南方典型紅壤區(qū)旱地與水田土壤酸度的剖面差異性①

趙凱麗，徐明崗，周曉陽(yáng)，蔡澤江,3，王伯仁,3，劉 瑜，顏 芳，孫 楠

南方典型紅壤區(qū)旱地與水田土壤酸度的剖面差異性①

趙凱麗1, 2，徐明崗1*，周曉陽(yáng)1，蔡澤江1,3，王伯仁1,3，劉 瑜2，顏 芳2，孫 楠1

(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/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 北京市耕地建設(shè)保護(hù)中心，北京 100101；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)

為探明紅壤區(qū)不同耕地利用類型下土壤酸度的剖面變化特征及其主要影響因素，選取江西省余江縣和湖南省祁陽(yáng)縣的典型水田、旱地兩種耕地利用類型下、第四紀(jì)紅色黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤，分5層(0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60、60 ～ 80和 80 ～ 100 cm)測(cè)定土壤pH、交換性鋁、交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子及有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)，分析剖面酸度特征及其相互關(guān)系。結(jié)果表明：土壤pH均隨土層深度的增加呈增加趨勢(shì)，不同耕地利用類型下以水田剖面pH較高，范圍為5.80 ～ 6.43，旱地剖面pH較低，范圍為4.68 ～ 5.41。土壤交換性鋁含量以水田含量較低，范圍為0.16 ～ 1.56 cmol/kg，旱地的含量較高，范圍為4.22 ～ 7.02 cmol/kg，水田的交換性鋁含量隨土層深度的增加呈降低趨勢(shì)，旱地則呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。0 ～ 20 cm土層的交換性鋁與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)，40 ～ 100 cm土層的交換性鋁與交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子含量呈顯著負(fù)相關(guān)。耕地利用類型是影響土壤酸度的主要因素之一，旱地土壤酸度強(qiáng)于水田。增加耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量可能是減緩酸化、降低交換性鋁含量的策略之一。

耕地利用類型；土壤剖面；水田；旱地；酸度

我國(guó)南方紅壤區(qū)土壤酸化加劇，成為農(nóng)田土壤質(zhì)量退化的主要形式[1-3]。土壤酸化可導(dǎo)致鈣鎂等陽(yáng)離子含量降低、鋁等作物毒害元素活性增加，嚴(yán)重影響作物的生長(zhǎng)[3]。Guo等[4]研究表明，我國(guó)農(nóng)田的土壤pH 在1980—2000 年間顯著下降了0.5個(gè)單位左右，化學(xué)氮肥大量投入是引起土壤酸化的重要原因。土壤中H+的產(chǎn)生與消耗伴隨著銨態(tài)氮硝化過程和硝態(tài)氮的淋溶損失，是土壤酸化的重要機(jī)制[5]。周海燕等[6]對(duì)整個(gè)祁陽(yáng)縣域的土壤酸化研究發(fā)現(xiàn)，無論是旱地還是水田，氮循環(huán)過程都是H+產(chǎn)生的主要來源，產(chǎn)酸貢獻(xiàn)率達(dá)66.5%。Wu等[7]研究表明，旱地較水田土壤含水量低，土壤以有氧狀態(tài)為主，氮肥的硝化作用強(qiáng)。水田、旱地是南方紅壤區(qū)的兩大主要耕地利用類型，具有不同的水分、養(yǎng)分管理模式及種植方式，土壤內(nèi)部的氧化還原環(huán)境也隨之存在差異，影響土壤中氮等元素的轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而影響著土壤的酸堿度[8-9]。因此，探明南方典型紅壤區(qū)土壤酸度的特征與耕地利用類型的關(guān)系，對(duì)該區(qū)耕地質(zhì)量提升具有重要意義。然而，前人對(duì)不同耕地利用類型(水田、旱地)下土壤酸化的研究大多更關(guān)注于表層[10-12]，關(guān)于其在剖面上的分布差異性研究尚較缺乏。因此，本研究選取紅壤區(qū)的兩個(gè)典型縣域——江西省余江縣和湖南省祁陽(yáng)縣，通過調(diào)查取樣，分析該區(qū)土壤酸度的剖面特征及其與耕地利用類型的關(guān)系，以為該區(qū)土壤酸化防治及耕地質(zhì)量提升提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)概況

江西省余江縣和湖南省祁陽(yáng)縣均位于我國(guó)南方典型紅壤丘陵區(qū)，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。余江縣年平均溫度18.1℃，年均降水量1 537 mm，年均蒸發(fā)量1 150 mm，年均日照時(shí)數(shù)1 950 h，無霜期290 d；祁陽(yáng)縣年平均氣溫為18℃，年均降水量1 255 mm，年均蒸發(fā)量1 470 mm，年均日照時(shí)數(shù)1 610 h，無霜期300 d。

