康 婷，周春火，魏宗強，繆玉琳，盧志紅

（江西農業(yè)大學國土資源與環(huán)境學院/江西省鄱陽湖流域農業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，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[6-7]。江西省的土壤以紅壤和水稻土為主，水熱資源豐沛，在農業(yè)生產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，嚴重制約著該區(qū)域生產力的發(fā)展。江西省是中國水稻的重要產區(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業(yè)生產上采用合理的培肥增產措施的依據(jù)之一。

目前有很多關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)正相關關系；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質積累的差異，在有機質含量較低的土壤中，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，土壤CEC高意味土壤保鉀能力強?？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，進而為生產上合理利用土壤資源、培肥改良土壤、提高土壤生產力提供科學依據(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，樣點分布見圖1。用GPS記錄采樣點的坐標，每樣點采取5個樣，混合所取的耕層土樣，通過四分法，每樣點用土袋裝取1 kg左右，最后貼好標簽帶回實驗室。試驗在國土資源與環(huán)境學院重點實驗室，于2019年7—12月份進行。

圖1 江西省典型土壤耕層采樣點的空間分布[19]

1.1.1 土壤樣品的預處理 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、無藥品，將土樣平鋪于干凈的塑料膜上，攤成薄層（厚約2 cm），進行風干。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篩孔的風干土樣1.00 g，加入容積為50 mL的離心管內，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。對稱放入離心機中離心3 min，轉速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中離心3 min，轉速為4000 r/min，棄去乙醇。反復用乙醇洗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。最后用鹽酸標準溶液滴定。同時做空白試驗。

1.3 土壤養(yǎng)分的測定

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

1.4 分級標準

據(jù)全國第二次土壤普查及有關標準，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軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結果與分析

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值在此范圍內占比29.16%，旱地土壤的CEC值在此范圍內占比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

將土樣分析結果根據(jù)采樣地點分贛南、贛北、贛中、贛西、贛東北5個區(qū)域進行分析，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。一般認為保肥能力強的土壤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幾乎沒有，調查數(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，與堿解N和全P之間具有顯著(P＜0.05)正相關，與有機質、有效P、全N之間關系不顯著；江西省贛北旱地土壤CEC與有機質、全N之間具有顯著(P＜0.05)正相關，與pH、堿解N、有效P、速效K、全P、全K之間關系不顯著；贛中旱地土壤CEC與有機質、堿解N、全N之間具有極顯著(P＜0.01)正相關，與全P之間具有顯著(P＜0.05)正相關，與pH、有效P、速效K、全K之間關系不顯著；贛西旱地土壤CEC與有機質、速效K之間具有極顯著(P＜0.01)正相關，與pH、堿解N之間具有顯著(P＜0.05)正相關，與有效P、全N、全P、全K之間關系不顯著；贛東北旱地土壤CEC與pH、有機質、堿解N、有效P、速效K、全N、全P、全K之間關系不顯著。總的來說，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)分的相關分析 由表6可知江西省贛南稻田土壤CEC與有機質之間具有極顯著(P＜0.01)正相關，與全N、全P、全K之間具有顯著(P＜0.05)正相關，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、有機質、堿解N、有效P、速效K、全N、全P、全K之間關系均不顯著；贛中稻田土壤CEC與全N之間具有顯著(P＜0.05)正相關，pH、有機質、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與有機質、全K具有極顯著(P＜0.01)正相關，與全N具有顯著(P＜0.05)正相關，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與土壤有機質、全N之間具有極顯著(P＜0.01)正相關，與pH之間具有顯著(P＜0.05)正相關，與堿解N、有效P、速效K、全P、全K之間關系不顯著。

表6 江西省稻田土壤陽離子交換量(CEC)與土壤養(yǎng)分的相關分析

3 結論與討論

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，旱地保肥能力略強于稻田。這與楊秀珍等[6]的研究結果一致。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)屬于溫帶季風氣候，該地區(qū)地勢低平，多為平原地貌，土壤主要為輕壤質潮土，而本研究江西省地區(qū)屬于中亞熱帶季風氣候，降雨量豐富，且降雨量大于蒸發(fā)量，土壤脫硅富鋁化嚴重，土壤質地主要為中壤土和重壤土，導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，本研究中贛北、贛中旱地以及贛南、贛西稻田的土壤CEC與土壤有機質含量之間存在顯著或極顯著正相關性，與土壤pH之間相關性極低，這與李艷等[26]對黑龍江西部地區(qū)土壤CEC研究結果基本一致；本研究中贛西旱地以及贛東北稻田的土壤CEC與有機質含量、pH極顯著和顯著相關，與許亞琪[27]、王曉春[28]等研究結果相一致?？赡芤驔Q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電荷的數(shù)量。本試驗土壤有機質含量較高，大于20 g/kg的占比近60%，導致土壤中有機膠體、有機無機復合膠體多，土壤膠體表面積大、所帶負電荷多，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，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。可能在pH變異系數(shù)相對大的區(qū)域隨著pH的升高，土壤膠體所帶負電荷增加相對明顯。

土壤陽離子交換量除主要受土壤有機質含量和pH影響外，本研究結果表明江西省旱地土壤陽離子交換量主要受有機質、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影響力較小；江西省稻田土壤陽離子交換量主要受有機質、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。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，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與土壤有機質對土壤CEC影響相一致，可能因土壤中氮素絕大部分為有機結合形態(tài)，土壤全N含量與有機質存在顯著正相關性相關。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)及其占比復雜程度有關。

總的來說，江西省土壤陽離子交換量主要受有機質、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，在對江西省土壤進行施肥時，應該適量施用石灰粉，以改良土壤的pH，同時合理地進行有機肥和無機肥的配施，提高土壤的陽離子交換量(CEC)，從而促進江西省土壤的保肥能力和緩沖能力。