琯溪蜜柚园土壤酸化特征研究

李歆博，林伟杰，李湘君，林 锋，庄木来，朱东煌，郭九信，陈立松，李 延

（1.福建农林大学 a.资源与环境学院；b.福建省土壤环境健康与调控重点实验室，福建 福州 350002；2.福建省漳州市平和县农业农村局 琯溪蜜柚综合试验站，福建 漳州 363700）

土壤酸化问题是一个严重的土壤退化问题，据有关资料统计，目前我国酸化土壤面积已达2.04×108hm2，占国土总面积的22.7%[1]。随着社会经济的进一步发展，土壤酸化的面积和程度有进一步增加的趋势。Guo等[2]研究发现，1980年以来，我国90%的耕地出现了不同程度的酸化现象，农田土壤的pH值平均下降了0.5个单位，其中53.2%的土壤pH值下降超过0.5个单位。酸化加剧了土壤中营养元素的流失，降低了土壤养分的生物有效性[3]，使土壤的保肥能力和供肥能力均有所下降；酸化促进了土壤中铝的活化[4]和重金属的溶解[5]，危害了作物生长和生态环境，已成为农业生产可持续发展的重要障碍。目前有关土壤酸化问题的研究对象主要是耕地土壤，而有关柑橘园土壤酸化问题的研究报道则少见。梁梅青等[6]对 1 405个赣南脐橙园土壤样品的分析结果表明，土壤pH值在5.0以下的酸性、强酸性土壤样本数占样本总数的82.7%，其中pH＜4.5的强酸性土壤占其样本总数的45.7%。广东省西江流域有80.4%的砂糖橘果园土壤的pH值低于4.5[7]。有关研究结果表明，土壤酸化会造成柑橘产量和品质的下降，而通过施用石灰提高土壤pH值可显著提高柑橘产量，降低其果实中可滴定酸的含量，提高果实的糖/ 酸比值[8]。琯溪蜜柚是福建省平和县的支柱产业，该县种植面积达4.33×104hm2、产量120×104t，种植面积和产量均居全国首位[9]。前人对蜜柚园土壤酸化的研究仅限于土壤pH值的测定[10-11]，而有关蜜柚园土壤酸化的土层分布特征、影响因素和酸化对土壤养分保存的影响情况的研究却未见报道。为此，本研究采集福建省平和县319个蜜柚园的土壤样品和25个蜜柚园土壤剖面表土层（0～20 cm）、亚表土层（20～40 cm）和底土层（40～60 cm）的土壤样品，分析了蜜柚园土壤pH值的分布特征、影响蜜柚园土壤酸化的因素和土壤pH值与盐基饱和度以及交换性钙与交换性镁含量的关系，以期为蜜柚园土壤改良和蜜柚产量和品质的提升及蜜柚产业的可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

1.1.1 土壤样品

选择福建省漳州市平和县10个蜜柚主产乡镇具有代表性的319个果园，参照程琛文章中的方法[12]采集其土壤样品，采样时间为2017年9—10月。同时对果园中树龄近2 a的蜜柚树的施肥管理等措施进行问卷调查，回收有效问卷279份。

1.1.2 剖面土壤样品

选取树龄在15 a以上的蜜柚园25个，每个果园选取长势一致的5株蜜柚树作为样株，采集表土层（0～20 cm）、亚表土层（20～40 cm）和底土层（40～60 cm）的土壤样品，采集的蜜柚园剖面土壤样品合计75个。

1.2 分析方法

土壤pH值的测定，采用电位法（水∶土= 2.5∶1.0）；土壤交换性氢和铝的测定，采用KCl浸提-NaOH中和滴定法[13]；土壤碱解氮的测定，采用碱解扩散法[14]；土壤有效硫的测定，采用磷酸盐-乙酸浸提，硫酸钡比浊法；用醋酸铵法测定阳离子交换量（CEC）；以醋酸铵浸提法测定交换性钾、钙、镁的含量，以火焰光度法测定钾含量，以原子吸收光度法测定钙、镁的含量。以交换性盐基总量（指交换性钾、钙、镁含量之和）占CEC的比值计算盐基饱和度[13]。

1.3 数据统计分析

采用Microsoft Office Excel 2010进行数据统计和作图，用SPSS 19.0进行方差和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 蜜柚园土壤的酸化状况

