南方典型母質發育水稻土剖面酸化特征研究

周峻宇，李明德*，周 旋，唐珍琦，谷 雨，吳海勇，劉瓊峰

（1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；2.湖南省土壤肥料工作站，湖南 長沙 410006）

水稻土是中國最為重要且受人為影響最為劇烈的耕地土壤，而南方地區則是其主要分布區域[1]。當前，南方部分水稻土區域均出現不同程度的土壤pH降低現象[2-4]，引起K+、Ca+、Na+等鹽基離子淋失，且交換性H+、Al3+含量增加以及重金屬生物有效性的提高[5-6]，致使土壤質量嚴重下降。一般而言，母質通過影響土壤的理化性質，會對酸化進程產生重要影響[7-9]。因此，明確不同母質發育水稻土的剖面酸化特征，分析其主要影響因素，采取有效措施減緩土壤酸化，降低其帶來的經濟損失和生態環境惡化，對提高耕地土壤肥力及生產力等具有重要的指導意義[10]。

相關研究發現，不同來源的母質會對土壤中酸的強度、分布及中和能力產生作用，進而影響酸化進程[11]。何騰兵等[12]研究表明，土壤pH對母巖的繼承性較大；石灰巖、河流沖積物及紫色砂頁巖發育的土壤pH呈中性至微堿性；紅色黏土、砂巖及頁巖發育的土壤pH則呈酸性至強酸性。郭榮發等[13]研究我國南方不同母質發育的酸性土壤時發現，pH大小順序依次為粵北石灰巖發育的紅壤 ＞粵中花崗巖發育的赤紅壤 ≥ 雷州半島地區玄武巖發育的磚紅壤。吳甫成等[14]研究發現，第四紀紅土、砂巖及花崗巖等發育土壤的鹽基離子含量少，酸緩沖能力較弱，更易發生酸化。土壤pH變化受多方面人為因素的影響，與其理化性質密切相關。Simansky等[15]研究發現，土壤有機碳及全氮與pH呈顯著正相關，而Curtin等[16]則指出土壤全氮與pH呈顯著負相關關系。唐賢等[17]研究表明，紅砂巖和河流沖積物母質發育的水稻土pH與有機質、全氮及交換性酸呈極顯著負相關，與交換性鹽基總量呈極顯著正相關，而與陽離子交換量無相關性。

過去20多年間，湖南省水稻土顯著酸化[18]，并呈現明顯的階段性特征，主要受氮肥施用、長期旱作、大氣酸沉降及土壤本身性質等多種因素的影響[19-21]，但研究結果存在差異。同時，湖南境內母質資源豐富，水稻土成土母質高達7類之多。潴育性水稻土作為水稻土的重要亞類，占水稻土土類的72.7%，種稻歷史悠久，且雙季稻種植為其主要的種植制度，水耕熟化程度較高，是我國主要的糧食生產基地[22]。作為高產田的潴育性水稻土因長期耕作培肥及周期性排灌，土體內氧化還原過程交替進行，剖面分化明顯，剖面上下鐵鋁氧化物、有機質及顆粒含量等明顯不同[23-24]。

目前，針對不同母質下土壤酸化特征及因素有較多研究，但基于南方典型成土母質發育水稻土的剖面酸化特征及影響因素研究則較為缺乏。本研究以湖南省土壤母質資源豐富的長株潭地區為研究區域，選取7種不同母質發育的潴育性水稻土為研究對象，分析耕作層（A）、犁底層（P）、潴育層（W）及母質層（C）不同層次的土壤pH，比較A與C層pH的差異，揭示不同母質水稻土pH的剖面酸化特征，明確影響耕作層酸化的主要因素。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

長株潭地區位于亞熱帶中部及北部的過渡地帶（26°30′～28°40′N，110°53′～114°15′E），山地丘陵為主，包括長沙、株洲及湘潭3個地級市、4個縣級市、8個縣、181個鄉鎮，總面積為28088 km2。該區域屬亞熱帶季風氣候，氣候溫暖濕潤、四季分明、雨量充沛、植物生長期長。長株潭地區地理位置及資源優勢突出，是湖南省工業及水稻的重要生產基地，區域內土壤母質豐富且類型多樣，水稻土面積較大，涵蓋省內多數成土母質及土壤類型[25-27]。

基于此，本研究選取位于長株潭地區7種典型土壤母質（板頁巖、第四紀紅土、花崗巖、河流沖積物、砂巖、石灰巖及紫色砂頁巖）發育的潴育性水稻土剖面共計41個，土壤采樣點基本情況見表1。

