，120—240 cm土層中，稻田的交換性酸和吸持性酸含量稍高于荒地，但差異不顯著; 240—300 cm土層中，稻田的酸含量與荒地基本相同?？傮w上，稻作方式改變了ASS中酸在土壤剖面的分布，其中0—80 cm土層中酸含量顯著降低，而100—120 cm土層的酸含量顯著提高，并以吸持性酸為主要形式固定累積下來(lái)。稻田在0—80 cm深度范圍內(nèi)的水溶性硫含量顯著低于荒地; 而稻田100—120 cm土層的水溶性硫含量則顯著高于荒地，其他土層的差異不顯著。水溶性硫與水溶性酸、交換性酸和吸持性酸均顯著正相關(guān)，表明稻作利用方式可能通過(guò)影響硫酸鹽礦物的轉(zhuǎn)化過(guò)程而改變ASS的酸分布及遷移?！窘Y(jié)論】稻作利用方式顯著降低上層土壤酸含量，并加強(qiáng)了酸淋洗下移作用，使100—120 cm土層中的酸含量大幅提高，并以黃鉀鐵礬等羥基硫酸鹽次生礦物暫時(shí)吸持固定下來(lái)。因此，稻作利用方式有效降低ASS酸含量水平，降低ASS對(duì)實(shí)地作物的危害作用，但因其強(qiáng)淋溶作用可能加大了對(duì)地下水體污染的風(fēng)險(xiǎn)。

酸性硫酸鹽土; 稻作; 酸; 遷移

Influence of rice cultivation on the distribution and movement of acids in profiles of the acid sulfate soil

酸性硫酸鹽土(acid sulfate soils，簡(jiǎn)稱(chēng)ASS)常發(fā)育于有植物生長(zhǎng)的低波能靜水港灣[1]，其形成及發(fā)育過(guò)程在全球碳、硫元素地球化學(xué)循環(huán)中具有重要意義[2-3]。據(jù)調(diào)查，我國(guó)約有11.2 萬(wàn)公頃，主要分布在廣東、廣西、海南、福建等沿海區(qū)域，其中廣東省面積最大，約占60%[4]。ASS的成土母質(zhì)為含硫鐵礦的還原性硫化物沉淀物(黃鐵礦為主)，當(dāng)其被氧化后產(chǎn)生大量硫酸，強(qiáng)酸引起重金屬、類(lèi)金屬的移動(dòng)性增強(qiáng)，嚴(yán)重危害實(shí)地植物、動(dòng)物生長(zhǎng)，威脅周邊生態(tài)系統(tǒng)[5]。因此，ASS被認(rèn)為是極為劣質(zhì)的土壤，更有甚者，稱(chēng)其為地下的“化學(xué)炸彈”[1, 6]。不同利用方式顯著影響ASS成土母質(zhì)的氧化速率、酸化程度及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[5, 7]。當(dāng)前，我國(guó)ASS主要開(kāi)發(fā)為水田、旱作和魚(yú)塘等農(nóng)業(yè)用途[8]。研究表明，旱作利用方式使地下水位大幅度降低，提高黃鐵礦埋藏土層的氧化還原電位，從而加快黃鐵礦氧化速率，加速土壤的酸化過(guò)程[9]，進(jìn)而加大酸性陽(yáng)離子及金屬的釋放，其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大[7, 10]。魚(yú)塘利用方式的挖泥工作使含硫?qū)又苯颖┞兜娇諝庵?，加快黃鐵礦的氧化速率，將導(dǎo)致大量酸、重金屬釋放到環(huán)境中[4]。稻作利用方式的淹水措施降低了土壤氧化還原電位，延緩黃鐵礦氧化進(jìn)程，減少其對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)的危害[7, 11, 12]。因此，有研究者認(rèn)為，相對(duì)于旱作、魚(yú)塘等開(kāi)發(fā)利用方式而言，稻作利用方式可能是最大程度降低ASS生態(tài)危害性的最佳利用方式[13]。

