塔里木河上游棉区不同类型盐土阳离子交换量分布特征及影响因素

张翠丽 ，支金虎，张桂兵，姚永生，卜东升

(1. 塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300；2.新疆生产建设兵团第一师十团农业发展服务中心,新疆阿拉尔 843300；3. 新疆生产建设兵团第一师农业科学研究所，新疆阿拉尔 843300)

0 引 言

【研究意义】土壤阳离子交换性能是土壤液相与固相间阳离子交换的能力，对调节土壤溶液中的离子类型和浓度，保持土壤有效养分的多样化和平衡性有重要作用；也是土壤缓冲性能的主要来源，对缓冲酸碱平衡、隔离有毒重金属等土壤改良修复意义重大[1]。土壤胶体巨大的比表面和净负电荷使其具有相当高的反应活性，能够吸附、截留和交换土壤中的阳离子，这一过程关系到土壤中诸多的物理化学特性[2-3]。阳离子交换量(CEC)作为土壤重要特性和肥力影响因素之一[4]，反映了土壤胶体与可交换阳离子相互作用和结合的能力[5]，是评价土壤保肥、供肥和缓冲性能的主要指标，对培肥地力、改良和修复污染土壤有重要作用[6-8]。【前人进展研究】我国西北干旱半干旱地区是地球表面最大的中性-碱性土壤生物群落之一[9]，对生态安全具有重要意义[10]。新疆是我国西北部最为干旱，土壤盐碱化分布最广、积盐最重且类型最多的地区[11]。盐土是盐碱土中面积最大的类型，大量盐基离子导致土壤结构分散、理化性质恶化、是限制农业生产的主要非生物因素[12]。【本研究切入点】目前，对干旱区不同类型盐土CEC的分布特征及其影响因素的研究鲜有报道。研究新疆塔里木河上游棉区不同类型盐土阳离子交换量分布特征及影响因素。【拟解决的关键问题】采用野外实地调查，选取典型样地采集样品，分析塔里木河上游棉区5种主要盐土类型CEC剖面分布状况，研究盐土基本理化性质对CEC的影响，基于灰色关联度对分析各影响因子重要性和干旱区不同类型盐土CEC分布特点及影响因素，为了解盐土土壤特性及高效改良利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

研究区位于天山山脉南麓，塔里木河上游棉区阿拉尔垦区。该区光热资源丰富，年均日照时数约为3 000 h，年均气温10.6～11.5℃，年均降水量17.4～52.2 mm，年均蒸发量2 000～3 400 mm，典型的暖温带大陆性干旱荒漠气候。由北至南依次为山地、平原、盆地和沙漠，塔里木河自西向东横穿而过，属于山-盆地貌结构；山区有古海相沉积形成的盐山盐岩，平原及盆地区成土母质含有大量可溶性盐，地下水位及水质矿化度均较高。无论是气候条件还是地理环境均有利于地表积盐，该区盐土面积大，且类型丰富。

依据盐土发生学选取草甸盐土(Meadow solonchak, MeS)、沼泽盐土(Marshy solonchak, MaS)、残余盐土(Residual Solonchak, ReS)、洪积盐土(Proluvial Solonchak, PrS)及棕漠林盐土[13](Desert solonchak, DeS) 5种典型盐土类型。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

在每个样地随机设置3个面积约为30 m×30 m的样方作为重复；在各样方内按“S”型布点法随机确定5个采样点，每个采样点取0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm的土样，由下至上逐层采集，按层混匀，“四分法”缩分，带回室内风干、研磨后过筛，备用。表1

表1 采样点地理位置和主要植被组成Table 1 The site features and vegetation composition of plots

1.2.2 样品理化性质

土壤阳离子交换量采用乙酸钠-火焰光度法；土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法；土壤pH值采用电位法(水∶土 = 2.5∶1)；土壤碳酸钙采用气量法；土壤颗粒组成采用吸管法[14]；比表面积的测定采用乙二醇乙醚吸附法(EGME)[15]；交换性盐基离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)采用pH值8.5的氯化铵+乙醇交换-原子吸收分光光度法[16]；采用加和法计算盐基总量(Total exchangeable base cations content, TEB)，即TEB(cmol/kg)=K++Na++1/2Ca2++1/2Mg2+。利用DPS数据处理软件，对实验数据进行均值化处理，设Δmin=0、分辨系数§=0.5，进行盐土基本理化性质与CEC的灰色系数关联度分析[17]。关联系数越大，该因素与CEC关联性越好，即对阳离子交换性能影响越大，反之，关联度越小则影响越小。表2

