祝建刚，张宏斌，程新平

（甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000）

土壤阳离子交换量（Soil cation exchange capacity,CEC）是表征土壤肥力和缓冲能力的主要指标，也是土壤特性、土壤质量评价、土壤管理和土壤分类研究的主要指标[1]，对提高土壤肥力和土壤质量改良具有重要的作用。研究表明，土壤CEC与土壤有机碳（Organic carbon,OC）二者之间具有极显著的正相关性[2-3]。土壤交换性盐基离子主要包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子，亦是表征土壤肥力和缓冲能力的主要指标[4]，其组成亦是评价土壤质量的重要指标[5]，主要反映了盐基类元素的生物有效性和运移、循环情况[6]。近年来的研究表明，土壤CEC 和交换性盐基离子的组成及其比例受多种因素的影响，包括植被类型及其生产力[7-8]、气候特点[9]、地形[10]、土地利用方式等[11]，可能是造成不同研究结论存在差异的主要原因。在区域尺度上，对土壤盐基离子的研究多关注酸性土壤的交换性盐基离子的含量与动态，而对碱性土壤的交换性盐基离子研究较少。因此，对地处西北温带地区的森林土壤CEC 和OC 及交换性盐基离子组成及比例进行研究将有助于了解不同环境条件下的土壤肥力演变特征。

位于北方温带地区的祁连山森林分布区发挥着巨大的生态服务功能[12]，因地处青藏高原北麓东北边缘，地貌特征特殊且十分复杂，区内发育着许许多多的高山、盆地、纵谷等，从而组成了一系列沿北西西—南东东方向延伸的褶皱带。整个地势呈现出自东向西逐渐升高的分布特征，地形也呈现出明显的分布特征，按地形可分为东段、中段和西段，其中东起的连城到民乐县扁都口段属于祁连山东段，扁都口到北大河谷段属于祁连山中段，北大河谷至当金山口段属于祁连山西段[13]。因受地理位置的影响，其气候也呈现明显的变化特征，即：从东到西呈现出越来越明显的大陆性气候特征[14]，其年均气温表现出逐渐升高的变化趋势，而降水逐渐减小。而且分布在祁连山东段、中段和西段的青海云杉林群落结构也不相同[15]。水热分布的不均和群落结构的差异使得青海云杉林下分布的土壤交换性盐基离子组成及比例受到明显的影响。目前，尚未有对地处祁连山东段、中段和西段的青海云杉林分布区土壤交换性盐基离子组成及比例进行对比的研究。鉴于此，本研究根据祁连山的地形特点，选择典型林区的青海云杉林为研究对象，通过野外调查和土壤样品采集及室内测定分析，分析了不同林区青海云杉林土壤剖面上的CEC 及OC 含量，从提高土壤肥力的角度着重分析不同林区青海云杉林土壤交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+和SEB 的组成及比例随剖面深度的变化规律，以期为祁连山青海云杉林分布带的土壤特性、土壤质量和土壤分类经营及可持续管理提供数据支撑，同时为氮沉降背景下的碱性土壤交换性盐基离子研究提供基础数据[8]。

1 材料方法

1.1 研究区概况

研究区位于祁连山北麓的甘肃祁连山自然保护区，属于西北温带地区森林生态系统类型，目前自然保护区下设22 个林区自然保护站。本研究以3 个林区保护站分布的青海云杉林为研究对象，其中东段选择位于天祝藏族自治县的哈溪林区，中段选择位于肃南裕固族族自治县的西水林区，西段选择位于肃南裕固族自治县的祁丰林区[13]，各林区的主要环境参数见表1。3 个林区均位于祁连山的阴坡、半阴坡，青海云杉林分布在海拔2 700～3 000 m。受地形的影响，不同试验点的年均降水量、年均温度和年均湿度具有不同的分布特点，青海云杉林林分结构、林下灌木、草本和苔藓在不同的试验点具有不同的变化特征[15]，土壤类型均为山地森林灰褐土，林地地被物分布较好，无明显的水土流失现象。

表1 不同林区的主要环境参数Table 1 Major environmental parameters of different forestry regions