酸含量水平顯著影響ASS中金屬、重金屬和類(lèi)金屬活性及其流失系數(shù)，是衡量ASS生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的重要指標(biāo)[7, 14, 15]。ASS含有多種形態(tài)酸組分，其中水溶性酸、交換性酸和吸持性酸是已經(jīng)存在土體中的酸組分[16]。雖然稻作利用方式被認(rèn)為是ASS較好利用方式，然而，稻作利用方式對(duì)土壤各種酸組分的影響作用的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本文開(kāi)展水田和荒地兩種利用條件下ASS土壤剖面上各種酸組分的含量調(diào)查研究，試圖探討稻作利用方式對(duì)ASS酸含量的影響，以進(jìn)一步闡釋該利用方式的優(yōu)越性。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域概述以及采樣點(diǎn)的確定

分別于2013年8月在水稻田塊和嚴(yán)重酸化的長(zhǎng)期撂荒地采集土壤樣品，分別標(biāo)記為稻田和荒地，每種土壤設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)?；贏SS的發(fā)育特征，為了了解酸性陽(yáng)離子在土壤剖面中的分布情況及遷移，在土壤剖面垂直方向上采用以下采樣方法: 從土表向下0—300 cm范圍內(nèi)采用寬45 mm的土鉆每20 cm采集1個(gè)樣品，每個(gè)剖面共采集15個(gè)樣品。土壤樣品用雙層塑料袋密封防止氧化，當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室后，105℃烘干，研磨、過(guò)篩后，密封備用。

1.2土壤樣品分析方法

所有試劑均是分析純級(jí)別，并采用去離子水制備試劑溶液。

土壤pH用電位法(水 ∶土=2.5 ∶1)測(cè)定。水溶性酸(soluble acidity)和交換性酸(exchangeable acidity)參照林初夏等[16]的方法進(jìn)行，稱(chēng)5 g烘干土于50 mL離心管，加入25 mL無(wú)離子水，振蕩1 h，離心，取10 mL上清液，加10 mL無(wú)離子水，用0.01 mol/L NaOH滴定土壤溶液至pH 5.5，根據(jù)NaOH用量計(jì)算土壤水溶性酸含量; 稱(chēng)5 g烘干土于50 mL離心管，加入25 mL 1 mol/L KCl溶液，振蕩1 h，用0.01 mol/L NaOH滴定土壤溶液至pH 5.5，得到KCl可提取酸，KC1可提取酸減去水溶性酸可得到交換性酸含量。吸持性酸(retained acidity)是暫時(shí)儲(chǔ)存于黃鉀鐵礬、施氏礦物和羥礬石等容易水解的Fe/Al羥基硫酸鹽次生礦物中的酸，當(dāng)土壤pH值提高到一定程度時(shí)，吸持性酸將被釋放出來(lái)。吸持性酸測(cè)定參照Vithana等[17]的方法，稱(chēng)1 g 烘干土于100 mL離心管后分別加入40 mL 1 mol/L KCl 、4 mol/L HCl的浸提液，振蕩3 h，離心后吸取一定量上清液用硫酸鋇比濁法測(cè)定1 mol/L KCl可浸提態(tài)硫酸鹽(SKCl)和4 mol/L HCl可浸提態(tài)硫酸鹽(SHCl)，得到凈酸溶性硫酸鹽含量SNAS=SHCl-SKCl，SNAS再換算成吸持性酸(換算比例折中取2.5)。水溶性硫參照Lin等[18]的方法進(jìn)行，稱(chēng)5 g烘干土于50 mL離心管，加入25 mL去離子水，振蕩1 h，離心后吸取一定量上清液用比濁法測(cè)定硫酸鹽含量。

1.3土壤樣品分析方法

數(shù)據(jù)采用Excel整理，R軟件進(jìn)行方差分析和作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1稻作利用方式對(duì)土壤pH值的影響

