楊亞楠， 劉均陽， 王佩佩， 楊曉晶， 周正朝

(陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，西安 710119)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是連接水圈、生物圈、大氣圈、巖石圈的重要紐帶，是眾多物理、化學(xué)及生物過程發(fā)生的主要場所。土壤表面電化學(xué)性質(zhì)是土壤具有一系列物理、化學(xué)性質(zhì)的根本原因，對土壤肥力、團聚體穩(wěn)定性、入滲、土壤侵蝕等諸多宏觀土壤特性具有深遠的影響。因此，土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的研究對認識土壤系統(tǒng)的現(xiàn)象與功能具有重要意義。

土壤表面電化學(xué)性質(zhì)主要包括土壤陽離子交換量、比表面積、表面電荷密度、表面電場強度及表面電位。土壤表面電化學(xué)性質(zhì)既受土壤機械組成、有機質(zhì)、pH、土壤礦物組成等土壤內(nèi)部因素的影響，又受土地利用方式(如植被恢復(fù))等外部因素的影響。植被可通過2種方式對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，首先，植被生長能有效促進土壤黏化作用，減小土壤細顆粒的流失，而黏粉粒的富集可以有效促進土壤陽離子交換量和土壤比表面積的增加；其次，植被通過枯枝落葉及根系分泌物提高土壤有機質(zhì)的含量，有機質(zhì)中包含大量的腐殖質(zhì)(占土壤有機質(zhì)90%以上)，腐殖質(zhì)是可變電荷的重要來源，從而有效地改變土壤表面電化學(xué)性質(zhì)。

目前，關(guān)于植被恢復(fù)對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)影響的研究，主要集中于同一區(qū)域的相似環(huán)境條件下進行，不同區(qū)域間植被恢復(fù)對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)影響的空間差異還鮮有報道，制約了大尺度上植被對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)影響的認識。因此，研究不同區(qū)域典型植被群落對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的影響，對于較大尺度上植被恢復(fù)生態(tài)效應(yīng)綜合評價及管理具有較強意義。黃土高原是我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一，為治理黃土高原地區(qū)強烈的土壤侵蝕，國家推行了退耕還林(草)政策。在這一政策背景下，黃土高原地區(qū)植被得到顯著恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境得到有效改善。黃土高原區(qū)域年均溫、降水量、土壤類型等都呈現(xiàn)地帶性分布特征，其不同區(qū)域植被的生長和恢復(fù)存在一定的差異，同種植被對土壤性質(zhì)的影響也存在空間差異性。

因此，本研究以黃土高原不同區(qū)域間(永壽墚、坊塌、六道溝)2種鄉(xiāng)土植被群落類型(鐵桿蒿(Web.)、長芒草(Trin.))為研究對象，對比分析典型植被群落對土壤表面電化學(xué)特性的影響及空間差異，以期加深較大尺度上植被恢復(fù)對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的影響的認識，并為科學(xué)評估植被恢復(fù)措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原位于我國黃河中上游地區(qū)(33°41′—41°16′N，100°52′—114°33′E)，海拔800～3 000 m，面積6.4×10km，是世界上最大的黃土堆積平原。氣候類型屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫6.6～14.3 ℃，年均降水量466 mm，降水分布不均，從東南向西北遞減。黃土高原土壤具有地帶性分布特征，從東南向西北，土壤類型依次為塿土和褐土、黃綿土和黑壚土、灰鈣土、栗鈣土、棕鈣土、棕漠土、風(fēng)沙土等。

1.2 試驗樣地及樣品采集

通過野外實地調(diào)研，在黃土高原3個典型區(qū)域，即咸陽市永壽墚(黑壚土)、延安市安塞區(qū)坊塌小流域(黃綿土)、榆林市神木縣六道溝小流域(砂黃土)進行采樣。由于研究區(qū)主要以草本植物為主，因而挑選了鄉(xiāng)土植物群落長芒草和鐵桿蒿樣地作為研究樣地，所選樣地均為植被恢復(fù)10年以上的退耕地，采樣時間為2020年7—9月。同時,以樣地附近退耕1年的撂荒地作為對照。在每個土壤類型區(qū)選擇坡向、位置相近的3個坡面作為重復(fù)。

