劉 莉，謝德體，李忠意?，劉 芳

酸性紫色土的陽離子交換特征及其對酸緩沖容量的影響*

劉 莉1，謝德體1，李忠意1?，劉 芳2

（1. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；2. 重慶市涪陵區(qū)農(nóng)業(yè)委員會，重慶 408000）

明確酸性紫色土的交換性陽離子組成特征及其對土壤后續(xù)酸化進(jìn)程的影響有助于評估紫色土的潛在酸化風(fēng)險。為此，在重慶市合川區(qū)采集了38個酸性紫色土，進(jìn)行了理化性質(zhì)分析與酸緩沖容量測定，探討了陽離子交換特征對土壤酸緩沖容量的影響。結(jié)果表明：部分紫色土的酸化程度較為嚴(yán)重，但酸性紫色土仍具有較高的交換性鹽基陽離子含量和陽離子交換量（CEC）。紫色土的交換性Ca2+和交換性Mg2+含量分別為紅壤的5.9倍和3.9倍。紫色土CEC也顯著高于紅壤和磚紅壤。豐富的黏土礦物組成，尤其是較高的蒙脫石含量，是紫色土具有較高鹽基陽離子含量和高CEC的主要原因。酸性紫色土的酸緩沖容量大小為3.18～25.6 mmol·kg–1·pH–1。酸緩沖容量與交換性鹽基總量和CEC間均呈極顯著的正相關(guān)性。較高的鹽基陽離子含量和CEC有助于增加紫色土的酸緩沖容量，減緩?fù)寥赖乃峄俣?。因此，盡管部分紫色土酸化較為嚴(yán)重，但受成土母質(zhì)和發(fā)育程度的影響，豐富的鹽基陽離子含量能對進(jìn)入土壤中的酸進(jìn)行緩沖，減緩紫色土酸化速度。這是紫色土相對于其他地帶性酸性土壤所具有的獨(dú)特酸化特征。

酸性紫色土；酸緩沖容量；交換性鹽基離子；表面負(fù)電荷；黏土礦物

紫色土是我國的一種特殊土壤，是一種由形成于白堊系至三疊系的紫色巖層發(fā)育而來的幼年土，主要分布于我國西南丘陵地區(qū)[1]。紫色土風(fēng)化程度不深，尚處于脫鈣和積鈣階段，土壤的脫硅富鋁化過程弱，具有礦物組成復(fù)雜、礦質(zhì)養(yǎng)分含量豐富的特點(diǎn)[2-3]。因此，紫色土被廣泛耕作并成為西南地區(qū)極為重要的農(nóng)業(yè)種植區(qū)域，在糧、油、果、菜等產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著不可替代的重要作用[4]。但近年來的研究發(fā)現(xiàn)，受自然和人為因素的影響，即使是發(fā)育程度較淺的紫色土也存在較為嚴(yán)重的酸化問題[5]。自然方面，由于西南丘陵地區(qū)土壤坡度較大，降雨淋溶作用較強(qiáng)，水土在丘陵不同地形、部位重新分配，造成從丘陵頂部至底部紫色土的發(fā)育程度逐漸增大[6-7]。譚孟溪等[8]發(fā)現(xiàn)由于鹽基離子淋溶過程和復(fù)鹽基過程的相對強(qiáng)弱不同，紫色母巖發(fā)育的土壤中酸性土壤所占比例從坡上部的19%增加至坡底部的76%。人為方面，作物收獲導(dǎo)致的土壤鹽基離子不平衡、酸沉降和不合理氮肥施用是導(dǎo)致紫色土酸化的主要原因[5]。李士杏和王定勇[9]在2005年發(fā)表的研究論文中比較了1983—1985年和2002年采集的紫色土樣品pH變化情況：在20世紀(jì)80年代，酸性紫色土中強(qiáng)酸性土壤（pH≤5.5）所占比例為39.5%；到2002年，種植玉米的旱地土中強(qiáng)酸性土壤占酸性紫色土比例為51.5%，水稻土中強(qiáng)酸性土壤占酸性紫色土比例為58.3%；研究結(jié)果認(rèn)為，受酸沉降的影響，此20年間大部分紫色土已發(fā)生酸化，且酸化程度日益加深[9]。不僅僅是酸沉降，氮肥施用也會造成紫色土酸化[10-11]。Zhang等[12]基于長期定位試驗(yàn)分析了25年間（1991—2015）氮肥施用對紫色土（pH 7.7）酸化程度的影響：相比于對照處理，施用尿素和NH4Cl處理使紫色土的pH分別降低了0.9和2.0個單位，交換性鹽基總量分別降低了10%和16%?？梢娛芨鞣N因素的影響，紫色土已經(jīng)出現(xiàn)一定程度酸化。

