不同土地利用方式對紅壤坡地土壤陽離子交換量及交換性鹽基離子的影響

黃尚書，葉　川，鐘義軍，成艷紅，武　琳，黃欠如，鄭　偉，

孫永明1,2，張　昆1,2，章新亮1,2

(1.江西省紅壤研究所，江西 進賢 331717；2.國家紅壤改良工程研究中心，江西 進賢 331717；3.吉安市農(nóng)業(yè)局，江西 吉安 343000)

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不同土地利用方式對紅壤坡地土壤陽離子交換量及交換性鹽基離子的影響

黃尚書1,2，葉川1,2，鐘義軍1,2，成艷紅1,2，武琳1,2，黃欠如1,2，鄭偉3，

孫永明1,2，張昆1,2，章新亮1,2

(1.江西省紅壤研究所，江西 進賢 331717；2.國家紅壤改良工程研究中心，江西 進賢 331717；3.吉安市農(nóng)業(yè)局，江西 吉安 343000)

摘要：文章以第四紀紅粘土母質發(fā)育的紅壤為研究對象，研究了紅壤荒坡地(WL)、紅壤旱地(UL)、紅壤坡地茶園(TG)和紅壤坡地果園(OR)4種土地利用方式下紅壤坡地土壤土壤陽離子交換量(CEC)和交換性鹽基離子的分布規(guī)律，并初步探討了土壤CEC和鹽基離子的影響因素，結果表明：(1)研究區(qū)土壤CEC介于13.48 cmol·kg-1～16.31 cmol·kg-1，保肥能力中等；不同土地利用方式下土壤CEC差異不顯著(p>0.05)；土壤粘粒對土壤CEC貢獻較大。(2)該區(qū)土壤交換性鹽基總量(TEB)介于1.73 cmol·kg-1～ 5.01 cmol·kg-1，交換性鹽基離子的含量呈現(xiàn)出Ca2+>Mg2+>K+>Na+的規(guī)律；不同土地利用方式下土壤交換性鹽基離子的含量差異顯著(p<0.05)，以紅壤旱地和紅壤坡地果園整體較高，紅壤坡地茶園最低；除紅壤坡地果園外，土壤交換性Ca2+、Mg2+含量均表現(xiàn)為0～10 cm低于10 cm～40 cm土層，而土壤交換性K+、Na+具有一定的表聚性；土壤粘粒對土壤交換性Ca2+、Mg2+含量的貢獻較大，而對土壤交換性K+、Na+的影響較小。(3)該區(qū)土壤鹽基飽和度(BSP)介于4.3%～19.9%，土壤肥力水平較低；不同土地利用方式下土壤BSP差異顯著(p<0.05)；土壤BSP對pH影響不顯著(p>0.05)。圖2，表2，參20。

關鍵詞：土地利用方式；紅壤坡地；土壤陽離子交換量(CEC)；土壤交換性鹽基離子

0引言

土壤陽離子交換量(CEC)是土壤基本特性和重要肥力影響因素之一，是土壤保肥、供肥和緩沖能力的重要標志，對提高肥力、改良土壤及治理土壤污染有重要作用。土壤交換性鹽基離子是土壤質量的重要方面，其含量和飽和度在很大程度上反映了鹽基類元素的生物有效性、運移及循環(huán)情況[1]；此外，交換性鹽基離子在對土壤發(fā)生過程中的研究也具有重要的參考作用[2]。近年來的研究表明，土壤的陽離子交換量及交換性鹽基組成受不同的植被類型[3]、土地利用方式[4]及人為管理措施[5]的影響，分布情況具有較大差異。因此，對土壤交換性能的研究有助于更加準確地了解不同土地利用方式下土壤的肥力和質量及其影響因素。

