2025, Vol. 57
2. 中国科学院大学, 北京 100049
随着社会的发展，人类活动对农田生态系统产生了前所未有的影响[1-2]。施肥是现代农业中最重要的人类活动。根据国家统计局的数据，全国2020年的化肥使用总量达到5 250.7万t，较1980年的1 269.4万t，高出了313.63%。同时，大规模工业化导致的全球变暖[3]、降雨模式变化[4]和氮沉降[5]等问题也间接影响了农田生态系统的发展方向与速度[6-8]。因此，长期人类活动必然会造成农田土壤理化性质的改变。王翔宇等[9]利用因子探测器对土壤肥力进行研究，结果表明，畜禽养殖场、土壤pH和土壤质地是土壤肥力的主要影响因子。Liu等[10]根据质量平衡计算出人类活动对土壤风化过程的贡献为16% ~ 40%。施用化肥和氮沉降导致的土壤酸化，会促进盐基离子的淋失和铝的活化，最终导致风化速率增加[11]。与之相反，施用有机肥引入的有机质，通过增加CO2浓度抑制风化过程[12]。以上研究均表明，人类活动引起的土壤性质变化，能在不同程度上影响土壤肥力和风化程度。
紫色土是我国独有的土壤类型，川中丘陵区是其主要分布区域，面积约8.4万km2，区域内人口承载量大，农耕活动密集。作为该区域的主要土壤类型，紫色土的肥力情况是关系川中丘陵区农作物高产稳产及可持续发展的关键。养分是形成土壤肥力的物质基础，由于紫色母岩风化快且富含矿物养分[13]，其风化过程伴随的养分释放是紫色土最重要的养分补偿过程，因此紫色土自然肥力高。但由于川中丘陵区夏季降水丰沛，为土壤侵蚀提供了水动力条件，使得紫色土土层浅薄，通常不超过50 cm，多为初育土[14]。
关于紫色土及母岩的风化研究，有学者通过现场观测和盆钵模拟试验，发现紫色泥页岩风化崩解厚度年平均可达1.5 ~ 4 cm[15]，年成土率能达0.6% ~ 5.1%[13]。近年来，本课题组也通过一系列室内外试验测定了多种紫色母岩物理崩解速率及其相关影响因素，并从物理机制方面建立了几种母岩风化成土速率的定量估算模型[16]。以上研究主要是基于自然影响因素如水、热等物理因子的作用，并且同样聚焦于物理崩解过程，对人为影响因素如施肥和自然影响因素如气候变化等综合作用下的化学风化研究还较少。因此，本文以川中丘陵区典型紫色土为研究对象，基于全国第二次土壤普查数据资料，通过对比40年前后相关指标差异，分析紫色土在长期施肥、氮沉降和气候变化等作用下土壤肥力和化学风化程度的变化特征，同时进行土壤肥力和风化程度影响因子评估，以探明川中丘陵区典型紫色土肥力和风化程度的演变趋势和影响机理，为紫色土区的高效可持续发展提供依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况及样品采集考虑紫色土类型差异，本研究选择占长江上游地区(川渝境内)紫色土总面积88.73% 的中性和石灰性紫色土[14]作为研究对象，其主要分布于川中丘陵区。该区域属于亚热带季风性温润气候，年均温16 ~ 18 ℃，无霜期280 ~ 350 d，年降水量900 ~ 1 000 mm，冬干春旱明显。
本研究于2021年4月完成样品采集，距全国第二次土壤普查已有40余年时间。根据全国第二次土壤普查报告记载的剖面地点、地形及海拔信息[17]，在室内外确定采样点的准确位置，再对确定的样点进行田间采样，其中，中性紫色土采样点5个，石灰性紫色土采样点8个(图 1)。采样点地形以中浅丘陵为主，作物类型以油菜、小麦、玉米、茶和蚕豆为主(表 1)，均采用当地常规施肥方式。采样时，按混合采样法采集耕层0 ~ 20 cm土层的土壤，并采环刀样以备土壤容重分析。
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图 1 采样点空间分布 Fig. 1 Spatial distributions of sampling sites |
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表 1 采样点基本信息 Table 1 Basic information of sampling sites |
