唐 贤，蔡泽江，徐明岗*，梁 丰，文石林，高 强

（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 吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118；3 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）

红壤是我国南方丘陵区主要的土壤类型，具有酸性强、盐基高度不饱和、肥力水平低的特点[1]。在高强度的人为活动下，大量外源质子会进入土壤，引起红壤酸化，使土壤物理、化学和生物学性质发生一系列变化，进而导致生产力及生态系统的演变和退化[2–3]。同时，红壤酸化会引起铝、锰和氢对植物的毒害及红壤中营养元素磷、钾、钙、镁的缺乏，从而使作物减产[4–5]。由于其本身物理化学特性及受热带亚热带气候的影响，土壤对人为土地利用导致酸性物质的输入特别敏感，加快了土壤的进一步酸化[3]。因此，红壤酸化对农业和生态环境保护产生了严重威胁[6]，明确不同土地利用方式下红壤酸化现状，可采取有效措施减缓酸化进程，减少因土壤酸化造成的经济损失及生态环境的恶化。

有研究表明[7]，不仅粮田土壤存在酸化现象，果园和菜园的土壤酸化问题也很突出。张桃林等[8]在江西省余江县进行的研究表明，不同土地利用方式对红壤pH的影响程度为旱地 ＞ 菜地 ＞ 水田。姬钢等[9]研究表明，在人工林中0—40cm土层红壤pH大小顺序为茶园 ＞ 湿地松林 ＞ 板栗 ＞ 柑橘园。由此可见，不同土地利用方式影响土壤pH变化[10]。因此，可以通过不同土地利用方式的调控，稳定土壤pH值，减缓酸化，进而保持土壤的持续生产力。

土地利用方式可以直接影响土壤的酸化状况，前人的研究大多集中在表层或耕层土壤pH的变化特征[11–12]，关于土壤酸度特征在剖面上分布差异性的研究尚较缺乏。因此，本研究对红砂岩母质发育的红壤在4种利用方式 (水田、旱地、果园、林地) 下，土壤pH、交换性酸、交换性盐基总量以及盐基饱和度等酸性相关指标在不同土层 (0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm) 的变化特征进行了分析，为我国南方丘陵区红壤酸化特性和改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省鹰潭市余江县 (28°04′～28°37′N、116°41′～117°09′E)，该地区年平均温度17.6 ℃，年降水量1757.9 mm，年平均日照1777.6 h，年日照百分率为41%，无霜期270天左右，属于亚热带湿润季风气候，主要种植制度是双季稻，土壤类型为红砂岩母质发育的红壤。

1.2 试验设计

于2016年1月采用网格布点法 (2 km × 2 km) 在余江县均匀采集了4种不同利用类型 (水田、旱地、果园、林地) 共26个土壤剖面样品，在每一点位所在的样地随机选取3个点位，用土钻进行样品采集，取样层次分别为0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm共5个土层，同一土层深度3个样品混合均匀后，按照四分法分取1 kg土样，分拣出石砾、根系等杂物，磨细分别依次过2 mm、1 mm和0.25 mm筛备用。不同利用类型的红壤剖面基本状况见表1。

根据采样期间的农户调查，截至2016年，水田和林地利用年限超过30年，由于1997—2000年土地利用方式发生变化，旱地利用年限为5～10年，由于1985年没有采集果园利用方式下的土壤样品，因此数据缺省。1985年不同利用方式下红壤基本化学性质见表2。

1.3 测定项目与方法

土壤pH值采用电极电位法测定 (水土比2.5∶1)；有机质用重铬酸钾外加热法；全氮采用凯氏定氮法；土壤交换性酸（EA）采用 1 mol/L氯化钾交换—中和滴定法测定；阳离子交换量（CEC）采用乙酸铵交换法[13]；交换性盐基离子（EB）用乙酸铵震荡浸提法[14]；盐基饱和度（BC= EB/CEC * 100%）通过计算获得[13]。

1.4 数据处理

采用SPSS 19软件进行数据统计分析，用 Duncan法检验不同利用方式和不同土壤层次间酸度指标的差异显著性 (P ＜ 0.05) ；采用Excel 2016软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同利用方式下红壤剖面pH变化特征

