江西省土壤陽離子交換量區(qū)域分布特征及其影響因素

康 婷，周春火，魏宗強(qiáng)，繆玉琳，盧志紅

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院/江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實驗室，南昌 330045）

0 引言

土壤陽離子交換量（Cation Exchange Capacity，即CEC）是指在一定pH條件下，土壤膠體所能吸附和交換的陽離子的總量，即cmol(+)/kg[1]。土壤溶液中包括多種陽離子，測定土壤陽離子交換量能夠評價土壤的保肥能力和緩沖性能[2-5]，也有利于土壤環(huán)境管理和土壤生態(tài)保護(hù)[6-7]。江西省的土壤以紅壤和水稻土為主，水熱資源豐沛，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有良好的前景。目前，紅壤存在著土壤侵蝕、酸化加劇及季節(jié)性干旱頻發(fā)等問題，嚴(yán)重制約著該區(qū)域生產(chǎn)力的發(fā)展。江西省是中國水稻的重要產(chǎn)區(qū)，對中國的糧食安全起到重要的作用。因此，了解江西省土壤陽離子交換量的含量分布特征及影響因素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上采用合理的培肥增產(chǎn)措施的依據(jù)之一。

目前有很多關(guān)于對土壤陽離子交換量的含量分布特征及影響因素的研究報道，其中關(guān)于影響陽離子交換量的因素有：膠體的類型、膠體的數(shù)量以及土壤pH等條件[8-10]。前人研究表明，陽離子交換量大的土壤含腐殖質(zhì)和2:1型黏土礦物較多；陽離子交換量小的土壤含高嶺石和氧化物較多；陽離子交換量與黏粒含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；土壤的陽離子交換量隨著土壤的pH的增大而增大[10-11]。不同地區(qū)因為各因素綜合作用影響有一定的區(qū)別，所以不同地區(qū)的陽離子交換量也有一定的相差。楊秀珍等[6]對貴州典型鉛鋅礦區(qū)土壤陽離子交換量進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)旱地土壤的陽離子交換量高于水田土壤。黃尚書等[10]對江西紅壤坡地進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)土壤CEC主要受土壤粘粒含量和pH的影響。劉世全等[12]在西藏土壤上的研究表明，土壤CEC的空間變化，主要來源于土壤有機(jī)質(zhì)積累的差異，在有機(jī)質(zhì)含量較低的土壤中，其粘粒含量是影響土壤CEC的重要因素，另外土壤速效鉀含量與土壤CEC呈顯著正相關(guān)，土壤CEC高意味土壤保鉀能力強(qiáng)?？傊F(xiàn)有研究表明土壤的陽離子交換量因不同的地形、土壤[13]、植被[14]、土地利用方式[15-16]及人為管理措施[17]等因素呈現(xiàn)一定的差異。

研究江西省土壤陽離子交換量的含量分布特征及影響因素，對了解江西土壤的保肥性、緩沖性能具有非常重要的意義，進(jìn)而為生產(chǎn)上合理利用土壤資源、培肥改良土壤、提高土壤生產(chǎn)力提供科學(xué)依據(jù)[18]。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集

本試驗所測樣品系2006年采集江西省各縣市具有代表性的水田和旱地耕層(0～25 cm)土樣，共計370個，樣點(diǎn)分布見圖1。用GPS記錄采樣點(diǎn)的坐標(biāo)，每樣點(diǎn)采取5個樣，混合所取的耕層土樣，通過四分法，每樣點(diǎn)用土袋裝取1 kg左右，最后貼好標(biāo)簽帶回實驗室。試驗在國土資源與環(huán)境學(xué)院重點(diǎn)實驗室，于2019年7—12月份進(jìn)行。

圖1 江西省典型土壤耕層采樣點(diǎn)的空間分布[19]

1.1.1 土壤樣品的預(yù)處理 采集的土樣拿回實驗室及時處理，實驗室要求陰涼、干燥、通風(fēng)、無藥品，將土樣平鋪于干凈的塑料膜上，攤成薄層（厚約2 cm），進(jìn)行風(fēng)干。在此期間盡可能剔除所見的枯枝落葉、根莖、小石子、動物殘體等雜物。陰干后，將土樣碾磨過尼龍篩，制備成1 mm和0.25 mm的分析樣品待用。