土壤pH由电极法测定；土壤有机质由重铬酸钾容量法–外加热法测定；全氮由凯氏定氮仪测定；土壤全磷和全钾采用碱熔法，通过紫外–可见分光光度计和火焰光度计测定；土壤有效磷采用钼锑抗比色法，通过紫外–可见分光光度计测定；速效钾采用火焰光度计测定；土壤容重使用环刀法测定。土壤阳离子交换量(CEC)采用三氯化六氨合钴浸提，紫外–可见分光光度计测定。土壤中K、Na、Ca、Mg、Al、Fe含量由等离子体光谱仪(ICP-OES)测定，土壤中Si
含量由碳酸钠碱熔–重量法测定。具体测定方法见参考文献[18-20]。
1.3 土壤肥力及风化程度评价方法 1.3.1 肥力系数[21]1) 分肥力系数。由于指标的不可相加性，为综合考虑土壤肥力，将以下9个土壤基本理化指标按照全国第二次土壤普查制定的养分分级标准[22]进行分级(表 2)，并选择分段式函数对指标进行标准化赋值，计算其肥力系数IFIi：，公式如下：
| $ {\text{IF}}{{\text{I}}_i}{\text{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x \mathord{\left/ {\vphantom {x {{x_a}}}} \right. } {{x_a}}}}&{x \leqslant {x_a}} \\ {1 + \left[ {{{\left( {x - {x_a}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {x - {x_a}} \right)} {\left( {{x_b} - {x_a}} \right)}}} \right. } {\left( {{x_b} - {x_a}} \right)}}} \right]}&{{x_a} < x \leqslant {x_b}} \\ {2 + \left[ {{{\left( {x - {x_b}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {x - {x_b}} \right)} {\left( {{x_c} - {x_b}} \right)}}} \right. } {\left( {{x_c} - {x_b}} \right)}}} \right]}&{{x_b} < x \leqslant {x_c}} \\ 3&{x > {x_c}} \end{array}} \right. $ | (1) |
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表 2 土壤指标分级标准 Table 2 Classification standards of soil indicators |
式中：IFIi为分肥力系数；x为土壤各指标测定值；xa与xc为分级标准下、上限；xb介于分级标准上、下限间；
2) 综合肥力系数。本文选择改进后的Nemerow法进行综合肥力系数计算，公式如下：
| $ IFI=\sqrt{\frac{IF{I}_{平均}{}^{2}+IF{I}_{最小}{}^{2}}{2}}\times \frac{n-1}{n} $ | (2) |
式中：IFI平均为各分肥力系数的平均值；IFI最小为各分肥力系数的最小值；n为参与评价的土壤指标个数。
1.3.2 化学风化程度指标[23]国内外学者通常采用地球化学参数来揭示土壤化学风化程度，本研究根据母质成土过程中物质的转化特性将其分为3类：一是反映非黏土矿物向黏土矿物的演变状况，参数为风化蚀变指数(CIA)=100×Al2O3/(Al2O3+Na2O+K2O+ CaO*)；二是反映土壤脱硅富铝铁化过程，参数为硅铝铁率(Saf)=Si2O/(Al2O3+ Fe2O3)；三是反映土壤活性组分与惰性组分的关系，参数为淋溶系数(ba)= (Na2O+K2O+CaO*+MgO)/Al2O3。各风化参数中氧化物均为其摩尔含量(n)，CaO*为硅酸盐中CaO含量，若n(Na2O) > n(CaO)，那么n(CaO)=n(CaO*)，若n(Na2O) < n(CaO)，则n(Na2O)=n(CaO*)。
1.4 数据处理与分析测试所得数据，通过SPSS 26和R 4.3.2进行处理与统计分析。其中，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)、成对样本t检验和置换多元方差分析(PERMANOVA)进行显著性检验，采用主成分分析(PCA)对土壤理化性质进行降维计算，采用Pearson法进行风化指标与土壤理化性质的相关分析，采用聚类推进树算法(ABT)进行土壤理化性质对风化指标的解释度评估。
