水田改旱地和菜地后红壤酸度和养分变化特征

2024-03-04邱海华蒯磊鑫张璐刘立生文石林蔡泽江

中国农业科学 2024年3期

邱海华，蒯磊鑫, 张璐，刘立生，文石林，蔡泽江

邱海华1,2，蒯磊鑫1,2, 张璐1,2，刘立生1,2，文石林1,2，蔡泽江1,2

1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室，北京 100081；2中国农业科学院衡阳红壤实验站/湖南祁阳农田生态系统国家野外科学观测研究站，湖南祁阳 426182

【目的】以红壤区典型县域祁阳为例，分析不同母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤酸度和养分含量变化特征，为该区合理利用土地防治酸化提供科学依据。【方法】选取18个点位，采集水田及相邻的旱地和菜地，分析土壤pH、交换性酸、交换性盐基离子、有机质、阳离子交换量和养分含量的变化及其相互关系。【结果】碱性母质发育的土壤pH均显著高于酸性母质发育的土壤。酸性母质发育的水田改为菜地后土壤pH降低了0.48个单位；碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤pH分别降低了0.74和0.53个单位。双直线模型拟合分析表明，当水田、旱地和菜地的土壤pH分别低于5.88、5.78和5.63时，土壤交换性铝含量快速升高，且降低一个pH单位土壤交换性铝含量分别增加1.09、2.33和2.93 cmol(+)·kg-1。酸性母质发育的水田改为旱地土壤有机质和全氮含量分别降低了11.06和0.42 g·kg-1，而菜地无显著变化；碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤有机质和全氮含量均显著下降，降幅分别为13.88—17.28和0.57—0.71 g·kg-1。碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤有效氮含量分别降低了47.66和42.34 mg·kg-1。两种母质发育的水田改为菜地后土壤全磷、有效磷含量均显著增加，增幅分别为0.41—0.48 g·kg-1和26.79—28.69 mg·kg-1。两种母质发育的水田改为旱地和菜地土壤全钾含量无显著变化；碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤有效钾含量显著升高，分别升高了36.69和65.76 mg·kg-1。相关分析表明，土壤pH与土壤交换性钙和镁、阳离子交换量、有机质含量和全氮含量呈显著正相关（＜0.01）；土壤交换性酸和铝与有效磷含量显著正相关（＜0.05），与土壤交换性钙和镁、阳离子交换量、有机质含量和全氮含量呈显著负相关（＜0.01）。【结论】酸性母质和碱性母质发育的水田改为旱地后土壤有机质、全氮含量均显著降低，而土壤全磷、有效磷含量呈增加趋势；酸性母质发育的水田只有改为菜地后土壤才酸化，而碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤均酸化；水田改为旱地和菜地后土壤硝化作用增强和盐基离子淋失增加可能是其酸化的主要原因之一。

