唐 賢，蔡澤江，徐明崗*，梁 豐，文石林，高 強(qiáng)

（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 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130118；3 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院衡陽紅壤實(shí)驗(yàn)站/祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外試驗(yàn)站，湖南祁陽 426182）

紅壤是我國(guó)南方丘陵區(qū)主要的土壤類型，具有酸性強(qiáng)、鹽基高度不飽和、肥力水平低的特點(diǎn)[1]。在高強(qiáng)度的人為活動(dòng)下，大量外源質(zhì)子會(huì)進(jìn)入土壤，引起紅壤酸化，使土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)發(fā)生一系列變化，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)力及生態(tài)系統(tǒng)的演變和退化[2–3]。同時(shí)，紅壤酸化會(huì)引起鋁、錳和氫對(duì)植物的毒害及紅壤中營(yíng)養(yǎng)元素磷、鉀、鈣、鎂的缺乏，從而使作物減產(chǎn)[4–5]。由于其本身物理化學(xué)特性及受熱帶亞熱帶氣候的影響，土壤對(duì)人為土地利用導(dǎo)致酸性物質(zhì)的輸入特別敏感，加快了土壤的進(jìn)一步酸化[3]。因此，紅壤酸化對(duì)農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅[6]，明確不同土地利用方式下紅壤酸化現(xiàn)狀，可采取有效措施減緩酸化進(jìn)程，減少因土壤酸化造成的經(jīng)濟(jì)損失及生態(tài)環(huán)境的惡化。

有研究表明[7]，不僅糧田土壤存在酸化現(xiàn)象，果園和菜園的土壤酸化問題也很突出。張?zhí)伊值萚8]在江西省余江縣進(jìn)行的研究表明，不同土地利用方式對(duì)紅壤pH的影響程度為旱地 ＞ 菜地 ＞ 水田。姬鋼等[9]研究表明，在人工林中0—40cm土層紅壤pH大小順序?yàn)椴鑸@ ＞ 濕地松林 ＞ 板栗 ＞ 柑橘園。由此可見，不同土地利用方式影響土壤pH變化[10]。因此，可以通過不同土地利用方式的調(diào)控，穩(wěn)定土壤pH值，減緩酸化，進(jìn)而保持土壤的持續(xù)生產(chǎn)力。

土地利用方式可以直接影響土壤的酸化狀況，前人的研究大多集中在表層或耕層土壤pH的變化特征[11–12]，關(guān)于土壤酸度特征在剖面上分布差異性的研究尚較缺乏。因此，本研究對(duì)紅砂巖母質(zhì)發(fā)育的紅壤在4種利用方式 (水田、旱地、果園、林地) 下，土壤pH、交換性酸、交換性鹽基總量以及鹽基飽和度等酸性相關(guān)指標(biāo)在不同土層 (0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm) 的變化特征進(jìn)行了分析，為我國(guó)南方丘陵區(qū)紅壤酸化特性和改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省鷹潭市余江縣 (28°04′～28°37′N、116°41′～117°09′E)，該地區(qū)年平均溫度17.6 ℃，年降水量1757.9 mm，年平均日照1777.6 h，年日照百分率為41%，無霜期270天左右，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，主要種植制度是雙季稻，土壤類型為紅砂巖母質(zhì)發(fā)育的紅壤。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016年1月采用網(wǎng)格布點(diǎn)法 (2 km × 2 km) 在余江縣均勻采集了4種不同利用類型 (水田、旱地、果園、林地) 共26個(gè)土壤剖面樣品，在每一點(diǎn)位所在的樣地隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)位，用土鉆進(jìn)行樣品采集，取樣層次分別為0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm共5個(gè)土層，同一土層深度3個(gè)樣品混合均勻后，按照四分法分取1 kg土樣，分揀出石礫、根系等雜物，磨細(xì)分別依次過2 mm、1 mm和0.25 mm篩備用。不同利用類型的紅壤剖面基本狀況見表1。

根據(jù)采樣期間的農(nóng)戶調(diào)查，截至2016年，水田和林地利用年限超過30年，由于1997—2000年土地利用方式發(fā)生變化，旱地利用年限為5～10年，由于1985年沒有采集果園利用方式下的土壤樣品，因此數(shù)據(jù)缺省。1985年不同利用方式下紅壤基本化學(xué)性質(zhì)見表2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤pH值采用電極電位法測(cè)定 (水土比2.5∶1)；有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法；全氮采用凱氏定氮法；土壤交換性酸（EA）采用 1 mol/L氯化鉀交換—中和滴定法測(cè)定；陽離子交換量（CEC）采用乙酸銨交換法[13]；交換性鹽基離子（EB）用乙酸銨震蕩浸提法[14]；鹽基飽和度（BC= EB/CEC * 100%）通過計(jì)算獲得[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用 Duncan法檢驗(yàn)不同利用方式和不同土壤層次間酸度指標(biāo)的差異顯著性 (P ＜ 0.05) ；采用Excel 2016軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同利用方式下紅壤剖面pH變化特征