采樣時，選擇植被長勢均勻的坡面作為采樣點(表1)。在每個樣點開挖30 cm深的土壤剖面，去除地表枯落物，分2層(0—15，15—30 cm)進行采樣。將采得的土壤樣品裝入自封袋，并進行標記后帶回實驗室進行分析測定。

1.3 土壤性質(zhì)測定

土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤有機質(zhì)采用外加熱重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；pH使用pH計(奧豪斯儀器有限公司--ST3100，中國)結(jié)合電位法測定(土∶水=1∶2.5)；土壤機械組成采用激光粒度儀(馬爾文儀器公司--MS2000，英國)測定。

土壤電化學(xué)性質(zhì)采用聯(lián)合法測定。黃土高原地區(qū)土壤中的碳酸鹽含量較高，在測定前先對土壤進行脫鈣處理。先稱取100 g土樣置于1 L的燒杯中，加入0.5 mol/L的HCl溶液，振蕩5 h離心去除上清液，重復(fù)該過程3次，直至無CO氣體產(chǎn)生。隨后樣品中加入1 L的0.1 mol/L HCl，振蕩5 h，離心去除上清液，重復(fù)該過程3次，完成最后1次離心后加入等體積純水，重復(fù)土樣振蕩和離心的過程，即制備得到氫飽和樣。取出土樣放入烘箱中烘干(70 ℃，5 h)，然后過0.25 mm篩備用。稱取5 g氫飽和樣放置于150 mL的三角瓶中，加入25 mL 0.01 mol/L的Ca(OH)溶液振蕩24 h，然后再加入同體積0.01 mol/L的NaOH溶液，再次振蕩24 h。振蕩后用1 mol/L HCl 溶液調(diào)節(jié)土壤懸液pH，使土壤懸液pH保持在7左右。使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Spectro—Arcos，德國)測定上清液Ca和Na的濃度。土壤陽離子交換量(CEC)采用NaOAc法測定，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Spectro—Arcos，德國)測定上清液Na的濃度，計算土壤陽離子交換量(CEC)。土壤電化學(xué)性質(zhì)參數(shù)計算公式為：

=-00213ln (05)+12331

=2-

表1 樣地基本信息

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2016和SPSS 22軟件對數(shù)據(jù)進行多重比較(LSD)(<0.05)；用Pearson相關(guān)系數(shù)評價土壤基本理化性質(zhì)與電化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系；運用Canoco 5軟件對土壤基本理化性質(zhì)與電化學(xué)性質(zhì)進行冗余分析(RDA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本理化性質(zhì)

在0—15 cm土層，永壽墚土壤機械組成以粉粒為主，占土壤顆粒機械組成的63.36%，砂粒占29.42%，其黏粒與粉粒顯著高于坊塌及六道溝，砂粒含量顯著低于坊塌及六道溝(<0.05)。坊塌和六道溝以砂粒為主，分別占土壤顆粒機械組成的71.81%和71.25%。3個地區(qū)鐵桿蒿樣地與長芒草樣地較撂荒地黏粉粒增加，砂粒減少，但僅六道溝達到顯著性差異。15—30 cm土層與0—15 cm土層基本一致，植被恢復(fù)樣地黏粉粒含量高于撂荒地、砂粒含量小于撂荒地，但未表現(xiàn)出顯著性差異(表2)。

表2 黃土高原典型植被群落對土壤理化性質(zhì)的影響

對于土壤有機質(zhì)含量，3個研究區(qū)之間的差異明顯大于研究區(qū)內(nèi)部差異。其中，永壽墚地區(qū)有機質(zhì)含量顯著大于坊塌及六道溝，其有機質(zhì)的最小值(撂荒地)仍高于坊塌及六道溝的最大值。在0—15 cm土層，永壽墚及六道溝，植被恢復(fù)樣地有機質(zhì)顯著大于撂荒地；坊塌地區(qū)未達到顯著性差異。15—30 cm土層土壤有機質(zhì)表現(xiàn)與0—15 cm基本一致，但同一地區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)地與撂荒地均無顯著性差異。

