南方典型母质发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，吴海勇，刘琼峰

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

水稻土是中国最为重要且受人为影响最为剧烈的耕地土壤，而南方地区则是其主要分布区域[1]。当前，南方部分水稻土区域均出现不同程度的土壤pH降低现象[2-4]，引起K+、Ca+、Na+等盐基离子淋失，且交换性H+、Al3+含量增加以及重金属生物有效性的提高[5-6]，致使土壤质量严重下降。一般而言，母质通过影响土壤的理化性质，会对酸化进程产生重要影响[7-9]。因此，明确不同母质发育水稻土的剖面酸化特征，分析其主要影响因素，采取有效措施减缓土壤酸化，降低其带来的经济损失和生态环境恶化，对提高耕地土壤肥力及生产力等具有重要的指导意义[10]。

相关研究发现，不同来源的母质会对土壤中酸的强度、分布及中和能力产生作用，进而影响酸化进程[11]。何腾兵等[12]研究表明，土壤pH对母岩的继承性较大；石灰岩、河流冲积物及紫色砂页岩发育的土壤pH呈中性至微碱性；红色黏土、砂岩及页岩发育的土壤pH则呈酸性至强酸性。郭荣发等[13]研究我国南方不同母质发育的酸性土壤时发现，pH大小顺序依次为粤北石灰岩发育的红壤 ＞粤中花岗岩发育的赤红壤 ≥ 雷州半岛地区玄武岩发育的砖红壤。吴甫成等[14]研究发现，第四纪红土、砂岩及花岗岩等发育土壤的盐基离子含量少，酸缓冲能力较弱，更易发生酸化。土壤pH变化受多方面人为因素的影响，与其理化性质密切相关。Simansky等[15]研究发现，土壤有机碳及全氮与pH呈显著正相关，而Curtin等[16]则指出土壤全氮与pH呈显著负相关关系。唐贤等[17]研究表明，红砂岩和河流冲积物母质发育的水稻土pH与有机质、全氮及交换性酸呈极显著负相关，与交换性盐基总量呈极显著正相关，而与阳离子交换量无相关性。

过去20多年间，湖南省水稻土显著酸化[18]，并呈现明显的阶段性特征，主要受氮肥施用、长期旱作、大气酸沉降及土壤本身性质等多种因素的影响[19-21]，但研究结果存在差异。同时，湖南境内母质资源丰富，水稻土成土母质高达7类之多。潴育性水稻土作为水稻土的重要亚类，占水稻土土类的72.7%，种稻历史悠久，且双季稻种植为其主要的种植制度，水耕熟化程度较高，是我国主要的粮食生产基地[22]。作为高产田的潴育性水稻土因长期耕作培肥及周期性排灌，土体内氧化还原过程交替进行，剖面分化明显，剖面上下铁铝氧化物、有机质及颗粒含量等明显不同[23-24]。

目前，针对不同母质下土壤酸化特征及因素有较多研究，但基于南方典型成土母质发育水稻土的剖面酸化特征及影响因素研究则较为缺乏。本研究以湖南省土壤母质资源丰富的长株潭地区为研究区域，选取7种不同母质发育的潴育性水稻土为研究对象，分析耕作层（A）、犁底层（P）、潴育层（W）及母质层（C）不同层次的土壤pH，比较A与C层pH的差异，揭示不同母质水稻土pH的剖面酸化特征，明确影响耕作层酸化的主要因素。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

长株潭地区位于亚热带中部及北部的过渡地带（26°30′～28°40′N，110°53′～114°15′E），山地丘陵为主，包括长沙、株洲及湘潭3个地级市、4个县级市、8个县、181个乡镇，总面积为28088 km2。该区域属亚热带季风气候，气候温暖湿润、四季分明、雨量充沛、植物生长期长。长株潭地区地理位置及资源优势突出，是湖南省工业及水稻的重要生产基地，区域内土壤母质丰富且类型多样，水稻土面积较大，涵盖省内多数成土母质及土壤类型[25-27]。

基于此，本研究选取位于长株潭地区7种典型土壤母质（板页岩、第四纪红土、花岗岩、河流冲积物、砂岩、石灰岩及紫色砂页岩）发育的潴育性水稻土剖面共计41个，土壤采样点基本情况见表1。