母质；红壤；水田改旱地和菜地；土壤酸度；养分特征

0 引言

【研究意义】我国南方红壤地区耕地占全国耕地面积的28%[1]，是重要的粮油产区。然而近30年来，该区土壤酸化加剧，严重制约了农业的可持续发展[2-3]。土壤酸化导致钙、镁等盐基离子含量降低，铝毒害增加，从而影响作物生长[4-5]。水稻是红壤区的主要作物类型之一[6-7]，但由于经济效益降低和水资源限制，部分水田改为旱地或菜地[8]。水田、旱地和菜地的水分和养分管理方式不同，土壤氧化还原电位差异大，从而改变了土壤碳、氮元素过程和土壤酸化速率[8-12]。【前人研究进展】水田土壤处于长期淹水状态，氧化还原电位低，硝化作用较弱，而旱地和菜地土壤含水量相对较低，具有较高的氧化还原电位，硝化作用较强，因此相同施氮量下旱地和菜地较水田释放出更多的氢离子，酸化风险大[13-16]。此外，水田有机物质的微生物分解作用较弱，较旱地和菜地具有较高的有机质积累量和阳离子交换量，对酸的缓冲能力强[17-18]。如蔡泽江等[10]通过调查研究发现，不同耕地利用类型下花岗岩发育的赤红壤pH由大至小顺序为水田、水浇地、旱地；黄锦法等[19]也研究发现稻-麦轮作改为菜地20年后，土壤pH值下降了0.90个单位；唐贤等[20]对余江县调查研究发现，第四纪红黏土发育的稻田土壤平均pH值（5.69）显著高于旱地（4.71）。【本研究切入点】母质影响着土壤矿物、pH、结构和养分组成，以及微生物学性质，为此母质的差异可能对水改旱地和菜地后土壤pH的变化产生重要影响[12,21]。而前人研究主要集中在相同母质不同利用方式下土壤酸化特征，关于不同母质类型下水田改旱地和菜地后土壤酸化特征的研究还鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究以祁阳市为研究区域，通过调查采样，分析该区域酸、碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤酸度与养分的变化特征，旨在为该区域土壤酸化防治与耕地质量提升提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样地概况

采样点均位于湖南省祁阳市（111°52′32″ E，26°45′12″ N），该地区属亚热带湿润季风气候，平均海拔165 m，年均温度18.0 ℃，≥10 ℃的积温 5 600 ℃，年降雨量1 255 mm，年蒸发量1 470 mm，无霜期约为300 d，日照时长约1 610 h。

通常分类中旱地包括菜地，而为了区别二者，本研究中将一般种植油菜、玉米、花生等非蔬菜作物耕地归类为旱地，其特点是不灌溉或较少灌溉，施肥量相对菜地较少；将一般种植蔬菜的耕地归类为菜地，其特点是相对旱地人为灌溉频繁且施肥量较高。旱地和菜地均是15—20 年前水田更改种植模式而来。为了更好地探明不同耕地利用下的土壤酸度变化，以相邻水田为对照。成土母质分为碱性（包括紫红色钙质砂页岩、石灰岩、钙质泥质灰岩、紫色页岩，共11个样点）和酸性母质（包括第四纪红黏土、（砂）页岩，共7个样点）。具体采样点位置和农田管理信息如图1和表1所示。

1.2 样品采集

每个采样点选取有代表性的水田、旱地和菜地，且相互间距不超过100 m、地形位置相似，以保证水田更改种植制度前土壤酸度和养分状况一致。每块样地按“S”形取样法，选取具有代表性的样点5个，用土钻采集0—20 cm土层，样品混合均匀后，按四分法分取1 kg土样，然后挑除石块和根系等杂物，土样自然风干后，磨细过1 mm和0.25 mm筛备用。

1.3 土壤化学指标测定

土壤样品测定方法参考鲍士旦等[22]《农业化学分析方法》。土壤pH采用复合电极法测定（土﹕水=1﹕2.5）。土壤交换性酸、铝采用1 mol·L-1Kcl提取、0.02 mol·L-1NaOH滴定法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量-外加热法，硫酸亚铁滴定法测定；土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定；土壤有效氮采用碱解扩散法测定；土壤全磷采用 NaOH 熔融-钼锑抗比色法测定；土壤有效磷采用 0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，用钼锑抗比色，用紫外分光光度计（UV-1800，岛津，日本）测定；土壤全钾采用NaOH 熔融-火焰光度法测定；土壤有效钾采用 1 mol·L-1NH4OAc 浸提，并用火焰光度计测定；土壤阳离子交换量采用1 mol·L-1NH4OAc（pH=7）交换法浸提，凯氏定氮仪测定；土壤交换性钾、钠、镁离子采用1 mol·L-1NH4OAc提取，土壤交换性钙参考红梅等[23]使用1 mol·L-1NH4Cl-70%乙醇提取，其中钾、钠采用火焰光度计（Model 410，Sherwood，英国）测定；钙、镁采用原子吸收分光光度计（AA6300C，岛津，日本）测定。

