黃土高原典型植被群落對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的影響及其空間差異

楊亞楠， 劉均陽， 王佩佩， 楊曉晶， 周正朝

(陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，西安 710119)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是連接水圈、生物圈、大氣圈、巖石圈的重要紐帶，是眾多物理、化學(xué)及生物過程發(fā)生的主要場所。土壤表面電化學(xué)性質(zhì)是土壤具有一系列物理、化學(xué)性質(zhì)的根本原因，對土壤肥力、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、入滲、土壤侵蝕等諸多宏觀土壤特性具有深遠(yuǎn)的影響。因此，土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的研究對認(rèn)識(shí)土壤系統(tǒng)的現(xiàn)象與功能具有重要意義。

土壤表面電化學(xué)性質(zhì)主要包括土壤陽離子交換量、比表面積、表面電荷密度、表面電場強(qiáng)度及表面電位。土壤表面電化學(xué)性質(zhì)既受土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)、pH、土壤礦物組成等土壤內(nèi)部因素的影響，又受土地利用方式(如植被恢復(fù))等外部因素的影響。植被可通過2種方式對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，首先，植被生長能有效促進(jìn)土壤黏化作用，減小土壤細(xì)顆粒的流失，而黏粉粒的富集可以有效促進(jìn)土壤陽離子交換量和土壤比表面積的增加；其次，植被通過枯枝落葉及根系分泌物提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，有機(jī)質(zhì)中包含大量的腐殖質(zhì)(占土壤有機(jī)質(zhì)90%以上)，腐殖質(zhì)是可變電荷的重要來源，從而有效地改變土壤表面電化學(xué)性質(zhì)。

目前，關(guān)于植被恢復(fù)對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)影響的研究，主要集中于同一區(qū)域的相似環(huán)境條件下進(jìn)行，不同區(qū)域間植被恢復(fù)對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)影響的空間差異還鮮有報(bào)道，制約了大尺度上植被對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)影響的認(rèn)識(shí)。因此，研究不同區(qū)域典型植被群落對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的影響，對于較大尺度上植被恢復(fù)生態(tài)效應(yīng)綜合評價(jià)及管理具有較強(qiáng)意義。黃土高原是我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一，為治理黃土高原地區(qū)強(qiáng)烈的土壤侵蝕，國家推行了退耕還林(草)政策。在這一政策背景下，黃土高原地區(qū)植被得到顯著恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境得到有效改善。黃土高原區(qū)域年均溫、降水量、土壤類型等都呈現(xiàn)地帶性分布特征，其不同區(qū)域植被的生長和恢復(fù)存在一定的差異，同種植被對土壤性質(zhì)的影響也存在空間差異性。

因此，本研究以黃土高原不同區(qū)域間(永壽墚、坊塌、六道溝)2種鄉(xiāng)土植被群落類型(鐵桿蒿(Web.)、長芒草(Trin.))為研究對象，對比分析典型植被群落對土壤表面電化學(xué)特性的影響及空間差異，以期加深較大尺度上植被恢復(fù)對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的影響的認(rèn)識(shí)，并為科學(xué)評估植被恢復(fù)措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原位于我國黃河中上游地區(qū)(33°41′—41°16′N，100°52′—114°33′E)，海拔800～3 000 m，面積6.4×10km，是世界上最大的黃土堆積平原。氣候類型屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫6.6～14.3 ℃，年均降水量466 mm，降水分布不均，從東南向西北遞減。黃土高原土壤具有地帶性分布特征，從東南向西北，土壤類型依次為塿土和褐土、黃綿土和黑壚土、灰鈣土、栗鈣土、棕鈣土、棕漠土、風(fēng)沙土等。

1.2 試驗(yàn)樣地及樣品采集

通過野外實(shí)地調(diào)研，在黃土高原3個(gè)典型區(qū)域，即咸陽市永壽墚(黑壚土)、延安市安塞區(qū)坊塌小流域(黃綿土)、榆林市神木縣六道溝小流域(砂黃土)進(jìn)行采樣。由于研究區(qū)主要以草本植物為主，因而挑選了鄉(xiāng)土植物群落長芒草和鐵桿蒿樣地作為研究樣地，所選樣地均為植被恢復(fù)10年以上的退耕地，采樣時(shí)間為2020年7—9月。同時(shí),以樣地附近退耕1年的撂荒地作為對照。在每個(gè)土壤類型區(qū)選擇坡向、位置相近的3個(gè)坡面作為重復(fù)。