根据Kanyanjua等[15]提出的土壤酸度划分标准，将土壤酸度划分为极强酸（pH＜4.5）、强酸（pH为4.5～5.0）、酸（pH为5.0～6.0）和微酸（pH为6.0～6.5）4个等级。平和县319个蜜柚园土壤pH值的变化幅度为3.26～6.22，其平均值为4.34，具体调查结果见表1。其中，极强酸（pH＜ 4.5）、强酸（pH为4.5～5.0）、酸（pH为5.0～6.0）和微酸（pH为6.0～6.5）的果园分别占调查总果园数的67.71%、22.26%、9.40%和0.63%。谢志南等[16]的研究结果表明，柑橘生长适宜的土壤pH值为5.0～6.5。由此可以得出，319个蜜柚园土壤样品中有89.97%的果园土壤pH值低于适宜指标的下限（pH为5.0），仅有10.03%的蜜柚园土壤样品的pH值处于适宜柑橘生长的范围内，说明蜜柚园土壤存在严重的酸化问题。

不同乡镇蜜柚园土壤样品的pH平均值存在明显差异，除文峰镇、山格镇蜜柚园土壤的pH平均值＞4.5外，其余乡镇蜜柚园土壤的pH平均值均＜ 4.5。不同乡镇果园pH＜4.5极强酸的土壤占比从大到小依次为崎岭乡（88.23%）、芦溪镇（87.50%）、国强乡（84.62%）、坂仔镇（80.95%）＞霞寨镇（77.78%）、九峰镇（70.00%）＞南胜镇（59.09%）、小溪镇（58.93%）＞文峰镇（47.06%）、山格镇（42.86%），说明崎岭乡、芦溪镇、国强乡和坂仔镇的蜜柚园土壤酸化最为严重。

表1 平和县蜜柚园土壤pH值的调查结果†Table 1 Survey results of soil pH values in pomelo orchards of Pinghe county

2.2 蜜柚园土壤剖面的酸化特征

25个蜜柚园土壤剖面不同土层的p H值见表2。由表2可知，25个蜜柚园土壤剖面的pH平均值随土层深度的增加而降低，不同土层极强酸、强酸土壤样品的占比从大到小依次为20～40 cm亚表土层（96.00%）、40～60 cm底土层（92.00%）、0～20 cm表土层（88.00%），与表土层土壤 pH＜4.5的占比相比，亚表土层和底土层的分别提高了50.00%和35.71%，说明平和县蜜柚园不仅存在表土酸化的问题，而且其亚表土层和底土层的土壤同样存在酸化问题，且其酸化现象更为严重。

对土壤pH值和土壤交换性氢、交换性铝含量的相关性进行了分析，结果如图1所示。由图1可知，土壤pH值与土壤交换性氢、交换性铝含量均呈极显著负相关关系，其相关方程分别为：

y(土壤交换性氢含量)=-1.615 7x(土壤pH值)+9.122 9，r=0.481 5**，n=75；

y(土壤交换性铝含量)=-0.622 7x(土壤pH值)+3.691 6，r=0.315 1**，n=75。

这一分析结果说明，酸化会导致土壤中氢离子和铝离子数量的增加。

表2 25个蜜柚园土壤剖面不同土层的pH值Table 2 pH values of different soil profile layers in 25 pomelo orchards

图1 土壤pH值和土壤交换性氢、交换性铝含量的相关关系Fig.1 Relationship of soil pH value with contents of exchangeable hydrogen and exchangeable aluminum in soil

2.3 蜜柚园土壤酸化的影响因素

2.3.1 氮肥施用量和土壤碱解氮含量

调查结果表明，平和县279个蜜柚园结果树的化学氮肥年施用量为0.30～3.06 kg·株-1，其平均施用量为1.32 kg·株-1。以蜜柚结果树适宜氮肥施用量0.9～1.1 kg·株-1[17]为标准，有65.47%的蜜柚园氮肥施用量大于1.1 kg·株-1，说明蜜柚生产中普遍存在氮肥施用过量的问题。按照氮肥适宜施用量的上限为1.1 kg·株-1的标准划分氮肥用量的等级，分析不同氮肥用量等级对土壤pH值的影响情况，结果见表3。由表3可知，土壤pH平均值随氮肥施用量的增加而降低，不同pH值等级的土壤占比随氮肥施用量的增加而变化的情况分别表现为：pH＜4.5的极强酸土壤的占比，随氮肥施用量的增加而提高；pH＜4.0的土壤占比，氮肥施用量分别为1.1～1.5 kg·株-1和＞ 1.5 kg·株-1的比氮肥施用量＜1.1 kg·株-1的分别提高了30.23%和95.42%。

表3 氮肥施用量对蜜柚园土壤pH值的影响Table 3 Effect of nitrogen application on soil pH values in pomelo orchards