2 结果与分析 2.1 土壤肥力变化特征对两次采样的土壤基本理化指标进行成对样本t检验，其中pH、全钾、有效磷、有机质、CEC和碳氮比(C/N)，在40年间差异显著(P < 0.05)，其他指标无显著变化(P > 0.05)(表 3)。40年来，土壤pH降低，部分点位由中性或石灰性土转化为酸性土；其他指标值均呈增加趋势，全钾含量提高了50.68%，有效磷含量提高了268.89%，土壤保肥指标CEC提高了21.19%，有机质含量提高了24.70%，同时土壤C/N也随之升高。对土壤理化性质进行主成分分析和置换多元方差分析，结果表明，40年来土壤性质总体变化显著，以全钾、有效磷和有机质为主导的土壤养分含量变化是造成土壤性质改变的主要因素(图 2)。
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表 3 典型紫色土理化性质 Table 3 Physicochemical properties of typical purple soils |
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(ns代表不同时间无显著差异(P > 0.05)，**代表不同时间差异极显著(P < 0.01)；下同) 图 2 土壤理化性质的主成分分析 Fig. 2 Principal component analysisof soil physicochemical properties |
根据综合肥力系数IFI，将土壤肥力划分为4个等级[24](表 4)，全国第二次土壤普查时期川中丘陵区典型紫色土肥力等级为三等和四等(IFI值为0.84 ~ 1.66)，2021年肥力水平提升至二等和三等(IFI值为1.25 ~ 2.01)(图 3)。
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表 4 土壤肥力等级划分[24] Table 4 Classification of soil fertility levels |
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(图中虚线划分的3个综合肥力系数范围从上到下分别表示土壤肥力等级四、三、二等) 图 3 典型紫色土的综合肥力系数 Fig. 3 Integrated fertility index of typical purple soils |
本文选取风化蚀变指数(CIA)、硅铝铁率(Saf)和淋溶系数(ba)3个指标对土壤的化学风化进行评估(图 4)。研究表明，不同范围CIA值能反映不同的风化程度，当CIA=50 ~ 60时，表示土壤或岩石处于弱风化程度；当CIA=60 ~ 80时，为中等风化程度；当CIA=80 ~ 100时，为强烈风化程度[23]。全国第二次土壤普查时期研究区土壤CIA值介于58.66 ~ 76.19，2021年土壤CIA值介于64.12 ~ 81.32，说明川中丘陵区典型紫色土主要处于中等风化程度，40年间土壤的风化程度显著加深(P < 0.01)。全国第二次土壤普查时期土壤硅铝铁率为4.49 ~ 12.42，2021年土壤硅铝铁率为2.79 ~ 6.03，显著减小(P < 0.01)，所表征的脱硅富铝铁化程度加强。全国第二次土壤普查时期土壤淋溶系数为0.49 ~ 1.93，2021年淋溶系数为1.07 ~ 2.28，表明土壤不稳定元素淋失度更小，但差异不显著(P > 0.05)。
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图 4 典型紫色土的化学风化指标 Fig. 4 Chemical weathering indicators of typical purple soils |
相关性分析结果(表 5)显示，全国第二次土壤普查时期川中丘陵区典型紫色土硅铝铁率与土壤全磷、全钾含量和CEC呈极显著负相关(P < 0.01)；淋溶系数与硅铝铁率则相反，与土壤全磷、全钾含量呈显著正相关(P < 0.05)。2021年，研究区土壤化学蚀变指数与土壤全钾含量呈显著负相关(P < 0.01)；硅铝铁率与土壤容重呈显著正相关(P < 0.05)；淋溶系数与CEC和C/N呈显著负相关(P < 0.05)，与土壤pH、全钾含量和速效钾含量呈显著正相关(P < 0.05)。
