我國(guó)南方不同母質(zhì)土壤pH剖面特征及酸化因素分析

趙凱麗，王伯仁，徐明崗，蔡澤江，石偉琦，馬海洋

（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 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；3 北京市土肥工作站，北京 100029；4 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所，廣東湛江 524091）

土壤pH值降低將引起K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4

+等鹽基離子的淋失，交換性酸、鋁的增加[1-2]及重金屬元素的有效性提高[3]，嚴(yán)重影響土壤質(zhì)量。母質(zhì)可通過(guò)影響土壤的物理性質(zhì) (質(zhì)地、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等)和化學(xué)性質(zhì) (pH、陽(yáng)離子交換量、酸堿緩沖容量、有機(jī)質(zhì)含量等)[4-6]，進(jìn)而影響土壤的酸化進(jìn)程[7-9]。明確不同母質(zhì)土壤的酸化現(xiàn)狀，分析主要酸化因素，可采取有效措施減緩酸化進(jìn)程，減少因酸化造成經(jīng)濟(jì)損失及生態(tài)環(huán)境惡化。Fujii等[10]提出，母質(zhì)可通過(guò)影響土壤中酸的強(qiáng)度、分布及酸中和能力來(lái)影響酸化過(guò)程。在物理性質(zhì)方面，朱麗東[11]對(duì)浙江紅土粒度組成的研究表明，砂巖紅土最粗，花崗巖紅土次之，玄武巖紅土最細(xì)。田冬[7]等選取不同質(zhì)地的土壤研究氮添加對(duì)pH的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)后砂土、粉黏壤土和黏土的平均pH分別下降了0.49～0.69、0.82～1.02、0.59～0.67個(gè)單位，以粉黏壤土下降的幅度最大。在化學(xué)性質(zhì)方面，何騰兵等[12]研究發(fā)現(xiàn)，pH對(duì)母巖有較大繼承性，石灰?guī)r、鈣質(zhì)紫色砂頁(yè)巖、河流沖積物土壤pH為中性至微堿性，紅色黏土、砂巖、頁(yè)巖土壤pH為酸性至強(qiáng)酸性；相比砂巖土壤，紫色砂頁(yè)巖、河流沖積物土壤的有機(jī)質(zhì)含量及陽(yáng)離子交換量較高。曹丹等[9]研究發(fā)現(xiàn)，隨著有機(jī)質(zhì)含量增加，茶園土壤酸化速率呈下降趨勢(shì)。吳甫成[13]、王曉燕[14]等研究表明，不同母質(zhì)紅壤酸堿緩沖能力的強(qiáng)弱程度不同。沈月[8]等研究發(fā)現(xiàn)棕壤的酸化速率不僅與酸堿緩沖容量有關(guān)，也與pH的變化有關(guān)。綜上，不同母質(zhì)土壤的理化性質(zhì)有較大差異，可影響土壤酸化的進(jìn)程。目前，對(duì)不同母質(zhì)土壤的酸化因素有較多研究，但綜合這些因素分析主要影響因素方面仍相當(dāng)薄弱。本研究以湖南祁陽(yáng)白茅草植被下七種母質(zhì)發(fā)育的土壤為研究對(duì)象，分析不同層次的pH，比較表層 (0—20 cm) 與底層 (60—100 cm) pH的差異，揭示不同母質(zhì)土壤pH的剖面特征及酸化現(xiàn)狀，明確比表面積等物理指標(biāo)和酸堿緩沖容量等化學(xué)指標(biāo)中影響不同母質(zhì)土壤表層酸化的關(guān)鍵因素。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