表1 供試土壤采樣點基本情況

1.2 試驗材料

于2018年3～5月在長株潭地區內隨機選取7種土壤母質發育的潴育性水稻土剖面共計41個，分別采集耕作層（A）、犁底層（P）、潴育層（W）及母質層（C）共4個層次的土壤樣品，待自然風干后，清除石塊及殘根等雜物，磨碎后過2 mm篩，再取約300 g土樣作為待測樣品。4個不同層次土壤樣品均測定pH，耕作層（A）土壤樣品測定有機質、陽離子交換量、總氮及顆粒組成。

1.3 試驗方法

土壤pH、有機質、陽離子交換量、總氮及顆粒組成均參照《土壤農化分析》[28]進行測定。

所有圖表及數據分析均采用Excel 2013及SPSS 20.0。不同處理間的顯著性檢驗（P＜0.05）則采用Duncan新復極差法；逐步回歸分析借助SPSS 20.0進行。

2 結果與分析

2.1 不同母質水稻土的剖面pH

不同母質水稻土pH剖面變化見圖1。石灰巖剖面土壤的pH最高，平均為6.39～6.92，其次為河流沖積物（6.24～6.66）及紫色砂頁巖土壤（5.90～6.57），均呈微酸性至中性；再次是板頁巖土壤（5.91～6.46），呈微酸性；最后依次為第四紀紅土（5.45～6.12）、花崗巖（5.47～5.88）及砂巖土壤（5.47～5.85），均呈酸性至微酸性。

圖1 不同母質水稻土pH剖面特征

此外，板頁巖、第四紀紅土、花崗巖、石灰巖及紫色砂頁巖水稻土的pH隨土層深度（C-WP-A）減少呈現逐漸降低的趨勢，C至A層降低幅度分別為0.55、0.67、0.41、0.53及0.67個單位；而河流沖積物及砂巖水稻土的pH隨土層深度減少雖表現出高低起伏的不規則變化，但C至A層降低幅度分別為0.37及0.17個單位，A層較C層仍然呈降低的趨勢。7種母質剖面各層次土壤間，除板頁巖及第四紀紅土外，其他母質土壤C與A層均未呈現顯著性差異，但總體來看，不同母質發育水稻土耕作層均出現不同程度的酸化現象，從而造成耕作層的pH均小于母質層。

2.2 不同母質水稻土的酸化特征

在A層土壤中，石灰巖母質土壤pH顯著高于第四紀紅土及花崗巖土壤，而其它母質間并無顯著性差異。P層土壤中，石灰巖及河流沖積物母質土壤pH顯著高于第四紀紅土、花崗巖及砂巖土壤，且以河流沖積物pH最高，其他母質間并無顯著性差異。W層土壤中，石灰巖母質土壤pH最高且顯著高于砂巖、花崗巖及第四紀紅土土壤，板頁巖、第四紀紅土、河流沖積物及紫色砂頁巖間并無顯著性差異。在C層土壤中，石灰巖母質土壤pH最高且顯著高于第四紀紅土、花崗巖、砂巖土壤，板頁巖、第四紀紅土及花崗巖間并無顯著性差異，河流沖積物、石灰巖及紫色砂頁巖間也無顯著性差異。

選取水稻土A和C層分別作為表層和底層，通過比較A與C層間酸堿度的差異以表征表層土的酸化進程狀況。由表2可見，在表層土壤中，以石灰巖土壤pH最高，其次為河流沖積物、板頁巖、紫色砂頁巖及砂巖，花崗巖及第四紀紅土土壤pH最低且顯著低于石灰巖母質土壤。而在底層中，以石灰巖土壤pH最高，其次為河流沖積物、紫色砂頁巖及板頁巖，再次為第四紀紅土及花崗巖，砂巖土壤pH最低且顯著低于板頁巖、河流沖積物、石灰巖及紫色砂頁巖母質土壤。

表2 不同母質水稻土各層次土壤pH值及A～C層差值

通過對表層與底層pH的差值比較發現，不同母質水稻土表層均出現酸化現象，且酸化程度大小依次為紫色砂頁巖、第四紀紅土＞板頁巖、石灰巖、花崗巖＞河流沖積物、砂巖。其中，河流沖積物和砂巖土壤酸化程度顯著小于第四紀紅土及紫色砂頁巖土壤。

