趙凱麗，王伯仁，徐明崗，蔡澤江，石偉琦，馬海洋

（1 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2 中國農(nóng)業(yè)科學院衡陽紅壤實驗站/祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外試驗站，湖南祁陽 426182；3 北京市土肥工作站，北京 100029；4 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學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]，嚴重影響土壤質(zhì)量。母質(zhì)可通過影響土壤的物理性質(zhì) (質(zhì)地、團粒結構等)和化學性質(zhì) (pH、陽離子交換量、酸堿緩沖容量、有機質(zhì)含量等)[4-6]，進而影響土壤的酸化進程[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程，減少因酸化造成經(jīng)濟損失及生態(tài)環(huán)境惡化。Fujii等[10]提出，母質(zhì)可通過影響土壤中酸的強度、分布及酸中和能力來影響酸化過程。在物理性質(zhì)方面，朱麗東[11]對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。田冬[7]等選取不同質(zhì)地的土壤研究氮添加對pH的影響，結果發(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個單位，以粉黏壤土下降的幅度最大。在化學性質(zhì)方面，何騰兵等[12]研究發(fā)現(xiàn)，pH對母巖有較大繼承性，石灰?guī)r、鈣質(zhì)紫色砂頁巖、河流沖積物土壤pH為中性至微堿性，紅色黏土、砂巖、頁巖土壤pH為酸性至強酸性；相比砂巖土壤，紫色砂頁巖、河流沖積物土壤的有機質(zhì)含量及陽離子交換量較高。曹丹等[9]研究發(fā)現(xiàn)，隨著有機質(zhì)含量增加，茶園土壤酸化速率呈下降趨勢。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，也與pH的變化有關。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程。目前，對不同母質(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薄弱。本研究以湖南祁陽白茅草植被下七種母質(zhì)發(fā)育的土壤為研究對象，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和酸堿緩沖容量等化學指標中影響不同母質(zhì)土壤表層酸化的關鍵因素。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

湖南省祁陽縣位于中國南方典型紅壤丘陵區(qū)，該區(qū)域年平均日照時數(shù)為1613.1 h，太陽幅射量為108.7 kcal/cm2，年平均氣溫為17.8～18.4℃，無霜期293 d，年降雨量1150～1350 mm，祁陽縣主要成土母質(zhì)有：第四紀紅土 (占全縣土壤總面積的6.2%)、板頁巖 (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月采自中國農(nóng)業(yè)科學院祁陽紅壤站 (111°52′E，26°45′N) 周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)，為減少氣候、酸沉降等環(huán)境因素對酸化的影響，更好地說明母質(zhì)對酸化的作用，本研究采用小范圍局部采樣，具體植被和采樣地點見表1。

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

1.2 試驗材料

在每個土壤樣地上隨機選取3個地表條件相同的采樣點，分別采集0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm共5個層次的土壤樣品，自然風干后，去除石塊和殘根等雜物，磨碎，過2 mm篩，用四分法取約 300 g作為待測樣品。不同層次土壤用于pH測定，0—20 cm土壤用于測定比表面積、顆粒組成、酸堿緩沖容量、有機質(zhì)含量和陽離子交換量。

1.3 試驗方法

土壤pH采用電極電位法測定，水土比為2.5∶1；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，陽離子交換量采用乙酸銨交換法測定；土壤的比表面積測定采用氮氣吸附法測定[15]，土壤顆粒組成利用激光顆粒分析儀(美國 Beckman Coulter LS13320) 測定，采用轉(zhuǎn)換模型計算顆粒含量[16]。土壤的酸堿緩沖容量測定[17-18]：稱取4 g風干土壤15份于50 mL離心管，分別加入已標定濃度 (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)，期間每天用力往復搖勻一次，平衡7天后測定土壤pH，以pH為橫坐標，加入酸堿的量為縱坐標作圖得到土壤酸堿緩沖曲線，對曲線突躍范圍內(nèi)斜率相近的部分進行局部直線擬合計算，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。

2 結果與分析

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，第四紀紅土、紅砂巖、板頁巖、花崗巖四種母質(zhì)發(fā)育的剖面紅壤均呈酸性或強酸性 (pH ＜6)，以花崗巖紅壤pH (5.31～5.70) 最高，其次為第四紀紅土紅壤 (pH 4.62～4.97)，紅砂巖紅壤 (pH 4.31～4.67)，板頁巖紅壤的pH (4.25～4.49) 最低。石灰?guī)r土壤 (pH 8.46～8.72) 呈強堿性，河流沖積物(pH 7.37～7.87)、紫色頁巖 (pH 7.41～8.00) 土壤呈堿性。

