我国南方不同母质土壤pH剖面特征及酸化因素分析

赵凯丽，王伯仁，徐明岗，蔡泽江，石伟琦，马海洋

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2 中国农业科学院衡阳红壤实验站/祁阳农田生态系统国家野外试验站，湖南祁阳 426182；3 北京市土肥工作站，北京 100029；4 中国热带农业科学院南亚热带作物研究所，广东湛江 524091）

土壤pH值降低将引起K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4

+等盐基离子的淋失，交换性酸、铝的增加[1-2]及重金属元素的有效性提高[3]，严重影响土壤质量。母质可通过影响土壤的物理性质 (质地、团粒结构等)和化学性质 (pH、阳离子交换量、酸碱缓冲容量、有机质含量等)[4-6]，进而影响土壤的酸化进程[7-9]。明确不同母质土壤的酸化现状，分析主要酸化因素，可采取有效措施减缓酸化进程，减少因酸化造成经济损失及生态环境恶化。Fujii等[10]提出，母质可通过影响土壤中酸的强度、分布及酸中和能力来影响酸化过程。在物理性质方面，朱丽东[11]对浙江红土粒度组成的研究表明，砂岩红土最粗，花岗岩红土次之，玄武岩红土最细。田冬[7]等选取不同质地的土壤研究氮添加对pH的影响，结果发现培养后砂土、粉黏壤土和黏土的平均pH分别下降了0.49～0.69、0.82～1.02、0.59～0.67个单位，以粉黏壤土下降的幅度最大。在化学性质方面，何腾兵等[12]研究发现，pH对母岩有较大继承性，石灰岩、钙质紫色砂页岩、河流冲积物土壤pH为中性至微碱性，红色黏土、砂岩、页岩土壤pH为酸性至强酸性；相比砂岩土壤，紫色砂页岩、河流冲积物土壤的有机质含量及阳离子交换量较高。曹丹等[9]研究发现，随着有机质含量增加，茶园土壤酸化速率呈下降趋势。吴甫成[13]、王晓燕[14]等研究表明，不同母质红壤酸碱缓冲能力的强弱程度不同。沈月[8]等研究发现棕壤的酸化速率不仅与酸碱缓冲容量有关，也与pH的变化有关。综上，不同母质土壤的理化性质有较大差异，可影响土壤酸化的进程。目前，对不同母质土壤的酸化因素有较多研究，但综合这些因素分析主要影响因素方面仍相当薄弱。本研究以湖南祁阳白茅草植被下七种母质发育的土壤为研究对象，分析不同层次的pH，比较表层 (0—20 cm) 与底层 (60—100 cm) pH的差异，揭示不同母质土壤pH的剖面特征及酸化现状，明确比表面积等物理指标和酸碱缓冲容量等化学指标中影响不同母质土壤表层酸化的关键因素。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

湖南省祁阳县位于中国南方典型红壤丘陵区，该区域年平均日照时数为1613.1 h，太阳幅射量为108.7 kcal/cm2，年平均气温为17.8～18.4℃，无霜期293 d，年降雨量1150～1350 mm，祁阳县主要成土母质有：第四纪红土 (占全县土壤总面积的6.2%)、板页岩 (占全县土壤总面积的23.6%)、红砂岩 (占全县土壤总面积的34.7%)、花岗岩 (占全县土壤总面积的7.1%)、石灰岩 (占全县土壤总面积的19.7%)、河流冲积物 (占全县土壤总面积的2%)、紫色页岩 (占全县土壤总面积的6.9%)。

本研究所选取土壤于2014年10月采自中国农业科学院祁阳红壤站 (111°52′E，26°45′N) 周边乡镇，为减少气候、酸沉降等环境因素对酸化的影响，更好地说明母质对酸化的作用，本研究采用小范围局部采样，具体植被和采样地点见表1。

表1 供试土壤采样地点基本情况Table 1 Location details of the tested soils

1.2 试验材料

在每个土壤样地上随机选取3个地表条件相同的采样点，分别采集0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm共5个层次的土壤样品，自然风干后，去除石块和残根等杂物，磨碎，过2 mm筛，用四分法取约 300 g作为待测样品。不同层次土壤用于pH测定，0—20 cm土壤用于测定比表面积、颗粒组成、酸碱缓冲容量、有机质含量和阳离子交换量。

