童根平 姜霓雯 傅偉軍 葉正錢

(浙江清涼峰國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，杭州，311321)(浙江農(nóng)林大學(xué))

土壤陽離子交換量(CEC)是土壤膠體所能吸附和交換的陽離子總量[1]，能反映土壤的保肥供肥和緩沖能力，對土壤中重金屬的生物有效性、作物對營養(yǎng)元素的吸收和污染物遷移轉(zhuǎn)化均有一定的影響[2-3]，因此常被作為土壤質(zhì)量評價和土壤改良、分類等研究的重要指標(biāo)[4]。大量研究表明，土壤陽離子交換量受到土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分、質(zhì)地、地形以及人為管理措施等多種因素影響[5-7]。例如，陽離子交換量高的土壤含腐殖質(zhì)較多，且不同來源的腐殖酸的陽離子交換量差異較大[8-9]；土壤陽離子交換量與土壤礦質(zhì)顆粒呈顯著相關(guān)性，黏粒是土壤陽離子交換量的主要貢獻(xiàn)者[10]；土壤陽離子交換量常隨海拔升高逐漸增加[11]；不同母質(zhì)發(fā)育的土壤陽離子交換量也有較大的差異，灰?guī)r發(fā)育的土壤中陽離子交換量顯著高于火山碎屑巖發(fā)育的土壤[12]等。但以往對土壤陽離子交換量的研究普遍集中于農(nóng)田[13]和經(jīng)濟(jì)林[14]，對于山區(qū)自然森林土壤的相關(guān)研究較少。

浙江省清涼峰自然保護(hù)區(qū)地處皖浙丘陵山區(qū)，區(qū)域內(nèi)植被垂直景觀層次分明，土壤帶譜明顯，屬浙西地區(qū)原生性較好的山地森林土壤，區(qū)域內(nèi)保存著多種珍稀、瀕危動植物。目前對清涼峰國家級自然保護(hù)區(qū)的研究主要側(cè)重于森林植被和動物保護(hù)方面[15-16]，土壤陽離子交換量與區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)量狀況密切相關(guān)，是研究保護(hù)區(qū)成土過程和土壤發(fā)育的基礎(chǔ)。為此，本文擬通過研究區(qū)內(nèi)典型土壤剖面陽離子交換量的分布特征，探究了土壤類型、質(zhì)地組成和肥力指標(biāo)等因素對土壤陽離子交換量的影響，明確該區(qū)域土壤的保肥供肥能力，為進(jìn)一步摸清研究區(qū)植被分布及生長特征提供理論數(shù)據(jù)，為亞熱帶自然保護(hù)區(qū)的土壤特性、土壤分類的研究以及植被保護(hù)等提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

清涼峰自然保護(hù)區(qū)地處浙西北地區(qū)(118°50′57″～119°13′23″E，30°42″～30°19′33″N)，地處華東皖浙丘陵山區(qū)，由千頃塘、龍?zhí)辽胶晚樝獕]3個區(qū)域組成，總面積為11 252 hm2，主峰清涼峰，海拔1 787.4 m，系浙西第一高峰，區(qū)域內(nèi)地勢高差懸殊，地形復(fù)雜多樣，最低處海拔318 m，年均溫12.5 ℃，年降水量1 862.2～2 331.9 mm。清涼峰保護(hù)區(qū)內(nèi)主要出露的地層，有最古老的前震旦系上墅組和最年輕的侏羅系；巖性多樣，主包有火凝灰?guī)r、泥砂巖、硅質(zhì)巖和中酸性侵入巖[17]。清涼峰保護(hù)區(qū)內(nèi)的土壤垂直帶變動特征明顯，主要隨海拔高度變化而變化；土壤地域性隨水文、地質(zhì)和小地形變化而變化。清涼峰保護(hù)區(qū)位于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)北緣，與其相應(yīng)的礦物風(fēng)化類型為硅鋁型；土壤類型主要屬黃紅壤、棕黃壤；隨著海拔升高，土壤的垂直結(jié)構(gòu)由低到高呈現(xiàn)紅壤帶、山地黃壤帶、山地棕黃壤帶及草甸土帶的垂直帶譜[18]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