紫色土在我國西南地區(qū)分布廣泛，紫色土的酸化問題已對西南地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響。王齊齊等[13]研究發(fā)現(xiàn)西部地區(qū)紫色土近30年來土壤pH呈現(xiàn)顯著下降趨勢，較初始監(jiān)測階段降低了0.24個單位，并通過冗余分析認(rèn)為紫色土pH降低是該地區(qū)小麥產(chǎn)量降低的主要原因。此外，紫色土酸化后導(dǎo)致土壤鹽基離子損失和土壤酸緩沖性能下降以及磷素的缺乏[14]，還使土壤中Cd、Zn等重金屬對植物的毒害作用增強(qiáng)[15]。為此，已有關(guān)于酸化紫色土改良的工作開展。如黃容等[16]認(rèn)為采用施用量為12 000～15 000 kg·hm–2的鋸木灰渣可對退化紫色土的酸度有較好的改良效果。可以看出，目前關(guān)于紫色土酸化的研究主要集中于土壤的酸化程度、酸化影響因素、酸化危害和改良，有關(guān)紫色土的酸緩沖特征和潛在酸化風(fēng)險的研究較少。程永毅等[17]的研究表明紫色土的酸化特征不同于黃壤和磚紅壤等地帶性土壤，紫色土酸化后的交換性酸含量顯著高于黃壤和磚紅壤，存在較大的鋁毒害風(fēng)險，但豐富的礦物組成又能使強(qiáng)酸化的紫色土含有相對較高的鹽基飽和度。這種獨(dú)特的酸化特征可能對酸性紫色土的后續(xù)酸化過程有著重要影響。因此，本研究擬通過采樣分析和酸緩沖試驗(yàn)研究酸性紫色土的鹽基成分特征及其對紫色土酸緩沖能力的影響，為更好地治理西南地區(qū)的土壤酸化問題提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

于2016年4月在重慶市合川區(qū)采集土壤樣品，該地區(qū)主要地貌類型為紫色丘陵地貌，成土母質(zhì)主要為中生代侏羅系沙溪廟組（J2s）的紫色砂巖和泥巖。土壤采集方式為在合川整個區(qū)域范圍內(nèi)均勻布點(diǎn)，采集不同發(fā)育程度的耕層土壤樣品共計84個[8]。室內(nèi)風(fēng)干后磨細(xì)過篩并測定土壤pH，共獲得pH≤6.5的酸化紫色土38個。將38個酸化紫色土用于本研究中的理化性質(zhì)分析和酸緩沖容量測定。

1.2 理化性質(zhì)分析

采用常規(guī)方法測定了各土壤樣品的pH、有機(jī)質(zhì)、交換性酸、交換性鹽基陽離子和陽離子交換量（CEC）[18]。土壤pH采用電位法（土︰水=1︰2.5）測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；交換性酸和交換性H+采用KCl淋溶—中和滴定法測定；交換性K+、交換性Na+采用NH4OAc交換—火焰光度法測定；交換性Ca2+、Mg2+采用NH4OAc交換—原子吸收分光光度法（Z-5000，日本日立）測定；CEC采用NH4OAc交換—蒸餾法測定。