無(wú)論稻作還是旱作，土壤pH隨土層深度呈相似的變化趨勢(shì)。從圖1可見(jiàn)，ASS的pH值隨著土層深度的增加表現(xiàn)出先降低后提高再穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。0—20 cm土層至20—40 cm土層的pH值降幅較大; 而40—100 cm土層的pH變化較小，均處于3.0左右; 100 —160 cm土層的pH值小幅提高，但仍處于3.5左右的范圍; 160—240 cm土層的pH值大幅增加，土壤深度每下降20 cm，pH增幅平均達(dá)到0.48; 240—300 cm深度土層的pH值基本穩(wěn)定，達(dá)到6.0左右。稻作利用方式顯著影響土壤pH值。與荒地相比，稻田土壤中0—100 cm深度范圍內(nèi)的pH值有所提高，但其增幅隨著土壤深度增加不斷縮小，其中0—20 cm、20—40 cm土層增幅分別為16.71%、7.40%，均達(dá)到顯著水平; 而稻田140 cm以下土層的pH值則低于荒地，其中140—160 cm、160—180 cm、180—200 cm土層的pH值降幅分別為7.19%、5.29%、8.60%，達(dá)到顯著水平，而200—300 cm范圍內(nèi)的降幅甚微，無(wú)顯著性差異。由此可見(jiàn)，稻作利用方式顯著提高了ASS剖面中0—40 cm土層的pH值，而顯著降低了140—200 cm土層的pH值。

圖1　稻作利用方式對(duì)土壤pH值的影響Fig.1　The influence of rice cultivation on pH value in soil

2.2稻作利用方式對(duì)各種形態(tài)酸含量的影響

從圖2可見(jiàn)，ASS的水溶性酸、交換性酸和吸持性酸均隨著土層深度的增加呈現(xiàn)出先增加再降低，最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。其中0—80 cm深度范圍內(nèi)，土層深度每降低20 cm，水溶性酸、交換性酸和吸持性酸含量的平均增幅分別為38.71%、11.84%、80.71%，吸持性酸增幅最大，其次是水溶性酸; 而80—140 cm深度范圍內(nèi)，水溶性酸、交換性酸和吸持性酸含量則隨深度增加呈大幅降低趨勢(shì)，土層深度每降低20 cm，水溶性酸、交換性酸和吸持性酸的平均降幅分別為60.74%、26.10%、41.38%，水溶性酸降幅更大，其次是吸持性酸; 120—300 cm 深度范圍內(nèi)的水溶性酸和吸持性酸含量基本不變，趨于零，而交換性酸在120—200 cm深度范圍內(nèi)仍隨著土層深度下降緩慢降低，在220 cm土層才穩(wěn)定下來(lái)。由此可見(jiàn)，在0—80 cm土層中各種形態(tài)酸含量均隨著土層深度下降呈增加的變化趨勢(shì)，其中以水溶性酸變幅最大，80—140 cm土層中，各種形態(tài)酸含量均隨著土層深度下降呈降低趨勢(shì)，其中以吸持性酸的變幅最大，140—300 cm土層中，各種形態(tài)酸含量的變幅相對(duì)較小。

圖2　稻作利用方式對(duì)土壤水溶性酸、交換性酸和吸持性酸的影響Fig.2　The influence of rice cultivation on soluble acidity, exchangeable acidity and retained acidity in soil

從圖2還可以看出，稻作利用方式影響土壤各種形態(tài)酸含量，但不同深度土層的影響有所不同。在0—80 cm深度范圍內(nèi)，稻田的水溶性酸、交換性酸和吸持性酸含量均低于荒地，其平均降幅分別為: 77.01%、36.75%、27.74%，水溶性酸的降幅最大，其次是交換性酸，吸持性酸降幅最小，且水溶性酸和交換性酸的差異均達(dá)到顯著水平，而吸持性酸僅在0—20 cm 和60—80 cm土層的差異達(dá)到顯著水平。在80—100 cm深度范圍內(nèi)，稻田和荒地的水溶性酸和吸持性酸含量基本一致，而稻田的交換性酸含量顯著高于荒地，增幅達(dá)到34.02%。100—120 cm土層中，稻田的水溶性酸、交換性酸和吸持性酸含量均顯著高于荒地，其增幅分別為: 128.19%、54.87%、154.96%，吸持性酸的增幅最大，其次是水溶性酸，交換性酸的增幅最小。而120—240 cm土層中，可以看出稻田的交換性酸和吸持性酸含量稍高于荒地，但差異不顯著; 240—300 cm土層中，稻田的酸含量與荒地基本相同。由此可見(jiàn)，稻作利用方式顯著影響ASS中水溶性酸、交換性酸和吸持性酸的分布情況，其中0—80 cm土層的水溶性酸和交換性酸表現(xiàn)出明顯的淋溶流失，0—20 cm和60—80 cm土層的吸持性酸也產(chǎn)生淋溶流失，而100—120 cm土層的水溶性酸和吸持性酸則表現(xiàn)出富集，80—100 cm土層的交換性酸也呈富集狀態(tài)，但對(duì)120 cm以下土層的酸含量影響較小。