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表 5 土壤风化指标与土壤理化性质相关性 Table 5 Correlation between soil weathering indicators and physicochemical properties |
进行聚类推进树算法(ABT)分析，结果显示，全国第二次土壤普查时期，土壤性质中速效钾是影响研究区土壤风化蚀变指数的主要因子(26.00%)，相对贡献率远高于其他因子(图 5)；全钾是影响土壤淋溶系数的首要因子(20.25%)，其次是全磷(15.30%)和C/N(13.1%)。2021年，土壤性质中C/N是影响土壤风化蚀变指数的首要因子(14.78%)，其次是容重(12.37%)和全钾(12.28%)；除全磷对土壤硅铝铁率的相对贡献率显著小于其他因子外，其他因子的相对贡献率差异不大，其中容重(11.86%)、全氮(11.84%)、全钾(11.43%)和碳氮比(11.07%)为影响硅铝铁率的主要因子；影响土壤淋溶系数的主要因子是速效钾(12.55%)和CEC(12.51%)。
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图 5 土壤理化性质对土壤风化程度的相对贡献率 Fig. 5 Relative contribution rates of physicochemical properties to soil weathering degree |
对比各采样点全国第二次土壤普查数据，40年来川中丘陵区石灰性及中性紫色土有酸化的趋势。有研究发现，氮沉降被认为是加速农田生态系统酸化的主要原因。当氮沉降高于36 kg/(hm2·a)时，土壤酸化效应显著[25]。在过去几十年内，我国氮沉降以NH4+为主[26]。NH4+在土壤中的硝化作用会增加外源H+，导致土壤酸化，其来源主要是化肥施用和牲畜养殖所排放的NH3[27]。国内外已开展施肥对土壤酸化的量化研究，Tarkalson等[28]对美国半干旱地区土壤酸化的研究发现，施肥导致的硝酸盐淋洗致酸量占总酸度的59% ~ 66%。刘侯俊等[29]对松辽平原棕壤的研究也表明，与1979年原始土壤相比，长期化肥处理的土壤pH降低了1 ~ 2个单位。
本研究发现，除土壤pH外，研究区其他土壤理化性质值均有不同程度的增长，但仅全钾、有效磷、有机质含量及CEC和C/N增长显著(P < 0.05)，土壤养分变化不平衡。究其原因，首先，紫色土属于母质性土，紫色母岩能快速且持续向土壤补充矿质养分。朱波等[13]通过盆钵试验得到，1 m3侏罗系蓬莱镇组紫色母岩1年分别有52.78、121.3、13 948.4 g氮、磷、钾释放量，这表明母岩输入的养分具有不平衡性。其次，川中丘陵区农田多为坡耕地，再加上紫色土垦殖指数高、侵蚀性强，土壤侵蚀导致的养分流失[14]使得紫色土有机质及氮含量较低。气候变化同样对土壤性质存在影响，黎景锐等[30]的研究发现，40年来川中丘陵区气温呈波动上升趋势，降雨量变化趋势不显著，但年际波动较大。温度升高在短时间尺度上可以加快农田生态系统土壤养分周转，改变养分组分[31]。降雨量和雨强通过影响土壤侵蚀情况从而改变土壤养分和土壤质地[32]。最重要的是，随着农业集约化进程，人为活动对土壤肥力的影响加剧。40年来肥料施用量的增加使得土壤由被动地自然恢复地力转变为有目的地定向培肥地力，养分输入持续增加。但也有研究发现，单一增加化肥施用量无法显著提升土壤养分，作物的种植还会造成土壤养分不平衡，如王齐齐等[33]在紫色土区的29年定位监测结果显示，常规施肥模式下，土壤钾和磷含量显著上升并且作物产量提升，但土壤全氮含量却下降。这是由于外源养分添加能够通过增加作物收获输出，使得土壤氮含量无法有效提升甚至降低。除此之外，农业集约化过程中伴随的强烈土壤扰动也会改变土壤水气热环境从而影响土壤性质[34]。
