清涼峰自然保護(hù)區(qū)土壤陽(yáng)離子交換量的剖面分布特征及其影響因素1)

童根平 姜霓雯 傅偉軍 葉正錢

(浙江清涼峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，杭州，311321)(浙江農(nóng)林大學(xué))

土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)是土壤膠體所能吸附和交換的陽(yáng)離子總量[1]，能反映土壤的保肥供肥和緩沖能力，對(duì)土壤中重金屬的生物有效性、作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和污染物遷移轉(zhuǎn)化均有一定的影響[2-3]，因此常被作為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)和土壤改良、分類等研究的重要指標(biāo)[4]。大量研究表明，土壤陽(yáng)離子交換量受到土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分、質(zhì)地、地形以及人為管理措施等多種因素影響[5-7]。例如，陽(yáng)離子交換量高的土壤含腐殖質(zhì)較多，且不同來(lái)源的腐殖酸的陽(yáng)離子交換量差異較大[8-9]；土壤陽(yáng)離子交換量與土壤礦質(zhì)顆粒呈顯著相關(guān)性，黏粒是土壤陽(yáng)離子交換量的主要貢獻(xiàn)者[10]；土壤陽(yáng)離子交換量常隨海拔升高逐漸增加[11]；不同母質(zhì)發(fā)育的土壤陽(yáng)離子交換量也有較大的差異，灰?guī)r發(fā)育的土壤中陽(yáng)離子交換量顯著高于火山碎屑巖發(fā)育的土壤[12]等。但以往對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量的研究普遍集中于農(nóng)田[13]和經(jīng)濟(jì)林[14]，對(duì)于山區(qū)自然森林土壤的相關(guān)研究較少。

浙江省清涼峰自然保護(hù)區(qū)地處皖浙丘陵山區(qū)，區(qū)域內(nèi)植被垂直景觀層次分明，土壤帶譜明顯，屬浙西地區(qū)原生性較好的山地森林土壤，區(qū)域內(nèi)保存著多種珍稀、瀕危動(dòng)植物。目前對(duì)清涼峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的研究主要側(cè)重于森林植被和動(dòng)物保護(hù)方面[15-16]，土壤陽(yáng)離子交換量與區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)量狀況密切相關(guān)，是研究保護(hù)區(qū)成土過(guò)程和土壤發(fā)育的基礎(chǔ)。為此，本文擬通過(guò)研究區(qū)內(nèi)典型土壤剖面陽(yáng)離子交換量的分布特征，探究了土壤類型、質(zhì)地組成和肥力指標(biāo)等因素對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量的影響，明確該區(qū)域土壤的保肥供肥能力，為進(jìn)一步摸清研究區(qū)植被分布及生長(zhǎng)特征提供理論數(shù)據(jù)，為亞熱帶自然保護(hù)區(qū)的土壤特性、土壤分類的研究以及植被保護(hù)等提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

清涼峰自然保護(hù)區(qū)地處浙西北地區(qū)(118°50′57″～119°13′23″E，30°42″～30°19′33″N)，地處華東皖浙丘陵山區(qū)，由千頃塘、龍?zhí)辽胶晚樝獕]3個(gè)區(qū)域組成，總面積為11 252 hm2，主峰清涼峰，海拔1 787.4 m，系浙西第一高峰，區(qū)域內(nèi)地勢(shì)高差懸殊，地形復(fù)雜多樣，最低處海拔318 m，年均溫12.5 ℃，年降水量1 862.2～2 331.9 mm。清涼峰保護(hù)區(qū)內(nèi)主要出露的地層，有最古老的前震旦系上墅組和最年輕的侏羅系；巖性多樣，主包有火凝灰?guī)r、泥砂巖、硅質(zhì)巖和中酸性侵入巖[17]。清涼峰保護(hù)區(qū)內(nèi)的土壤垂直帶變動(dòng)特征明顯，主要隨海拔高度變化而變化；土壤地域性隨水文、地質(zhì)和小地形變化而變化。清涼峰保護(hù)區(qū)位于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)北緣，與其相應(yīng)的礦物風(fēng)化類型為硅鋁型；土壤類型主要屬黃紅壤、棕黃壤；隨著海拔升高，土壤的垂直結(jié)構(gòu)由低到高呈現(xiàn)紅壤帶、山地黃壤帶、山地棕黃壤帶及草甸土帶的垂直帶譜[18]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