紅壤坡地是我國長江中下游地區(qū)主要的土壤資源之一，區(qū)域水熱資源豐富，生物生產(chǎn)潛力巨大，是我國農(nóng)業(yè)結構調整后的主要農(nóng)業(yè)用地之一。目前，紅壤坡地存在著土壤侵蝕、酸化加劇及季節(jié)性干旱頻發(fā)等問題導致耕層結構差、土壤上下層養(yǎng)分供應不協(xié)調，嚴重制約著該區(qū)域生產(chǎn)力的發(fā)展。研究通過野外調查和采集土樣，分析了紅壤坡地不同土地利用方式下陽離子交換量和鹽基離子的分布情況，探討了陽離子交換量和交換性鹽基離子分布的影響因素，為合理利用紅壤坡地資源、充分發(fā)揮其生產(chǎn)力提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

試驗地設在江西省紅壤研究所(116°20′24″E，28°15′30″N)，該地區(qū)氣候溫和、雨量豐富、日照充足、無霜期長，屬中亞熱帶季風氣候，年均降雨量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 100 mm～1 200 mm；年均氣溫17.7℃～18.5℃，最冷月(1月)平均氣溫為4.6℃；最熱月(7月)平均氣溫一般在28.0℃～29.8℃。地形為典型低丘，海拔在25 m ～ 30 m，坡度5°。土壤類型為第四紀紅粘土母質發(fā)育的紅壤。

1.2樣品采集與處理

根據(jù)土地利用方式選擇紅壤荒坡地(WL)、紅壤旱地(UL)、紅壤坡地茶園(TG)、紅壤坡地果園(OR)為試驗處理。于2014年4月-5月采用五點法取各處理0～10 cm、10 cm～20 cm、20 cm～40 cm的散狀土，最后將樣方內各采樣點土壤樣品按土層混合，作為分析樣品，每處理3次重復。樣品經(jīng)室內風干后，研磨并過篩，備用。

1.3樣品理化性質分析

土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化-容量法，土壤pH值采用電位法(水∶土=2.5∶1)，土壤陽離子交換量采用乙酸銨法，土壤交換性K+、Na+采用乙酸銨交換-火焰光度法，土壤交換性Ca2+、Mg2+采用乙酸銨交換-EDTA絡合滴定法[6]，交換性鹽基總量采用加和法得到(土壤交換性鹽基總量=K++Na++1/2Ca2++1/2Mg2+)，土壤粘粒含量采用吸管法[7]。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用DPS7.05進行數(shù)據(jù)分析，采用Oringin 8.1軟件繪圖。

2結果與分析

2.1不同土地利用方式下陽離子交換量分布規(guī)律

該區(qū)土壤CEC在13.48 cmol·kg-1～16.31 cmol·kg-1，保肥能力中等，見表1。紅壤荒坡地和紅壤坡地茶園CEC隨土層深度增加而呈下降趨勢，而紅壤旱地和紅壤坡地果園CEC則呈相反的趨勢。不同土地利用方式下，0～10 cm土層土壤CEC表現(xiàn)為紅壤坡地茶園>紅壤坡地果園>紅壤荒坡地>紅壤旱地；10 cm～20 cm和20 cm～40 cm土層均以紅壤坡地果園最高，紅壤荒坡地最低。方差分析表明，不同利用方式土壤CEC差異不顯著(p>0.05)，表明同為第四紀紅粘土母質發(fā)育的紅壤，其供肥、保肥和緩沖能力沒有明顯差別。

表1　不同土地利用方式下土壤陽離子交換量的分布

注：平均值±標準誤。

Note:mean value±standard error.

