摘要: 【目的】作物类型及其管理模式是影响红壤酸化的主要因素之一，研究不同利用方式下红壤剖面酸度的变化特征，对红壤酸化防治具有重要指导意义。【方法】选取由红砂岩母质发育红壤的 4 种主要利用方式 (水田、旱地、果园和林地)，通过分层 (0—20、20—40、40—60、60—80 cm 和 80—100 cm) 测定 pH、交换性酸、交换性盐基总量和盐基饱和度，定量比较不同利用方式下各酸度指标在剖面上的变化特征及程度。【结果】在不同利用方式下，红壤剖面 pH 为水田 (5.69) > 旱地 (4.71) ≈ 果园 (4.74) > 林地 (4.49);交换性酸含量为林地 (6.54 cmol/kg) ≈ 旱地 (6.52 cmol/kg) > 果园 (3.51 cmol/kg) > 水田 (0.79 cmol/kg);交换性盐基总量为水田 (4.47 cmol/kg) > 旱地 (1.97 cmol/kg) > 果园 (1.26 cmol/kg) > 林地 (0.48 cmol/kg);盐基饱和度为水田 (53.14%) > 旱地 (20.87%) > 果园 (15.41%) > 林地 (4.67%)。随着土层深度的增加，红壤剖面 pH 值逐渐升高;不同层次间交换性酸含量无显著差异;交换性盐基总量随土壤深度增加逐渐升高，为 60—100 cm (2.34 cmol/kg) > 40—60 cm (2.05 cmol/kg) > 0—40 cm (1.75 cmol/kg);水田利用方式下红壤盐基饱和度随土壤深度增加逐渐升高，为 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%)。水田、果园利用方式下红壤 pH 与交换性酸含量呈显著负相关，与交换性盐基总量和盐基饱和度呈显著正相关;旱地利用方式下红壤 pH 与交换性盐基总量呈显著正相关;林地利用方式下 pH 与交换性酸含量呈显著负相关。【结论】4 种利用方式下，在 0—40 cm 土层，林地红壤酸度最高，其次是果园和旱地，水田红壤酸度最低，在 40—100 cm 土层酸度变异较小。通过改变土地利用方式，降低红壤交换性酸含量、增加交换性盐基总量和盐基饱和度可以有效降低红壤酸度。
关键词: 土地利用方式;红壤;土壤剖面;酸度特征;酸化
红壤是我国南方丘陵区主要的土壤类型，具有酸性强、盐基高度不饱和、肥力水平低的特点[1]。在高强度的人为活动下，大量外源质子会进入土壤，引起红壤酸化，使土壤物理、化学和生物学性质发生一系列变化，进而导致生产力及生态系统的演变和退化[2–3]。同时，红壤酸化会引起铝、锰和氢对植物的毒害及红壤中营养元素磷、钾、钙、镁的缺乏，从而使作物减产[4–5]。由于其本身物理化学特性及受热带亚热带气候的影响，土壤对人为土地利用导致酸性物质的输入特别敏感，加快了土壤的进一步酸化[3]。因此，红壤酸化对农业和生态环境保护产生了严重威胁[6]，明确不同土地利用方式下红壤酸化现状，可采取有效措施减缓酸化进程，减少因土壤酸化造成的经济损失及生态环境的恶化。
有研究表明[7]，不仅粮田土壤存在酸化现象，果园和菜园的土壤酸化问题也很突出。张桃林等[8]在江西省余江县进行的研究表明，不同土地利用方式对红壤 pH 的影响程度为旱地 > 菜地 > 水田。姬钢等[9] 研究表明，在人工林中 0—40cm 土层红壤 pH 大小顺序为茶园 > 湿地松林 > 板栗 > 柑橘园。由此可见，不同土地利用方式影响土壤 pH 变化[10]。因此，可以通过不同土地利用方式的调控，稳定土壤 pH 值，减缓酸化，进而保持土壤的持续生产力。
土地利用方式可以直接影响土壤的酸化状况，前人的研究大多集中在表层或耕层土壤 pH 的变化特征[11–12]，关于土壤酸度特征在剖面上分布差异性的研究尚较缺乏。因此，本研究对红砂岩母质发育的红壤在 4 种利用方式 (水田、旱地、果园、林地) 下，土壤 pH、交换性酸、交换性盐基总量以及盐基饱和度等酸性相关指标在不同土层 (0—20、20—40、 40—60、60—80 和 80—100 cm) 的变化特征进行了分析，为我国南方丘陵区红壤酸化特性和改良提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于江西省鹰潭市余江县 (28°04′～ 28°37′N、116°41′～117°09′E)，该地区年平均温度 17.6 ℃，年降水量 1757.9 mm，年平均日照 1777.6 h，年日照百分率为 41%，无霜期 270 天左右，属于亚热带湿润季风气候，主要种植制度是双季稻，土壤类型为红砂岩母质发育的红壤。