1.3 试验方法

土壤pH采用电极电位法测定，水土比为2.5∶1；有机质采用重铬酸钾外加热法，阳离子交换量采用乙酸铵交换法测定；土壤的比表面积测定采用氮气吸附法测定[15]，土壤颗粒组成利用激光颗粒分析仪(美国 Beckman Coulter LS13320) 测定，采用转换模型计算颗粒含量[16]。土壤的酸碱缓冲容量测定[17-18]：称取4 g风干土壤15份于50 mL离心管，分别加入已标定浓度 (0.00125～0.04 mol/L) 的 HCl和NaOH溶液20 mL，使水土比为5∶1，最终加入的酸碱量分别为0、3.125、6.25、12.5、25、37.5、75、100 mmol/kg，所有处理均重复1次；土壤悬液振荡1 h后，恒温25℃培养，期间每天用力往复摇匀一次，平衡7天后测定土壤pH，以pH为横坐标，加入酸碱的量为纵坐标作图得到土壤酸碱缓冲曲线，对曲线突跃范围内斜率相近的部分进行局部直线拟合计算，斜率值即为土壤的酸碱缓冲容量[17]。

所有图和数据分析分别采用Excel2003和SPSS Statistics 20软件，不同处理间的显著性 (P＜ 0.05) 采用Duncan法检验。

2 结果与分析

2.1 不同母质土壤的剖面pH值

白茅草植被下，由不同母质土壤pH值的剖面变化 (图1) 可知，第四纪红土、红砂岩、板页岩、花岗岩四种母质发育的剖面红壤均呈酸性或强酸性 (pH ＜6)，以花岗岩红壤pH (5.31～5.70) 最高，其次为第四纪红土红壤 (pH 4.62～4.97)，红砂岩红壤 (pH 4.31～4.67)，板页岩红壤的pH (4.25～4.49) 最低。石灰岩土壤 (pH 8.46～8.72) 呈强碱性，河流冲积物(pH 7.37～7.87)、紫色页岩 (pH 7.41～8.00) 土壤呈碱性。

第四纪红土、红砂岩、板页岩红壤，石灰岩、河流冲积物和紫色页岩土壤的pH随土层 (0—60 cm)深度增加呈增加趋势，增加幅度为0.11、0.19、0.12和0.1、0.4、0.37个pH单位。花岗岩红壤的pH随土层 (0—40 cm) 深度的增加呈降低趋势，降低幅度为0.13个pH单位；七种母质剖面土壤的各层次间，底土两个层次 (60—80 cm和80—100 cm) 间差异性不显著，但均与表层 (0—20 cm) 的差异性显著。

2.2 不同母质土壤的酸化特征

选取白茅草根系分布的表层 (0—20 cm) 和底土差异性不显著的两个层次 (60—80 cm和80—100 cm) 分别作为表层和底层，通过比较表层 (0—20 cm)与底层 (60—100 cm) pH的差异来表征表层土壤的酸化状况。由表2可看出，0—20 cm土层，以石灰岩土壤pH最高，其次为紫色页岩、河流冲积物土壤，再次为花岗岩、第四纪红土红壤，板页岩、红砂岩红壤的pH最低；底层的pH也呈现了类似的变化规律。

图 1 不同母质土壤pH剖面特征Fig. 1 Soil pH in profiles of soils derived from different parent materials

表2 0—20 cm、60—100 cm土壤pH值及差值Table 2 Soil pH values in 0-20 cm, 60-100 cm layers and their difference in each soil

通过与底层pH的比较可发现，0—20 cm出现了pH降低的现象，说明表层土壤已出现酸化现象，酸化程度大小依次为：紫色页岩土壤 ＞ 河流冲积物土壤、花岗岩红壤 ＞ 第四纪红土、红砂岩红壤 ＞ 石灰岩土壤、板页岩红壤；石灰岩土壤和板页岩红壤的酸化程度显著小于紫色页岩土壤。

2.3 不同母质土壤0—20 cm土层的酸碱缓冲容量、有机质含量及阳离子交换量

表3表明，除第四纪红土、板页岩红壤，各母质土壤酸碱缓冲容量的差异水平达到显著；河流冲积物土壤的酸碱缓冲容量最大，对酸的抵抗力最强，其次为紫色页岩、石灰岩土壤；第四纪红土壤的酸碱缓冲容量最小，其次为板页岩、红砂岩、花岗岩红壤，对酸的抵抗力较弱。

0—20 cm土层的有机质含量以红砂岩红壤最高，其次为花岗岩红壤、河流冲积物土壤，与其它母质差异水平达到显著，再次为第四纪红土、板页岩红壤和石灰岩土壤，紫色页岩土壤的有机质含量最低，显著低于其它母质土壤。

0—20 cm土层以花岗岩红壤的阳离子交换量最高，其次为紫色页岩土壤，均显著高于其它母质土壤；再次为石灰岩土壤、第四纪红土、红砂岩红壤、河流冲积物土壤，板页岩红壤的阳离子交换量最低，显著低于其它母质土壤。