1.2 研究方法

1.2.1 供试土壤

于2017年9—10月分别在林区的青海云杉林分布带内采集土样，分别在不同林区海拔2 700～3 000 m 从低海拔到高海拔选择典型青海云杉群落随机布置10 个临时样地，其中海拔2 700 m 和3 000 m 海拔分别设置2 个临时样地，海拔2 800 m和2 900 m 分别设置3 个临时样地。由于祁连山祁丰林区植被稀疏，一些样地面积为400 m2（20 m×20 m），部分样地面积为625 m2（25 m×25 m），样地选择要求立地条件相似且能代表青海云杉群落植被特征。样地调查包括经纬度、坡度、坡向、林龄、郁闭度、胸径、树高和冠幅等，同时记录地上植被灌木和草本的物种组成、数量等。样地调查完成后，在每个样地的中心按“品”字型选择3 个点挖土壤剖面，取分层（0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm）土样，每个层次2 个重复，将同一样地同一土层的混合土样按四分法取新鲜土壤带回实验室，挑拣出植物残体和大的石块，取一部分土样用密封塑料袋带回实验室用于土壤CEC、OC 和交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+等的含量测定分析。

1.2.2 土壤化学性质分析

土壤化学性质分析按照土壤农业化学分析方法测定[16]，其中：土壤CEC 的测定采用乙酸钠—火焰光度法；土壤OC 的测定采用低温外热重铬酸钾氧化－比色法；土壤交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+采用pH 值8.5 的氯化铵+乙醇交换—原子吸收分光光度法；SEB 采用加和法得到，即：SEB=K++Na++1/2 Ca2++1/2 Mg2+。

1.2.3 统计分析

应用Excel 2016 软件对测定的土壤CEC、OC和交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+各指标进行分类整理和统计。应用SPSS 17.0 软件对整理的数据进行描述性统计分析，利用单因素方差分析法（One-way ANOVA）对不同林区同一土层和同一林区不同土层的测定指标进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同林区青海云杉林土壤CEC 和OC 含量

哈溪林区、西水林区和祁丰林区青海云杉林土壤CEC 和OC 含量在土壤剖面上具有不同的变化规律，哈溪林区和西水林区土壤CEC 和OC 含量随土壤深度增加均呈逐渐降低的变化趋势，且土层间差异显著（P＜0.05）；而祁丰林区却随土壤深度增加而增加，但不同土层间的差异均不显著（P＞0.05，表2）。相关性分析结果显示，土壤CEC 与OC 含量间呈极显著正相关，相关系数达到0.98 以上（P＜0.01）。

表2 不同林区土壤剖面CEC 和OC 含量†Table 2 Cation exchange capacity and organic carbon content of the soil profiles of different forestry regions

不同林区同一土层CEC 和OC 含量也具有相似的变化规律，0～60 cm 的CEC 和OC 含量均表现为哈溪林区＞西水林区＞祁丰林区，哈溪林区和西水林区显著大于祁丰林区（P＜0.05），60～100 cm 的CEC 和OC 含量表现为祁丰林区＞西水林区＞哈溪林区，但3 个林区两两间差异均不显著（P＞0.05，表2）。

2.2 不同林区青海云杉林土壤交换性盐基离子含量

3 个林区青海云杉林土壤交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+和SEB 含量在土壤剖面上具有不同的变化规律。总体来讲，交换性K+含量随土壤深度增加均呈逐渐降低的变化趋势，0～10 cm 深度交换性K+含量均显著大于其他土层（P＜0.05）；交换性Na+含量随土壤深度增加均呈逐渐增加的变化趋势，但哈溪林区不同土层的差异性不显著（P＞0.05），西水林区60～100 cm 显著大于其他土层（P＜0.05），祁丰林区40～100 cm 显著小于其他土层（P＜0.05）；交换性Ca2+含量随土壤深度增加均呈逐渐降低的变化趋势，其中哈溪林区0～40 cm 显著大于其他土层（P＜0.05），西水林区则是0～20 cm 显著大于20～60 cm 和60～100 cm（P＜0.05），祁丰林区不同土层的差异性不显著（P＞0.05）；哈溪林区和西水林区交换性Mg2+含量随土壤深度增加均呈逐渐降低的变化趋势，0～60 cm 均显著大于60～100 cm（P＜0.05），而祁丰林区交换性Mg2+含量随土壤深度增加呈逐渐增加的变化趋势，0～40 cm 显著小于40～100 cm（P＜0.05）；哈溪林区和西水林区SEB 含量随土壤深度增加均呈逐渐降低的变化趋势，在不同土层中均以0～20 cm 含量最高，祁丰林区SEB 含量随土层深度增加没有明显的变化，而且不同土层的差异性均不显著（P＞0.05，表3～5）。

表3 哈溪林区土壤剖面交换性盐基离子和SEB 含量Table 3 Exchangeable base ions and SEB content of the soil profiles in Haxi forestry region cmol·kg-1

表4 西水林区土壤剖面交换性盐基离子和SEB 含量Table 4 Exchangeable base ions and SEB content of the soil profiles in Xishui forestry region cmol·kg-1