1.2 试验设计
于 2016 年 1 月采用网格布点法 (2 km × 2 km) 在余江县均匀采集了 4 种不同利用类型 (水田、旱地、果园、林地) 共 26 个土壤剖面样品，在每一点位所在的样地随机选取 3 个点位，用土钻进行样品采集，取样层次分别为 0—20、20—40、40—60、 60—80 和 80—100 cm 共 5 个土层，同一土层深度 3 个样品混合均匀后，按照四分法分取 1 kg 土样，分拣出石砾、根系等杂物，磨细分别依次过 2 mm、 1 mm 和 0.25 mm 筛备用。不同利用类型的红壤剖面基本状况见表 1。
根据采样期间的农户调查，截至 2016 年，水田和林地利用年限超过 30 年，由于 1997—2000 年土地利用方式发生变化，旱地利用年限为 5～10 年，由于 1985 年没有采集果园利用方式下的土壤样品，因此数据缺省。1985 年不同利用方式下红壤基本化学性质见表 2。
1.3 测定项目与方法
土壤 pH 值采用电极电位法测定 (水土比 2.5∶ 1);有机质用重铬酸钾外加热法;全氮采用凯氏定氮法;土壤交换性酸(EA)采用 1 mol/L 氯化钾交换 —中和滴定法测定;阳离子交换量(CEC)采用乙酸铵交换法[13];交换性盐基离子(EB)用乙酸铵震荡浸提法[14];盐基饱和度(BC= EB/CEC * 100%)通过计算获得[13]。
1.4 数据处理
采用 SPSS 19 软件进行数据统计分析，用 Duncan 法检验不同利用方式和不同土壤层次间酸度指标的差异显著性 (P < 0.05) ;采用 Excel 2016 软件作图。
2 结果与分析
2.1 不同利用方式下红壤剖面 pH 变化特征
由图 1 可以看出，红壤 pH 随着利用方式和土层深度呈现不同程度的变化趋势，变化范围在 4.27～6.27 之间。在不同利用方式下，红壤剖面 pH 大小依次为水田 (5.69) > 旱地 (4.71) 和果园 (4.74) > 林地 (4.49);在不同土层上，随着土层的增加，红壤剖面 pH 逐渐升高[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，随着土层深度的增加，红壤 pH 逐渐升高，为 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，不同土层红壤 pH 无显著差异 (P > 0.05);在果园利用方式下，红壤 pH 在 80—100cm 土层最高，为 4.92;在林地利用方式下，红壤 pH 在 20—80 cm 随着土层的增加而逐渐升高，其大小顺序为 60—100 cm (4.67) > 40—60 cm (4.49) > 0—40 cm (4.30)。
2.2 不同利用方式下红壤剖面交换性酸含量变化特征
由图 2 可以看出，在不同利用方式下，红壤剖面交换性酸含量大小顺序为林地 (6.54 cmol/kg) > 旱地 (6.52 cmol/kg) > 果园 (3.51 cmol/kg) > (0.79 cmol/kg)。在水田利用方式下，红壤交换性酸含量在 0—60 cm 随着土层深度的增加而逐渐降低，其大小顺序为 0—20 cm (2.00 cmol/kg) > 20—40 cm (0.86 cmol/kg) >40—60 cm (0.23 cmol/kg)，80—100 cm 土层与 40—60 cm 土层间无显著差异;在旱地利用方式下，红壤交换性酸含量随着土层深度的增加而逐渐升高，其大小顺序为 60—100 cm (8.57 cmol/kg) > 20—60 cm (6.12 cmol/kg) > 0—20 cm (2.57 cmol/kg);在果园和林地利用方式下，红壤交换性酸含量在不同土层间 无显著差异。
2.3 不同利用方式下红壤剖面交换性盐基总量变化特征