图1 祁阳市采样点位置

表1 采样点信息

1.4 统计分析

采用Origin Pro 2018绘制箱型图以及PCA分析；利用Sigmaplot 10.0的双直线模型（Piecewise-2 segment linear）模拟交换性酸、氢、铝对pH的响应关系；采用SPSS Statistics.25软件进行相关性分析、用Duncan 法检验不同处理间差异显著性（α=0.05）。

2 结果

2.1 土壤pH

3种利用方式下碱性母质土壤pH均显著高于酸性母质发育的土壤（图2）。酸性母质发育的水田改为旱地后土壤pH无显著变化，而改为菜地后显著降低（图2），水田、旱地和菜地平均pH值分别为6.12、5.87和5.64，变异系数分别为9.60%、8.16%和16.03%。碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤pH值均显著降低，水田、旱地和菜地平均pH值分别为7.54、6.80和7.01，变异系数分别为5.17%、15.43%和13.86%。

“n”为单个利用方式的样本数；箱体中实线代表中值，虚线代表平均值。箱体上不同字母表示不同母质和利用方式间存在显著差异（P＜0.05）。下同

2.2 土壤交换性酸

酸性母质菜地土壤交换性酸含量显著高于碱性母质发育的土壤；酸、碱性母质相应的水田和旱地之间无显著差异（图3-a）。酸性母质发育的水田改为旱地后土壤交换性酸含量无显著变化，而改为菜地后显著升高（图3-a）。水田、旱地和菜地土壤交换性酸平均含量分别为0.36、0.75和0.99 cmol(+)·kg-1，变异系数分别为120.89%、96.17%和143.46%；碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤交换性酸含量无显著变化。

3种利用方式下酸性母质土壤交换性氢含量均显著高于碱性母质发育的土壤（图3-b）。酸性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤交换性氢含量无显著变化；碱性母质发育的水田改为旱地后土壤交换性氢含量显著升高，而改为菜地后无显著变化（图3-b），水田、旱地和菜地土壤交换性氢平均含量分别为0.00、0.11 和0.06 cmol(+)·kg-1，变异系数分别为420.95%、146.64%和186.7%。

酸性母质菜地土壤交换性铝含量显著高于碱性母质发育的土壤（图3-c）。酸性母质发育水田改为旱地后土壤交换性铝含量无显著变化，而菜地显著升高，水田、旱地和菜地土壤交换性铝平均含量分别为0.20、0.51和0.77 cmol(+)·kg-1（图3-c），变异系数分别为143.48%、114.59%和158.62%；碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤交换性铝含量无显著变化。

水田、旱地和菜地的土壤交换性铝含量与土壤pH值进行双直线模型拟合具有相似趋势：土壤交换性铝含量在土壤pH值小于拐点时随pH值降低而急剧增加，在大于拐点时随pH降低缓慢增加（图4）。水田、旱地和菜地土壤交换性铝含量与土壤pH值拟合的拐点pH值分别为：5.88、5.78和5.63（图4）；当土壤pH值小于拐点时，每下降一个pH单位，土壤交换性铝含量增加的顺序为：旱地＞菜地＞水田，增量分别为：2.93、2.33和1.09 cmol(+)·kg-1。

2.3 土壤交换性盐基离子

3种利用方式下碱性母质土壤交换性钙含量均显著高于酸性母质发育的土壤（图5-a）。酸性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤交换性钙含量无显著变化（图5-a），而碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤交换性钙含量显著降低，水田、旱地和菜地土壤交换性钙含量的平均值分别10.52、7.10和7.79 cmol(+)·kg-1，变异系数分别为24.86%、52.59%和37.64%。

