池永清，陳宇航，章明奎

（1.麗水市土肥植保能源總站，浙江 麗水 323050；2.浙江大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 310058）

0 引言

紅層指侏羅紀、白堊紀、少量三疊紀及早古近紀形成的主色為紅色的泥巖、粉砂巖、砂巖等巖性的一套陸相及淺水湖相沉積物，廣泛出露在我國的西南、華南、東南和西北地區(qū)［1］。在我國亞熱帶地區(qū)，紅層多分布在一些山間和小盆地中，如浙江的金衢盆地、湖南的衡陽盆地、江西的贛州盆地等［2-3］。亞熱帶地區(qū)的紅層母質成土過程不同于當?shù)仄渌麕r石上發(fā)生的脫硅富鐵鋁化作用［4-5］，紅層巖性軟弱，其風化物易遭侵蝕，地表土壤物質因頻繁的侵蝕而流失嚴重并經常被母質新風化的產物所更新，表土一直處于脫鈣—侵蝕—脫鈣反復交替的特殊土壤形成階段，從而導致該類土壤的剖面發(fā)育極為微弱，土壤顏色與母巖相似，土體淺?。?］，土壤酸堿度與母質接近并明顯高于當?shù)氐蔫F鋁土。為了減免水土流失對土壤及生態(tài)環(huán)境的影響，近半個多世紀以來我國許多地區(qū)采用平整土地、營造梯田/梯地等方式種植農作物，大大穩(wěn)固了紅層地表，顯著削弱了紅層發(fā)育土壤的水土流失［6-7］，促進了土壤向深度方向發(fā)育。同時，把坡地改為梯田進行農業(yè)生產也改變了紅層地區(qū)土地的管理方式，其中化肥投入明顯增加。以往的研究表明，多數(shù)旱地改水田種植水稻后土壤可向中性化方向發(fā)展［4］，但近期的研究也表明長期高量施用化肥也可明顯加速水田土壤的酸化［8］。為了解由紅層坡地改成梯田/梯地后，在穩(wěn)定的成土環(huán)境及施肥條件下土壤酸堿度的演變特點，本文以浙江省不同紅層母質發(fā)育土壤為例，探討了不同紅層母質發(fā)育土壤的酸緩沖性，分析了在人為利用下紅層母質發(fā)育的旱地和水田土壤的酸度演化趨勢。

1 材料與方法

1.1 浙江省紅層母質及其發(fā)育的土壤

浙江省內廣泛分布有白堊系橫山組、衢江群下段中部及侏羅系上統(tǒng)的勞村組上部和震旦系志棠組下統(tǒng)及侏羅系中、下統(tǒng)上段等的紫紅色砂頁巖、紫紅色砂礫巖。其中，白堊系橫山組、衢江群下段中部和侏羅系上統(tǒng)的勞村組上部的紫紅色砂頁巖、紫紅色砂礫巖含有碳酸鈣，而震旦系志棠組下統(tǒng)和侏羅系中、下統(tǒng)上段的紫紅色砂頁巖、紫紅色砂礫巖不含碳酸鈣。在浙江省第二次土壤普查中［4］，根據(jù)母巖（母質）含鈣與否將紅層母質發(fā)育的土壤分為石灰性紫色土和酸性紫色土2個亞類，其中石灰性紫色土再根據(jù)土體的石灰性反應強弱劃分為紫砂土和紅紫砂土2個土屬，前者全剖面均呈石灰反應，后者表土無石灰反應。酸性紫色土亞類只設酸性紫砂土1個土屬。紅層母質形成的土壤長期種植水稻后可形成不同的水稻土，其中，紫砂土改為水田后形成的土壤有鈣質紫泥田、紫泥砂田等土屬；紅紫砂土改為水田后形成的土壤有紅紫泥田、紅紫泥砂田等土屬；酸性紫砂土改為水田后的土壤為酸性紫泥田土屬。浙江省紅層母質發(fā)育的土壤涉及紫色土和水稻土等2個土類、4個亞類、8個土屬和18個土種［4］（表1）。

1.2 土樣的采集

根據(jù)浙江省各地第二次土壤普查形成的土壤圖，結合田間訪問調查，本研究采集了林地、旱地和水田3種不同利用方式下的紅層土壤樣品240個，采樣土層深度為0～15 cm。林地土樣共22個，其中8個樣品用于觀察土壤的酸緩沖性，其基本性狀見表2。不同利用時間的旱地和水田土樣分別為92和126個，用于分析不同利用過程中土壤酸度的變化。以上采集的土壤構成了紫砂土—鈣質紫泥田—紫泥砂田、紅紫砂土—紅紫泥田—紅紫泥砂田和酸性紫砂土—酸性紫泥田等3個由林地（旱地）改水田的系列土壤。采集的土樣經室內風干、混勻后過2 mm土篩，測定土壤的pH值、交換性酸、陽離子交換量（CEC）、粘粒含量及土壤緩沖性；部分土樣進一步過0.125 mm土篩，測定其有機質和碳酸鈣含量。土壤理化性質采用常規(guī)方法測定［9］。