2.2不同土地利用方式下交換性鹽基離子的分布規(guī)律

紅壤坡地果園土壤交換性Ca2+含量隨土層深度的增加而顯著下降(p<0.05)；其余3種土地利用方式下土壤交換性Ca2+含量表現(xiàn)10 cm～40 cm土層高于0～10 cm土層，見圖1。不同土地利用方式土壤交換性Ca2+含量的大小順序隨著發(fā)生層次的不同而具有差異，0～10 cm土層土壤交換性Ca2+含量以紅壤坡地果園最高，紅壤旱地和紅壤荒坡地次之，紅壤坡地茶園最低，紅壤坡地果園和紅壤旱地顯著高于紅壤荒坡地和紅壤坡地茶園(p<0.05)；10 cm～20 cm和20 cm～40 cm土層土壤交換性Ca2+含量大小順序為：紅壤旱地>紅壤荒坡地>紅壤坡地果園>紅壤坡茶園(p<0.05)。該區(qū)交換性Ca2+含量占交換性鹽基總量(TEB)的比例最高(總體平均為53.4%)，表明交換性鹽基離子以Ca2+為主。

圖1　不同利用方式下土壤交換性鹽基離子的分布Fig.1　Distribution of soil exchangeable base cations under different land use patterns注：WL:紅壤荒坡地，UL:紅壤旱地，TG:紅壤坡地茶園，OR:紅壤坡地果園。不同小寫字母表示不同土地利用方式有顯著差異(p<0.05)，下同。Note: Treatment WL: krasnozem waste land,Treatment UL: upland red soil,Treatment TG: tea garden on red soil slopes,and Treatment OR: orchard on red soil slopes.Different lowercas letters mean significant difference among land use patterns(p<0.05),the same below.

該區(qū)土壤交換性Mg2+含量的空間分布規(guī)律基本與土壤交換性Ca2+相同，其中紅壤坡地茶園土壤交換性Mg2+在不同土層之間含量差異顯著(p<0.05)。不同土地利用方式下，各土層交換性Mg2+含量均以紅壤旱地最高，0～10 cm和10 cm～20 cm土層土壤交性換性Mg2+含量以紅壤坡地茶園為最低，而20 cm～40 cm土層最低為紅壤坡地果園。該區(qū)土壤交換性Mg2+含量占TEB的比例僅次于交換性Ca2+(總體平均為19.7%)。

該區(qū)土壤交換性K+含量均隨土層深度的增加而呈降低趨勢，0～10 cm土層土壤交換性K+含量占0～40 cm土層的比例介于38.3%～45.0%，表明該區(qū)土壤交換性K+的具有表聚性。不同土地利用方式土壤交換性K+含量的大小順序因土層不同而具有差異，0～10 cm和10 cm～20 cm土層土壤交換性K+含量以紅壤旱地最高，最低的分別為紅壤坡地茶園和紅壤荒坡地，20 cm～40 cm土層土壤交換性K+含量最高的為紅壤坡地果園，最低的為紅壤荒坡地。整體而言，紅壤旱地和紅壤坡地果園0～40 cm土壤交換性K+含量高于紅壤荒坡地和紅壤坡地茶園。

該區(qū)土壤交換性Na+含量均表現(xiàn)為0～10 cm不低于10 cm～20 cm和20 cm～40 cm土層，3個土層土壤交換性Na+含量占0～40 cm土層的比例依次分別為37.5%、31.8%、30.7%，說明表明該區(qū)土壤交換性Na+的具有一定表聚性。不同土地利用方式土壤交換性Na+含量0～10 cm和20 cm～40 cm大小順序均為：紅壤坡地果園>紅壤旱地>紅壤荒坡地>紅壤坡地茶園；10 cm～20 cm大小順序為：紅壤旱地>紅壤荒坡地>紅壤坡果園>紅壤坡地茶園。該區(qū)土壤交換性Na+含量占TEB的比例在交換性鹽基離子中為最低(總體平均為9.2%)。

