江西省土壤阳离子交换量区域分布特征及其影响因素

康 婷，周春火，魏宗强，缪玉琳，卢志红

（江西农业大学国土资源与环境学院/江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，南昌 330045）

0 引言

土壤阳离子交换量（Cation Exchange Capacity，即CEC）是指在一定pH条件下，土壤胶体所能吸附和交换的阳离子的总量，即cmol(+)/kg[1]。土壤溶液中包括多种阳离子，测定土壤阳离子交换量能够评价土壤的保肥能力和缓冲性能[2-5]，也有利于土壤环境管理和土壤生态保护[6-7]。江西省的土壤以红壤和水稻土为主，水热资源丰沛，在农业生产方面具有良好的前景。目前，红壤存在着土壤侵蚀、酸化加剧及季节性干旱频发等问题，严重制约着该区域生产力的发展。江西省是中国水稻的重要产区，对中国的粮食安全起到重要的作用。因此，了解江西省土壤阳离子交换量的含量分布特征及影响因素是农业生产上采用合理的培肥增产措施的依据之一。

目前有很多关于对土壤阳离子交换量的含量分布特征及影响因素的研究报道，其中关于影响阳离子交换量的因素有：胶体的类型、胶体的数量以及土壤pH等条件[8-10]。前人研究表明，阳离子交换量大的土壤含腐殖质和2:1型黏土矿物较多；阳离子交换量小的土壤含高岭石和氧化物较多；阳离子交换量与黏粒含量呈现正相关关系；土壤的阳离子交换量随着土壤的pH的增大而增大[10-11]。不同地区因为各因素综合作用影响有一定的区别，所以不同地区的阳离子交换量也有一定的相差。杨秀珍等[6]对贵州典型铅锌矿区土壤阳离子交换量进行研究时发现旱地土壤的阳离子交换量高于水田土壤。黄尚书等[10]对江西红壤坡地进行研究发现土壤CEC主要受土壤粘粒含量和pH的影响。刘世全等[12]在西藏土壤上的研究表明，土壤CEC的空间变化，主要来源于土壤有机质积累的差异，在有机质含量较低的土壤中，其粘粒含量是影响土壤CEC的重要因素，另外土壤速效钾含量与土壤CEC呈显著正相关，土壤CEC高意味土壤保钾能力强。总之现有研究表明土壤的阳离子交换量因不同的地形、土壤[13]、植被[14]、土地利用方式[15-16]及人为管理措施[17]等因素呈现一定的差异。

研究江西省土壤阳离子交换量的含量分布特征及影响因素，对了解江西土壤的保肥性、缓冲性能具有非常重要的意义，进而为生产上合理利用土壤资源、培肥改良土壤、提高土壤生产力提供科学依据[18]。

1 材料与方法

1.1 土壤样品的采集

本试验所测样品系2006年采集江西省各县市具有代表性的水田和旱地耕层(0～25 cm)土样，共计370个，样点分布见图1。用GPS记录采样点的坐标，每样点采取5个样，混合所取的耕层土样，通过四分法，每样点用土袋装取1 kg左右，最后贴好标签带回实验室。试验在国土资源与环境学院重点实验室，于2019年7—12月份进行。

图1 江西省典型土壤耕层采样点的空间分布[19]

1.1.1 土壤样品的预处理 采集的土样拿回实验室及时处理，实验室要求阴凉、干燥、通风、无药品，将土样平铺于干净的塑料膜上，摊成薄层（厚约2 cm），进行风干。在此期间尽可能剔除所见的枯枝落叶、根茎、小石子、动物残体等杂物。阴干后，将土样碾磨过尼龙筛，制备成1 mm和0.25 mm的分析样品待用。