2.3稻作利用方式對(duì)總存在酸含量的影響

ASS的水溶性酸、交換性酸和吸持性酸共同組成總存在酸(existing acidity)。從圖3a可見(jiàn)，總存在酸含量隨著土層深度加深呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中0—80 cm深度范圍，當(dāng)土層深度增加20 cm，總存在酸含量平均提高了61.62%，80 cm以下土層總存在酸含量隨土層深度增加逐漸降低，其中80—180 cm深度范圍內(nèi)的降幅較大，平均降幅為61.62%(每下降20 cm)。稻田0—100 cm土層的總存在酸含量低于荒地，平均降幅達(dá)到34.79%，其中0—80 cm深度范圍內(nèi)的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，而100—260 cm深度范圍內(nèi)的總存在酸含量則高于荒地，平均增幅達(dá)66.63%，但僅100—140 cm土層的差異性達(dá)到顯著水平(P<0.05)。水溶性酸、交換性酸和吸持性酸占總存在酸的平均比例分別為10.52%、19.03%、70.45%，表明吸持性酸是構(gòu)成土壤總存在酸的主導(dǎo)酸組分。相對(duì)于荒地而言，稻田中交換性酸占總存在酸的比例有所提高，而水溶性酸和吸持性酸占總存在酸的比例則降低了。由此可見(jiàn)，稻作利用方式不僅影響總存在酸含量，且影響其各種酸組分的構(gòu)成比例。

圖3　稻作和休閑方式土壤總存在酸隨土層深度的變化Fig.3　Variation of existing acidity with soil depth under paddy and uncultivated soils

從圖3b可見(jiàn)，相對(duì)于荒地而言，稻田0—80 cm土層各種酸形態(tài)含量均為負(fù)累積; 80—100 cm土層的水溶性酸和交換性酸均呈正累積，而吸持性酸則為負(fù)累積，總疊加效應(yīng)為負(fù)累積; 80—240 cm 土層各種形態(tài)酸含量均呈正累積; 240 cm以下土層對(duì)各種形態(tài)酸含量的影響均較小。各種形態(tài)酸對(duì)稻田總存在酸變化的貢獻(xiàn)率在不同深度土層不一致，在0—20 cm土層中，水溶性酸、交換性酸和吸持性酸的貢獻(xiàn)率分別為23.18%、16.42%、60.40%，以吸持性酸的影響最大; 20—60 cm土層中，水溶性酸的貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到60.54%; 60—80 cm土層中，吸持性酸的貢獻(xiàn)率最大，達(dá)68.22%，水溶性酸的貢獻(xiàn)率也較高，達(dá)到25.33%; 80—120 cm土層中，也以吸持性酸的影響占主導(dǎo)，平均貢獻(xiàn)率達(dá)到80%，其次是水溶性酸，交換性酸的貢獻(xiàn)率最低。由此可見(jiàn)，稻作利用方式對(duì)0—140 cm土層中總存在酸的影響較大，其中0—100 cm呈負(fù)累積，而100—140 cm土層呈正累積，稻作利用方式對(duì)ASS土壤中總存在酸的影響很大程度上決定于吸持性酸的變化，其次是水溶性酸，交換性酸的影響最小。

