不同土地复垦模式对土壤阳离子交换性能的影响

高 芳，李洪昌，2*

1.常州机电职业技术学院 车辆工程学院，江苏 常州 213164

2.江苏大学 农业工程研究院，江苏 镇江 212013

从化学物质的角度来讲，土壤也具有其酸碱强度，且其对土壤的理化特性起着不可忽视的重要影响，对于土壤结构起着制约作用，进而影响着植被的生长，同时对微生物活动施加着难以替代的影响作用[1]，可以说，这一酸度特点在土壤生态中的作用尤为关键，是不可忽视的影响指标，成为陆地生态的重要影响成分。在土壤能量和物质交换之下，植被获取了相应的有效养分，从而维持其基本的生长发育[2，3]；对于微生物来说，其新陈代谢所需能量也来自于土壤，尤其是其理化特点。对于陆地养分系统而言，氮磷钾成为必需的养分，土壤中的盐基离子具有交换性，并逐渐形成了钙镁钾等元素，且与氮等元素存在着明显的交互效应，促进土壤生态的稳定，维持其各项化学指标的正常[4，5]。一般情况下，对于温带森林土壤而言，其不仅阳离子交换量高，且盐基饱和度水平也比较高，即使在遇到较长时间酸雨的情况下也能维持较温定的pH 值，很少会出现酸化的问题，这得益于盐基离子能够对酸性物质进行有效的缓冲，其与外源物质的交互效应较为明显，且产生了较大作用[6]。在土壤条件及外部环境的作用之下，土壤交换性起着重要作用，且具有双重变化特点。对于土壤有机质SOM 而言，其负电荷特点较为明显，一般情况下，其含量的不断增加能够有效促进盐基离子含量，进而促进与阳离子的能量交换，并形成一定的交换量ECEC，此外，这对于有效养分的增加起着重要作用，对于土壤肥力的保持作用显著[7，8]，进而促进植被的生长发育，保障微生物新陈代谢所需能量供应，从而在陆地生态循环中发挥应有的作用。对于土壤而言，其酸碱度不同，其缓冲物质也不尽相同，且缓冲效果也存在较大差异，在pH 明显在7.5 以上的情况下，碳酸盐与Ca 能够有效地对之进行缓冲，此外还有Mg 与K 氧化物，这些物质能够起到较好的缓冲作用；当其酸碱度在4.5～7.5 的情况下，盐基含量、SOM 的缓冲作用较为明显[9]；当酸碱度在4.5 以下的情况下，其主要缓冲作用的物质是铁和铝氧化物。综合来看，土壤物质和能量交换能够对pH 产生较大的影响，且影响效果具有不可忽视性。对于土壤黏粒而言，其比表面相对较大，金属离子能被有效吸附，加之风化影响，盐基离子被释放，从而形成更高含量的黏粒，增强了盐基离子含量，同时促进了ECEC含量的上升[10，11]。对于外界环境而言，温度及水分都会对土壤交换形成重要影响，成为外在的主要影响因子，同时大气沉降及人为因素也会对之产生重要作用，在酸沉降的影响之下，土壤pH 被有效降低，这种情况下，盐基与ECEC 含量也随之下降了；在淋溶效应之下，土壤盐基成分明显降低，其与离子交换量也随之明显下降；此外，土壤交换不仅受到盐基、冷热环境等成分的影响，同时还受到土地利用方式、植被、化肥施用的影响[12]，可以说，这是多种影响因素综合作用的结果。对于土壤结构而言，其受到的影响因子不仅包括水热条件，更与其内部结构等关系密切，对于其肥力和活性产生无可替代的影响，成为重要的陆地生态子系统，影响着植被生长发育及微生物新陈代谢[13]。适度的酸性对于作物来说是必须的，通过研究分析得知，肥力也与之具有密切关系。

在社会经济不断发展的过程中，尤其是工业化进程发展较快的时期，矿物质开发利用规模不断增大，矿物资源开发对环境的影响程度不断增加，矿区污染已经成为很大的污染源，对于环境的影响至关重要[14]，加之污染物堆积，不仅占用了大量的土地资源，更破坏了原有的土壤结构和特点。对于矿区土壤而言，其养分水平明显较低，土壤结构不稳定，微生活新陈代谢受到严重影响[15，16]，对于矿区环境修复产生了极大难度，在这种情况下，土地复垦成为恢复矿区生态的主要手段之一[17]，且这种方式在国外较为成熟，对于我国而言，由于起步较晚，国内学者首先对固体废弃物带来的复垦难度进行了分析，并探究了其影响机理，从多个方面提出了复垦的途径[18]，从而恢复土壤肥力和活性，降低水土流失问题和养分散失问题。基于此，本研究从矿区土壤的角度探究复垦模式下的土壤结构等，为恢复土壤养分提供有益参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

