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  農業資源與環境學報  2021, Vol. 38 Issue (6): 980-988  DOI: 10.13254/j.jare.2021.0508
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引用本文  

蔡澤江, 余強毅, 吳文斌, 等. 廣東省增城區不同耕地利用類型下赤紅壤酸度變化[J]. 農業資源與環境學報, 2021, 38(6): 980-988.
CAI Zejiang, YU Qiangyi, WU Wenbin, et al. Changes in soil acidity under different land use in Zengcheng District, Guangdong Province[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2021, 38(6): 980-988.

基金項目

國家自然科學基金項目(U1901601)

Project supported

The National Natural Science Foundation of China(U1901601)

通信作者

余強毅??E-mail: yuqiangyi@caas.cn

作者簡介

蔡澤江(1982-), 男, 河北遷西人, 博士, 副研究員, 從事土壤酸化機制與改良技術研究。E-mail: caizejiang@caas.cn

文章歷史

收稿日期: 2021-08-10
錄用日期: 2021-10-20
廣東省增城區不同耕地利用類型下赤紅壤酸度變化
蔡澤江1,2 , 余強毅1 , 吳文斌1 , 文石林1,2     
1. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室, 北京 100081;
2. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/湖南祁陽農田生態系統國家野外科學觀測研究站, 湖南 祁陽 426182
摘要: 為研究典型區域不同耕地利用類型下土壤酸度變化特征及主要影響因素,通過調查采樣分析增城區三種耕地利用類型(水田、水澆地和旱地)下土壤的pH、交換性酸、有機質、陽離子交換量、全量養分、速效養分含量及其相互關系。結果表明:83.7%的土壤樣品pH低于6.5,其中pH區間為(5.5,6.5]和(4.5,5.5]的樣品均占37.8%,低于4.5和高于6.5的樣品比例分別為8.1%和16.3%;水田土壤pH最高,其次為水澆地,再次為旱地,平均pH分別為6.02、5.51和4.87。水澆地和旱地土壤交換性氫含量顯著高于水田;旱地土壤交換性鋁含量最高,其次為水澆地,再次為水田,分別為1.38、0.72、0.31 cmol·kg-1。土壤pH與土壤碳酸鈣和全鉀含量均呈顯著正相關,而與土壤交換性酸、Olsen-P含量呈顯著負相關。土壤交換性氫與Olsen-P和有效鉀呈顯著正相關,而與土壤碳酸鈣含量呈顯著負相關;土壤交換性鋁與土壤陽離子交換量、Olsen-P含量呈顯著正相關,與土壤碳酸鈣和全鉀含量呈顯著負相關。研究表明,增城區耕地土壤以弱酸性和酸性為主,且耕地利用類型是影響土壤酸度的主要因素之一,旱地土壤酸度最強,其次為水澆地,再次為水田,但其作用機理還有待進一步研究。
關鍵詞: 土壤酸化    pH    交換性酸    有機質    碳酸鈣    
Changes in soil acidity under different land use in Zengcheng District, Guangdong Province
CAI Zejiang1,2 , YU Qiangyi1 , WU Wenbin1 , WEN Shilin1,2     
1. National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
2. National Field Observation and Research Station of Farmland Ecosystem in Qiyang, Hunan Province/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Qiyang 426182, China
Abstract: Assessing changes in soil acidity and its potential influencing factors is significant for preventing soil acidification and improving soil quality. Ninety-seven soil samples were collected across Zengcheng District, Guangdong Province, which covered three land use types, i.e., paddy rice field, irrigated land, and dryland. Soil pH, exchangeable acid, organic matter(SOM), cation exchange capacity, calcium carbonate, total and available nutrients were determined, and their inner relationship was analized. The 83.7% and 16.3% of collected soil samples had pH lower or higher than 6.5, respectively; 37.8%, 37.8%, and 8.1% of total soil samples were located in the range: 5.5 < pH ≤ 6.5, 4.5 < pH ≤ 5.5, and pH ≤ 4.5, respectively. Under different land uses, the pH following the order: paddy soil(6.02) >irrigable land(5.51) > dry land(4.87). The concentration of soil exchangeable hydrogen was much higher in irrigable land and dry land than that from paddy soil; the concentration of soil exchangeable aluminum was following the order: dry land(1.38 cmol·kg-1)>irrigable land(0.72 cmol·kg-1)> paddy soil(0.31 cmol·kg-1). Soil pH had positively correlation with soil calcium carbonate and total potassium, and negatively correlation with soil exchangeable acid and Olsen-P; soil exchangeable hydrogen had positively correlation with Olsen-P and available potassium, and negatively correlation with calcium carbonate; soil exchangeable aluminum had positively correlation with cation exchange capacity and Olsen-P, and negatively correlated with calcium carbonate and total potassium. Our study indicated that land use was one of the important factors influencing soil acidity, and dry land and irrigable land had much strong acidity than that from paddy soil, and the mechanism need to be further research.
Keywords: soil acidification    pH    exchangeable acid    soil organic matter    calcium carbonate    

