塔里木河上游棉區不同類型鹽土陽離子交換量分布特征及影響因素

張翠麗 ，支金虎，張桂兵，姚永生，卜東升

(1. 塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾 843300；2.新疆生產建設兵團第一師十團農業發展服務中心,新疆阿拉爾 843300；3. 新疆生產建設兵團第一師農業科學研究所，新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】土壤陽離子交換性能是土壤液相與固相間陽離子交換的能力，對調節土壤溶液中的離子類型和濃度，保持土壤有效養分的多樣化和平衡性有重要作用；也是土壤緩沖性能的主要來源，對緩沖酸堿平衡、隔離有毒重金屬等土壤改良修復意義重大[1]。土壤膠體巨大的比表面和凈負電荷使其具有相當高的反應活性，能夠吸附、截留和交換土壤中的陽離子，這一過程關系到土壤中諸多的物理化學特性[2-3]。陽離子交換量(CEC)作為土壤重要特性和肥力影響因素之一[4]，反映了土壤膠體與可交換陽離子相互作用和結合的能力[5]，是評價土壤保肥、供肥和緩沖性能的主要指標，對培肥地力、改良和修復污染土壤有重要作用[6-8]。【前人進展研究】我國西北干旱半干旱地區是地球表面最大的中性-堿性土壤生物群落之一[9]，對生態安全具有重要意義[10]。新疆是我國西北部最為干旱，土壤鹽堿化分布最廣、積鹽最重且類型最多的地區[11]。鹽土是鹽堿土中面積最大的類型，大量鹽基離子導致土壤結構分散、理化性質惡化、是限制農業生產的主要非生物因素[12]。【本研究切入點】目前，對干旱區不同類型鹽土CEC的分布特征及其影響因素的研究鮮有報道。研究新疆塔里木河上游棉區不同類型鹽土陽離子交換量分布特征及影響因素。【擬解決的關鍵問題】采用野外實地調查，選取典型樣地采集樣品，分析塔里木河上游棉區5種主要鹽土類型CEC剖面分布狀況，研究鹽土基本理化性質對CEC的影響，基于灰色關聯度對分析各影響因子重要性和干旱區不同類型鹽土CEC分布特點及影響因素，為了解鹽土土壤特性及高效改良利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區位于天山山脈南麓，塔里木河上游棉區阿拉爾墾區。該區光熱資源豐富，年均日照時數約為3 000 h，年均氣溫10.6～11.5℃，年均降水量17.4～52.2 mm，年均蒸發量2 000～3 400 mm，典型的暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候。由北至南依次為山地、平原、盆地和沙漠，塔里木河自西向東橫穿而過，屬于山-盆地貌結構；山區有古海相沉積形成的鹽山鹽巖，平原及盆地區成土母質含有大量可溶性鹽，地下水位及水質礦化度均較高。無論是氣候條件還是地理環境均有利于地表積鹽，該區鹽土面積大，且類型豐富。

依據鹽土發生學選取草甸鹽土(Meadow solonchak, MeS)、沼澤鹽土(Marshy solonchak, MaS)、殘余鹽土(Residual Solonchak, ReS)、洪積鹽土(Proluvial Solonchak, PrS)及棕漠林鹽土[13](Desert solonchak, DeS) 5種典型鹽土類型。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

在每個樣地隨機設置3個面積約為30 m×30 m的樣方作為重復；在各樣方內按“S”型布點法隨機確定5個采樣點，每個采樣點取0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm的土樣，由下至上逐層采集，按層混勻，“四分法”縮分，帶回室內風干、研磨后過篩，備用。表1

表1 采樣點地理位置和主要植被組成Table 1 The site features and vegetation composition of plots

1.2.2 樣品理化性質

土壤陽離子交換量采用乙酸鈉-火焰光度法；土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；土壤pH值采用電位法(水∶土 = 2.5∶1)；土壤碳酸鈣采用氣量法；土壤顆粒組成采用吸管法[14]；比表面積的測定采用乙二醇乙醚吸附法(EGME)[15]；交換性鹽基離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)采用pH值8.5的氯化銨+乙醇交換-原子吸收分光光度法[16]；采用加和法計算鹽基總量(Total exchangeable base cations content, TEB)，即TEB(cmol/kg)=K++Na++1/2Ca2++1/2Mg2+。利用DPS數據處理軟件，對實驗數據進行均值化處理，設Δmin=0、分辨系數§=0.5，進行鹽土基本理化性質與CEC的灰色系數關聯度分析[17]。關聯系數越大，該因素與CEC關聯性越好，即對陽離子交換性能影響越大，反之，關聯度越小則影響越小。表2

