不同土壤类型和利用方式下土壤酸缓冲性能分异及其机理探讨——以海南省为例

胡煜杰,唐瑞杰,杨安富,赵彩悦,胡玉麟,董 璐,吴晓晨,孟 磊,林 天,伍延正

(1.海南省环境科学研究院,海口 570100;2.海南大学热带作物学院,海口 570228)

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海南省地处我国最南部,北面与琼州海峡相隔,与雷州半岛相望,位于107°50′～119°10′ E,3°20′～20°18′ N,面积约3.4×104km2,属热带季风性气候,全年暖热,大部分地区降雨量相当充沛,年均降雨量1500～2000 mm,酸雨频率24.5%,且干湿季节分明,东湿西干的特点明显,热带风暴和台风频繁,气候资源多样[21-22]。土壤成土母质主要是岩浆岩,分布最广的是花岗岩,其次为新生代喷出的玄武岩,除此之外还有第三纪浅海沉积物和第四纪沉积物。主要土壤类型为砖红壤,其他还有滨海风沙土、燥红土、赤红壤、黄壤、水稻土等[23-24]。

1.2 样品采集及处理

于2019年夏季采集土壤样品,综合考虑海南省境内各典型植被类型(林地、园地、旱地、水田)下的土壤(砖红壤、滨海风沙土、燥红土、赤红壤、黄壤、水稻土)(表1),选取33处地点进行土壤样品采集,每个采样点按照五点采样法采集0～20 cm耕层混合后现场装入聚乙烯自封袋密封保存。土壤样品在室内进行风干,并取出动植物残体及碎石等杂物研磨、过筛后磨细,分别过2和1 mm筛备用。

表1 采样点位信息Table 1 Information of sampling sites

1.3 实验方法

称取过1 mm筛的风干土样10 g各10份于玻璃烧杯中,依次编号后,分别加入H+浓度为0.1 mol/L的HCl溶液0、0.25、0.50、0.75、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00、6.00 mL,再加入无CO2蒸馏水,使得杯中总量为25 mL,水土比2.5∶1.0,摇匀放置72 h,恒温25 ℃培养,每日间歇摇动3 ～ 4次,最后1次摇动后放置2 h,用pHs-3c酸度计测定pH。以酸加入量(mmol/kg)为横坐标,pH为纵坐标绘制土壤酸缓冲曲线,进行线性拟合[17]。土壤酸缓冲曲线表示酸缓冲性能的变化趋势,曲线越平缓,斜率越小,则表明在该范围内,土壤酸缓冲性能越强;相反,若曲线越陡,斜率越大,则表明土壤在此范围内的酸缓冲性能越弱[25]。土壤酸缓冲容量计算参照成杰民等[26]的方法,按式(1)计算土壤酸碱缓冲容量(pHBC):

pHBC=1/|a|

(1)

式中: pHBC为酸碱缓冲容量,a为方程的斜率。

根据土壤酸缓冲容量大小可以对土壤的酸敏感性进行分级:I级,酸缓冲容量<10 mmol/kg,对酸最敏感,极易受酸害;II级,酸缓冲容量在10～20 mmol/kg,对酸敏感,易受酸害;III级,酸缓冲容量在20～40 mmol/kg,对酸稍敏感,稍易受酸害;IV级,酸缓冲容量>40 mmol/kg,对酸不敏感,不易受酸害[27]。

土壤的酸害容量(Q)指土壤pH达到植物致害参考阈值时单位土壤所需酸量(mmol/kg)[28],Nouchi等[29]在试验中发现,土壤pH在3.0～3.5时,一些敏感树种的叶片易发生损伤。因此,本研究选取pH=3.5作为植物致害参考值,根据土壤酸缓冲容量估算出不同土壤类型及不同土地利用方式下土壤酸害容量,并将其划分为4个等级:极易受害(0～5 mmol/kg)、易受害(5～20 mmol/kg)、稍易受害(20～50 mmol/kg)、不易受害(>50 mmol/kg)。