根據(jù)清涼峰自然保護(hù)區(qū)的地勢(shì)特點(diǎn)、植被類型和母巖分布設(shè)置土壤剖面點(diǎn)，在代表性的植被類型區(qū)域根據(jù)海拔由低至高依次布設(shè)樣點(diǎn)，于2020年11月—2021年3月觀察采集了20個(gè)土壤剖面樣點(diǎn)(表1)。并按剖面的[0，10)cm、[10，30)cm和[30，60]cm分層采集土壤樣品(分別稱為表層、表下層、心土層)，每層多點(diǎn)采樣制成混合土樣，裝入塑封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、去雜、研磨過(guò)篩備用。同時(shí)記錄采樣地點(diǎn)、海拔和植被類型等信息。

表1 樣地自然概況

土壤性質(zhì)測(cè)定參照土壤農(nóng)化分析[19]，其中土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)采用乙酸銨交換法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提鉬藍(lán)比色法；速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定；土壤粒徑組成采用比重計(jì)法測(cè)定，按美國(guó)土壤質(zhì)地分類制分為砂粒[0.05～2.00 mm)，粉粒[0.002～0.050 mm)和黏粒(<0.002 mm)。

2.2 土壤陽(yáng)離子交換量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20]，土壤陽(yáng)離子交換量分級(jí)情況如下(表2)。

表2 土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)等級(jí)劃分

2.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 20.0進(jìn)行各指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)進(jìn)行指標(biāo)間的差異比較，采用R軟件進(jìn)行相關(guān)分析，其余圖件均由Origin 2018繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤垂直剖面的肥力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征

清涼峰自然保護(hù)區(qū)土壤不同層次的陽(yáng)離子交換量和各肥力指標(biāo)見(jiàn)表3。根據(jù)表2的等級(jí)劃分可知，自上而下3個(gè)土層的平均土壤陽(yáng)離子交換量分別為36.07、20.29和14.86 cmol/kg。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查中土壤陽(yáng)離子交換量的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤陽(yáng)離子交換量>20.0 cmol/kg為保肥能力強(qiáng)，陽(yáng)離子交換量在[15.4,20.0)cmol/kg為保肥能力中等，陽(yáng)離子交換量<10.5 cmol/kg為保肥能力弱的土壤。由此可見(jiàn)研究區(qū)土壤保肥性整體處于中等以上水平，其表層[0～10 cm)土壤陽(yáng)離子交換量達(dá)到一級(jí)水平，顯著高于其他兩個(gè)土層。

表3 剖面中不同層次土壤的理化指標(biāo)

整體上，隨著土壤剖面深度的增加，所有肥力指標(biāo)都呈下降趨勢(shì)，表層土壤陽(yáng)離子交換量約是心土層土壤陽(yáng)離子交換量的2.43倍，可見(jiàn)土壤陽(yáng)離子交換量與其他肥力指標(biāo)的變化趨勢(shì)較為一致，該結(jié)果符合一般規(guī)律[21-22]，表明土壤陽(yáng)離子交換量與有機(jī)質(zhì)以及氮、磷、鉀元素之間存在一定的相互影響性。各個(gè)土層的土壤w(有機(jī)質(zhì))、w(堿解氮)、w(速效磷)和w(速效鉀)分別介于15.59～54.30 g/kg、31.38～83.63、0.65～4.72和82.61～153.39 mg/kg之間，其中表層與其他土層之間的這些指標(biāo)也存在顯著差異(P<0.05)。心土層土壤[30～60 cm]砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他兩個(gè)土層；黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各個(gè)土層之間也存在顯著差異(P<0.05)，并且表層土壤的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高；各土層之間粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不存在顯著差異。

