黄土高原典型植被群落对土壤表面电化学性质的影响及其空间差异

杨亚楠， 刘均阳， 王佩佩， 杨晓晶， 周正朝

(陕西师范大学地理科学与旅游学院，西安 710119)

土壤是陆地生态系统的重要组成部分，是连接水圈、生物圈、大气圈、岩石圈的重要纽带，是众多物理、化学及生物过程发生的主要场所。土壤表面电化学性质是土壤具有一系列物理、化学性质的根本原因，对土壤肥力、团聚体稳定性、入渗、土壤侵蚀等诸多宏观土壤特性具有深远的影响。因此，土壤表面电化学性质的研究对认识土壤系统的现象与功能具有重要意义。

土壤表面电化学性质主要包括土壤阳离子交换量、比表面积、表面电荷密度、表面电场强度及表面电位。土壤表面电化学性质既受土壤机械组成、有机质、pH、土壤矿物组成等土壤内部因素的影响，又受土地利用方式(如植被恢复)等外部因素的影响。植被可通过2种方式对土壤表面电化学性质产生影响，首先，植被生长能有效促进土壤黏化作用，减小土壤细颗粒的流失，而黏粉粒的富集可以有效促进土壤阳离子交换量和土壤比表面积的增加；其次，植被通过枯枝落叶及根系分泌物提高土壤有机质的含量，有机质中包含大量的腐殖质(占土壤有机质90%以上)，腐殖质是可变电荷的重要来源，从而有效地改变土壤表面电化学性质。

目前，关于植被恢复对土壤表面电化学性质影响的研究，主要集中于同一区域的相似环境条件下进行，不同区域间植被恢复对土壤表面电化学性质影响的空间差异还鲜有报道，制约了大尺度上植被对土壤表面电化学性质影响的认识。因此，研究不同区域典型植被群落对土壤表面电化学性质的影响，对于较大尺度上植被恢复生态效应综合评价及管理具有较强意义。黄土高原是我国生态环境最为脆弱的地区之一，为治理黄土高原地区强烈的土壤侵蚀，国家推行了退耕还林(草)政策。在这一政策背景下，黄土高原地区植被得到显著恢复，生态环境得到有效改善。黄土高原区域年均温、降水量、土壤类型等都呈现地带性分布特征，其不同区域植被的生长和恢复存在一定的差异，同种植被对土壤性质的影响也存在空间差异性。

因此，本研究以黄土高原不同区域间(永寿墚、坊塌、六道沟)2种乡土植被群落类型(铁杆蒿(Web.)、长芒草(Trin.))为研究对象，对比分析典型植被群落对土壤表面电化学特性的影响及空间差异，以期加深较大尺度上植被恢复对土壤表面电化学性质的影响的认识，并为科学评估植被恢复措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄土高原位于我国黄河中上游地区(33°41′—41°16′N，100°52′—114°33′E)，海拔800～3 000 m，面积6.4×10km，是世界上最大的黄土堆积平原。气候类型属温带大陆性季风气候，年均气温6.6～14.3 ℃，年均降水量466 mm，降水分布不均，从东南向西北递减。黄土高原土壤具有地带性分布特征，从东南向西北，土壤类型依次为塿土和褐土、黄绵土和黑垆土、灰钙土、栗钙土、棕钙土、棕漠土、风沙土等。

1.2 试验样地及样品采集

通过野外实地调研，在黄土高原3个典型区域，即咸阳市永寿墚(黑垆土)、延安市安塞区坊塌小流域(黄绵土)、榆林市神木县六道沟小流域(砂黄土)进行采样。由于研究区主要以草本植物为主，因而挑选了乡土植物群落长芒草和铁杆蒿样地作为研究样地，所选样地均为植被恢复10年以上的退耕地，采样时间为2020年7—9月。同时,以样地附近退耕1年的撂荒地作为对照。在每个土壤类型区选择坡向、位置相近的3个坡面作为重复。

采样时，选择植被长势均匀的坡面作为采样点(表1)。在每个样点开挖30 cm深的土壤剖面，去除地表枯落物，分2层(0—15，15—30 cm)进行采样。将采得的土壤样品装入自封袋，并进行标记后带回实验室进行分析测定。

1.3 土壤性质测定

土壤容重采用环刀法测定；土壤有机质采用外加热重铬酸钾容量法—外加热法测定；pH使用pH计(奥豪斯仪器有限公司--ST3100，中国)结合电位法测定(土∶水=1∶2.5)；土壤机械组成采用激光粒度仪(马尔文仪器公司--MS2000，英国)测定。