土壤pH用pH计测定;土壤比表面积采用比表面积测定仪测定;土壤交换性酸(H+和Al3+)用KCl交换-中和滴定法测定;土壤机械组成采用激光粒径分析仪测定并分类(黏粒< 0.002 mm,0.002 mm <粉粒<0.020 mm,0.020 mm<砂粒<2.000 mm);交换性盐基总量为交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+离子之和;阳离子交换量采用乙酸铵交换-蒸馏法测定;有机质采用重铬酸钾-硫酸外加热容量法测定[30]。

1.4 数据处理

本试验中不同土壤类型和利用方式下土壤的理化性质数据均以3次重复的平均值±标准差来表示。数据采用SPSS 25.0对所有变量进行正态性和方差齐性检验。采用Pearson法对土壤酸缓冲容量与土壤性质进行相关性分析,显著水平为P<0.05和P<0.01。处理间差异用Duncan多重比较法,用Origin 8.0进行绘图。灰色关联度分析采用SPSS pro,将测定数据进行标准化处理, 设Δmin=0,分辨系数ρ=0.5,对数据进行检验。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

不同土壤类型中,pH(H2O)呈燥红土>滨海风沙土>水稻土>赤红壤>砖红壤>黄壤的趋势,燥红土(6.26)pH显著高于砖红壤、赤红壤和黄壤(P<0.05,下同)。赤红壤(3.88)、黄壤(3.40)和燥红土(3.75)pH(KCl)显著低于水稻土(4.63)(图1-a、1-b)。燥红土和滨海风沙土的有机质含量显著低于其他土壤类型,阳离子交换量显著低于除水稻土外的其他土壤类型(图1-c、1-d)。土壤交换性盐基总量、盐基饱和度、交换性酸和交换性铝无显著性差异(P>0.05, 图1-e～1-h)。水稻土的交换性氢含量显著高于其他土壤类型(图1-i)。比表面积呈黄壤>水稻土>砖红壤>滨海风沙土>赤红壤>燥红土的趋势,黄壤最高为34.12 m2/g,显著高于赤红壤、燥红土和滨海风沙土(图1-j)。

图1 不同类型土壤理化性质Fig.1 Physico-chemical properties of different types of soils

不同土地利用方式下,pH(H2O)无显著性差异,水田pH(KCl)为4.63,在4种土地利用方式中最高(图2-a、2-b)。4种土地利用方式的有机质含量和比表面积大小无显著性差异(P>0.05, 图2-c、2-j)。园地的阳离子交换量显著高于旱地和水田(图2-d)。除此之外,园地的交换性盐基总量和盐基饱和度显著高于其他用地类型(图2-e、2-f)。水田土壤的交换性酸和交换性氢含量显著高于旱地和园地,而林地土壤的交换性酸和交换性铝含量显著高于旱地和园地(图2-g～2-i)。

图2 不同土地利用方式土壤理化性质Fig.2 Physico-chemical properties of different utilization types of soils

2.2 土壤酸缓冲曲线及酸缓冲容量

土壤酸缓冲曲线结果表明,当酸浓度为0～20 mmol/kg时,土壤酸缓冲曲线下降最明显,酸的加入量在20～60 mmol/kg时,酸缓冲曲线下降趋势逐渐平缓。不同土壤类型中,黄壤酸缓冲曲线最平缓,表明酸缓冲性能最强。而黄壤的19号土壤酸缓冲曲线最平缓,ΔpH较小,表明其酸缓冲性能在所有土壤中最大。燥红土酸缓冲曲线最陡峭,pH较大,酸缓冲性能最小,抗酸化能力最弱(图3)。

图3 不同类型土壤酸缓冲曲线Fig.3 Acid buffering curves of soils of different types

不同土地利用方式下,园地土壤酸缓冲曲线较平缓,3号和4号土壤ΔpH较小,酸缓冲性能较强,而旱地、水田和林地酸缓冲曲线无明显差异(图4)。

图4 不同土地利用方式土壤酸缓冲曲线Fig.4 Soil acid buffering curves under different land use patterns