1.3 數據處理

運用SPSS 22.0對數據進行分析，數據差異顯著性采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)，多重比較采用最小顯著差數法(LSD)，相關性分析采用Pearson相關系數；運用DPS V15.10進行灰色關聯度分析；運用Origin 2019軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同類型鹽土陽離子交換量的分布規律

研究表明,該研究區土壤陽離子交換量(CEC)在2.02～25.54 cmol/kg，均值為12.39 cmol/kg。草甸鹽土(MeS)CEC隨著剖面深度的增加呈先下降后上升的趨勢，0～60 cm土層內各剖面層差異不顯著，60～80 cm剖面層CEC最大，為25.54 cmol/kg；沼澤鹽土(MaS)CEC在2.02～5.90 cmol/kg范圍內變化，0～60 cm土層內各剖面層其含量無明顯變化，60 cm土層以下，隨深度增加而下降；殘余鹽土(ReS)CEC在0～60 cm土層內隨剖面深度的增加逐漸增加，且各剖面層差異顯著，40～60 cm剖面層CEC最大，為21.20 cmol/kg，洪積鹽土(PrS)CEC隨剖面深度的增加呈下降趨勢，40 cm土層以下CEC差異不顯著，表層CEC最大，為11.7 cmol/kg，棕漠林鹽土(DeS)CEC隨剖面深度的增加呈先減小后增加，隨后又減小的趨勢，各剖面層CEC差異極顯著。不同鹽土類型同一剖面CEC差異明顯，除洪積鹽土(PrS)外，其它4類鹽土最大CEC均出現在40～80 cm土層內。不同類型鹽土CEC差異顯著，表現為MeS > ReS > DeS > PrS > MaS，不同類型鹽土保肥、供肥及緩沖性能具有明顯不同。圖1

圖1 不同類型鹽土陽離子交換量剖面分布
Fig.1 Profile distribation of cation exchange capacity in the different saline soils

2.2 鹽土有機質含量對陽離子交換量的影響

研究表明,鹽土陽離子交換量(CEC)與土壤有機質(SOM)的相關系數r=0.207(n=75)。鹽土SOM在2.02～16.00 g/kg，主要集中在4～8 g/kg，含量較低。對兩者關系進行趨勢分析，其線性方程的擬合度為2.70%，呈正相關，但不顯著，鹽土SOM對CEC有影響，但影響程度較小。不同類型鹽土CEC隨SOM變化的趨勢存在明顯差異：草甸鹽土、殘余鹽土和棕漠林鹽土中鹽土CEC隨SOM的增加而減少；而沼澤鹽土和洪積鹽土中CEC與SOM呈正相關，特別是洪積鹽土中SOM與CEC線性方程的擬合度達到93.70%，呈極顯著正相關。圖2

2.3 鹽土pH對陽離子交換量的影響

研究表明,鹽土陽離子交換量(CEC)與pH的相關系數r=0.343**(n=75)。鹽土pH在7.2～8.6，其平均值為7.75；兩者線性方程的擬合度為11%，呈顯著正相關，鹽土CEC隨pH的升高而增大。不同類型鹽土CEC隨pH變化的趨勢一致，均呈正相關，其中洪積鹽土中CEC對pH的變化最為敏感，兩者線性方程的擬合度達到81.94%，呈極顯著正相關 。圖3

圖2 鹽土陽離子交換量與土壤有機質的關系
Fig.2 The relationship between cation exchange capacity and organic matter of saline soil

圖3 鹽土陽離子交換量與pH的關系
Fig.3 The relationship between cation exchange capacity and pH of saline soil

2.4 鹽土鹽基總量對陽離子交換量的影響

研究表明,鹽土陽離子交換量(CEC)與鹽基離子總量(TEB)的相關系數r= 0.496**(n=75)。鹽土TEB在1.42～7.21 cmol/kg范圍內，其平均值為3.66 cmol/kg；兩者線性方程的擬合度為24.58%；當TEB<5.1 cmol/kg時，CEC隨TEB的增大而增大，當TEB>5.1 cmol/kg時，CEC隨TEB的增大而呈下降趨勢。不同類型鹽土CEC隨TEB變化的趨勢不同，除草甸鹽土中CEC與TEB呈負相關外，其余4類鹽土中CEC與TEB均呈正相關。圖4

2.5 鹽土交換性鹽基離子飽和度對陽離子交換量的影響

研究表明,鹽土陽離子交換量(CEC)與交換性鈣飽和度(CaSP)、交換性鎂飽和度(MgSP)、交換性鉀飽和度(KSP)及堿化度(ESP)的相關系數r分別為-0.748**、-0.523**、-0.500**和0.494**(n=75)。該研究區鹽土中交換性Ca2+含量在鹽基總量中所占比例較高，平均為42.69%，其次是Mg2+和K+，分別為31.11%和16.99%，Na+所占比列最低，為9.21%，說明該區堿化作用較弱。除CEC與ESP變化趨勢呈顯著正相關外，與CaSP、MgSP、KSP均呈顯著負相關，可交換性Na+對鹽土陽離子交換性能具有積極的促進作用，而交換性Ca2+、Mg2+和K+對鹽土陽離子交換性能具有抑制作用。圖5

