清凉峰自然保护区土壤阳离子交换量的剖面分布特征及其影响因素1)

童根平 姜霓雯 傅伟军 叶正钱

(浙江清凉峰国家级自然保护区管理局，杭州，311321)(浙江农林大学)

土壤阳离子交换量(CEC)是土壤胶体所能吸附和交换的阳离子总量[1]，能反映土壤的保肥供肥和缓冲能力，对土壤中重金属的生物有效性、作物对营养元素的吸收和污染物迁移转化均有一定的影响[2-3]，因此常被作为土壤质量评价和土壤改良、分类等研究的重要指标[4]。大量研究表明，土壤阳离子交换量受到土壤有机质、养分、质地、地形以及人为管理措施等多种因素影响[5-7]。例如，阳离子交换量高的土壤含腐殖质较多，且不同来源的腐殖酸的阳离子交换量差异较大[8-9]；土壤阳离子交换量与土壤矿质颗粒呈显著相关性，黏粒是土壤阳离子交换量的主要贡献者[10]；土壤阳离子交换量常随海拔升高逐渐增加[11]；不同母质发育的土壤阳离子交换量也有较大的差异，灰岩发育的土壤中阳离子交换量显著高于火山碎屑岩发育的土壤[12]等。但以往对土壤阳离子交换量的研究普遍集中于农田[13]和经济林[14]，对于山区自然森林土壤的相关研究较少。

浙江省清凉峰自然保护区地处皖浙丘陵山区，区域内植被垂直景观层次分明，土壤带谱明显，属浙西地区原生性较好的山地森林土壤，区域内保存着多种珍稀、濒危动植物。目前对清凉峰国家级自然保护区的研究主要侧重于森林植被和动物保护方面[15-16]，土壤阳离子交换量与区域内土壤质量状况密切相关，是研究保护区成土过程和土壤发育的基础。为此，本文拟通过研究区内典型土壤剖面阳离子交换量的分布特征，探究了土壤类型、质地组成和肥力指标等因素对土壤阳离子交换量的影响，明确该区域土壤的保肥供肥能力，为进一步摸清研究区植被分布及生长特征提供理论数据，为亚热带自然保护区的土壤特性、土壤分类的研究以及植被保护等提供科学指导。

1 研究区概况

清凉峰自然保护区地处浙西北地区(118°50′57″～119°13′23″E，30°42″～30°19′33″N)，地处华东皖浙丘陵山区，由千顷塘、龙塘山和顺溪坞3个区域组成，总面积为11 252 hm2，主峰清凉峰，海拔1 787.4 m，系浙西第一高峰，区域内地势高差悬殊，地形复杂多样，最低处海拔318 m，年均温12.5 ℃，年降水量1 862.2～2 331.9 mm。清凉峰保护区内主要出露的地层，有最古老的前震旦系上墅组和最年轻的侏罗系；岩性多样，主包有火凝灰岩、泥砂岩、硅质岩和中酸性侵入岩[17]。清凉峰保护区内的土壤垂直带变动特征明显，主要随海拔高度变化而变化；土壤地域性随水文、地质和小地形变化而变化。清凉峰保护区位于中亚热带季风气候区北缘，与其相应的矿物风化类型为硅铝型；土壤类型主要属黄红壤、棕黄壤；随着海拔升高，土壤的垂直结构由低到高呈现红壤带、山地黄壤带、山地棕黄壤带及草甸土带的垂直带谱[18]。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

根据清凉峰自然保护区的地势特点、植被类型和母岩分布设置土壤剖面点，在代表性的植被类型区域根据海拔由低至高依次布设样点，于2020年11月—2021年3月观察采集了20个土壤剖面样点(表1)。并按剖面的[0，10)cm、[10，30)cm和[30，60]cm分层采集土壤样品(分别称为表层、表下层、心土层)，每层多点采样制成混合土样，装入塑封袋中，带回实验室风干、去杂、研磨过筛备用。同时记录采样地点、海拔和植被类型等信息。

表1 样地自然概况

土壤性质测定参照土壤农化分析[19]，其中土壤阳离子交换量(CEC)采用乙酸铵交换法测定；土壤有机质采用重铬酸钾-外加热法；碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用碳酸氢钠浸提钼蓝比色法；速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度计法测定；土壤粒径组成采用比重计法测定，按美国土壤质地分类制分为砂粒[0.05～2.00 mm)，粉粒[0.002～0.050 mm)和黏粒(<0.002 mm)。

2.2 土壤阳离子交换量分级标准

根据全国第二次土壤普查及相关标准[20]，土壤阳离子交换量分级情况如下(表2)。

表2 土壤阳离子交换量(CEC)等级划分

2.3 数据处理

运用SPSS 20.0进行各指标的统计分析，采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)进行指标间的差异比较，采用R软件进行相关分析，其余图件均由Origin 2018绘制。