3.2 土壤剖面粒徑分布特征

根據(jù)美國(guó)土壤質(zhì)地分類制將土壤粒徑組成大小分為砂粒(0.05 mm≤粒徑<2.00 mm)、粉粒(0.002 mm≤粒徑<0.050 mm)和黏粒(粒徑<0.002 mm)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比分別為24.79%～52.6%，26.91%～47.01%和16.55%～39.47%；均值分別為38.61%，34.96%和26.42%。通過(guò)土壤質(zhì)地三角圖可知(圖1)，清涼峰自然保護(hù)區(qū)的土壤質(zhì)地主要為黏壤土、壤土、粉質(zhì)黏壤土和砂質(zhì)壤土。其中，表層土壤主要為黏壤土和壤土，少部分為黏土、粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏壤土；表下層土壤主要為黏壤土和壤土，極少數(shù)為粉質(zhì)黏壤土和粉壤土；心土層土壤主要為壤土和砂質(zhì)壤土，少部分為砂質(zhì)黏壤土、黏壤土和粉壤土?？梢?jiàn)，隨著土壤剖面深度的增加，土壤黏性減弱，砂性隨之增強(qiáng)。

圖1 研究區(qū)土壤質(zhì)地三角圖

3.3 不同土壤類型和海拔梯度下土壤陽(yáng)離子交換量變化特征

由表4和表5可知，不同土壤類型與海拔等級(jí)下的各土層陽(yáng)離子交換量均存在一定的差異性，并且陽(yáng)離子交換量在土壤類型、海拔等級(jí)的影響下具有較為相似的變化趨勢(shì)。不同土壤類型間的陽(yáng)離子交換量均值依次為山地黃壤(25.92 cmol/kg)>山地草甸土(25.52 cmol/kg)>山地棕黃壤(23.33 cmol/kg)>山地黃紅壤(23.17 cmol/kg)>山地紅壤(19.44 cmol/kg)；將海拔帶劃分為1等級(jí)(500 m≤h<800 m)、2等級(jí)(800 m≤h<1 000 m)、3等級(jí)(1 000 m≤h<1 200 m)和4等級(jí)(h≥1 200 m)，其土壤陽(yáng)離子交換量均值依次為2級(jí)(25.67 cmol/kg)>4級(jí)(25.43 cmol/kg)>3級(jí)(22.58 cmol/kg)>1級(jí)(22.03 cmol/kg)，表明5種土壤類型的保肥、供肥和緩沖能力具有一定的差異性，且受海拔的影響較為強(qiáng)烈。

表4 不同土壤類型的陽(yáng)離子交換量變化特征

表5 不同海拔梯度下陽(yáng)離子交換量變化特征

3.4 土壤陽(yáng)離子交換量與其他理化指標(biāo)的相關(guān)分析

研究區(qū)不同層次土壤剖面的陽(yáng)離子交換量和其他理化指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果顯示(表6)，表層土壤陽(yáng)離子交換量與砂粒呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與粉粒呈正相關(guān)，與黏粒呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；表下層土壤陽(yáng)離子交換量與砂粒之間具有顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.05)，與粉粒和黏粒呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著；心土層土壤陽(yáng)離子交換量與砂粒、粉粒、黏粒的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。其他肥力指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果表明，表層土壤陽(yáng)離子交換量與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與速效鉀呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。表下層土壤陽(yáng)離子交換量、心土層土壤陽(yáng)離子交換量與其他肥力指標(biāo)的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。

表6 研究區(qū)土壤理化指標(biāo)的Pearson相關(guān)系數(shù)

4 討論

以上結(jié)果顯示清涼峰自然保護(hù)區(qū)土壤陽(yáng)離子交換量整體處于三級(jí)以上水平，具較高的保肥性。土壤陽(yáng)離子交換量在剖面上的變化趨勢(shì)與土壤有機(jī)質(zhì)等肥力指標(biāo)的變化趨勢(shì)較為一致，表層土壤陽(yáng)離子交換量與有機(jī)質(zhì)和速效鉀呈顯著正相關(guān)。土壤陽(yáng)離子交換量以土壤膠體為載體，其大小由土壤膠體比表面積和表面負(fù)電荷密度決定，其中的腐殖質(zhì)成分具有較大的比表面積和大量可水解產(chǎn)生負(fù)電荷的官能團(tuán)，增加土壤膠體表面陽(yáng)離子的吸附點(diǎn)位，從而提高土壤的陽(yáng)離子交換量[23-26]。本研究區(qū)屬于原生性條件較好的自然保護(hù)區(qū)，森林生態(tài)保存完好，有機(jī)質(zhì)回歸土壤的能力較強(qiáng)[27]，且處于兩浙西路海拔最高區(qū)域，日均氣溫較低，有機(jī)質(zhì)礦化速度較慢，人為擾動(dòng)小，有利于有機(jī)質(zhì)積累，是土壤具有較高陽(yáng)離子交換量的主要原因。有研究指出，旱地土壤陽(yáng)離子交換量對(duì)速效鉀的保蓄有較大影響，土壤中速效鉀主要以交換性K+為主，后者易被土壤黏土礦物吸附[28]。本文結(jié)果顯示表層土壤的陽(yáng)離子交換量與黏粒呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤礦質(zhì)顆粒對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量的貢獻(xiàn)主要來(lái)自黏粒。