為了解不同陽離子交換性能土壤的礦物組成特征，從供試土壤中選擇了3個相同pH（pH=5.2）但CEC不同（分別為7.94，10.1和18.5 cmol·kg–1）的土樣進(jìn)行土壤晶型礦物成分分析。為減少石英峰的干擾并進(jìn)一步明確紫色土黏粒中的礦物組成情況，通過靜水沉降法提取小于1 μm粒徑的土壤膠體并測定晶型礦物成分。具體方法是將土樣和膠體用瑪瑙研缽磨細(xì)過300目篩后壓片，然后采用X射線衍射儀（XRD，XD-3型，北京普析）測定。X射線衍射采用Cu靶輻射，電壓為30 kV，電流為30 mA。掃描范圍為2°～52°，掃描步長0.02°，掃描速度為2°·min–1。然后將獲得的土樣XRD圖譜用MDI Jade 5.0軟件進(jìn)行比對分析，進(jìn)行礦物鑒定。

1.3 土壤酸堿緩沖容量試驗(yàn)

土壤酸堿緩沖容量的測定方法為向土壤中加入不同量的外源酸和堿并測定平衡后土壤懸液的pH，計算得到單位pH變化土壤所需酸/堿的量。具體試驗(yàn)步驟為[19]：稱取8.00 g過1 mm篩的風(fēng)干土樣于100 mL塑料杯中，每個土樣分別加入0、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mL 1 mol·L–1HCl和0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mL 1 mol·L–1NaOH后，加無CO2純水補(bǔ)充至20 mL（即懸液中外源酸或堿的濃度分別為0、6.25、12.5、25.0、37.5和50.0 mmol·kg–1）。加蓋密封放置72 h，其間搖動3～4次。最后一次搖完后靜置2 h，采用電位法測定不同處理土樣的pH。

1.4 數(shù)據(jù)處理

交換性Al3+=交換性酸-交換性H+；交換性鹽基總量=交換性K++交換性Na++交換性Ca2++交換性Mg2+。利用Excel 2016、Origin Pro 9.0和SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和作圖。采用單因素分析法（One-way ANOVA）進(jìn)行數(shù)據(jù)間的差異性分析，采用皮爾森（Pearson）相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。文中數(shù)據(jù)表示方式均為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與討論

2.1 紫色土酸度特征

本研究中供試土壤的pH和交換性Al3+含量的范圍分別為4.30～6.50和0～6.40 cmol·kg–1（圖1）。較低的pH和較高的土壤交換性酸含量增加了作物遭受鋁毒害的風(fēng)險。Baquy等[21]研究發(fā)現(xiàn)玉米在黃土母質(zhì)發(fā)育的黃棕壤、第四紀(jì)紅土、花崗巖和第三紀(jì)紅砂巖發(fā)育的紅壤上遭受鋁毒害的pH閾值分別為4.46、4.73、4.77和5.07，遭受鋁毒害的交換性Al3+含量閾值分別為2.74、1.99、1.93和1.04 cmol·kg–1。紅壤中種植的小麥遭受鋁毒害的pH和交換性Al3+含量閾值分別為5.29和0.56 cmol·kg–1[22]。但目前尚無有關(guān)紫色土對作物產(chǎn)生酸毒害閾值的研究。若以Baquy等[21]的研究結(jié)果為參考，部分酸化紫色土的pH和交換性Al3+含量已達(dá)到對作物產(chǎn)生鋁毒害的閾值，有可能對某些作物產(chǎn)生鋁毒害。因此，從紫色土的酸度特征分析可以看出，部分紫色土的酸化問題較為嚴(yán)重，所以有關(guān)紫色土酸化阻控和酸化改良的研究亟待開展。

