不同土地利用方式对红壤坡地土壤阳离子交换量及交换性盐基离子的影响

黄尚书，叶　川，钟义军，成艳红，武　琳，黄欠如，郑　伟，

孙永明1,2，张　昆1,2，章新亮1,2

(1.江西省红壤研究所，江西 进贤 331717；2.国家红壤改良工程研究中心，江西 进贤 331717；3.吉安市农业局，江西 吉安 343000)



不同土地利用方式对红壤坡地土壤阳离子交换量及交换性盐基离子的影响

黄尚书1,2，叶川1,2，钟义军1,2，成艳红1,2，武琳1,2，黄欠如1,2，郑伟3，

孙永明1,2，张昆1,2，章新亮1,2

(1.江西省红壤研究所，江西 进贤 331717；2.国家红壤改良工程研究中心，江西 进贤 331717；3.吉安市农业局，江西 吉安 343000)

摘要：文章以第四纪红粘土母质发育的红壤为研究对象，研究了红壤荒坡地(WL)、红壤旱地(UL)、红壤坡地茶园(TG)和红壤坡地果园(OR)4种土地利用方式下红壤坡地土壤土壤阳离子交换量(CEC)和交换性盐基离子的分布规律，并初步探讨了土壤CEC和盐基离子的影响因素，结果表明：(1)研究区土壤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差异不显著(p>0.05)；土壤粘粒对土壤CEC贡献较大。(2)该区土壤交换性盐基总量(TEB)介于1.73 cmol·kg-1～ 5.01 cmol·kg-1，交换性盐基离子的含量呈现出Ca2+>Mg2+>K+>Na+的规律；不同土地利用方式下土壤交换性盐基离子的含量差异显著(p<0.05)，以红壤旱地和红壤坡地果园整体较高，红壤坡地茶园最低；除红壤坡地果园外，土壤交换性Ca2+、Mg2+含量均表现为0～10 cm低于10 cm～40 cm土层，而土壤交换性K+、Na+具有一定的表聚性；土壤粘粒对土壤交换性Ca2+、Mg2+含量的贡献较大，而对土壤交换性K+、Na+的影响较小。(3)该区土壤盐基饱和度(BSP)介于4.3%～19.9%，土壤肥力水平较低；不同土地利用方式下土壤BSP差异显著(p<0.05)；土壤BSP对pH影响不显著(p>0.05)。图2，表2，参20。

关键词：土地利用方式；红壤坡地；土壤阳离子交换量(CEC)；土壤交换性盐基离子

0引言

土壤阳离子交换量(CEC)是土壤基本特性和重要肥力影响因素之一，是土壤保肥、供肥和缓冲能力的重要标志，对提高肥力、改良土壤及治理土壤污染有重要作用。土壤交换性盐基离子是土壤质量的重要方面，其含量和饱和度在很大程度上反映了盐基类元素的生物有效性、运移及循环情况[1]；此外，交换性盐基离子在对土壤发生过程中的研究也具有重要的参考作用[2]。近年来的研究表明，土壤的阳离子交换量及交换性盐基组成受不同的植被类型[3]、土地利用方式[4]及人为管理措施[5]的影响，分布情况具有较大差异。因此，对土壤交换性能的研究有助于更加准确地了解不同土地利用方式下土壤的肥力和质量及其影响因素。

红壤坡地是我国长江中下游地区主要的土壤资源之一，区域水热资源丰富，生物生产潜力巨大，是我国农业结构调整后的主要农业用地之一。目前，红壤坡地存在着土壤侵蚀、酸化加剧及季节性干旱频发等问题导致耕层结构差、土壤上下层养分供应不协调，严重制约着该区域生产力的发展。研究通过野外调查和采集土样，分析了红壤坡地不同土地利用方式下阳离子交换量和盐基离子的分布情况，探讨了阳离子交换量和交换性盐基离子分布的影响因素，为合理利用红壤坡地资源、充分发挥其生产力提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区域概况

试验地设在江西省红壤研究所(116°20′24″E，28°15′30″N)，该地区气候温和、雨量丰富、日照充足、无霜期长，属中亚热带季风气候，年均降雨量1 537 mm，年蒸发量1 100 mm～1 200 mm；年均气温17.7℃～18.5℃，最冷月(1月)平均气温为4.6℃；最热月(7月)平均气温一般在28.0℃～29.8℃。地形为典型低丘，海拔在25 m ～ 30 m，坡度5°。土壤类型为第四纪红粘土母质发育的红壤。