采樣時(shí)，選擇植被長勢均勻的坡面作為采樣點(diǎn)(表1)。在每個(gè)樣點(diǎn)開挖30 cm深的土壤剖面，去除地表枯落物，分2層(0—15，15—30 cm)進(jìn)行采樣。將采得的土壤樣品裝入自封袋，并進(jìn)行標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測定。

1.3 土壤性質(zhì)測定

土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用外加熱重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；pH使用pH計(jì)(奧豪斯儀器有限公司--ST3100，中國)結(jié)合電位法測定(土∶水=1∶2.5)；土壤機(jī)械組成采用激光粒度儀(馬爾文儀器公司--MS2000，英國)測定。

土壤電化學(xué)性質(zhì)采用聯(lián)合法測定。黃土高原地區(qū)土壤中的碳酸鹽含量較高，在測定前先對土壤進(jìn)行脫鈣處理。先稱取100 g土樣置于1 L的燒杯中，加入0.5 mol/L的HCl溶液，振蕩5 h離心去除上清液，重復(fù)該過程3次，直至無CO氣體產(chǎn)生。隨后樣品中加入1 L的0.1 mol/L HCl，振蕩5 h，離心去除上清液，重復(fù)該過程3次，完成最后1次離心后加入等體積純水，重復(fù)土樣振蕩和離心的過程，即制備得到氫飽和樣。取出土樣放入烘箱中烘干(70 ℃，5 h)，然后過0.25 mm篩備用。稱取5 g氫飽和樣放置于150 mL的三角瓶中，加入25 mL 0.01 mol/L的Ca(OH)溶液振蕩24 h，然后再加入同體積0.01 mol/L的NaOH溶液，再次振蕩24 h。振蕩后用1 mol/L HCl 溶液調(diào)節(jié)土壤懸液pH，使土壤懸液pH保持在7左右。使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Spectro—Arcos，德國)測定上清液Ca和Na的濃度。土壤陽離子交換量(CEC)采用NaOAc法測定，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Spectro—Arcos，德國)測定上清液Na的濃度，計(jì)算土壤陽離子交換量(CEC)。土壤電化學(xué)性質(zhì)參數(shù)計(jì)算公式為：

=-00213ln (05)+12331

=2-

表1 樣地基本信息

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2016和SPSS 22軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較(LSD)(<0.05)；用Pearson相關(guān)系數(shù)評價(jià)土壤基本理化性質(zhì)與電化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系；運(yùn)用Canoco 5軟件對土壤基本理化性質(zhì)與電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行冗余分析(RDA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本理化性質(zhì)

在0—15 cm土層，永壽墚土壤機(jī)械組成以粉粒為主，占土壤顆粒機(jī)械組成的63.36%，砂粒占29.42%，其黏粒與粉粒顯著高于坊塌及六道溝，砂粒含量顯著低于坊塌及六道溝(<0.05)。坊塌和六道溝以砂粒為主，分別占土壤顆粒機(jī)械組成的71.81%和71.25%。3個(gè)地區(qū)鐵桿蒿樣地與長芒草樣地較撂荒地黏粉粒增加，砂粒減少，但僅六道溝達(dá)到顯著性差異。15—30 cm土層與0—15 cm土層基本一致，植被恢復(fù)樣地黏粉粒含量高于撂荒地、砂粒含量小于撂荒地，但未表現(xiàn)出顯著性差異(表2)。

表2 黃土高原典型植被群落對土壤理化性質(zhì)的影響

對于土壤有機(jī)質(zhì)含量，3個(gè)研究區(qū)之間的差異明顯大于研究區(qū)內(nèi)部差異。其中，永壽墚地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量顯著大于坊塌及六道溝，其有機(jī)質(zhì)的最小值(撂荒地)仍高于坊塌及六道溝的最大值。在0—15 cm土層，永壽墚及六道溝，植被恢復(fù)樣地有機(jī)質(zhì)顯著大于撂荒地；坊塌地區(qū)未達(dá)到顯著性差異。15—30 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)與0—15 cm基本一致，但同一地區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)地與撂荒地均無顯著性差異。

