典型巖溶區(qū)板栗樹(shù)下土壤pH值與鹽基飽和度關(guān)系研究

李光超，楊 慧，張春來(lái)，曹建華，梁 毅，王 培

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，國(guó)土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004;2.廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林541004)

巖溶生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是一個(gè)非常重要的因素，是由可溶性巖石經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的物理、化學(xué)和生物的相互作用形成的［1］。巖溶區(qū)土壤有其特殊的理化性質(zhì)，富鈣偏堿性，具有較高的陽(yáng)離子交換量和鹽基飽和度等［2－3］。土壤pH值是研究土壤理化性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)土壤反應(yīng)過(guò)程有很大的影響［4－7］。張宗錦(2004年)研究了西藏酸性土壤鹽基飽和度與土壤pH值的關(guān)系，但目前對(duì)巖溶區(qū)土壤pH值與鹽基飽和度關(guān)系的研究比較少。板栗之鄉(xiāng)廣西隆安種植了大量的板栗樹(shù)［8］，且大部分板栗樹(shù)種植在巖溶區(qū)，結(jié)果出現(xiàn)了巖溶區(qū)板栗樹(shù)下土壤pH值變低的現(xiàn)象。為了研究與探討板栗樹(shù)下土壤pH值變化的機(jī)理，我們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)巖溶區(qū)板栗樹(shù)下土壤剖面pH值的測(cè)定以及與鹽基飽和度關(guān)系的研究，來(lái)了解巖溶區(qū)中板栗樹(shù)影響土壤pH值的過(guò)程，為研究巖溶區(qū)板栗樹(shù)下土壤理化性質(zhì)提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)為巖溶區(qū)通過(guò)種植某些植物改良土壤性質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)在桂西南巖溶區(qū)的隆安縣，隆安縣位于22°51'—23°21'N和107°21'—108°08'E 之間，地形為東北、西南部高，中部和東南部較低，全縣地貌以丘陵為主，洼地、谷地次之。年均氣溫21.7℃，年均降水量1282.7 mm，年均日照時(shí)數(shù)1596 h，太陽(yáng)輻射總量423 kJ/(cm2·a)。

隆安縣巖溶廣布，地層出露較齊全，從古生代寒武系、泥盆系至中生界三疊系、新生代第三系和第四系均有出露，其中以石炭系、泥盆系分布最廣。各地層巖性類型為頁(yè)巖、砂巖夾泥巖、石灰?guī)r、白云巖、粉砂泥巖、粉砂頁(yè)巖、砂泥巖夾煤層、第四紀(jì)紅土、硅質(zhì)巖［9］。各地層的上覆土壤呈酸性至微堿性，以酸性至中性土壤居多，并且土壤貧瘠，土層厚度最大約2 m，一般為0.5 m［9］。巖石中元素變異系數(shù)較大，土壤元素分布相對(duì)集中;土壤中元素含量與其母巖之間多數(shù)相關(guān)性不顯著;多數(shù)元素在成土過(guò)程中富集［10］。

隆安縣是廣西板栗主產(chǎn)區(qū)，全縣現(xiàn)有板栗園10300 hm2，年產(chǎn)板栗最高可達(dá)10800 t［11］。研究區(qū)采樣點(diǎn)在離隆安縣城約5 km的古潭鄉(xiāng)九甲村六隊(duì)，土壤為棕色石灰土，巖性以石灰?guī)r為主，植被為2000年以來(lái)種植的板栗樹(shù)，有2年生、5年生、10年生的。另外選取洼地草地和坡地灌木叢兩種土地利用類型與之對(duì)比。

2 研究?jī)?nèi)容與方法

土壤樣品分別在2010年11月(旱季)和2011年7月(雨季)各采集1次。選取洼地草地、坡地灌木叢地與洼地板栗樹(shù)下的土壤相比較。洼地草地與洼地板栗樹(shù)下為受人為活動(dòng)影響的土地類型，坡地灌木叢地為沒(méi)有受到人為影響的土地類型。

分別在洼地2年生、5年生、10年生板栗樹(shù)下和洼地草地、坡地灌木叢5個(gè)土壤采集點(diǎn)各挖1個(gè)1 m深的剖面，每10 cm取一個(gè)樣品，每個(gè)剖面共取10個(gè)樣品。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，旱季取50個(gè)樣品，雨季取50個(gè)樣品。