1.2样品采集与处理

根据土地利用方式选择红壤荒坡地(WL)、红壤旱地(UL)、红壤坡地茶园(TG)、红壤坡地果园(OR)为试验处理。于2014年4月-5月采用五点法取各处理0～10 cm、10 cm～20 cm、20 cm～40 cm的散状土，最后将样方内各采样点土壤样品按土层混合，作为分析样品，每处理3次重复。样品经室内风干后，研磨并过筛，备用。

1.3样品理化性质分析

土壤有机质采用重铬酸钾氧化-容量法，土壤pH值采用电位法(水∶土=2.5∶1)，土壤阳离子交换量采用乙酸铵法，土壤交换性K+、Na+采用乙酸铵交换-火焰光度法，土壤交换性Ca2+、Mg2+采用乙酸铵交换-EDTA络合滴定法[6]，交换性盐基总量采用加和法得到(土壤交换性盐基总量=K++Na++1/2Ca2++1/2Mg2+)，土壤粘粒含量采用吸管法[7]。

1.4数据处理

采用DPS7.05进行数据分析，采用Oringin 8.1软件绘图。

2结果与分析

2.1不同土地利用方式下阳离子交换量分布规律

该区土壤CEC在13.48 cmol·kg-1～16.31 cmol·kg-1，保肥能力中等，见表1。红壤荒坡地和红壤坡地茶园CEC随土层深度增加而呈下降趋势，而红壤旱地和红壤坡地果园CEC则呈相反的趋势。不同土地利用方式下，0～10 cm土层土壤CEC表现为红壤坡地茶园>红壤坡地果园>红壤荒坡地>红壤旱地；10 cm～20 cm和20 cm～40 cm土层均以红壤坡地果园最高，红壤荒坡地最低。方差分析表明，不同利用方式土壤CEC差异不显著(p>0.05)，表明同为第四纪红粘土母质发育的红壤，其供肥、保肥和缓冲能力没有明显差别。

表1　不同土地利用方式下土壤阳离子交换量的分布

注：平均值±标准误。

Note:mean value±standard error.

2.2不同土地利用方式下交换性盐基离子的分布规律

红壤坡地果园土壤交换性Ca2+含量随土层深度的增加而显著下降(p<0.05)；其余3种土地利用方式下土壤交换性Ca2+含量表现10 cm～40 cm土层高于0～10 cm土层，见图1。不同土地利用方式土壤交换性Ca2+含量的大小顺序随着发生层次的不同而具有差异，0～10 cm土层土壤交换性Ca2+含量以红壤坡地果园最高，红壤旱地和红壤荒坡地次之，红壤坡地茶园最低，红壤坡地果园和红壤旱地显著高于红壤荒坡地和红壤坡地茶园(p<0.05)；10 cm～20 cm和20 cm～40 cm土层土壤交换性Ca2+含量大小顺序为：红壤旱地>红壤荒坡地>红壤坡地果园>红壤坡茶园(p<0.05)。该区交换性Ca2+含量占交换性盐基总量(TEB)的比例最高(总体平均为53.4%)，表明交换性盐基离子以Ca2+为主。

图1　不同利用方式下土壤交换性盐基离子的分布Fig.1　Distribution of soil exchangeable base cations under different land use patterns注：WL:红壤荒坡地，UL:红壤旱地，TG:红壤坡地茶园，OR:红壤坡地果园。不同小写字母表示不同土地利用方式有显著差异(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.

该区土壤交换性Mg2+含量的空间分布规律基本与土壤交换性Ca2+相同，其中红壤坡地茶园土壤交换性Mg2+在不同土层之间含量差异显著(p<0.05)。不同土地利用方式下，各土层交换性Mg2+含量均以红壤旱地最高，0～10 cm和10 cm～20 cm土层土壤交性换性Mg2+含量以红壤坡地茶园为最低，而20 cm～40 cm土层最低为红壤坡地果园。该区土壤交换性Mg2+含量占TEB的比例仅次于交换性Ca2+(总体平均为19.7%)。