1.2 土壤陽離子交換量的測定

陽離子交換量(CEC)的測量采用乙酸銨交換法[20-23]。稱取通過0.25 mm篩孔的風(fēng)干土樣1.00 g，加入容積為50 mL的離心管內(nèi)，將少量乙酸銨加入離心管，用玻璃棒攪勻。再加入乙酸銨溶液，使其總體積約為30 mL，在此過程盡量洗凈玻璃棒上的殘余樣品。對稱放入離心機(jī)中離心3 min，轉(zhuǎn)速4000 r/min，舍棄清液。加入少量乙醇溶液至約30 mL，用玻璃棒攪勻。然后對稱放入離心機(jī)中離心3 min，轉(zhuǎn)速為4000 r/min，棄去乙醇。反復(fù)用乙醇洗4次。棄去最后的乙醇，加入少量的去離子水，把泥漿盡量洗入凱氏瓶中，再加1 mL液體石蠟和0.5 g氧化鎂，三角瓶中裝有15 mL硼酸指示劑且連接在冷凝管下端，用蒸餾裝置蒸餾。蒸餾約20 min后，用pH試紙檢測蒸餾是否完全。最后用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。同時做空白試驗。

1.3 土壤養(yǎng)分的測定

用常規(guī)方法測定土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、有效磷、速效鉀、pH等[21]。

1.4 分級標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)全國第二次土壤普查及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將土壤陽離子交換量分為5級（見表1）。

表1 土壤陽離子交換量(CEC)等級劃分

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2007和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 江西省旱地與稻田土壤陽離子交換量的差異

由表2可知江西省旱地和稻田土壤陽離子交換量(CEC)含量范圍跨度較大，其CEC含量范圍分別是2.1～16.9 cmol(+)/kg和2.2～17.9 cmol(+)/kg。江西省旱地與稻田土壤CEC值主要集中在6.2～10.5 cmol(+)/kg之間，稻田土壤的CEC值在此范圍內(nèi)占比29.16%，旱地土壤的CEC值在此范圍內(nèi)占比22.07%，可見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保肥力極低土壤，旱地占比高出稻田4.63%，總的看來，江西省土壤陽離子交換量(CEC)含量小于10.5 cmol(+)/kg的占比高達(dá)82.02%，且稻田土壤比旱地土壤高出2.46%。這表明江西省耕地土壤保肥能力弱，旱地保肥能力略強(qiáng)于稻田。

表2 江西省不同耕地類型陽離子交換量(CEC)的差異

2.2 江西省旱地土壤陽離子交換量區(qū)域分布特征

將土樣分析結(jié)果根據(jù)采樣地點(diǎn)分贛南、贛北、贛中、贛西、贛東北5個區(qū)域進(jìn)行分析，由表3旱地土壤的平均數(shù)來看，江西省各區(qū)域土壤的CEC值均小于10 cmol(+)/kg，普遍偏低，保肥能力弱。5個區(qū)域相比較而言，贛北旱地土壤CEC值整體最高，在5.0～15.9 cmol(+)/kg之間，其中CEC的平均值為8.8 cmol(+)/kg；其次是贛西的CEC值較高，在3.7～16.3 cmol(+)/kg之間，平均值為8.5 cmol(+)/kg；贛中和贛東北旱地土壤的CEC值接近，分別在2.1～16.7 cmol(+)/kg之間以及2.6～16.3 cmol(+)/kg之間，且2個區(qū)域的CEC平均值相同，均為7.8 cmol(+)/kg；贛南旱地土壤CEC值最低，在2.1～16.9 cmol(+)/kg之間，平均值為6.6 cmol(+)/kg。一般認(rèn)為保肥能力強(qiáng)的土壤CEC＞20 cmol(+)/kg，CEC在10～20 cmol(+)/kg為保肥能力中等的土壤，保肥能力弱的土壤CEC＜10 cmol(+)/kg[21-22]，由此可見江西省旱地土壤保肥能力強(qiáng)幾乎沒有，調(diào)查數(shù)據(jù)CEC＞20 cmol(+)/kg占比為零；各區(qū)域旱地土壤保肥力中等土壤占比大小依次為贛西(31.26%)＞贛中(23.81%)＞贛北(20%)＞贛東北(19.15%)＞贛南(9.09%)，而各區(qū)域保肥能力弱的旱地土壤介于68.75%～90.91%。