根據(jù)清涼峰自然保護(hù)區(qū)的地勢特點、植被類型和母巖分布設(shè)置土壤剖面點，在代表性的植被類型區(qū)域根據(jù)海拔由低至高依次布設(shè)樣點，于2020年11月—2021年3月觀察采集了20個土壤剖面樣點(表1)。并按剖面的[0，10)cm、[10，30)cm和[30，60]cm分層采集土壤樣品(分別稱為表層、表下層、心土層)，每層多點采樣制成混合土樣，裝入塑封袋中，帶回實驗室風(fēng)干、去雜、研磨過篩備用。同時記錄采樣地點、海拔和植被類型等信息。

表1 樣地自然概況

土壤性質(zhì)測定參照土壤農(nóng)化分析[19]，其中土壤陽離子交換量(CEC)采用乙酸銨交換法測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提鉬藍(lán)比色法；速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法測定；土壤粒徑組成采用比重計法測定，按美國土壤質(zhì)地分類制分為砂粒[0.05～2.00 mm)，粉粒[0.002～0.050 mm)和黏粒(<0.002 mm)。

2.2 土壤陽離子交換量分級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)全國第二次土壤普查及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20]，土壤陽離子交換量分級情況如下(表2)。

表2 土壤陽離子交換量(CEC)等級劃分

2.3 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 20.0進(jìn)行各指標(biāo)的統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)進(jìn)行指標(biāo)間的差異比較，采用R軟件進(jìn)行相關(guān)分析，其余圖件均由Origin 2018繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤垂直剖面的肥力指標(biāo)統(tǒng)計特征

清涼峰自然保護(hù)區(qū)土壤不同層次的陽離子交換量和各肥力指標(biāo)見表3。根據(jù)表2的等級劃分可知，自上而下3個土層的平均土壤陽離子交換量分別為36.07、20.29和14.86 cmol/kg。根據(jù)全國第二次土壤普查中土壤陽離子交換量的分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤陽離子交換量>20.0 cmol/kg為保肥能力強(qiáng)，陽離子交換量在[15.4,20.0)cmol/kg為保肥能力中等，陽離子交換量<10.5 cmol/kg為保肥能力弱的土壤。由此可見研究區(qū)土壤保肥性整體處于中等以上水平，其表層[0～10 cm)土壤陽離子交換量達(dá)到一級水平，顯著高于其他兩個土層。

表3 剖面中不同層次土壤的理化指標(biāo)

整體上，隨著土壤剖面深度的增加，所有肥力指標(biāo)都呈下降趨勢，表層土壤陽離子交換量約是心土層土壤陽離子交換量的2.43倍，可見土壤陽離子交換量與其他肥力指標(biāo)的變化趨勢較為一致，該結(jié)果符合一般規(guī)律[21-22]，表明土壤陽離子交換量與有機(jī)質(zhì)以及氮、磷、鉀元素之間存在一定的相互影響性。各個土層的土壤w(有機(jī)質(zhì))、w(堿解氮)、w(速效磷)和w(速效鉀)分別介于15.59～54.30 g/kg、31.38～83.63、0.65～4.72和82.61～153.39 mg/kg之間，其中表層與其他土層之間的這些指標(biāo)也存在顯著差異(P<0.05)。心土層土壤[30～60 cm]砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他兩個土層；黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各個土層之間也存在顯著差異(P<0.05)，并且表層土壤的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高；各土層之間粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不存在顯著差異。