近30年來,我國紅黃壤區土壤酸化加劇,成為農田土壤質量退化的主要形式[1-2],其中廣東省以赤紅壤酸化尤為嚴重[3]。土壤酸化導致鈣、鎂、磷等養分有效性降低,鋁等作物毒害元素活性增加,嚴重限制了作物生長[1]。大量研究表明,長期過量施用化學氮肥是驅動農田土壤酸化的主要因素[4-5],其中銨態氮硝化過程釋放氫離子和硝態氮淋溶損失是引起土壤酸化的主要機制[6]。水田、水澆地和旱地是紅黃壤區的主要土地利用類型[7],且三種利用方式具有截然不同的水分、養分管理以及耕作方式,土壤水分和氧化還原環境也隨之發生變化,從而改變了土壤微生物特性,以及相應的碳、氮等元素轉化過程,進而影響土壤酸堿度[8-10]。因此,探明典型區域土壤酸度分布特征及其與土地利用方式的關系,對該區耕地質量提升具有重要意義。WU等[11]和DAI等[12]的研究表明,旱地和水澆地較水田土壤含水量降低,土壤以有氧為主,三者具有不同的土壤微生物群落結構和活性。QIN等[13]通過調查分析發現,旱地較水田具有更強的土壤硝化微生物活性,氮肥硝化作用強,土壤硝態氮含量較高;楊東偉等[14]也發現,相鄰的旱地較水田土壤好氧細菌與厭氧細菌比值顯著增加,土壤全氮和堿解氮含量均顯著降低。WANG等[15]和CHEN等[16]的研究表明,與水田相比,旱地顯著降低了土壤有機碳含量。土壤氫離子產生與消耗伴隨著碳氮轉化過程發生,因此水田和旱地具有不同的土壤氫離子平衡,進而影響酸化的程度。唐賢等[17]通過對江西省余江縣土壤調查研究發現,相同母質發育的稻田土壤平均pH為5.69,顯著高于旱地的4.71;周曉陽等[18]基于監測數據分析發現,與持續種稻模式相比,水旱輪作模式加速了土壤酸化。然而,前人關于不同利用類型(水田、水澆地和旱地)的研究主要關注土壤微生物特性、溫室氣體排放以及碳儲量,而關于不同土地利用類型下土壤酸度變化特征的研究還鮮見報道。為此,本研究以紅黃壤區內土壤酸化非常典型的一個縣域——廣東省增城區為研究對象,通過調查采樣,分析該區土壤酸度與土壤性質和土地利用方式的關系,旨在為該區域土壤酸化防治與耕地質量提升提供科學依據。

1 研究方法 1.1 試驗區概況

采樣點位于廣東省增城區內(113°32′ ~114°00′ E,23°05′ ~23°37′ N)。該區屬于南亞熱帶海洋性季風氣候,年均氣溫22.2 ℃,最高溫度38.6 ℃,全年平均降水量為1 922 mm,降雨多集中在春、夏兩季。該區北部地勢較高,南部較低,全區山地、丘陵地、臺地和平原分別占全區總面積的8.3%、35.1%、23.2% 和35.4%,其中丘陵地和臺地主要分布在中南部,南部是三角洲平原和河谷平原,是耕地主要分布區。該區母巖以花崗巖為主,主要土壤類型為赤紅壤。