2.3 江西省稻田土壤陽離子交換量區(qū)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，但各區(qū)域稻田土壤的CEC值也均小于10 cmol(+)/kg，保肥能力也較弱。在5個區(qū)域中贛西稻田土壤CEC平均值最高，為9.2 cmol(+)/kg，CEC值的含量范圍在4.6～15.1 cmol(+)/kg之間；贛北和贛中稻田土壤的CEC平均值接近，分別為7.8 cmol(+)/kg和7.7 cmol(+)/kg，兩者的CEC值含量范圍分別為2.2～17.9、2.7～17.4 cmol(+)/kg；贛南稻田土壤CEC平均值含量最低，為6.7 cmol(+)/kg，CEC值的含量范圍在2.2～12.3 cmol(+)/kg之間。由此可見保肥能力強(qiáng)的稻田土壤江西省也幾乎沒有；從各區(qū)域稻田土壤保肥力中等土壤占比來看，表現(xiàn)為贛西(28.13%)＞贛中(17.07%)＞贛北(16.13%)＞贛東北(10.87%)＞贛南(6.06%)，與旱地土壤規(guī)律高度一致，但各區(qū)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顯高于旱地。

表3 江西省旱地土壤陽離子交換量(CEC)區(qū)域分布

表4 江西省稻田土壤陽離子交換量(CEC)區(qū)域分布

2.4 江西省土壤陽離子交換量與土壤養(yǎng)分的相關(guān)分析

2.4.1 江西省旱地土壤陽離子交換量與土壤養(yǎng)分的相關(guān)分析 由表5可知江西省贛南旱地土壤CEC與土壤pH、速效K和全K之間具有極顯著(P＜0.01)正相關(guān)，與堿解N和全P之間具有顯著(P＜0.05)正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)、有效P、全N之間關(guān)系不顯著；江西省贛北旱地土壤CEC與有機(jī)質(zhì)、全N之間具有顯著(P＜0.05)正相關(guān)，與pH、堿解N、有效P、速效K、全P、全K之間關(guān)系不顯著；贛中旱地土壤CEC與有機(jī)質(zhì)、堿解N、全N之間具有極顯著(P＜0.01)正相關(guān)，與全P之間具有顯著(P＜0.05)正相關(guān)，與pH、有效P、速效K、全K之間關(guān)系不顯著；贛西旱地土壤CEC與有機(jī)質(zhì)、速效K之間具有極顯著(P＜0.01)正相關(guān)，與pH、堿解N之間具有顯著(P＜0.05)正相關(guān)，與有效P、全N、全P、全K之間關(guān)系不顯著；贛東北旱地土壤CEC與pH、有機(jī)質(zhì)、堿解N、有效P、速效K、全N、全P、全K之間關(guān)系不顯著?？偟膩碚f，江西省各區(qū)域的陽離子交換量受有效P的影響力最小。

表5 江西省旱地土壤陽離子交換量(CEC)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)分析

2.4.2 江西省稻田土壤陽離子交換量與土壤養(yǎng)分的相關(guān)分析 由表6可知江西省贛南稻田土壤CEC與有機(jī)質(zhì)之間具有極顯著(P＜0.01)正相關(guān)，與全N、全P、全K之間具有顯著(P＜0.05)正相關(guān)，與土壤pH、堿解N、有效P、速效K之間不顯著；贛北稻田土壤CEC與pH、有機(jī)質(zhì)、堿解N、有效P、速效K、全N、全P、全K之間關(guān)系均不顯著；贛中稻田土壤CEC與全N之間具有顯著(P＜0.05)正相關(guān)，pH、有機(jī)質(zhì)、堿解N、有效P、速效K、全P、全K之間不顯著；贛西稻田土壤CEC與有機(jī)質(zhì)、全K具有極顯著(P＜0.01)正相關(guān)，與全N具有顯著(P＜0.05)正相關(guān)，與pH、堿解N、有效P、速效K、全P之間不顯著；贛東北稻田土壤CEC與土壤有機(jī)質(zhì)、全N之間具有極顯著(P＜0.01)正相關(guān)，與pH之間具有顯著(P＜0.05)正相關(guān)，與堿解N、有效P、速效K、全P、全K之間關(guān)系不顯著。

表6 江西省稻田土壤陽離子交換量(CEC)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)分析

3 結(jié)論與討論

本研究表明江西省旱地和稻田土壤陽離子交換量(CEC)含量整體偏低且變幅較大，其CEC含量范圍分別是2.1～16.9 cmol(+)/kg和2.2～17.9 cmol(+)/kg。土壤陽離子交換量(CEC)含量小于10.5 cmol(+)/kg的占比高達(dá)82.02%，且稻田土壤的占比比旱地土壤高出2.46%。說明江西省耕地土壤保肥能力弱，旱地保肥能力略強(qiáng)于稻田。這與楊秀珍等[6]的研究結(jié)果一致。張雪姣等[24]測的北京市昌平區(qū)土壤陽離子交換量平均值為14.9 cmol(+)/kg，與江西省各區(qū)域土壤CEC平均值7.89 cmol(+)/kg相差較大，其中原因正如白志強(qiáng)等[11]對四川盆地西緣土壤研究發(fā)現(xiàn)氣候因素溫度和降水是土壤CEC的決定性影響因素，北京市昌平區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，該地區(qū)地勢低平，多為平原地貌，土壤主要為輕壤質(zhì)潮土，而本研究江西省地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨量豐富，且降雨量大于蒸發(fā)量，土壤脫硅富鋁化嚴(yán)重，土壤質(zhì)地主要為中壤土和重壤土，導(dǎo)致江西省旱地和稻田土壤陽離子交換量普遍偏低，保肥能力弱[25]。