土壤質(zhì)地組成較大程度上影響著土壤質(zhì)量，不同質(zhì)地的土壤碳、氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及土壤團(tuán)聚體都隨著土壤質(zhì)地由細(xì)變粗逐漸降低[29]，且土壤黏粒有機(jī)碳結(jié)構(gòu)比砂粒有機(jī)碳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[30]。本研究表明隨著土壤剖面深度的增加，土壤黏性減弱，砂性增強(qiáng)，土壤質(zhì)地變輕(圖1)，土壤砂粒和速效鉀、堿解氮以及有機(jī)質(zhì)都呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，黏粒與有機(jī)質(zhì)和速效鉀之間存在顯著正相關(guān)，與上述隨著剖面深度增加土壤肥力指標(biāo)水平下降的結(jié)果相一致。不同粒級(jí)土壤礦質(zhì)顆粒的比表面積和礦物晶體組成具有顯著差別[31]，砂粒的比表面積小，交換點(diǎn)位較少，吸附能力弱，導(dǎo)致了土壤砂粒的保水保肥能力不及黏粒[32]。與其他肥力指標(biāo)相比，土壤速效磷與土壤陽(yáng)離子交換量的相關(guān)性均不顯著，其與酸性土壤對(duì)磷元素的吸持固定有關(guān)[33]，即土壤中較高的氧化鐵與磷形成閉蓄態(tài)磷(Al-P，F(xiàn)e-P)[34]。

不同土壤類型之間的陽(yáng)離子交換量也存在較大差異，且與海拔的變化有關(guān)，這與山地土壤垂直帶譜的分布受到海拔的影響有關(guān)[35-36]。隨著海拔高度增加，氣溫和蒸發(fā)量下降，濕度變大，成土過(guò)程中的生物化學(xué)作用減弱，有機(jī)質(zhì)易于積累，進(jìn)而提高了土壤陽(yáng)離子交換量[37]。本研究顯示山地黃壤的土壤陽(yáng)離子交換量最高，山地草甸土和棕黃壤的陽(yáng)離子交換量相對(duì)較低，但是兩者的陽(yáng)離子交換量差異較小，原因在于山地黃壤帶多為落葉闊葉林，植被分布最為茂盛，植被歸還土壤的能力較高；而棕黃壤帶多為針葉林和針闊葉混交林，凋落物相對(duì)較少，有機(jī)質(zhì)積累相對(duì)較少；而分布在山頂區(qū)域的草甸土壤陽(yáng)離子交換量偏低主要由于植被分布較為單一、其枯落物歸還量較小[38-39]。因此，保持清涼峰自然保護(hù)區(qū)土壤陽(yáng)離子交換量適宜性的關(guān)鍵在于保護(hù)植被和有機(jī)質(zhì)的自然積累，以更好維持研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

清涼峰自然保護(hù)區(qū)的土壤陽(yáng)離子交換量整體較高，保肥力均處于三級(jí)以上水平，顯示出研究區(qū)土壤整體保肥效果較好；隨著剖面深度的增加，土壤陽(yáng)離子交換量逐漸降低，且與其他肥力指標(biāo)的分布特征相一致。

隨著土壤剖面深度的增加，土壤黏性減弱，砂性增強(qiáng)。表層土壤陽(yáng)離子交換量與黏粒呈顯著正相關(guān)，與砂粒呈顯著負(fù)相關(guān)，表明黏粒是土壤陽(yáng)離子交換量的主要貢獻(xiàn)者。

不同土壤類型之間陽(yáng)離子交換量存在一定的差異性，表明不同土壤類型的保肥供肥和緩沖能力不同；陽(yáng)離子交換量分布與海拔的變化基本一致，體現(xiàn)了海拔與土壤類型的密切相關(guān)性。