浙江省红层母质发育土壤的酸缓冲性及其在人为利用下的酸化特点

池永清，陈宇航，章明奎

（1.丽水市土肥植保能源总站，浙江 丽水 323050；2.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058）

0 引言

红层指侏罗纪、白垩纪、少量三叠纪及早古近纪形成的主色为红色的泥岩、粉砂岩、砂岩等岩性的一套陆相及浅水湖相沉积物，广泛出露在我国的西南、华南、东南和西北地区［1］。在我国亚热带地区，红层多分布在一些山间和小盆地中，如浙江的金衢盆地、湖南的衡阳盆地、江西的赣州盆地等［2-3］。亚热带地区的红层母质成土过程不同于当地其他岩石上发生的脱硅富铁铝化作用［4-5］，红层岩性软弱，其风化物易遭侵蚀，地表土壤物质因频繁的侵蚀而流失严重并经常被母质新风化的产物所更新，表土一直处于脱钙—侵蚀—脱钙反复交替的特殊土壤形成阶段，从而导致该类土壤的剖面发育极为微弱，土壤颜色与母岩相似，土体浅薄［4］，土壤酸碱度与母质接近并明显高于当地的铁铝土。为了减免水土流失对土壤及生态环境的影响，近半个多世纪以来我国许多地区采用平整土地、营造梯田/梯地等方式种植农作物，大大稳固了红层地表，显著削弱了红层发育土壤的水土流失［6-7］，促进了土壤向深度方向发育。同时，把坡地改为梯田进行农业生产也改变了红层地区土地的管理方式，其中化肥投入明显增加。以往的研究表明，多数旱地改水田种植水稻后土壤可向中性化方向发展［4］，但近期的研究也表明长期高量施用化肥也可明显加速水田土壤的酸化［8］。为了解由红层坡地改成梯田/梯地后，在稳定的成土环境及施肥条件下土壤酸碱度的演变特点，本文以浙江省不同红层母质发育土壤为例，探讨了不同红层母质发育土壤的酸缓冲性，分析了在人为利用下红层母质发育的旱地和水田土壤的酸度演化趋势。

1 材料与方法

1.1 浙江省红层母质及其发育的土壤

浙江省内广泛分布有白垩系横山组、衢江群下段中部及侏罗系上统的劳村组上部和震旦系志棠组下统及侏罗系中、下统上段等的紫红色砂页岩、紫红色砂砾岩。其中，白垩系横山组、衢江群下段中部和侏罗系上统的劳村组上部的紫红色砂页岩、紫红色砂砾岩含有碳酸钙，而震旦系志棠组下统和侏罗系中、下统上段的紫红色砂页岩、紫红色砂砾岩不含碳酸钙。在浙江省第二次土壤普查中［4］，根据母岩（母质）含钙与否将红层母质发育的土壤分为石灰性紫色土和酸性紫色土2个亚类，其中石灰性紫色土再根据土体的石灰性反应强弱划分为紫砂土和红紫砂土2个土属，前者全剖面均呈石灰反应，后者表土无石灰反应。酸性紫色土亚类只设酸性紫砂土1个土属。红层母质形成的土壤长期种植水稻后可形成不同的水稻土，其中，紫砂土改为水田后形成的土壤有钙质紫泥田、紫泥砂田等土属；红紫砂土改为水田后形成的土壤有红紫泥田、红紫泥砂田等土属；酸性紫砂土改为水田后的土壤为酸性紫泥田土属。浙江省红层母质发育的土壤涉及紫色土和水稻土等2个土类、4个亚类、8个土属和18个土种［4］（表1）。

1.2 土样的采集

根据浙江省各地第二次土壤普查形成的土壤图，结合田间访问调查，本研究采集了林地、旱地和水田3种不同利用方式下的红层土壤样品240个，采样土层深度为0～15 cm。林地土样共22个，其中8个样品用于观察土壤的酸缓冲性，其基本性状见表2。不同利用时间的旱地和水田土样分别为92和126个，用于分析不同利用过程中土壤酸度的变化。以上采集的土壤构成了紫砂土—钙质紫泥田—紫泥砂田、红紫砂土—红紫泥田—红紫泥砂田和酸性紫砂土—酸性紫泥田等3个由林地（旱地）改水田的系列土壤。采集的土样经室内风干、混匀后过2 mm土筛，测定土壤的pH值、交换性酸、阳离子交换量（CEC）、粘粒含量及土壤缓冲性；部分土样进一步过0.125 mm土筛，测定其有机质和碳酸钙含量。土壤理化性质采用常规方法测定［9］。