2.4稻作利用方式對(duì)水溶性硫含量的影響

ASS成土母質(zhì)黃鐵礦氧化發(fā)育過(guò)程中，形成各種次級(jí)硫酸鹽二次礦物，因此，水溶性硫含量是ASS鑒定的重要指標(biāo)[19]。從圖4可見(jiàn)，ASS的水溶性硫含量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)先大幅增加，然后大幅降低，最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。其中，0—100 cm深度范圍內(nèi)的水溶性硫含量隨土層深度的加深大幅提高，土層深度每下降20 cm，水溶性硫含量的增幅分別為0.65、0.48、1.82、0.54 g/kg，增幅平均為0.87 g/kg; 100—140 cm深度范圍內(nèi)的水溶性硫含量隨土層深度的加深大幅降低，土層深度每下降20 cm，水溶性硫含量的降幅分別為1.50、1.79 g/kg，降幅平均達(dá)到1.64 g/kg; 140 cm以下土層變化較小，且逐漸達(dá)到穩(wěn)定。其中，稻田在0—80 cm深度范圍內(nèi)的水溶性硫含量顯著低于荒地，其降幅隨土層深度增加呈先加大后縮小的變化趨勢(shì); 而稻田100—120 cm土層的水溶性硫含量則顯著高于荒地，其他土層的差異不顯著。表明稻作利用方式顯著影響ASS中水溶性硫的分布情況，其中0—80 cm土層出現(xiàn)淋溶流失，而100—120 cm土層則表現(xiàn)出水溶性硫的富集。

2.5水溶性硫與各種酸含量的相關(guān)性

從圖5可見(jiàn)，水溶性硫與水溶性酸、交換性酸和吸持性酸均能建立起線性回歸模型，且模型顯著性檢驗(yàn)均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。從線性回歸模型來(lái)看，水溶性硫與吸持性酸的相關(guān)性最顯著(R=0.904)，其次是水溶性酸。表明，ASS的酸含量與水溶性硫含量顯著相關(guān)，黃鐵礦等含硫礦物的氧化礦化是影響土壤酸含量水平的重要因素。

圖4　稻作利用方式對(duì)土壤水溶性硫的影響Fig.4　The influence of rice cultivation on soluble sulfur in soil

[注(Note): *—P< 0.05; ** —P< 0.01; ***—P< 0.001.]

3　討論

ASS中的酸含量對(duì)實(shí)地及周邊生態(tài)環(huán)境具有直接或間接的危害作用[12, 20]。ASS土體中的酸主要來(lái)源于成土母質(zhì)黃鐵礦的氧化反應(yīng)過(guò)程，隨著土層深度的加深，氧化還原電位逐漸降低，黃鐵礦氧化程度、酸釋放量也逐漸降低[9]。硫酸鹽是黃鐵礦氧化產(chǎn)物，本研究也表明，ASS的酸含量與水溶性硫含量

呈顯著線性相關(guān)(圖5)，黃鐵礦等含硫礦物的演變是影響ASS酸度水平的主要因素。另一方面，淋溶、流失、吸附等自然因素，以及施肥、翻耕等人為因素的干擾，可能會(huì)降低土壤酸性陽(yáng)離子含量。距離土表越近的土層，外界干擾作用越強(qiáng)，其酸性陽(yáng)離子的流失量越大[9, 21]。因此，大部分ASS的pH值隨著土層深度的降低，呈現(xiàn)先降低后提高“S”趨勢(shì)[9]。本研究表明，該區(qū)域ASS的酸分布特性基本符合這個(gè)變化趨勢(shì)(圖1、圖2)?？傮w上40—100 cm土層的酸含量最大，水溶性酸、交換性酸和吸持性酸的平均含量分別達(dá)到8.96、6.30、45.07 cmol/kg。

圖5　水溶性硫與水溶性酸、交換性酸和吸持性酸的線性回歸Fig.5　Linear regression of soluble sulfur with soluble acidity, exchangeable acidity and retained acidity