1.2 土壤樣品采集與分析

該區耕地利用類型主要包括水田(指有水源保證和灌溉設施,在一般年景能正常灌溉,用于種植水生作物的耕地)、水澆地(指除水田外,有水源保證和灌溉設施,在一般年景能正常灌溉的耕地)、旱地(指無灌溉設施,主要靠天然降水種植旱生農作物的耕地)。2020年9月選取具有代表性的樣點97個,其中水田46個、水澆地34個、旱地17個,具體采樣點見圖 1。在每個采樣點上,選取具有代表性且面積大于2 668 m2(4畝)的田塊,采用“S”型取樣法,用土鉆取0~20 cm土壤樣品,混成一個土樣,挑出雜物,風干、研磨、過篩制成20目和60目土樣,備用。土壤樣品測定方法參考文獻[19]。土壤pH值采用電位法測定(水土比2.5∶1);土壤交換性酸、交換性鋁采用1 mol·L-1氯化鉀浸提-0.02 mol·L-1氫氧化鈉中和滴定法;土壤有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法;土壤碳酸鈣含量采用0.5 mol·L-1鹽酸中和滴定法;土壤全氮用凱氏定氮法;土壤全磷用NaOH熔融-鉬銻抗比色法;土壤全鉀用NaOH熔融-火焰光度法;土壤堿解氮采用1.0 mol·L-1氫氧化鈉堿解擴散法;土壤Olsen-P和速效鉀分別采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉和1 mol·L-1乙酸銨浸提,再分別采用鉬銻抗比色法、火焰光度法測定;土壤陽離子交換量用1 mol·L-1乙酸銨交換法測定。

圖 1 廣東增城區采樣點位置 Figure 1 The location of soil sample sites in Zengcheng District, Guangdong Province
1.3 數據處理

采用Sigmaplot 12.0繪圖,其中土壤交換性鋁對pH的響應關系采用雙直線模型(Piecewise-2 segment linear)模擬;不同處理間的顯著性采用SPSS 16.0軟件Duncan法檢驗,相關分析采用R語言(3.6.2)中“corrplot”軟件包?;贏rcGIS 10.2地理信息系統平臺,利用反距離加權插值法(Inverse distance weighted,IDW)對土壤pH作空間插值處理,獲得土壤pH分布圖[20-21]。

2 結果與分析 2.1 土壤酸度 2.1.1 土壤pH

增城區土壤pH平均值為5.64,標準偏差為0.84,pH最小值和最大值分別為3.90和7.79。該區土壤樣品pH各區間占比如圖 2所示,83.7%的土壤樣品pH低于6.5,其中(5.5,6.5]和(4.5,5.5] pH區間樣品均占37.8%,低于4.5和高于6.5的比例分別為8.1% 和16.3%??梢娫搮^土壤以弱酸性和酸性土壤為主。酸性和強酸性土壤主要分布在南部和西部地區(圖 3)。

圖 2 土壤pH各區間所占比例 Figure 2 The frequency of soil pH in different ranges
圖 3 廣東省增城區土壤pH空間分布 Figure 3 Spatial distribution for soil pH in Zengcheng, Guangdong Province

不同利用類型下以水田土壤pH為最高,其次為水澆地,再次為旱地,土壤平均pH分別為6.02、5.51和4.87,變異系數分別為9.51%、17.40%和11.24%(圖 4)??梢?,三種耕地利用類型下土壤pH存在顯著差異。

圖 4 不同利用類型下土壤pH變化 Figure 4 Change in soil pH under different land use
2.1.2 土壤交換性酸

不同利用類型下土壤交換性氫和交換性鋁含量變化如圖 5所示。水澆地和旱地土壤交換性氫含量均顯著高于水田,且二者間無顯著差異。土壤交換性鋁含量以旱地為最高,其次為水澆地,再次為水田,土壤交換性鋁含量分別為1.38、0.72 cmol·kg-1和0.31 cmol·kg-1,變異系數分別為117.9%、125.0%和69.9%。當土壤pH低于6.01時,土壤pH每降低1個單位土壤交換性鋁含量增加0.95 cmol·kg-1,而當土壤pH高于6.01時,伴隨土壤pH降低,交換性鋁含量增加緩慢(圖 6)。