第四紀紅土、紅砂巖、板頁巖紅壤，石灰?guī)r、河流沖積物和紫色頁巖土壤的pH隨土層 (0—60 cm)深度增加呈增加趨勢，增加幅度為0.11、0.19、0.12和0.1、0.4、0.37個pH單位?；◢弾r紅壤的pH隨土層 (0—40 cm) 深度的增加呈降低趨勢，降低幅度為0.13個pH單位；七種母質(zhì)剖面土壤的各層次間，底土兩個層次 (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層次 (60—80 cm和80—100 cm) 分別作為表層和底層，通過比較表層 (0—20 cm)與底層 (60—100 cm) pH的差異來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，其次為紫色頁巖、河流沖積物土壤，再次為花崗巖、第四紀紅土紅壤，板頁巖、紅砂巖紅壤的pH最低；底層的pH也呈現(xiàn)了類似的變化規(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：紫色頁巖土壤 ＞ 河流沖積物土壤、花崗巖紅壤 ＞ 第四紀紅土、紅砂巖紅壤 ＞ 石灰?guī)r土壤、板頁巖紅壤；石灰?guī)r土壤和板頁巖紅壤的酸化程度顯著小于紫色頁巖土壤。

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

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

0—20 cm土層的有機質(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)差異水平達到顯著，再次為第四紀紅土、板頁巖紅壤和石灰?guī)r土壤，紫色頁巖土壤的有機質(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離子交換量最高，其次為紫色頁巖土壤，均顯著高于其它母質(zhì)土壤；再次為石灰?guī)r土壤、第四紀紅土、紅砂巖紅壤、河流沖積物土壤，板頁巖紅壤的陽離子交換量最低，顯著低于其它母質(zhì)土壤。

相關性分析結果表明，七種母質(zhì)土壤的酸堿緩沖容量與有機質(zhì)含量 (r= 0.0029)、陽離子交換量 (r=0.0666) 未呈現(xiàn)顯著相關關系 (n= 21)。但四種母質(zhì)酸性紅壤 (第四紀紅土、紅砂巖、板頁巖、花崗巖紅壤) 的酸堿緩沖容量與陽離子交換量 (r= 0.8646**) 呈極顯著正相關，與有機質(zhì)含量 (r= 0.3377) 未呈現(xiàn)出顯著相關性 (n= 12)。

表3 0—20 cm土壤酸堿緩沖容量、有機質(zhì)含量及陽離子交換量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，其次為第四紀紅土、紅砂巖紅壤，其余四種母質(zhì)土壤間的比表面積無顯著差異。根據(jù)土壤的顆粒組成可得出，紫色頁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；第四紀紅土、紅砂巖、板頁巖紅壤屬于粉砂質(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程可能有關的因素 (包括pH、比表面積、顆粒組成、緩沖容量、陽離子交換量、有機質(zhì)含量)，運用SPSS軟件進行逐步回歸分析[19-20]結果發(fā)現(xiàn)沒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；而針對其中由四種母質(zhì)發(fā)育的酸性紅壤 (即第四紀紅土、紅砂巖、花崗巖、板頁巖紅壤)的結果發(fā)現(xiàn)，陽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0—20 cm與60—100 cm土層的△pH進行正態(tài)檢驗，選適用小樣本檢驗 (本研究n= 12屬于小樣本) 的Shapiro-Wilk Test模型，結果表明，數(shù)據(jù)統(tǒng)計量為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的分析結果可得出線性回歸方程為：y= 0.157 - 0.013x1

式中：y—△pH；x1—陽離子交換量?；貧w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)計學意義故留在方程中。自變量x1對y的直接作用是P1y= 0.785，說明陽離子交換量對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對母巖有較大繼承性[12]。根據(jù)中國土壤的酸堿度分級標準 (中國科學院南京土壤研究所，1987)，本文中第四紀紅土、紅砂巖、板頁巖紅壤均屬于強酸性紅壤 (pH ＜ 5)，主要原因可能是三種母質(zhì)紅壤經(jīng)歷了較完全的風化成土過程，處于脫硅富鋁化階段，大部分鹽基淋失殆盡，導致土壤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為次生白茅草地，曾種過茶樹，種植方法采用深耕松土條栽，種植過程中施用氮肥、有機肥等，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，可能是因為0—20 cm生長白茅草后，承接的大量枯枝落葉增加了有機質(zhì)積累，減緩了酸化進程，故pH高于20—40 cm。河流沖積物、紫色頁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]；紫色頁巖發(fā)育程度遲緩，不具脫硅富鋁化特征，風化微弱，含有碳酸鈣，鹽基飽和度高[23]，土壤呈堿性。石灰?guī)r土壤屬強堿性土壤 (pH ＞ 8.5)，主要是因為土壤中含豐富的碳酸鈣[24]且鹽基豐富，母巖風化過程中碳酸鈣延緩了鹽基的淋失和土壤的酸化進程，土壤堿性較強。