由图1可以看出，红壤pH随着利用方式和土层深度呈现不同程度的变化趋势，变化范围在4.27～6.27之间。在不同利用方式下，红壤剖面pH大小依次为水田 (5.69) ＞ 旱地 (4.71)和果园(4.74) ＞ 林地 (4.49)；在不同土层上，随着土层的增加，红壤剖面pH逐渐升高[80—100 cm (5.39) ＞60—80 cm (5.27) ＞ 40—60 cm (5.11) ＞ 20—40 cm(4.81) ＞ 0—20 cm (4.68)]；在水田利用方式下，随着土层深度的增加，红壤pH逐渐升高，为60—100 cm (6.17) ＞ 40—60 cm (5.84) ＞ 20—40 cm (5.29) ＞0—20 cm (4.94)；在旱地利用方式下，不同土层红壤pH无显著差异 (P ＞ 0.05)；在果园利用方式下，红壤pH在80—100cm土层最高，为4.92；在林地利用方式下，红壤pH在20—80 cm随着土层的增加而逐渐升高，其大小顺序为 60—100 cm (4.67) ＞40—60 cm (4.49) ＞ 0—40 cm (4.30)。

2.2 不同利用方式下红壤剖面交换性酸含量变化特征

由图2可以看出，在不同利用方式下，红壤剖面交换性酸含量大小顺序为林地 (6.54 cmol/kg) ＞ 旱地 (6.52 cmol/kg) ＞ 果园 (3.51 cmol/kg) ＞ (0.79 cmol/kg)。在水田利用方式下，红壤交换性酸含量在0—60 cm随着土层深度的增加而逐渐降低，其大小顺序为0—20 cm (2.00 cmol/kg) ＞ 20—40 cm (0.86 cmol/kg) ＞40—60 cm (0.23 cmol/kg)，80—100 cm 土层与40—60 cm土层间无显著差异；在旱地利用方式下，红壤交换性酸含量随着土层深度的增加而逐渐升高，其大小顺序为60—100 cm (8.57 cmol/kg) ＞ 20—60 cm(6.12 cmol/kg) ＞ 0—20 cm (2.57 cmol/kg)；在果园和林地利用方式下，红壤交换性酸含量在不同土层间无显著差异。

表1 样品采集点土地基本状况Table 1 General information of lands for soil sampling

表2 1985年不同利用方式下红壤基本化学性质Table 2 Basic chemical properties of red soil under different land use patterns in 1985

图1 不同利用方式红壤剖面pHFig. 1 pH of red soil profiles under different land use

图2 不同利用方式下红壤剖面交换性酸Fig. 2 Exchangeable acid of red soil profiles under different land use patterns

2.3 不同利用方式下红壤剖面交换性盐基总量变化特征

由图3可以看出，在不同利用方式下，红壤剖面交换性盐基总量大小顺序为水田 (4.47 cmol/kg) ＞旱地 (1.97 cmol/kg) ＞ 果园 (1.26 cmol/kg) ＞ 林地 (0.48 cmol/kg)。在不同土层上，随着土层深度的增加，红壤交换性盐基总量逐渐升高，其大小顺序为60—100 cm (2.34 cmol/kg) ＞ 40—60 cm (2.05 cmol/kg) ＞0—40 cm (1.75 cmol/kg)。在水田利用方式下，红壤交换性盐基总量在20—60 cm随着土层深度的增加而显著升高，不同土层交换性盐基总量顺序为60—100 cm (5.86 cmol/kg) ＞ 40—60 cm (4.74 cmol/kg) ＞0—40 cm (2.95 cmol/kg)；在旱地利用方式下，红壤交换性盐基总量在0—100 cm随着土层深度的增加而逐渐降低，不同土层交换性盐基总量顺序为0—20 cm (3.00 cmol/kg) ＞ 20—60 cm (2.14 cmol/kg) ＞60—80 cm (1.30 cmol/kg)；在果园利用方式下，红壤交换性盐基总量在40—100 cm随着土层深度的增加而逐渐升高，其中80—100 cm土层比40—60 cm土层显著升高了0.60 cmol/kg，不同土层交换性盐基总量顺序为 60—100 cm (1.64 cmol/kg) ＞ 0—60 cm(1.00 cmol/kg)；在林地利用方式下，红壤交换性盐基总量在40—100 cm随着土层深度的增加而逐渐升高，其中80—100 cm土层比40—60 cm土层显著升高了0.25 cmol/kg，不同土层交换性盐基总量大小顺序为 60—100 cm (0.55 cmol/kg) ＞ 0—60 cm (0.43 cmol/kg)。