圖 5 不同利用類型下土壤交換性酸變化 Figure 5 Change in soil exchangeable acid under different land use
圖 6 土壤pH與土壤交換性鋁的回歸分析 Figure 6 Regression analysis between pH and exchangeable aluminum
2.2 土壤全量養分 2.2.1 土壤有機質、陽離子交換量和碳酸鈣含量

不同利用類型下土壤有機質含量、土壤陽離子交換量和碳酸鈣含量均無顯著差異(圖 7a、7b、7c),但與水田相比,水澆地和旱地土壤有機質和碳酸鈣含量具有降低的趨勢。

圖 7 不同利用類型下土壤有機質(a)、陽離子交換量(b)和碳酸鈣含量(c)變化 Figure 7 Change in soil organic matter(a), cation exchange capacity(b), and calcium carbonate(c)under different land use
2.2.2 土壤全氮、全磷、全鉀含量

不同利用類型下土壤全氮含量無顯著差異(圖 8a)。土壤全磷含量以水澆地為最高,其次為旱地,再次為水田,平均含量分別為1.40、1.12 g·kg-1和1.00 g· kg-1,變異系數分別為29%、54.4% 和43.0%(圖 8b)。全鉀含量以水田為最高,且與水澆地無顯著差異,旱地土壤最低,平均含量分別為26.93、22.59 g·kg-1和20.04 g·kg-1,變異系數分別為30.5%、38.2% 和27.8%(圖 8c)。

圖 8 不同利用類型下土壤全氮(a)、全磷(b)、全鉀(c)含量變化 Figure 8 Changes in soil total nitrogen(a), phosphorus(b), and potassium(c)under different land use
2.3 土壤有效養分

不同利用類型下土壤有效氮含量無顯著差異(圖 9a)。水田土壤Olsen-P含量顯著低于水澆地和旱地,平均含量分別為57.9、110.0 mg·kg-1和103.4 mg· kg-1,變異系數分別為58.9%、37.9%和60.0%(圖 9b)。水田土壤有效鉀含量也顯著低于水澆地和旱地,平均含量分別為75.6、136.8 mg·kg-1和139.6 mg·kg-1,變異系數分別為57.4%、53.2%和77.7%(圖 9c)。

圖 9 不同利用類型下土壤有效氮(a)、Olsen-P(b)、有效鉀(c)含量變化 Figure 9 Changes in soil available nitrogen(a), Olsen-P(b), and available potassium(c)under different land use
2.4 土壤酸度與土壤性質的相關性

土壤酸度與土壤性質的相關性分析如圖 10所示。由圖 10可知,土壤pH與土壤碳酸鈣和全鉀含量均呈顯著正相關,而與土壤交換性酸(H+和Al3+)、有效磷含量呈顯著負相關。土壤交換性氫(H+)與交換性鋁、有效磷和有效鉀含量呈顯著正相關,而與土壤碳酸鈣含量呈顯著負相關;土壤交換性鋁(Al3+)與土壤陽離子交換量、有效磷含量呈顯著正相關,與土壤碳酸鈣含量和全鉀含量呈顯著負相關。土壤陽離子交換量與土壤碳酸鈣、有機質、全氮和有效氮含量均呈顯著正相關,而與土壤全鉀含量呈顯著負相關??梢?,土壤碳酸鈣含量是影響土壤酸度的因素之一。

Ex.H:土壤交換性氫;Ex.Al:土壤交換性鋁;CEC:土壤陽離子交換量;SOM:土壤有機質;TN:土壤全氮;TP:土壤全磷;TK:土壤全鉀;AN:土壤有效氮;AP:土壤Olsen-P;AK:土壤有效鉀。圖中叉號和圓圈分別表示土壤性質間無相關(P>0.05)和顯著相關(P < 0.05)關系 Ex.H: soil exchangeable hydrogen; Ex.Al: soil exchangeable aluminum; 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 Olsen-P; AK: soil available potassium. The crosses and circle indicate no or significant correlation among soil properties at 0.05 level, respectively 圖 10 土壤酸度與土壤性質的相關性分析 Figure 10 The correlation between soil acidity and soil properties
3 討論 3.1 土壤酸度變化