土壤电化学性质采用联合法测定。黄土高原地区土壤中的碳酸盐含量较高，在测定前先对土壤进行脱钙处理。先称取100 g土样置于1 L的烧杯中，加入0.5 mol/L的HCl溶液，振荡5 h离心去除上清液，重复该过程3次，直至无CO气体产生。随后样品中加入1 L的0.1 mol/L HCl，振荡5 h，离心去除上清液，重复该过程3次，完成最后1次离心后加入等体积纯水，重复土样振荡和离心的过程，即制备得到氢饱和样。取出土样放入烘箱中烘干(70 ℃，5 h)，然后过0.25 mm筛备用。称取5 g氢饱和样放置于150 mL的三角瓶中，加入25 mL 0.01 mol/L的Ca(OH)溶液振荡24 h，然后再加入同体积0.01 mol/L的NaOH溶液，再次振荡24 h。振荡后用1 mol/L HCl 溶液调节土壤悬液pH，使土壤悬液pH保持在7左右。使用电感耦合等离子体发射光谱仪(Spectro—Arcos，德国)测定上清液Ca和Na的浓度。土壤阳离子交换量(CEC)采用NaOAc法测定，使用电感耦合等离子体发射光谱仪(Spectro—Arcos，德国)测定上清液Na的浓度，计算土壤阳离子交换量(CEC)。土壤电化学性质参数计算公式为：

=-00213ln (05)+12331

=2-

表1 样地基本信息

1.4 数据处理

运用Excel 2016和SPSS 22软件对数据进行多重比较(LSD)(<0.05)；用Pearson相关系数评价土壤基本理化性质与电化学性质的相关关系；运用Canoco 5软件对土壤基本理化性质与电化学性质进行冗余分析(RDA)。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性质

在0—15 cm土层，永寿墚土壤机械组成以粉粒为主，占土壤颗粒机械组成的63.36%，砂粒占29.42%，其黏粒与粉粒显著高于坊塌及六道沟，砂粒含量显著低于坊塌及六道沟(<0.05)。坊塌和六道沟以砂粒为主，分别占土壤颗粒机械组成的71.81%和71.25%。3个地区铁杆蒿样地与长芒草样地较撂荒地黏粉粒增加，砂粒减少，但仅六道沟达到显著性差异。15—30 cm土层与0—15 cm土层基本一致，植被恢复样地黏粉粒含量高于撂荒地、砂粒含量小于撂荒地，但未表现出显著性差异(表2)。

表2 黄土高原典型植被群落对土壤理化性质的影响

对于土壤有机质含量，3个研究区之间的差异明显大于研究区内部差异。其中，永寿墚地区有机质含量显著大于坊塌及六道沟，其有机质的最小值(撂荒地)仍高于坊塌及六道沟的最大值。在0—15 cm土层，永寿墚及六道沟，植被恢复样地有机质显著大于撂荒地；坊塌地区未达到显著性差异。15—30 cm土层土壤有机质表现与0—15 cm基本一致，但同一地区内植被恢复地与撂荒地均无显著性差异。

在0—15 cm土层，六道沟容重最高，坊塌次之，永寿墚地区最低。3个地区撂荒地容重均高于植被恢复样地，其中永寿墚及六道沟表现出显著性差异；15—30 cm土层与0—15 cm表现基本一致。在0—15 cm土层，研究区pH为7.57～8.07。坊塌pH最高，六道沟次之，永寿墚最小，研究区之间pH差异较小。在永寿墚、六道沟铁杆蒿样地及长芒草样地pH显著低于撂荒地。15—30 cm土层与0—15 cm土层基本一致，3个地区植被恢复样地与撂荒地之间均无显著性差异。

2.2 典型植被群落下土壤阳离子交换量的变化特征

由图1可知，对于0—15 cm土层，土壤阳离子交换量为7.26～24.34 cmol/kg。永寿墚地区，铁杆蒿和长芒草群落分别是撂荒地1.68，1.19倍，铁杆蒿群落与撂荒地差异显著(<0.05)；坊塌地区，铁杆蒿和长芒草群落与撂荒地无显著差异；六道沟地区，铁杆蒿和长芒草群落显著高于撂荒地(<0.05)，分别是其2.02，1.61倍。对于15—30 cm土层，土壤阳离子交换量为6.69～17.48 cmol/kg。永寿墚地区长芒草群落下土壤阳离子交换量显著高于撂荒地；六道沟地区长芒草与铁杆蒿分别显著高于撂荒地。相比于撂荒地，典型植被群落下土壤阳离子交换量表现为永寿墚地区增量最多，而六道沟地区变化率最大，说明植被恢复促进阳离子交换量的增加，但其变化存在空间差异。