1.3 土壤酸缓冲性研究

土壤酸缓冲性采用酸碱缓冲曲线方法进行评估。方法简述如下：称取20 g土样各20份，分别置于100 ml塑料离心管中，每份土样分别定量加入50 ml不同含量硫酸的稀酸溶液，土液比为1∶2.5，放置5 h后加盖，在室温下间歇振荡平衡7 d后，用酸度计测定各份悬液的pH值，绘制土壤pH值与酸消耗量之间的酸缓冲曲线。

2 结果与分析

2.1 土壤酸缓冲性能及其主要影响因素

选择表2中具有代表性的8个红层土样（覆盖2个亚类、3个土属、8个土种）进行酸缓冲性测定。图1为3种典型红层母质发育土壤的酸缓冲曲线。研究结果表明，土壤pH值与酸加入量之间呈非等速的“S”型变化，根据曲线变化速度，大致可将酸缓冲曲线分为3个阶段：第一阶段（pH值＞6.5）：该阶段只涉及含碳酸钙的紫砂土，土壤pH值随酸加入量的增多变化较缓慢，对酸的缓冲物质主要为CaCO3，说明CaCO3对土壤酸化有重要的阻碍作用；红紫砂土和酸性紫砂土因无CaCO3而不具有这一阶段的缓冲作用。第二阶段（pH值介于3.5～6.5之间）：该阶段土壤pH值随加酸量增多呈现快速下降的趋势，即在较少酸加入量下的土壤pH值明显降低，表明这一阶段对酸的缓冲作用较弱，容易发生土壤酸化。第三阶段（pH值＜3.5）：该阶段土壤的pH值随酸加入量的增多变化缓慢，对酸的缓冲作用极强。因此，一般土壤pH值不可能降到3.5以下。

图1 3种典型红层母质发育土壤的酸缓冲曲线

土壤酸缓冲容量是指将pH值降低至某一参比pH值时所需要的强酸量，但文献中提出的参比pH值有较大的变化（介于3～5之间）［10-12］，考虑到pH值＜3.5时，大部分植物已不能正常生长，为此，本文参照文献［13］，采用pH值3.5作为参比pH值，把土壤酸缓冲容量(Q)定义为当土壤pH值下降至3.5时单位土壤质量所需的酸总量(mmol/kg)；相应地，酸缓冲强度是指土壤pH值达到 3.5时，单位pH值变化所消耗的平均酸量(Q/△pH，mmol/kg)。表2表明，浙江省8个土种的红层母质发育土壤的酸缓冲容量与缓冲强度有很大的变化。土壤酸缓冲容量介于65.09～663.31 mmol/kg之间，平均值为232.64 mmol/kg，最高值约为最低值的10倍，差异较大；酸缓冲强度介于38.98～160.61 mmol/kg之间，平均值为81.60 mmol/kg，相差也达4倍。红层母质发育土壤的酸缓冲容量基本上在60 mmol/kg以上，明显高于同一地区自然红壤等酸性较强土壤的酸缓冲容量值(8.2～17.9 mmol/kg)［12］；远没有达到酸化非常敏感的水平（酸缓冲容量值小于20 mmol/kg)［12］。这表明，红层母质发育土壤总体上不易酸化。

一般来说，土壤酸缓冲性主要与土壤初始pH值、CEC、CaCO3含量、有机质含量和质地等有关［10］，本研究的8种红层母质发育土壤的理化性状有较大变化（表2）。相关分析表明（表3），土壤酸缓冲容量和土壤酸缓冲强度主要受到土壤初始pH值、CaCO3含量、CEC和盐基饱和度的影响，随土壤pH值、CaCO3含量、CEC和盐基饱和度的增加而增加；粘粒含量对其也有一定的正向影响，但土壤有机质对酸缓冲性的影响不明显。