在0—15 cm土層，六道溝容重最高，坊塌次之，永壽墚地區(qū)最低。3個地區(qū)撂荒地容重均高于植被恢復(fù)樣地，其中永壽墚及六道溝表現(xiàn)出顯著性差異；15—30 cm土層與0—15 cm表現(xiàn)基本一致。在0—15 cm土層，研究區(qū)pH為7.57～8.07。坊塌pH最高，六道溝次之，永壽墚最小，研究區(qū)之間pH差異較小。在永壽墚、六道溝鐵桿蒿樣地及長芒草樣地pH顯著低于撂荒地。15—30 cm土層與0—15 cm土層基本一致，3個地區(qū)植被恢復(fù)樣地與撂荒地之間均無顯著性差異。

2.2 典型植被群落下土壤陽離子交換量的變化特征

由圖1可知，對于0—15 cm土層，土壤陽離子交換量為7.26～24.34 cmol/kg。永壽墚地區(qū)，鐵桿蒿和長芒草群落分別是撂荒地1.68，1.19倍，鐵桿蒿群落與撂荒地差異顯著(<0.05)；坊塌地區(qū)，鐵桿蒿和長芒草群落與撂荒地?zé)o顯著差異；六道溝地區(qū)，鐵桿蒿和長芒草群落顯著高于撂荒地(<0.05)，分別是其2.02，1.61倍。對于15—30 cm土層，土壤陽離子交換量為6.69～17.48 cmol/kg。永壽墚地區(qū)長芒草群落下土壤陽離子交換量顯著高于撂荒地；六道溝地區(qū)長芒草與鐵桿蒿分別顯著高于撂荒地。相比于撂荒地，典型植被群落下土壤陽離子交換量表現(xiàn)為永壽墚地區(qū)增量最多，而六道溝地區(qū)變化率最大，說明植被恢復(fù)促進陽離子交換量的增加，但其變化存在空間差異。

注:圖柱上方不同大寫字母表示同一植被類型不同地區(qū)之間差異顯著(p<0.05)；不同小寫字母表示同一地區(qū)不同植被類型之間差異顯著(p<0.05)；Ⅰ、Ⅱ表示采樣位置分別為0—10，15—30 cm土層。下同。

2.3 典型植被群落下土壤比表面積的變化特征

由圖2可知，在0—15 cm土層，土壤比表面積為8.32～147.38 m/g。永壽墚、坊塌及六道溝地區(qū)，鐵桿蒿和長芒草群落下土壤比表面積分別是撂荒地的1.24，1.41倍，2.07，1.42倍和9.16，6.70倍，其中，神木地區(qū)2種典型植被均為顯著變化(<0.05)。在15—30 cm土層，土壤比表面積為7.29～182.29 m/g。六道溝典型植被群落土壤比表面積顯著高于撂荒地。六道溝地區(qū)典型植被群落下土壤比表面積的變化率最高，而永壽墚地區(qū)典型植物群落下土壤比表面積的增量最大，說明植被恢復(fù)可以促進土壤比表面積的增加且存在空間差異性。

圖2 黃土高原典型植被群落樣地土壤比表面積

2.4 典型植被群落下土壤表面電荷密度的變化特征

隨土層深度增加，土壤表面電荷密度無明顯變化，為0.08～2.04 C/m(圖3)。永壽墚及坊塌地區(qū)，撂荒地土壤表面電荷密度分別是鐵桿蒿和長芒草群落1.42，1.35倍和1.63，2.03倍，其差異未達到顯著性水平；六道溝地區(qū)，撂荒地分別是鐵桿蒿和長芒草群落的10.52，6.26倍，撂荒地土壤表面電荷密度顯著高于鐵桿蒿和長芒草群落(<0.05)。不同研究區(qū)土壤表面電荷密度均表現(xiàn)為植被群落樣地<撂荒地，說明植被恢復(fù)可以促使土壤表面電荷密度的降低，但僅六道溝地區(qū)達到顯著性差異。

2.5 典型植被群落下土壤表面電場強度的變化特征

隨土層深度增加，土壤表面電場強度無明顯變化，其變化范圍為1.11～28.46 10V/m(圖4)。永壽墚及坊塌地區(qū)，撂荒地表面電場強度分別是鐵桿蒿和長芒草群落1.42，1.35倍和1.63，2.03倍，其差異未達到顯著性水平；六道溝地區(qū)，撂荒地分別是鐵桿蒿和長芒草群落的10.05，5.98倍，撂荒地表面電場強度顯著高于鐵桿蒿和長芒草群落(<0.05)。不同研究區(qū)土壤表面電荷密度和表面電場強度均表現(xiàn)為植被群落樣地<撂荒地，說明植被恢復(fù)可以促使土壤表面電荷密度和表面電場強度的降低，且對六道溝的影響最為顯著。