1.3 数据处理

运用SPSS 22.0对数据进行分析，数据差异显著性采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)，多重比较采用最小显著差数法(LSD)，相关性分析采用Pearson相关系数；运用DPS V15.10进行灰色关联度分析；运用Origin 2019软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同类型盐土阳离子交换量的分布规律

研究表明,该研究区土壤阳离子交换量(CEC)在2.02～25.54 cmol/kg，均值为12.39 cmol/kg。草甸盐土(MeS)CEC随着剖面深度的增加呈先下降后上升的趋势，0～60 cm土层内各剖面层差异不显著，60～80 cm剖面层CEC最大，为25.54 cmol/kg；沼泽盐土(MaS)CEC在2.02～5.90 cmol/kg范围内变化，0～60 cm土层内各剖面层其含量无明显变化，60 cm土层以下，随深度增加而下降；残余盐土(ReS)CEC在0～60 cm土层内随剖面深度的增加逐渐增加，且各剖面层差异显著，40～60 cm剖面层CEC最大，为21.20 cmol/kg，洪积盐土(PrS)CEC随剖面深度的增加呈下降趋势，40 cm土层以下CEC差异不显著，表层CEC最大，为11.7 cmol/kg，棕漠林盐土(DeS)CEC随剖面深度的增加呈先减小后增加，随后又减小的趋势，各剖面层CEC差异极显著。不同盐土类型同一剖面CEC差异明显，除洪积盐土(PrS)外，其它4类盐土最大CEC均出现在40～80 cm土层内。不同类型盐土CEC差异显著，表现为MeS > ReS > DeS > PrS > MaS，不同类型盐土保肥、供肥及缓冲性能具有明显不同。图1

图1 不同类型盐土阳离子交换量剖面分布
Fig.1 Profile distribation of cation exchange capacity in the different saline soils

2.2 盐土有机质含量对阳离子交换量的影响

研究表明,盐土阳离子交换量(CEC)与土壤有机质(SOM)的相关系数r=0.207(n=75)。盐土SOM在2.02～16.00 g/kg，主要集中在4～8 g/kg，含量较低。对两者关系进行趋势分析，其线性方程的拟合度为2.70%，呈正相关，但不显著，盐土SOM对CEC有影响，但影响程度较小。不同类型盐土CEC随SOM变化的趋势存在明显差异：草甸盐土、残余盐土和棕漠林盐土中盐土CEC随SOM的增加而减少；而沼泽盐土和洪积盐土中CEC与SOM呈正相关，特别是洪积盐土中SOM与CEC线性方程的拟合度达到93.70%，呈极显著正相关。图2

2.3 盐土pH对阳离子交换量的影响

研究表明,盐土阳离子交换量(CEC)与pH的相关系数r=0.343**(n=75)。盐土pH在7.2～8.6，其平均值为7.75；两者线性方程的拟合度为11%，呈显著正相关，盐土CEC随pH的升高而增大。不同类型盐土CEC随pH变化的趋势一致，均呈正相关，其中洪积盐土中CEC对pH的变化最为敏感，两者线性方程的拟合度达到81.94%，呈极显著正相关 。图3

图2 盐土阳离子交换量与土壤有机质的关系
Fig.2 The relationship between cation exchange capacity and organic matter of saline soil

图3 盐土阳离子交换量与pH的关系
Fig.3 The relationship between cation exchange capacity and pH of saline soil

2.4 盐土盐基总量对阳离子交换量的影响

研究表明,盐土阳离子交换量(CEC)与盐基离子总量(TEB)的相关系数r= 0.496**(n=75)。盐土TEB在1.42～7.21 cmol/kg范围内，其平均值为3.66 cmol/kg；两者线性方程的拟合度为24.58%；当TEB<5.1 cmol/kg时，CEC随TEB的增大而增大，当TEB>5.1 cmol/kg时，CEC随TEB的增大而呈下降趋势。不同类型盐土CEC随TEB变化的趋势不同，除草甸盐土中CEC与TEB呈负相关外，其余4类盐土中CEC与TEB均呈正相关。图4

2.5 盐土交换性盐基离子饱和度对阳离子交换量的影响

研究表明,盐土阳离子交换量(CEC)与交换性钙饱和度(CaSP)、交换性镁饱和度(MgSP)、交换性钾饱和度(KSP)及碱化度(ESP)的相关系数r分别为-0.748**、-0.523**、-0.500**和0.494**(n=75)。该研究区盐土中交换性Ca2+含量在盐基总量中所占比例较高，平均为42.69%，其次是Mg2+和K+，分别为31.11%和16.99%，Na+所占比列最低，为9.21%，说明该区碱化作用较弱。除CEC与ESP变化趋势呈显著正相关外，与CaSP、MgSP、KSP均呈显著负相关，可交换性Na+对盐土阳离子交换性能具有积极的促进作用，而交换性Ca2+、Mg2+和K+对盐土阳离子交换性能具有抑制作用。图5