图3 不同母质下不同土地利用方式的交换性酸、氢、铝含量

图4 不同土地利用方式下土壤pH与土壤交换性铝的关系

酸、碱母质发育的水田和改为的菜地，其土壤交换性镁含量无显著差异，酸性母质发育的旱地土壤交换性镁含量显著低于碱性母质旱地（图5-b）。酸性母质发育的水田改为旱地后土壤交换性镁含量显著下降，而菜地无显著变化。水田、旱地和菜地土壤交换性镁含量的平均值分别为1.05、0.75、0.89 cmol(+)·kg-1，变异系数分别为35.82%、21.03%和41.72%；碱性母质的3种土地利用方式之间土壤交换性镁含量无显著差异。

土地利用方式对土壤交换性钾含量影响不显著（图5-c）。酸性母质发育的水田改为旱地后土壤交换性钾含量无显著差异，而菜地显著增加（图5-c）。水田、旱地和菜地土壤交换性钾含量均值分别为0.29、0.40和0.46 cmol(+)·kg-1，变异系数分别为26.37%、41.90%、40.60%；碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤交换性钾含量均显著增加（图5-c）。水田、旱地和菜地土壤交换性钾含量均值分别为0.28、0.50和0.55 cmol(+)·kg-1，变异系数分别为0.75%、49.84%和57.74%。

土地利用方式对土壤交换性钠含量影响不显著（图5-d）。酸性母质发育的水田改为旱地后土壤交换性钠含量显著下降，而改为菜地则显著增加（图5-d）。水田、旱地和菜地土壤交换性钠平均含量分别为0.12、0.05和0.16 cmol(+)·kg-1，变异系数分别为：52.07%、13.02%和54.89%；碱性母质发育的水田改为菜地后土壤交换性钠含量无显著变化，而改为旱地后则显著降低（图5-d）。水田、旱地和菜地土壤交换性钠平均含量分别为0.13、0.07和0.14 cmol(+)·kg-1，变异系数分别为58.80%、29.49%和42.65%。

图5 不同母质下不同土地利用方式土壤交换性钙、镁、钾、钠含量

2.4 土壤有机质和阳离子交换量

碱性母质发育的土壤，不论是水田还是旱地其有机质含量均显著高于酸性母质发育的土壤，而酸性与碱性母质发育的菜地间无显著差异（图6-a）。酸性母质发育的水田改为菜地后土壤有机质含量无显著变化，而改为旱地后显著下降，水田、旱地和菜地土壤有机质平均含量分别为33.49、22.43和29.78 g·kg-1，变异系数分别为26.73%、17.42%和29.19%；碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤有机质含量均显著下降（图6-a），水田、旱地和菜地土壤有机质平均含量分别为46.96、29.68和33.08 g·kg-1，变异系数分别为33.03%、37.38%和41.01%。3种利用方式下碱性母质发育土壤的阳离子交换量显著高于酸性母质发育土壤（图6-b）。酸、碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤阳离子交换量均无显著变化。

图6 不同母质下不同土地利用方式土壤有机质含量和阳离子交换量

2.5 土壤全量养分及有效养分

碱性母质发育的土壤，不论是水田还是旱地其全氮含量均显著高于酸性母质发育的土壤，而酸、碱性母质发育的菜地间无显著差异（图7-a）。酸性母质发育水田改为旱地后土壤全氮含量显著降低，而改为菜地后无显著变化（图7-a），水田、旱地和菜地土壤全氮含量均值分别为1.83、1.41和1.78 g·kg-1，变异系数分别为17.04%、11.51%和24.79%；碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤全氮含量均显著降低（图7-a），水田、旱地和菜地土壤全氮含量均值分别为2.35、1.64和1.78 g·kg-1，变异系数分别为20.82%、24.39%和23.52%。

碱性母质发育的水田土壤有效氮含量显著高于酸性母质发育的水田（图7-b）。酸性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤有效氮含量无显著变化。碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤有效氮含量均显著下降（图7-b），水田、旱地和菜地土壤有效氮均值分别为166.49、118.83和124.15 mg·kg-1，变异系数分别为32.24%、30.84%和27.52%。