图3 不同利用方式下红壤剖面交换性盐基总量Fig. 3 Total exchangeable base of red soil profiles under different land use patterns

2.4 不同利用方式下红壤剖面盐基饱和度变化特征

由图4可以看出，在不同利用方式下，红壤剖面盐基饱和度大小顺序为水田 (53.14%) ＞ 旱地(20.87%) ＞ 果园 (15.41%) ＞ 林地 (4.67%)。在不同土层上，随着土层深度的增加，红壤盐基饱和度逐渐升高，其大小顺序为80—100 cm (33.95%) ＞ 60—80 cm (32.27%) ＞ 40—60 cm (31.31%) ＞ 20—40 cm(25.47%) ＞ 0—20 cm (21.08%)。在水田利用方式下，红壤盐基饱和度在0—60cm随着土层深度的增加而逐渐升高，其大小顺序为40—100 cm (64.20%) ＞20—40 cm (45.19%) ＞ 0—20 cm (28.90%)；在旱地利用方式下，红壤盐基饱和度在0—80 cm随着土层深度的增加而逐渐降低，不同土层盐基饱和度的大小顺序为 0—20 cm (38.68%) ＞ 20—40 cm (23.64%) ＞40—60 cm (19.03%) ＞ 60—100 cm (11.51%)；在果园利用方式下，红壤盐基饱和度在不同土层间无显著差异；在林地利用方式下，红壤盐基饱和度在60—100 cm随土层深度的增加而显著升高了1.98%，不同土层盐基饱和度80—100 cm 为6.53%，0—80 cm为4.17%。

图4 不同利用方式下红壤剖面盐基饱和度Fig. 4 Base saturation of red soil profiles under different land use patterns

2.5 不同利用方式下红壤剖面pH与酸度指标间关系

在不同利用方式下红壤pH与酸度指标间具有显著的相关关系 (表3)。在水田、旱地和果园利用方式下，红壤pH与交换性酸呈显著负相关，与交换性盐基总量和盐基饱和度呈显著正相关 (P ＜ 0.01)；在林地利用方式下，红壤pH与交换性酸、全氮和有机质呈显著负相关，与盐基饱和度呈显著正相关 (P ＜0.05)，与交换性盐基总量无相关性。

3 讨论

土地利用是人类在自然、经济、社会等条件综合作用下的长期过程，反映了人类与大自然之间的相互关系[15–16]，受人类活动的直接影响[17]。土地利用作为人类干预土壤质量最直接和最重要的活动，深刻影响着土壤的理化性状及其生态环境，合理的土地利用方式可有效地改善土壤结构，提高土壤质量，而不合理的土地利用则会加重土壤侵蚀，降低土壤对外界环境的抵抗力[18–20]。本研究表明，林地、果园和水田土壤pH在0—60 cm土层随土层深度增加而升高，这与刘菊秀等的研究结果一致[21]。可能是因为在在多雨和施肥条件下，红壤中的盐基离子向下淋溶，氢离子代替盐基离子被土壤吸附，并进一步转化为铝质土壤[22]，使得土壤剖面底层盐基离子含量增加，pH升高。