相关性分析结果表明，七种母质土壤的酸碱缓冲容量与有机质含量 (r= 0.0029)、阳离子交换量 (r=0.0666) 未呈现显著相关关系 (n= 21)。但四种母质酸性红壤 (第四纪红土、红砂岩、板页岩、花岗岩红壤) 的酸碱缓冲容量与阳离子交换量 (r= 0.8646**) 呈极显著正相关，与有机质含量 (r= 0.3377) 未呈现出显著相关性 (n= 12)。

表3 0—20 cm土壤酸碱缓冲容量、有机质含量及阳离子交换量Table 3 pH buffer capacity, organic matter content and cation exchange capacity in 0-20 cm layer of soil from different parent materials

2.4 不同母质土壤0—20 cm土层比表面积及颗粒组成

表4 显示，花岗岩红壤的比表面积最大，显著高于其它母质土壤，其次为第四纪红土、红砂岩红壤，其余四种母质土壤间的比表面积无显著差异。根据土壤的颗粒组成可得出，紫色页岩土壤黏粒含量最高，属粉砂质黏壤土；石灰岩、河流冲积物土壤砂粒含量最高，属黏壤土；第四纪红土、红砂岩、板页岩红壤属于粉砂质黏土，粉粒含量高；花岗岩红壤属壤质黏土。

2.5 不同母质土壤酸化的主要影响因素

综合以上与表层酸化过程可能有关的因素 (包括pH、比表面积、颗粒组成、缓冲容量、阳离子交换量、有机质含量)，运用SPSS软件进行逐步回归分析[19-20]结果发现没有变量被输入到方程中，即未得出影响七种母质土壤表层酸化的主要因素；而针对其中由四种母质发育的酸性红壤 (即第四纪红土、红砂岩、花岗岩、板页岩红壤)的结果发现，阳离子交换量是影响四种母质红壤表层酸化的主要因素。

首先对0—20 cm与60—100 cm土层的△pH进行正态检验，选适用小样本检验 (本研究n= 12属于小样本) 的Shapiro-Wilk Test模型，结果表明，数据统计量为0.893，显著性大于0.05水平 (P= 0.249)，故因变量 (△pH) 服从正态分布，可进行回归分析。

表4 0—20 cm土壤的比表面积及颗粒组成Table 4 Specific surface area and mineral composition of soil particles in 0-20 cm soil layer from different parent materials

由表5的分析结果可得出线性回归方程为：y= 0.157 - 0.013x1

式中：y—△pH；x1—阳离子交换量。回归系数的显著性均小于0.05，即自变量与因变量之间存在显著性差异，有统计学意义故留在方程中。自变量x1对y的直接作用是P1y= 0.785，说明阳离子交换量对表层酸化有直接影响。

3 讨论

3.1 不同母质土壤的酸化特征

土壤pH对母岩有较大继承性[12]。根据中国土壤的酸碱度分级标准 (中国科学院南京土壤研究所，1987)，本文中第四纪红土、红砂岩、板页岩红壤均属于强酸性红壤 (pH ＜ 5)，主要原因可能是三种母质红壤经历了较完全的风化成土过程，处于脱硅富铝化阶段，大部分盐基淋失殆尽，导致土壤pH较低[14]。花岗岩红壤属于酸性红壤 (pH ＜ 6)，0—40 cm的pH显著低于底层，主要原因是此采样点为次生白茅草地，曾种过茶树，种植方法采用深耕松土条栽，种植过程中施用氮肥、有机肥等，加速了表层酸化[21-22]，且0—40 cm的pH随土层深度增加呈降低趋势，可能是因为0—20 cm生长白茅草后，承接的大量枯枝落叶增加了有机质积累，减缓了酸化进程，故pH高于20—40 cm。河流冲积物、紫色页岩土壤属于碱性土壤 (7.5 ＜ pH ＜ 8.5)，河流冲积物为多种地表物质的混合沉积物，受水分作用影响，发育的土壤接近中性[12]；紫色页岩发育程度迟缓，不具脱硅富铝化特征，风化微弱，含有碳酸钙，盐基饱和度高[23]，土壤呈碱性。石灰岩土壤属强碱性土壤 (pH ＞ 8.5)，主要是因为土壤中含丰富的碳酸钙[24]且盐基丰富，母岩风化过程中碳酸钙延缓了盐基的淋失和土壤的酸化进程，土壤碱性较强。

