不同土地復墾模式對土壤陽離子交換性能的影響

高 芳，李洪昌，2*

1.常州機電職業技術學院 車輛工程學院，江蘇 常州 213164

2.江蘇大學 農業工程研究院，江蘇 鎮江 212013

從化學物質的角度來講，土壤也具有其酸堿強度，且其對土壤的理化特性起著不可忽視的重要影響，對于土壤結構起著制約作用，進而影響著植被的生長，同時對微生物活動施加著難以替代的影響作用[1]，可以說，這一酸度特點在土壤生態中的作用尤為關鍵，是不可忽視的影響指標，成為陸地生態的重要影響成分。在土壤能量和物質交換之下，植被獲取了相應的有效養分，從而維持其基本的生長發育[2，3]；對于微生物來說，其新陳代謝所需能量也來自于土壤，尤其是其理化特點。對于陸地養分系統而言，氮磷鉀成為必需的養分，土壤中的鹽基離子具有交換性，并逐漸形成了鈣鎂鉀等元素，且與氮等元素存在著明顯的交互效應，促進土壤生態的穩定，維持其各項化學指標的正常[4，5]。一般情況下，對于溫帶森林土壤而言，其不僅陽離子交換量高，且鹽基飽和度水平也比較高，即使在遇到較長時間酸雨的情況下也能維持較溫定的pH 值，很少會出現酸化的問題，這得益于鹽基離子能夠對酸性物質進行有效的緩沖，其與外源物質的交互效應較為明顯，且產生了較大作用[6]。在土壤條件及外部環境的作用之下，土壤交換性起著重要作用，且具有雙重變化特點。對于土壤有機質SOM 而言，其負電荷特點較為明顯，一般情況下，其含量的不斷增加能夠有效促進鹽基離子含量，進而促進與陽離子的能量交換，并形成一定的交換量ECEC，此外，這對于有效養分的增加起著重要作用，對于土壤肥力的保持作用顯著[7，8]，進而促進植被的生長發育，保障微生物新陳代謝所需能量供應，從而在陸地生態循環中發揮應有的作用。對于土壤而言，其酸堿度不同，其緩沖物質也不盡相同，且緩沖效果也存在較大差異，在pH 明顯在7.5 以上的情況下，碳酸鹽與Ca 能夠有效地對之進行緩沖，此外還有Mg 與K 氧化物，這些物質能夠起到較好的緩沖作用；當其酸堿度在4.5～7.5 的情況下，鹽基含量、SOM 的緩沖作用較為明顯[9]；當酸堿度在4.5 以下的情況下，其主要緩沖作用的物質是鐵和鋁氧化物。綜合來看，土壤物質和能量交換能夠對pH 產生較大的影響，且影響效果具有不可忽視性。對于土壤黏粒而言，其比表面相對較大，金屬離子能被有效吸附，加之風化影響，鹽基離子被釋放，從而形成更高含量的黏粒，增強了鹽基離子含量，同時促進了ECEC含量的上升[10，11]。對于外界環境而言，溫度及水分都會對土壤交換形成重要影響，成為外在的主要影響因子，同時大氣沉降及人為因素也會對之產生重要作用，在酸沉降的影響之下，土壤pH 被有效降低，這種情況下，鹽基與ECEC 含量也隨之下降了；在淋溶效應之下，土壤鹽基成分明顯降低，其與離子交換量也隨之明顯下降；此外，土壤交換不僅受到鹽基、冷熱環境等成分的影響，同時還受到土地利用方式、植被、化肥施用的影響[12]，可以說，這是多種影響因素綜合作用的結果。對于土壤結構而言，其受到的影響因子不僅包括水熱條件，更與其內部結構等關系密切，對于其肥力和活性產生無可替代的影響，成為重要的陸地生態子系統，影響著植被生長發育及微生物新陳代謝[13]。適度的酸性對于作物來說是必須的，通過研究分析得知，肥力也與之具有密切關系。

在社會經濟不斷發展的過程中，尤其是工業化進程發展較快的時期，礦物質開發利用規模不斷增大，礦物資源開發對環境的影響程度不斷增加，礦區污染已經成為很大的污染源，對于環境的影響至關重要[14]，加之污染物堆積，不僅占用了大量的土地資源，更破壞了原有的土壤結構和特點。對于礦區土壤而言，其養分水平明顯較低，土壤結構不穩定，微生活新陳代謝受到嚴重影響[15，16]，對于礦區環境修復產生了極大難度，在這種情況下，土地復墾成為恢復礦區生態的主要手段之一[17]，且這種方式在國外較為成熟，對于我國而言，由于起步較晚，國內學者首先對固體廢棄物帶來的復墾難度進行了分析，并探究了其影響機理，從多個方面提出了復墾的途徑[18]，從而恢復土壤肥力和活性，降低水土流失問題和養分散失問題。基于此，本研究從礦區土壤的角度探究復墾模式下的土壤結構等，為恢復土壤養分提供有益參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

