四川盆地西緣土壤陽離子交換量的特征及影響因素①

白志強，張世熔，鐘欽梅，王貴胤，徐光榮，馬小杰

四川盆地西緣土壤陽離子交換量的特征及影響因素①

白志強，張世熔*，鐘欽梅，王貴胤，徐光榮，馬小杰

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130)

土壤陽離子交換量(CEC)因其對土壤肥力保護及污染評估具有重要意義而受到日益重視。對四川盆地西緣黃壤、黃棕壤、水稻土、紫色土、潮土和石灰土CEC進行系統(tǒng)比較及影響因素研究，結(jié)果表明：黃壤、水稻土和紫色土CEC顯著低于黃棕壤(<0.05)，顯著高于潮土(<0.05)。同時，土壤CEC與年均溫、積溫呈負相關(guān)關(guān)系(<0.01)，而與年均降水量和濕潤指數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系(<0.01)；山地土壤的CEC顯著高于平原和丘陵土壤(<0.05)，且土壤CEC隨海拔增加而極顯著上升(<0.01)；冰磧物發(fā)育土壤的CEC顯著高于河流沖積物和紫色粉砂巖發(fā)育土壤(<0.05)。主成分分析結(jié)果表明，溫度和降水組成的氣候因素為該區(qū)土壤CEC的決定性影響因素。

土壤CEC；氣候因素；地形因素；成土母質(zhì)；主成分分析

土壤陽離子交換量(CEC)不僅是評價土壤肥力的重要指標[1]，也是土壤環(huán)境容量和污染物遷移轉(zhuǎn)化的重要影響因素[2-3]。因此，開展土壤CEC的研究對于正確估算土壤的保肥能力和污染物遷移轉(zhuǎn)化潛力具有重要意義。

迄今，土壤CEC的特征及影響因素已有一些研究報道。例如，楊艷麗等[4]在江蘇北部的研究表明，褐土和水稻土CEC顯著低于石質(zhì)土和沼澤土(<0.05)，顯著高于棕壤和鹽土(<0.05)；姜林等[5]在祁連山區(qū)的研究表明，高山草甸土CEC顯著低于灰褐土(<0.05)，而高于棕鈣土(<0.05)。在四川盆地及盆周山地，盡管單一黃壤、水稻土和紫色土等類型的CEC研究已有一些報道[6-8]，但是系統(tǒng)比較這些土壤類型CEC的研究還鮮見報道。

在土壤CEC的影響因素方面，已有研究者報道了地貌類型、海拔高度、成土母質(zhì)和土地利用方式等因素的影響[9-10]。例如，Tesfahunegn等[11]在埃塞俄比亞北部的研究表明，高原面上土壤CEC顯著低于山谷底部土壤(<0.05)；Nakao等[12]在喀麥隆高原的研究表明，土壤CEC隨著海拔的增加而增加(<0.05)。有研究表明，在巴拿馬科羅拉多島不同母質(zhì)發(fā)育土壤的CEC差異明顯：灰?guī)r>礫巖>火山碎屑巖(<0.05)[13]。此外，土地利用也是影響土壤CEC的重要因素。例如，陜西北部灌木林地轉(zhuǎn)為耕地和苗圃能顯著增加土壤CEC(< 0.05)[14]。然而，已有報道多為上述因素中單一或某些因素對區(qū)域土壤CEC的影響，而鮮見分析年均溫、年均降水量和濕潤指數(shù)等氣候因素對土壤CEC影響的報道。同時，已有研究多關(guān)注于各因素分別對土壤CEC的影響或相互關(guān)系，但鮮見多環(huán)境因素對土壤CEC綜合影響的研究報道。

