辽宁省耕地棕耕层土壤酸化速率及影响因素

辽宁省耕地棕耕层土壤酸化速率及影响因素

土壤氧化是指土壤酸的中和性能力降低。其实质是土壤交换酸的增加和交换离子的减少。土壤酸化可导致元素的淋失,降低营养元素有效性,使土壤保肥能力下降,也会毒害植物根系,影响作物生长,当pH低于一定程度时,土壤缓冲体系会失去缓冲作用,导致土壤迅速酸化。因此,土壤酸碱缓冲能力是评价土壤抵抗酸、碱化能力的重要指标,是对土壤酸化趋势进行预测和调控的定时依据。从世界范围来看,土壤酸化一直是土壤退化不可忽视的问题。在我国,由于土壤南酸北碱的地带分布性,所以土壤酸化的报道多偏重于南方,而随着现代种植业的发展和高强度施肥措施,北方土壤酸化现象日益突出。自第二次土壤普查以来,黑土、红壤、潮土等区域的耕地土壤pH值均发生了不同程度的酸化。有研究进一步证明我国主要农田土壤出现显著酸化现象,南方红壤地区、西南紫色土地区和东北黑土区最为突出。刘伟等研究吉林省长春市土壤酸缓冲性强弱结果显示:黑钙土>草甸土>黑土>白浆土>暗棕壤。依艳丽等的研究表明,辽宁省耕地棕壤酸化趋势明显,与第二次土壤普查相比,昌图、开原、沈阳、清原、宽甸和瓦房店6个地区耕地棕壤pH值显著降低。但这些研究才刚刚开始,不够深入系统,且引起耕地棕壤酸化的原因尚未清楚,尤其针对棕壤的酸碱缓冲性能及酸化速率方面的研究更是罕见报道。因此本文就辽宁耕地棕壤酸碱缓冲能力进行研究,探讨其影响因素,为调控耕地棕壤酸化现状,维持土壤肥力提供一定的理论依据。1材料和方法1.1土壤样品采集辽宁省耕地棕壤集中分布在北部、中部、东部以及南部地区,该区四季分明,雨热同季,年降水量为574.8~684.8mm。供试土壤于2010年4月采自辽宁省铁岭市昌图县、沈阳市、瓦房店市、抚顺市清原县4个地区的耕层(0-20cm),共120个样点。土壤类型为棕壤,多年连作玉米。供试土壤基本理化性质见表1。1.2不同ph的碱土壤侵性试验供试土壤基本理化指标采用实验室常规分析方法,3次重复。酸碱缓冲滴定曲线测定:分别取11只玻璃烧杯,依次编号,每烧杯中称取试验土样4g,在1~5号烧杯中依次加入0.5,1.0,2.0,3.0,4.0ml的0.1mol/LHCl;6~11号烧杯中依次加入与HCl等量、等浓度的NaOH,6号烧杯中不加酸碱,加入无CO2蒸馏水,使各烧杯总体积达20.0ml,摇匀,放置72h,每日间歇摇动3~4次,测定pH。在pH为4~7之间以pH为纵坐标,酸碱加入量为横坐标,建立线性方程式为:式中:pHBC为试验结束时的酸碱缓冲容量;b为截距;m为斜率。1.3土壤体积h+mmol/huf式中:ΔpH为试验期pH的变化值;pHBC为酸碱缓冲容量(H+mmol/kg·pHunit);BD为容重(kg/m3);Vol为供试土壤体积(m3/hm2)。数据处理采用Excel2003及SPSS13.0软件。2结果与讨论2.11清原地区的土壤面积和土壤类型分布情况,主要有以下根据依艳丽等人前期研究结果,总结并统计得出供试地区棕壤酸度变化(表2)。与土壤第二次普查相比较,在这28年间,4个采样地区耕地棕壤都存在酸化现象,具体表现在酸性(pH4.5~5.5)和弱酸性(pH5.6~6.5)土壤面积的增加和中性(pH6.6~7.0)土壤面积的减少。清原地区pH值小于6.5的耕地棕壤面积相对于沈阳、昌图和瓦房店地区高,除瓦房店外,其他地区均以弱酸性(pH5.6~6.5)土壤所占的比例最大。1982年4个地区pH平均值范围为5.91~6.76,整体平均值为6.42,28年后pH平均值范围为5.45~5.94,整体平均值下降至5.73。