图4 盐土阳离子交换量与盐基总量的关系
Fig.4 The relationship between cation exchange capacity and total exchangeable base cations content of saline soil

图5 盐土阳离子交换量与交换性盐基离子饱和度的关系
Fig.5 The relationship between cation exchange capacity and exchangeable cationic saturation percentage of saline soil

2.6 盐土CaCO3含量对阳离子交换量的影响

研究表明,盐土阳离子交换量(CEC)与CaCO3的相关系数r= 0.242*(n=75)。盐土CaCO3含量在10.57%～29.71%，平均值为19.33%。CEC与CaCO3的线性方程的拟合度为58.51%，呈显著正相关，随着盐土CaCO3含量的增加，盐土CEC也相应的增大。不同类型盐土CEC随CaCO3含量变化的趋势存在差异：草甸盐土、沼泽盐土和残余盐土中盐土CEC随CaCO3含量的增加而增大；洪积盐土和棕漠林盐土中CEC与CaCO3成反比。图6

图6 盐土阳离子交换量与碳酸钙含量的关系
Fig.6 The relationship between cation exchange capacity and calcium carbonate of saline soil

2.7 盐土粘粒含量对阳离子交换量的影响

研究表明,盐土阳离子交换量(CEC)与粘粒含量的相关系数r= 0.509**(n=75)。盐土粘粒含量平均为14.85%。CEC与粘土矿物的线性方程拟合度为25.72%，呈极显著正相关(P<0.01)，盐土粘粒含量对CEC有较大贡献。不同类型盐土粘粒含量差异较大，沼泽盐土与棕漠林盐土中粘粒含量较低，平均含量分别为6.26%和6.07%；残余盐土含量最高，平均含量为31.65%；其次为草甸盐土和洪积盐土，平均含量分别为17.79%与12.49%。除洪积盐土中CEC随粘粒含量增大呈略微下降趋势外(拟合度仅为4.45%)，其余5类中盐土CEC均与粘粒含量呈正相关。图7

图7 盐土阳离子交换量与粘粒含量的关系
Fig.7 The relationship between cation exchange capacity and Clay particle content of saline soil

2.8 盐土粘土矿物比表面积与CEC

研究表明,盐土阳离子交换量(CEC)与粘土矿物比表面积(SSA)的相关系数r=0.647**(n=75)。盐土SSA在51.06～252.24 m2/g，平均值为144.21 m2/g，盐土CEC与SSA的线性方程拟合度为52.67%，呈极显著正相关(P<0.01)，盐土SSA对CEC有极大的促进作用。不同类型盐土SSA差异明显，平均值大小顺序为：草甸盐土>残余盐土>棕漠林盐土>洪积盐土>沼泽盐土。在草甸盐土和残余盐土中CEC随SSA的增大呈下降趋势；在沼泽盐土、洪积盐土和棕漠林盐土中CEC随SSA的增加而增大。图8

图8 盐土阳离子交换量与粘土矿物比表面积的关系
Fig.8 The relationship between cation exchange capacity and specific surface area of saline soil

2.9 盐土基本理化性质与阳离子交换量的灰色关联度

研究表明,影响草甸盐土CEC的5个主要因素依次为pH、CaCO3、CL、SSA、SOM；影响沼泽盐土CEC的5个主要因素依次为TEB、SSA、CaCO3、CL、pH；影响残余盐土CEC的5个主要因素依次为TEB、pH、CaCO3、CL、SSA；影响洪积盐土CEC的5个主要因素依次为TEB、SSA、CL、CaCO3、pH；影响棕漠林盐土CEC的5个主要因素依次为TEB、CL、SSA、CaCO3、pH。TEB、CaCO3、pH、SSA、CL、SOM对盐土CEC贡献较大，而CaSP、MgSP和KSP对盐土CEC贡献较小。表3

3 讨 论

新疆“三山夹两盆”的独有地形，境内大小数百条内陆河和洪水沟由山区流向盆地。山区中岩石普遍含有可溶性盐类，特别是古海相沉积形成的盐山盐岩中的可溶性盐分随降水不断流入平原地区[18]，增大了盆地地下水矿化度；干旱少雨的气候，巨大的蒸降比使易溶性盐聚于地表形成盐土。由于盐土成土过程中区域间成土母质、地形、微气候、植被覆盖和水文地质等自然条件和人为活动存在较大差异，造成各区域积盐强度、速度和盐分性质迥然不同，形成不同类型的盐土[19-20]。