1.2 土壤阳离子交换量的测定

阳离子交换量(CEC)的测量采用乙酸铵交换法[20-23]。称取通过0.25 mm筛孔的风干土样1.00 g，加入容积为50 mL的离心管内，将少量乙酸铵加入离心管，用玻璃棒搅匀。再加入乙酸铵溶液，使其总体积约为30 mL，在此过程尽量洗净玻璃棒上的残余样品。对称放入离心机中离心3 min，转速4000 r/min，舍弃清液。加入少量乙醇溶液至约30 mL，用玻璃棒搅匀。然后对称放入离心机中离心3 min，转速为4000 r/min，弃去乙醇。反复用乙醇洗4次。弃去最后的乙醇，加入少量的去离子水，把泥浆尽量洗入凯氏瓶中，再加1 mL液体石蜡和0.5 g氧化镁，三角瓶中装有15 mL硼酸指示剂且连接在冷凝管下端，用蒸馏装置蒸馏。蒸馏约20 min后，用pH试纸检测蒸馏是否完全。最后用盐酸标准溶液滴定。同时做空白试验。

1.3 土壤养分的测定

用常规方法测定土壤有机质、速效氮、有效磷、速效钾、pH等[21]。

1.4 分级标准

据全国第二次土壤普查及有关标准，将土壤阳离子交换量分为5级（见表1）。

表1 土壤阳离子交换量(CEC)等级划分

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2007和SPSS 17.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 江西省旱地与稻田土壤阳离子交换量的差异

由表2可知江西省旱地和稻田土壤阳离子交换量(CEC)含量范围跨度较大，其CEC含量范围分别是2.1～16.9 cmol(+)/kg和2.2～17.9 cmol(+)/kg。江西省旱地与稻田土壤CEC值主要集中在6.2～10.5 cmol(+)/kg之间，稻田土壤的CEC值在此范围内占比29.16%，旱地土壤的CEC值在此范围内占比22.07%，可见江西省稻田土壤保肥性弱的土壤比旱地高7.09%，而且江西省旱地土壤保肥性中等以上的土壤比稻田高出2.74%。但土壤CEC含量小于6.2 cmol(+)/kg保肥力极低土壤，旱地占比高出稻田4.63%，总的看来，江西省土壤阳离子交换量(CEC)含量小于10.5 cmol(+)/kg的占比高达82.02%，且稻田土壤比旱地土壤高出2.46%。这表明江西省耕地土壤保肥能力弱，旱地保肥能力略强于稻田。

表2 江西省不同耕地类型阳离子交换量(CEC)的差异

2.2 江西省旱地土壤阳离子交换量区域分布特征

将土样分析结果根据采样地点分赣南、赣北、赣中、赣西、赣东北5个区域进行分析，由表3旱地土壤的平均数来看，江西省各区域土壤的CEC值均小于10 cmol(+)/kg，普遍偏低，保肥能力弱。5个区域相比较而言，赣北旱地土壤CEC值整体最高，在5.0～15.9 cmol(+)/kg之间，其中CEC的平均值为8.8 cmol(+)/kg；其次是赣西的CEC值较高，在3.7～16.3 cmol(+)/kg之间，平均值为8.5 cmol(+)/kg；赣中和赣东北旱地土壤的CEC值接近，分别在2.1～16.7 cmol(+)/kg之间以及2.6～16.3 cmol(+)/kg之间，且2个区域的CEC平均值相同，均为7.8 cmol(+)/kg；赣南旱地土壤CEC值最低，在2.1～16.9 cmol(+)/kg之间，平均值为6.6 cmol(+)/kg。一般认为保肥能力强的土壤CEC＞20 cmol(+)/kg，CEC在10～20 cmol(+)/kg为保肥能力中等的土壤，保肥能力弱的土壤CEC＜10 cmol(+)/kg[21-22]，由此可见江西省旱地土壤保肥能力强几乎没有，调查数据CEC＞20 cmol(+)/kg占比为零；各区域旱地土壤保肥力中等土壤占比大小依次为赣西(31.26%)＞赣中(23.81%)＞赣北(20%)＞赣东北(19.15%)＞赣南(9.09%)，而各区域保肥能力弱的旱地土壤介于68.75%～90.91%。