水溶性酸和交換性酸是存在于土壤中的活性酸組分，包含H+、Al3+、Fe2+等酸性陽(yáng)離子[22]，而吸持性酸主要儲(chǔ)存于黃鉀鐵礬、施氏礦物和羥礬石等容易水解的Fe/Al的羥基硫酸鹽次生礦物中[17]。當(dāng)ASS強(qiáng)烈酸化時(shí)，一部分水溶性酸或交換性酸會(huì)以吸持性酸的形態(tài)被固定下來(lái)，防止土壤進(jìn)一步酸化; 而當(dāng)土壤酸度提高到一定程度時(shí)，吸持性酸將被釋放出來(lái)，并轉(zhuǎn)化為水溶性酸或交換性酸[16]，因此，吸持性酸是暫時(shí)被固定的酸，對(duì)土壤的酸度水平起到一定緩沖作用。從酸的有效性來(lái)講，水溶性酸的游離度最大、有效性最高，交換性酸的有效性次之，吸持性酸的有效性最低。然而，ASS中幾種形態(tài)的酸是相互轉(zhuǎn)化的，處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)[23]。因此，本文觀察到土壤中總存在酸的各種酸組分隨土層深度變化的消長(zhǎng)動(dòng)態(tài)基本一致(圖2)，吸持性酸的含量遠(yuǎn)大于水溶性酸和交換性酸，表明ASS中有大量酸處于暫時(shí)休眠失活狀態(tài)。而有研究表明，SNAS測(cè)定方法低估了土壤中黃鉀鐵礬、施氏礦物的含量，可見(jiàn)該區(qū)域土壤中吸持性酸含量極大[17]。吸持性酸的釋放速率慢、周期長(zhǎng)，對(duì)土壤酸度貢獻(xiàn)率較水溶性酸和交換性酸更大，以及對(duì)土體及環(huán)境危害作用更大[17, 24]。因此，在評(píng)估ASS土壤的酸度水平時(shí)不能忽視該指標(biāo)。同時(shí)，從調(diào)查結(jié)果可見(jiàn)，ASS的酸儲(chǔ)量極大，且大部分均為吸持性酸，表明ASS的改良是一場(chǎng)長(zhǎng)期且緩慢的拉鋸戰(zhàn)。