由图 3 可以看出，在不同利用方式下，红壤剖面交换性盐基总量大小顺序为水田 (4.47 cmol/kg) > 旱地 (1.97 cmol/kg) > 果园 (1.26 cmol/kg) > 林地 (0.48 cmol/kg)。在不同土层上，随着土层深度的增加，红壤交换性盐基总量逐渐升高，其大小顺序为 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，红壤交换性盐基总量在 20—60 cm 随着土层深度的增加而显著升高，不同土层交换性盐基总量顺序为 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，红壤交换性盐基总量在 0—100 cm 随着土层深度的增加而逐渐降低，不同土层交换性盐基总量顺序为 0—20 cm (3.00 cmol/kg) > 20—60 cm (2.14 cmol/kg) > 60—80 cm (1.30 cmol/kg);在果园利用方式下，红壤交换性盐基总量在 40—100 cm 随着土层深度的增加而逐渐升高，其中 80—100 cm 土层比 40—60 cm 土层显著升高了 0.60 cmol/kg，不同土层交换性盐基总量顺序为 60—100 cm (1.64 cmol/kg) > 0—60 cm (1.00 cmol/kg);在林地利用方式下，红壤交换性盐基总量在 40—100 cm随着土层深度的增加而逐渐升高，其中 80—100 cm土层比 40—60 cm 土层显著升高了 0.25 cmol/kg，不同土层交换性盐基总量大小顺序为 60—100 cm (0.55 cmol/kg) > 0—60 cm (0.43 cmol/kg)。
2.4 不同利用方式下红壤剖面盐基饱和度变化特征
由图 4 可以看出，在不同利用方式下，红壤剖面盐基饱和度大小顺序为水田 (53.14%) > 旱地 (20.87%) > 果园 (15.41%) > 林地 (4.67%)。在不同土层上，随着土层深度的增加，红壤盐基饱和度逐渐升高，其大小顺序为 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，红壤盐基饱和度在 0—60cm 随着土层深度的增加而逐渐升高，其大小顺序为 40—100 cm (64.20%) > 20—40 cm (45.19%) > 0—20 cm (28.90%);在旱地利用方式下，红壤盐基饱和度在 0—80 cm 随着土层深度的增加而逐渐降低，不同土层盐基饱和度的大小顺序为 0—20 cm (38.68%) > 20—40 cm (23.64%) > 40—60 cm (19.03%) > 60—100 cm (11.51%);在果园利用方式下，红壤盐基饱和度在不同土层间无显著差异;在林地利用方式下，红壤盐基饱和度在 60— 100 cm 随土层深度的增加而显著升高了 1.98%，不同土层盐基饱和度 80—100 cm 为 6.53%，0—80 cm 为 4.17%。
2.5 不同利用方式下红壤剖面 pH 与酸度指标间关系
在不同利用方式下红壤 pH 与酸度指标间具有显著的相关关系 (表 3)。在水田、旱地和果园利用方式下，红壤 pH 与交换性酸呈显著负相关，与交换性盐基总量和盐基饱和度呈显著正相关 (P < 0.01);在林地利用方式下，红壤 pH 与交换性酸、全氮和有机质呈显著负相关，与盐基饱和度呈显著正相关 (P < 0.05)，与交换性盐基总量无相关性。
3 讨论
土地利用是人类在自然、经济、社会等条件综合作用下的长期过程，反映了人类与大自然之间的相互关系[15–16]，受人类活动的直接影响[17]。土地利用作为人类干预土壤质量最直接和最重要的活动，深刻影响着土壤的理化性状及其生态环境，合理的土地利用方式可有效地改善土壤结构，提高土壤质量，而不合理的土地利用则会加重土壤侵蚀，降低土壤对外界环境的抵抗力[18–20]。本研究表明，林地、果园和水田土壤 pH 在 0—60 cm 土层随土层深度增加而升高，这与刘菊秀等的研究结果一致[21]。可能是因为在在多雨和施肥条件下，红壤中的盐基离子向下淋溶，氢离子代替盐基离子被土壤吸附，并进一步转化为铝质土壤[22]，使得土壤剖面底层盐基离子含量增加，pH 升高。