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)等結構因素影響，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層次 (60—80 cm和80—100 cm) 作為底層，通過比較表層 (0—20 cm) 與底層 (60—100 cm) pH的差異來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酸，植物從土壤中吸收鹽基陽離子時可分泌質(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，促進了土壤酸化。

本研究表明，七種母質(zhì)土壤，以紫色頁巖表層酸化最為嚴重，顯著高于石灰?guī)r土壤，石灰?guī)r土壤、板頁巖紅壤表層酸化程度最?。豢赡茉蚴鞘?guī)r、紫色頁巖發(fā)育的堿性土壤主要通過碳酸鹽對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巖土壤，故紫色頁巖表層酸化程度顯著大于石灰?guī)r土壤。板頁巖發(fā)育的紅壤pH偏低(pH 4.25～4.49)，屬于強酸性紅壤，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

本研究對與表層酸化可能有關的八種因素[比表面積、顆粒組成 (黏粒、粉粒、砂粒含量)、pH、緩沖容量、陽離子交換量、有機質(zhì)含量]進行逐步回歸分析：對七種母質(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) (第四紀紅土、紅砂巖、花崗巖和板頁巖) 發(fā)育的酸性紅壤，得出陽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)土壤的酸堿緩沖機制不同，根據(jù)Ulrich[27-28]對土壤酸堿緩沖體系的分類，可認為石灰?guī)r、紫色頁巖和河流沖積物發(fā)育的堿性土壤主要是通過碳酸鹽對外源酸堿起緩沖作用，第四紀紅土、紅砂巖、板頁巖、花崗巖等發(fā)育的酸性紅壤主要通過陽離子交換量等對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研究。本文僅得出影響第四紀紅土、紅砂巖、板頁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離子交換量，對于影響堿性土壤酸化的因素還需進一步分析。

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

本研究表明，陽離子交換量是影響第四紀紅土、紅砂巖、板頁巖、花崗巖四種母質(zhì)紅壤酸化的主要因素，0—20 cm以花崗巖紅壤的陽離子交換量顯著高于其它母質(zhì)紅壤，其次為第四紀紅土、紅砂巖紅壤，板頁巖紅壤的陽離子交換量最低。主要原因可能是板頁巖紅壤屬于粉砂質(zhì)黏土，粉粒和黏粒含量相對較高，且酸堿緩沖容量較小，故陽離子交換量低。第四紀紅土、紅砂巖紅壤在成土過程中，礦物化學風化、淋溶強烈，導致質(zhì)地粗，結構松，極易造成鹽基流失，故陽離子交換量也不高。本研究中的花崗巖紅壤采樣點曾種植過茶樹，施用的氮肥、有機肥等增加了土壤中的鹽基離子[29]，故陽離子交換量顯著高于其它三種母質(zhì)土壤。

王文婧[30]在研究皖南紅壤陽離子釋放特征中發(fā)現(xiàn)，模擬酸雨作用下，第四紀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，第四紀紅土、紅砂巖、板頁巖、花崗巖四種母質(zhì)紅壤的酸堿緩沖容量與陽離子交換量呈現(xiàn)極顯著的正相關，處于交換性陽離子緩沖體系[31]，故可增加紅壤中的交換性陽離子含量來減緩酸化進程。

4 結論

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：紫色頁巖土壤 ＞ 河流沖積物土壤、花崗巖紅壤 ＞ 第四紀紅土、紅砂巖紅壤 ＞ 石灰?guī)r土壤、板頁巖紅壤。影響不同母質(zhì)土壤酸化的因素需分類研究，在本文所選取的八種可能因素中，陽離子交換量是影響第四紀紅土、紅砂巖、板頁巖和花崗巖四種酸性紅壤表層酸化的主要因素。