四川盆地西緣地處北亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)。區(qū)內(nèi)地貌類型復(fù)雜、地表起伏較大導(dǎo)致溫度和降水隨空間變化明顯。同時，區(qū)內(nèi)分布著易受氣候影響的紫色泥巖、砂巖和粉砂巖等母質(zhì)，且土壤類型和土地利用方式均較多。因此，該區(qū)適合進行土壤CEC的系統(tǒng)對比及其影響因素的研究。本文擬通過調(diào)查該區(qū)土壤CEC，同時探究氣候、地貌類型和成土母質(zhì)等因素對其的影響及程度，以期獲得多環(huán)境因素綜合作用下土壤CEC的決定性影響因素，同時為區(qū)域土壤保肥和污染物防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川盆地西緣，地理位置102°7′48″ ~ 106°28′48″ E，28°30′36″ ~ 33°16′12″ N。區(qū)內(nèi)受北亞熱帶季風性濕潤氣候影響，年均溫變化顯著(12 ~ 17 ℃)、年均降水量差異明顯(800 ~ 1 400 mm)。地貌類型復(fù)雜，分布著平原、丘陵和山地3種地貌類型。地表起伏較大，海拔介于400 ~ 1 800 m。該區(qū)成土母質(zhì)多樣，主要為河流沖積物、冰磧物、紫色泥巖、紫色粉砂巖、紫色砂巖和石灰?guī)r。土壤類型為黃壤、黃棕壤、水稻土、紫色土、潮土和石灰土。

1.2 土壤樣品采集

在研究區(qū)域內(nèi)，根據(jù)地貌類型、成土母質(zhì)和土壤類型分布等因素，于2017年6—7月隨機采集土壤樣品42個。采樣時，在每個樣點的同一地塊內(nèi)用五點取樣法將5個表層土壤子樣混合組成一個樣品，按四分法去掉后保留樣品約1 kg；同時，調(diào)查記錄采樣點的地理坐標、海拔、土壤類型、土地利用方式等相關(guān)信息。土壤樣品經(jīng)自然風干，去掉植物殘骸、石塊等，過2 mm篩，備測。

1.3 樣品測定

土壤CEC的測定采用乙酸銨交換法[15]。稱取2.0 g過2 mm篩孔的風干土壤放入100 ml離心管中，加入1 mol/L乙酸銨溶液攪拌均勻，重復(fù)處理3次；隨后加入950 ml/L乙醇充分攪拌，重復(fù)處理3次，除去多余乙酸銨；然后用蒸餾水將土壤完全洗入消化管，并采用自動凱氏定氮儀蒸餾，餾出液用0.05 mol/L鹽酸直接滴定。

土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤pH采用電位法在土液比為1∶5(/)的條件下測定。本研究土壤樣品性質(zhì)測定均設(shè)置3次重復(fù)，所用化學(xué)試劑均為分析純。

1.4 氣象數(shù)據(jù)獲取

本研究中的年均溫、年均降水量、積溫、濕潤指數(shù)和干燥度等資料來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心[16]，樣點的氣象數(shù)據(jù)利用ArcGIS 10.2軟件提取。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本研究數(shù)據(jù)在SPSS19.0平臺進行統(tǒng)計分析，采用Origin Pro 9.1作圖。其中，不同土壤類型、地貌類型、成土母質(zhì)和土地利用方式間CEC的差異比較采用單因素方差分析(One-Way ANVON)，平均值差異顯著性比較采用最小顯著差數(shù)法(LSD)；土壤CEC與年均溫、積溫、年均降水量、濕潤指數(shù)和海拔等影響因素之間的關(guān)系采用回歸分析建模；各影響因素對土壤CEC變異的貢獻采用主成分分析法綜合分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同土壤類型CEC分布特征

不同土壤類型因其膠體類型和數(shù)量的不同，其CEC也可能存在差異[17]。在研究區(qū)內(nèi)，土壤CEC介于16.58 ~ 30.39 cmol/kg，平均值為21.70 cmol/kg。同時，不同土壤類型間CEC存在顯著性差異(圖1，0.05)。其中，黃棕壤CEC為33.38 cmol/kg ± 0.99 cmol/kg，顯著大于其余5種土壤(<0.05)。這可能是因為黃棕壤多為林地土壤，其土壤有機碳含量顯著大于其他土壤(圖2,<0.05)，而有機質(zhì)又是土壤CEC的重要影響因素之一[18-19]。除石灰土外，潮土CEC顯著低于其他4種土壤(<0.05)。黃壤、石灰土、水稻土和紫色土CEC之間無顯著差異(>0.05)。除黃棕壤外，潮土與黃壤、水稻土和紫色土的有機碳含量差異并不顯著(>0.05)，其CEC卻顯著低于以上3種土壤(<0.05)。這可能是因為潮土的礦質(zhì)膠體數(shù)量低于以上3種土壤，而礦質(zhì)膠體也是土壤CEC的重要貢獻源[20]。水稻土有機碳含量顯著高于紫色土(<0.05)，但是紫色土較水稻土更為黏重，所以兩者CEC差異不顯著(>0.05)。黃壤、石灰土、水稻土和紫色土這4種土壤可吸附的陽離子量相近，因此CEC不存在顯著性差異(>0.05)。