在0—15 cm土層，六道溝容重最高，坊塌次之，永壽墚地區(qū)最低。3個(gè)地區(qū)撂荒地容重均高于植被恢復(fù)樣地，其中永壽墚及六道溝表現(xiàn)出顯著性差異；15—30 cm土層與0—15 cm表現(xiàn)基本一致。在0—15 cm土層，研究區(qū)pH為7.57～8.07。坊塌pH最高，六道溝次之，永壽墚最小，研究區(qū)之間pH差異較小。在永壽墚、六道溝鐵桿蒿樣地及長芒草樣地pH顯著低于撂荒地。15—30 cm土層與0—15 cm土層基本一致，3個(gè)地區(qū)植被恢復(fù)樣地與撂荒地之間均無顯著性差異。

2.2 典型植被群落下土壤陽離子交換量的變化特征

由圖1可知，對于0—15 cm土層，土壤陽離子交換量為7.26～24.34 cmol/kg。永壽墚地區(qū)，鐵桿蒿和長芒草群落分別是撂荒地1.68，1.19倍，鐵桿蒿群落與撂荒地差異顯著(<0.05)；坊塌地區(qū)，鐵桿蒿和長芒草群落與撂荒地?zé)o顯著差異；六道溝地區(qū)，鐵桿蒿和長芒草群落顯著高于撂荒地(<0.05)，分別是其2.02，1.61倍。對于15—30 cm土層，土壤陽離子交換量為6.69～17.48 cmol/kg。永壽墚地區(qū)長芒草群落下土壤陽離子交換量顯著高于撂荒地；六道溝地區(qū)長芒草與鐵桿蒿分別顯著高于撂荒地。相比于撂荒地，典型植被群落下土壤陽離子交換量表現(xiàn)為永壽墚地區(qū)增量最多，而六道溝地區(qū)變化率最大，說明植被恢復(fù)促進(jìn)陽離子交換量的增加，但其變化存在空間差異。

注:圖柱上方不同大寫字母表示同一植被類型不同地區(qū)之間差異顯著(p<0.05)；不同小寫字母表示同一地區(qū)不同植被類型之間差異顯著(p<0.05)；Ⅰ、Ⅱ表示采樣位置分別為0—10，15—30 cm土層。下同。

2.3 典型植被群落下土壤比表面積的變化特征

由圖2可知，在0—15 cm土層，土壤比表面積為8.32～147.38 m/g。永壽墚、坊塌及六道溝地區(qū)，鐵桿蒿和長芒草群落下土壤比表面積分別是撂荒地的1.24，1.41倍，2.07，1.42倍和9.16，6.70倍，其中，神木地區(qū)2種典型植被均為顯著變化(<0.05)。在15—30 cm土層，土壤比表面積為7.29～182.29 m/g。六道溝典型植被群落土壤比表面積顯著高于撂荒地。六道溝地區(qū)典型植被群落下土壤比表面積的變化率最高，而永壽墚地區(qū)典型植物群落下土壤比表面積的增量最大，說明植被恢復(fù)可以促進(jìn)土壤比表面積的增加且存在空間差異性。

圖2 黃土高原典型植被群落樣地土壤比表面積

2.4 典型植被群落下土壤表面電荷密度的變化特征

隨土層深度增加，土壤表面電荷密度無明顯變化，為0.08～2.04 C/m(圖3)。永壽墚及坊塌地區(qū)，撂荒地土壤表面電荷密度分別是鐵桿蒿和長芒草群落1.42，1.35倍和1.63，2.03倍，其差異未達(dá)到顯著性水平；六道溝地區(qū)，撂荒地分別是鐵桿蒿和長芒草群落的10.52，6.26倍，撂荒地土壤表面電荷密度顯著高于鐵桿蒿和長芒草群落(<0.05)。不同研究區(qū)土壤表面電荷密度均表現(xiàn)為植被群落樣地<撂荒地，說明植被恢復(fù)可以促使土壤表面電荷密度的降低，但僅六道溝地區(qū)達(dá)到顯著性差異。

2.5 典型植被群落下土壤表面電場強(qiáng)度的變化特征

隨土層深度增加，土壤表面電場強(qiáng)度無明顯變化，其變化范圍為1.11～28.46 10V/m(圖4)。永壽墚及坊塌地區(qū)，撂荒地表面電場強(qiáng)度分別是鐵桿蒿和長芒草群落1.42，1.35倍和1.63，2.03倍，其差異未達(dá)到顯著性水平；六道溝地區(qū)，撂荒地分別是鐵桿蒿和長芒草群落的10.05，5.98倍，撂荒地表面電場強(qiáng)度顯著高于鐵桿蒿和長芒草群落(<0.05)。不同研究區(qū)土壤表面電荷密度和表面電場強(qiáng)度均表現(xiàn)為植被群落樣地<撂荒地，說明植被恢復(fù)可以促使土壤表面電荷密度和表面電場強(qiáng)度的降低，且對六道溝的影響最為顯著。