圖4 鹽土陽離子交換量與鹽基總量的關系
Fig.4 The relationship between cation exchange capacity and total exchangeable base cations content of saline soil

圖5 鹽土陽離子交換量與交換性鹽基離子飽和度的關系
Fig.5 The relationship between cation exchange capacity and exchangeable cationic saturation percentage of saline soil

2.6 鹽土CaCO3含量對陽離子交換量的影響

研究表明,鹽土陽離子交換量(CEC)與CaCO3的相關系數r= 0.242*(n=75)。鹽土CaCO3含量在10.57%～29.71%，平均值為19.33%。CEC與CaCO3的線性方程的擬合度為58.51%，呈顯著正相關，隨著鹽土CaCO3含量的增加，鹽土CEC也相應的增大。不同類型鹽土CEC隨CaCO3含量變化的趨勢存在差異：草甸鹽土、沼澤鹽土和殘余鹽土中鹽土CEC隨CaCO3含量的增加而增大；洪積鹽土和棕漠林鹽土中CEC與CaCO3成反比。圖6

圖6 鹽土陽離子交換量與碳酸鈣含量的關系
Fig.6 The relationship between cation exchange capacity and calcium carbonate of saline soil

2.7 鹽土粘粒含量對陽離子交換量的影響

研究表明,鹽土陽離子交換量(CEC)與粘粒含量的相關系數r= 0.509**(n=75)。鹽土粘粒含量平均為14.85%。CEC與粘土礦物的線性方程擬合度為25.72%，呈極顯著正相關(P<0.01)，鹽土粘粒含量對CEC有較大貢獻。不同類型鹽土粘粒含量差異較大，沼澤鹽土與棕漠林鹽土中粘粒含量較低，平均含量分別為6.26%和6.07%；殘余鹽土含量最高，平均含量為31.65%；其次為草甸鹽土和洪積鹽土，平均含量分別為17.79%與12.49%。除洪積鹽土中CEC隨粘粒含量增大呈略微下降趨勢外(擬合度僅為4.45%)，其余5類中鹽土CEC均與粘粒含量呈正相關。圖7

圖7 鹽土陽離子交換量與粘粒含量的關系
Fig.7 The relationship between cation exchange capacity and Clay particle content of saline soil

2.8 鹽土粘土礦物比表面積與CEC

研究表明,鹽土陽離子交換量(CEC)與粘土礦物比表面積(SSA)的相關系數r=0.647**(n=75)。鹽土SSA在51.06～252.24 m2/g，平均值為144.21 m2/g，鹽土CEC與SSA的線性方程擬合度為52.67%，呈極顯著正相關(P<0.01)，鹽土SSA對CEC有極大的促進作用。不同類型鹽土SSA差異明顯，平均值大小順序為：草甸鹽土>殘余鹽土>棕漠林鹽土>洪積鹽土>沼澤鹽土。在草甸鹽土和殘余鹽土中CEC隨SSA的增大呈下降趨勢；在沼澤鹽土、洪積鹽土和棕漠林鹽土中CEC隨SSA的增加而增大。圖8

圖8 鹽土陽離子交換量與粘土礦物比表面積的關系
Fig.8 The relationship between cation exchange capacity and specific surface area of saline soil

2.9 鹽土基本理化性質與陽離子交換量的灰色關聯度

研究表明,影響草甸鹽土CEC的5個主要因素依次為pH、CaCO3、CL、SSA、SOM；影響沼澤鹽土CEC的5個主要因素依次為TEB、SSA、CaCO3、CL、pH；影響殘余鹽土CEC的5個主要因素依次為TEB、pH、CaCO3、CL、SSA；影響洪積鹽土CEC的5個主要因素依次為TEB、SSA、CL、CaCO3、pH；影響棕漠林鹽土CEC的5個主要因素依次為TEB、CL、SSA、CaCO3、pH。TEB、CaCO3、pH、SSA、CL、SOM對鹽土CEC貢獻較大，而CaSP、MgSP和KSP對鹽土CEC貢獻較小。表3

3 討 論

新疆“三山夾兩盆”的獨有地形，境內大小數百條內陸河和洪水溝由山區流向盆地。山區中巖石普遍含有可溶性鹽類，特別是古海相沉積形成的鹽山鹽巖中的可溶性鹽分隨降水不斷流入平原地區[18]，增大了盆地地下水礦化度；干旱少雨的氣候，巨大的蒸降比使易溶性鹽聚于地表形成鹽土。由于鹽土成土過程中區域間成土母質、地形、微氣候、植被覆蓋和水文地質等自然條件和人為活動存在較大差異，造成各區域積鹽強度、速度和鹽分性質迥然不同，形成不同類型的鹽土[19-20]。

