唐 賢，蔡澤江，徐明崗*，梁 豐，文石林，高 強

（1 中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2 吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，長春 130118；3 中國農業(yè)科學院衡陽紅壤實驗站/祁陽農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外試驗站，湖南祁陽 426182）

紅壤是我國南方丘陵區(qū)主要的土壤類型，具有酸性強、鹽基高度不飽和、肥力水平低的特點[1]。在高強度的人為活動下，大量外源質子會進入土壤，引起紅壤酸化，使土壤物理、化學和生物學性質發(fā)生一系列變化，進而導致生產力及生態(tài)系統(tǒng)的演變和退化[2–3]。同時，紅壤酸化會引起鋁、錳和氫對植物的毒害及紅壤中營養(yǎng)元素磷、鉀、鈣、鎂的缺乏，從而使作物減產[4–5]。由于其本身物理化學特性及受熱帶亞熱帶氣候的影響，土壤對人為土地利用導致酸性物質的輸入特別敏感，加快了土壤的進一步酸化[3]。因此，紅壤酸化對農業(yè)和生態(tài)環(huán)境保護產生了嚴重威脅[6]，明確不同土地利用方式下紅壤酸化現狀，可采取有效措施減緩酸化進程，減少因土壤酸化造成的經濟損失及生態(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]在江西省余江縣進行的研究表明，不同土地利用方式對紅壤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大小順序為茶園 ＞ 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控，穩(wěn)定土壤pH值，減緩酸化，進而保持土壤的持續(xù)生產力。

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，本研究對紅砂巖母質發(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指標在不同土層 (0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm) 的變化特征進行了分析，為我國南方丘陵區(qū)紅壤酸化特性和改良提供理論依據。

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，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，主要種植制度是雙季稻，土壤類型為紅砂巖母質發(fā)育的紅壤。

1.2 試驗設計

于2016年1月采用網格布點法 (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個土壤剖面樣品，在每一點位所在的樣地隨機選取3個點位，用土鉆進行樣品采集，取樣層次分別為0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm共5個土層，同一土層深度3個樣品混合均勻后，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。

根據采樣期間的農戶調查，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，因此數據缺省。1985年不同利用方式下紅壤基本化學性質見表2。

1.3 測定項目與方法

土壤pH值采用電極電位法測定 (水土比2.5∶1)；有機質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%）通過計算獲得[13]。

1.4 數據處理

采用SPSS 19軟件進行數據統(tǒng)計分析，用 Duncan法檢驗不同利用方式和不同土壤層次間酸度指標的差異顯著性 (P ＜ 0.05) ；采用Excel 2016軟件作圖。

2 結果與分析

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不同程度的變化趨勢，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，其大小順序為 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為林地 (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，其大小順序為0—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，其大小順序為60—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性質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為水田 (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，其大小順序為60—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為60—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為0—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為 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為 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為水田 (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，其大小順序為80—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，其大小順序為40—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為 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與酸度指標間關系

在不同利用方式下紅壤pH與酸度指標間具有顯著的相關關系 (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相關，與交換性鹽基總量和鹽基飽和度呈顯著正相關 (P ＜ 0.01)；在林地利用方式下，紅壤pH與交換性酸、全氮和有機質呈顯著負相關，與鹽基飽和度呈顯著正相關 (P ＜0.05)，與交換性鹽基總量無相關性。

3 討論

土地利用是人類在自然、經濟、社會等條件綜合作用下的長期過程，反映了人類與大自然之間的相互關系[15–16]，受人類活動的直接影響[17]。土地利用作為人類干預土壤質量最直接和最重要的活動，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構，提高土壤質量，而不合理的土地利用則會加重土壤侵蝕，降低土壤對外界環(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果一致[21]。可能是因為在在多雨和施肥條件下，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，并進一步轉化為鋁質土壤[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引起硅酸鹽的溶解，導致堿性離子流失，加劇土壤酸化[23–24]，另外，森林凋落物含有大量的單寧、樹脂和木質素等，其分解可產生酸性物質，進入土壤后引起林地土壤pH降低、交換性酸含量增加[25]。2) 果園由于果實收獲會帶走部分堿基[26]，抵消了部分由于施肥和降雨產生的質子[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導致土壤酸化[28]，這與姬綱等[29]研究結果一致。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化學氮肥施用可以在土壤中產生大量的酸，如的硝化作用、的積累和淋失等，其都能夠產生大量的H+[30]，使水稻土表層pH降低；②水稻收獲后，秸稈和籽粒會帶走大量的鹽基離子，導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生有機酸等酸性物質影響水稻土酸度[32]，同時，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、亞錳等還原物質明顯增加，導致還原淋溶和絡合淋移作用的加強[34]，特別是土壤中的鐵、錳氧化物被還原消耗質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生的氫離子，因此，水田pH顯著高于其他利用方式，長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之間的相關性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、生物物質循環(huán)及淋溶作用等綜合作用的結果，與母質類型、利用方式以及土壤養(yǎng)分等條件密切相關[36]。本研究表明，在成土母質、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質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質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質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質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質含量的增加而顯著增加 (P ＜0.01)；在果園和林地利用方式下，全氮和有機質含量對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，與有機質含量無相關性 (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質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較低，這是因為林地酸化而造成土壤交換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) 負相關，與交換性鹽基總量和鹽基飽和度呈顯著 ( P ＜ 0.05) 正相關，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引起土壤pH的變化，與黃尚書等[39]研究結果一致。

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

4 結論

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。