表5 祁丰林区土壤剖面交换性盐基离子和SEB 含量Table 5 Exchangeable base ions and SEB content of the soil profiles in Qifeng forestry region cmol·kg-1

3 个林区同一土层土壤交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+和SEB 含量也具有不同的变化规律。总体上来讲，0～10 cm 交换性K+含量表现为哈溪林区＞西水林区＞祁丰林区，哈溪林区和西水林区显著大于祁丰林区（P＜0.05），其他土层交换性K+含量在3 个林区两两之间差异均不显著（P＞0.05）；0～20 cm 交换性Na+含量均表现为祁丰林区＞哈溪林区＞西水林区，祁丰林区和哈溪林区显著大于西水林区（P＜0.05），其他土层则表现为祁丰林区＞西水林区＞哈溪林区，祁丰林区显著大于西水林区和哈溪林区（P＜0.05）；所有土层交换性Ca2+含量均表现为哈溪林区＞西水林区＞祁丰林区，哈溪林区和西水林区显著大于祁丰林区（P＜0.05）；0～40 cm 交换性Mg2+含量表现为西水林区＞哈溪林区＞祁丰林区，西水林区和哈溪林区显著大于祁丰林区（P＜0.05），其他土层交换性Mg2+含量表现为祁丰林区＞西水林区＞哈溪林区，西水林区和哈溪林区显著小于祁丰林区（P＜0.05）；0～40 cm 的SEB 含量表现为哈溪林区＞西水林区＞祁丰林区，祁丰林区显著小于哈溪林区和西水林区（P＜0.05），其他土层SEB 含量在3 个林区两两之间差异均不显著（P＞0.05）。

2.3 不同林区青海云杉林土壤盐基离子比例

3 个林区青海云杉林土壤交换性盐基的比例在土壤剖面上亦具有不同的变化特点。总体上来讲，哈溪林区交换性Ca/K 值表现为60～100 cm 土层显著小于其他土层（P＜0.05），其他土层间的差异显著性均不显著（P＞0.05），西水林区则表现为0～10 cm 显著小于10～40 cm 和40～100 cm土层，而祁丰林区0～10 cm 土层显著小于其他土层（P＜0.05）；交换性Mg/K 值随土壤深度增加，在哈溪林区总体上呈逐渐减小的变化趋势，而在西水林和祁丰林区总体上呈增加的变化趋势；哈溪林区和西水林区交换性Ca/Mg 值随土壤深度增加不断减小，表现为60～100 cm 土层显著小于其他土层（P＜0.05），而祁丰林区的交换性Ca/Mg 值大小不变；交换性(Ca+Mg)/SEB 和交换性K/SEB 值在不同土层间的差异显著性均不显著（P＞0.05，表6～8）。

表6 哈溪林区土壤剖面交换性盐基的比例关系Table 6 Proportion relationship of exchangeable bases of the soil profiles in Haxi forestry region

表7 西水林区土壤剖面交换性盐基的比例关系Table 7 Proportion relationship of exchangeable bases of the soil profiles in Xishui forestry region

表8 祁丰林区土壤剖面交换性盐基的比例关系Table 8 Proportion relationship of exchangeable bases of the soil profiles in Qifeng forestry region

3 个林区同一土层土壤交换性Ca/K、Mg/K、Ca/Mg、(Ca+Mg)/SEB 和K/SEB 值也具有不同的变化规律。总体上来讲，0～10 cm 的Ca/K 值均表现为西水林区＞哈溪林区＞祁丰林区，祁丰林区显著小于哈溪林区和西水林区（P＜0.05），其他土层则表现为西水林区＞哈溪林区＞祁丰林区，西水林区显著大于哈溪林区和祁丰林区（P＜0.05）；0～40 cm 的交换性Mg/K 值表现为西水林区＞哈溪林区＞祁丰林区，祁丰林区显著小于哈溪林区和西水林区（P＜0.05），40～60 cm土层则表现为祁丰林区＞西水林区＞哈溪林区，西水林区和哈溪林区显著小于祁丰林区（P＜0.05），而60～100 cm 土层则表现为祁丰林区＞西水林区＞哈溪林区，3 个林区两两之间差异均显著（P＜0.05）；不同林区同一土层的交换性Ca/Mg 值表现为祁丰林区＞哈溪林区＞西水林区，哈溪林区和西水林区显著小于祁丰林区（P＜0.05）；(Ca+Mg)/SEB 值和K/SEB 值在3 个林区两两之间差异均不显著（P＞0.05，表4）。