2.3 不同母質發育水稻土耕作層的土壤有機質、陽離子交換量、總氮及顆粒組成

由表3可見，表層土壤有機質含量以石灰巖水稻土最高（40.88 g·kg-1），其次為板頁巖（38.59 g·kg-1）、第四紀紅土（38.50 g·kg-1）、花崗巖（38.44 g·kg-1）及砂巖（38.27 g·kg-1），再次為河流沖積物（37.22 g·kg-1），而紫色砂頁巖土壤的有機質含量最低（36.84 g·kg-1），但各母質間有機質含量差異不顯著。

表3 不同母質水稻土耕作層土壤有機質、陽離子交換量、總氮及顆粒組成

表層陽離子交換量以紫色砂頁巖水稻土最高（16.61 cmol·kg-1），其次為石灰巖（14.82 cmol·kg-1）、河流沖積物（14.68 cmol·kg-1）、板頁巖（13.62 cmol·kg-1）及 花 崗 巖（12.78 cmol·kg-1），再 次為第四紀紅土（11.14 cmol·kg-1）及砂巖（10.11 cmol·kg-1），其中砂巖最低，且第四紀紅土及砂巖母質水稻土的陽離子交換量顯著低于紫色砂頁巖母質水稻土。

表層總氮以石灰巖最高（2.53 g·kg-1），其次為紫色砂頁巖（2.01 g·kg-1）、花崗巖（1.82 g·kg-1）、板頁巖（1.76 g·kg-1）、砂巖（1.76 g·kg-1）及河流沖積物（1.67 g·kg-1），第四紀紅土最低（1.43 g·kg-1）且顯著低于石灰巖母質水稻土。

表層顆粒組成結果可看出，板頁巖黏粒含量最高（30.64%），顯著高于河流沖積物母質水稻土（17.92%），其它母質間黏粒含量并無顯著性差異。第四紀紅土粉粒含量最高（24.50%），且與板頁巖（22.77%）顯著高于紫色砂頁巖母質粉粒（15.56%），其它母質間粉粒含量并無顯著性差異。紫色砂頁巖砂粒含量最高（64.27%），但各母質間并無顯著性差異。

2.4 不同母質水稻土酸化的主要因素

本研究對可能與潴育性水稻土表層酸化的相關因素（包括土壤有機質、陽離子交換量、總氮及顆粒組成）進行逐步回歸分析發現，除陽離子交換量外均未被輸入到方程中，即針對不同母質發育的潴育性水稻土，陽離子交換量是影響7種母質潴育性水稻土表層酸化的最主要因素。

本研究基于A與C層的△pH進行正態性檢驗，選用Shapiro-Wilk Test模型進行小樣本檢驗（3≤n≤50，本研究n=41，屬小樣本）。分析表明，統計量為0.950，顯著性水平為0.219（P＞0.05），故△pH服從正態性分布，進一步通過回歸分析可得到以下線性回歸方程：

式中：y表示△pH，即表層與底層土壤的pH差值；x1表示陽離子交換量。

回歸系數的顯著性均小于0.05，即自變量同因變量之間存在顯著性差異，具有統計學意義，故留在方程中。自變量x1對y的直接作用為P1y=0.420，表明陽離子交換量對水稻土表層酸化有直接影響。△pH即酸化強度與陽離子交換量呈現顯著負相關關系，因此，陽離子交換量是影響不同母質發育潴育性水稻土表層酸化的最主要因素。

3 討論

土壤pH對母巖具有較大的繼承性[29]。依據土壤酸堿度的分級標準，本研究中石灰巖、河流沖積物及紫色砂頁巖水稻土均為微酸性至中性（5.5～7.5）。其中，石灰巖土壤中碳酸鈣及鹽基豐富，能有效延緩鹽基淋失及酸化進程[30]，故剖面pH最高；河流沖積物則為多種地表物的混合沉積物，在水分作用的驅動下，致使河流沖積物母質發育的土壤接近于中性[29]；紫色砂頁巖的發育較遲緩，風化較弱，含有碳酸鈣，鹽基飽和度高[31]。所以石灰巖、河流沖積物及紫色砂頁巖水稻土剖面的pH相對較高，均呈微酸性至中性。而與之相比，板頁巖、第四紀紅土、花崗巖及砂巖發育的水稻土則呈酸性或微酸性，這可能是因為這幾種母質的風化過程較為完全，大部分鹽基淋失進而導致pH較低[32]。