海南省典型土壤酸缓冲容量在3.18～27.70 mmol/kg,平均值为9.01 mmol/kg。从不同土地利用方式上看,园地土壤酸缓冲容量(12.14 mmol/kg)较大。从不同土壤类型上看,土壤酸缓冲容量呈黄壤>砖红壤>赤红壤>水稻土>滨海风沙土>燥红土的趋势,其中黄壤酸缓冲容量(17.13 mmol/kg)较大。从土壤对酸的敏感性分级来看,对酸最敏感的土壤样本有23个,占69.7%,对酸稍敏感的土壤样本有1个,占3.0%,对酸敏感的土壤样本有9个,占27.3%(表2)。

表2 土壤酸缓冲容量及敏感性Table 2 Buffering capacity and sensitivity of soil

2.3 土壤酸害容量

5种土壤类型中砖红壤酸害强度最大,各样品间的差距也最大,酸害容量范围为6.44 ～ 47.89 mmol/kg,平均酸害容量17.16 mmol/kg。水稻土平均酸害容量最小,为6.05 mmol/kg。滨海风沙土酸害容量变异系数较小,各样品酸害容量相对变化较小。不同土地利用方式下土壤酸害容量也不同,其均值大小依次为园地>旱地>林地>水田,其中园地(30.04 mmol/kg)显著高于其它土地利用方式(P<0.05),变异系数为0.64,水田土壤酸害容量均值(6.05 mmol/kg)最小。旱地土壤酸害容量均值为16.56 mmol/kg,变异系数相对最大。本研究中,稍易受酸害等级土壤有1个,占3.0%;极易受酸害等级有2个,占6.0%;易受酸害等级土壤有30个,占91.0%(表3)。

表3 土壤酸害容量Table 3 Acid damage capacity of soil

2.4 土壤酸缓冲容量和理化性质的相关性分析和关联度分析

海南省典型土壤酸缓冲容量与阳离子交换量、比表面积、黏粒含量和粉粒含量呈极显著正相关(P<0.01,下同),与有机质含量、交换性盐基总量和盐基饱和度呈显著正相关(P<0.05,下同),此外,土壤酸缓冲容量与pH(H2O)和砂粒含量呈极显著负相关,与交换性氢呈显著负相关(表4)。

表4 土壤酸缓冲容量与理化性质相关性系数Table 4 Correlation coefficient between acid buffering capacity and physico-chemical properties of soils

由表5可知,旱地土壤中基本理化指标对土壤酸缓冲容量影响最大的是比表面积,其次是盐基饱和度。水田土壤中有机质含量对酸缓冲容量的影响最大。林地土壤中基本理化指标对土壤酸缓冲容量影响最大的也是比表面积,其次是阳离子交换量。园地则是阳离子交换量对酸缓冲容量影响最大。

表5 不同土地利用方式下土壤酸缓冲容量与理化性质的关联度Table 5 Correlation degrees between acid buffering capacity and physico-chemico properties of different land use patterns

由表6可知,砖红壤和赤红壤基本理化指标对土壤酸缓冲容量影响最大的是比表面积,关联系数分别为0.834和0.802;黄壤中黏粒含量对土壤酸缓冲容量影响最大,关联系数为0.959;燥红土中阳离子交换量对土壤酸缓冲容量影响最大,滨海风沙土中pH(KCl)对土壤酸缓冲容量影响最大,水稻土中有机质对土壤酸缓冲容量影响最大,关联系数分别为0.842、0.960和0.833。

表6 不同类型土壤酸缓冲容量与理化性质的关联度Table 6 Correlation degrees between acid buffering capacity and physico-chemical properties of different types of soils