該區(qū)耕地利用類型主要包括水田(指有水源保證和灌溉設(shè)備、能正常灌溉、用于種植水稻的耕地)和旱地(主要靠天然降水、灌溉僅作為補(bǔ)充、種植旱地作物的耕地)。為減少自然成土因素對(duì)剖面酸度的影響，重點(diǎn)研究耕地利用類型對(duì)表層酸化的影響，本研究依托長(zhǎng)期試驗(yàn)站在縣域小范圍尺度內(nèi)采樣，根據(jù)余江縣和祁陽(yáng)縣的不同耕地利用方式和成土母質(zhì)的分布面積和比例，全縣域尺度內(nèi)以網(wǎng)格法進(jìn)行布點(diǎn)，選取歷史利用類型為撂荒地、耕作年限近似、由第四紀(jì)紅色黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤作為代表性樣點(diǎn)，余江縣14個(gè)，祁陽(yáng)縣8個(gè)，詳見表1。余江縣土樣于2016年1月采自中國(guó)科學(xué)院紅壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站(116°55′E，28°15′N)周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)，祁陽(yáng)縣土樣于2014年6月采自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院祁陽(yáng)紅壤站 (111°2′E，26°5′N) 周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

表1 土壤采樣點(diǎn)基本狀況

1.2 樣品采集

在每個(gè)樣點(diǎn)選取具有代表性且面積大于2 668 m2(4畝)的田塊，采用“S”形取樣法，用土鉆分別采集0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60、60 ～ 80、80 ～ 100 cm共5個(gè)層次的土壤剖面樣品，按土層分別混成5個(gè)土樣，自然風(fēng)干后，去除石塊和殘根等雜物，研磨過2 mm篩，用四分法取約300 g作為待測(cè)樣品。

1.3 樣品測(cè)定與數(shù)據(jù)分析

土壤pH采用電位法測(cè)定，水土質(zhì)量比為5∶1；交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子含量采用1 mol/L乙酸銨交換–原子吸收分光光度法測(cè)定；交換性鋁采用1 mol/L氯化鉀浸提–氫氧化鈉中和滴定法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[13]。

文中數(shù)據(jù)處理與分析分別采用Excel 2003和SPSS Statistics 20軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅壤pH

如圖1所示，第四紀(jì)紅土發(fā)育的整個(gè)紅壤剖面均呈酸性或弱酸性(pH<6.50)。不同耕地利用類型下以水田剖面pH較高，范圍為5.80 ～ 6.43，其中，祁陽(yáng)水田剖面pH(范圍為5.40 ～ 6.43)高于余江水田(范圍為4.98 ～ 5.91)，平均高0.23個(gè)單位。紅壤旱地剖面的pH較低，范圍為4.68 ～ 5.41，其中，除0 ～ 40 cm土層外，余江旱地剖面pH(范圍為5.22 ～ 5.41)低于祁陽(yáng)旱地(范圍為4.94 ～ 5.02)，平均低0.36個(gè)單位。

紅壤剖面的pH均隨土層深度的增加呈增加趨勢(shì)，說明表層土壤出現(xiàn)了酸化現(xiàn)象。與底層(80 ～ 100 cm)相比，余江地區(qū)水田的表層(0 ～ 20 cm)pH降低了0.93個(gè)單位，旱地的表層降低了0.33個(gè)單位；而祁陽(yáng)地區(qū)水田的表層降低了0.63個(gè)單位，旱地的表層降低了0.72個(gè)pH單位。

圖1 不同耕地利用類型下紅壤pH的剖面特征

2.2 紅壤的交換性鋁含量

紅壤剖面的交換性鋁含量以水田較低，范圍為0.16 ～ 1.56 cmol/kg，旱地較高，范圍為4.22 ～ 7.02 cmol/kg(圖2)。

余江縣的水田土壤交換性鋁含量隨土層深度的增加呈降低趨勢(shì)，降低幅度為1.40 cmol/kg；旱地的交換性鋁含量則隨土層深度的增加呈增加趨勢(shì)，增加幅度為2.8 cmol/kg。祁陽(yáng)縣水田土壤交換性鋁含量隨土層深度的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，與底層(80 ～ 100 cm)相比，表層(0 ～ 20 cm)的交換性鋁含量降低了1.03 cmol/kg；旱地的交換性鋁含量在各層次(20 ～ 100 cm)之間的差異性不顯著，0 ～ 20 cm土層的交換性鋁含量增加了0.29 cmol/kg。

2.3 紅壤的交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子含量

紅壤剖面的交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子含量以水田較高，為3.83 ～ 5.78 cmol/kg，旱地較低，為0.57 ～ 3.00 cmol/kg(圖3)。