2.3 江西省稻田土壤阳离子交换量区域分布特征

由表3、4可知，江西省旱地土壤的CEC平均值略高于稻田，但各区域稻田土壤的CEC值也均小于10 cmol(+)/kg，保肥能力也较弱。在5个区域中赣西稻田土壤CEC平均值最高，为9.2 cmol(+)/kg，CEC值的含量范围在4.6～15.1 cmol(+)/kg之间；赣北和赣中稻田土壤的CEC平均值接近，分别为7.8 cmol(+)/kg和7.7 cmol(+)/kg，两者的CEC值含量范围分别为2.2～17.9、2.7～17.4 cmol(+)/kg；赣南稻田土壤CEC平均值含量最低，为6.7 cmol(+)/kg，CEC值的含量范围在2.2～12.3 cmol(+)/kg之间。由此可见保肥能力强的稻田土壤江西省也几乎没有；从各区域稻田土壤保肥力中等土壤占比来看，表现为赣西(28.13%)＞赣中(17.07%)＞赣北(16.13%)＞赣东北(10.87%)＞赣南(6.06%)，与旱地土壤规律高度一致，但各区域保肥能力弱的稻田土壤介于71.88%～93.93%，保肥能力弱的稻田土壤占比明显高于旱地。

表3 江西省旱地土壤阳离子交换量(CEC)区域分布

表4 江西省稻田土壤阳离子交换量(CEC)区域分布

2.4 江西省土壤阳离子交换量与土壤养分的相关分析

2.4.1 江西省旱地土壤阳离子交换量与土壤养分的相关分析 由表5可知江西省赣南旱地土壤CEC与土壤pH、速效K和全K之间具有极显著(P＜0.01)正相关，与碱解N和全P之间具有显著(P＜0.05)正相关，与有机质、有效P、全N之间关系不显著；江西省赣北旱地土壤CEC与有机质、全N之间具有显著(P＜0.05)正相关，与pH、碱解N、有效P、速效K、全P、全K之间关系不显著；赣中旱地土壤CEC与有机质、碱解N、全N之间具有极显著(P＜0.01)正相关，与全P之间具有显著(P＜0.05)正相关，与pH、有效P、速效K、全K之间关系不显著；赣西旱地土壤CEC与有机质、速效K之间具有极显著(P＜0.01)正相关，与pH、碱解N之间具有显著(P＜0.05)正相关，与有效P、全N、全P、全K之间关系不显著；赣东北旱地土壤CEC与pH、有机质、碱解N、有效P、速效K、全N、全P、全K之间关系不显著。总的来说，江西省各区域的阳离子交换量受有效P的影响力最小。

表5 江西省旱地土壤阳离子交换量(CEC)与土壤养分的相关分析

2.4.2 江西省稻田土壤阳离子交换量与土壤养分的相关分析 由表6可知江西省赣南稻田土壤CEC与有机质之间具有极显著(P＜0.01)正相关，与全N、全P、全K之间具有显著(P＜0.05)正相关，与土壤pH、碱解N、有效P、速效K之间不显著；赣北稻田土壤CEC与pH、有机质、碱解N、有效P、速效K、全N、全P、全K之间关系均不显著；赣中稻田土壤CEC与全N之间具有显著(P＜0.05)正相关，pH、有机质、碱解N、有效P、速效K、全P、全K之间不显著；赣西稻田土壤CEC与有机质、全K具有极显著(P＜0.01)正相关，与全N具有显著(P＜0.05)正相关，与pH、碱解N、有效P、速效K、全P之间不显著；赣东北稻田土壤CEC与土壤有机质、全N之间具有极显著(P＜0.01)正相关，与pH之间具有显著(P＜0.05)正相关，与碱解N、有效P、速效K、全P、全K之间关系不显著。