本研究表明,土壤酸度與土地利用類型密切相關,水田土壤pH顯著高于水澆地和旱地,而水澆地土壤pH又顯著高于旱地(圖 4),但土壤交換性酸鋁的變化趨勢相反(圖 5)。水田、水澆地和旱地的水分、養分管理以及耕作方式截然不同,土壤水分和氧化還原環境也隨之發生變化,從而改變了土壤微生物特性,以及相應的碳、氮等元素轉化過程,進而影響土壤酸堿度[8-10]。QIN等[13]通過調查分析發現,旱地土壤硝化微生物數量和活性較水田增加,氮肥硝化作用強,土壤硝態氮含量顯著增加,土壤氫離子產生與消耗伴隨著碳氮轉化過程發生,因此旱地較水田在很大程度上增加了土壤氫離子凈釋放。周曉陽等[18]也基于監測數據分析發現,與持續種稻模式相比,水旱輪作模式加速了土壤酸化,其原因為水田淹水期(厭氧條件)土壤中硝化產生的NO-3-N發生反硝化作用,消耗質子,能夠在一定程度上維持土壤pH,而水旱輪作方式下土壤有相對較長的時間處于好氣條件,硝化產生的NO-3-N易淋失,而質子在土壤中富集而導致酸化。

酸性和強酸性土壤主要分布在南部和西部地區,包括石灘鎮、仙村鎮、新塘鎮、永寧街道、朱村街道和中新鎮,其中中新鎮和石灘鎮土壤酸性最強;而其他鎮以pH>5.5的弱酸性土壤和中性土壤為主(圖 3)。這與土地利用類型相匹配,石灘鎮、仙村鎮、新塘鎮、永寧街道、朱村街道和中新鎮以水澆地和旱地為主,特別是中新鎮和石灘鎮以旱地為主,因此土壤酸度較強,是土壤酸度改良的重點考慮區域。當土壤pH低于6.01時,土壤pH每降低1個單位土壤交換性鋁含量增加0.95 cmol·kg-1,而CAI等[4]在湖南紅壤上的研究結果表明當土壤pH低于5.6時,土壤交換性鋁的增加速率為4.00 cmol·kg-1。土壤交換性鋁增加速率的差異可能與土壤有機質含量有關。本研究水田、水澆地和旱地土壤有機質平均含量分別為18.5、15.6 g· kg-1和15.1 g·kg-1,高于CAI等的研究結果(13.4 g· kg-1)。土壤有機質是一種復雜的高分子芳香多聚化合物,含有大量的羧基、醇羥基、酚羥基等官能團,具有很高的反應活性,且比表面積大,對鋁等金屬離子具有強絡合作用[22-23]。大量研究表明,有機質對土壤交換性鋁含量具有重要影響,且隨土壤有機質含量的增加,土壤交換性鋁含量顯著降低,有機絡合態鋁含量增加,鋁毒性減輕[24]。WANG等[25]研究發現長期施用有機肥促進了土壤交換性鋁向有機絡合態鋁轉化,并采用冗余分析發現土壤pH和有機質含量共同解釋了各處理土壤鋁形態變異性的84%??梢?,增加土壤有機質含量可能是減緩土壤酸化、降低交換性鋁含量的原因之一。此外,將部分特殊點位,即低pH且低交換性鋁含量(圖 11藍色標記的點位),與其他點位(黑色標記)分成兩組作回歸分析可知,土壤交換性鋁快速增加點分別發生在pH 5.21和pH 5.99,且伴隨土壤pH降低1個單位,交換性鋁含量分別增加0.59、1.32 cmol·kg-1。這些特殊點位以水澆地為主,可見利用類型不同可能是引起土壤交換性鋁對pH響應差異的原因之一,其作用機理還有待進一步研究。