表1 供试土壤采样点基本情况

1.2 试验材料

于2018年3～5月在长株潭地区内随机选取7种土壤母质发育的潴育性水稻土剖面共计41个，分别采集耕作层（A）、犁底层（P）、潴育层（W）及母质层（C）共4个层次的土壤样品，待自然风干后，清除石块及残根等杂物，磨碎后过2 mm筛，再取约300 g土样作为待测样品。4个不同层次土壤样品均测定pH，耕作层（A）土壤样品测定有机质、阳离子交换量、总氮及颗粒组成。

1.3 试验方法

土壤pH、有机质、阳离子交换量、总氮及颗粒组成均参照《土壤农化分析》[28]进行测定。

所有图表及数据分析均采用Excel 2013及SPSS 20.0。不同处理间的显著性检验（P＜0.05）则采用Duncan新复极差法；逐步回归分析借助SPSS 20.0进行。

2 结果与分析

2.1 不同母质水稻土的剖面pH

不同母质水稻土pH剖面变化见图1。石灰岩剖面土壤的pH最高，平均为6.39～6.92，其次为河流冲积物（6.24～6.66）及紫色砂页岩土壤（5.90～6.57），均呈微酸性至中性；再次是板页岩土壤（5.91～6.46），呈微酸性；最后依次为第四纪红土（5.45～6.12）、花岗岩（5.47～5.88）及砂岩土壤（5.47～5.85），均呈酸性至微酸性。

图1 不同母质水稻土pH剖面特征

此外，板页岩、第四纪红土、花岗岩、石灰岩及紫色砂页岩水稻土的pH随土层深度（C-WP-A）减少呈现逐渐降低的趋势，C至A层降低幅度分别为0.55、0.67、0.41、0.53及0.67个单位；而河流冲积物及砂岩水稻土的pH随土层深度减少虽表现出高低起伏的不规则变化，但C至A层降低幅度分别为0.37及0.17个单位，A层较C层仍然呈降低的趋势。7种母质剖面各层次土壤间，除板页岩及第四纪红土外，其他母质土壤C与A层均未呈现显著性差异，但总体来看，不同母质发育水稻土耕作层均出现不同程度的酸化现象，从而造成耕作层的pH均小于母质层。

2.2 不同母质水稻土的酸化特征

在A层土壤中，石灰岩母质土壤pH显著高于第四纪红土及花岗岩土壤，而其它母质间并无显著性差异。P层土壤中，石灰岩及河流冲积物母质土壤pH显著高于第四纪红土、花岗岩及砂岩土壤，且以河流冲积物pH最高，其他母质间并无显著性差异。W层土壤中，石灰岩母质土壤pH最高且显著高于砂岩、花岗岩及第四纪红土土壤，板页岩、第四纪红土、河流冲积物及紫色砂页岩间并无显著性差异。在C层土壤中，石灰岩母质土壤pH最高且显著高于第四纪红土、花岗岩、砂岩土壤，板页岩、第四纪红土及花岗岩间并无显著性差异，河流冲积物、石灰岩及紫色砂页岩间也无显著性差异。

选取水稻土A和C层分别作为表层和底层，通过比较A与C层间酸碱度的差异以表征表层土的酸化进程状况。由表2可见，在表层土壤中，以石灰岩土壤pH最高，其次为河流冲积物、板页岩、紫色砂页岩及砂岩，花岗岩及第四纪红土土壤pH最低且显著低于石灰岩母质土壤。而在底层中，以石灰岩土壤pH最高，其次为河流冲积物、紫色砂页岩及板页岩，再次为第四纪红土及花岗岩，砂岩土壤pH最低且显著低于板页岩、河流冲积物、石灰岩及紫色砂页岩母质土壤。

表2 不同母质水稻土各层次土壤pH值及A～C层差值

通过对表层与底层pH的差值比较发现，不同母质水稻土表层均出现酸化现象，且酸化程度大小依次为紫色砂页岩、第四纪红土＞板页岩、石灰岩、花岗岩＞河流冲积物、砂岩。其中，河流冲积物和砂岩土壤酸化程度显著小于第四纪红土及紫色砂页岩土壤。