调查结果表明，平和县319个蜜柚园土壤碱解氮的含量为21.35～262.43 mg·kg-1，平均含量为（104.50±35.54）mg·kg-1。根据土壤碱解氮含量水平的评价标准，土壤碱解氮含量＜50、50～100、100～200、＞200 mg·kg-1的 依 次被评为极缺、缺乏、适宜和高量，共4个含量等级[11]。平和县319个蜜柚园中碱解氮含量依次属于极缺、缺乏、适宜和高量等级的土壤占比分别为3.45%、45.14%、49.84%、1.57%，此结果与之前关于蜜柚园过量施用氮肥的结论并不吻合。调查中发现，由于劳动力资源缺乏、雇工成本高，平和县蜜柚生产中，除采后将化肥与有机肥混合开沟深施外，其他生长季节的化肥施用均采用撒施方法，而撒施导致的氮素大量损失是蜜柚园土壤碱解氮含量并未因过量施用氮肥而提高的原因。对土壤pH值和碱解氮含量的相关关系进行了分析，结果如图2所示。由图2可知，土壤pH值与土壤碱解氮呈极显著负相关关系，其拟合方程为：

y(土壤pH值)=-0.002 6x(土壤碱解氮含量)+4.613 9，r=0.206 1**，n=319。

图2 土壤pH值和碱解氮含量的相关关系Fig.2 Relationship of soil pH value with alkali- hydrolyzable nitrogen content

2.3.2 种植年限

将蜜柚树种植年限按≤8、8～15、≥15 a进行分级，蜜柚树的种植年限对蜜柚园土壤pH值的影响情况见表4。表4表明，不同蜜柚树种植年限等级间土壤pH平均值的差异不明显，但是，pH＜4.0的土壤占比随着蜜柚树种植年限的增加而提高，园中极强酸土壤的占比，蜜柚树种植年限分别为8～15和≥15 a的较种植年限≤8 a的分别提高了60.67%和74.14%。

2.3.3 土壤有效硫含量

调查结果表明，平和县蜜柚园土壤有效硫含量为10.98～116.65 mg·kg-1，平均含量为（55.73± 24.45）mg·kg-1。以土壤有效硫含量＞30 mg·kg-1作为高量标准[18]来评价，有96.24%的果园其土壤有效硫处于高量水平，表明蜜柚园土壤存在硫的富集问题。按土壤有效硫含量＜30、30～60、＞ 60 mg·kg-1的等级标准进行分析，不同有效硫含量等级的土壤其pH平均值随其有效硫含量的增高而下降（表5），其差异达显著水平 （P＜0.05）。不同土壤有效硫含量等级间，pH＜4.5和pH＜4.0的土壤占比均随土壤有效硫含量的增加而提高，与有效硫含量＜30 mg·kg-1的土壤样品比较，有效硫含量为30～60和＞60 mg·kg-1而pH＜4.0的土壤样品的占比分别提高了311.20%与735.68%。

表4 种植年限对蜜柚园土壤pH值的影响Table 4 Effect of planting years on soil pH values in pomelo orchards

表5 土壤有效硫含量对蜜柚园土壤pH值的影响Table 5 Effect of available sulfur content in soil on soil pH values in pomelo orchards

2.4 酸化对土壤盐基饱和度和交换性钙、交换性镁含量的影响

2.4.1 盐基饱和度

盐基饱和度是土壤肥力的重要影响因素。土壤pH值和土壤盐基饱和度的相关关系的分析结果如图3所示。土壤pH值与土壤盐基饱和度呈极显著正相关关系，其拟合方程为：

Y(土壤盐基饱和度)=7.962 6x(土壤pH值)-22.701，r=0.556 8**，n=319。

这一分析结果表明，酸化会导致土壤盐基离子的淋失。

图3 土壤pH值和土壤盐基饱和度的相关关系Fig.3 Relationship of soil pH value with salt base saturation in soil

2.4.2 交换性钙、交换性镁的含量

调查结果表明，平和县蜜柚园土壤交换性钙含量为90.47～2 705.82 mg·kg-1，平均含量为（495.42±317.24）mg·kg-1，其中交换性钙含量低于适宜值（500 mg·kg-1）[19]的土壤样品占65.83%。土壤交换性镁含量的变幅为0.45～272.25 mg·kg-1，其平均值为（56.96±48.26）mg·kg-1，有77.12%的土壤样品其交换性镁含量低于适宜值（80 mg·kg-1）[19]。土壤pH值和土壤交换性钙、交换性镁含量的相关关系分析结果如图4所示。图4表明，土壤pH值与土壤交换性钙、交换性镁含量间均呈极显著正相关关系，其拟合方程分别为：

y(土壤交换性钙含量)=371.46x(土壤pH值)-1118.4，r=0.520 8**，n=319；

y(土壤交换性镁含量)=40.186x(土壤pH值)-117.62，r=0.370 4**，n=319。

这一分析结果说明，酸化是导致蜜柚园土壤钙和镁缺乏的重要原因。

图4 土壤pH值和土壤交换性钙、交换性镁含量的相关关系Fig.4 Relationship of soil pH value with contents of exchangeable calcium and exchangeable magnesium in soil