湖南省祁陽(yáng)縣位于中國(guó)南方典型紅壤丘陵區(qū)，該區(qū)域年平均日照時(shí)數(shù)為1613.1 h，太陽(yáng)幅射量為108.7 kcal/cm2，年平均氣溫為17.8～18.4℃，無(wú)霜期293 d，年降雨量1150～1350 mm，祁陽(yáng)縣主要成土母質(zhì)有：第四紀(jì)紅土 (占全縣土壤總面積的6.2%)、板頁(yè)巖 (占全縣土壤總面積的23.6%)、紅砂巖 (占全縣土壤總面積的34.7%)、花崗巖 (占全縣土壤總面積的7.1%)、石灰?guī)r (占全縣土壤總面積的19.7%)、河流沖積物 (占全縣土壤總面積的2%)、紫色頁(yè)巖 (占全縣土壤總面積的6.9%)。

本研究所選取土壤于2014年10月采自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院祁陽(yáng)紅壤站 (111°52′E，26°45′N(xiāo)) 周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)，為減少氣候、酸沉降等環(huán)境因素對(duì)酸化的影響，更好地說(shuō)明母質(zhì)對(duì)酸化的作用，本研究采用小范圍局部采樣，具體植被和采樣地點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤采樣地點(diǎn)基本情況Table 1 Location details of the tested soils

1.2 試驗(yàn)材料

在每個(gè)土壤樣地上隨機(jī)選取3個(gè)地表?xiàng)l件相同的采樣點(diǎn)，分別采集0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm共5個(gè)層次的土壤樣品，自然風(fēng)干后，去除石塊和殘根等雜物，磨碎，過(guò)2 mm篩，用四分法取約 300 g作為待測(cè)樣品。不同層次土壤用于pH測(cè)定，0—20 cm土壤用于測(cè)定比表面積、顆粒組成、酸堿緩沖容量、有機(jī)質(zhì)含量和陽(yáng)離子交換量。

1.3 試驗(yàn)方法

土壤pH采用電極電位法測(cè)定，水土比為2.5∶1；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，陽(yáng)離子交換量采用乙酸銨交換法測(cè)定；土壤的比表面積測(cè)定采用氮?dú)馕椒y(cè)定[15]，土壤顆粒組成利用激光顆粒分析儀(美國(guó) Beckman Coulter LS13320) 測(cè)定，采用轉(zhuǎn)換模型計(jì)算顆粒含量[16]。土壤的酸堿緩沖容量測(cè)定[17-18]：稱(chēng)取4 g風(fēng)干土壤15份于50 mL離心管，分別加入已標(biāo)定濃度 (0.00125～0.04 mol/L) 的 HCl和NaOH溶液20 mL，使水土比為5∶1，最終加入的酸堿量分別為0、3.125、6.25、12.5、25、37.5、75、100 mmol/kg，所有處理均重復(fù)1次；土壤懸液振蕩1 h后，恒溫25℃培養(yǎng)，期間每天用力往復(fù)搖勻一次，平衡7天后測(cè)定土壤pH，以pH為橫坐標(biāo)，加入酸堿的量為縱坐標(biāo)作圖得到土壤酸堿緩沖曲線(xiàn)，對(duì)曲線(xiàn)突躍范圍內(nèi)斜率相近的部分進(jìn)行局部直線(xiàn)擬合計(jì)算，斜率值即為土壤的酸堿緩沖容量[17]。

所有圖和數(shù)據(jù)分析分別采用Excel2003和SPSS Statistics 20軟件，不同處理間的顯著性 (P＜ 0.05) 采用Duncan法檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同母質(zhì)土壤的剖面pH值

白茅草植被下，由不同母質(zhì)土壤pH值的剖面變化 (圖1) 可知，第四紀(jì)紅土、紅砂巖、板頁(yè)巖、花崗巖四種母質(zhì)發(fā)育的剖面紅壤均呈酸性或強(qiáng)酸性 (pH ＜6)，以花崗巖紅壤pH (5.31～5.70) 最高，其次為第四紀(jì)紅土紅壤 (pH 4.62～4.97)，紅砂巖紅壤 (pH 4.31～4.67)，板頁(yè)巖紅壤的pH (4.25～4.49) 最低。石灰?guī)r土壤 (pH 8.46～8.72) 呈強(qiáng)堿性，河流沖積物(pH 7.37～7.87)、紫色頁(yè)巖 (pH 7.41～8.00) 土壤呈堿性。