平朔礦區處于研究區，所占的面積已經到達161 km2。所處的位置在與黃土高原晉陜蒙相互連接的黑三角地帶，其主要位于山西省北部的朔州市境內，全年屬于溫帶半干旱季風氣候區，每一年的平均氣溫大約有4.9～7.7 ℃。每年的降雨量已經達到430～450 mm。當前平朔礦區的地貌為黃土低山丘陵，海拔的高度大約有1400～1560 m。研究區的土壤主要為栗鈣土與栗褐土，土壤中的有機含量較低、結構較差與抗蝕能力相對較弱，不僅土壤中的侵蝕非常嚴重，同時在冬春季節中風大且風多，地表處于干燥的狀態，從而這些現象直接影響著研究區的生態系統的構建。

1.2 研究方法

1.2.1 不同復墾模式 本研究對象位于陜西省太原礦區，實驗開始于2015年8月，并進行連續三年的實驗，在取樣過程中采取多元取樣法，具體通過“S”形狀進行；采樣所用小鐵鏟需要進行消毒處理，并把地表雜質去除，采樣深度達到22 cm，將樣品充分混合后裝入密封袋，以備后續進行指標測量。一部分土樣在經過自然風干后，需要通過0.5 mm篩去除相應的碎片及根系，進而對養分含量進行測定，并分析其理化特點；另一部分土樣冷藏，待微生物量測定。

1.2.2 樣品的采集 陜西太原礦區在采樣過程中，采樣的時間主要在2015～2018年的8月份，會按照“S”形狀采用多元化的采樣法，并且通過無菌小鐵鏟采集0～22cm，進一步將采樣之后的作物放置在矸石未風化或風化較微弱的地方，采樣過程中需要將土壤表面的動植物殘體進行清除，然后將采樣土壤樣品充分的混合，并裝進以聚乙烯無菌的塑料袋進行密封，帶回實驗室進行測定與分析，自然風干后將碎片與部分根后過0.5 mm進行篩選，從而測定出土壤中存在的營養養分與理化性質，將其中的一部分放置在4 ℃冰箱中對土壤微生物量進行相關的檢測。

1.2.3 樣品的測定 在土壤理化性質與營養養分中的測定：pH采用的是電極電位法；土壤電導率采用的是P4具備多功能性的測定儀進行檢測；全鹽采用電導法實施，土壤有機碳中主要利用的是重鉻酸鉀氧化外加熱法；在土壤樣品鑒定過程中，土壤全氮（g·kg-1）利用的是全自動凱氏定氮法，全磷使用的是NaOH熔融-鉬銻抗比色方法進行測定；有效磷（mg·kg-1）樣品采用的是NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法進行樣品測定；采用NaOH-H3BO3法將堿解氮進行測定；采用火焰分光度測定法主要應用在全鉀樣品中。

土壤交換性鹽基離子Ca2+、Mg2+等多種含量都會采用原子吸收光譜法測定，交換量按1/2 Ca2+和1/2 Mg2+進行計算；土壤交換性酸度采用滴定法測定；土壤有效陽離子交換量是作為交換性鹽基離子1/2 Ca2+、Na+等含量之和；文中土壤Ca、Mg 的交換量都是通過單價離子進行計量。

1.3 數據處理

利用Excel 2003.0和SPSS 18.0對數據統計和分析，顯著性分析采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著法（LSD），Pearson相關性系數檢驗擾動區域和未擾動區域植被與土壤因子的相關性，作圖采用Origin 7.5。

2 結果與分析

2.1 不同復墾模式下土壤pH和EC

由圖1可知，土壤pH變化范圍在6.12～8.52之間，其大小依次表現為棄耕地＞單作＞間作＞輪作，不同復墾模式下的pH值差異均顯著（P＜0.05）；土壤EC變化范圍在67.02～92.56 μm·cm-1之間，其大小依次表現為棄耕地＜單作＜間作＜輪作，不同復墾模式下EC差異均顯著（P＜0.05）。