圖3 黃土高原典型植被群落樣地土壤表面電荷密度

圖4 黃土高原典型植被群落樣地土壤表面電場強(qiáng)度

3 討 論

3.1 植被對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的影響

本研究表明，植被生長可以促進(jìn)土壤陽離子交換量及比表面積的增加，表面電荷密度和表面電場強(qiáng)度的減小。陳晶晶和馬任甜等得到了相似的結(jié)果，并提出這種變化可能是植被恢復(fù)過程中有機(jī)質(zhì)與黏粉粒含量的顯著變化所導(dǎo)致。植被恢復(fù)可以減少雨滴擊濺和徑流沖刷，減少黏粉粒的損失以及形成穩(wěn)定的成土環(huán)境，增強(qiáng)了土壤黏化作用，使土壤的黏粉粒含量增加，砂粒含量減少。此外，植物恢復(fù)過程中還可以通過枯枝落葉及根系分泌物增加土壤碳含量，并減少分解和侵蝕的有機(jī)質(zhì)損失，以此來增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量。

本研究中，土壤表面電化學(xué)性質(zhì)與理化性質(zhì)具有很好的相關(guān)性(表3)，且粉粒含量和有機(jī)質(zhì)含量是電化學(xué)性質(zhì)的變化的主要貢獻(xiàn)者，對電化學(xué)性質(zhì)變化的解釋方差為61.0%，11.1%(圖5)，與馬任甜等的研究結(jié)果一致。通常情況下，土壤顆粒中細(xì)顆粒(黏粒和粉粒)含量越高，土壤顆粒的比表面積就越大，表面吸附的電荷數(shù)量就越多。而有機(jī)質(zhì)(以腐殖質(zhì)為主)可以通過其官能團(tuán)的解離產(chǎn)生可變負(fù)電荷，使土壤表面電荷數(shù)量增加；且有機(jī)質(zhì)由三維多聚相組成，具有較高的內(nèi)表面積，因此，土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤比表面積越大；隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，大量有機(jī)質(zhì)膠體被土壤顆粒表面的吸附力固持于土壤細(xì)顆粒的表面，顆粒間雙電層結(jié)構(gòu)被充分壓縮，使得土壤顆粒表面電荷密度降低。因此，本研究中有機(jī)質(zhì)含量及黏粉粒含量(其中神木地區(qū)達(dá)到顯著變化)的提高，是植被改變土壤電化學(xué)性質(zhì)的重要原因。

在同種土壤類型下(黃綿土)，本研究中鐵桿蒿和長芒草的土壤陽離子交換量、比表面積與馬任甜等研究的草本植物白羊草(15.54 cmol/kg，53.01 m/g)結(jié)果相似，低于沙棘、山楊、白樺、遼東櫟(16.60～19.52 cmol/kg，55.3～61.39 m/g)等喬灌木研究結(jié)果。其可歸因于喬灌木具有更長的演替時(shí)間及更高的細(xì)根生產(chǎn)周轉(zhuǎn)率，植物根系可通過分泌有機(jī)質(zhì)及固結(jié)或富集土壤中的黏粒和粉粒，從而對土壤陽離子交換量及比表面積產(chǎn)生不同的影響。此外，土壤陽離子交換量是土壤肥力的重要特征之一，是土壤質(zhì)量變化、保肥、供肥能力、和酸堿緩沖能力的重要標(biāo)志，也是改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)之一，因此，土壤陽離子交換量的增加與植被生長呈正向作用。

此外，本研究表明，土壤表面電化學(xué)性質(zhì)(土壤陽離子交換量與比表面積)與pH呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)。土壤pH變化和土壤有機(jī)酸有關(guān)，而植物被恢復(fù)過程中根系的分泌物以及植物殘?bào)w分解都會(huì)引起土壤有機(jī)酸的富集，促使土壤pH降低。余正洪等研究表明，隨著pH的降低，可變電荷土壤(紅壤和黃壤)及恒電荷土壤(紫色土)表面陽離子交換量與比表面積顯著減小，是因?yàn)槠湓囼?yàn)是通過設(shè)定不同土壤pH環(huán)境來測定土壤電化學(xué)性質(zhì)的。本研究中的pH用以表征土壤本身的酸堿情況，而同一土壤類型下土壤pH差異較小，且土壤電化學(xué)性質(zhì)主要受有機(jī)質(zhì)含量及土壤機(jī)械組成的影響，故呈現(xiàn)不同的結(jié)果，這與黃土高原子午嶺地區(qū)Liu等的相關(guān)研究結(jié)果一致。