1.3 土壤酸緩沖性研究

土壤酸緩沖性采用酸堿緩沖曲線方法進行評估。方法簡述如下：稱取20 g土樣各20份，分別置于100 ml塑料離心管中，每份土樣分別定量加入50 ml不同含量硫酸的稀酸溶液，土液比為1∶2.5，放置5 h后加蓋，在室溫下間歇振蕩平衡7 d后，用酸度計測定各份懸液的pH值，繪制土壤pH值與酸消耗量之間的酸緩沖曲線。

2 結果與分析

2.1 土壤酸緩沖性能及其主要影響因素

選擇表2中具有代表性的8個紅層土樣（覆蓋2個亞類、3個土屬、8個土種）進行酸緩沖性測定。圖1為3種典型紅層母質發(fā)育土壤的酸緩沖曲線。研究結果表明，土壤pH值與酸加入量之間呈非等速的“S”型變化，根據(jù)曲線變化速度，大致可將酸緩沖曲線分為3個階段：第一階段（pH值＞6.5）：該階段只涉及含碳酸鈣的紫砂土，土壤pH值隨酸加入量的增多變化較緩慢，對酸的緩沖物質主要為CaCO3，說明CaCO3對土壤酸化有重要的阻礙作用；紅紫砂土和酸性紫砂土因無CaCO3而不具有這一階段的緩沖作用。第二階段（pH值介于3.5～6.5之間）：該階段土壤pH值隨加酸量增多呈現(xiàn)快速下降的趨勢，即在較少酸加入量下的土壤pH值明顯降低，表明這一階段對酸的緩沖作用較弱，容易發(fā)生土壤酸化。第三階段（pH值＜3.5）：該階段土壤的pH值隨酸加入量的增多變化緩慢，對酸的緩沖作用極強。因此，一般土壤pH值不可能降到3.5以下。

圖1 3種典型紅層母質發(fā)育土壤的酸緩沖曲線

土壤酸緩沖容量是指將pH值降低至某一參比pH值時所需要的強酸量，但文獻中提出的參比pH值有較大的變化（介于3～5之間）［10-12］，考慮到pH值＜3.5時，大部分植物已不能正常生長，為此，本文參照文獻［13］，采用pH值3.5作為參比pH值，把土壤酸緩沖容量(Q)定義為當土壤pH值下降至3.5時單位土壤質量所需的酸總量(mmol/kg)；相應地，酸緩沖強度是指土壤pH值達到 3.5時，單位pH值變化所消耗的平均酸量(Q/△pH，mmol/kg)。表2表明，浙江省8個土種的紅層母質發(fā)育土壤的酸緩沖容量與緩沖強度有很大的變化。土壤酸緩沖容量介于65.09～663.31 mmol/kg之間，平均值為232.64 mmol/kg，最高值約為最低值的10倍，差異較大；酸緩沖強度介于38.98～160.61 mmol/kg之間，平均值為81.60 mmol/kg，相差也達4倍。紅層母質發(fā)育土壤的酸緩沖容量基本上在60 mmol/kg以上，明顯高于同一地區(qū)自然紅壤等酸性較強土壤的酸緩沖容量值(8.2～17.9 mmol/kg)［12］；遠沒有達到酸化非常敏感的水平（酸緩沖容量值小于20 mmol/kg)［12］。這表明，紅層母質發(fā)育土壤總體上不易酸化。

一般來說，土壤酸緩沖性主要與土壤初始pH值、CEC、CaCO3含量、有機質含量和質地等有關［10］，本研究的8種紅層母質發(fā)育土壤的理化性狀有較大變化（表2）。相關分析表明（表3），土壤酸緩沖容量和土壤酸緩沖強度主要受到土壤初始pH值、CaCO3含量、CEC和鹽基飽和度的影響，隨土壤pH值、CaCO3含量、CEC和鹽基飽和度的增加而增加；粘粒含量對其也有一定的正向影響，但土壤有機質對酸緩沖性的影響不明顯。