第四紀(jì)紅土、紅砂巖、板頁(yè)巖紅壤，石灰?guī)r、河流沖積物和紫色頁(yè)巖土壤的pH隨土層 (0—60 cm)深度增加呈增加趨勢(shì)，增加幅度為0.11、0.19、0.12和0.1、0.4、0.37個(gè)pH單位。花崗巖紅壤的pH隨土層 (0—40 cm) 深度的增加呈降低趨勢(shì)，降低幅度為0.13個(gè)pH單位；七種母質(zhì)剖面土壤的各層次間，底土兩個(gè)層次 (60—80 cm和80—100 cm) 間差異性不顯著，但均與表層 (0—20 cm) 的差異性顯著。

2.2 不同母質(zhì)土壤的酸化特征

選取白茅草根系分布的表層 (0—20 cm) 和底土差異性不顯著的兩個(gè)層次 (60—80 cm和80—100 cm) 分別作為表層和底層，通過(guò)比較表層 (0—20 cm)與底層 (60—100 cm) pH的差異來(lái)表征表層土壤的酸化狀況。由表2可看出，0—20 cm土層，以石灰?guī)r土壤pH最高，其次為紫色頁(yè)巖、河流沖積物土壤，再次為花崗巖、第四紀(jì)紅土紅壤，板頁(yè)巖、紅砂巖紅壤的pH最低；底層的pH也呈現(xiàn)了類(lèi)似的變化規(guī)律。

圖 1 不同母質(zhì)土壤pH剖面特征Fig. 1 Soil pH in profiles of soils derived from different parent materials

表2 0—20 cm、60—100 cm土壤pH值及差值Table 2 Soil pH values in 0-20 cm, 60-100 cm layers and their difference in each soil

通過(guò)與底層pH的比較可發(fā)現(xiàn)，0—20 cm出現(xiàn)了pH降低的現(xiàn)象，說(shuō)明表層土壤已出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，酸化程度大小依次為：紫色頁(yè)巖土壤 ＞ 河流沖積物土壤、花崗巖紅壤 ＞ 第四紀(jì)紅土、紅砂巖紅壤 ＞ 石灰?guī)r土壤、板頁(yè)巖紅壤；石灰?guī)r土壤和板頁(yè)巖紅壤的酸化程度顯著小于紫色頁(yè)巖土壤。

2.3 不同母質(zhì)土壤0—20 cm土層的酸堿緩沖容量、有機(jī)質(zhì)含量及陽(yáng)離子交換量

表3表明，除第四紀(jì)紅土、板頁(yè)巖紅壤，各母質(zhì)土壤酸堿緩沖容量的差異水平達(dá)到顯著；河流沖積物土壤的酸堿緩沖容量最大，對(duì)酸的抵抗力最強(qiáng)，其次為紫色頁(yè)巖、石灰?guī)r土壤；第四紀(jì)紅土壤的酸堿緩沖容量最小，其次為板頁(yè)巖、紅砂巖、花崗巖紅壤，對(duì)酸的抵抗力較弱。

0—20 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量以紅砂巖紅壤最高，其次為花崗巖紅壤、河流沖積物土壤，與其它母質(zhì)差異水平達(dá)到顯著，再次為第四紀(jì)紅土、板頁(yè)巖紅壤和石灰?guī)r土壤，紫色頁(yè)巖土壤的有機(jī)質(zhì)含量最低，顯著低于其它母質(zhì)土壤。

0—20 cm土層以花崗巖紅壤的陽(yáng)離子交換量最高，其次為紫色頁(yè)巖土壤，均顯著高于其它母質(zhì)土壤；再次為石灰?guī)r土壤、第四紀(jì)紅土、紅砂巖紅壤、河流沖積物土壤，板頁(yè)巖紅壤的陽(yáng)離子交換量最低，顯著低于其它母質(zhì)土壤。