圖1 供試酸化紫色土的pH和交換性酸含量（n=38）

2.2 紫色土交換性鹽基成分特征

供試紫色土的交換性鹽基陽離子含量由大到小依次為：交換性Ca2+、交換性Mg2+、交換性K+、交換性Na+（表1）。紫色土的交換性鹽基陽離子含量較為豐富，且交換性Ca2+為交換性鹽基陽離子的主要組成部分。供試土壤交換性鹽基總量的均值為土壤交換性酸含量的11.8倍，其中交換性Ca2+和交換性Mg2+含量分別為交換性酸含量的8.9倍和2.6倍。土壤在酸化過程中，土壤膠體表面所吸附的鹽基陽離子不斷被致酸離子所取代，導(dǎo)致交換性酸含量增加、交換性鹽基含量降低、鹽基飽和度下降。在本研究中，盡管供試紫色土的交換性酸含量相對較高，但紫色土富含鹽基陽離子，土壤仍具有較高的鹽基飽和度。

表1 供試紫色土的交換性鹽基含量

①Exchangeable K+，②Exchangeable Na+，③Exchangeable Ca2+，④Exchangeable Mg2+，⑤Base cations，⑥ Range，⑦M(jìn)ean ±Std. deviation，⑧ Coefficient of variation.

為進(jìn)一步證明紫色土具有較高的鹽基陽離子含量，將本研究中紫色土的鹽基陽離子含量和地帶性酸性土壤紅壤的鹽基陽離子含量進(jìn)行了比較（圖2）。其中8個紅壤的鹽基陽離子含量數(shù)據(jù)引自李九玉等[23]（=1）、袁金華和徐仁扣[24]（=1）、時仁勇等[25]（=5）、盧再亮等[26]（=1）已發(fā)表的研究數(shù)據(jù)。從圖2可以看出，同紫色土的鹽基組成大小順序相似，紅壤的交換性鹽基陽離子主要為交換性Ca2+，其次為交換性Mg2+。由于交換性K+和交換性Na+的含量均較低，兩種土壤的交換性K+和交換性Na+的含量差異不顯著。但紫色土的交換性Ca2+和交換性Mg2+含量極顯著高于紅壤的交換性Ca2+和交換性Mg2+含量。紫色土的交換性Ca2+和交換性Mg2+含量分別為紅壤的交換性Ca2+和交換性Mg2+含量的5.9倍和3.9倍。此外，進(jìn)一步計算得到紫色土的交換性鹽基總量為紅壤交換性鹽基總量的4.6倍。所以，可以得出酸化紫色土相對于紅壤等地帶性酸性土壤具有更高的鹽基陽離子含量。

注：紅壤的交換性鹽基含量引自參考文獻(xiàn)[23-26]。圖中字母不同表示測試指標(biāo)間數(shù)據(jù)差異顯著（P<0.05）。Note：The exchangeable base cations of Ultisol were cited from references [23-26].Different letters in this figure indicate significant differences among test parameters at P<0.05.

由于鹽基陽離子吸附于土壤膠體表面的負(fù)電荷位點(diǎn)上，因此土壤的交換性鹽基陽離子含量受土壤膠體表面的負(fù)電荷量影響。CEC能夠反映出土壤的負(fù)電荷量水平[27]。通過分析Li等[28]已發(fā)表的地帶性土壤的CEC數(shù)據(jù)（黃壤3個、紅壤13個和磚紅壤50個）并與本研究中供試紫色土的CEC進(jìn)行比較（圖3）。發(fā)現(xiàn)紫色土的CEC與其他地帶性的酸性土壤存在較大差異。從紫色土、黃壤、磚紅壤到紅壤，土壤的CEC逐漸降低。除與黃壤間的差異未達(dá)到顯著水平以外，紫色土CEC顯著高于紅壤和磚紅壤，表現(xiàn)出隨著土壤發(fā)育程度的增加，土壤CEC逐漸降低[29]。這是由于磚紅壤、紅壤和黃壤等地帶性土壤的發(fā)育程度較深，成土物質(zhì)的風(fēng)化淋溶徹底，脫硅富鋁化程度較強(qiáng)，鐵、鋁氧化物產(chǎn)生明顯的富集，從而使土壤凈負(fù)電荷大為減小，CEC較低[30]。而紫色土是由紫色母巖發(fā)育而來的一種幼年土，風(fēng)化程度不高，尚處于脫鈣和積鈣階段，脫硅富鋁化程度較弱，礦物成分含量豐富[31]。土壤CEC決定了土壤表面陽離子交換位點(diǎn)的數(shù)量，交換位點(diǎn)數(shù)量越多，土壤能夠吸附的鹽基陽離子也就更多，因此紫色土相比于其他地帶性的酸性土壤具有更高的鹽基陽離子含量。高的鹽基陽離子含量對紫色土的酸緩沖能力具有重要意義。