该区土壤交换性K+含量均随土层深度的增加而呈降低趋势，0～10 cm土层土壤交换性K+含量占0～40 cm土层的比例介于38.3%～45.0%，表明该区土壤交换性K+的具有表聚性。不同土地利用方式土壤交换性K+含量的大小顺序因土层不同而具有差异，0～10 cm和10 cm～20 cm土层土壤交换性K+含量以红壤旱地最高，最低的分别为红壤坡地茶园和红壤荒坡地，20 cm～40 cm土层土壤交换性K+含量最高的为红壤坡地果园，最低的为红壤荒坡地。整体而言，红壤旱地和红壤坡地果园0～40 cm土壤交换性K+含量高于红壤荒坡地和红壤坡地茶园。

该区土壤交换性Na+含量均表现为0～10 cm不低于10 cm～20 cm和20 cm～40 cm土层，3个土层土壤交换性Na+含量占0～40 cm土层的比例依次分别为37.5%、31.8%、30.7%，说明表明该区土壤交换性Na+的具有一定表聚性。不同土地利用方式土壤交换性Na+含量0～10 cm和20 cm～40 cm大小顺序均为：红壤坡地果园>红壤旱地>红壤荒坡地>红壤坡地茶园；10 cm～20 cm大小顺序为：红壤旱地>红壤荒坡地>红壤坡果园>红壤坡地茶园。该区土壤交换性Na+含量占TEB的比例在交换性盐基离子中为最低(总体平均为9.2%)。

红壤坡地果园0～10 cm土层TEB显著高于10 cm～40 cm土层，红壤旱地则表现为0～10 cm、10 cm～40 cm及20 cm～40 cm土层整体差异不大，其余2种方式均表现为0～10 cm小于10 cm～40 cm土层，见图2。不同土地利用方式间TEB具有显著差异(p<0.05)，0～10 cm表现为红壤坡地果园>红壤旱地>红壤荒坡地>红壤坡地茶园，10 cm～20 cm和20 cm～40 cm土层均为红壤旱地最大，红壤坡地茶园最小。该区土壤BSP介于4.3%～19.9%，不同土地利用方式BSP的变化随发生土层的不同具有较大差异，其中0～10 cm土层的BSP呈现红壤旱地、红壤坡地果园显著高于红壤荒坡地、红壤坡地茶园(p<0.05)，10 cm～20 cm和20 cm～40 cm土层的BSP均呈现红壤旱地>红壤荒坡地>红壤坡地果园>红壤坡地茶园(p<0.05)。

图2　不同土地利用方式下土壤交换性盐基总量及盐基饱和度的分布Fig.2　Distribution of soil total exchangeable base and base saturation percentage under different land use patterns

2.3土壤阳离子交换性能相关性分析

对土壤CEC以及交换性盐基离子的相关理化性质的相关性分析表明，土壤交换性Ca2+、Mg2+，Ca2+、Na+以及K+、Na+含量之间具有显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)正相关关系；土壤TEB与各交换性盐基离子含量呈显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)正相关；土壤CEC与交换性Mg2+含量呈显著(p<0.05)负相关，见表2。

土壤有机质含量与土壤CEC以及各交换性盐基离子含量无相关性(p>0.05)；pH值与土壤交换性K+含量以及CEC呈显著(p<0.05)负相关，粘粒含量与土壤交换性Ca2+含量、交换性Mg2+含量、TEB、BSP、CEC呈显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)正相关。

表2　土壤CEC以及交换性盐基离子与相关理化性质的相关性

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

3讨论

土壤CEC的大小取决于土壤胶体的比表面积和表面负电荷密度[8]，粘粒和有机质作为土壤胶体的重要组分，是土壤CEC的主要影响因子[9]。相关性分析表明，研究区土壤粘粒与土壤CEC呈显著正相关关系(p<0.05)，验证了该区土壤粘粒含量对CEC的重要影响。大量研究表明，土壤有机质对CEC有重要贡献[10-11]，而该区土壤CEC与有机质含量无显著相关性(p>0.05)，说明有机质含量对土壤CEC影响较小，其原因在于第四纪红粘土红壤粘粒含量较高，有机质含量普遍较低(约1%～1.5%)[12]，土壤高粘粒含量掩盖了有机碳对土壤CEC的贡献。该区不同土地利用方式下土壤CEC无明显差异(p>0.05)，表明各土地利用方式下土壤供肥、保肥和缓冲能力基本相同，主要因为该区土壤同为第四纪红色粘土母质发育形成，其土壤粘粒含量等土壤理化性质无明显差异；另外，各土地利用方式随土层深度增加而呈现不同的变化趋势也与土壤粘粒含量变化有着密切关系。