在陰涼通風(fēng)的室內(nèi)將土樣自然風(fēng)干，除去碎石、植物殘留物等非土壤成分，然后對(duì)土壤樣品進(jìn)行預(yù)處理，程序?yàn)?過(guò)10目塑料篩，細(xì)磨，過(guò)100目篩，用四分法把樣品充分混勻，封裝備用［12］。

測(cè)定每個(gè)層面的土壤pH值，用水土比2.5∶1的pH計(jì)電位法測(cè)定［13］。

土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)的測(cè)定采用氯化銨－乙酸銨交換法。交換性鹽基成分的測(cè)定:交換性Ca2+和Mg2+用乙酸銨交換－原子吸收分光光度法，交換性Na+和K+用乙酸銨交換－火焰光度法。土壤鹽基飽和度的計(jì)算公式為［13］

數(shù)據(jù)處理及分析用SPSS17.0和Excel2003軟件完成，作圖軟件使用Origin8.0和Excel2003。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 板栗樹(shù)下的土壤pH值

3.1.1 旱季板栗樹(shù)下的土壤pH值

旱季板栗樹(shù)下土壤pH值的變化見(jiàn)圖1。無(wú)論是哪個(gè)生長(zhǎng)年齡的板栗樹(shù)，洼地板栗樹(shù)下的土壤均比洼地草地和坡地灌木叢下的土壤pH值低。巖溶生態(tài)系統(tǒng)中的土壤是受巖溶環(huán)境制約的土壤，有其特殊的理化性質(zhì)，土壤pH值偏堿性［2］。從圖1可以看出，洼地草地和坡地灌木叢的土壤pH值仍大于7，呈弱堿性，但是所有板栗樹(shù)下的土壤pH值均小于7，呈弱酸性。坡地灌木叢、洼地草地、洼地2年生板栗樹(shù)3種類型的土壤pH值比較，坡地灌木叢和洼地草地在剖面上的土壤pH值平均值分別要比洼地2年生板栗樹(shù)下的約高出1.25和0.75個(gè)單位值。在相同的背景條件下板栗樹(shù)下的土壤pH值要比其他植被下的土壤pH值偏低，這可能是板栗樹(shù)對(duì)土壤的影響。

圖1 旱季坡地灌木叢、洼地草地、洼地板栗樹(shù)土壤pH值

不同生長(zhǎng)年齡的板栗樹(shù)土壤pH值相比，隨著板栗樹(shù)齡的增大，土壤pH值有逐漸降低的趨勢(shì)。總體來(lái)看，板栗樹(shù)下的土壤pH值依次為10年生＜5年生＜2年生，2年生板栗樹(shù)下的土壤pH值平均值約比10年生的高出0.5個(gè)單位值。隨著板栗樹(shù)齡的增長(zhǎng)，板栗樹(shù)下的土壤pH值降低，進(jìn)一步說(shuō)明土壤pH值的變化是受到了板栗樹(shù)的影響。

3.1.2 雨季板栗樹(shù)下的土壤pH值

總體來(lái)看，雨季不同地類土壤pH值的變化與旱季基本一樣，洼地草地、坡地灌木叢均大于洼地板栗樹(shù)(見(jiàn)圖2)。洼地2年生板栗樹(shù)下的土壤pH值平均值比坡地灌木叢約小1.0個(gè)單位值，比洼地草地約小0.5個(gè)單位值。

由圖2可看出，雨季洼地不同生長(zhǎng)年齡板栗樹(shù)下的土壤pH值變化與旱季相比稍有不同。在雨季時(shí)，5年生板栗樹(shù)與10年生板栗樹(shù)下的土壤pH值變化范圍大致在6.25～6.50之間。這是因?yàn)榘謇鯓?shù)在雨季生長(zhǎng)比較旺盛，根系分泌物比較多，5年生板栗樹(shù)已成年，根的分泌物也比較充足，在雨季對(duì)土壤的影響不比10年生板栗樹(shù)差。在剖面50 cm深度以下，10年生板栗樹(shù)比5年生板栗樹(shù)土壤pH值略大，這可能是因?yàn)榘謇鯓?shù)的生長(zhǎng)必須有一個(gè)合適的土壤pH值［14－15］，板栗樹(shù)不會(huì)使土壤pH值過(guò)低。總體來(lái)看，按剖面上的土壤pH值大小排序?yàn)?5年生板栗樹(shù)≈10年生板栗樹(shù)＜2年生板栗樹(shù)。