注：黃壤、紅壤和磚紅壤的CEC值引自參考文獻(xiàn)[28]。圖中字母不同表示測試指標(biāo)間數(shù)據(jù)差異顯著（P<0.05）。Note：The CECs of Alfisol，Ultisol and Oxisol were collected from reference [28].Different letters in this figure indicate significant differences among test parameters at P<0.05.

2.3 紫色土高交換性鹽基含量成因

土壤的鹽基陽離子來源主要受成土母質(zhì)的影響，而土壤膠體表面的吸附特征和土壤所遭受的淋溶作用強(qiáng)弱共同決定了土壤中交換性鹽基陽離子的含量[32-33]。土壤膠體的表面負(fù)電荷量決定了土壤對鹽基陽離子的交換和吸附特征。而土壤膠體表面電荷量主要源于土壤有機(jī)質(zhì)和黏土礦物等有機(jī)無機(jī)膠體。在圖4中，比較了供試紫色土與Li等[28]已發(fā)表文章中黃壤（1個）、紅壤（3個）和磚紅壤（7個）三種地帶性土壤耕層土壤（0～20 cm）的有機(jī)質(zhì)含量和程永毅等[17]已發(fā)表文章中黃壤（1個）耕層土壤（0～20 cm）的有機(jī)質(zhì)含量，可以看出，紫色土的有機(jī)質(zhì)平均含量低于三種地帶性土壤。

紫色土的有機(jī)質(zhì)含量低于其他地帶性酸性土壤，但紫色土的鹽基陽離子含量和CEC均高于其他地帶性土壤。紫色土的成土?xí)r間較短，土壤中礦質(zhì)組分豐富。因此，紫色土的無機(jī)黏土礦物成分可能是其具有高鹽基陽離子含量的主要原因。圖5所示的是3個相同pH、不同CEC的酸性紫色土及其膠體的XRD圖譜。對XRD圖譜進(jìn)行礦物鑒定，進(jìn)一步計算出各衍射峰的積分強(qiáng)度和峰高，采用K值法[34]計算得到各晶形礦物的相對含量如表2所示。可以看出，通過提取土壤膠體能明顯地減少石英峰干擾，更好地展示紫色土豐富的礦物組成。紫色土中可鑒定出來的礦物組分主要包括白云母、蒙脫石、伊利石、高嶺石、長石（鉀長石和鈉長石）和赤鐵礦等礦物。其中，蒙脫石和伊利石在紫色土黏粒中的含量最為豐富，其次為石英和白云母，長石、高嶺石和赤鐵礦的含量最低。而我國南方熱帶和亞熱帶地區(qū)廣泛分布的地帶性酸性土壤（紅壤和磚紅壤）由于強(qiáng)烈的風(fēng)化和淋溶作用，土壤的黏土礦物以高嶺石為主，且富含鐵鋁氧化物[35]。相比而言，紫色土豐富的黏土礦物組成可以使礦物在風(fēng)化過程中釋放更多的鹽基陽離子，增加紫色土的鹽基陽離子含量和鹽基飽和度。

注：黃壤、紅壤和磚紅壤的有機(jī)質(zhì)含量引自參考文獻(xiàn)[17，28]。圖中字母不同表示測試指標(biāo)間數(shù)據(jù)差異顯著（P<0.05）。Note：The organic matter contents of Alfisol，Ultisol and Oxisol were collected from reference [17] and [28].Different letters in this figure indicate significant differences among test parameters at P<0.05.