交换性盐基离子分布的差别是成土母质、生物物质循环及淋溶作用等综合作用的结果，与母质的矿物成分、风化程度、植被类型以及地形、气候等条件密切相关[13]。研究区土壤盐基离子含量基本呈现Ca2+>Mg2+>K+>Na+，符合一般规律[14]，这是因为交换性Ca2+和Mg2+在土壤中的含量主要受成土母质及土壤形成过程中Ca和Mg的优先固持作用(Preferential retention)影响[15]。该区不同土地利用方式下土壤交换性盐基含量差异显著(p<0.05)，这与不同的土地利用方式由于植被类型和人为干扰等不同导致营养元素剖面分布的差异有关[16]。研究中，除红壤坡地果园外，土壤交换性Ca2+和Mg2+含量均表现为10 cm～40 cm土层高于0～10 cm土层，主要因为该区水热资源丰富，土壤风化淋溶作用强烈。红壤旱地和红壤坡地果园由于根外石灰以及含Ca、Mg肥料的施用，造成其土壤交换性Ca2+和Mg2+含量整体高于红壤荒坡地和红壤坡地茶园；但红壤坡地果园土层扰动较少，Ca、Mg多滞留在土壤表层，致使其土壤交换性Ca2+和Mg2+含量随土层加深而下降。与交换性Ca2+和Mg2+不同，该区交换性K+具有表聚性，原因在于K是植物养分的主导元素，且其在土壤中含量较低，容易受植物根系吸收的影响，当植物枯枝落叶残落到地表，造成土壤交换性K+在表层土中集聚[17]。另外，红壤旱地和红壤坡地果园受施K肥的影响，使交换换性K+含量整体较高。土壤交换性Na+也呈现一定的表聚性，这与很多研究结果相异，这可能与红壤酸性随着土层的加深而下降，使上层土壤粘土矿物晶格中的Na+比下层更容易释放并转化为交换态Na+有关。整体来看，红壤坡地茶园土壤交性离子相对较低，这是因为茶园土壤酸化而造成土壤交换性盐基离子流失较快[18]。相关性分析表明，土壤交换性Ca2+、Mg2+与土壤粘粒呈显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)正相关，而与土壤有机质含量相关性不显著(p>0.05)。土壤中有交换性Ca2+、Mg2+、K+和Na+均存在时，由于“互补离子效应(Effect of complementary ion)”，作为一价的交换性K+、Na+有效性更高，易受到降雨等自然因素的影响。因而，该区土壤有机质和粘粒对其的影响没有体现。而土壤交换性Ca2+、Mg2+则优先被吸附、固定，土壤粘粒和有机质对其有重要影响；但该区土壤有机质含量较低，因此，该区土壤交换性Ca2+、Mg2+主要受粘粒影响。

土壤BSP是判断土壤肥力的重要指标，BSP越大，土壤中的养分越好，越利于作物生长。研究区土壤BSP为4.3%～19.9%，表明土壤肥力处于较低水平，这与该区淋溶作用较强有关。该区不同土地利用方式下土壤BSP差异显著(p<0.05)，红壤荒坡地和红壤坡地茶园土壤BSP随土层深度的增加逐渐增大，这与相关研究结果一致[19]，符合一般分布特征；而红壤旱地和红壤坡地果园由于表层土壤受农业管理措施的影响，使其复盐基过程强度较大，造成其表层土壤BSP随土层深度增加而下降。土壤的pH值主要决定于盐基状况，即淋溶过程和复盐基过程的相对强度。相关研究也表明[14,20]，土壤BSP对pH的变化具有主导作用，然而，此研究显示两者相关性不显著(p>0.05)，具体原因有待进一步研究。

4结论

(1)研究区不同土地利用方式下土壤CEC无明显差异(p>0.05)；由于该区有机质含量较低，其土壤CEC主要受土壤粘粒含量和pH值的影响。因此，如何改善该区土壤有机质含量低和酸化严重状况，对于提高其供肥、保肥和缓冲能力有着重要意义。

(2)该区盐基组成以土壤交换性Ca2+为主，Mg2+、K+次之，Na+含量最低。不同土地利用方式由于人为干扰和植被类型不同，其土壤盐基离子含量差异显著(p<0.05)，以红壤旱地和红壤坡地果园整体较高，红壤坡地茶园最低；除红壤坡地果园外，土壤交换性Ca2+、Mg2+含量随土层加深而呈升高趋势，而土壤交换性K+、Na+具有一定的表聚性。土壤交换性Ca2+、Mg2+主要受土壤粘粒含量的影响，而土壤交换性K+、Na+流动性较大，易受植被、降雨等因素的影响。