3.2 土壤剖面粒徑分布特征

根據(jù)美國土壤質(zhì)地分類制將土壤粒徑組成大小分為砂粒(0.05 mm≤粒徑<2.00 mm)、粉粒(0.002 mm≤粒徑<0.050 mm)和黏粒(粒徑<0.002 mm)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比分別為24.79%～52.6%，26.91%～47.01%和16.55%～39.47%；均值分別為38.61%，34.96%和26.42%。通過土壤質(zhì)地三角圖可知(圖1)，清涼峰自然保護(hù)區(qū)的土壤質(zhì)地主要為黏壤土、壤土、粉質(zhì)黏壤土和砂質(zhì)壤土。其中，表層土壤主要為黏壤土和壤土，少部分為黏土、粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏壤土；表下層土壤主要為黏壤土和壤土，極少數(shù)為粉質(zhì)黏壤土和粉壤土；心土層土壤主要為壤土和砂質(zhì)壤土，少部分為砂質(zhì)黏壤土、黏壤土和粉壤土?？梢姡S著土壤剖面深度的增加，土壤黏性減弱，砂性隨之增強(qiáng)。

圖1 研究區(qū)土壤質(zhì)地三角圖

3.3 不同土壤類型和海拔梯度下土壤陽離子交換量變化特征

由表4和表5可知，不同土壤類型與海拔等級下的各土層陽離子交換量均存在一定的差異性，并且陽離子交換量在土壤類型、海拔等級的影響下具有較為相似的變化趨勢。不同土壤類型間的陽離子交換量均值依次為山地黃壤(25.92 cmol/kg)>山地草甸土(25.52 cmol/kg)>山地棕黃壤(23.33 cmol/kg)>山地黃紅壤(23.17 cmol/kg)>山地紅壤(19.44 cmol/kg)；將海拔帶劃分為1等級(500 m≤h<800 m)、2等級(800 m≤h<1 000 m)、3等級(1 000 m≤h<1 200 m)和4等級(h≥1 200 m)，其土壤陽離子交換量均值依次為2級(25.67 cmol/kg)>4級(25.43 cmol/kg)>3級(22.58 cmol/kg)>1級(22.03 cmol/kg)，表明5種土壤類型的保肥、供肥和緩沖能力具有一定的差異性，且受海拔的影響較為強(qiáng)烈。

表4 不同土壤類型的陽離子交換量變化特征

表5 不同海拔梯度下陽離子交換量變化特征

3.4 土壤陽離子交換量與其他理化指標(biāo)的相關(guān)分析

研究區(qū)不同層次土壤剖面的陽離子交換量和其他理化指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果顯示(表6)，表層土壤陽離子交換量與砂粒呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與粉粒呈正相關(guān)，與黏粒呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；表下層土壤陽離子交換量與砂粒之間具有顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.05)，與粉粒和黏粒呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著；心土層土壤陽離子交換量與砂粒、粉粒、黏粒的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。其他肥力指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果表明，表層土壤陽離子交換量與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與速效鉀呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。表下層土壤陽離子交換量、心土層土壤陽離子交換量與其他肥力指標(biāo)的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。

表6 研究區(qū)土壤理化指標(biāo)的Pearson相關(guān)系數(shù)

4 討論

以上結(jié)果顯示清涼峰自然保護(hù)區(qū)土壤陽離子交換量整體處于三級以上水平，具較高的保肥性。土壤陽離子交換量在剖面上的變化趨勢與土壤有機(jī)質(zhì)等肥力指標(biāo)的變化趨勢較為一致，表層土壤陽離子交換量與有機(jī)質(zhì)和速效鉀呈顯著正相關(guān)。土壤陽離子交換量以土壤膠體為載體，其大小由土壤膠體比表面積和表面負(fù)電荷密度決定，其中的腐殖質(zhì)成分具有較大的比表面積和大量可水解產(chǎn)生負(fù)電荷的官能團(tuán)，增加土壤膠體表面陽離子的吸附點位，從而提高土壤的陽離子交換量[23-26]。本研究區(qū)屬于原生性條件較好的自然保護(hù)區(qū)，森林生態(tài)保存完好，有機(jī)質(zhì)回歸土壤的能力較強(qiáng)[27]，且處于兩浙西路海拔最高區(qū)域，日均氣溫較低，有機(jī)質(zhì)礦化速度較慢，人為擾動小，有利于有機(jī)質(zhì)積累，是土壤具有較高陽離子交換量的主要原因。有研究指出，旱地土壤陽離子交換量對速效鉀的保蓄有較大影響，土壤中速效鉀主要以交換性K+為主，后者易被土壤黏土礦物吸附[28]。本文結(jié)果顯示表層土壤的陽離子交換量與黏粒呈極顯著正相關(guān)，說明土壤礦質(zhì)顆粒對土壤陽離子交換量的貢獻(xiàn)主要來自黏粒。