不同礦物組分對土壤的表面負(fù)電荷量貢獻(xiàn)不同。通常含較多蛭石和蒙脫石的土壤表面負(fù)電荷量較高，含較多高嶺石和鐵鋁氧化物的土壤表面負(fù)電荷量較低[36]。在溶液pH為近中性條件下，蒙脫石的CEC為70～100 cmol·kg–1，高嶺石的CEC為3～15 cmol·kg–1，伊利石的CEC為10～40 cmol·kg–1，長石的CEC為0.5～1.0 cmol·kg–1，石英的CEC為0.6～5.3 cmol·kg–1 [37]，云母的CEC為1～15 cmol·kg–1[38]。赤鐵礦的等電點(diǎn)pH為7～9，在酸性或中性環(huán)境中表面帶凈正電荷，因此對土壤的CEC貢獻(xiàn)極低[39]。可見，2︰1型黏土礦物蒙脫石對紫色土的表面負(fù)電荷量有較大的貢獻(xiàn)作用。表2中，相比于2號和3號土樣的蒙脫石含量（15%和17%），1號紫色土樣品中較高的蒙脫石含量（22%）可能是其具有高CEC的主要原因。因此，豐富的礦物組成，尤其是較高的蒙脫石含量，是酸性紫色土具有較高鹽基陽離子含量和表面負(fù)電荷量的主要原因。

注：Mnt-蒙脫石、Ms-云母、Kln-高嶺石、Qtz-石英、Kfs-鉀長石、Ab-鈉長石、Ill-伊利石、Hem-赤鐵礦、Spl-尖晶石。Note：Mnt-Montmorillonite，Ms-Mica，Kln-Kaolinite，Qtz-Quartz，Kfs-K-feldspar，Ab-Albite，Ill- Illite，Hem- Hematite，Spl-Spinel.

表2 紫色土土壤和膠體礦物組成

1) pH=5.2，CEC=18.5 cmol·kg–1，2) pH=5.2，CEC=7.94 cmol·kg–1，3) pH=5.2，CEC=10.1 cmol·kg–1.

2.4 紫色土酸緩沖容量

圖6展示了38個供試土樣其中3個土樣的酸堿緩沖曲線（添加不同量的酸或堿后土壤懸液（土水比1︰2.5）的pH）。土壤的酸/堿緩沖容量為單位土壤pH變化所需消耗的土壤酸/堿量，因此求得酸堿緩沖曲線的斜率即為土壤的酸/堿緩沖容量。可以看出，采用含4次冪的多項(xiàng)式方程可以較好地擬合供試紫色土的酸堿緩沖曲線，相關(guān)系數(shù)均大于0.99。對該多項(xiàng)式方程求導(dǎo)后可獲得酸堿緩沖曲線的斜率方程，該方程表示的即是土壤的酸堿緩沖容量隨土壤pH的變化情況。如圖6中土樣1的酸堿滴定曲線方程為=–0.431 44+11.183–104.02+ 422.7–642.8，2=0.999 3。對該方程求導(dǎo)后得到的酸堿緩沖曲線斜率方程為d/d=–1.7263+35.532– 207.9+422.7，將特定的pH取值帶入該方程后便可求得土樣1在此pH時的酸堿緩沖容量。由于主要目的是研究當(dāng)前紫色土的陽離子交換特征與酸緩沖容量間的相互關(guān)系，因此計算當(dāng)前土壤pH下（無外源H+或OH–加入）酸性紫色土的酸緩沖容量。如圖6中土樣1、土樣2和土樣3不加酸或堿時的pH分別為5.20、5.17和4.74，因此計算得到土樣1、土樣2和土樣3在對應(yīng)pH下的酸緩沖容量分別為5.66、71.6和6.63 mmol·kg–1·pH–1。按照同樣的酸緩沖容量計算方法，計算得到全部38個土樣在當(dāng)前pH時土壤的酸緩沖容量如圖7所示。