2.3 不同母质发育水稻土耕作层的土壤有机质、阳离子交换量、总氮及颗粒组成

由表3可见，表层土壤有机质含量以石灰岩水稻土最高（40.88 g·kg-1），其次为板页岩（38.59 g·kg-1）、第四纪红土（38.50 g·kg-1）、花岗岩（38.44 g·kg-1）及砂岩（38.27 g·kg-1），再次为河流冲积物（37.22 g·kg-1），而紫色砂页岩土壤的有机质含量最低（36.84 g·kg-1），但各母质间有机质含量差异不显著。

表3 不同母质水稻土耕作层土壤有机质、阳离子交换量、总氮及颗粒组成

表层阳离子交换量以紫色砂页岩水稻土最高（16.61 cmol·kg-1），其次为石灰岩（14.82 cmol·kg-1）、河流冲积物（14.68 cmol·kg-1）、板页岩（13.62 cmol·kg-1）及 花 岗 岩（12.78 cmol·kg-1），再 次为第四纪红土（11.14 cmol·kg-1）及砂岩（10.11 cmol·kg-1），其中砂岩最低，且第四纪红土及砂岩母质水稻土的阳离子交换量显著低于紫色砂页岩母质水稻土。

表层总氮以石灰岩最高（2.53 g·kg-1），其次为紫色砂页岩（2.01 g·kg-1）、花岗岩（1.82 g·kg-1）、板页岩（1.76 g·kg-1）、砂岩（1.76 g·kg-1）及河流冲积物（1.67 g·kg-1），第四纪红土最低（1.43 g·kg-1）且显著低于石灰岩母质水稻土。

表层颗粒组成结果可看出，板页岩黏粒含量最高（30.64%），显著高于河流冲积物母质水稻土（17.92%），其它母质间黏粒含量并无显著性差异。第四纪红土粉粒含量最高（24.50%），且与板页岩（22.77%）显著高于紫色砂页岩母质粉粒（15.56%），其它母质间粉粒含量并无显著性差异。紫色砂页岩砂粒含量最高（64.27%），但各母质间并无显著性差异。

2.4 不同母质水稻土酸化的主要因素

本研究对可能与潴育性水稻土表层酸化的相关因素（包括土壤有机质、阳离子交换量、总氮及颗粒组成）进行逐步回归分析发现，除阳离子交换量外均未被输入到方程中，即针对不同母质发育的潴育性水稻土，阳离子交换量是影响7种母质潴育性水稻土表层酸化的最主要因素。

本研究基于A与C层的△pH进行正态性检验，选用Shapiro-Wilk Test模型进行小样本检验（3≤n≤50，本研究n=41，属小样本）。分析表明，统计量为0.950，显著性水平为0.219（P＞0.05），故△pH服从正态性分布，进一步通过回归分析可得到以下线性回归方程：

式中：y表示△pH，即表层与底层土壤的pH差值；x1表示阳离子交换量。

回归系数的显著性均小于0.05，即自变量同因变量之间存在显著性差异，具有统计学意义，故留在方程中。自变量x1对y的直接作用为P1y=0.420，表明阳离子交换量对水稻土表层酸化有直接影响。△pH即酸化强度与阳离子交换量呈现显著负相关关系，因此，阳离子交换量是影响不同母质发育潴育性水稻土表层酸化的最主要因素。

3 讨论

土壤pH对母岩具有较大的继承性[29]。依据土壤酸碱度的分级标准，本研究中石灰岩、河流冲积物及紫色砂页岩水稻土均为微酸性至中性（5.5～7.5）。其中，石灰岩土壤中碳酸钙及盐基丰富，能有效延缓盐基淋失及酸化进程[30]，故剖面pH最高；河流冲积物则为多种地表物的混合沉积物，在水分作用的驱动下，致使河流冲积物母质发育的土壤接近于中性[29]；紫色砂页岩的发育较迟缓，风化较弱，含有碳酸钙，盐基饱和度高[31]。所以石灰岩、河流冲积物及紫色砂页岩水稻土剖面的pH相对较高，均呈微酸性至中性。而与之相比，板页岩、第四纪红土、花岗岩及砂岩发育的水稻土则呈酸性或微酸性，这可能是因为这几种母质的风化过程较为完全，大部分盐基淋失进而导致pH较低[32]。