本研究結(jié)果表明江西省各區(qū)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，表現(xiàn)為贛西＞贛中＞贛北＞贛東北＞贛南，但同一區(qū)域土壤CEC旱地均高于稻田，其中占比最高的為贛西旱地31.26%，最低為贛南稻田6.06%。各區(qū)域不同耕作制度下土壤CEC之所以存在差異可能與不同區(qū)域的主要影響因素不同密切相關(guān)，本研究中贛北、贛中旱地以及贛南、贛西稻田的土壤CEC與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間存在顯著或極顯著正相關(guān)性，與土壤pH之間相關(guān)性極低，這與李艷等[26]對黑龍江西部地區(qū)土壤CEC研究結(jié)果基本一致；本研究中贛西旱地以及贛東北稻田的土壤CEC與有機(jī)質(zhì)含量、pH極顯著和顯著相關(guān)，與許亞琪[27]、王曉春[28]等研究結(jié)果相一致。可能因決定土壤CEC大小的因素是土壤膠體表面積的大小和土壤膠體所帶負(fù)電荷的數(shù)量。本試驗土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，大于20 g/kg的占比近60%，導(dǎo)致土壤中有機(jī)膠體、有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠體多，土壤膠體表面積大、所帶負(fù)電荷多，土壤CEC高。而本試驗各區(qū)土壤pH總體呈酸性均值介于pH 5.12～5.72，在pH變異系數(shù)相對大的區(qū)域，土壤CEC與pH顯著相關(guān)，而pH變異系數(shù)相對小的區(qū)域pH變化對土壤CEC影響較小?？赡茉趐H變異系數(shù)相對大的區(qū)域隨著pH的升高，土壤膠體所帶負(fù)電荷增加相對明顯。

土壤陽離子交換量除主要受土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH影響外，本研究結(jié)果表明江西省旱地土壤陽離子交換量主要受有機(jī)質(zhì)、堿解N顯著影響，其次是土壤pH、速效K、全N、全P、全K的影響，而有效P影響力較??；江西省稻田土壤陽離子交換量主要受有機(jī)質(zhì)、全N顯著影響，其次是土壤pH、全P、全K的影響，而有效P、堿解N、速效K影響力較小。其原因可能與土壤CEC的大小除取決于土壤膠體的比表面積和表面負(fù)電荷密度外[29]，還與土壤中鹽基離子含量高低及養(yǎng)分變異系數(shù)差異大小密切相關(guān)。本試驗土壤中速效K含量較低且速效K含量稻田低于旱地，堿解N較為豐富，堿解N含量稻田大于或近等于旱地，但各區(qū)域稻田堿解N含量變異系數(shù)差異較小。土壤有效磷對旱地和稻田土壤CEC影響較小，均不顯著，可能與酸性土壤中磷的吸附能力與土壤中氧化鐵、氧化鋁的含量呈正相關(guān)，土壤中鐵鋁與土壤磷形成閉蓄態(tài)磷(Al-P，F(xiàn)e-P)[30]，從而減弱土壤膠體對其吸附。土壤全N與土壤有機(jī)質(zhì)對土壤CEC影響相一致，可能因土壤中氮素絕大部分為有機(jī)結(jié)合形態(tài)，土壤全N含量與有機(jī)質(zhì)存在顯著正相關(guān)性相關(guān)。而不同區(qū)域全磷、全鉀對土壤CEC影響差異與土壤中全磷、全鉀組成形態(tài)及其占比復(fù)雜程度有關(guān)。

總的來說，江西省土壤陽離子交換量主要受有機(jī)質(zhì)、全N顯著(P＜0.05)影響，其次是土壤pH、速效N、速效K、全P、全K的影響，而有效P的影響力最小。因此，在對江西省土壤進(jìn)行施肥時，應(yīng)該適量施用石灰粉，以改良土壤的pH，同時合理地進(jìn)行有機(jī)肥和無機(jī)肥的配施，提高土壤的陽離子交換量(CEC)，從而促進(jìn)江西省土壤的保肥能力和緩沖能力。