圖6 不同酸堿添加量下紫色土的pH

圖7 供試酸性紫色土的酸緩沖容量

將土壤酸緩沖容量與pH和交換性陽離子指標(biāo)分別進(jìn)行相關(guān)性分析（表3）?？梢钥闯觯寥浪峋彌_容量與土壤pH呈正相關(guān)性（=0.309，=0.059），與土壤交換性酸呈負(fù)相關(guān)性（=–0.051，=0.761），但均未達(dá)到顯著性水平。而土壤酸緩沖容量與交換性鹽基陽離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）、鹽基總量和CEC均呈正相關(guān)性，其中與交換性Ca2+、鹽基總量和CEC的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平（表3）。這說明了酸性紫色土的酸緩沖容量與當(dāng)前土壤的酸化程度相關(guān)性不顯著，而與土壤的鹽基總量和CEC密切相關(guān)。當(dāng)外源酸進(jìn)入土壤后，鹽基陽離子可與致酸離子發(fā)生交換作用，將致酸離子吸附在土壤膠體表面，降低土壤溶液中致酸離子的濃度，從而達(dá)到緩沖土壤酸化的目的。土壤的交換性鹽基陽離子含量越高，土壤的酸緩沖容量越大，所以交換性鹽基陽離子對緩解土壤的進(jìn)一步酸化具有重要意義。此外，CEC是決定當(dāng)前土壤交換性鹽基陽離子含量的重要因素，也影響著土壤后續(xù)能夠吸附致酸離子的量，因此對土壤的酸緩沖能力也有重要的影響。紫色土相對于其他地帶性酸性土壤具有極高的交換性鹽基陽離子含量和陽離子交換量（圖2和圖3），這是在西南地區(qū)廣泛分布的紫色土所具有的獨(dú)特特征，這對緩解西南地區(qū)土壤進(jìn)一步酸化、保持土壤肥力具有非常重要的作用。

表3 土壤酸緩沖容量與陽離子交換性成分間的相關(guān)系數(shù)

注：**，相關(guān)性極顯著，<0.01；*，相關(guān)性顯著，<0.05。Note：** and * means significant correlation at<0.01 and<0.05，respectively.①Exchangeable acidity，② Exchangeable K+，③ Exchangeable Na+，④ Exchangeable Ca2+，⑤ Exchangeable Mg2+，⑥Base cations，⑦Acid buffering capacity.

3 結(jié) 論

近四十年來，紫色土的酸化程度不斷加劇。部分紫色土的酸化程度已達(dá)到對作物產(chǎn)生鋁毒害的閾值，并有可能對某些作物產(chǎn)生鋁毒害。但由于紫色土的成土?xí)r間較短，土壤的黏土礦物組成豐富，因此相比于地帶性酸性土壤，酸性紫色土仍具有豐富的鹽基陽離子和高的陽離子交換量，尤其是交換性Ca2+含量豐富。豐富的鹽基陽離子含量能夠?qū)M(jìn)入土壤中的酸起到較好的緩沖作用，減緩紫色土的進(jìn)一步酸化。這是成土?xí)r間較短的紫色土所特有的酸化特征。

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Cations Exchange and Its Effect on Acid Buffering Capacity of Acid Purple Soil

LIU Li1, XIE Deti1, LI Zhongyi1?, LIU Fang2

(1. College of Resource and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China; 2. Chongqing Fuling Agricultural Committee, Chongqing 408000, China)