圖1 不同復墾模式下土壤pH和ECFig.1 pH and HC in soil under different reclamation modes

2.2 不同復墾模式下土壤養分

由表1可知，土壤有機碳變化范圍在9.23～15.26 g·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，間作和棄耕地差異不顯著（P＞0.05）；土壤全氮變化范圍在0.86～1.27 g·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，間作和棄耕地差異不顯著（P＞0.05）；土壤全磷變化范圍在0.81～0.86 g·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞間作＞單作＞棄耕地，不同復墾模式下差異不顯著（P＞0.05）；土壤全鉀變化范圍在0.86～1.98 g·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，間作和棄耕地差異不顯著（P＞0.05）；土壤有效磷變化范圍在2.63～13.77 mg·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，不同復墾模式下差異均顯著（P＜0.05）；土壤有效氮變化范圍在15.20～29.89 mg·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，不同復墾模式下差異均顯著（P＜0.05）；有效鉀變化范圍在126.98～236.47 mg·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，不同復墾模式下差異均顯著（P＜0.05）；微生物量碳變化范圍在195.26～336.70 mg·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，不同復墾模式下差異均顯著（P＜0.05）；微生物量氮變化范圍在56.23～83.97 mg·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，不同復墾模式下差異均顯著（P＜0.05）。

表1 不同復墾模式下土壤養分狀況Table 1 Soil nutrients under different reclamation modes

2.3 土壤交換性鹽基離子、交換性酸及交換性離子比

圖2顯示，土壤交換性Ca變化范圍在11.8～32.6 cmol·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，間作和棄耕地差異不顯著（P＞0.05）；土壤交換性K變化范圍在0.15～0.42 cmol·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，不同復墾模式下差異均顯著（P＜0.05）；土壤交換性Mg變化范圍在1.43～2.68 cmol·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，間作和棄耕地差異不顯著（P＞0.05）；土壤交換性Na變化范圍在0.12～0.19 cmol·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，不同復墾模式下差異均顯著（P＜0.05）；土壤ECEC變化范圍在15.6～28.7 cmol·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，不同復墾模式下差異均顯著（P＜0.05）；土壤交換性酸變化范圍在0.12～0.24 cmol·kg-1之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，間作和棄耕地差異不顯著（P＞0.05）。

圖2 土壤交換性鹽基離子、交換性酸Fig.2 Soil exchangeable salt base ion and acid

圖3顯示，土壤交換性Ca/Mg變化范圍在825.17～1291.08%之間，其大小依次表現為單作＞輪作＞間作＞棄耕地，間作和棄耕地差異不顯著（P＞0.05）；土壤交換性K/Na變化范圍在125～221.05%之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，單作和間作差異不顯著（P＞0.05）；土壤交換性Ca/ECEC變化范圍在75.64～115.72%之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，間作和棄耕地差異不顯著（P＞0.05）；土壤交換性K/ECEC變化范圍在0.96～1.46%之間，其大小依次表現為輪作＞單作＞間作＞棄耕地，間作和單作差異不顯著（P＞0.05）；土壤交換性Mg/ECEC變化范圍在8.65～9.97%之間，其大小依次表現為輪作＞棄耕地＞單作＞間作，不同復墾模式下差異均不顯著（P＞0.05）；土壤交換性Mg/ECEC變化范圍在0.66～0.77%之間，其大小依次表現為棄耕地＞單作＞間作＞輪作，不同復墾模式下差異均不顯著（P＞0.05）。

圖3 土壤交換性鹽基離子、交換性酸及交換性離子比Fig.3 Soil exchangeable salt base ion,acid and ion ratio

2.4 土壤交換性能與土壤基本化學性質間關系

以所有土樣的交換性鹽基離子或ECEC為應變量，以土壤有機碳、pH為自變量進行線性逐步回歸，對土壤交換性能與土壤基本化學性質間關系表明（表2），土壤有機碳（SOC）和pH能夠用線性關系表達土壤交換性鹽基離子或ECEC，并且回歸方程達到顯著水平（P＜0.05），由此表明土壤有機碳（SOC）和pH是影響土壤交換性Ca、Mg、K和ECEC的主導因子，其中輪作的相關系數R2最大。

表2 土壤交換性能與土壤基本化學性質間關系Table 2 Relation ship between soil exchangeable performance and basic chemical property