(圖中不同小寫字母表示不同土壤類型(或地貌類型、成土母質(zhì)、土地利用方式)間差異顯著(P<0.05)，橫坐標括號內(nèi)數(shù)值為樣本數(shù)，下同)

圖2 不同土壤類型之間有機碳含量的差異

2.2 土壤CEC的影響因素

2.2.1 溫度 溫度通過控制土壤理化反應(yīng)速率影響土壤膠體數(shù)量[21]，進而影響土壤CEC。年均溫和積溫作為主要的溫度因素，影響土壤CEC的方式也較為相似。

年均溫的變化能同時影響土壤有機膠體和礦質(zhì)膠體的數(shù)量[22]。因此，土壤CEC與年均溫密切相關(guān)。本文探究了土壤CEC與年均溫的關(guān)系，結(jié)果表明，土壤CEC與年均溫呈極顯著線性負相關(guān)(圖3A，<0.01)。這可能是因為隨著年均溫的增加，土壤有機膠體的分解速率也會增加，導(dǎo)致土壤CEC降低。同時，溫度的增加也有利于土壤礦物風化為更簡單的形態(tài)[23]。在本研究區(qū)，土壤黏土礦物主要為2∶1的蒙脫石、伊利石和1∶1型的高嶺石構(gòu)成[24]。隨著年均溫的增加，更多的2∶1型黏土礦物風化為1∶1型，導(dǎo)致土壤CEC降低[25]。

與年均溫相似，積溫也能同時影響土壤有機膠體和礦質(zhì)膠體的數(shù)量，從而影響土壤CEC。在本研究中，土壤CEC與積溫呈極顯著負相關(guān)(圖3B和C，<0.01)。這是由于隨著積溫的增加，黏土礦物從2∶1型風化為1∶1型的比例增加，其CEC也隨之降低。同時，本研究區(qū)積溫較低的區(qū)域均為海拔較高的低山區(qū)，土地利用類型為林草地的土樣較多，其植物返還土壤的有機質(zhì)較高且分解較為緩慢。因此，土壤CEC隨兩種積溫的增加而呈明顯減少的趨勢。

2.2.2 降水 降水能影響生物的生命活動和土壤的風化淋溶，從而影響土壤膠體數(shù)量[26-27]。本研究進行了年均降水量、濕潤指數(shù)和干燥度對土壤CEC影響的探究，結(jié)果表明，年均降水量和濕潤指數(shù)對土壤CEC的影響較大，且土壤CEC與二者呈二次函數(shù)關(guān)系(圖4，<0.01)，而干燥度對土壤CEC的影響不顯著(0.05)。這主要是因為降水因素能影響土壤的含水量，從而控制土壤的理化反應(yīng)。在降水量較低時，隨著降水增加，植物根系分泌大量有機物進入土壤，土壤有機膠體含量增加導(dǎo)致土壤CEC增加[26]。當降水量較高時，隨著降水量的繼續(xù)增加，土壤有機膠體的輸入變化不大，但是土壤黏土礦物有從2∶1型轉(zhuǎn)變?yōu)?∶1型的趨勢，導(dǎo)致土壤CEC降低[27]。