注:图柱上方不同大写字母表示同一植被类型不同地区之间差异显著(p<0.05)；不同小写字母表示同一地区不同植被类型之间差异显著(p<0.05)；Ⅰ、Ⅱ表示采样位置分别为0—10，15—30 cm土层。下同。

2.3 典型植被群落下土壤比表面积的变化特征

由图2可知，在0—15 cm土层，土壤比表面积为8.32～147.38 m/g。永寿墚、坊塌及六道沟地区，铁杆蒿和长芒草群落下土壤比表面积分别是撂荒地的1.24，1.41倍，2.07，1.42倍和9.16，6.70倍，其中，神木地区2种典型植被均为显著变化(<0.05)。在15—30 cm土层，土壤比表面积为7.29～182.29 m/g。六道沟典型植被群落土壤比表面积显著高于撂荒地。六道沟地区典型植被群落下土壤比表面积的变化率最高，而永寿墚地区典型植物群落下土壤比表面积的增量最大，说明植被恢复可以促进土壤比表面积的增加且存在空间差异性。

图2 黄土高原典型植被群落样地土壤比表面积

2.4 典型植被群落下土壤表面电荷密度的变化特征

随土层深度增加，土壤表面电荷密度无明显变化，为0.08～2.04 C/m(图3)。永寿墚及坊塌地区，撂荒地土壤表面电荷密度分别是铁杆蒿和长芒草群落1.42，1.35倍和1.63，2.03倍，其差异未达到显著性水平；六道沟地区，撂荒地分别是铁杆蒿和长芒草群落的10.52，6.26倍，撂荒地土壤表面电荷密度显著高于铁杆蒿和长芒草群落(<0.05)。不同研究区土壤表面电荷密度均表现为植被群落样地<撂荒地，说明植被恢复可以促使土壤表面电荷密度的降低，但仅六道沟地区达到显著性差异。

2.5 典型植被群落下土壤表面电场强度的变化特征

随土层深度增加，土壤表面电场强度无明显变化，其变化范围为1.11～28.46 10V/m(图4)。永寿墚及坊塌地区，撂荒地表面电场强度分别是铁杆蒿和长芒草群落1.42，1.35倍和1.63，2.03倍，其差异未达到显著性水平；六道沟地区，撂荒地分别是铁杆蒿和长芒草群落的10.05，5.98倍，撂荒地表面电场强度显著高于铁杆蒿和长芒草群落(<0.05)。不同研究区土壤表面电荷密度和表面电场强度均表现为植被群落样地<撂荒地，说明植被恢复可以促使土壤表面电荷密度和表面电场强度的降低，且对六道沟的影响最为显著。

图3 黄土高原典型植被群落样地土壤表面电荷密度

图4 黄土高原典型植被群落样地土壤表面电场强度

3 讨 论

3.1 植被对土壤表面电化学性质的影响

本研究表明，植被生长可以促进土壤阳离子交换量及比表面积的增加，表面电荷密度和表面电场强度的减小。陈晶晶和马任甜等得到了相似的结果，并提出这种变化可能是植被恢复过程中有机质与黏粉粒含量的显著变化所导致。植被恢复可以减少雨滴击溅和径流冲刷，减少黏粉粒的损失以及形成稳定的成土环境，增强了土壤黏化作用，使土壤的黏粉粒含量增加，砂粒含量减少。此外，植物恢复过程中还可以通过枯枝落叶及根系分泌物增加土壤碳含量，并减少分解和侵蚀的有机质损失，以此来增加土壤有机质的含量。

本研究中，土壤表面电化学性质与理化性质具有很好的相关性(表3)，且粉粒含量和有机质含量是电化学性质的变化的主要贡献者，对电化学性质变化的解释方差为61.0%，11.1%(图5)，与马任甜等的研究结果一致。通常情况下，土壤颗粒中细颗粒(黏粒和粉粒)含量越高，土壤颗粒的比表面积就越大，表面吸附的电荷数量就越多。而有机质(以腐殖质为主)可以通过其官能团的解离产生可变负电荷，使土壤表面电荷数量增加；且有机质由三维多聚相组成，具有较高的内表面积，因此，土壤有机质含量越高，土壤比表面积越大；随着有机质含量的增加，大量有机质胶体被土壤颗粒表面的吸附力固持于土壤细颗粒的表面，颗粒间双电层结构被充分压缩，使得土壤颗粒表面电荷密度降低。因此，本研究中有机质含量及黏粉粒含量(其中神木地区达到显著变化)的提高，是植被改变土壤电化学性质的重要原因。