相關(guān)性分析結(jié)果表明，七種母質(zhì)土壤的酸堿緩沖容量與有機(jī)質(zhì)含量 (r= 0.0029)、陽(yáng)離子交換量 (r=0.0666) 未呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系 (n= 21)。但四種母質(zhì)酸性紅壤 (第四紀(jì)紅土、紅砂巖、板頁(yè)巖、花崗巖紅壤) 的酸堿緩沖容量與陽(yáng)離子交換量 (r= 0.8646**) 呈極顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)含量 (r= 0.3377) 未呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性 (n= 12)。

表3 0—20 cm土壤酸堿緩沖容量、有機(jī)質(zhì)含量及陽(yáng)離子交換量Table 3 pH buffer capacity, organic matter content and cation exchange capacity in 0-20 cm layer of soil from different parent materials

2.4 不同母質(zhì)土壤0—20 cm土層比表面積及顆粒組成

表4 顯示，花崗巖紅壤的比表面積最大，顯著高于其它母質(zhì)土壤，其次為第四紀(jì)紅土、紅砂巖紅壤，其余四種母質(zhì)土壤間的比表面積無(wú)顯著差異。根據(jù)土壤的顆粒組成可得出，紫色頁(yè)巖土壤黏粒含量最高，屬粉砂質(zhì)黏壤土；石灰?guī)r、河流沖積物土壤砂粒含量最高，屬黏壤土；第四紀(jì)紅土、紅砂巖、板頁(yè)巖紅壤屬于粉砂質(zhì)黏土，粉粒含量高；花崗巖紅壤屬壤質(zhì)黏土。

2.5 不同母質(zhì)土壤酸化的主要影響因素

綜合以上與表層酸化過(guò)程可能有關(guān)的因素 (包括pH、比表面積、顆粒組成、緩沖容量、陽(yáng)離子交換量、有機(jī)質(zhì)含量)，運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行逐步回歸分析[19-20]結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有變量被輸入到方程中，即未得出影響七種母質(zhì)土壤表層酸化的主要因素；而針對(duì)其中由四種母質(zhì)發(fā)育的酸性紅壤 (即第四紀(jì)紅土、紅砂巖、花崗巖、板頁(yè)巖紅壤)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)離子交換量是影響四種母質(zhì)紅壤表層酸化的主要因素。

首先對(duì)0—20 cm與60—100 cm土層的△pH進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，選適用小樣本檢驗(yàn) (本研究n= 12屬于小樣本) 的Shapiro-Wilk Test模型，結(jié)果表明，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量為0.893，顯著性大于0.05水平 (P= 0.249)，故因變量 (△pH) 服從正態(tài)分布，可進(jìn)行回歸分析。

表4 0—20 cm土壤的比表面積及顆粒組成Table 4 Specific surface area and mineral composition of soil particles in 0-20 cm soil layer from different parent materials

由表5的分析結(jié)果可得出線(xiàn)性回歸方程為：y= 0.157 - 0.013x1

式中：y—△pH；x1—陽(yáng)離子交換量。回歸系數(shù)的顯著性均小于0.05，即自變量與因變量之間存在顯著性差異，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義故留在方程中。自變量x1對(duì)y的直接作用是P1y= 0.785，說(shuō)明陽(yáng)離子交換量對(duì)表層酸化有直接影響。