3 结果与分析

3.1 土壤垂直剖面的肥力指标统计特征

清凉峰自然保护区土壤不同层次的阳离子交换量和各肥力指标见表3。根据表2的等级划分可知，自上而下3个土层的平均土壤阳离子交换量分别为36.07、20.29和14.86 cmol/kg。根据全国第二次土壤普查中土壤阳离子交换量的分级标准，土壤阳离子交换量>20.0 cmol/kg为保肥能力强，阳离子交换量在[15.4,20.0)cmol/kg为保肥能力中等，阳离子交换量<10.5 cmol/kg为保肥能力弱的土壤。由此可见研究区土壤保肥性整体处于中等以上水平，其表层[0～10 cm)土壤阳离子交换量达到一级水平，显著高于其他两个土层。

表3 剖面中不同层次土壤的理化指标

整体上，随着土壤剖面深度的增加，所有肥力指标都呈下降趋势，表层土壤阳离子交换量约是心土层土壤阳离子交换量的2.43倍，可见土壤阳离子交换量与其他肥力指标的变化趋势较为一致，该结果符合一般规律[21-22]，表明土壤阳离子交换量与有机质以及氮、磷、钾元素之间存在一定的相互影响性。各个土层的土壤w(有机质)、w(碱解氮)、w(速效磷)和w(速效钾)分别介于15.59～54.30 g/kg、31.38～83.63、0.65～4.72和82.61～153.39 mg/kg之间，其中表层与其他土层之间的这些指标也存在显著差异(P<0.05)。心土层土壤[30～60 cm]砂粒质量分数显著高于其他两个土层；黏粒质量分数在各个土层之间也存在显著差异(P<0.05)，并且表层土壤的黏粒质量分数最高；各土层之间粉粒质量分数不存在显著差异。

3.2 土壤剖面粒径分布特征

根据美国土壤质地分类制将土壤粒径组成大小分为砂粒(0.05 mm≤粒径<2.00 mm)、粉粒(0.002 mm≤粒径<0.050 mm)和黏粒(粒径<0.002 mm)，其质量分数占比分别为24.79%～52.6%，26.91%～47.01%和16.55%～39.47%；均值分别为38.61%，34.96%和26.42%。通过土壤质地三角图可知(图1)，清凉峰自然保护区的土壤质地主要为黏壤土、壤土、粉质黏壤土和砂质壤土。其中，表层土壤主要为黏壤土和壤土，少部分为黏土、粉质黏土和粉质黏壤土；表下层土壤主要为黏壤土和壤土，极少数为粉质黏壤土和粉壤土；心土层土壤主要为壤土和砂质壤土，少部分为砂质黏壤土、黏壤土和粉壤土。可见，随着土壤剖面深度的增加，土壤黏性减弱，砂性随之增强。

图1 研究区土壤质地三角图

3.3 不同土壤类型和海拔梯度下土壤阳离子交换量变化特征

由表4和表5可知，不同土壤类型与海拔等级下的各土层阳离子交换量均存在一定的差异性，并且阳离子交换量在土壤类型、海拔等级的影响下具有较为相似的变化趋势。不同土壤类型间的阳离子交换量均值依次为山地黄壤(25.92 cmol/kg)>山地草甸土(25.52 cmol/kg)>山地棕黄壤(23.33 cmol/kg)>山地黄红壤(23.17 cmol/kg)>山地红壤(19.44 cmol/kg)；将海拔带划分为1等级(500 m≤h<800 m)、2等级(800 m≤h<1 000 m)、3等级(1 000 m≤h<1 200 m)和4等级(h≥1 200 m)，其土壤阳离子交换量均值依次为2级(25.67 cmol/kg)>4级(25.43 cmol/kg)>3级(22.58 cmol/kg)>1级(22.03 cmol/kg)，表明5种土壤类型的保肥、供肥和缓冲能力具有一定的差异性，且受海拔的影响较为强烈。

表4 不同土壤类型的阳离子交换量变化特征

表5 不同海拔梯度下阳离子交换量变化特征

3.4 土壤阳离子交换量与其他理化指标的相关分析

研究区不同层次土壤剖面的阳离子交换量和其他理化指标的相关分析结果显示(表6)，表层土壤阳离子交换量与砂粒呈极显著负相关(P<0.01)，与粉粒呈正相关，与黏粒呈极显著正相关(P<0.01)；表下层土壤阳离子交换量与砂粒之间具有显著负相关性(P<0.05)，与粉粒和黏粒呈正相关，但相关性不显著；心土层土壤阳离子交换量与砂粒、粉粒、黏粒的相关性均未达到显著水平。其他肥力指标的相关分析结果表明，表层土壤阳离子交换量与有机质呈显著正相关(P<0.05)，与速效钾呈极显著正相关(P<0.01)。表下层土壤阳离子交换量、心土层土壤阳离子交换量与其他肥力指标的相关性均未达到显著水平。