2.5 土壤養分與交換性酸主要參數的關系

由表3可知，相關性分析可知，pH與交換性Ca、交換性Mg、交換性K、交換性Na呈極顯著負相關（P＜0.01），與交換性酸、ECEC和交換性Mg/ECEC呈顯著負相關（P＜0.05）；EC與交換性Na呈極顯著正相關（P＜0.01），與交換性Ca、交換性Mg、交換性K、交換性Mg/ECEC和交換性Ca/Mg呈顯著正相關（P＜0.05）；有機碳與交換性Ca、交換性Mg呈極顯著正相關（P＜0.01），與交換性K、交換性Na、交換性K/ECEC、交換性Na/ECEC呈顯著正相關（P＜0.05）；全氮與交換性Ca、交換性Mg、交換性K、交換性Na和交換性Ca/Mg呈顯著正相關（P＜0.05）；全鉀與交換性Ca、交換性Mg、交換性Na呈顯著正相關（P＜0.05）；有效磷與交換性Ca、交換性Mg、交換性Na和交換性K/ECEC呈顯著正相關（P＜0.05）；有效氮與交換性Ca、交換性K、ECEC、交換性K/ECEC和交換性Na/ECEC呈顯著正相關（P＜0.05）；有效鉀與交換性Ca、交換性Mg、交換性K、交換性K/Na呈顯著正相關（P＜0.05）；微生物量碳與交換性Na呈極顯著正相關（P＜0.01），與交換性Ca、交換性Mg、交換性K和交換性Ca/Mg呈顯著正相關（P＜0.05）；微生物量氮與交換性Ca、交換性Mg、交換性K、交換性Na和交換性K/ECEC呈顯著正相關（P＜0.05）。

表3 土壤養分與交換性酸主要參數的關系Table 3 Relationship between soil nutrients and main parameters of exchangeable acid

3 討論

通過實驗對比分析得知，不同的耕作方式對于土壤交換性能產生了較大差異影響，對于Ca、K、Mg、Na、ECEC 與交換性酸而言，其輪作的耕作方式下，交換性能最強，其次是單作及間作，而棄耕地最低；對于土壤酸化而言，其具有一定的過程，在這期間不僅受到自然環境的影響，同時更多的受到人為干預的影響。對于陜西地區礦區來說，隨著復墾的不斷推進，土壤pH 出現了較為明顯的下降，主要原因在于人們在復墾過程中為了提升作物產量而大量施用了氮磷鉀等肥料，這些肥料具有明顯的酸性，在有機肥料施用不足的情況下，自然而然導致土壤酸性降低，使得鹽基飽和水平下降；另外，對于土壤而言，其酸堿度不同，其緩沖效果也存在較大差異；在種植年限不斷增加的情況下，土壤的初級緩沖水平出現了較大幅度的下降，鋁成分具有較高的飽和度，交換性酸成分上升較為明顯，最終導致酸緩沖水平的下降，因此來說，如果在復墾過程中對土壤保護不足，很容易加劇其酸化[21]。

有機質對于交換性酸產生較為明顯的影響，通過研究發現二者存在正相關影響；這說明交換性酸容量不僅受到有機碳酸性物質的影響，而且受陽離子的制約，多種因素影響下交換性酸發生著較明顯變化[22]。對于土壤腐殖質而言，由于其具有高度膠體化特點，其比表面積相對較大，因此呈現較強的吸附能力，明顯高于硅酸鹽物質。對于發育良好的腐殖質而言，其呈現明顯較高的比表面積，受不同酸堿性的影響，其陽離子交換也呈現較大差異[23]。無論是中性環境，還是堿性條件下，與黏土物質相比，有機質的CEC 呈現較高水平，在腐殖質作用下，有機膠體形成了較明顯的表面電荷，在土壤中的占比達到了30%以上，具有較大的酸性交換貢獻度[12-14]。綜合來看，對于土壤酸度而言，腐殖質也起著不可忽視的影響。

鹽基離子能夠對酸性物質進行有效的緩沖，其與外源物質的交互效應較為明顯，且產生了較大作用；土壤交換不僅受到鹽基、冷熱環境等成分的影響，同時還受到土地利用方式、植被、化肥施用的影響；在pH 出現不斷上升的情況下，陽離子匯集增強了其交換量，在負電荷上升的情況下，膠體表面呈現明顯的增長，此外，在鹽基離子作用下，正電荷數量明顯上升，其表面依然會出現明顯的增加；對于土壤酸性而言，其受到的影響因素具有多樣性，首先，有機酸在解離過程中被釋放，在水解作用下有機配合物產生，H+和Al3+在陽離子交互及水解的共同作用下被釋放，加之非交換性酸性物質的參與，酸度也會發生明顯的變化，因此來說，除了腐殖質影響之外，交換性離子的作用也尤為明顯。通過實驗對比分析得知，不僅交換性鹽基與土壤酸性呈現明顯的線性關系，陽離子交換量也與之具有密切關系，加之鹽基飽和度的作用，土壤酸性具有復雜的變化，這些因素都對土壤酸性產生了較大影響，且能夠進行線性關系分析；通過分析發現，對于有機碳及pH 而言，其對Ca、Mg、K 與ECEC 產生了較大的直接影響；綜合來講，雖然復墾形式不一樣，但是對鹽基離子均產生了明顯的影響，通過對比發現，輪作與間作模式下，鹽堿地水溶陽離子能夠被有效降低，鹽分含量會得以提升，對于植被生長產生有利的影響。