3 讨 论

3.1 海南省典型土壤酸缓冲性能在不同土壤类型下的分异及其机理

土壤延缓自然或人为活动酸化过程的能力可以综合体现为酸性缓冲性能的大小。因此,土壤的比表面积、阳离子交换量、有机质等理化性质均不同程度影响土壤的酸性缓冲性能。而在长期分异的自然或人为成土条件下形成的不同类型土壤之间,比表面积、阳离子交换量、有机质等理化性质与土壤酸性缓冲性能的关联度也出现了分化[31-33]。本研究中,黄壤酸缓冲容量(17.14 mmol/kg)的大小与李源环等[27]对我国长沙亚热带地区黄壤酸缓冲容量(13.66 mmol/kg)的研究结果相似,但与黄壤酸缓冲容量显著高于其他土壤类型的结果不同。这主要是由于19号黄壤酸缓冲容量在供试土壤中最高,同时,20和21号黄壤也高于供试土壤中的20%。相关性分析结果显示,比表面积是本研究中影响酸缓冲性能的首要因素(r= 0.741,P<0.01),且黄壤的比表面积显著大于赤红壤、燥红土和滨海风沙土,这在前人研究中鲜有报道[17-20]。一般来说,土壤比表面积的大小很大程度上取决于土壤颗粒中细颗粒(黏粒和粉粒)含量,细颗粒含量越高,土壤比表面积越大[34],这与本研究灰色关联度分析结果一致。此外,比表面积本身受很多因素影响,它与矿物成分和土壤胶体表面的活性及离子的吸附有着密切关系,比表面积越大,土壤表面吸附盐基离子的能力越强,导致黄壤在本研究中酸缓冲性能越强[35]。砖红壤和赤红壤作为海南省典型的农耕土壤类型,在本研究中酸缓冲容量范围分别在5.11～19.16和8.00～10.33 mmol/kg,这与井玉丹等[25]的研究结果相似,比表面积也是影响其酸缓冲性能的首要因素,进一步说明比表面积的大小对海南省主要类型土壤酸缓冲性能的影响占据优势。海南高温潮湿的气候条件是决定土壤发生与形成的重要因素,土壤由不同母质发育而来,其化学性质(阳离子交换量、有机质含量、交换性盐基总量等)和物理性质(机械组成、比表面积等)也不相同,因此导致酸缓冲性能的差异[36]。不同土壤类型理化性质对酸缓冲容量的影响程度不同,进一步说明了土壤类型和生态区域对酸缓冲容量存在较大影响[37]。

有机质是影响水稻土酸缓冲性能的首要因素,有机质含量越高,土壤酸缓冲性能越强,这与很多研究结果相同[38-39]。虽然有机质在土壤中仅占少部分,但其腐殖质中存在大量的负电荷,对土壤阳离子交换量有着巨大贡献,从而间接的起到缓冲作用[40],有机质质子化和去质子化作用是对酸起到缓冲作用的主要机理,其中的胡敏酸(HA)分子中包含大量的活性官能团羧基(-COOH)、羟基(-OH)等,这些官能团以阴离子的形式存在,当外源酸进入土壤中,会与H+发生反应从而起到缓冲作用[41],此外,有机质由三维多聚相所组成,具有较高的比表面积,所以当土壤中有机质含量较高时,土壤比表面积越大[42]。阳离子交换量与土壤酸缓冲容量呈极显著正相关(P<0.01),而燥红土酸缓冲性能受到阳离子交换量影响最大。从本研究土壤理化性质结果来看,燥红土较其他土壤类型阳离子交换量最小,因此酸缓冲性能最小,这与前人研究结果一致[43]。当外源酸进入土壤时,最先与H+反应的是土壤胶体上所吸附的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等可交换态的阳离子,从而导致盐基离子大量流失[44]。此外,本研究中土壤pH(H2O)与酸缓冲容量呈极显著负相关,滨海风沙土受pH(H2O)和pH(KCl)影响较大,这与李正涛等[45]研究结果相同。土壤的缓冲体系主要分为初级和次级缓冲体系,阳离子交换量在初级缓冲体系中起到主要作用,虽缓冲能力小但反应速率快,通常在pH>3.5时起主要作用。次级缓冲体系通常在pH<3.5时起主要作用,主要特点是持续时间长,缓冲能力强[46],其主要是通过土壤矿物质的风化产生大量的盐基离子来缓冲H+,从而维持土壤酸度在较稳定的阶段[16]。但土壤矿物质风化作用不可逆,会对土壤造成永久性伤害,当土壤矿物质完全风化后,将会完全丧失缓冲能力[47]。