表6 江西省稻田土壤阳离子交换量(CEC)与土壤养分的相关分析

3 结论与讨论

本研究表明江西省旱地和稻田土壤阳离子交换量(CEC)含量整体偏低且变幅较大，其CEC含量范围分别是2.1～16.9 cmol(+)/kg和2.2～17.9 cmol(+)/kg。土壤阳离子交换量(CEC)含量小于10.5 cmol(+)/kg的占比高达82.02%，且稻田土壤的占比比旱地土壤高出2.46%。说明江西省耕地土壤保肥能力弱，旱地保肥能力略强于稻田。这与杨秀珍等[6]的研究结果一致。张雪姣等[24]测的北京市昌平区土壤阳离子交换量平均值为14.9 cmol(+)/kg，与江西省各区域土壤CEC平均值7.89 cmol(+)/kg相差较大，其中原因正如白志强等[11]对四川盆地西缘土壤研究发现气候因素温度和降水是土壤CEC的决定性影响因素，北京市昌平区属于温带季风气候，该地区地势低平，多为平原地貌，土壤主要为轻壤质潮土，而本研究江西省地区属于中亚热带季风气候，降雨量丰富，且降雨量大于蒸发量，土壤脱硅富铝化严重，土壤质地主要为中壤土和重壤土，导致江西省旱地和稻田土壤阳离子交换量普遍偏低，保肥能力弱[25]。

本研究结果表明江西省各区域旱地土壤和稻田土壤CEC含量＞10 cmol(+)/kg、保肥力中等以上的土壤占比高度一致，表现为赣西＞赣中＞赣北＞赣东北＞赣南，但同一区域土壤CEC旱地均高于稻田，其中占比最高的为赣西旱地31.26%，最低为赣南稻田6.06%。各区域不同耕作制度下土壤CEC之所以存在差异可能与不同区域的主要影响因素不同密切相关，本研究中赣北、赣中旱地以及赣南、赣西稻田的土壤CEC与土壤有机质含量之间存在显著或极显著正相关性，与土壤pH之间相关性极低，这与李艳等[26]对黑龙江西部地区土壤CEC研究结果基本一致；本研究中赣西旱地以及赣东北稻田的土壤CEC与有机质含量、pH极显著和显著相关，与许亚琪[27]、王晓春[28]等研究结果相一致。可能因决定土壤CEC大小的因素是土壤胶体表面积的大小和土壤胶体所带负电荷的数量。本试验土壤有机质含量较高，大于20 g/kg的占比近60%，导致土壤中有机胶体、有机无机复合胶体多，土壤胶体表面积大、所带负电荷多，土壤CEC高。而本试验各区土壤pH总体呈酸性均值介于pH 5.12～5.72，在pH变异系数相对大的区域，土壤CEC与pH显著相关，而pH变异系数相对小的区域pH变化对土壤CEC影响较小。可能在pH变异系数相对大的区域随着pH的升高，土壤胶体所带负电荷增加相对明显。

土壤阳离子交换量除主要受土壤有机质含量和pH影响外，本研究结果表明江西省旱地土壤阳离子交换量主要受有机质、碱解N显著影响，其次是土壤pH、速效K、全N、全P、全K的影响，而有效P影响力较小；江西省稻田土壤阳离子交换量主要受有机质、全N显著影响，其次是土壤pH、全P、全K的影响，而有效P、碱解N、速效K影响力较小。其原因可能与土壤CEC的大小除取决于土壤胶体的比表面积和表面负电荷密度外[29]，还与土壤中盐基离子含量高低及养分变异系数差异大小密切相关。本试验土壤中速效K含量较低且速效K含量稻田低于旱地，碱解N较为丰富，碱解N含量稻田大于或近等于旱地，但各区域稻田碱解N含量变异系数差异较小。土壤有效磷对旱地和稻田土壤CEC影响较小，均不显著，可能与酸性土壤中磷的吸附能力与土壤中氧化铁、氧化铝的含量呈正相关，土壤中铁铝与土壤磷形成闭蓄态磷(Al-P，Fe-P)[30]，从而减弱土壤胶体对其吸附。土壤全N与土壤有机质对土壤CEC影响相一致，可能因土壤中氮素绝大部分为有机结合形态，土壤全N含量与有机质存在显著正相关性相关。而不同区域全磷、全钾对土壤CEC影响差异与土壤中全磷、全钾组成形态及其占比复杂程度有关。

总的来说，江西省土壤阳离子交换量主要受有机质、全N显著(P＜0.05)影响，其次是土壤pH、速效N、速效K、全P、全K的影响，而有效P的影响力最小。因此，在对江西省土壤进行施肥时，应该适量施用石灰粉，以改良土壤的pH，同时合理地进行有机肥和无机肥的配施，提高土壤的阳离子交换量(CEC)，从而促进江西省土壤的保肥能力和缓冲能力。