ASS酸化程度顯著受氧化還原電位影響[9]，因此，任何改變氧化還原電位的自然或人為因素都顯著影響ASS的酸化程度[20]。ASS開(kāi)發(fā)農(nóng)用過(guò)程中，常導(dǎo)致地下水位下降，從而引起黃鐵礦氧化，釋放大量酸[25]，尤為甚者，深埋于土表2米以下的黃鐵礦也會(huì)因人為和自然因素綜合影響而被氧化[15]。不同利用方式對(duì)土壤氧化還原電位的影響程度不一，顯著影響酸的釋放和淋失，進(jìn)而影響土壤酸含量水平[5, 7]。種植水稻的利用方式因長(zhǎng)期淹水，土壤氧化還原電位較低，能有效減緩黃鐵礦的氧化，減緩ASS酸化[11]。本研究也表明，與荒地相比，稻作利用方式顯著降低了0—80 cm深度范圍內(nèi)的酸含量，而提高100—120 cm土層的酸含量(圖2)。由此可見(jiàn)，稻作利用方式顯著影響ASS酸分布及遷移過(guò)程。本文調(diào)查區(qū)域ASS發(fā)育于明清時(shí)代圍海造田運(yùn)動(dòng)，黃鐵礦埋藏土層已暴露于海平面以上[26]。黃鐵礦氧化速率是影響該區(qū)域ASS酸化進(jìn)程的主要因素。撂荒條件下，因受強(qiáng)酸影響，地表作物稀少，土壤蒸騰作用加強(qiáng)，進(jìn)一步降低土壤含水量，促進(jìn)黃鐵礦氧化過(guò)程及酸性陽(yáng)離子向上遷移過(guò)程[10, 12, 20]; 另一方面，地表裸露增加將會(huì)促進(jìn)土壤鹽基離子淋溶洗脫，降低土壤酸堿緩沖性能，使土壤質(zhì)量進(jìn)一步下降[27]。研究報(bào)道，稻作利用方式能有效提高不同成土母質(zhì)土壤pH值[28-29]。郭榮發(fā)等認(rèn)為，漬水、淹水環(huán)境促進(jìn)鐵、錳氧化物等被還原，以及灌溉水是促使稻作改善酸性土壤pH值的原因[28]。李艾芬等認(rèn)為，稻作體制下水稻土形成特定的酸堿緩沖體系，尤其鐵、錳氧化物的還原反應(yīng)對(duì)可大幅度消耗土壤溶液中的氫離子[29]。稻作體系的長(zhǎng)期淹水措施降低土壤氧化還原電位可以緩慢提高ASS的pH值，但對(duì)不同深度土層的影響效應(yīng)不同[30]。劉振乾等認(rèn)為，土壤水分是制約ASS酸度及酸性轉(zhuǎn)化的重要?jiǎng)恿C(jī)制，淹水措施緩解ASS酸化進(jìn)程尤為顯著，其次長(zhǎng)期干旱條件下ASS的pH值也相對(duì)穩(wěn)定，而干濕交替條件下ASS酸化程度最嚴(yán)重[8]。廣東省屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，土壤干濕交替頻繁; 而冬季低溫少雨，土壤含水量仍能保持在田間持水量范圍。因此，在自然條件下，該區(qū)域ASS酸化程度嚴(yán)重，而稻作利用方式下的淹水措施則不利于ASS酸形成[5]。本研究發(fā)現(xiàn)，稻作利用方式下顯著降低0—80cm 土層的酸含量，但卻提高了100—120 cm土層的酸含量，而對(duì)120 cm以下土層的酸含量沒(méi)有影響。由此可見(jiàn)，稻栽培模式下該強(qiáng)度的灌溉措施，一方面減緩了黃鐵礦的氧化進(jìn)程，另一方面也促進(jìn)了酸性陽(yáng)離子的向下遷移，從而使下層土壤的酸含量產(chǎn)生累積。高強(qiáng)度的淋溶作用將酸洗脫出根際范圍，將有利于水稻生長(zhǎng)，進(jìn)一步改善土表覆蓋作用，減少水分蒸騰，抑制酸性陽(yáng)離子的向上運(yùn)移[31]。稻作利用條件下頻繁的翻耕措施、施肥作用等影響，0—20 cm土層中的酸含量顯著降低，尤以吸持性酸含量極少，而撂荒地由于蒸騰作用強(qiáng)烈，0—20 cm土層的酸含量仍非常高，pH值低于4.0，仍有大量吸持性酸存在。由于水溶性酸和交換性酸在土壤中的移動(dòng)性較強(qiáng)，稻作利用方式對(duì)20—60 cm土層中這兩種酸的影響最大，進(jìn)而影響土壤總存在酸含量(圖5)。60—120 cm土層中，吸持性酸是總存在酸的主要成分，也是稻作利用方式影響ASS酸遷移的過(guò)渡土層。吸持性酸既是ASS重要的酸源，同時(shí)也是重要的酸緩沖機(jī)制[32]。60—120 cm土層的酸含量最高，其pH值低于3.0，稻作利用條件下向下遷移的酸性陽(yáng)離子與硫酸鹽、游離性Fe、Al等金屬元素形成黃鉀鐵礬、施氏礦物等羥基硫酸鹽二次礦物而被暫時(shí)固定起來(lái)，限制其向下遷移。因此，稻作利用方式導(dǎo)致0—80 cm中酸離子出現(xiàn)明顯的向下淋溶，并在100—120 cm土層進(jìn)行累積的遷移現(xiàn)象。同時(shí)，稻作利用方式下，為克服酸害，農(nóng)戶(hù)常施用石灰、鈣鎂磷肥等堿性肥料，中和了耕作層一部分酸，以及種稻過(guò)程中的翻耕措施也會(huì)降低酸性陽(yáng)離子含量[33]。

4　結(jié)論

本研究表明，珠江三角洲平原ASS中總存在酸含量極高，其中吸持性酸所占比例最大，其次是水溶性酸，交換性酸含量最小。各種形態(tài)酸含量均隨著土層深度的加深呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中40—100 cm土層的酸含量最高。稻作利用方式顯著降低上層土壤酸含量，并加強(qiáng)了酸淋洗下移作用，使100—120 cm土層中的酸含量大幅提高，并以黃鉀鐵礬等羥基硫酸鹽次生礦物暫時(shí)吸持固定下來(lái)。因此，稻作利用方式有效降低ASS酸含量水平，降低ASS對(duì)實(shí)地作物的危害作用，但因其強(qiáng)淋溶作用可能加大了對(duì)地下水體污染的風(fēng)險(xiǎn)。