表3 紅層母質發(fā)育土壤酸緩沖容量和緩沖強度與土壤性質之間的相關性

2.2 旱耕條件下土壤酸度的變化

以自然林地為對照，分析了旱地和水田2種人為利用方式下不同利用時間對紅層母質發(fā)育土壤酸度變化的影響（表4）。用于對照（指開墾前）的3個土屬的紅層母質發(fā)育林地土壤的酸堿度存在一定的差異，其中紫砂土主要呈中性，紅紫砂土主要呈微酸性，而酸性紫砂土呈酸性。由表4可知，隨著旱耕利用時間的增加，3類土壤的pH值均呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。與對照相比，紫砂土在旱耕時間介于10～25和25～50 a時，土壤平均pH值分別降低了0.09和0.43個單位，但土壤pH值仍然處于中性范圍；在旱耕時間＞50 a時，土壤平均pH值較對照下降了1.07個單位；旱耕時間超過25 a時，土壤pH值與對照之間差異顯著。紅紫砂土旱耕后土壤平均pH值也呈持續(xù)下降的趨勢，旱耕時間介于10～25、25～50和＞50 a時，土壤平均pH值分別比對照下降了0.89、0.96和1.05個單位，土壤酸堿度處于酸性范圍；旱耕10 a后土壤pH值與對照土壤呈顯著差異。酸性紫砂土旱耕后土壤平均pH值也呈緩慢下降的趨勢，旱耕時間介于10～25、25～50和＞50 a時，土壤平均pH值分別較對照下降了0.10、0.19和0.29個單位；旱耕25 a后，土壤pH值與對照達到顯著差異。旱耕后紅紫砂土pH值下降最為明顯，其次為紫砂土。紅紫砂土的pH值下降主要發(fā)生在旱耕時間25 a內，紫砂土的pH值下降主要發(fā)生在旱耕時間25 a后，酸性紫砂土的pH值呈現(xiàn)持續(xù)緩慢下降的趨勢。土壤pH值的下降也促進了交換性酸的形成，隨著旱耕時間的增加，土壤中交換性酸含量也呈現(xiàn)增加的趨勢。由表5可知，紫砂土中的交換性酸含量很低，而紅紫砂土和酸性紫砂土的交換性酸在旱耕時間超過50 a后已達到較高水平。

表4 不同旱耕時間紅層土壤的酸堿度

表5 不同旱耕時間紅層土壤的交換性酸含量 cmol/kg

2.3 水耕條件下土壤酸度的變化

由表6可知，改為水耕后的紫砂土和紅紫砂土pH值也呈持續(xù)下降的趨勢。與對照相比，紫砂土的平均pH值在水耕時間介于10～25 a時，土壤平均pH值降低了0.15個單位，但仍然處于中性范圍；在水耕時間介于25～70 a時，土壤平均pH值下降了0.57～1.10個單位，在水耕時間為50～70 a，紫砂土壤pH值呈微酸性；水耕時間為＞70 a時，土壤平均pH值較對照下降了1.47個單位。紅紫砂土土壤平均pH值在改為水耕后也呈持續(xù)下降的趨勢，水耕時間介于10～25、25～50、50～70和＞70 a時，其土壤平均pH值較對照分別下降了0.73、0.78、0.83、0.97個單位，土壤酸堿度處于酸性范圍；水耕25 a后紅紫砂土的土壤pH值與對照土壤差異顯著。與紫砂土和紅紫砂土不同，酸性紫砂土的土壤pH值在水耕初期（10～25 a）略有增加；水耕25 a后，土壤pH值小幅下降，但因采樣點土壤pH值變異較大，總體上土壤酸堿度隨著水耕時間的增加較對照沒有呈現(xiàn)顯著的差異。由表7可知，種植水稻后紫砂土、紅紫砂土的土壤交換性酸含量呈增加的趨勢，水耕70 a后，土壤中交換性酸含量明顯高于對照土壤；而酸性紫砂土的土壤交換性酸含量在水耕后的變化不明顯。水耕對紫砂土和紅紫砂土酸化的影響較旱耕更明顯，而對酸性紫砂土的酸化影響比旱耕弱。