余江水田的交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子含量以0 ～ 40 cm土層顯著低于60 ～ 100 cm土層，降低了1.45 cmol/kg，旱地的交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子含量則隨土層深度的增加呈降低趨勢(shì)，降低幅度為1.19 cmol/kg。祁陽(yáng)水田(60 ～ 80 cm土層除外)的交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子含量隨著土層深度的增加呈增加趨勢(shì)，增加幅度為0.75 cmol/kg，旱地的交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子含量在各土層間的差異性不顯著，與底層(80 ～ 100 cm)相比，表層(0 ～ 20 cm)的交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子含量增加了0.37 cmol/kg。

圖2 紅壤剖面交換性鋁含量的變化

圖3 紅壤剖面交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子含量的變化

2.4 紅壤的有機(jī)質(zhì)含量

不同耕地利用類型下紅壤有機(jī)質(zhì)含量的剖面變化如圖4所示，可見，水田表層(0 ～ 20 cm)的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于旱地表層，平均高12.08 g/kg；20 ～ 100 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，40 ～ 100 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量在各土層間的差異性不顯著，平均含量為6.19 g/kg。表層(0 ～ 20 cm)的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于底層(40 ～ 100 cm)，其中，余江縣水田增加了17.03 g/kg，旱地增加了4.17 g/kg；祁陽(yáng)縣水田增加了17.04 g/kg，旱地增加了7.28 g/kg。

圖4 紅壤剖面有機(jī)質(zhì)含量的變化

2.5 不同土層紅壤酸度指標(biāo)之間的相關(guān)性

紅壤不同土層之間酸度指標(biāo)之間的相關(guān)性如表2所示。20 ～ 40 cm土層的pH與交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子、有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)；0 ～ 20 cm土層的交換性鋁與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)；40 ～ 100 cm土層的交換性鋁與交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論

本研究結(jié)果顯示，土壤酸度與耕地利用類型密切相關(guān)，紅壤水田的剖面pH顯著高于旱地(圖1)，但剖面交換性鋁含量的變化趨勢(shì)則相反(圖2)。水田與旱地的耕作方式不同，養(yǎng)分、水分管理方式截然相反，土壤內(nèi)部的顆粒組成及氧化還原環(huán)境也隨之變化，從而改變了碳、氮等元素的轉(zhuǎn)化過程，影響了土壤的pH[8-9]。Guo等[4]分析表明，旱地施用氮肥產(chǎn)生的凈H+量顯著高于水田；Qin等[14]分析發(fā)現(xiàn)，旱地的硝化微生物數(shù)量較水田高，氮肥硝化作用強(qiáng)，很大程度上增加了H+的凈釋放，導(dǎo)致土壤酸化；而水田在淹水條件下則處于厭氧環(huán)境，容易發(fā)生反硝化作用，消耗H+，能在一定程度上維持土壤的pH。

此外，除耕地利用類型外，其他耕地利用方式(復(fù)種強(qiáng)度、作物類型、施肥管理等)對(duì)土壤酸度也可能產(chǎn)生影響。王遠(yuǎn)鵬等[15]研究發(fā)現(xiàn)，近30年間進(jìn)賢縣由單季水田種植改為綠肥–雙季稻多種作物復(fù)合種植后，促進(jìn)了土壤酸化。因此，本研究根據(jù)余江縣和祁陽(yáng)縣不同耕地利用方式的分布面積和比例，在全縣域尺度內(nèi)以網(wǎng)格法進(jìn)行布點(diǎn)，調(diào)查耕層種植的作物類型及施肥管理情況(表3)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域酸雨現(xiàn)象不明顯，且氮沉降不足施氮量的1/3，故而過量施氮是pH較低的主要原因[6,16]。祁陽(yáng)縣和余江縣的耕地利用方式存在明顯的區(qū)域特點(diǎn)，祁陽(yáng)縣內(nèi)水田的種植模式為單季稻和雙季稻約各占一半，而余江縣多以雙季稻種植為主，施氮量近乎是單季稻的兩倍，大大增加了土壤中產(chǎn)生的H+含量，導(dǎo)致耕層的pH較低。在旱地類型下，余江縣以種植花生為主，祁陽(yáng)縣以種植大豆為主，少量種植花生和紅薯，而大豆的生物固氮過程也可產(chǎn)生H+，固氮產(chǎn)H+量近乎等于施氮產(chǎn)H+量[6]，因此更易導(dǎo)致耕層的pH降低。