3 讨 论

研究表明，天然林土壤OC 主要来源于枯落物归还量，枯落物归还量的大小在一定程度上决定了林地土壤OC 的含量[17]。本研究中，哈溪林区和西水林区的土壤OC 含量随土壤深度增加而减少，而祁丰林区随土壤深度增加而升高，但差异不大，原因可能是由3个林区的群落结构决定的[15]。哈溪林区和西水林区的林地生物生产力较祁丰林区的林地生物生产力高，枯落物归还量大。哈溪林区和西水林区的土壤OC 含量在60 cm 以下其含量变化不明显，原因是青海云杉林是浅根性树种。不同林区在0～60 cm 土层深度均表现为哈溪林区和西水林区CEC和OC含量显著大于祁丰林区。总之，青海云杉林土壤CEC 和OC 在剖面上的变化和在不同林区的分布是枯落物归还量大小和根系分泌作用的结果。相关研究表明，土壤CEC 与OC 存在极显著的正相关关系，本研究结果也证明了这一结论。

交换性K+在土壤剖面上的分布呈明显的表聚性，与林地生物归还、林木根系吸收营养等生物作用致使土壤深层中的K 上移运行有关。交换性Na+、Ca2+、Mg2+在土壤剖面上的变化规律可能与生物物质循环、成土母质和淋溶作用等综合因素有关。由于研究区0～100 cm 土层深度的土壤交换性盐基Ca2+占盐基总量的73.97%以上，其含量随土壤深度增加而减少，盐基总量亦随土壤深度增加其含量不断减少。不同林区交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量大小表现为Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+，表明土壤中分布的盐基离子以交换性Ca2+和Mg2+为主，这与研究区青海云杉林土壤中富含碳酸钙和土壤形成过程中对Ca、Mg 的优先固持作用有一定的关系[1]。不同林区浅层土壤交换性K+（0～10 cm）和Mg2+（0～40 cm）的分布表明其主要源于枯落物的积累和分解作用，而深层土壤交换性K+和Mg2+分布及其含量变化不明显。交换性Na+、Ca2+的分布可能与成土母质的矿物成分和风化程度及气候条件密切相关。不同林区盐基总量分布可能是哈溪林区和西水林区较祁丰林区降水量多等气候影响加上较强的植被生物作用，土壤风化过程释放出大量的Ca2+，Ca2+在交换性盐基增加过程中起主导作用，导致哈溪林区和西水林区在0～40 cm 土层的SEB 含量大于祁丰林区。

植物对养分的吸收，与土壤养分的比例特别是土壤交换性养分的比例有着密切的关系[17]。交换性K+在土壤中相对富集，随土壤深度的增加，交换性Ca/K 不断增加，交换性K/SEB 不断减小。交换性Mg2+占盐基总量的比例较交换性K+比例大，交换性Mg2+的含量决定了交换性Mg/K 值在不同土层的变化规律。交换性Ca2+、Mg2+在剖面的变化规律决定了交换性Ca/Mg 值在不同土层的变化规律。交换性Ca2+、Mg2+是研究区土壤中的主要盐基离子，并且在盐基总量占的比重大，因此(Ca+Mg)/SEB 值变化不明显。不同林区的交换性K+、Ca2+含量分布决定了Ca/K 值在哈溪林区和西水林区大于祁丰林区，而K/SEB 在不同林区的差异性不显著。交换性K+、Mg2+含量在不同林区的变化规律使得Mg/K 值在不同林区的变化规律亦不同。交换性Ca/Mg 值表征了土壤Ca 和Mg 的生物有效性及土壤生态过程的变化，还对土壤养分的生物有效性如K 产生影响[18]，不同林区的交换性Ca/Mg 值可能与Ca 的风化有很大的关系。

本研究仅对祁连山不同地形条件下分布的青海云杉林土壤CEC、OC 及交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+的含量及比例在剖面上的分布规律进行了研究，要想真正弄清青海云杉林分布对土壤交换性盐基及比例的影响及其机理，需要对青海云杉林植物的基本特性如林木根系分布、生物量的地上地下分配、生物量的循环速率等进行分析，同时对其他相关影响因素也予以考虑。

4 结 论

祁连山东段、中段和西段分布的青海云杉林对其林下分布的土壤CEC、OC、交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量及比例产生明显的影响，其在土壤剖面和不同林区具有各自的变化特点。祁连山青海云杉林分布带土壤CEC 与OC 存在极显著的正相关关系。交换性盐基含量的大小不同决定了Ca/K、Mg/K、Ca/Mg 值在土壤剖面和不同林区亦存在较大差异。土壤盐基组成以交换性Ca2+和Mg2+为主、K+含量最小，决定了(Ca+Mg)/SEB和K/SEB 值在土壤剖面和不同林区的差异性不明显。综上，哈溪林区和西水林区土壤有效养分供应较好于祁丰林区。