3 討論

3.1 不同母質(zhì)土壤的酸化特征

土壤pH對(duì)母巖有較大繼承性[12]。根據(jù)中國(guó)土壤的酸堿度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，1987)，本文中第四紀(jì)紅土、紅砂巖、板頁(yè)巖紅壤均屬于強(qiáng)酸性紅壤 (pH ＜ 5)，主要原因可能是三種母質(zhì)紅壤經(jīng)歷了較完全的風(fēng)化成土過(guò)程，處于脫硅富鋁化階段，大部分鹽基淋失殆盡，導(dǎo)致土壤pH較低[14]?；◢弾r紅壤屬于酸性紅壤 (pH ＜ 6)，0—40 cm的pH顯著低于底層，主要原因是此采樣點(diǎn)為次生白茅草地，曾種過(guò)茶樹(shù)，種植方法采用深耕松土條栽，種植過(guò)程中施用氮肥、有機(jī)肥等，加速了表層酸化[21-22]，且0—40 cm的pH隨土層深度增加呈降低趨勢(shì)，可能是因?yàn)?—20 cm生長(zhǎng)白茅草后，承接的大量枯枝落葉增加了有機(jī)質(zhì)積累，減緩了酸化進(jìn)程，故pH高于20—40 cm。河流沖積物、紫色頁(yè)巖土壤屬于堿性土壤 (7.5 ＜ pH ＜ 8.5)，河流沖積物為多種地表物質(zhì)的混合沉積物，受水分作用影響，發(fā)育的土壤接近中性[12]；紫色頁(yè)巖發(fā)育程度遲緩，不具脫硅富鋁化特征，風(fēng)化微弱，含有碳酸鈣，鹽基飽和度高[23]，土壤呈堿性。石灰?guī)r土壤屬?gòu)?qiáng)堿性土壤 (pH ＞ 8.5)，主要是因?yàn)橥寥乐泻S富的碳酸鈣[24]且鹽基豐富，母巖風(fēng)化過(guò)程中碳酸鈣延緩了鹽基的淋失和土壤的酸化進(jìn)程，土壤堿性較強(qiáng)。

白茅草根系主要分布在0—20 cm的土壤表層[25]，是枯枝落葉分布的主要區(qū)域，受植被因素影響顯著，在一定程度上土壤性質(zhì)發(fā)生了變化；而60—100 cm位于底層，主要受母質(zhì)等結(jié)構(gòu)因素影響，外界因素的干擾小，pH 較接近原始值[26]。因此，本研究選取 0—20 cm作為表層，底土差異性不顯著的兩個(gè)層次 (60—80 cm和80—100 cm) 作為底層，通過(guò)比較表層 (0—20 cm) 與底層 (60—100 cm) pH的差異來(lái)表征表層土壤的酸化狀況。比較發(fā)現(xiàn)，七種母質(zhì)土壤的0—20 cm均出現(xiàn)pH降低，說(shuō)明表層土壤已出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，可能原因是：植物根系可分泌有機(jī)酸，植物從土壤中吸收鹽基陽(yáng)離子時(shí)可分泌質(zhì)子，根系及根際微生物呼吸作用產(chǎn)生的CO2溶于水也可離解出質(zhì)子，促進(jìn)了土壤酸化。

本研究表明，七種母質(zhì)土壤，以紫色頁(yè)巖表層酸化最為嚴(yán)重，顯著高于石灰?guī)r土壤，石灰?guī)r土壤、板頁(yè)巖紅壤表層酸化程度最小；可能原因是石灰?guī)r、紫色頁(yè)巖發(fā)育的堿性土壤主要通過(guò)碳酸鹽對(duì)外源酸堿起緩沖作用，石灰?guī)r土壤中的碳酸鹽含量顯著高于紫色頁(yè)巖土壤，故紫色頁(yè)巖表層酸化程度顯著大于石灰?guī)r土壤。板頁(yè)巖發(fā)育的紅壤pH偏低(pH 4.25～4.49)，屬于強(qiáng)酸性紅壤，酸化空間較小，酸化程度較弱。