其中以辽南瓦房店降低数值最大,下降幅度为0.82,而降低幅度最小的是辽东清原地区,其下降值为0.46。2.2土壤中碱土性质的变化不同地区棕壤阳离子交换量存在很大差异(表3)。从地区内部比较来看,随着pH值的降低,阳离子交换量呈现降低趋势,沈阳和昌图在pH4~5,5~6和6~73个区间内的阳离子交换量差异均达到显著水平。而瓦房店和清原在pH4~5和5~6间阳离子交换量差异并不显著。从pH最高值到最低值,昌图、沈阳、瓦房店、清原阳离子交换量分别下降了4.99,3.0,5.28,1.90cmol/kg。不同地区间盐基离子组成呈现不同特点,但总体均以Ca2+占主导地位,其次是Mg2+,K+和Na+含量最低。随着pH值的降低,盐基饱和度也呈现下降趋势,其中,瓦房店和清原下降幅度最大,分别下降了10.23%和14.09%,而昌图和沈阳下降了3.37%和4.25%,说明昌图和沈阳地区的盐基饱和度受pH的影响较小,而清原和瓦房店则因pH值变化而波动幅度较大。土壤胶体上的交换性阳离子是土壤产生缓冲作用的主要原因。供试区土壤中,昌图和沈阳地区的阳离子交换量和盐基饱和度较高,因此对酸化有一定的缓冲作用。当土壤溶液中的H+浓度增加时,胶体表面的交换性盐离子与溶液中的H+交换,使土壤溶液中的H+浓度基本不发生变化或变化很小。而阳离子交换量又受pH值的影响,因土壤胶体微粒表面的羟基解离受介质pH的影响,所以当介质pH值降低时,土壤胶体微粒表面所带的负荷相应减少,其阳离子交换量也降低;反之就增大。土壤的基础pH值越高,土壤胶体上吸附的盐基离子就越多,缓冲作用就越强。因此,4个地区棕壤均呈现出盐基离子含量随pH值增加而增加的现象。2.3土壤阳离子交换量本文颗粒组成采用美国分类制标准,根据不同pH范围(4.0~5.0,5.0~6.0,6.0~7.0),对供试土壤不同粒级含量进行分析,如图1所示,结果表明,各地区粘粒(<0.002mm)含量均随pH的升高而呈增加趋势,而砂粒(0.05~2mm)含量则随pH升高而呈下降趋势。除昌图地区外,沈阳、瓦房店和清原3个地区的粉粒(0.002~0.05mm)含量也随pH值升高呈上升趋势。其中昌图和沈阳均以粉粒含量占主导地位,而瓦房店和清原则以砂粒含量占主要地位。昌图地区粘粒含量在不同pH值范围内分别达到差异显著水平,而粉粒含量和砂粒含量均在pH为5.0~6.0与6.0~7.0范围内差异不显著。沈阳地区粘粒含量和砂粒含量在3个不同pH值范围内均达到显著水平,而粉粒含量受pH值影响不大,三者差异不显著。瓦房店土壤不同粒级含量受不同pH值影响较大,无论是粘粒、粉粒还是砂粒均在不同pH值范围内达到差异显著水平。清原地区粘粒含量在不同pH值范围内达到显著水平,粉粒含量和砂粒含量规律一致,仅在pH值4.0~5.0与6.0~7.0时差异显著,说明pH值跨度较小时对该区颗粒组成影响不大。土壤粘粒含量越高,胶体的比表面积就越大,就能吸附更多的阳离子,可增强对酸的缓冲能力。在pH值处于4~5范围时,瓦房店地区砂粒含量占棕壤颗粒近83%,而吸附性能较高的粘粒却不足3%。而在pH较高范围内(pH6~7),粘粒含量也不足10%,土壤胶体吸附性较差,而且CEC也较小,容易引起盐基离子的大量淋失。因此该区土壤酸化速率最快。随着粘粒含量的增加,土壤阳离子交换量呈增加趋势。土壤质地越细,其阳离子交换量越高。昌图和沈阳质地以粉(砂)壤土为主,而清原和瓦房店以砂质壤土为主,砂粒含量较多,故阳离子交换量较低。2.4土壤酸缓冲剂缓冲容量土壤具有一定的酸碱缓冲性能,这种性能是土壤环境的基本性质之一,体现了土壤抵御酸性或碱性的能力,分析土壤酸缓冲能力的变化,可以在一定程度上预测土壤酸化趋势。土壤初始pH值不同,对缓冲容量的影响不同。