圖3 年均溫和積溫對土壤CEC的影響

圖4 年均降水量和濕潤指數(shù)對土壤CEC的影響

2.2.3 地形 地形控制著地表水熱資源的再分配，影響著土壤理化反應(yīng)，進而影響土壤CEC。地貌類型和海拔作為主要的地形因素對土壤CEC具有較大影響[11-12]。在本研究中地貌主要為平原、丘陵和山地3種類型。3種地貌類型間土壤CEC存在顯著性差異(圖5A，<0.05)。山地土壤CEC(25.10 cmol/kg ± 1.83 cmol/kg)顯著高于平原(20.1 cmol/kg ± 0.45 cmol/kg)和丘陵土壤(20.18 cmol/kg ± 0.64 cmol/kg)(<0.05)，平原和丘陵土壤CEC差異不顯著(>0.05)。這是因為平原和丘陵多為耕地，土壤有機質(zhì)主要來源于施肥和秸稈返田，而山地土壤則林草地較多，輸入土壤的有機質(zhì)較以上二者更多。同時，區(qū)內(nèi)西南部山地溫度較低，土壤有機質(zhì)的累積高于中部盆地和東北部丘陵，所以其CEC顯著高于平原和丘陵土壤。

圖5 地貌類型和海拔對土壤CEC的影響

本研究還進行了海拔對土壤CEC影響的探究。因為母質(zhì)對土壤CEC的影響較大，所以選擇同一母質(zhì)發(fā)育土壤分析海拔對CEC的影響。本研究中，冰磧物母質(zhì)發(fā)育土壤的樣本較多(=13)，適合進行回歸分析，結(jié)果表明，冰磧物母質(zhì)發(fā)育土壤的CEC與海拔呈極顯著線性正相關(guān)(圖5B，<0.01)，與Nakao等[12]在喀麥隆高原的研究結(jié)果一致。總體來看，主要是因為土壤有機膠體含量隨著海拔的上升呈增加趨勢[28]。

2.2.4 成土母質(zhì) 成土母質(zhì)的差異會影響發(fā)育土壤的有機膠體和礦質(zhì)膠體數(shù)量[29]，導(dǎo)致土壤CEC存在差異[13]。在本研究區(qū)內(nèi)，不同母質(zhì)發(fā)育而成土壤的CEC存在顯著性差異(圖6A)。其中，冰磧物母質(zhì)發(fā)育土壤的CEC(24.97 cmol/kg ± 1.86 cmol/kg)顯著高于河流沖積物(18.84 cmol/kg ± 0.73 cmol/kg)和紫色粉砂巖(20.3 cmol/kg ± 0.24 cmol/kg)發(fā)育而成的土壤(< 0.05)，而石灰?guī)r、紫色泥巖和紫色砂巖這3種母質(zhì)發(fā)育土壤的CEC之間差異不顯著(>0.05)。這是因為河流沖積物和紫色粉砂巖發(fā)育土壤多為水田和旱地，它們二者的有機物主要來源于有機肥施用和部分秸稈還田。相反，本研究所采冰磧物母質(zhì)發(fā)育形成的土壤質(zhì)地較為黏重，且多為常綠闊葉林地或馬尾松林地，林下凋落物較多。因此，冰磧物母質(zhì)發(fā)育形成土壤的膠體數(shù)量高于河流沖積物和紫色粉砂巖發(fā)育而成的土壤，其CEC顯著高于后二者(<0.05)。

圖6 成土母質(zhì)和土地利用方式對土壤CEC的影響

2.2.5 土地利用方式 土地利用方式主要通過影響有機質(zhì)的輸入、分解，從而影響土壤CEC[30]。本研究中草地和林地CEC略大于旱地和水田，但是差異不顯著(圖6B，>0.05)，與Qi等的研究結(jié)論不一致[14]。這主要是因為陜西北部沙漠地帶區(qū)域同質(zhì)性較高，而在本研究區(qū)內(nèi)同一種土地利用方式所處的地形和成土母質(zhì)等條件復(fù)雜多變，可能掩蔽了土地利用方式對土壤CEC的影響。