白茅草根系主要分布在0—20 cm的土壤表层[25]，是枯枝落叶分布的主要区域，受植被因素影响显著，在一定程度上土壤性质发生了变化；而60—100 cm位于底层，主要受母质等结构因素影响，外界因素的干扰小，pH 较接近原始值[26]。因此，本研究选取 0—20 cm作为表层，底土差异性不显著的两个层次 (60—80 cm和80—100 cm) 作为底层，通过比较表层 (0—20 cm) 与底层 (60—100 cm) pH的差异来表征表层土壤的酸化状况。比较发现，七种母质土壤的0—20 cm均出现pH降低，说明表层土壤已出现酸化现象，可能原因是：植物根系可分泌有机酸，植物从土壤中吸收盐基阳离子时可分泌质子，根系及根际微生物呼吸作用产生的CO2溶于水也可离解出质子，促进了土壤酸化。

本研究表明，七种母质土壤，以紫色页岩表层酸化最为严重，显著高于石灰岩土壤，石灰岩土壤、板页岩红壤表层酸化程度最小；可能原因是石灰岩、紫色页岩发育的碱性土壤主要通过碳酸盐对外源酸碱起缓冲作用，石灰岩土壤中的碳酸盐含量显著高于紫色页岩土壤，故紫色页岩表层酸化程度显著大于石灰岩土壤。板页岩发育的红壤pH偏低(pH 4.25～4.49)，属于强酸性红壤，酸化空间较小，酸化程度较弱。

3.2 不同母质土壤酸化的影响因素

本研究对与表层酸化可能有关的八种因素[比表面积、颗粒组成 (黏粒、粉粒、砂粒含量)、pH、缓冲容量、阳离子交换量、有机质含量]进行逐步回归分析：对七种母质土壤分析，未得出影响表层酸化的主要因素；分析四种母质 (第四纪红土、红砂岩、花岗岩和板页岩) 发育的酸性红壤，得出阳离子交换量是影响表层酸化的主要因素。这可能是由于本研究选取的七种母质土壤的酸碱度差异较大 (pH跨度范围为4.25～8.46)，酸性土壤的酸化空间小于碱性土壤；且七种母质土壤的酸碱缓冲机制不同，根据Ulrich[27-28]对土壤酸碱缓冲体系的分类，可认为石灰岩、紫色页岩和河流冲积物发育的碱性土壤主要是通过碳酸盐对外源酸碱起缓冲作用，第四纪红土、红砂岩、板页岩、花岗岩等发育的酸性红壤主要通过阳离子交换量等对外源性酸碱起到缓冲作用，故影响不同母质土壤酸化的因素需分类研究。本文仅得出影响第四纪红土、红砂岩、板页岩和花岗岩四种酸性母质表层红壤酸化的主要因素之一是阳离子交换量，对于影响碱性土壤酸化的因素还需进一步分析。

表5 回归方程的系数Table 5 The coefficiens of regression equation

本研究表明，阳离子交换量是影响第四纪红土、红砂岩、板页岩、花岗岩四种母质红壤酸化的主要因素，0—20 cm以花岗岩红壤的阳离子交换量显著高于其它母质红壤，其次为第四纪红土、红砂岩红壤，板页岩红壤的阳离子交换量最低。主要原因可能是板页岩红壤属于粉砂质黏土，粉粒和黏粒含量相对较高，且酸碱缓冲容量较小，故阳离子交换量低。第四纪红土、红砂岩红壤在成土过程中，矿物化学风化、淋溶强烈，导致质地粗，结构松，极易造成盐基流失，故阳离子交换量也不高。本研究中的花岗岩红壤采样点曾种植过茶树，施用的氮肥、有机肥等增加了土壤中的盐基离子[29]，故阳离子交换量显著高于其它三种母质土壤。

王文婧[30]在研究皖南红壤阳离子释放特征中发现，模拟酸雨作用下，第四纪红土红壤盐基离子的释放总量明显增加，在缓冲中起主要作用。本研究表明，第四纪红土、红砂岩、板页岩、花岗岩四种母质红壤的酸碱缓冲容量与阳离子交换量呈现极显著的正相关，处于交换性阳离子缓冲体系[31]，故可增加红壤中的交换性阳离子含量来减缓酸化进程。

4 结论

白茅草植被下七种母质发育的土壤中，与底层(60—100 cm) 相比，0—20 cm土层酸化程度大小依次为：紫色页岩土壤 ＞ 河流冲积物土壤、花岗岩红壤 ＞ 第四纪红土、红砂岩红壤 ＞ 石灰岩土壤、板页岩红壤。影响不同母质土壤酸化的因素需分类研究，在本文所选取的八种可能因素中，阳离子交换量是影响第四纪红土、红砂岩、板页岩和花岗岩四种酸性红壤表层酸化的主要因素。