本研究表明，4 种利用方式下 0—100 cm 土层的 pH 大小为水田 > 果园 ≈ 旱地 > 林地，且水田、果园和林地红壤表层 pH 显著低于底层，主要有以下几个原因：1) 林地中含有丰富的根系群和微生物群，其在土壤中的呼吸作用会引起硅酸盐的溶解，导致碱性离子流失，加剧土壤酸化[23–24]，另外，森林凋落物含有大量的单宁、树脂和木质素等，其分解可产生酸性物质，进入土壤后引起林地土壤 pH 降低、交换性酸含量增加[25]。2) 果园由于果实收获会带走部分碱基[26]，抵消了部分由于施肥和降雨产生的质子[27]，在一定条件下，其 pH 比林地高。3) 旱地种植的是花生和大豆，都属豆科作物，在生长过程中通过根瘤菌的固氮作用从土壤中吸收的阳离子量大于阴离子量，引起花生地红壤中质子增加而加剧红壤酸化，花生固定的氮被硝化和淋溶以及施肥等措施也会导致土壤酸化[28]，这与姬纲等[29]研究结果一致。4) 水田 pH 显著高于其他土地利用方式，其表层 pH 低于底层，主要由于：①化学氮肥施用可以在土壤中产生大量的酸，如 NH4 +的硝化作用、NO3 –的积累和淋失等，其都能够产生大量的 H + [ 3 0 ]，使水稻土表层 pH 降低;②水稻收获后，秸秆和籽粒会带走大量的盐基离子，导致水稻土中阴阳离子的不平衡[31]，从而使水稻土表层 pH 降低;③研究区域的水田都是全量秸秆还田，水稻秸秆短期还田主要通过淹水作用产生有机酸等酸性物质影响水稻土酸度[32]，同时，水稻秸秆分解过程中铵态氮的硝化作用引起水稻土表层 pH 降低[33];④由于长期淹水，水稻土中形成了特殊的酸碱缓冲体系，耕层士壤 Eh 值显著下降，亚铁、亚锰等还原物质明显增加，导致还原淋溶和络合淋移作用的加强[34]，特别是土壤中的铁、锰氧化物被还原消耗质子可使溶液中的氢离子浓度下降，中和了施肥、收获和秸秆还田等原因产生的氢离子，因此，水田 pH 显著高于其他利用方式，长期种植水稻后土壤酸碱度一般是向中性方向发展[35]。
交换性离子分布的差别是成土母质、生物物质循环及淋溶作用等综合作用的结果，与母质类型、利用方式以及土壤养分等条件密切相关[36]。本研究表明，在成土母质、地形以及气候条件一致的情况下，不同土地利用方式下红壤剖面交换性酸变化特征与 pH 相反，而交换性盐基总量和盐基饱和度变化特征与 pH 一致，主要由于不同利用方式下的红壤剖面有机质和全氮含量均随土层深度的增加而降低 (图 5)，且在水田利用方式下，红壤交换性酸含量随全氮和有机质含量的增加而显著增加;交换性盐基总量和盐基饱和度随全氮和有机质含量的增加而显著降低 (P < 0.01);在旱地和果园利用方式下，红壤交换性酸含量随全氮和有机质含量的增加而显著降低;在旱地利用方式下，交换性盐基总量和盐基饱和度随全氮和有机质含量的增加而显著增加 (P < 0.01);在果园和林地利用方式下，全氮和有机质含量对交换性盐基总量和盐基饱和度无显著影响;在林地利用方式下，红壤交换性酸含量随全氮含量的增加显著降低，与有机质含量无相关性 (表 2)。因此，不同的土地利用方式下交换性离子的差异是由于土壤全氮和有机质含量剖面分布的差异引起的[37]。从整体来看，林地红壤交换性离子相对较低，这是因为林地酸化而造成土壤交换性盐基离子流失较快[38]。不同利用方式下的红壤 pH 均与交换性酸呈显著 (P < 0.05) 负相关，与交换性盐基总量和盐基饱和度呈显著 ( P < 0.05) 正相关，说明不同利用方式下红壤交换性离子和盐基饱和度的变化会引起土壤 pH 的变化，与黄尚书等[39]研究结果一致。
4 结论
4 种利用方式下，0—40 cm 土层，林地红壤酸度最高，其次是果园和旱地，水田红壤酸度最低，在 40—100 cm 土层酸度变异较小。通过改变土地利用方式，降低红壤交换性酸含量、增加交换性盐基总量和盐基饱和度，可以有效降低红壤酸度。
红壤不同利用方式下的剖面酸度特征相关论文期刊推荐：《土壤学报》(双月刊)创刊于1948年，是由中国科学院主管、中国土壤学会主办。反映土壤学各分支学科有创新或有新意的、有较高学术价值的研究成果，主要刊登土壤科学及相关领域，如植物营养科学、肥料科学、环境科学、国土资源等领域中具有创造性的研究论文
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