碱性母质发育的旱地土壤全磷含量显著高于酸性母质发育的旱地（图7-c）。酸、碱性母质发育的水田改为旱地后土壤全磷含量均无显著变化，而改为菜地后均显著增加（图7-c）。酸性母质发育的水田、旱地和菜地土壤全磷含量均值分别为0.88、0.88和1.36 g·kg-1，变异系数分别为23.33%、30.22%和47.49%。碱性母质发育的水田、旱地和菜地土壤全磷含量均值分别为0.95、1.12和1.36 g·kg-1，变异系数分别为24.21%、26.27%和33.53%。3种利用方式下酸性母质土壤有效磷含量与碱性母质发育的土壤相比均无显著差异（图7-d）。酸、碱性母质发育的水田改为旱地后土壤有效磷含量无显著变化，而改为菜地后均显著增加（图7-d）。酸性母质发育的水田、旱地和菜地土壤有效磷含量均值分别为11.70、8.28和35.07 mg·kg-1，变异系数分别为54.28%、26.75 %和64.06%。碱性母质发育的水田、旱地和菜地土壤有效磷含量均值分别为11.06、20.55和39.75 mg·kg-1，变异系数分别为75.01%、69.37%和72.03%。

3种利用方式下碱性母质土壤全钾含量与酸性母质发育的土壤相比均无显著差异（图7-e）。酸、碱性母质发育的水田、旱地和菜地全钾含量均无显著差异。3种利用方式下酸性母质土壤有效钾含量与碱性母质发育的土壤相比均无显著差异（图7-f）。酸性母质发育的水田改为旱地后土壤有效钾含量无显著变化，而改为菜地后显著增加。水田、旱地和菜地土壤有效钾含量均值分别为60.80、78.02和96.57 mg·kg-1，变异系数分别为26.99%、47.95%和40.81%。碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤有效钾含量均显著增加，水田、旱地和菜地土壤有效钾均值分别为51.78、87.07、117.54 mg·kg-1，变异系数分别为46.67%、56.00%和44.17%。

图7 不同母质下不同土地利用方式土壤全量和有效态氮、磷、钾含量

2.6 土壤pH与土壤性质的相关性分析

相关分析表明（表2），土壤pH与Ex.Ca、CEC、SOM、Ex.Mg、TN含量呈显著正相关，与Ex.A、Ex.H、Ex.Al含量呈显著负相关（＜0.01）；土壤交换性酸（Ex.A、Ex.H、Ex.Al）与AP含量呈显著正相关（＜0.05），与Ex.Ca、Ex.Mg、Ex.Na、CEC、SOM、TN含量呈显著负相关（＜0.01）；土壤Ex.Ca与pH、Ex.Na、CEC、SOM、TN、TK、AN含量呈显著正相关（＜0.01），与Ex.A、Ex.H、Ex.Al含量呈显著负相关（＜0.01）；SOM与pH、Ex.Ca、Ex.Mg、Ex.Na、CEC、TN、TP、AN含量呈显著正相关，与Ex.A、Ex.H、TK、AK含量呈显著负相关（＜0.01）。

2.7 土壤酸度与土壤性质的主成分分析

为了评估决定土壤酸度的主要变量，对土壤酸度和土壤性质进行主成分分析（PCA）（图8）。结果表明，前两个主成分共同解释了总变异的54.6%：PC1解释率为33.8%，PC2解释率为20.8%。PC1中Ex.Ca、pH、TN、CEC、SOM以及交换性酸（Ex.A、Ex.H、Ex.Al）的荷载较高，对PC1的贡献较大，且和土壤pH密切相关，故PC1主要反映了土壤酸度变异的信息。另外PC1对水田、旱地土壤酸度变异的解释度较高，即上述指标是影响水田和旱地土壤酸度的主控因子；PC2中荷载较高的则为AK、Ex.K、AP、TP、TK，故PC2主要反映土壤养分变异的信息，对菜地土壤养分变异解释度较高。