3 结论与讨论

平和县蜜柚园土壤存在严重的酸化问题，有89.97%的蜜柚园其土壤pH值低于柑橘生长适宜pH值的下限（pH为 5.0～6.5）（表1）。已有研究结果表明，高铝胁迫会抑制柑橘对矿质元素的吸收，表现为叶片中磷、钾、镁、铜、锌和钼含量均显著低于对照[20]，高铝显著降低了柑橘叶绿素含量、光化学焠灭系数和PSⅡ电子传递速率，使叶绿素希尔反应和光合磷酸化均受到抑制，净光合速率下降[21]，高铝胁迫下，柑橘新生根和须根数量均显著减少[22]，柑橘根、茎、叶的鲜质量和干质量均明显降低[23]。酸化土壤中氢离子和铝离子通过与土壤胶体表面吸附的盐基离子交换，促进了土壤交换性盐基离子的淋失，本研究结果表明，土壤盐基饱和度和交换性钙、交换性镁的含量均随土壤pH值的下降而降低（图3和4），说明土壤酸化会导致土壤保肥能力和供肥能力的减弱。本研究中发现，亚表层和底层土壤的酸化问题较表层土壤更为突出（表2）。Mohammad[24]比较分析了施用石灰、碱渣、磷石膏对红壤不同土层土壤pH值的影响情况，结果表明，与对照相比较，3种改良剂均可显著提高0～20 cm土层土壤的pH值，但施用石灰并不能显著提高20～30和30～40 cm土层土壤的pH值，施用磷石膏和碱渣可显著提高底土层的pH值，其中碱渣的改良效果优于磷石膏。

本研究结果表明，蜜柚园土壤酸化程度随氮肥施用量的增加而提高（表3），土壤pH值与土壤碱解氮含量呈极显著负相关（图2），说明氮肥过量施用是导致土壤酸化的重要原因。长期田间定位试验结果表明，连续18 a施用尿素 （300 kg·hm-2a-1）可使小麦—玉米轮作土壤的pH值由5.7下降至4.2[25]，化肥氮肥施用量的增加显著加大了土壤的酸化程度和酸化速率，旱地红壤氮肥施用量每增加100 kg·hm-2，土壤pH值平均下降0.2[26]，以300 kg·hm-2a-1的氮量施用量处理的红壤酸化速率（0.107 pH·a-1）是不施肥对照 （0.044 pH·a-1）的2.4倍[27]。土壤中的铵态氮通过硝化作用转化为NO3--N，并且释放出H+，而 NO3--N的淋溶伴随盐基离子的淋失，致使土壤缓冲酸化的能力降低，因此，硝化反应和NO3--N的淋溶作用是氮肥过量施用导致土壤酸化的主要原因[28]。

长期以来，柑橘一直被视为是“忌氯作物”，长期施用含硫肥料（主要是硫酸钾）会使蜜柚园土壤出现明显的硫累积。调查中发现，土壤有效硫含量的增加，促进了土壤酸化程度的增大（表5）。邹长明等[29]在红壤稻田开展的26 a长期定位试验结果表明，与施用含氯肥料处理相比，含硫肥料更易造成土壤的酸化。土壤有效硫的富集导致土壤酸化的原因尚不完全清楚。陈铭等[30]研究认为，施用含硫肥料处理的土壤其电导率较含氯肥料处理的高，而土壤电解质浓度的提高压缩了胶体表面的双电层，从而代换出较多的H+，这是含硫肥料导致土壤pH值降低的原因。此外，土壤SO42-的移动性大，SO42-的淋溶伴随着Ca2+、Mg2+离子的淋失，也是引起土壤酸化的原因[31]。

综上所述，平和县蜜柚园土壤酸化严重，且随着蜜柚树种植年限的延长，土壤酸化加剧，酸化导致土壤交换性钙、交换性镁含量降低，土壤钙、镁缺乏，而高量施用氮肥和硫肥是引起土壤酸化的原因。生产上蜜柚园土壤酸化的调控，一方面可通过施用白云石等碱性土壤改良剂，既中和土壤酸性，又能补充钙、镁营养元素，施用方法则宜结合果园深翻改土，以改良蜜柚园亚表层和底层土壤的酸化；另一方面可通过测土配方施肥，减少致酸物质氮、硫的投入，以有机肥替代化肥，提高土壤有机质含量，增加土壤的酸缓冲容量。本研究得出的有关土壤硫富集导致柑橘园土壤酸化的结论和机理还有待通过长期的田间试验予以验证。