由圖1可以看出，紅壤pH隨著利用方式和土層深度呈現(xiàn)不同程度的變化趨勢(shì)，變化范圍在4.27～6.27之間。在不同利用方式下，紅壤剖面pH大小依次為水田 (5.69) ＞ 旱地 (4.71)和果園(4.74) ＞ 林地 (4.49)；在不同土層上，隨著土層的增加，紅壤剖面pH逐漸升高[80—100 cm (5.39) ＞60—80 cm (5.27) ＞ 40—60 cm (5.11) ＞ 20—40 cm(4.81) ＞ 0—20 cm (4.68)]；在水田利用方式下，隨著土層深度的增加，紅壤pH逐漸升高，為60—100 cm (6.17) ＞ 40—60 cm (5.84) ＞ 20—40 cm (5.29) ＞0—20 cm (4.94)；在旱地利用方式下，不同土層紅壤pH無顯著差異 (P ＞ 0.05)；在果園利用方式下，紅壤pH在80—100cm土層最高，為4.92；在林地利用方式下，紅壤pH在20—80 cm隨著土層的增加而逐漸升高，其大小順序?yàn)?60—100 cm (4.67) ＞40—60 cm (4.49) ＞ 0—40 cm (4.30)。

2.2 不同利用方式下紅壤剖面交換性酸含量變化特征

由圖2可以看出，在不同利用方式下，紅壤剖面交換性酸含量大小順序?yàn)榱值?(6.54 cmol/kg) ＞ 旱地 (6.52 cmol/kg) ＞ 果園 (3.51 cmol/kg) ＞ (0.79 cmol/kg)。在水田利用方式下，紅壤交換性酸含量在0—60 cm隨著土層深度的增加而逐漸降低，其大小順序?yàn)?—20 cm (2.00 cmol/kg) ＞ 20—40 cm (0.86 cmol/kg) ＞40—60 cm (0.23 cmol/kg)，80—100 cm 土層與40—60 cm土層間無顯著差異；在旱地利用方式下，紅壤交換性酸含量隨著土層深度的增加而逐漸升高，其大小順序?yàn)?0—100 cm (8.57 cmol/kg) ＞ 20—60 cm(6.12 cmol/kg) ＞ 0—20 cm (2.57 cmol/kg)；在果園和林地利用方式下，紅壤交換性酸含量在不同土層間無顯著差異。

表1 樣品采集點(diǎn)土地基本狀況Table 1 General information of lands for soil sampling

表2 1985年不同利用方式下紅壤基本化學(xué)性質(zhì)Table 2 Basic chemical properties of red soil under different land use patterns in 1985

圖1 不同利用方式紅壤剖面pHFig. 1 pH of red soil profiles under different land use

圖2 不同利用方式下紅壤剖面交換性酸Fig. 2 Exchangeable acid of red soil profiles under different land use patterns

2.3 不同利用方式下紅壤剖面交換性鹽基總量變化特征

由圖3可以看出，在不同利用方式下，紅壤剖面交換性鹽基總量大小順序?yàn)樗?(4.47 cmol/kg) ＞旱地 (1.97 cmol/kg) ＞ 果園 (1.26 cmol/kg) ＞ 林地 (0.48 cmol/kg)。在不同土層上，隨著土層深度的增加，紅壤交換性鹽基總量逐漸升高，其大小順序?yàn)?0—100 cm (2.34 cmol/kg) ＞ 40—60 cm (2.05 cmol/kg) ＞0—40 cm (1.75 cmol/kg)。在水田利用方式下，紅壤交換性鹽基總量在20—60 cm隨著土層深度的增加而顯著升高，不同土層交換性鹽基總量順序?yàn)?0—100 cm (5.86 cmol/kg) ＞ 40—60 cm (4.74 cmol/kg) ＞0—40 cm (2.95 cmol/kg)；在旱地利用方式下，紅壤交換性鹽基總量在0—100 cm隨著土層深度的增加而逐漸降低，不同土層交換性鹽基總量順序?yàn)?—20 cm (3.00 cmol/kg) ＞ 20—60 cm (2.14 cmol/kg) ＞60—80 cm (1.30 cmol/kg)；在果園利用方式下，紅壤交換性鹽基總量在40—100 cm隨著土層深度的增加而逐漸升高，其中80—100 cm土層比40—60 cm土層顯著升高了0.60 cmol/kg，不同土層交換性鹽基總量順序?yàn)?60—100 cm (1.64 cmol/kg) ＞ 0—60 cm(1.00 cmol/kg)；在林地利用方式下，紅壤交換性鹽基總量在40—100 cm隨著土層深度的增加而逐漸升高，其中80—100 cm土層比40—60 cm土層顯著升高了0.25 cmol/kg，不同土層交換性鹽基總量大小順序?yàn)?60—100 cm (0.55 cmol/kg) ＞ 0—60 cm (0.43 cmol/kg)。