表2 土壤酸度与土壤性质的相关性分析

“**”表示在＜0.01 水平上显著；“*”表示在＜0.05 水平上显著。Ex.A：土壤交换性酸；Ex.H：土壤交换性氢；Ex.Al：土壤交换性铝；Ex.Ca：土壤交换性钙；Ex.Mg：土壤交换性镁；Ex.K：土壤交换性钾；Ex.Na：土壤交换性钠；CEC：土壤阳离子交换量；SOM：土壤有机质；TN：土壤全氮；TP：土壤全磷；TK：土壤全钾；AN：土壤有效氮；AP：土壤有效磷；AK：土壤有效钾。下同

“**” Means significance at＜0.01 level; “*” Means significance at＜0.05 level. Ex.A: Soil exchangeable acid; Ex.H: Soil exchangeable hydrogen; Ex.Al: Soil exchangeable aluminum; Ex.Ca: Soil exchangeable calcium; Ex.Mg: Soil exchangeable magnesium; Ex.K: Soil exchangeable potassium; Ex.Na: Soil exchangeable sodium; CEC: Soil cation exchange capacity; SOM: Soil organic matter; TN: Soil total nitrogen; TP: Soil total phosphorus; TK: Soil total potassium; AN: Soil available nitrogen; AP: Soil available phosphorus; AK: Soil available potassium. The same as below

图8 土壤酸度和土壤性质的主成分分析（PCA）

3 讨论

3.1 不同土地利用方式的红壤酸度

本研究表明，碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后显著酸化。其主要的原因可能是：（1）将水田改为旱地和菜地后降低了土壤水分含量，提高了土壤氧化还原电位[24]，促进了化学氮肥的硝化作用释放H+，加剧了土壤酸化[25]。（2）长期不合理施用化学氮肥为硝化作用提供了过量的铵根离子也是旱地和菜地土壤酸化加剧的主要原因[19]。（3）土壤交换性钙、有机质含量亦是影响土壤酸度的关键因素[26-27]。本研究的相关分析结果亦表明，土壤pH与Ex.Ca、CEC、SOM含量呈极显著正相关，Ex.Ca含量越高土壤pH越高。最后，由于水田改为旱地和菜地后土壤透水性增加，在降雨的作用下土壤盐基离子的淋失增加，加剧了土壤酸化。

本研究发现酸性母质发育的水田改为旱地后未显著酸化，其可能的原因有：（1）与酸性母质水田土壤初始pH及其所在缓冲体系有关。ULRICH[28]将土壤缓冲体系的划分为碳酸钙缓冲体系（pH 8.6—6.2）、硅酸盐缓冲体系（pH＞5.0）、阳离子交换缓冲体系（pH 4.2—5.0）、铝缓冲体系（pH＜4.2）、铁铝缓冲体系（pH＜3.8）和铁缓冲体系（pH＜3.2）。本研究中酸性母质水田土壤pH值平均为6.12，属于硅酸盐缓冲体系，碱性母质水田土壤pH值平均为7.54，属于碳酸钙缓冲体系。土壤pH值越低其缓冲体系对酸的缓冲能力越强[29]，即硅酸盐缓冲体系土壤消耗同等量的H+后其土壤pH变化要小于碳酸钙缓冲体系土壤。故酸性母质水田改为旱地后与碱性母质改为旱地相比酸化的速率较慢。（2）水田改为旱地后土壤透水性增加，垂直淋洗作用增强[8]，导致部分氮素淋洗流失，可供微生物硝化作用的底物减少，进而减少H+释放。（3）旱地主要作物中包含花生、大豆两种豆科植物，与其共生的根瘤菌可吸收空气中的氮素转化为植物可直接利用氮素[30]，进一步降低了土壤中的全氮含量（图7-a），减少硝化微生物的氮源，进一步降低土壤酸化风险。且侧面表现为酸性母质下水田改为旱地后土壤交换性钙含量和CEC无显著变化。