表7 不同水耕時間紅層土壤的交換性酸含量 cmol/kg

3 討論

我國亞熱帶地區(qū)水熱條件豐富，礦物風化和土壤淋溶作用強烈，土壤酸堿度一般向酸性方向發(fā)展，形成的土壤普遍呈酸性和強酸性［4］。但這一地區(qū)的紅層母質發(fā)育土壤酸性不強，多以微酸性、中性和微堿性為主，其原因是紅層巖性軟弱，其風化物易遭侵蝕，地表土壤物質因頻繁的侵蝕而流失嚴重得以經常更新，土壤不利于向深度發(fā)展，從而不易發(fā)生明顯的酸化［4］。本研究結果表明，紅層母質的酸緩沖性與土壤初始pH值、CEC、CaCO3含量、鹽基飽和度等因素有關。由于紅層母質中含有較高含量的CaCO3和較多的云母類礦物［14］，其CEC和鹽基飽和度較高，對酸性物質具有較強的緩沖能力［10］，因此，在自然條件下該類土壤不易酸化，其緩沖能力明顯強于當?shù)氐募t壤。但研究結果也表明，不同紅層母質發(fā)育土壤的酸緩沖性差異較大，土壤酸緩沖容量最高值約為最低值的10倍，其原因是不同紅層母質發(fā)育土壤中的緩沖物質存在很大的差異［10］，對于形成于白堊系橫山組、衢江群下段中部和侏羅系上統(tǒng)的勞村組上部的紫紅色砂頁巖、紫紅色砂礫巖上的紫砂土，因含有較多的碳酸鈣［4］，使其對酸的緩沖能力明顯較高，且在大量酸加入情況下也不易發(fā)生顯著的酸化；但在土壤中的碳酸鈣淋失后，其隨著酸加入量的增多pH值下降明顯，這表明碳酸鈣在防止土壤酸化過程中發(fā)揮著十分重要的作用。紅紫砂土和酸性紫砂土因缺乏碳酸鈣導致其對酸的緩沖能力明顯下降。紅紫砂土對酸的緩沖能力高于酸性紫砂土，與紅紫砂土的鹽基飽和度更高有關，較高鹽基飽和度的土壤具有較多可供氫交換的鈣離子、鎂離子［10,15］。

紅層母質發(fā)育土壤經過平整土地、營造梯田/梯地等方式種植農作物后，地表穩(wěn)固性明顯增加并顯著削弱了紅層發(fā)育土壤的水土流失，土壤向深度方向發(fā)育；在這樣連續(xù)的淋溶作用下，土壤中的碳酸鈣以及鈣、鎂等交換性離子逐漸淋失，土壤緩沖作用逐漸轉弱［10］，土壤中酸性物質逐漸積累，導致了土壤pH值和鹽基飽和度的下降。而當紅層母質發(fā)育土壤被開發(fā)為農業(yè)用地后，化肥投入量明顯增加，這也在一定程度上加速了土壤的酸化［16］。紫砂土、紅紫砂土和酸性紫砂土的酸化過程在不同土地利用下表現(xiàn)不一，即水耕對紫砂土的酸化作用比旱耕更明顯，對紅紫砂土和酸性紫砂土的酸化作用比旱耕弱，這可能與不同土壤中的抗酸物質不同有關。紫砂土中含有大量的CaCO3，CaCO3可與土壤中的CO2作用，形成溶解性較好的Ca(HCO3)2，從土壤中淋失。而水耕條件下的土壤通氣性較差，土壤空氣中含有較多的CO2，有利于CaCO3的溶解、淋失，土壤pH值下降相對較明顯。紅紫砂土和酸性紫砂土不含CaCO3，因而不具有上述土壤酸化機制，且在水耕條件下容易形成還原性物質（包括亞鐵、亞錳等），后者對酸也有較強的緩沖能力［10］，在一定程度上減弱了土壤的酸化。

4 結論

對浙江省不同紅層母質發(fā)育土壤的酸緩沖性及其在人為利用下酸度變化的研究表明：

（1）紅層母質發(fā)育土壤的酸緩沖容量與緩沖強度有很大的變化，其平均值分別為232.64、81.60 mmol/kg；紅層母質發(fā)育土壤的酸緩沖容量明顯高于自然紅壤。

（2）紅層母質發(fā)育土壤的酸緩沖容量和土壤酸緩沖強度主要與土壤初始pH值、CaCO3含量、CEC和鹽基飽和度等因素有關；其對酸緩沖曲線可分為pH值＞6.5、pH值為3.5～6.5和pH值＜3.5等3個階段，其中pH值＞6.5時，緩沖物質主要為CaCO3，對酸具較強的緩沖性；pH值介于3.5～6.5時土壤容易發(fā)生酸化。

（3）在穩(wěn)定的成土環(huán)境及施肥條件下，紅層母質發(fā)育土壤可發(fā)生不同程度的酸化，其中紅紫砂土因缺乏CaCO3而酸化進程較快，其pH值下降主要發(fā)生在利用時間25 a內；紫砂土因含有CaCO3而不易酸化，其pH值下降主要發(fā)生在利用時間25 a后；酸性紫砂土因本身pH值較低，因而在人為利用下的酸化程度較小，其pH值呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。水耕對紫砂土的酸化作用較旱耕更明顯，而對紅紫砂土和酸性紫砂土的酸化作用卻比旱耕弱。