土壤膠體的表面結構和性質是土壤具有一系列物理化學過程的根本原因，也是影響CEC大小的關鍵因素[21]。粘粒作為土壤礦質膠體中最活躍的組分，其巨大的比表面積和表面電荷是CEC主要的貢獻因子[22]。已有研究顯示，在溫帶地區，粘粒部分以2∶1型帶負電荷的粘土礦物為主，因此，粘粒含量對CEC貢獻很大[23]；而在熱帶潮濕地區，由于土壤風化率高使礦物表面帶正電，導致土壤粘粒含量與CEC呈負相關[24]。

研究表明，干旱區鹽土粘粒含量及其比表面積均與CEC呈極顯著正相關(P<0.01)，粘粒是CEC的主要來源。有機質中的腐殖物質是重要的土壤有機膠體，帶大量負電荷的有機質可以吸附土壤中的交換性陽離子[25]，從而影響土壤CEC。相關研究表明，土壤CEC與有機質含量呈顯著正相關[26-27]。而該研究區鹽土CEC與有機質含量無顯著相關性(P>0.05)，鹽土有機質含量對CEC影響不大，其原因可能是鹽土有機質含量極低(0.2%～1.6%)，對土壤CEC的貢獻被其它影響因素(如粘粒含量和粘土礦物比表面積)所掩蔽。

土壤pH主要反映了土壤鹽基狀況，交換性陽離子組成對pH有重要影響，其中鹽基離子飽和度對pH起決定性的作用[28]，原因可能是不同pH條件下，膠體表面官能團會出現選擇性差異，因此，pH值的變化會影響土壤有機質和粘土礦物的陽離子選擇性[29]。研究表明，鹽土pH、TEB及ESP均與CEC呈極顯著正相關(P<0.01)，CaSP、MgSP和KSP均與CEC呈極顯著負相關(P<0.01)，鹽土pH、TEB和BSP對CEC有促進作用，而CaSP、MgSP和KSP對鹽土CEC有抑制作用。

CaCO3含量對土壤CEC也有影響。徐明崗等[30]研究分析得出,由于CaCO3在土壤團聚體形成過程中的膠結作用和自身在礦物表面的沉積，減少了礦物表面的交換位點，從而降低了CEC。研究結果與之不同。研究區鹽土中CaCO3含量較高，在10.57%～29.71%范圍內，CEC與CaCO3的線性方程擬合度為58.51%，呈顯著正相關，其原因可能是由于CaCO3的水解影響了土壤pH，進而增加了鹽土CEC。土壤中存在粗顆粒CaCO3和超細CaCO32種形式，分別起著骨架作用和膠結作用，超細CaCO3的含量與粘粒含量成正比[31]。該區粘粒含量較低(平均為14.85%)，超細CaCO3的含量也較低，膠結作用相對較弱；而占比較大的粗顆粒CaCO3的水解反應決定了pH[32-33]，并呈極顯著正相關(r=0.343)。Lieb等[33]也證實了不同類型土壤酸堿緩沖機制不同：pH>7.5的土壤通過碳酸鹽緩沖；pH4.5～7.5的土壤主要由交換性陽離子緩沖；pH<4.5的土壤中鐵鋁氧化物是主要緩沖體系。

相關性分析和線性擬合能很好的反映2個變量間的線性關系程度及發展趨勢，但當2變量間的關系為非線性時，其分析結果就會與實際有偏差，灰色關聯法可以很好的彌補這一不足。灰色關聯法是一種有效的模式識別方法，它根據事物序列空間曲線幾何形狀的相似程度，將變量間的關聯程度量化，2條曲線形狀越相似，關聯度就越大，反之，則關聯度越小[17,34]。研究結果表明，TEB、CaCO3、pH、SSA、CL、SOM對干旱區鹽土CEC的影響較大，而CaSP、MgSP和KSP對干旱區鹽土CEC影響較小，這一結果與相關性分析結果一致。

4 結 論

塔里木河上游棉區鹽土CEC在2.02～25.54 cmol/kg，均值為12.39 cmol/kg。該區不同類型間鹽土CEC有顯著差異，表現為MeS > ReS > DeS > PrS > MaS，不同類型鹽土保肥、供肥及緩沖性能明顯不同。干旱區鹽土中粘粒是CEC的主要來源，pH、CaCO3、TEB和ESP是CEC主要貢獻因子， CaCO3對鹽土CEC的影響不容忽視；CaSP、MgSP和KSP對該地區鹽土CEC有顯著抑制作用。