平朔矿区处于研究区，所占的面积已经到达161 km²。所处的位置在与黄土高原晋陕蒙相互连接的黑三角地带，其主要位于山西省北部的朔州市境内，全年属于温带半干旱季风气候区，每一年的平均气温大约有4.9～7.7 ℃。每年的降雨量已经达到430～450 mm。当前平朔矿区的地貌为黄土低山丘陵，海拔的高度大约有1400～1560 m。研究区的土壤主要为栗钙土与栗褐土，土壤中的有机含量较低、结构较差与抗蚀能力相对较弱，不仅土壤中的侵蚀非常严重，同时在冬春季节中风大且风多，地表处于干燥的状态，从而这些现象直接影响着研究区的生态系统的构建。

1.2 研究方法

1.2.1 不同复垦模式 本研究对象位于陕西省太原矿区，实验开始于2015年8月，并进行连续三年的实验，在取样过程中采取多元取样法，具体通过“S”形状进行；采样所用小铁铲需要进行消毒处理，并把地表杂质去除，采样深度达到22 cm，将样品充分混合后装入密封袋，以备后续进行指标测量。一部分土样在经过自然风干后，需要通过0.5 mm筛去除相应的碎片及根系，进而对养分含量进行测定，并分析其理化特点；另一部分土样冷藏，待微生物量测定。

1.2.2 样品的采集 陕西太原矿区在采样过程中，采样的时间主要在2015～2018年的8月份，会按照“S”形状采用多元化的采样法，并且通过无菌小铁铲采集0～22cm，进一步将采样之后的作物放置在矸石未风化或风化较微弱的地方，采样过程中需要将土壤表面的动植物残体进行清除，然后将采样土壤样品充分的混合，并装进以聚乙烯无菌的塑料袋进行密封，带回实验室进行测定与分析，自然风干后将碎片与部分根后过0.5 mm进行筛选，从而测定出土壤中存在的营养养分与理化性质，将其中的一部分放置在4 ℃冰箱中对土壤微生物量进行相关的检测。

1.2.3 样品的测定 在土壤理化性质与营养养分中的测定：pH采用的是电极电位法；土壤电导率采用的是P4具备多功能性的测定仪进行检测；全盐采用电导法实施，土壤有机碳中主要利用的是重铬酸钾氧化外加热法；在土壤样品鉴定过程中，土壤全氮（g·kg-1）利用的是全自动凯氏定氮法，全磷使用的是NaOH熔融-钼锑抗比色方法进行测定；有效磷（mg·kg-1）样品采用的是NaHCO3浸提-钼锑抗比色法进行样品测定；采用NaOH-H3BO3法将碱解氮进行测定；采用火焰分光度测定法主要应用在全钾样品中。

土壤交换性盐基离子Ca2+、Mg2+等多种含量都会采用原子吸收光谱法测定，交换量按1/2 Ca2+和1/2 Mg2+进行计算；土壤交换性酸度采用滴定法测定；土壤有效阳离子交换量是作为交换性盐基离子1/2 Ca2+、Na+等含量之和；文中土壤Ca、Mg 的交换量都是通过单价离子进行计量。

1.3 数据处理

利用Excel 2003.0和SPSS 18.0对数据统计和分析，显著性分析采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和最小显著法（LSD），Pearson相关性系数检验扰动区域和未扰动区域植被与土壤因子的相关性，作图采用Origin 7.5。

2 结果与分析

2.1 不同复垦模式下土壤pH和EC

由图1可知，土壤pH变化范围在6.12～8.52之间，其大小依次表现为弃耕地＞单作＞间作＞轮作，不同复垦模式下的pH值差异均显著（P＜0.05）；土壤EC变化范围在67.02～92.56 μm·cm-1之间，其大小依次表现为弃耕地＜单作＜间作＜轮作，不同复垦模式下EC差异均显著（P＜0.05）。