表3 红层母质发育土壤酸缓冲容量和缓冲强度与土壤性质之间的相关性

2.2 旱耕条件下土壤酸度的变化

以自然林地为对照，分析了旱地和水田2种人为利用方式下不同利用时间对红层母质发育土壤酸度变化的影响（表4）。用于对照（指开垦前）的3个土属的红层母质发育林地土壤的酸碱度存在一定的差异，其中紫砂土主要呈中性，红紫砂土主要呈微酸性，而酸性紫砂土呈酸性。由表4可知，随着旱耕利用时间的增加，3类土壤的pH值均呈现持续下降的趋势。与对照相比，紫砂土在旱耕时间介于10～25和25～50 a时，土壤平均pH值分别降低了0.09和0.43个单位，但土壤pH值仍然处于中性范围；在旱耕时间＞50 a时，土壤平均pH值较对照下降了1.07个单位；旱耕时间超过25 a时，土壤pH值与对照之间差异显著。红紫砂土旱耕后土壤平均pH值也呈持续下降的趋势，旱耕时间介于10～25、25～50和＞50 a时，土壤平均pH值分别比对照下降了0.89、0.96和1.05个单位，土壤酸碱度处于酸性范围；旱耕10 a后土壤pH值与对照土壤呈显著差异。酸性紫砂土旱耕后土壤平均pH值也呈缓慢下降的趋势，旱耕时间介于10～25、25～50和＞50 a时，土壤平均pH值分别较对照下降了0.10、0.19和0.29个单位；旱耕25 a后，土壤pH值与对照达到显著差异。旱耕后红紫砂土pH值下降最为明显，其次为紫砂土。红紫砂土的pH值下降主要发生在旱耕时间25 a内，紫砂土的pH值下降主要发生在旱耕时间25 a后，酸性紫砂土的pH值呈现持续缓慢下降的趋势。土壤pH值的下降也促进了交换性酸的形成，随着旱耕时间的增加，土壤中交换性酸含量也呈现增加的趋势。由表5可知，紫砂土中的交换性酸含量很低，而红紫砂土和酸性紫砂土的交换性酸在旱耕时间超过50 a后已达到较高水平。

表4 不同旱耕时间红层土壤的酸碱度

表5 不同旱耕时间红层土壤的交换性酸含量 cmol/kg

2.3 水耕条件下土壤酸度的变化

由表6可知，改为水耕后的紫砂土和红紫砂土pH值也呈持续下降的趋势。与对照相比，紫砂土的平均pH值在水耕时间介于10～25 a时，土壤平均pH值降低了0.15个单位，但仍然处于中性范围；在水耕时间介于25～70 a时，土壤平均pH值下降了0.57～1.10个单位，在水耕时间为50～70 a，紫砂土壤pH值呈微酸性；水耕时间为＞70 a时，土壤平均pH值较对照下降了1.47个单位。红紫砂土土壤平均pH值在改为水耕后也呈持续下降的趋势，水耕时间介于10～25、25～50、50～70和＞70 a时，其土壤平均pH值较对照分别下降了0.73、0.78、0.83、0.97个单位，土壤酸碱度处于酸性范围；水耕25 a后红紫砂土的土壤pH值与对照土壤差异显著。与紫砂土和红紫砂土不同，酸性紫砂土的土壤pH值在水耕初期（10～25 a）略有增加；水耕25 a后，土壤pH值小幅下降，但因采样点土壤pH值变异较大，总体上土壤酸碱度随着水耕时间的增加较对照没有呈现显著的差异。由表7可知，种植水稻后紫砂土、红紫砂土的土壤交换性酸含量呈增加的趋势，水耕70 a后，土壤中交换性酸含量明显高于对照土壤；而酸性紫砂土的土壤交换性酸含量在水耕后的变化不明显。水耕对紫砂土和红紫砂土酸化的影响较旱耕更明显，而对酸性紫砂土的酸化影响比旱耕弱。