与水田改旱地不同，酸性母质发育的水田改为菜地后土壤pH显著降低（图2）。这与黄锦法等[19]和WEN等[21]的研究结果一致。植物移除带走土壤盐基离子是加速土壤酸化主要原因之一[31]。前人研究表明，菜地的高产量（植物移除）和高复种指数可以导致土壤酸化[32-34]。一方面是由于植物吸收带走，另一方面也可能因为较高的化学氮肥投入增强了菜地土壤硝化作用产生了更多H+[21]，从而加剧土壤酸化。另外，与旱地不同的是，湖南地区菜地耕作时普遍施用火土灰以达到增肥的目的[35]，与我们的调查数据相同。火土灰是将植物残体覆盖于生土之上燃烧形成的灰黑色土块[36]，含有一定量氮磷钾、有机质和中微量元素，对提高土壤质量有积极的作用[37]。而在我们的研究结果中发现，施用火土灰并未能缓解土壤酸化，火土灰的碱性物质对外源酸的缓冲可能在一定程度与高种植指数和作物移除的效应抵消了，最终呈现水田改菜地后土壤酸化的结果。

3.2 不同土地利用方式对红壤养分含量的影响

土壤有机质是评估土壤肥力的核心要素。土地利用方式影响农田土壤中养分和水分的平衡，并改变土壤理化性状和土壤中物质、能量的转化与循环过程[38]。本研究表明，酸性母质和碱性母质发育的水田、旱地和菜地之间土壤有机质含量分布趋势不同，酸性母质发育的水田和菜地土壤有机质含量显著高于旱地（图6-a），与湖南省农业厅[39]、曾成城等[40]对湖南土壤肥力等级划分相比，水田和菜地的土壤有机质含量属于较丰富水平，旱地则属于中等水平。菜地的有机质含量低于水田但无显著差异，可能是由于在蔬菜种植过程中施用火土灰的缘故。根据菜地中火土灰的有机质含量和pH可知，火土灰有机质含量（＞3%）属于较丰富水平[39-40]，对菜地土壤有机质含量有一定的提升作用。

碱性母质发育的旱地和菜地土壤有机质含量无显著差异，但显著低于水田（图6-a），分别处于较丰富和丰富水平。可能原因是水田长期处于淹水环境，使微生物活动较弱，土壤有机质分解缓慢，有利于土壤有机质的积累；旱地和菜地土壤透气性强，且翻耕等人为活动频繁，有机质的微生物分解作用较强，进一步促进有机质矿化[41-43]。另外，水田土壤较旱地和菜地含有较多根系、秸秆等有机残体，可能也是土壤有机质较高的原因。

在同样施用火土灰的情况下，碱性母质菜地土壤有机质显著低于水田，而酸性母质水田和菜地无显著差异。这可能是由于不同母质下土壤pH影响了微生物代谢活动造成的。细菌是土壤中主要的微生物，远高于真菌的数量[44]。碱性母质发育的菜地土壤pH均值为7.01，是大多数细菌和放线菌最适酸度，因此整体的微生物活动较高，对有机质的分解较强；酸性母质发育的菜地土壤pH均值为5.64，是真菌代谢活动最适的pH值范围，而并不适于大多数细菌生长。因此与碱性母质相比酸性母质发育的菜地整体微生物代谢活动较弱[44-46]，故土壤有机质能较好地保存。

本研究发现水田改为菜地后土壤全磷和有效磷含量显著增多（图7-C，7-d），这可能是由于将水田改为菜地后，菜地磷肥的施用量大于水田，菜地土壤中铁锰氧化物的老化降低了对磷的吸附，使土壤中全磷和有效磷含量明显增加[47-48]。其次菜地灌溉用水常常是发生磷素富集的塘水和污水，故由于灌溉带入的磷素也有可能使菜地的磷素含量增加；另外在通气良好的情况下，土壤微生物活动增加，土壤中酸性磷酸酶的活性增强，有机质在微生物的作用下矿化，使被吸附的磷释放，提高土壤中磷的生物有效性。