圖 11 土壤pH與土壤交換性鋁的回歸分析(兩組) Figure 11 Regression analysis between soil pH and exchangeable aluminum(two groups)
3.2 土壤酸度與土壤性質的相關性分析

本研究表明,土壤碳酸鈣含量是影響土壤酸度的主要指標之一,這在很大程度上取決于土壤酸緩沖體系。ULRICH[26]將土壤酸緩沖體系分為:碳酸鹽緩沖體系(6.2 < pH < 8.6)、硅酸鹽緩沖體系(pH>5.0)、陽離子交換緩沖體系(4.2 < pH < 5.0)、鋁緩沖體系(pH < 4.2)、鐵/鋁緩沖體系(pH < 3.8)和鐵緩沖體系(pH < 3.2)。本研究弱酸性、酸性和堿性土壤分別占37.8%、37.8% 和16.3%,其平均pH分別為5.05、5.92和6.99,土壤以硅酸鹽和碳酸鹽緩沖體系為主,而水澆地和旱地硝化等過程釋放的氫離子首先消耗碳酸鹽,緩解交換性鋁的增加。本研究也表明,當土壤pH高于6.01時,pH每降低1個單位,土壤交換性鋁的增加量僅為0.11 cmol·kg-1,進一步證明土壤以碳酸鹽緩沖體系為主。李學垣等[27]和YU等[28]的研究結果也表明,游離碳酸鈣的土壤與酸進行中和反應,首先產生重碳酸鹽,隨著中和反應的進行,重碳酸鹽從土壤表層淋出,隨著土壤的碳酸鹽緩沖容量被慢慢耗盡,土壤pH逐漸降低,交換性鋁逐漸溶出。

此外,本研究發現土壤酸度與有效磷含量呈顯著正相關。這可能有兩方面的潛在原因:①水澆地和旱地的作物類型以蔬菜和水果為主,養分投入量大,磷肥中的硫酸對土壤具有一定的酸化作用[29];②高量養分投入帶來高量的農產品收獲,并帶走了更多的堿性物質,從而加劇土壤酸化[30]。由此可見,研究區土壤酸度在很大程度上取決于土地利用類型,其影響機制還有待進一步分析研究。本研究表明水澆地和旱地較水田具有更低的土壤pH,而提高土壤有機質含量對減緩酸化和降低交換性鋁含量具有一定的調控作用,為此對于赤紅壤區水澆地和旱地的酸化防治可以考慮提升有機質含量。

此外,本研究還發現,不同利用類型下水田pH最高,其次為水澆地,再次為旱地,這表明不同耕地利用類型與土壤酸度有關。然而,除耕地利用類型外,不同耕地利用方式(例如復種強度、作物類型、作物輪作等)對土壤酸度也可能產生影響。耕地利用方式存在明顯區域特點,且大范圍獲取耕地利用方式的技術手段還十分有限,因此在區域尺度探討土壤酸度與耕地利用方式的時空特征規律面臨一定挑戰。本課題組嘗試利用遙感技術在區域尺度監測耕地利用類型、利用方式等方面的特征(數據尚未發表),借鑒這些研究成果,未來可進一步深入關聯耕地類型、作物類型、種植強度、輪作方式、地形地貌、氣象水文等要素與土壤酸度的關系,構建大數據驅動的土壤酸度時空差異評估技術體系,支撐跨尺度耕地質量監測、評價與提升機制研究。

4 結論

(1)廣東省增城區土壤以弱酸和酸性土壤為主,且主要分布在石灘鎮、仙村鎮、新塘鎮、永寧街道、朱村街道和中新鎮,其中中新鎮和石灘鎮土壤酸性最強。

(2)耕地利用類型是影響土壤酸度的主要因素之一,土壤pH表現為水田>水澆地>旱地;土壤交換性氫含量表現為水田 < 水澆地、旱地,土壤交換性鋁含量表現為水田 < 水澆地 < 旱地。

(3)土壤pH與土壤碳酸鈣含量呈顯著正相關,而與土壤速效磷含量呈顯著負相關。

本研究表明,增城區水澆地和旱地土壤酸度強于水田,在土壤酸化防治和耕地質量提升中應重點考慮。

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