圖3 黃土高原典型植被群落樣地土壤表面電荷密度

圖4 黃土高原典型植被群落樣地土壤表面電場強度

3 討 論

3.1 植被對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的影響

本研究表明，植被生長可以促進土壤陽離子交換量及比表面積的增加，表面電荷密度和表面電場強度的減小。陳晶晶和馬任甜等得到了相似的結(jié)果，并提出這種變化可能是植被恢復(fù)過程中有機質(zhì)與黏粉粒含量的顯著變化所導(dǎo)致。植被恢復(fù)可以減少雨滴擊濺和徑流沖刷，減少黏粉粒的損失以及形成穩(wěn)定的成土環(huán)境，增強了土壤黏化作用，使土壤的黏粉粒含量增加，砂粒含量減少。此外，植物恢復(fù)過程中還可以通過枯枝落葉及根系分泌物增加土壤碳含量，并減少分解和侵蝕的有機質(zhì)損失，以此來增加土壤有機質(zhì)的含量。

本研究中，土壤表面電化學(xué)性質(zhì)與理化性質(zhì)具有很好的相關(guān)性(表3)，且粉粒含量和有機質(zhì)含量是電化學(xué)性質(zhì)的變化的主要貢獻者，對電化學(xué)性質(zhì)變化的解釋方差為61.0%，11.1%(圖5)，與馬任甜等的研究結(jié)果一致。通常情況下，土壤顆粒中細顆粒(黏粒和粉粒)含量越高，土壤顆粒的比表面積就越大，表面吸附的電荷數(shù)量就越多。而有機質(zhì)(以腐殖質(zhì)為主)可以通過其官能團的解離產(chǎn)生可變負電荷，使土壤表面電荷數(shù)量增加；且有機質(zhì)由三維多聚相組成，具有較高的內(nèi)表面積，因此，土壤有機質(zhì)含量越高，土壤比表面積越大；隨著有機質(zhì)含量的增加，大量有機質(zhì)膠體被土壤顆粒表面的吸附力固持于土壤細顆粒的表面，顆粒間雙電層結(jié)構(gòu)被充分壓縮，使得土壤顆粒表面電荷密度降低。因此，本研究中有機質(zhì)含量及黏粉粒含量(其中神木地區(qū)達到顯著變化)的提高，是植被改變土壤電化學(xué)性質(zhì)的重要原因。

在同種土壤類型下(黃綿土)，本研究中鐵桿蒿和長芒草的土壤陽離子交換量、比表面積與馬任甜等研究的草本植物白羊草(15.54 cmol/kg，53.01 m/g)結(jié)果相似，低于沙棘、山楊、白樺、遼東櫟(16.60～19.52 cmol/kg，55.3～61.39 m/g)等喬灌木研究結(jié)果。其可歸因于喬灌木具有更長的演替時間及更高的細根生產(chǎn)周轉(zhuǎn)率，植物根系可通過分泌有機質(zhì)及固結(jié)或富集土壤中的黏粒和粉粒，從而對土壤陽離子交換量及比表面積產(chǎn)生不同的影響。此外，土壤陽離子交換量是土壤肥力的重要特征之一，是土壤質(zhì)量變化、保肥、供肥能力、和酸堿緩沖能力的重要標志，也是改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)之一，因此，土壤陽離子交換量的增加與植被生長呈正向作用。

此外，本研究表明，土壤表面電化學(xué)性質(zhì)(土壤陽離子交換量與比表面積)與pH呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系(表3)。土壤pH變化和土壤有機酸有關(guān)，而植物被恢復(fù)過程中根系的分泌物以及植物殘體分解都會引起土壤有機酸的富集，促使土壤pH降低。余正洪等研究表明，隨著pH的降低，可變電荷土壤(紅壤和黃壤)及恒電荷土壤(紫色土)表面陽離子交換量與比表面積顯著減小，是因為其試驗是通過設(shè)定不同土壤pH環(huán)境來測定土壤電化學(xué)性質(zhì)的。本研究中的pH用以表征土壤本身的酸堿情況，而同一土壤類型下土壤pH差異較小，且土壤電化學(xué)性質(zhì)主要受有機質(zhì)含量及土壤機械組成的影響，故呈現(xiàn)不同的結(jié)果，這與黃土高原子午嶺地區(qū)Liu等的相關(guān)研究結(jié)果一致。