4个地区土壤的酸碱缓冲能力变化趋势相似,呈正S形,在pH4~7之间显示出极强的突跃性,且随着酸碱滴定量的增加,均呈现减少趋势。图2显示4个地区土壤酸碱缓冲能力在不同pH阶段存在显著差异。由于土壤酸碱滴定曲线在pH突跃范围内,所以可以近似地视为直线,即加酸、碱的量与土壤pH呈线性相关,斜率b值表示加入单位量的酸、碱引起土壤pH的变化量(b=ΔpH/ΔC),即为平均变化率,b的绝对值越大,表明土壤缓冲能力越差。因此以b的倒数表征土壤的酸碱缓冲能力。按照不同地区、不同pH值范围,分别选取酸碱滴定量为0,0.5,1.0cmol/kg的5个点及其相对应的pH值,求得该5点构成直线的截距和斜率如表4所示。各地区间土壤酸碱缓冲容量差异显著,其中沈阳市酸碱缓冲容量与瓦房店市相差最多。当pH为6.0~7.0时,沈阳缓冲容量最高可达39.87mmol/kg·pHunit,瓦房店市为33.16mmol/kg·pHunit,显著低于沈阳地区。而当pH值降到5以下时,沈阳地区酸碱缓冲容量却略低于瓦房店市,且差异显著。综合分析4个地区酸碱缓冲容量,沈阳和昌图大于瓦房店和清原,且清原地区土壤酸碱缓冲能力最弱。不同pH值对酸碱缓冲容量影响较大。除了昌图地区,其余地区土壤酸碱缓冲容量受pH影响较大,表现为随着pH值的降低,缓冲能力也逐渐下降。影响土壤酸碱缓冲性能的因素很多,土壤本身pH值是首要因素之一,供试区土壤在较高pH(pH6~7)范围内酸碱缓冲容量高于pH4~5范围的缓冲容量,但除沈阳外,差异不明显。潘根兴曾指出,丰富的有机质可显著增强土壤缓冲作用,粘粒含量较高者缓冲能力较大。昌图和沈阳较瓦房店和清原而言,有机质含量较高,故缓冲作用也较强。另外,土壤有机质含有大量的含氧官能团,如羧基(-COOH)、酚羟基和醇羟基(-OH)等活性基团,是影响酸碱缓冲容量的重要因素。而pH值对有机质含量的影响不容忽视。当pH较高时,有机质含量也较高,但并不是一成不变,当pH降至5以下时,土壤有机质含量也会处于缺乏水平,相对单一的缓冲体系对外界环境改变的敏感性较高,对外源性酸碱的缓冲能力很有限。2.5清原地区初始ph对qp3表达的影响棕壤的酸化速率不仅和pH值的变化有关,而且很大程度上与棕壤本身的酸碱缓冲容量有关。从年度酸化速率来看(表5),瓦房店的酸化速率最快,沈阳次之,而昌图和清原酸化速度较低。瓦房店每1年每1hm2释放约2.69kmol的H+,而这些H+需要约135kg/hm2的CaCO3来中和,清原酸化速率为1.44H+kmol/(hm2·a),其所需CaCO3中和用量也为4个地区中最少。从酸化速度上来看,酸碱缓冲容量较大的沈阳和昌图地区,其酸化速率快于缓冲容量较低的清原地区,这可能是因为清原地区初始pH较低,在二普时期均值为5.91(表2),而其他3个地区二普时期pH均值都在6.5左右。土壤的酸度不同,土壤中盐基离子等缓冲体系的抗酸碱缓冲性能力也不同。土壤pH越高,盐基离子越易流失,土壤越易酸化;相反土壤pH越小,越难酸化,酸化速率也就越小。加之清原多为山区,母质与平原地区不同,且多年以来人为耕作与施肥的影响都可能在很大程度上影响土壤的缓冲容量,这还有待进一步研究。3土壤酸缓冲容量动态变化原因辽宁省耕地棕壤与第二次土壤普查相比酸化趋势明显,具体表现在酸性和弱酸性土壤面积的增加和中性土壤面积的减少,pH整体平均值从二普时期的6.42降至5.73。土壤初始pH、阳离子交换量、有机质含量以及颗粒组成均是影响辽宁省耕地棕壤酸碱缓冲容量变化的原因。研究结果显示,阳离子交换量及盐基饱和度均呈现随pH值降低而降低的现象,昌图和沈阳质地以粉(砂)壤土为主,瓦房店和清