表7 不同水耕时间红层土壤的交换性酸含量 cmol/kg

3 讨论

我国亚热带地区水热条件丰富，矿物风化和土壤淋溶作用强烈，土壤酸碱度一般向酸性方向发展，形成的土壤普遍呈酸性和强酸性［4］。但这一地区的红层母质发育土壤酸性不强，多以微酸性、中性和微碱性为主，其原因是红层岩性软弱，其风化物易遭侵蚀，地表土壤物质因频繁的侵蚀而流失严重得以经常更新，土壤不利于向深度发展，从而不易发生明显的酸化［4］。本研究结果表明，红层母质的酸缓冲性与土壤初始pH值、CEC、CaCO3含量、盐基饱和度等因素有关。由于红层母质中含有较高含量的CaCO3和较多的云母类矿物［14］，其CEC和盐基饱和度较高，对酸性物质具有较强的缓冲能力［10］，因此，在自然条件下该类土壤不易酸化，其缓冲能力明显强于当地的红壤。但研究结果也表明，不同红层母质发育土壤的酸缓冲性差异较大，土壤酸缓冲容量最高值约为最低值的10倍，其原因是不同红层母质发育土壤中的缓冲物质存在很大的差异［10］，对于形成于白垩系横山组、衢江群下段中部和侏罗系上统的劳村组上部的紫红色砂页岩、紫红色砂砾岩上的紫砂土，因含有较多的碳酸钙［4］，使其对酸的缓冲能力明显较高，且在大量酸加入情况下也不易发生显著的酸化；但在土壤中的碳酸钙淋失后，其随着酸加入量的增多pH值下降明显，这表明碳酸钙在防止土壤酸化过程中发挥着十分重要的作用。红紫砂土和酸性紫砂土因缺乏碳酸钙导致其对酸的缓冲能力明显下降。红紫砂土对酸的缓冲能力高于酸性紫砂土，与红紫砂土的盐基饱和度更高有关，较高盐基饱和度的土壤具有较多可供氢交换的钙离子、镁离子［10,15］。

红层母质发育土壤经过平整土地、营造梯田/梯地等方式种植农作物后，地表稳固性明显增加并显著削弱了红层发育土壤的水土流失，土壤向深度方向发育；在这样连续的淋溶作用下，土壤中的碳酸钙以及钙、镁等交换性离子逐渐淋失，土壤缓冲作用逐渐转弱［10］，土壤中酸性物质逐渐积累，导致了土壤pH值和盐基饱和度的下降。而当红层母质发育土壤被开发为农业用地后，化肥投入量明显增加，这也在一定程度上加速了土壤的酸化［16］。紫砂土、红紫砂土和酸性紫砂土的酸化过程在不同土地利用下表现不一，即水耕对紫砂土的酸化作用比旱耕更明显，对红紫砂土和酸性紫砂土的酸化作用比旱耕弱，这可能与不同土壤中的抗酸物质不同有关。紫砂土中含有大量的CaCO3，CaCO3可与土壤中的CO2作用，形成溶解性较好的Ca(HCO3)2，从土壤中淋失。而水耕条件下的土壤通气性较差，土壤空气中含有较多的CO2，有利于CaCO3的溶解、淋失，土壤pH值下降相对较明显。红紫砂土和酸性紫砂土不含CaCO3，因而不具有上述土壤酸化机制，且在水耕条件下容易形成还原性物质（包括亚铁、亚锰等），后者对酸也有较强的缓冲能力［10］，在一定程度上减弱了土壤的酸化。

4 结论

对浙江省不同红层母质发育土壤的酸缓冲性及其在人为利用下酸度变化的研究表明：

（1）红层母质发育土壤的酸缓冲容量与缓冲强度有很大的变化，其平均值分别为232.64、81.60 mmol/kg；红层母质发育土壤的酸缓冲容量明显高于自然红壤。

（2）红层母质发育土壤的酸缓冲容量和土壤酸缓冲强度主要与土壤初始pH值、CaCO3含量、CEC和盐基饱和度等因素有关；其对酸缓冲曲线可分为pH值＞6.5、pH值为3.5～6.5和pH值＜3.5等3个阶段，其中pH值＞6.5时，缓冲物质主要为CaCO3，对酸具较强的缓冲性；pH值介于3.5～6.5时土壤容易发生酸化。

（3）在稳定的成土环境及施肥条件下，红层母质发育土壤可发生不同程度的酸化，其中红紫砂土因缺乏CaCO3而酸化进程较快，其pH值下降主要发生在利用时间25 a内；紫砂土因含有CaCO3而不易酸化，其pH值下降主要发生在利用时间25 a后；酸性紫砂土因本身pH值较低，因而在人为利用下的酸化程度较小，其pH值呈现缓慢下降的趋势。水耕对紫砂土的酸化作用较旱耕更明显，而对红紫砂土和酸性紫砂土的酸化作用却比旱耕弱。