土壤胶体的表面结构和性质是土壤具有一系列物理化学过程的根本原因，也是影响CEC大小的关键因素[21]。粘粒作为土壤矿质胶体中最活跃的组分，其巨大的比表面积和表面电荷是CEC主要的贡献因子[22]。已有研究显示，在温带地区，粘粒部分以2∶1型带负电荷的粘土矿物为主，因此，粘粒含量对CEC贡献很大[23]；而在热带潮湿地区，由于土壤风化率高使矿物表面带正电，导致土壤粘粒含量与CEC呈负相关[24]。

研究表明，干旱区盐土粘粒含量及其比表面积均与CEC呈极显著正相关(P<0.01)，粘粒是CEC的主要来源。有机质中的腐殖物质是重要的土壤有机胶体，带大量负电荷的有机质可以吸附土壤中的交换性阳离子[25]，从而影响土壤CEC。相关研究表明，土壤CEC与有机质含量呈显著正相关[26-27]。而该研究区盐土CEC与有机质含量无显著相关性(P>0.05)，盐土有机质含量对CEC影响不大，其原因可能是盐土有机质含量极低(0.2%～1.6%)，对土壤CEC的贡献被其它影响因素(如粘粒含量和粘土矿物比表面积)所掩蔽。

土壤pH主要反映了土壤盐基状况，交换性阳离子组成对pH有重要影响，其中盐基离子饱和度对pH起决定性的作用[28]，原因可能是不同pH条件下，胶体表面官能团会出现选择性差异，因此，pH值的变化会影响土壤有机质和粘土矿物的阳离子选择性[29]。研究表明，盐土pH、TEB及ESP均与CEC呈极显著正相关(P<0.01)，CaSP、MgSP和KSP均与CEC呈极显著负相关(P<0.01)，盐土pH、TEB和BSP对CEC有促进作用，而CaSP、MgSP和KSP对盐土CEC有抑制作用。

CaCO3含量对土壤CEC也有影响。徐明岗等[30]研究分析得出,由于CaCO3在土壤团聚体形成过程中的胶结作用和自身在矿物表面的沉积，减少了矿物表面的交换位点，从而降低了CEC。研究结果与之不同。研究区盐土中CaCO3含量较高，在10.57%～29.71%范围内，CEC与CaCO3的线性方程拟合度为58.51%，呈显著正相关，其原因可能是由于CaCO3的水解影响了土壤pH，进而增加了盐土CEC。土壤中存在粗颗粒CaCO3和超细CaCO32种形式，分别起着骨架作用和胶结作用，超细CaCO3的含量与粘粒含量成正比[31]。该区粘粒含量较低(平均为14.85%)，超细CaCO3的含量也较低，胶结作用相对较弱；而占比较大的粗颗粒CaCO3的水解反应决定了pH[32-33]，并呈极显著正相关(r=0.343)。Lieb等[33]也证实了不同类型土壤酸碱缓冲机制不同：pH>7.5的土壤通过碳酸盐缓冲；pH4.5～7.5的土壤主要由交换性阳离子缓冲；pH<4.5的土壤中铁铝氧化物是主要缓冲体系。

相关性分析和线性拟合能很好的反映2个变量间的线性关系程度及发展趋势，但当2变量间的关系为非线性时，其分析结果就会与实际有偏差，灰色关联法可以很好的弥补这一不足。灰色关联法是一种有效的模式识别方法，它根据事物序列空间曲线几何形状的相似程度，将变量间的关联程度量化，2条曲线形状越相似，关联度就越大，反之，则关联度越小[17,34]。研究结果表明，TEB、CaCO3、pH、SSA、CL、SOM对干旱区盐土CEC的影响较大，而CaSP、MgSP和KSP对干旱区盐土CEC影响较小，这一结果与相关性分析结果一致。

4 结 论

塔里木河上游棉区盐土CEC在2.02～25.54 cmol/kg，均值为12.39 cmol/kg。该区不同类型间盐土CEC有显著差异，表现为MeS > ReS > DeS > PrS > MaS，不同类型盐土保肥、供肥及缓冲性能明显不同。干旱区盐土中粘粒是CEC的主要来源，pH、CaCO3、TEB和ESP是CEC主要贡献因子， CaCO3对盐土CEC的影响不容忽视；CaSP、MgSP和KSP对该地区盐土CEC有显著抑制作用。