3.2 不同母質(zhì)土壤酸化的影響因素

本研究對(duì)與表層酸化可能有關(guān)的八種因素[比表面積、顆粒組成 (黏粒、粉粒、砂粒含量)、pH、緩沖容量、陽(yáng)離子交換量、有機(jī)質(zhì)含量]進(jìn)行逐步回歸分析：對(duì)七種母質(zhì)土壤分析，未得出影響表層酸化的主要因素；分析四種母質(zhì) (第四紀(jì)紅土、紅砂巖、花崗巖和板頁(yè)巖) 發(fā)育的酸性紅壤，得出陽(yáng)離子交換量是影響表層酸化的主要因素。這可能是由于本研究選取的七種母質(zhì)土壤的酸堿度差異較大 (pH跨度范圍為4.25～8.46)，酸性土壤的酸化空間小于堿性土壤；且七種母質(zhì)土壤的酸堿緩沖機(jī)制不同，根據(jù)Ulrich[27-28]對(duì)土壤酸堿緩沖體系的分類(lèi)，可認(rèn)為石灰?guī)r、紫色頁(yè)巖和河流沖積物發(fā)育的堿性土壤主要是通過(guò)碳酸鹽對(duì)外源酸堿起緩沖作用，第四紀(jì)紅土、紅砂巖、板頁(yè)巖、花崗巖等發(fā)育的酸性紅壤主要通過(guò)陽(yáng)離子交換量等對(duì)外源性酸堿起到緩沖作用，故影響不同母質(zhì)土壤酸化的因素需分類(lèi)研究。本文僅得出影響第四紀(jì)紅土、紅砂巖、板頁(yè)巖和花崗巖四種酸性母質(zhì)表層紅壤酸化的主要因素之一是陽(yáng)離子交換量，對(duì)于影響堿性土壤酸化的因素還需進(jìn)一步分析。

表5 回歸方程的系數(shù)Table 5 The coefficiens of regression equation

本研究表明，陽(yáng)離子交換量是影響第四紀(jì)紅土、紅砂巖、板頁(yè)巖、花崗巖四種母質(zhì)紅壤酸化的主要因素，0—20 cm以花崗巖紅壤的陽(yáng)離子交換量顯著高于其它母質(zhì)紅壤，其次為第四紀(jì)紅土、紅砂巖紅壤，板頁(yè)巖紅壤的陽(yáng)離子交換量最低。主要原因可能是板頁(yè)巖紅壤屬于粉砂質(zhì)黏土，粉粒和黏粒含量相對(duì)較高，且酸堿緩沖容量較小，故陽(yáng)離子交換量低。第四紀(jì)紅土、紅砂巖紅壤在成土過(guò)程中，礦物化學(xué)風(fēng)化、淋溶強(qiáng)烈，導(dǎo)致質(zhì)地粗，結(jié)構(gòu)松，極易造成鹽基流失，故陽(yáng)離子交換量也不高。本研究中的花崗巖紅壤采樣點(diǎn)曾種植過(guò)茶樹(shù)，施用的氮肥、有機(jī)肥等增加了土壤中的鹽基離子[29]，故陽(yáng)離子交換量顯著高于其它三種母質(zhì)土壤。

王文婧[30]在研究皖南紅壤陽(yáng)離子釋放特征中發(fā)現(xiàn)，模擬酸雨作用下，第四紀(jì)紅土紅壤鹽基離子的釋放總量明顯增加，在緩沖中起主要作用。本研究表明，第四紀(jì)紅土、紅砂巖、板頁(yè)巖、花崗巖四種母質(zhì)紅壤的酸堿緩沖容量與陽(yáng)離子交換量呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)，處于交換性陽(yáng)離子緩沖體系[31]，故可增加紅壤中的交換性陽(yáng)離子含量來(lái)減緩酸化進(jìn)程。

4 結(jié)論

白茅草植被下七種母質(zhì)發(fā)育的土壤中，與底層(60—100 cm) 相比，0—20 cm土層酸化程度大小依次為：紫色頁(yè)巖土壤 ＞ 河流沖積物土壤、花崗巖紅壤 ＞ 第四紀(jì)紅土、紅砂巖紅壤 ＞ 石灰?guī)r土壤、板頁(yè)巖紅壤。影響不同母質(zhì)土壤酸化的因素需分類(lèi)研究，在本文所選取的八種可能因素中，陽(yáng)離子交換量是影響第四紀(jì)紅土、紅砂巖、板頁(yè)巖和花崗巖四種酸性紅壤表層酸化的主要因素。