在7種母質潴育性水稻土中，剖面各層次間除板頁巖、第四紀紅土外，其它母質土壤C與A層均未出現顯著性差異，但總體呈現耕作層pH小于母質層的一致趨勢。因此，本研究以A層作為表層，C層作為底層，通過比較表層與底層pH的變化差異來表征潴育性水稻土耕層土壤的酸化狀況。對比分析發現，7種母質發育水稻土表層均出現pH的降低，說明表層土壤均發生酸化，可能是由于長株潭雙季稻種植區域相對較高的年降水量在一定程度上增加了土壤中鹽基離子和NO3-的淋溶風險，加速了土壤的酸化作用[33-34]。此外，雙季稻種植區因產量較高，作物收獲帶走相當一部分的K+、Ca2+、Na+、Mg2+等鹽基離子，進一步加劇了土壤酸化程度[35]。本研究表明，南方典型7種母質中，以紫色砂頁巖和第四紀紅土發育的表層酸化最為嚴重，并顯著高于河流沖積物及砂巖發育土壤，其它母質介于兩者之間，可能是因為河流沖積物及砂巖水稻土的酸化空間較小所致。

在土壤酸堿緩沖體系的分類研究中，Ulrich等[36-37]研究認為，紫色砂頁巖、石灰巖及河流沖積物母質發育的堿性土壤主要由碳酸鹽對外界酸堿源起緩沖作用，而板頁巖、第四紀紅土、花崗巖及砂巖母質發育的酸性土壤則主要由陽離子交換量對外界酸堿源起緩沖作用。趙凱麗等[5]對7種母質紅壤pH剖面特征及酸化分析的研究表明，陽離子交換量是影響板頁巖、第四紀紅土、花崗巖及砂巖母質發育紅壤表層酸化的主要原因，其它母質并未發現主要的影響因素。與前人研究相比，本研究對與潴育性水稻土表層酸化可能相關的幾種因素（土壤有機質、陽離子交換量、總氮及顆粒組成）進行逐步回歸分析發現，陽離子交換量是影響不同母質潴育性水稻土表層酸化的最主要因素。這可能是由于選取的7種母質發育潴育性水稻土的pH差異較小（總體跨度為5.45～6.92）、酸化空間較小所致。

本研究結果表明，陽離子交換量是影響7種母質發育潴育性水稻土表層酸化的最主要因素，其中表層以紫色砂頁巖最高，其次為石灰巖、河流沖積物、板頁巖及花崗巖，第四紀紅土和砂巖顯著低于紫色砂頁巖，且以砂巖最低。主要原因可能是第四紀紅土母質水稻土在成土過程中淋溶強烈、鹽基流失較嚴重、結構疏松，故陽離子交換量也不高。紫色砂頁巖發育土壤一般具有較良好的結構性和通透性，富含鉀、鈣等養分，同時，本研究中的紫色砂頁巖采樣點曾種植過果樹，可能由于受長期化肥、有機肥施用的影響導致鹽基離子增加[38]，故陽離子交換量最高。

唐賢等[17]在研究紅砂巖和河流沖積物母質發育的水稻土剖面酸化特征時發現，陽離子交換量與水稻土酸堿緩沖容量呈極顯著正相關關系。一般而言，土壤膠體中交換性陽離子是致使土壤具備緩沖性能的主因之一，陽離子交換量越大，其緩沖性也越強[39]。我國南方水稻土為典型的交換性鹽基緩沖體系[40]，可通過增加水稻土的交換性陽離子含量以減緩其酸化進程。此外，長期過量施用化肥及有機肥用量減少是導致南方水稻土酸化的重要因素[1]，應通過加強化肥減施、增施有機肥、栽種綠肥等田間管理措施以及施用石灰等酸性調理劑來防控水稻土的酸化進程。

4 結論

不同母質發育的潴育性水稻土酸化特征表現為：石灰巖剖面土壤的pH最高，達6.39～6.92，其次為河流沖積物（6.24～6.66）及紫色砂頁巖土壤（5.90～6.57），均呈微酸性至中性；再次是板頁巖土壤（5.91～6.46），呈微酸性；最后依次為第四紀紅土（5.45～6.12）、花崗巖（5.47～5.88）及砂巖土壤（5.47～5.85），均呈酸性至微酸性。

與底層（母質層）相比，南方典型母質發育的潴育性水稻土表層（耕作層）中均出現一定程度的酸化現象，酸化程度大小依次表現為紫色砂頁巖、第四紀紅土＞板頁巖、石灰巖、花崗巖＞河流沖積物、砂巖。

土壤陽離子交換量與表層水稻土酸化差值呈顯著負相關，是影響不同母質發育潴育性水稻土表層酸化的主要因素。