在以上因素的综合作用下，川中丘陵区典型紫色土综合肥力得到显著提升(P < 0.05)。但值得注意的是，据农业部耕地质量监测点的数据，多种土壤类型中紫色土中有机质和全氮含量最低[35]。本研究将两个时期土壤理化性质分别进行主成分分析(表 6)，并与土壤综合肥力系数进行回归拟合(图 6)，结果同样显示，全氮和有机质是限制土壤综合肥力提升的主要因素。因此，今后在对紫色土开发利用时需针对性地提升土壤全氮和有机质含量，保持土壤养分平衡，并且防治土壤酸化，降低土壤肥力退化的风险。
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表 6 不同时期土壤理化性质主成分分析因子矩阵 Table 6 Factor matrix of principal component analysis of soil physicochemical properties in different times |
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图 6 土壤综合肥力系数和风化指标与主成分得分的线性回归 Fig. 6 Linear regressions between soil IFI, weathering indicators and principal component score |
对比各采样点在全国第二次土壤普查时期的化学风化指标，川中丘陵区典型紫色土的风化程度加深，脱硅富铝铁化程度显著加强，但土壤不稳定元素盐基离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)淋失度减小与风化程度加深相矛盾。这是由于相较其他母岩，紫色母岩风化快且富含矿质养分，其风化过程伴随的养分释放是紫色土最重要的盐基离子补偿过程[11]，再加上施肥带来的外源盐基离子，导致输入大于淋溶和作物收获等输出，土壤矿物不断与土壤溶液及母岩进行盐基物质的交换，诱导了土壤矿物表观淋溶减弱。
相关性分析和ABT分析表明，pH、全磷、全钾、速效钾、CEC、容重和C/N为化学风化的影响因子。但土壤性质往往多种因子相互制约互相作用，共同影响土壤化学风化。为进一步探究土壤化学风化机理，本研究对两个时期土壤理化性质进行主成分分析(表 6)，其中全国第二次土壤普查时期以全钾、CEC和C/N为主导的第一主成分与硅铝铁率呈显著线性相关；2021年以pH、全磷、全钾、速效钾、CEC和C/N为主导的第一主成分与淋溶系数呈显著线性相关(图 6)。这说明土壤理化性质在一定程度上决定了土壤风化的方向与速度。土壤pH对土壤矿物的分解起着重要作用，矿物与土壤溶液中的H+产生置换反应，影响土壤矿质元素释放的同时还能使矿物颗粒或晶格间的连接减弱，促进矿物的风化崩解[11]。由于紫色土黏土矿物中富钾的伊利石占比较高，甚至能达到50% 以上[36]，这使得土壤全钾含量能直接体现紫色土中矿物的迁移转化情况。土壤CEC是土壤胶体能吸附和交换盐基离子的总量，能较为直观地反映土壤盐基离子赋存情况[37]。并且，土壤C/N、全磷、速效钾和pH等理化性质改变还会导致微生物丰度、多样性及群落组成的变化[38-40]。通过原位采样分析和室内模拟观测，微生物可以通过产生有机酸、金属配位载体、改变氧化还原条件或形成生物膜来加速矿物风化[41-42]。
由此可以看出，40年来各因素带来的土壤理化性质改变均对紫色土风化有一定促进作用，并且由施肥和紫色母岩快速风化等因素带来的外源盐基离子输入可以在一定程度上弥补风化带来的损失，维持紫色土的盐基离子平衡。
4 结论在施肥、氮沉降、气候变化等多因素影响下，对比全国第二次土壤普查结果，40年来川中丘陵区中性和石灰性紫色土有向酸性紫色土转化的趋势。理化性质中，全钾、有效磷、有机质含量及CEC和C/N提升显著(P < 0.05)，但养分变化存在不平衡性。土壤综合肥力等级由瘠薄和一般提升至一般和肥沃，化学风化和脱硅富铝铁化程度均显著增强(P < 0.05)，淋溶程度无显著差异(P > 0.05)。土壤理化性质在一定程度上反映了土壤肥力和风化情况。土壤pH、CEC、全钾和C/N等是土壤化学风化过程的主控因素。土壤全氮和有机质含量是限制土壤肥力提升的主要因素。因此，今后在对紫色土开发利用时需针对性地提升土壤氮和有机质含量，保持土壤养分平衡。
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2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China