圖2 雨季坡地灌木叢、洼地草地、洼地板栗樹(shù)土壤pH值

3.2 鹽基飽和度以及與土壤pH值的關(guān)系

土壤酸化始于土壤溶液中H+進(jìn)入膠體，使其交換性鹽基發(fā)生置換性淋溶而逐步減少［16－18］。土壤膠體由鹽基飽和向不飽和轉(zhuǎn)變，土壤酸性則由于其膠體表面H+的積累而逐漸加強(qiáng)［18－20］。因此，土壤酸化是土壤交換性鹽基淋溶(脫鹽基)作用的結(jié)果，鹽基飽和度的降低是酸化進(jìn)程的一個(gè)重要標(biāo)志，并導(dǎo)致土壤 pH值的相應(yīng)降低［16－21］。

表1為土壤樣品的測(cè)定結(jié)果。從表1可看出，土壤交換性鹽基中Ca2+的飽和度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他3種離子。

利用Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以pH值為縱坐標(biāo)、鹽基飽和度為橫坐標(biāo)作散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，在一定pH值范圍內(nèi)，隨pH值的增大，鹽基飽和度有增加的趨勢(shì)。對(duì)板栗樹(shù)下土壤pH值與鹽基飽和度作相關(guān)性分析及顯著性檢驗(yàn)，得出:y=1.9995x+5.4664(R2=0.451，r=0.670，n=18，p=0.001＜0.01)，說(shuō)明土壤pH值與鹽基飽和度有極其顯著的正相關(guān)性。這與范宇［16］、毛紅安［18］、Klose［22］等人的研究結(jié)果非常一致。

對(duì)板栗樹(shù)下土壤pH值與交換性鹽基離子作相關(guān)性分析及顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4—7。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明:土壤pH值與交換性鹽基離子中交換性Ca2+有極顯著正相關(guān)性(p=0.002＜0.01)，與交換性 Mg2+(p=0.243 ＞0.05)、交換性 Na+(p=0.146 ＞0.05)、交換性 K+(p=0.205 ＞0.05)相關(guān)性不明顯。

土壤鹽基飽和度雖然與 Ca2+、Mg2+、Na+、K+的含量都呈正相關(guān)，但其變化主要?dú)w因于Ca2+飽和度的變化，在較小程度上也與Mg2+飽和度的變化有關(guān)，而受Na+、K+飽和度變化的影響很小。反言之，板栗樹(shù)下土壤中各交換性鹽基離子飽和度對(duì)BS和pH值變化的貢獻(xiàn)，以Ca2+最大，Mg2+次之，Na+、K+一般很小。這與范宇［16］的研究結(jié)果一致。

表1 土樣分析結(jié)果

圖7 土壤pH值與交換性K+的相關(guān)性

4 結(jié)論

(1)通過(guò)試驗(yàn)可以看出，洼地草地和坡地灌木叢的土壤偏堿性，而板栗樹(shù)下土壤呈弱酸性。總體來(lái)看各樣地按pH值大小排序?yàn)?洼地10年生板栗樹(shù)＜洼地5年生板栗樹(shù)＜洼地2年生板栗樹(shù)＜洼地草地＜坡地灌木叢。草地和灌木叢的土壤pH值與板栗樹(shù)下土壤pH值的對(duì)比，表明了土地因種植板栗樹(shù)而使土壤pH值變低。隨著板栗樹(shù)年齡的增大，土壤pH值逐漸變低，進(jìn)一步證明了板栗樹(shù)的種植改變了土壤的pH值。

(2)無(wú)論是旱季還是雨季，板栗樹(shù)在生長(zhǎng)到一定的年齡后其土壤的pH值基本穩(wěn)定在6.25～6.75之間，不會(huì)再發(fā)生更大的變化。種植板栗樹(shù)雖然可以使土壤pH值變低，但是不會(huì)讓土壤pH值變得過(guò)低，在6.25左右達(dá)到自己的適生條件，特別是在土壤深度50 cm以下更為明顯。

(3)各樣地按土壤鹽基飽和度大小排序?yàn)?坡地灌木叢＞洼地草地＞洼地2年生板栗樹(shù)＞洼地5年生板栗樹(shù)＞洼地10年生板栗樹(shù)。土壤pH值與鹽基飽和度、交換性Ca2+呈極顯著正相關(guān)性，與交換性Mg2+、Na+、K+相關(guān)性不明顯。

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