2.3 多因素對土壤CEC的綜合影響

本研究為進一步確定多環(huán)境因素綜合影響下，各影響因素對土壤CEC變異的貢獻，選擇年均溫、年均降水量、>0 ℃積溫、>10 ℃積溫、濕潤指數(shù)、干燥度、地貌類型、海拔、成土母質(zhì)和土地利用方式進行綜合分析，確定各因素對土壤CEC變異的貢獻。主成分分析結(jié)果表明，F(xiàn)1、F2和F3三個主成分的方差累積貢獻率達81.83%(表1)，同時，年均溫、>0 ℃積溫和>10 ℃積溫在F1上有較大載荷，年均降水量和濕潤指數(shù)在F2上有較大載荷，海拔和地貌類型在F3上荷(表2)。因此，可將F1歸納為溫度因子，F(xiàn)2歸納為有較大載降水因子，F(xiàn)3歸納為地形因子。其中，F(xiàn)1和F2對土壤CEC變異的貢獻率最大，兩者之和達到69.32%，表明氣候因素為該區(qū)域土壤CEC的決定性影響因素。

表1 主成分的特征值和方差貢獻率

表2 初始因子載荷矩陣

3 結(jié)論

1)研究區(qū)域內(nèi)不同土壤類型CEC差異顯著，黃壤、水稻土和紫色土CEC顯著高于潮土(<0.05)，而顯著低于黃棕壤(<0.05)。

2)研究區(qū)內(nèi)年均溫、>0 ℃積溫、>10 ℃積溫與土壤CEC呈極顯著線性負相關(guān)關(guān)系(<0.01)，年均降水量和濕潤指數(shù)與土壤CEC為極顯著二次函數(shù)關(guān)系(<0.01)，而干燥度對土壤CEC的影響不顯著(>0.05)。山地土壤CEC顯著高于平原和丘陵土壤(<0.05)，且隨著海拔的增加而極顯著上升(<0.01)。不同母質(zhì)發(fā)育土壤CEC為冰磧物顯著高于河流沖積物和紫色粉砂巖(<0.05)。但在本研究中，土地利用方式對土壤CEC的影響不顯著(>0.05)。

3)主成分分析表明，土壤CEC在多環(huán)境因素綜合影響下，由溫度和降水組成的氣候因素對土壤CEC變異的貢獻率達到69.32%。因此，氣候是四川盆地西緣土壤CEC的決定性影響因素。

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Characteristics and Impact Factors of Soil Cation Exchange Capacity (CEC) in Western Margin of Sichuan Basin

BAI Zhiqiang, ZHANG Shirong*, ZHONG Qinmei, WANG Guiyin, XU Guangrong, MA Xiaojie

(College of Environmental Sciences, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China)

Soil cation exchange capacity (CEC) has become a concern in the world for its importance in soil fertility and pollution. Characteristics and impact factors of CECs of yellow earth, yellow-brown earth, paddy soil, purple soil, fluvo-aquic soil and calcareous soil in the western margin of Sichuan Basin were investigated and compared in this study. The results showed that CECs were significantly lower in yellow earth, paddy soil and purple soil than in yellow-brown earth(<0.05), but significantly higher than in fluvo-aquic soil(<0.05). Soil CEC was significantly negatively correlated with mean annual temperatures, >0℃ and >10℃ cumulative temperatures(<0.01), while showed quadratic function relation with precipitation and humidity index(<0.01). CECs were higher in the mountain soils than in the plain and hill soils (< 0.05), and soil CEC was significantly positively correlated with altitudes(<0.01). CEC was higher in soils derived from glacial till than in soils derived from river alluvium and purple siltstone(<0.05). The result of principal component analysis illustrated that temperature and precipitation of climate factors were the determinant for soil CEC in the study region.

Soil CEC; Climate; Topography; Parent material;Principal component analysis

X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.03.023

白志強, 張世熔, 鐘欽梅, 等. 四川盆地西緣土壤陽離子交換量的特征及影響因素. 土壤, 2020, 52(3): 581–587.

四川省環(huán)境保護科技項目計劃(2018HB30)資助。

(rsz01@163.com)

白志強(1997—)，男，四川綿陽人，碩士研究生，研究方向為土壤生態(tài)。E-mail：zhiqbai123@163.com