土壤質(zhì)地組成較大程度上影響著土壤質(zhì)量，不同質(zhì)地的土壤碳、氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及土壤團(tuán)聚體都隨著土壤質(zhì)地由細(xì)變粗逐漸降低[29]，且土壤黏粒有機(jī)碳結(jié)構(gòu)比砂粒有機(jī)碳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[30]。本研究表明隨著土壤剖面深度的增加，土壤黏性減弱，砂性增強(qiáng)，土壤質(zhì)地變輕(圖1)，土壤砂粒和速效鉀、堿解氮以及有機(jī)質(zhì)都呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，黏粒與有機(jī)質(zhì)和速效鉀之間存在顯著正相關(guān)，與上述隨著剖面深度增加土壤肥力指標(biāo)水平下降的結(jié)果相一致。不同粒級土壤礦質(zhì)顆粒的比表面積和礦物晶體組成具有顯著差別[31]，砂粒的比表面積小，交換點位較少，吸附能力弱，導(dǎo)致了土壤砂粒的保水保肥能力不及黏粒[32]。與其他肥力指標(biāo)相比，土壤速效磷與土壤陽離子交換量的相關(guān)性均不顯著，其與酸性土壤對磷元素的吸持固定有關(guān)[33]，即土壤中較高的氧化鐵與磷形成閉蓄態(tài)磷(Al-P，F(xiàn)e-P)[34]。

不同土壤類型之間的陽離子交換量也存在較大差異，且與海拔的變化有關(guān)，這與山地土壤垂直帶譜的分布受到海拔的影響有關(guān)[35-36]。隨著海拔高度增加，氣溫和蒸發(fā)量下降，濕度變大，成土過程中的生物化學(xué)作用減弱，有機(jī)質(zhì)易于積累，進(jìn)而提高了土壤陽離子交換量[37]。本研究顯示山地黃壤的土壤陽離子交換量最高，山地草甸土和棕黃壤的陽離子交換量相對較低，但是兩者的陽離子交換量差異較小，原因在于山地黃壤帶多為落葉闊葉林，植被分布最為茂盛，植被歸還土壤的能力較高；而棕黃壤帶多為針葉林和針闊葉混交林，凋落物相對較少，有機(jī)質(zhì)積累相對較少；而分布在山頂區(qū)域的草甸土壤陽離子交換量偏低主要由于植被分布較為單一、其枯落物歸還量較小[38-39]。因此，保持清涼峰自然保護(hù)區(qū)土壤陽離子交換量適宜性的關(guān)鍵在于保護(hù)植被和有機(jī)質(zhì)的自然積累，以更好維持研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

清涼峰自然保護(hù)區(qū)的土壤陽離子交換量整體較高，保肥力均處于三級以上水平，顯示出研究區(qū)土壤整體保肥效果較好；隨著剖面深度的增加，土壤陽離子交換量逐漸降低，且與其他肥力指標(biāo)的分布特征相一致。

隨著土壤剖面深度的增加，土壤黏性減弱，砂性增強(qiáng)。表層土壤陽離子交換量與黏粒呈顯著正相關(guān)，與砂粒呈顯著負(fù)相關(guān)，表明黏粒是土壤陽離子交換量的主要貢獻(xiàn)者。

不同土壤類型之間陽離子交換量存在一定的差異性，表明不同土壤類型的保肥供肥和緩沖能力不同；陽離子交換量分布與海拔的變化基本一致，體現(xiàn)了海拔與土壤類型的密切相關(guān)性。