4 结论

酸性和碱性母质发育的水田改为旱地，以及碱性母质发育的水田改为菜地后土壤有机质、全氮含量均显著降低；两类母质发育的水田改为菜地后土壤全磷、有效磷含量均显著增加；酸性母质发育的水田改为菜地后土壤酸化，而碱性母质发育的水田改为旱地和菜地后土壤均酸化，水田改为旱地和菜地后土壤硝化作用增强和盐基离子淋失增加可能是其酸化的主要原因之一。

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Characteristics of Acidity and Nutrient Changes in Red Soil After Conversion of Paddy Field to Dry Land and Vegetable Field

QIU HaiHua1,2, KUAI LeiXin1,2, ZHANG Lu1,2, LIU LiSheng1,2, WEN ShiLin1,2, CAI ZeJiang1,2

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Arable Land in Northern China, Beijing 100081;2Hengyang Red Soil Experimental Station of Chinese Academy of Agricultural Sciences/Qiyang Farmland Ecosystem National Observation and Research Station, Qiyang 426182, Hunan

【Objective】The aim of this study was to analyze the characteristics of changes in soil acidity and nutrient content after the conversion of paddy fields with different parent material development into dryland and vegetable fields in Qiyang, a typical county in the red soil area, so as to provide a scientific basis for the rational use of land to prevent acidification in the area. 【Method】18 sites were selected and collected from paddy fields and adjacent dryland and vegetable fields to analyze the changes of soil pH, exchangeable acid, exchangeable salt-based ions, organic matter, cation exchange, and nutrient content and their interrelationships. 【Result】The pH of all the soils developed with alkaline parent material was significantly higher than that of the soils developed with acidic parent material. Soil pH decreased by 0.48 units after the conversion of acidic parent material developed paddy fields to vegetable fields; soil pH decreased by 0.74 and 0.53 units after the conversion of alkaline parent material developed paddy fields to drylands and vegetable fields, respectively. The bilinear model fit analysis showed that the soil exchangeable aluminum content increased rapidly when the soil pH was below 5.88, 5.78 and 5.63 in the paddy field, dryland and vegetable field, respectively, and the increment of soil exchangeable aluminum content increased by 1.09, 2.33 and 2.93 cmol(+)·kg-1by one pH unit, respectively. Soil organic matter and total nitrogen content decreased by 11.06 and 0.42 g·kg-1, respectively, in the acidic matrices developed paddy fields converted to drylands, while no significant changes were observed in vegetable fields; soil organic matter and total nitrogen content decreased significantly in the alkaline matrices developed paddy fields converted to drylands and vegetable fields, by 13.88-17.28 and 0.57-0.71 g·kg-1, respectively. The total and effective phosphorus content of the soil increased significantly from 0.41-0.48 g·kg-1and 26.79-28.69 mg·kg-1after the conversion of the paddy field with alkaline parent material to dryland and vegetable field, respectively. Correlation analysis showed that soil pH was significantly and positively correlated with soil exchangeable calcium and magnesium, cation exchange, organic matter content and total nitrogen content (＜0.01); soil exchangeable acid and aluminum were significantly correlated with effective phosphorus content (＜0.05) and negative correlation (＜0.01) with soil exchangeable calcium and magnesium, cation exchange, organic matter and total nitrogen. 【Conclusion】Soil organic matter and total nitrogen content decreased significantly after the conversion of acidic and alkaline parent material developed paddy fields to drylands, while soil total phosphorus and effective phosphorus content tended to increase. Soil acidification was observed after the conversion of paddy fields to vegetable fields for acidic parent materials or to drylands and vegetable fields for alkaline parent materials; the increased nitrification and increased leaching of salt-based ions from paddy fields to drylands and vegetable fields might be one of the main reasons for soil acidification.

parent material; red soil; conversion of paddy fields to dry land and vegetable field; soil acidity; nutrient characteristics