(3)该区土壤淋溶作用较强，造成土壤BSP总体较低；不同土地利用方式下土壤BSP差异显著(p<0.05)，不同土地利用方式下土壤BSP随土层深度增加而呈现增加或减少的分布规律；土壤BSP对pH无显著影响(p>0.05)。

参考文献：

[1]鲁如坤.土壤植物营养学原理和施肥[M].北京: 化学工业出版社,1998.

[2]Jiang Y,Zhang Y G,Liang W J,et al.Pedogenic and anthropogenic influence on calcium and magnesium behaviors in stagnic anthrosols[J].Pedosphere,2005,15(3):341-346.

[3]齐泽民,王开运,张远彬,等.川西亚高山林线过渡带及邻近植被土壤性质[J].生态学报,2009,29(12): 6325-6332.

[4]胡宁,娄翼来,张晓珂,等.保护性耕作对土壤交换性盐基组成的影响[J].应用生态学报,2010,21(6): 1492-1496.

[5]孟赐福,傅庆林,水建国,等.浙江中部红壤施用石灰对土壤交换性钙、镁及土壤酸度的影响[J].植物营养与肥料学报,1999,5(2):129-136.

[6]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京: 中国农业科技出版社,1999.

[7]中国科学院南京土壤研究所物理研究室.土壤物理性质测定法[M].北京: 科学出版社,1978.

[8]于天仁,陈志诚.土壤发生中的化学过程[M].北京: 科学出版社,1990.

[9]安战士,徐明岗.陕西三种土壤的有机质和粘粒对土壤阳离子交换量的贡献[J].土壤,1988(6): 310-313.

[10]刘世全,蒲玉琳,张世熔,等.西藏土壤阳离子交换量的空间变化和影响因素研究[J].水土保持学报,2004,18(5): 1-5.

[11]魏孝荣,邵明安.黄土高原小流域土壤pH、阳离子交换量和有机质分布特征[J].应用生态学报,2009,20(11): 2710-2715.

[12]赵其国,谢为民,贺湘逸,等.江西红壤[M].南昌:江西科技出版社,1988.

[13]姜林,耿增超,李珊珊,等.祁连山西水林区土壤阳离子交换量及盐基离子的剖面分布[J].生态学报,2012,32(11):3368-3377.

[14]熊毅,李庆逵.中国土壤(第二版)[M].北京:科学出版社,1987.

[15]张玉革,梁文举,姜勇.不同利用方式下潮棕壤交换性钙镁的剖面分布[J].应用生态学报,2008,19(4): 813-818.

[16]Jiang Y,Zhang Y G,Liang W J.Land use effect on the profile distribution of sulfur in an aquic brown soil[J].Agricultural Journal,2007,2(1): 49-54.

[17]张玉革,梁文举,姜勇,等.不同利用方式对潮棕壤交换性钾钠及其盐基总量的影响[J].土壤通报,2008,39(4): 816-821.

[18]凌大炯,章家恩,黄倩春,等.模拟酸雨对砖红壤盐基离子迁移和释放的影响[J].土壤学报,2007,44(3): 444-450.

[19]姜勇,张玉革,梁文举.温室蔬菜栽培对土壤交换性盐基离子组成的影响[J].水土保持学报,2005,19(6): 78-81.

[20]汪文强,王子芳,高明,等.施氮对紫色土交换性酸及盐基饱和度的影响[J].水土保持学报,2014,28(3): 138-142.

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

中图分类号：S153

文献标识码：A

通讯作者：叶川(1965-)，男，江西定南人，研究员，硕士，主要从事生态环境研究.

第一作者简介：黄尚书(1989-)，男，江西崇义人，硕士，助理研究员，主要从事水土保持研究.

基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目(201301050)；公益性行业(农业)科研专项经费项目(201503119)；国家青年自然科学基金项目(41301235)和江西省科技支撑项目(20151BBF60060)共同资助.

收稿日期：2015-09-29;修回日期：2015-10-26.

文章编号：2095-2961(2016)02-0072-06

doi:10.11689/j.issn.2095-2961.2016.02.002