紅壤坡地果園0～10 cm土層TEB顯著高于10 cm～40 cm土層，紅壤旱地則表現(xiàn)為0～10 cm、10 cm～40 cm及20 cm～40 cm土層整體差異不大，其余2種方式均表現(xiàn)為0～10 cm小于10 cm～40 cm土層，見圖2。不同土地利用方式間TEB具有顯著差異(p<0.05)，0～10 cm表現(xiàn)為紅壤坡地果園>紅壤旱地>紅壤荒坡地>紅壤坡地茶園，10 cm～20 cm和20 cm～40 cm土層均為紅壤旱地最大，紅壤坡地茶園最小。該區(qū)土壤BSP介于4.3%～19.9%，不同土地利用方式BSP的變化隨發(fā)生土層的不同具有較大差異，其中0～10 cm土層的BSP呈現(xiàn)紅壤旱地、紅壤坡地果園顯著高于紅壤荒坡地、紅壤坡地茶園(p<0.05)，10 cm～20 cm和20 cm～40 cm土層的BSP均呈現(xiàn)紅壤旱地>紅壤荒坡地>紅壤坡地果園>紅壤坡地茶園(p<0.05)。

圖2　不同土地利用方式下土壤交換性鹽基總量及鹽基飽和度的分布Fig.2　Distribution of soil total exchangeable base and base saturation percentage under different land use patterns

2.3土壤陽離子交換性能相關性分析

對土壤CEC以及交換性鹽基離子的相關理化性質的相關性分析表明，土壤交換性Ca2+、Mg2+，Ca2+、Na+以及K+、Na+含量之間具有顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關關系；土壤TEB與各交換性鹽基離子含量呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關；土壤CEC與交換性Mg2+含量呈顯著(p<0.05)負相關，見表2。

土壤有機質含量與土壤CEC以及各交換性鹽基離子含量無相關性(p>0.05)；pH值與土壤交換性K+含量以及CEC呈顯著(p<0.05)負相關，粘粒含量與土壤交換性Ca2+含量、交換性Mg2+含量、TEB、BSP、CEC呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關。

表2　土壤CEC以及交換性鹽基離子與相關理化性質的相關性

注：*p<0.05，**p<0.01。Note: *p<0.05,**p<0.01.

3討論

土壤CEC的大小取決于土壤膠體的比表面積和表面負電荷密度[8]，粘粒和有機質作為土壤膠體的重要組分，是土壤CEC的主要影響因子[9]。相關性分析表明，研究區(qū)土壤粘粒與土壤CEC呈顯著正相關關系(p<0.05)，驗證了該區(qū)土壤粘粒含量對CEC的重要影響。大量研究表明，土壤有機質對CEC有重要貢獻[10-11]，而該區(qū)土壤CEC與有機質含量無顯著相關性(p>0.05)，說明有機質含量對土壤CEC影響較小，其原因在于第四紀紅粘土紅壤粘粒含量較高，有機質含量普遍較低(約1%～1.5%)[12]，土壤高粘粒含量掩蓋了有機碳對土壤CEC的貢獻。該區(qū)不同土地利用方式下土壤CEC無明顯差異(p>0.05)，表明各土地利用方式下土壤供肥、保肥和緩沖能力基本相同，主要因為該區(qū)土壤同為第四紀紅色粘土母質發(fā)育形成，其土壤粘粒含量等土壤理化性質無明顯差異；另外，各土地利用方式隨土層深度增加而呈現(xiàn)不同的變化趨勢也與土壤粘粒含量變化有著密切關系。