【】Purple soil is a key soil resource for development of the agriculture Southwest China. A proportion of the purple soil has been somewhat acidified. A better understanding of the composition of exchangeable cations in acid purple soil and its influence on subsequent acidification processes of the soil is conducive to potential acidification risk assessment of the soil. 【】In this study, a total of 38 acid purple soil samples were collected from Hechuan District, Chongqing Municipality for analysis of physico-chemical properties and determination of acid buffering capacity. Acidification degree of the purple soil samples was evaluated based on their respective pH values and content of exchangeable acidity. Comparison between the samples of purple soils and some zonal soils (Alfisol, Ultisol, and Oxisol) was performed in content of exchangeable bases and cation exchangeable capacity (CEC). And then, contributions of minerals to base cations and CEC were discussed in detail. In the end, effects of exchangeable cations on acid buffering capacity of the purple soils were analyzed.【】Some of the soil samples, about 65%, show that the purple soil was acidified seriously with soil pH being < 5.5. Fortunately, the portion of acidified purple soil was still quite high in content of exchangeable base cations and cation exchange capacity (CEC), with Ca2+being the highest in content (13.3±5.27) cmol?kg–1), and K+, Na+and Mg2+being (0.267±0.190), (0.196±0.116), and (3.91±1.15) cmol?kg–1, respectively. The average content of exchangeable base cations was 11.8 times as high as the content of exchangeable acidity, even though the highest content of soil exchangeable acidity in the purple soil reached up to 6.40 cmol?kg–1. Compared to the acid soils developed in the subtropical and tropical regions of China, the acid purple soil was significantly higher in CEC than Untisol and Oxisol. The content of exchangeable Ca2+and Mg2+in the purple soil was 5.9 and 3.9 times as high as that in Ultisol. In terms of soil minerals, the purple soil was dominated with quartz, mica, K-feldspar, albite, montmorillonite, illite, kaolinite and hematite. The abundant clay minerals, especially montmorillonite, increased the amount of surface negative charge of the purple soil and, correspondingly, enhanced adsorptive ability of the purple soil for base cations. And intensified weathering of the soil replenished the soil with base cations, thus stabilizing soil pH. Further analyze of content of organic matter in the purple soil shows that the purple soil was much lower than Alfisol, Ultisol, and Oxisol in content of organic matter. As a consequence, the minerals in the soil were the main contributors of surface charges in the purple soil. Acid buffering capacity of the purple soil varied in the range of 3.18–25.6 mmol?kg–1?pH–1, and was significantly and positively related to exchangeable bases and CEC in the soil, which means a high content of base cations and CEC helps enhance soil acid buffering capacity, thus retarding acidification of the purple soil.【】Though the purple soil in some areas is quite serious in acidification, as affected by its soil forming parent materials and weathering degree of the soil, the soil has an abundance of base cations, which help retard the process of soil acidification. These are the characteristics of soil acidification of the purple soil relative to the acid soils in other areas.

Acid purple soil; Acid buffering capacity; Exchangeable base cations; Negative surface charge; Clay mineral

S153.4

A

10.11766/trxb201905050146

劉莉，謝德體，李忠意，劉芳. 酸性紫色土的陽離子交換特征及其對酸緩沖容量的影響[J]. 土壤學(xué)報，2020，57（4）：887–897.

LIU Li，XIE Deti，LI Zhongyi，LIU Fang. Cations Exchange and Its Effect on Acid Buffering Capacity of Acid Purple Soil [J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（4）：887–897.

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41701256）、重慶市博士后項(xiàng)目（Xm2016076）和中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（XDJK2019B036）資助Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41701256），the Postdoctoral Science Foundation of Chongqing in China（No. Xm2016076）and the Fundamental Research Funds of the Central Universities of China（No. XDJK2019B036）

，E-mail：zhongyili@swu.edu.cn

劉 莉（1996—），女，青海海東人，碩士研究生，主要從事土壤化學(xué)研究。E-mail：1324392520@qq.com

2019–05–05；

2019–09–10；

2019–10–29

（責(zé)任編輯：陳榮府）