图1 不同复垦模式下土壤pH和ECFig.1 pH and HC in soil under different reclamation modes

2.2 不同复垦模式下土壤养分

由表1可知，土壤有机碳变化范围在9.23～15.26 g·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，间作和弃耕地差异不显著（P＞0.05）；土壤全氮变化范围在0.86～1.27 g·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，间作和弃耕地差异不显著（P＞0.05）；土壤全磷变化范围在0.81～0.86 g·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞间作＞单作＞弃耕地，不同复垦模式下差异不显著（P＞0.05）；土壤全钾变化范围在0.86～1.98 g·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，间作和弃耕地差异不显著（P＞0.05）；土壤有效磷变化范围在2.63～13.77 mg·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，不同复垦模式下差异均显著（P＜0.05）；土壤有效氮变化范围在15.20～29.89 mg·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，不同复垦模式下差异均显著（P＜0.05）；有效钾变化范围在126.98～236.47 mg·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，不同复垦模式下差异均显著（P＜0.05）；微生物量碳变化范围在195.26～336.70 mg·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，不同复垦模式下差异均显著（P＜0.05）；微生物量氮变化范围在56.23～83.97 mg·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，不同复垦模式下差异均显著（P＜0.05）。

表1 不同复垦模式下土壤养分状况Table 1 Soil nutrients under different reclamation modes

2.3 土壤交换性盐基离子、交换性酸及交换性离子比

图2显示，土壤交换性Ca变化范围在11.8～32.6 cmol·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，间作和弃耕地差异不显著（P＞0.05）；土壤交换性K变化范围在0.15～0.42 cmol·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，不同复垦模式下差异均显著（P＜0.05）；土壤交换性Mg变化范围在1.43～2.68 cmol·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，间作和弃耕地差异不显著（P＞0.05）；土壤交换性Na变化范围在0.12～0.19 cmol·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，不同复垦模式下差异均显著（P＜0.05）；土壤ECEC变化范围在15.6～28.7 cmol·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，不同复垦模式下差异均显著（P＜0.05）；土壤交换性酸变化范围在0.12～0.24 cmol·kg-1之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，间作和弃耕地差异不显著（P＞0.05）。

图2 土壤交换性盐基离子、交换性酸Fig.2 Soil exchangeable salt base ion and acid

图3显示，土壤交换性Ca/Mg变化范围在825.17～1291.08%之间，其大小依次表现为单作＞轮作＞间作＞弃耕地，间作和弃耕地差异不显著（P＞0.05）；土壤交换性K/Na变化范围在125～221.05%之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，单作和间作差异不显著（P＞0.05）；土壤交换性Ca/ECEC变化范围在75.64～115.72%之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，间作和弃耕地差异不显著（P＞0.05）；土壤交换性K/ECEC变化范围在0.96～1.46%之间，其大小依次表现为轮作＞单作＞间作＞弃耕地，间作和单作差异不显著（P＞0.05）；土壤交换性Mg/ECEC变化范围在8.65～9.97%之间，其大小依次表现为轮作＞弃耕地＞单作＞间作，不同复垦模式下差异均不显著（P＞0.05）；土壤交换性Mg/ECEC变化范围在0.66～0.77%之间，其大小依次表现为弃耕地＞单作＞间作＞轮作，不同复垦模式下差异均不显著（P＞0.05）。

图3 土壤交换性盐基离子、交换性酸及交换性离子比Fig.3 Soil exchangeable salt base ion,acid and ion ratio

2.4 土壤交换性能与土壤基本化学性质间关系

以所有土样的交换性盐基离子或ECEC为应变量，以土壤有机碳、pH为自变量进行线性逐步回归，对土壤交换性能与土壤基本化学性质间关系表明（表2），土壤有机碳（SOC）和pH能够用线性关系表达土壤交换性盐基离子或ECEC，并且回归方程达到显著水平（P＜0.05），由此表明土壤有机碳（SOC）和pH是影响土壤交换性Ca、Mg、K和ECEC的主导因子，其中轮作的相关系数R2最大。

表2 土壤交换性能与土壤基本化学性质间关系Table 2 Relation ship between soil exchangeable performance and basic chemical property