表3 土壤理化性質(zhì)和土壤電化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性

注：CEC、S、σ0、E0、φ0、Clay、Silt、Sand、SOM、BD分別表示陽離子交換量、比表面積、表面電荷密度、表面電場強度、表面電勢、黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、土壤有機質(zhì)、容重。

3.2 不同植被群落對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)影響的空間差異

同一植被群落下，不同研究區(qū)土壤表面電化學(xué)性質(zhì)存在差異。永壽墚地區(qū)土壤陽離子交換量及比表面積的增量最大，而六道溝土壤陽離子交換量、比表面積、表面電荷密度、表面電場強度的變化率最大，可能受到水分條件、土壤類型及土壤侵蝕等因素的影響。黃土高原水分條件南北分異是造成植物地上生物量、細根生物量差異的重要原因。其中，黃土丘陵溝壑區(qū)由南到北(降水558.4～389.6 mm)細跟生物量為4.26～1.49 kg/m，而地上生物量和細根生物量及其周轉(zhuǎn)與有機質(zhì)密切相關(guān)，隨地上生物量及細根生物的增加有機質(zhì)顯著增加；此外，有機質(zhì)與土壤質(zhì)地密切相關(guān)，3個研究區(qū)位于不同的土壤類型區(qū)，土壤機械組成有較大差異(表2)，而砂粒含量占比越大越，不利于有機質(zhì)的積累。因此，黃土高原地區(qū)有機質(zhì)呈現(xiàn)由南至北遞減趨勢。已有研究表明，有機質(zhì)是植被影響土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的重要原因，一般情況隨著有機質(zhì)的增加土壤陽離子交換量、比表面積增加，表土壤面電場強度和表面電勢減小。因而，水分條件和土壤類型的空間差異，造成了植被對表面電化學(xué)性質(zhì)影響的空間差異。

本研究中，永壽墚地區(qū)位于黃土高原南部，年均降水量、黏粒粉粒顯著高于其他2個地區(qū)，因此，永壽墚的有機質(zhì)增量最大(表2)，可能是永壽墚地區(qū)土壤表面電化學(xué)性質(zhì)具有較高增量的原因。六道溝地區(qū)位于黃土高原北部風(fēng)蝕水蝕交錯帶，土壤侵蝕嚴重，土壤含沙量高于永壽墚及坊塌地區(qū)，使得有機質(zhì)的更易損失而不易積累，因此，撂荒地有機質(zhì)含量顯著低于坊塌及永壽墚地區(qū)(表2)。植被恢復(fù)降低了土壤侵蝕強度，促使有機質(zhì)含量及黏粉粒相較撂荒地的顯著增加(六道溝地區(qū)0—15 cm長芒草群落有機質(zhì)含量是撂荒地的5.82倍，黏粉粒是撂荒地的1.83倍)，是六道溝地區(qū)土壤表面電化學(xué)性質(zhì)具有較大變化率的重要原因。

4 結(jié) 論

(1)黃土高原地區(qū)典型植被群落生長可有效改變土壤理化性質(zhì)，提高土壤黏粒、粉粒、有機質(zhì)含量，降低土壤pH、容重、砂粒含量。

(2)同一區(qū)域內(nèi)，相較于撂荒地，典型植被群落的土壤陽離子交換量、土壤比表面積增加，土壤表面電荷密度及土壤表面電場強度減小。不同區(qū)域間，同一植被群落對土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的影響呈現(xiàn)空間差異性，其中，土壤表面電化學(xué)性質(zhì)在黃土高原南部永壽墚地區(qū)的增量最大，而黃土高原北部六道溝地區(qū)的變化率最高。

(3)黃土高原典型植被群落下土壤理化性質(zhì)變化可以較好解釋土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的變化，粉粒含量和有機質(zhì)含量是影響土壤表面電化學(xué)性質(zhì)最重要的因素。