表2 紅壤不同土層之間各指標(biāo)的相關(guān)性

注：樣本數(shù)=22；*表示相關(guān)性達(dá)<0.05顯著性水平，**表示相關(guān)性達(dá)<0.01顯著性水平。

對(duì)耕層(0 ～ 20 cm)土壤的大量研究[6,12,20-21]表明，有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤交換性鋁含量具有重要影響，且隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，土壤交換性鋁含量顯著降低。本研究中，在0 ～ 20 cm土層，水田的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于旱地(圖4)，交換性鋁含量表現(xiàn)為水田<旱地(圖2)；相關(guān)性分析也表明，有機(jī)質(zhì)與交換性鋁含量呈顯著負(fù)相關(guān)(表2)。有機(jī)質(zhì)是一種復(fù)雜的高分子芳香類聚合物，含有大量的羥基、羧基等官能團(tuán)，對(duì)鋁等金屬離子具有強(qiáng)大的絡(luò)合作用，可減輕鋁毒性[3]，成土母質(zhì)對(duì)40 ～ 60 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量變化有顯著的影響[22]。本研究中，40 ～ 100 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量在各土層間的差異性不顯著，平均含量為6.19 g/kg，顯著低于0 ～ 20 cm表層(水田23.61 g/kg，旱地11.53 g/kg)，說明有機(jī)質(zhì)具有較強(qiáng)的表聚性；且相關(guān)性分析結(jié)果也表明，40 ～ 100 cm土層的有機(jī)質(zhì)與交換性鋁含量并無相關(guān)性(表2)。由此可見，增加耕層土壤的有機(jī)質(zhì)含量可能是減緩酸化、降低交換性鋁含量的策略之一。

表3 研究區(qū)的農(nóng)田施氮量及酸沉降調(diào)查[6,17-19]

注：施氮量數(shù)據(jù)來源于實(shí)地調(diào)查，氮沉降和酸雨數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)資料。

Ulrich[23]將土壤酸緩沖體系分為：碳酸鹽緩沖體系(6.25.0)、陽(yáng)離子交換緩沖體系(4.2

4 結(jié)論

1)土壤酸度與耕地利用類型密切相關(guān)，紅壤剖面pH表現(xiàn)為水田>旱地，紅壤剖面的交換性鋁含量表現(xiàn)為水田<旱地。

2)紅壤耕層(0 ～ 20 cm)土壤的交換性鋁與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)，40 ～ 100 cm土層的交換性鋁與交換態(tài)鹽基陽(yáng)離子含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

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Changes in pH at Different Depths of Red Soils Under Paddy Field and Dry Land

ZHAO Kaili1,2, XU Minggang1*, ZHOU Xiaoyang1, CAI Zejiang1,3, WANG Boren1,3, LIU Yu2, YAN Fang2, SUN Nan1

(1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Arable Land Quality Monitoring and Evaluation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China; 2 Beijing Cultivated Land Construction and Protection Center, Beijing 100101, China; 3 Red Soil Experimental Station, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Observation and Research Station of Farmland Ecosystem in Qiyang, Qiyang, Hunan 426182, China)

To investigate the changes in pH and potential influencing acidification indicators at different depths of red soil under different vegetations is significant for preventing soil acidification and improving soil quality. A series of soil samples were collected at depths of 0–20, 20–40, 40–60, 60–80 and 80–100 cm across two sites (Qiyang County of Hunan Province and Yujiang County of Jiangxi Province) from Quaternary red earth under two land use types (paddy field, dry land). Soil pH, organic matter, exchangeable base cation and exchangeable aluminum were determined, and their inner relationship was analyzed. The results show that pH of red soil profiles from Quaternary red earth is below 6.50, and increases with the increase of soil depth at 0–100 cm. Under different land use types, pH follows the order of paddy field (5.80–6.43) > dry land (4.68–5.41), the concentration of soil exchangeable aluminum follows the order of dry land (4.22–7.02) > paddy field (0.16–1.56), and it decreases with the increase of soil depth at 0–100 cm under paddy field, while dry land shows the opposite tendency. Soil exchangeable aluminum is negatively correlated with soil organic matter at 0–20 cm layer, and negatively correlated with soil exchangeable base cation at 40–100 cm layer. This study indicates that land use type is one of the important factors influencing soil acidity, and dry land has stronger acidity than paddy field. Increasing organic matter in 0–20 cm may be one of the measures to slow down acidification and reduce soil exchangeable aluminum.

Land use types; Red soil profile; Paddy field; Dry land; Acidification

S153

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.05.018

趙凱麗, 徐明崗, 周曉陽(yáng), 等. 南方典型紅壤區(qū)旱地與水田土壤酸度的剖面差異性. 土壤, 2022, 54(5): 1010–1015.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2021YFD1901205)資助。

(xuminggang@caas.cn)

趙凱麗(1989—)，女，山東濟(jì)南人，碩士研究生，高級(jí)農(nóng)藝師，研究方向?yàn)橥寥浪峄c培肥改良。E-mail：zhaokaili101@163.com