圖3 不同利用方式下紅壤剖面交換性鹽基總量Fig. 3 Total exchangeable base of red soil profiles under different land use patterns

2.4 不同利用方式下紅壤剖面鹽基飽和度變化特征

由圖4可以看出，在不同利用方式下，紅壤剖面鹽基飽和度大小順序?yàn)樗?(53.14%) ＞ 旱地(20.87%) ＞ 果園 (15.41%) ＞ 林地 (4.67%)。在不同土層上，隨著土層深度的增加，紅壤鹽基飽和度逐漸升高，其大小順序?yàn)?0—100 cm (33.95%) ＞ 60—80 cm (32.27%) ＞ 40—60 cm (31.31%) ＞ 20—40 cm(25.47%) ＞ 0—20 cm (21.08%)。在水田利用方式下，紅壤鹽基飽和度在0—60cm隨著土層深度的增加而逐漸升高，其大小順序?yàn)?0—100 cm (64.20%) ＞20—40 cm (45.19%) ＞ 0—20 cm (28.90%)；在旱地利用方式下，紅壤鹽基飽和度在0—80 cm隨著土層深度的增加而逐漸降低，不同土層鹽基飽和度的大小順序?yàn)?0—20 cm (38.68%) ＞ 20—40 cm (23.64%) ＞40—60 cm (19.03%) ＞ 60—100 cm (11.51%)；在果園利用方式下，紅壤鹽基飽和度在不同土層間無顯著差異；在林地利用方式下，紅壤鹽基飽和度在60—100 cm隨土層深度的增加而顯著升高了1.98%，不同土層鹽基飽和度80—100 cm 為6.53%，0—80 cm為4.17%。

圖4 不同利用方式下紅壤剖面鹽基飽和度Fig. 4 Base saturation of red soil profiles under different land use patterns

2.5 不同利用方式下紅壤剖面pH與酸度指標(biāo)間關(guān)系

在不同利用方式下紅壤pH與酸度指標(biāo)間具有顯著的相關(guān)關(guān)系 (表3)。在水田、旱地和果園利用方式下，紅壤pH與交換性酸呈顯著負(fù)相關(guān)，與交換性鹽基總量和鹽基飽和度呈顯著正相關(guān) (P ＜ 0.01)；在林地利用方式下，紅壤pH與交換性酸、全氮和有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，與鹽基飽和度呈顯著正相關(guān) (P ＜0.05)，與交換性鹽基總量無相關(guān)性。

3 討論

土地利用是人類在自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等條件綜合作用下的長(zhǎng)期過程，反映了人類與大自然之間的相互關(guān)系[15–16]，受人類活動(dòng)的直接影響[17]。土地利用作為人類干預(yù)土壤質(zhì)量最直接和最重要的活動(dòng)，深刻影響著土壤的理化性狀及其生態(tài)環(huán)境，合理的土地利用方式可有效地改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤質(zhì)量，而不合理的土地利用則會(huì)加重土壤侵蝕，降低土壤對(duì)外界環(huán)境的抵抗力[18–20]。本研究表明，林地、果園和水田土壤pH在0—60 cm土層隨土層深度增加而升高，這與劉菊秀等的研究結(jié)果一致[21]?？赡苁且?yàn)樵谠诙嘤旰褪┓蕳l件下，紅壤中的鹽基離子向下淋溶，氫離子代替鹽基離子被土壤吸附，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為鋁質(zhì)土壤[22]，使得土壤剖面底層鹽基離子含量增加，pH升高。