在7种母质潴育性水稻土中，剖面各层次间除板页岩、第四纪红土外，其它母质土壤C与A层均未出现显著性差异，但总体呈现耕作层pH小于母质层的一致趋势。因此，本研究以A层作为表层，C层作为底层，通过比较表层与底层pH的变化差异来表征潴育性水稻土耕层土壤的酸化状况。对比分析发现，7种母质发育水稻土表层均出现pH的降低，说明表层土壤均发生酸化，可能是由于长株潭双季稻种植区域相对较高的年降水量在一定程度上增加了土壤中盐基离子和NO3-的淋溶风险，加速了土壤的酸化作用[33-34]。此外，双季稻种植区因产量较高，作物收获带走相当一部分的K+、Ca2+、Na+、Mg2+等盐基离子，进一步加剧了土壤酸化程度[35]。本研究表明，南方典型7种母质中，以紫色砂页岩和第四纪红土发育的表层酸化最为严重，并显著高于河流冲积物及砂岩发育土壤，其它母质介于两者之间，可能是因为河流冲积物及砂岩水稻土的酸化空间较小所致。

在土壤酸碱缓冲体系的分类研究中，Ulrich等[36-37]研究认为，紫色砂页岩、石灰岩及河流冲积物母质发育的碱性土壤主要由碳酸盐对外界酸碱源起缓冲作用，而板页岩、第四纪红土、花岗岩及砂岩母质发育的酸性土壤则主要由阳离子交换量对外界酸碱源起缓冲作用。赵凯丽等[5]对7种母质红壤pH剖面特征及酸化分析的研究表明，阳离子交换量是影响板页岩、第四纪红土、花岗岩及砂岩母质发育红壤表层酸化的主要原因，其它母质并未发现主要的影响因素。与前人研究相比，本研究对与潴育性水稻土表层酸化可能相关的几种因素（土壤有机质、阳离子交换量、总氮及颗粒组成）进行逐步回归分析发现，阳离子交换量是影响不同母质潴育性水稻土表层酸化的最主要因素。这可能是由于选取的7种母质发育潴育性水稻土的pH差异较小（总体跨度为5.45～6.92）、酸化空间较小所致。

本研究结果表明，阳离子交换量是影响7种母质发育潴育性水稻土表层酸化的最主要因素，其中表层以紫色砂页岩最高，其次为石灰岩、河流冲积物、板页岩及花岗岩，第四纪红土和砂岩显著低于紫色砂页岩，且以砂岩最低。主要原因可能是第四纪红土母质水稻土在成土过程中淋溶强烈、盐基流失较严重、结构疏松，故阳离子交换量也不高。紫色砂页岩发育土壤一般具有较良好的结构性和通透性，富含钾、钙等养分，同时，本研究中的紫色砂页岩采样点曾种植过果树，可能由于受长期化肥、有机肥施用的影响导致盐基离子增加[38]，故阳离子交换量最高。

唐贤等[17]在研究红砂岩和河流冲积物母质发育的水稻土剖面酸化特征时发现，阳离子交换量与水稻土酸碱缓冲容量呈极显著正相关关系。一般而言，土壤胶体中交换性阳离子是致使土壤具备缓冲性能的主因之一，阳离子交换量越大，其缓冲性也越强[39]。我国南方水稻土为典型的交换性盐基缓冲体系[40]，可通过增加水稻土的交换性阳离子含量以减缓其酸化进程。此外，长期过量施用化肥及有机肥用量减少是导致南方水稻土酸化的重要因素[1]，应通过加强化肥减施、增施有机肥、栽种绿肥等田间管理措施以及施用石灰等酸性调理剂来防控水稻土的酸化进程。

4 结论

不同母质发育的潴育性水稻土酸化特征表现为：石灰岩剖面土壤的pH最高，达6.39～6.92，其次为河流冲积物（6.24～6.66）及紫色砂页岩土壤（5.90～6.57），均呈微酸性至中性；再次是板页岩土壤（5.91～6.46），呈微酸性；最后依次为第四纪红土（5.45～6.12）、花岗岩（5.47～5.88）及砂岩土壤（5.47～5.85），均呈酸性至微酸性。

与底层（母质层）相比，南方典型母质发育的潴育性水稻土表层（耕作层）中均出现一定程度的酸化现象，酸化程度大小依次表现为紫色砂页岩、第四纪红土＞板页岩、石灰岩、花岗岩＞河流冲积物、砂岩。

土壤阳离子交换量与表层水稻土酸化差值呈显著负相关，是影响不同母质发育潴育性水稻土表层酸化的主要因素。