在同种土壤类型下(黄绵土)，本研究中铁杆蒿和长芒草的土壤阳离子交换量、比表面积与马任甜等研究的草本植物白羊草(15.54 cmol/kg，53.01 m/g)结果相似，低于沙棘、山杨、白桦、辽东栎(16.60～19.52 cmol/kg，55.3～61.39 m/g)等乔灌木研究结果。其可归因于乔灌木具有更长的演替时间及更高的细根生产周转率，植物根系可通过分泌有机质及固结或富集土壤中的黏粒和粉粒，从而对土壤阳离子交换量及比表面积产生不同的影响。此外，土壤阳离子交换量是土壤肥力的重要特征之一，是土壤质量变化、保肥、供肥能力、和酸碱缓冲能力的重要标志，也是改良土壤和合理施肥的重要依据之一，因此，土壤阳离子交换量的增加与植被生长呈正向作用。

此外，本研究表明，土壤表面电化学性质(土壤阳离子交换量与比表面积)与pH呈现显著负相关关系(表3)。土壤pH变化和土壤有机酸有关，而植物被恢复过程中根系的分泌物以及植物残体分解都会引起土壤有机酸的富集，促使土壤pH降低。余正洪等研究表明，随着pH的降低，可变电荷土壤(红壤和黄壤)及恒电荷土壤(紫色土)表面阳离子交换量与比表面积显著减小，是因为其试验是通过设定不同土壤pH环境来测定土壤电化学性质的。本研究中的pH用以表征土壤本身的酸碱情况，而同一土壤类型下土壤pH差异较小，且土壤电化学性质主要受有机质含量及土壤机械组成的影响，故呈现不同的结果，这与黄土高原子午岭地区Liu等的相关研究结果一致。

表3 土壤理化性质和土壤电化学性质的相关性

注：CEC、S、σ0、E0、φ0、Clay、Silt、Sand、SOM、BD分别表示阳离子交换量、比表面积、表面电荷密度、表面电场强度、表面电势、黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、土壤有机质、容重。

3.2 不同植被群落对土壤表面电化学性质影响的空间差异

同一植被群落下，不同研究区土壤表面电化学性质存在差异。永寿墚地区土壤阳离子交换量及比表面积的增量最大，而六道沟土壤阳离子交换量、比表面积、表面电荷密度、表面电场强度的变化率最大，可能受到水分条件、土壤类型及土壤侵蚀等因素的影响。黄土高原水分条件南北分异是造成植物地上生物量、细根生物量差异的重要原因。其中，黄土丘陵沟壑区由南到北(降水558.4～389.6 mm)细跟生物量为4.26～1.49 kg/m，而地上生物量和细根生物量及其周转与有机质密切相关，随地上生物量及细根生物的增加有机质显著增加；此外，有机质与土壤质地密切相关，3个研究区位于不同的土壤类型区，土壤机械组成有较大差异(表2)，而砂粒含量占比越大越，不利于有机质的积累。因此，黄土高原地区有机质呈现由南至北递减趋势。已有研究表明，有机质是植被影响土壤表面电化学性质的重要原因，一般情况随着有机质的增加土壤阳离子交换量、比表面积增加，表土壤面电场强度和表面电势减小。因而，水分条件和土壤类型的空间差异，造成了植被对表面电化学性质影响的空间差异。

本研究中，永寿墚地区位于黄土高原南部，年均降水量、黏粒粉粒显著高于其他2个地区，因此，永寿墚的有机质增量最大(表2)，可能是永寿墚地区土壤表面电化学性质具有较高增量的原因。六道沟地区位于黄土高原北部风蚀水蚀交错带，土壤侵蚀严重，土壤含沙量高于永寿墚及坊塌地区，使得有机质的更易损失而不易积累，因此，撂荒地有机质含量显著低于坊塌及永寿墚地区(表2)。植被恢复降低了土壤侵蚀强度，促使有机质含量及黏粉粒相较撂荒地的显著增加(六道沟地区0—15 cm长芒草群落有机质含量是撂荒地的5.82倍，黏粉粒是撂荒地的1.83倍)，是六道沟地区土壤表面电化学性质具有较大变化率的重要原因。

4 结 论

(1)黄土高原地区典型植被群落生长可有效改变土壤理化性质，提高土壤黏粒、粉粒、有机质含量，降低土壤pH、容重、砂粒含量。

(2)同一区域内，相较于撂荒地，典型植被群落的土壤阳离子交换量、土壤比表面积增加，土壤表面电荷密度及土壤表面电场强度减小。不同区域间，同一植被群落对土壤表面电化学性质的影响呈现空间差异性，其中，土壤表面电化学性质在黄土高原南部永寿墚地区的增量最大，而黄土高原北部六道沟地区的变化率最高。

(3)黄土高原典型植被群落下土壤理化性质变化可以较好解释土壤表面电化学性质的变化，粉粒含量和有机质含量是影响土壤表面电化学性质最重要的因素。