3.2 海南省典型土壤酸缓冲性能在不同土地利用方式下的分异及其机理

不同土地利用方式下,园地土壤酸缓冲容量(12.14 mmol/kg)显著高于旱地、水田和林地。从土壤理化性质和关联度分析结果来看,主要是由于园地土壤阳离子交换量、交换性盐基总量和盐基饱和度较大。造成这一差异的主要原因可能是由于不同的施肥条件和模式。研究表明,施用有机肥能够提高土壤pH,降低碳酸盐的溶解速率,从而提高碳酸盐含量,并且有机肥能够对土壤的盐基离子给予补充,新盐基离子的引入可以提高土壤的盐基饱和度,从而增大土壤的酸缓冲性能[48-49],这与本研究结果相符。水田较其他土地利用方式酸缓冲容量最低,这与张群等[50]对我国东南丘陵区水田酸缓冲容量的研究结果不同,这可能是因为海南省地处热带地区,高温高湿的气候条件使得田间干湿交替过程频繁,含水量的不断变化增大了土壤物理、化学和微生物过程的不稳定性,激发有机碳的矿化和分解,而有机碳对土壤中阳离子交换作用和交换性酸的吸附和解离过程有着重大影响,进而影响土壤的酸缓冲性能[51]。本研究发现阳离子交换量和交换性盐基总量对旱地和林地土壤酸缓冲容量影响较大,旱地作物生长中会通过根瘤菌的固氮作用从土壤中吸收阳离子,使酸缓冲性能较低[52]。而林地中包含丰富的根系群和微生物群,土壤的呼吸作用使得硅酸盐等分解,盐基离子流失,酸缓冲性能降低[40]。

对比胡波等[11]、李源环等[27]、王文婧等[53]、李博等[17]对我国亚热带和温带地区土壤酸缓冲性能的研究结果,本研究中,热带地区海南省平均土壤酸缓冲性能(9.58 mmol/kg)小于其他地区,这主要是由于海南省风化强烈,脱硅富铝化作用明显,导致其土壤交换性盐基总量、有机质含量等显著低于亚热带地区和温带地区,且我国土壤矿物存在明显的空间分布特征,海南省成土矿物与其它地区存在明显差异。由于受到强烈的风化和淋溶,热带地区土壤开始出现1∶1型矿物(高岭石)[54],而亚热带和温带地区成土矿物主要为2∶1型矿物(蛭石和伊利石)。一般认为,2∶1型矿物的土壤胶体表面电荷以恒定电荷为主,1∶1型矿物表面电荷以可变电荷为主,使得2∶1型黏土矿物比1∶1型矿物对土壤盐基总量的贡献要大[55],因此,2∶1型矿物对土壤交换性盐基离子的吸附性更强,酸缓冲性能更大[56]。

土壤酸害容量的基本特征在一定程度上反映土壤酸缓冲性能的基本情况,由初始pH和酸缓冲容量共同决定。土壤初始pH和酸缓冲容量越大,土壤酸害容量越大。同时,土壤酸害容量还与土壤所处的缓冲范围有关,不同缓冲范围的土壤缓冲机制不同,酸害容量不同[57]。本研究中,海南省33处典型土壤中绝大多数为易受害等级,在日后的农业生产过程中,应加强土壤酸化防治,如施用生物炭等增加土壤有机质、阳离子交换量,改善土壤酸度,增加酸缓冲容量[58]。

4 结 论

本研究中海南省典型土壤研究结果表明,土壤样品均属于对酸敏感性土壤。土壤比表面积是影响砖红壤和赤红壤土壤酸缓冲性能最大的因素;在水稻土中,土壤有机质含量对酸缓冲性能影响最大;燥红土和滨海风沙土中,对土壤酸缓冲性能有决定性影响的因子分别是阳离子交换量和pH。不同土地利用方式下,旱地和林地的土壤酸缓冲性能受比表面积、阳离子交换量和盐基饱和度影响相对较大;有机质含量和阳离子交换量对水田和园地土壤酸缓冲性能有决定性影响。此外,供试土壤中黄壤的土壤酸缓冲性能显著优于砖红壤、滨海风沙土、燥红土、赤红壤、水稻土,园地土壤的酸缓冲性能显著优于林地、旱地、水稻土。