本研究表明，4種利用方式下0—100 cm土層的 pH 大小為水田 ＞ 果園 ≈ 旱地 ＞ 林地，且水田、果園和林地紅壤表層pH顯著低于底層，主要有以下幾個(gè)原因：1) 林地中含有豐富的根系群和微生物群，其在土壤中的呼吸作用會(huì)引起硅酸鹽的溶解，導(dǎo)致堿性離子流失，加劇土壤酸化[23–24]，另外，森林凋落物含有大量的單寧、樹脂和木質(zhì)素等，其分解可產(chǎn)生酸性物質(zhì)，進(jìn)入土壤后引起林地土壤pH降低、交換性酸含量增加[25]。2) 果園由于果實(shí)收獲會(huì)帶走部分堿基[26]，抵消了部分由于施肥和降雨產(chǎn)生的質(zhì)子[27]，在一定條件下，其pH比林地高。3) 旱地種植的是花生和大豆，都屬豆科作物，在生長(zhǎng)過程中通過根瘤菌的固氮作用從土壤中吸收的陽離子量大于陰離子量，引起花生地紅壤中質(zhì)子增加而加劇紅壤酸化，花生固定的氮被硝化和淋溶以及施肥等措施也會(huì)導(dǎo)致土壤酸化[28]，這與姬綱等[29]研究結(jié)果一致。4) 水田pH顯著高于其他土地利用方式，其表層pH低于底層，主要由于：①化學(xué)氮肥施用可以在土壤中產(chǎn)生大量的酸，如的硝化作用、的積累和淋失等，其都能夠產(chǎn)生大量的H+[30]，使水稻土表層pH降低；②水稻收獲后，秸稈和籽粒會(huì)帶走大量的鹽基離子，導(dǎo)致水稻土中陰陽離子的不平衡[31]，從而使水稻土表層pH降低；③研究區(qū)域的水田都是全量秸稈還田，水稻秸稈短期還田主要通過淹水作用產(chǎn)生有機(jī)酸等酸性物質(zhì)影響水稻土酸度[32]，同時(shí)，水稻秸稈分解過程中銨態(tài)氮的硝化作用引起水稻土表層pH降低[33]；④由于長(zhǎng)期淹水，水稻土中形成了特殊的酸堿緩沖體系，耕層士壤Eh值顯著下降，亞鐵、亞錳等還原物質(zhì)明顯增加，導(dǎo)致還原淋溶和絡(luò)合淋移作用的加強(qiáng)[34]，特別是土壤中的鐵、錳氧化物被還原消耗質(zhì)子可使溶液中的氫離子濃度下降，中和了施肥、收獲和秸稈還田等原因產(chǎn)生的氫離子，因此，水田pH顯著高于其他利用方式，長(zhǎng)期種植水稻后土壤酸堿度一般是向中性方向發(fā)展[35]。

表3 不同利用方式下紅壤剖面酸度指標(biāo)之間的相關(guān)性Table 3 Correlation coefficients among acid indexes of red soil profiles under different land use patterns

交換性離子分布的差別是成土母質(zhì)、生物物質(zhì)循環(huán)及淋溶作用等綜合作用的結(jié)果，與母質(zhì)類型、利用方式以及土壤養(yǎng)分等條件密切相關(guān)[36]。本研究表明，在成土母質(zhì)、地形以及氣候條件一致的情況下，不同土地利用方式下紅壤剖面交換性酸變化特征與pH相反，而交換性鹽基總量和鹽基飽和度變化特征與pH一致，主要由于不同利用方式下的紅壤剖面有機(jī)質(zhì)和全氮含量均隨土層深度的增加而降低(圖5)，且在水田利用方式下，紅壤交換性酸含量隨全氮和有機(jī)質(zhì)含量的增加而顯著增加；交換性鹽基總量和鹽基飽和度隨全氮和有機(jī)質(zhì)含量的增加而顯著降低 (P ＜ 0.01)；在旱地和果園利用方式下，紅壤交換性酸含量隨全氮和有機(jī)質(zhì)含量的增加而顯著降低；在旱地利用方式下，交換性鹽基總量和鹽基飽和度隨全氮和有機(jī)質(zhì)含量的增加而顯著增加 (P ＜0.01)；在果園和林地利用方式下，全氮和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)交換性鹽基總量和鹽基飽和度無顯著影響；在林地利用方式下，紅壤交換性酸含量隨全氮含量的增加顯著降低，與有機(jī)質(zhì)含量無相關(guān)性 (表2)。因此，不同的土地利用方式下交換性離子的差異是由于土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量剖面分布的差異引起的[37]。從整體來看，林地紅壤交換性離子相對(duì)較低，這是因?yàn)榱值厮峄斐赏寥澜粨Q性鹽基離子流失較快[38]。不同利用方式下的紅壤pH均與交換性酸呈顯著 (P ＜0.05) 負(fù)相關(guān)，與交換性鹽基總量和鹽基飽和度呈顯著 ( P ＜ 0.05) 正相關(guān)，說明不同利用方式下紅壤交換性離子和鹽基飽和度的變化會(huì)引起土壤pH的變化，與黃尚書等[39]研究結(jié)果一致。

圖5 不同利用方式下紅壤剖面有機(jī)質(zhì)和全氮含量Fig. 5 Organic matter and total nitrogen of red soil profiles under different land use patterns

4 結(jié)論

4種利用方式下，0—40 cm土層，林地紅壤酸度最高，其次是果園和旱地，水田紅壤酸度最低，在40—100 cm土層酸度變異較小。通過改變土地利用方式，降低紅壤交換性酸含量、增加交換性鹽基總量和鹽基飽和度，可以有效降低紅壤酸度。