2.5 土壤养分与交换性酸主要参数的关系

由表3可知，相关性分析可知，pH与交换性Ca、交换性Mg、交换性K、交换性Na呈极显著负相关（P＜0.01），与交换性酸、ECEC和交换性Mg/ECEC呈显著负相关（P＜0.05）；EC与交换性Na呈极显著正相关（P＜0.01），与交换性Ca、交换性Mg、交换性K、交换性Mg/ECEC和交换性Ca/Mg呈显著正相关（P＜0.05）；有机碳与交换性Ca、交换性Mg呈极显著正相关（P＜0.01），与交换性K、交换性Na、交换性K/ECEC、交换性Na/ECEC呈显著正相关（P＜0.05）；全氮与交换性Ca、交换性Mg、交换性K、交换性Na和交换性Ca/Mg呈显著正相关（P＜0.05）；全钾与交换性Ca、交换性Mg、交换性Na呈显著正相关（P＜0.05）；有效磷与交换性Ca、交换性Mg、交换性Na和交换性K/ECEC呈显著正相关（P＜0.05）；有效氮与交换性Ca、交换性K、ECEC、交换性K/ECEC和交换性Na/ECEC呈显著正相关（P＜0.05）；有效钾与交换性Ca、交换性Mg、交换性K、交换性K/Na呈显著正相关（P＜0.05）；微生物量碳与交换性Na呈极显著正相关（P＜0.01），与交换性Ca、交换性Mg、交换性K和交换性Ca/Mg呈显著正相关（P＜0.05）；微生物量氮与交换性Ca、交换性Mg、交换性K、交换性Na和交换性K/ECEC呈显著正相关（P＜0.05）。

表3 土壤养分与交换性酸主要参数的关系Table 3 Relationship between soil nutrients and main parameters of exchangeable acid

3 讨论

通过实验对比分析得知，不同的耕作方式对于土壤交换性能产生了较大差异影响，对于Ca、K、Mg、Na、ECEC 与交换性酸而言，其轮作的耕作方式下，交换性能最强，其次是单作及间作，而弃耕地最低；对于土壤酸化而言，其具有一定的过程，在这期间不仅受到自然环境的影响，同时更多的受到人为干预的影响。对于陕西地区矿区来说，随着复垦的不断推进，土壤pH 出现了较为明显的下降，主要原因在于人们在复垦过程中为了提升作物产量而大量施用了氮磷钾等肥料，这些肥料具有明显的酸性，在有机肥料施用不足的情况下，自然而然导致土壤酸性降低，使得盐基饱和水平下降；另外，对于土壤而言，其酸碱度不同，其缓冲效果也存在较大差异；在种植年限不断增加的情况下，土壤的初级缓冲水平出现了较大幅度的下降，铝成分具有较高的饱和度，交换性酸成分上升较为明显，最终导致酸缓冲水平的下降，因此来说，如果在复垦过程中对土壤保护不足，很容易加剧其酸化[21]。

有机质对于交换性酸产生较为明显的影响，通过研究发现二者存在正相关影响；这说明交换性酸容量不仅受到有机碳酸性物质的影响，而且受阳离子的制约，多种因素影响下交换性酸发生着较明显变化[22]。对于土壤腐殖质而言，由于其具有高度胶体化特点，其比表面积相对较大，因此呈现较强的吸附能力，明显高于硅酸盐物质。对于发育良好的腐殖质而言，其呈现明显较高的比表面积，受不同酸碱性的影响，其阳离子交换也呈现较大差异[23]。无论是中性环境，还是碱性条件下，与黏土物质相比，有机质的CEC 呈现较高水平，在腐殖质作用下，有机胶体形成了较明显的表面电荷，在土壤中的占比达到了30%以上，具有较大的酸性交换贡献度[12-14]。综合来看，对于土壤酸度而言，腐殖质也起着不可忽视的影响。

盐基离子能够对酸性物质进行有效的缓冲，其与外源物质的交互效应较为明显，且产生了较大作用；土壤交换不仅受到盐基、冷热环境等成分的影响，同时还受到土地利用方式、植被、化肥施用的影响；在pH 出现不断上升的情况下，阳离子汇集增强了其交换量，在负电荷上升的情况下，胶体表面呈现明显的增长，此外，在盐基离子作用下，正电荷数量明显上升，其表面依然会出现明显的增加；对于土壤酸性而言，其受到的影响因素具有多样性，首先，有机酸在解离过程中被释放，在水解作用下有机配合物产生，H+和Al3+在阳离子交互及水解的共同作用下被释放，加之非交换性酸性物质的参与，酸度也会发生明显的变化，因此来说，除了腐殖质影响之外，交换性离子的作用也尤为明显。通过实验对比分析得知，不仅交换性盐基与土壤酸性呈现明显的线性关系，阳离子交换量也与之具有密切关系，加之盐基饱和度的作用，土壤酸性具有复杂的变化，这些因素都对土壤酸性产生了较大影响，且能够进行线性关系分析；通过分析发现，对于有机碳及pH 而言，其对Ca、Mg、K 与ECEC 产生了较大的直接影响；综合来讲，虽然复垦形式不一样，但是对盐基离子均产生了明显的影响，通过对比发现，轮作与间作模式下，盐碱地水溶阳离子能够被有效降低，盐分含量会得以提升，对于植被生长产生有利的影响。