交換性鹽基離子分布的差別是成土母質、生物物質循環(huán)及淋溶作用等綜合作用的結果，與母質的礦物成分、風化程度、植被類型以及地形、氣候等條件密切相關[13]。研究區(qū)土壤鹽基離子含量基本呈現(xiàn)Ca2+>Mg2+>K+>Na+，符合一般規(guī)律[14]，這是因為交換性Ca2+和Mg2+在土壤中的含量主要受成土母質及土壤形成過程中Ca和Mg的優(yōu)先固持作用(Preferential retention)影響[15]。該區(qū)不同土地利用方式下土壤交換性鹽基含量差異顯著(p<0.05)，這與不同的土地利用方式由于植被類型和人為干擾等不同導致營養(yǎng)元素剖面分布的差異有關[16]。研究中，除紅壤坡地果園外，土壤交換性Ca2+和Mg2+含量均表現(xiàn)為10 cm～40 cm土層高于0～10 cm土層，主要因為該區(qū)水熱資源豐富，土壤風化淋溶作用強烈。紅壤旱地和紅壤坡地果園由于根外石灰以及含Ca、Mg肥料的施用，造成其土壤交換性Ca2+和Mg2+含量整體高于紅壤荒坡地和紅壤坡地茶園；但紅壤坡地果園土層擾動較少，Ca、Mg多滯留在土壤表層，致使其土壤交換性Ca2+和Mg2+含量隨土層加深而下降。與交換性Ca2+和Mg2+不同，該區(qū)交換性K+具有表聚性，原因在于K是植物養(yǎng)分的主導元素，且其在土壤中含量較低，容易受植物根系吸收的影響，當植物枯枝落葉殘落到地表，造成土壤交換性K+在表層土中集聚[17]。另外，紅壤旱地和紅壤坡地果園受施K肥的影響，使交換換性K+含量整體較高。土壤交換性Na+也呈現(xiàn)一定的表聚性，這與很多研究結果相異，這可能與紅壤酸性隨著土層的加深而下降，使上層土壤粘土礦物晶格中的Na+比下層更容易釋放并轉化為交換態(tài)Na+有關。整體來看，紅壤坡地茶園土壤交性離子相對較低，這是因為茶園土壤酸化而造成土壤交換性鹽基離子流失較快[18]。相關性分析表明，土壤交換性Ca2+、Mg2+與土壤粘粒呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關，而與土壤有機質含量相關性不顯著(p>0.05)。土壤中有交換性Ca2+、Mg2+、K+和Na+均存在時，由于“互補離子效應(Effect of complementary ion)”，作為一價的交換性K+、Na+有效性更高，易受到降雨等自然因素的影響。因而，該區(qū)土壤有機質和粘粒對其的影響沒有體現(xiàn)。而土壤交換性Ca2+、Mg2+則優(yōu)先被吸附、固定，土壤粘粒和有機質對其有重要影響；但該區(qū)土壤有機質含量較低，因此，該區(qū)土壤交換性Ca2+、Mg2+主要受粘粒影響。

土壤BSP是判斷土壤肥力的重要指標，BSP越大，土壤中的養(yǎng)分越好，越利于作物生長。研究區(qū)土壤BSP為4.3%～19.9%，表明土壤肥力處于較低水平，這與該區(qū)淋溶作用較強有關。該區(qū)不同土地利用方式下土壤BSP差異顯著(p<0.05)，紅壤荒坡地和紅壤坡地茶園土壤BSP隨土層深度的增加逐漸增大，這與相關研究結果一致[19]，符合一般分布特征；而紅壤旱地和紅壤坡地果園由于表層土壤受農(nóng)業(yè)管理措施的影響，使其復鹽基過程強度較大，造成其表層土壤BSP隨土層深度增加而下降。土壤的pH值主要決定于鹽基狀況，即淋溶過程和復鹽基過程的相對強度。相關研究也表明[14,20]，土壤BSP對pH的變化具有主導作用，然而，此研究顯示兩者相關性不顯著(p>0.05)，具體原因有待進一步研究。

4結論

(1)研究區(qū)不同土地利用方式下土壤CEC無明顯差異(p>0.05)；由于該區(qū)有機質含量較低，其土壤CEC主要受土壤粘粒含量和pH值的影響。因此，如何改善該區(qū)土壤有機質含量低和酸化嚴重狀況，對于提高其供肥、保肥和緩沖能力有著重要意義。