本研究表明，4种利用方式下0—100 cm土层的 pH 大小为水田 ＞ 果园 ≈ 旱地 ＞ 林地，且水田、果园和林地红壤表层pH显著低于底层，主要有以下几个原因：1) 林地中含有丰富的根系群和微生物群，其在土壤中的呼吸作用会引起硅酸盐的溶解，导致碱性离子流失，加剧土壤酸化[23–24]，另外，森林凋落物含有大量的单宁、树脂和木质素等，其分解可产生酸性物质，进入土壤后引起林地土壤pH降低、交换性酸含量增加[25]。2) 果园由于果实收获会带走部分碱基[26]，抵消了部分由于施肥和降雨产生的质子[27]，在一定条件下，其pH比林地高。3) 旱地种植的是花生和大豆，都属豆科作物，在生长过程中通过根瘤菌的固氮作用从土壤中吸收的阳离子量大于阴离子量，引起花生地红壤中质子增加而加剧红壤酸化，花生固定的氮被硝化和淋溶以及施肥等措施也会导致土壤酸化[28]，这与姬纲等[29]研究结果一致。4) 水田pH显著高于其他土地利用方式，其表层pH低于底层，主要由于：①化学氮肥施用可以在土壤中产生大量的酸，如的硝化作用、的积累和淋失等，其都能够产生大量的H+[30]，使水稻土表层pH降低；②水稻收获后，秸秆和籽粒会带走大量的盐基离子，导致水稻土中阴阳离子的不平衡[31]，从而使水稻土表层pH降低；③研究区域的水田都是全量秸秆还田，水稻秸秆短期还田主要通过淹水作用产生有机酸等酸性物质影响水稻土酸度[32]，同时，水稻秸秆分解过程中铵态氮的硝化作用引起水稻土表层pH降低[33]；④由于长期淹水，水稻土中形成了特殊的酸碱缓冲体系，耕层士壤Eh值显著下降，亚铁、亚锰等还原物质明显增加，导致还原淋溶和络合淋移作用的加强[34]，特别是土壤中的铁、锰氧化物被还原消耗质子可使溶液中的氢离子浓度下降，中和了施肥、收获和秸秆还田等原因产生的氢离子，因此，水田pH显著高于其他利用方式，长期种植水稻后土壤酸碱度一般是向中性方向发展[35]。

表3 不同利用方式下红壤剖面酸度指标之间的相关性Table 3 Correlation coefficients among acid indexes of red soil profiles under different land use patterns

交换性离子分布的差别是成土母质、生物物质循环及淋溶作用等综合作用的结果，与母质类型、利用方式以及土壤养分等条件密切相关[36]。本研究表明，在成土母质、地形以及气候条件一致的情况下，不同土地利用方式下红壤剖面交换性酸变化特征与pH相反，而交换性盐基总量和盐基饱和度变化特征与pH一致，主要由于不同利用方式下的红壤剖面有机质和全氮含量均随土层深度的增加而降低(图5)，且在水田利用方式下，红壤交换性酸含量随全氮和有机质含量的增加而显著增加；交换性盐基总量和盐基饱和度随全氮和有机质含量的增加而显著降低 (P ＜ 0.01)；在旱地和果园利用方式下，红壤交换性酸含量随全氮和有机质含量的增加而显著降低；在旱地利用方式下，交换性盐基总量和盐基饱和度随全氮和有机质含量的增加而显著增加 (P ＜0.01)；在果园和林地利用方式下，全氮和有机质含量对交换性盐基总量和盐基饱和度无显著影响；在林地利用方式下，红壤交换性酸含量随全氮含量的增加显著降低，与有机质含量无相关性 (表2)。因此，不同的土地利用方式下交换性离子的差异是由于土壤全氮和有机质含量剖面分布的差异引起的[37]。从整体来看，林地红壤交换性离子相对较低，这是因为林地酸化而造成土壤交换性盐基离子流失较快[38]。不同利用方式下的红壤pH均与交换性酸呈显著 (P ＜0.05) 负相关，与交换性盐基总量和盐基饱和度呈显著 ( P ＜ 0.05) 正相关，说明不同利用方式下红壤交换性离子和盐基饱和度的变化会引起土壤pH的变化，与黄尚书等[39]研究结果一致。

图5 不同利用方式下红壤剖面有机质和全氮含量Fig. 5 Organic matter and total nitrogen of red soil profiles under different land use patterns

4 结论

4种利用方式下，0—40 cm土层，林地红壤酸度最高，其次是果园和旱地，水田红壤酸度最低，在40—100 cm土层酸度变异较小。通过改变土地利用方式，降低红壤交换性酸含量、增加交换性盐基总量和盐基饱和度，可以有效降低红壤酸度。