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HUANG Qiao-yi, YANG Shao-hai, TANG Shuan-hu*, HUANG Xu, LI Ping, FU Hong-ting, YI Qiong, ZHANG Fa-bao

(InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment,GuangdongAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofPlantNutritionandFertilizerinSouthRegion,MinistryofAgriculture/GuangdongKeyLaboratoryofNutrientCyclingand

FarmlandConservation,Guangzhou510640,China)

【Objectives】 Acid sulphate soil(ASS)has high acid content and high mobility of Fe, Al, Mn, and other potentially toxic elements. Cultivation models significantly affect the oxidation of the main parent material of ASS(pyrite)and bring ecological risks. Rice cultivation has been considered as a model with low ecological risk. Therefore, this study on the acid content of ASS was conducted in paddy fields and abandoned land respectively, in order to examine the effects that rice cultivation has on the acid content of ASS and to confirm this conclusion. 【Methods】 Acid sulfate soil samples were collected from paddy fields and fallow land in the coastal area of Pearl River Delta in Taishan City, Guangdong Province in August, 2013. The soil samples were collected at 20 cm intervals in soil profiles of 300 cm in depth at five locations. The pH value, soluble acidity, exchangeable acidity, retainable acidity and soluble sulphate were determined. 【Results】 The acid content varied according to soil depth. The total acidity from 0 to 80 cm deep increased by 62% every 20 cm deeper. From 80 to 220 cm deep, the total acidity decreased by 62% every 20 cm in depth from 80 to 180 cm. The acidity in soil profiles between 220 and 300 cm remained stable and very low with a pH value of approximately 6.0. Rice cultivation influenced the distribution and movement of acid in ASS profiles significantly. Compared to abandoned land, the total amount of acidity present in soil from 0 to 80 cm in depth in paddy fields decreased significantly, while soluble acidity, exchangeable acidity and retainable acidity decreased by 77%, 37% and 28% respectively, and the difference in soluble acidity and exchangeable acidity was at a significant level whereas retainable acidity decreased significantly only in soil layers from 0-20 cm and 60-80 cm in the paddy fields. However, the total amount of acidity existing in soil from 100 to 120 cm in depth in paddy fields was significantly higher than in the abandoned land, while soluble acidity, exchangeable acidity and retainable acidity increased by 128%, 55% and 155%, respectively. The exchangeable acidity and retainable acidity in soil from 120 to 240 cm in depth in paddy fields were slightly higher but not significantly than those in the abandoned land. The acid content in soil from 240 to 300 cm in depth in paddy fields was similar to that in the abandoned land. Basically, rice cultivation affected the vertical distribution of acid content in the ASS profile, while the acidity of soils from 0 to 80 cm in depth decreased significantly, and the acidity of soil from 100 to 120 cm in depth increased significantly, and was absorbed by jarosite and accumulated as retainable acidity. The soluble sulphate of soil in the paddy fields was significantly lower than that in the abandoned land from 0 to 80 cm in depth, but was significantly higher than that in the abandoned land from 100 to 120 cm in depth. Soluble sulphate was correlated positively with soluble acidity, exchangeable acidity and retainable acidity, implying that rice cultivation might affect the distribution and movement of acid in ASS profiles by causing the transformation of sulphate minerals. 【Conclusions】 Rice cultivation significantly reduced the acid content in the upper layer of soil, increased the acid leaching leading to higher rates of acidity in soil from 100 to 120 cm in depth, which was temporarily retained in hydroxy-sulphate secondary minerals(such as jarosite). Therefore, rice cultivation can effectively lower the acid content of ASS, hence reduce its harm on plants in situ. On the other hand, rice cultivation may increase groundwater pollution due to higher leaching.

acid sulfate soil; rice cultivation; acidity; migration

2014-08-20接受日期: 2014-11-18網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-07-02

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科技專(zhuān)項(xiàng)(201003016); 廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012A020100004)資助。

黃巧義(1985—)，男，廣東潮陽(yáng)人，碩士，助理研究員，主要從事土壤培肥及高效施肥技術(shù)研究。E-mail: huangqiaoyi@hotmail.com

E-mail: 1006339502@qq.com.

S156.4+2

A

1008-505X(2016)02-0353-09