(2)該區(qū)鹽基組成以土壤交換性Ca2+為主，Mg2+、K+次之，Na+含量最低。不同土地利用方式由于人為干擾和植被類型不同，其土壤鹽基離子含量差異顯著(p<0.05)，以紅壤旱地和紅壤坡地果園整體較高，紅壤坡地茶園最低；除紅壤坡地果園外，土壤交換性Ca2+、Mg2+含量隨土層加深而呈升高趨勢，而土壤交換性K+、Na+具有一定的表聚性。土壤交換性Ca2+、Mg2+主要受土壤粘粒含量的影響，而土壤交換性K+、Na+流動性較大，易受植被、降雨等因素的影響。

(3)該區(qū)土壤淋溶作用較強，造成土壤BSP總體較低；不同土地利用方式下土壤BSP差異顯著(p<0.05)，不同土地利用方式下土壤BSP隨土層深度增加而呈現(xiàn)增加或減少的分布規(guī)律；土壤BSP對pH無顯著影響(p>0.05)。

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Soil Cation Exchange Capacity and Exchangeable Base Cations as Affected by Land Use Pattern in Sloping Farmland of Red Soil

HUNAG Shangshu1,2,YE Chuan1,2,ZHONG Yijun1,2,CHENG Yanhong1,2,WU Lin1,2,HUANG Qianru1,2,ZHENG Wei3,SUN Yongming1,2,ZHANG Kun1,2,ZHANG Xinliang1,2

(1.RedSoilInstituteofJiangxiProvince,Jinxian331717,China; 2.NationalEngineeringandTechnologyResearchCenterforRedSoilImprovement,Jinxian331717,China; 3.AgriculturalBureauofJi′anCity,Ji′an343000,China)

Abstract：With the red soil developed from quaternary red clay as the research object,this paper studied the distribution of soil cation exchange capacity (CEC) and exchangeable base cations under different land use patterns,including krasnozem waste land (WL),upland (UL),orchard (OR) and tea garden (TG) in the sloping farmland of red soil,and the influencing factors on soil cation exchange capacity (CEC) and exchangeable base cations were discussed.Result showed that: (1)The soil CEC in the study area ranged from 13.48 to 16.31 cmol·kg-1,indicating that its nutrient-holding capability was at a moderate level; there was no significant difference in soil cation exchange capacity (CEC); the soil clay had a great contribution to soil cation exchange capacity (CEC) (p>0.05).(2)The total exchangeable base (TEB) content ranged from 1.73 to 5.01 cmol·kg-1,and the size order of exchangeable base cations was Ca2+>Mg2+>K+>Na+; the content of exchangeable base cations differed significantly under different land use patterns (p<0.05),and their content was higher in upland and orchard than in that of tea garden and krasnozem waste land; except for orchard 0～10 cm soil layer,exchangeable Ca2+and Mg2+content was lower than that of 10 cm～40 cm soil layer and exchangeable K+ and Na+ showed an opposite trend; soil clay was the major factor contributing to exchangeable Ca2+and Mg2+,and soil organic matter and clay had a little influence on exchangeable K+ and Na+.(3) The base saturation percentage (BSP) ranged from 4.33 to 19.86%,illustrating that soil fertility level was lower; the base saturation percentage (BSP) was different significantly among land use patterns (p<0.05); the base saturation percentage (BSP) had no significant effects on pH value (p>0.05).

Key words：land use pattern; red soil slops; soil cation exchange capacity; exchangeable base cations

中圖分類號：S153

文獻標識碼：A

通訊作者：葉川(1965-)，男，江西定南人，研究員，碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境研究.

第一作者簡介：黃尚書(1989-)，男，江西崇義人，碩士，助理研究員，主要從事水土保持研究.

基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201301050)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費項目(201503119)；國家青年自然科學基金項目(41301235)和江西省科技支撐項目(20151BBF60060)共同資助.

收稿日期：2015-09-29;修回日期：2015-10-26.

文章編號：2095-2961(2016)02-0072-06

doi:10.11689/j.issn.2095-2961.2016.02.002