表6 研究区土壤理化指标的Pearson相关系数

4 讨论

以上结果显示清凉峰自然保护区土壤阳离子交换量整体处于三级以上水平，具较高的保肥性。土壤阳离子交换量在剖面上的变化趋势与土壤有机质等肥力指标的变化趋势较为一致，表层土壤阳离子交换量与有机质和速效钾呈显著正相关。土壤阳离子交换量以土壤胶体为载体，其大小由土壤胶体比表面积和表面负电荷密度决定，其中的腐殖质成分具有较大的比表面积和大量可水解产生负电荷的官能团，增加土壤胶体表面阳离子的吸附点位，从而提高土壤的阳离子交换量[23-26]。本研究区属于原生性条件较好的自然保护区，森林生态保存完好，有机质回归土壤的能力较强[27]，且处于两浙西路海拔最高区域，日均气温较低，有机质矿化速度较慢，人为扰动小，有利于有机质积累，是土壤具有较高阳离子交换量的主要原因。有研究指出，旱地土壤阳离子交换量对速效钾的保蓄有较大影响，土壤中速效钾主要以交换性K+为主，后者易被土壤黏土矿物吸附[28]。本文结果显示表层土壤的阳离子交换量与黏粒呈极显著正相关，说明土壤矿质颗粒对土壤阳离子交换量的贡献主要来自黏粒。

土壤质地组成较大程度上影响着土壤质量，不同质地的土壤碳、氮、磷质量分数及土壤团聚体都随着土壤质地由细变粗逐渐降低[29]，且土壤黏粒有机碳结构比砂粒有机碳结构稳定[30]。本研究表明随着土壤剖面深度的增加，土壤黏性减弱，砂性增强，土壤质地变轻(图1)，土壤砂粒和速效钾、碱解氮以及有机质都呈现显著的负相关，黏粒与有机质和速效钾之间存在显著正相关，与上述随着剖面深度增加土壤肥力指标水平下降的结果相一致。不同粒级土壤矿质颗粒的比表面积和矿物晶体组成具有显著差别[31]，砂粒的比表面积小，交换点位较少，吸附能力弱，导致了土壤砂粒的保水保肥能力不及黏粒[32]。与其他肥力指标相比，土壤速效磷与土壤阳离子交换量的相关性均不显著，其与酸性土壤对磷元素的吸持固定有关[33]，即土壤中较高的氧化铁与磷形成闭蓄态磷(Al-P，Fe-P)[34]。

不同土壤类型之间的阳离子交换量也存在较大差异，且与海拔的变化有关，这与山地土壤垂直带谱的分布受到海拔的影响有关[35-36]。随着海拔高度增加，气温和蒸发量下降，湿度变大，成土过程中的生物化学作用减弱，有机质易于积累，进而提高了土壤阳离子交换量[37]。本研究显示山地黄壤的土壤阳离子交换量最高，山地草甸土和棕黄壤的阳离子交换量相对较低，但是两者的阳离子交换量差异较小，原因在于山地黄壤带多为落叶阔叶林，植被分布最为茂盛，植被归还土壤的能力较高；而棕黄壤带多为针叶林和针阔叶混交林，凋落物相对较少，有机质积累相对较少；而分布在山顶区域的草甸土壤阳离子交换量偏低主要由于植被分布较为单一、其枯落物归还量较小[38-39]。因此，保持清凉峰自然保护区土壤阳离子交换量适宜性的关键在于保护植被和有机质的自然积累，以更好维持研究区的生态系统功能稳定性。

5 结论

清凉峰自然保护区的土壤阳离子交换量整体较高，保肥力均处于三级以上水平，显示出研究区土壤整体保肥效果较好；随着剖面深度的增加，土壤阳离子交换量逐渐降低，且与其他肥力指标的分布特征相一致。

随着土壤剖面深度的增加，土壤黏性减弱，砂性增强。表层土壤阳离子交换量与黏粒呈显著正相关，与砂粒呈显著负相关，表明黏粒是土壤阳离子交换量的主要贡献者。

不同土壤类型之间阳离子交换量存在一定的差异性，表明不同土壤类型的保肥供肥和缓冲能力不同；阳离子交换量分布与海拔的变化基本一致，体现了海拔与土壤类型的密切相关性。