表3 土壤理化性質(zhì)和土壤電化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性

注：CEC、S、σ0、E0、φ0、Clay、Silt、Sand、SOM、BD分別表示陽離子交換量、比表面積、表面電荷密度、表面電場強(qiáng)度、表面電勢、黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、土壤有機(jī)質(zhì)、容重。

3.2 不同植被群落對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)影響的空間差異

同一植被群落下，不同研究區(qū)土壤表面電化學(xué)性質(zhì)存在差異。永壽墚地區(qū)土壤陽離子交換量及比表面積的增量最大，而六道溝土壤陽離子交換量、比表面積、表面電荷密度、表面電場強(qiáng)度的變化率最大，可能受到水分條件、土壤類型及土壤侵蝕等因素的影響。黃土高原水分條件南北分異是造成植物地上生物量、細(xì)根生物量差異的重要原因。其中，黃土丘陵溝壑區(qū)由南到北(降水558.4～389.6 mm)細(xì)跟生物量為4.26～1.49 kg/m，而地上生物量和細(xì)根生物量及其周轉(zhuǎn)與有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)，隨地上生物量及細(xì)根生物的增加有機(jī)質(zhì)顯著增加；此外，有機(jī)質(zhì)與土壤質(zhì)地密切相關(guān)，3個(gè)研究區(qū)位于不同的土壤類型區(qū)，土壤機(jī)械組成有較大差異(表2)，而砂粒含量占比越大越，不利于有機(jī)質(zhì)的積累。因此，黃土高原地區(qū)有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)由南至北遞減趨勢。已有研究表明，有機(jī)質(zhì)是植被影響土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的重要原因，一般情況隨著有機(jī)質(zhì)的增加土壤陽離子交換量、比表面積增加，表土壤面電場強(qiáng)度和表面電勢減小。因而，水分條件和土壤類型的空間差異，造成了植被對表面電化學(xué)性質(zhì)影響的空間差異。

本研究中，永壽墚地區(qū)位于黃土高原南部，年均降水量、黏粒粉粒顯著高于其他2個(gè)地區(qū)，因此，永壽墚的有機(jī)質(zhì)增量最大(表2)，可能是永壽墚地區(qū)土壤表面電化學(xué)性質(zhì)具有較高增量的原因。六道溝地區(qū)位于黃土高原北部風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)帶，土壤侵蝕嚴(yán)重，土壤含沙量高于永壽墚及坊塌地區(qū)，使得有機(jī)質(zhì)的更易損失而不易積累，因此，撂荒地有機(jī)質(zhì)含量顯著低于坊塌及永壽墚地區(qū)(表2)。植被恢復(fù)降低了土壤侵蝕強(qiáng)度，促使有機(jī)質(zhì)含量及黏粉粒相較撂荒地的顯著增加(六道溝地區(qū)0—15 cm長芒草群落有機(jī)質(zhì)含量是撂荒地的5.82倍，黏粉粒是撂荒地的1.83倍)，是六道溝地區(qū)土壤表面電化學(xué)性質(zhì)具有較大變化率的重要原因。

4 結(jié) 論

(1)黃土高原地區(qū)典型植被群落生長可有效改變土壤理化性質(zhì)，提高土壤黏粒、粉粒、有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤pH、容重、砂粒含量。

(2)同一區(qū)域內(nèi)，相較于撂荒地，典型植被群落的土壤陽離子交換量、土壤比表面積增加，土壤表面電荷密度及土壤表面電場強(qiáng)度減小。不同區(qū)域間，同一植被群落對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的影響呈現(xiàn)空間差異性，其中，土壤表面電化學(xué)性質(zhì)在黃土高原南部永壽墚地區(qū)的增量最大，而黃土高原北部六道溝地區(qū)的變化率最高。

(3)黃土高原典型植被群落下土壤理化性質(zhì)變化可以較好解釋土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的變化，粉粒含量和有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤表面電化學(xué)性質(zhì)最重要的因素。