水旱利用方式對(duì)白漿土黏土礦物演化的影響1)

鄭慶福 趙蘭坡

(內(nèi)蒙古民族大學(xué)，通遼，028000) (吉林農(nóng)業(yè)大學(xué))

黏土礦物是生物和水與巖石的界面過(guò)渡帶，也是土壤形成的主要基質(zhì)，其礦物種類組成，會(huì)決定土壤基本特性。在不同利用方式下，土壤黏土礦物也會(huì)發(fā)生一定改變，進(jìn)而影響土壤物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)土壤肥力培育具有重要意義。因此，在近些年關(guān)于土壤黏土礦物的研究中受極大重視。Barré［1］通過(guò)長(zhǎng)期施鉀肥和黑麥草耗鉀試驗(yàn)的研究，發(fā)現(xiàn)2∶1型黏土礦物的cg(在XRD圖譜中衍射角度(2-theta軸)3°～10°間的衍射峰角度的平均值)與鉀的施入具有顯著的相關(guān)性，并認(rèn)為類伊利石層間礦物是鉀的存儲(chǔ)庫(kù)。Velde and Peck［2］在 1983年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不施肥和持續(xù)的農(nóng)作條件下，因植物需鉀，導(dǎo)致I/S混層礦物中的蒙脫石的含量增加。Velde等［3］在研究自然草原發(fā)育的土壤剖面時(shí)，發(fā)現(xiàn)歷經(jīng)800 a發(fā)育的土壤表層以無(wú)序的伊利石I/S礦物為主，而在較深的部分則以蒙脫石 I/S礦物為主。Mathe［4］研究近期在局部環(huán)境條件下的自然拓荒地的土壤黏土礦物時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著土壤利用年齡的增加，綠泥石被移除，I/S中伊利石的含量增加。孫慶峰等人［5］研究認(rèn)為土壤黏土礦物可以再短期內(nèi)發(fā)生變化。筆者在研究東北黑土不同利用方式下土壤黏土礦物組成研究發(fā)現(xiàn)荒地、旱田(大豆)、旱田(玉米)、水田利用的土壤礦物顆粒的風(fēng)化依次增強(qiáng)，伊利石的含量和結(jié)晶度也依次降低。由此可見(jiàn)，土壤受人工環(huán)境的影響，土壤黏土礦物會(huì)發(fā)生一些變化，從而造成土壤性質(zhì)發(fā)生改變，這對(duì)于土壤改良具有積極的意義。白漿土是三江平原主要耕作土壤之一，在吉林、江蘇和四川省也有一定數(shù)量分布［6］，分布區(qū)域有著豐富的降水資源，但由于其酸性較強(qiáng)，作物無(wú)法正常生長(zhǎng)。因此對(duì)白漿土的改良利用，對(duì)緩解我國(guó)緊張的耕地面積和旱災(zāi)具有重要的意義。不同的改良利用方式也會(huì)對(duì)白漿土產(chǎn)生一定的影響，其中水田利用是白漿土一個(gè)重要的利用方式，同時(shí)這種方式還起到改良白漿土的作用。因此為了探明水旱利用對(duì)白漿土改良機(jī)制，我們研究了水旱利用對(duì)黏粒礦物組成的影響機(jī)制，以其揭示土壤黏粒礦物間的演化過(guò)程，為我國(guó)白漿土改良利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

供試土樣是典型酸性白漿土，采自于吉林市永吉縣，是吉林省典型白漿土區(qū)，該區(qū)多處在山區(qū)及半山區(qū)，地勢(shì)較高，氣候溫暖多雨，土壤淋溶作用較強(qiáng)，形成厚18～20 cm且滲水性差的白漿層，有機(jī)質(zhì)6.7 g/kg，養(yǎng)分含量適中;pH 值偏酸，一般在5.5～6.5，陽(yáng)離子交換量為26.9 mol/kg，抗旱澇災(zāi)害的能力差。主要利用方式是旱田和依靠永吉河河水灌溉來(lái)提高有效磷的水田改良利用，但由于水資源的缺乏，近幾年有把水田改為旱田利用。

試驗(yàn)根據(jù)白漿土的利用狀況，選擇既有不同利用方式又可相對(duì)集中連片的地片進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別為新開(kāi)墾的旱田玉米利用1、2、3 a，水田30 a改旱田玉米利用 3 a，水田利用10、20、30、40 a，8 個(gè)處理。采取土樣方式：在設(shè)定處理的耕地里選擇6～8個(gè)點(diǎn)，采集耕層0～20 cm深的土壤，旱田用鐵鍬采集，水田用土鉆采集，將所采同一處理各點(diǎn)土壤混和，四分法留取土樣，借以減少土壤差異，然后裝袋后，里外各貼防水標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)分析。

1.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

有機(jī)質(zhì)的測(cè)定：采用重鉻酸鉀法—外加熱法;速效鉀的測(cè)定：采用醋酸銨溶液浸提—火焰光度法測(cè)定;pH值的測(cè)定：采用電位法;離子交換量測(cè)定：采用乙酸銨法。XRD衍射分析實(shí)驗(yàn)方法參見(jiàn)文獻(xiàn)［7］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，XRD圖譜利用MID jade6.5進(jìn)行精修處理和面積積分，并計(jì)算分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 利用方式對(duì)酸性白漿土顆粒組成的影響

由表1可見(jiàn)，經(jīng)水旱利用后，＜0.002 mm的黏粒含量為：水田40 a＞水田30 a＞水田20 a＞水田10 a＞水田30 a改旱田3 a＞旱田3 a＞旱田2 a＞旱田1 a。0.002～0.02 mm 粉粒含量為：水田 40 a＞水田 30 a＞水田 20 a＞水田10 a，旱田方式利用 3 a＞2 a＞1 a，水田30 a改旱田3 a則較水田利用20 a的高，1～0.02 mm的細(xì)沙粒含量為水田40 a＜水田30 a＜水田20 a＜水田10 a＜水田30 a改旱田3 a＜旱田3 a＜旱田2 a＜旱田1 a，2～1 mm粗砂粒含量在不同利用方式下變化相對(duì)較小。以上說(shuō)明旱田利用方式下，白漿土隨利用時(shí)間的增加，對(duì)細(xì)砂粒的風(fēng)化強(qiáng)度增強(qiáng)，故其含量成降低趨勢(shì)，而細(xì)沙粒和黏粒含量則呈增加的趨勢(shì);水田利用方式下，白漿土的土壤顆粒機(jī)械組成的變化趨勢(shì)與旱田利用方式一致，但其風(fēng)化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于旱田利用方式;其中水田30 a改旱田3 a的白漿土顆粒機(jī)械組成表明水田利用改換為旱田，其對(duì)土壤風(fēng)化強(qiáng)度減弱，土壤黏粒流失相對(duì)嚴(yán)重，因此其含量也低于水田利用30 a。這說(shuō)明水旱利用均可以促進(jìn)表層土壤顆粒分化，在一定程度上可改善表層土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其保水保肥的緩沖能力，但水田利用方式雖然避免土壤旱澇問(wèn)題，卻促進(jìn)土壤黏粒淀積，使得土壤理化性質(zhì)惡化，不利于土壤改良。

表1 水旱利用對(duì)白漿土無(wú)機(jī)顆粒含量的影響

2.2 利用方式對(duì)酸性白漿土理化特征的影響

在不同利用方式下的土壤理化性質(zhì)不同。由表2可見(jiàn)，白漿土在旱田利用條件下，隨利用年限增加，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，有效N、P、K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和陽(yáng)離子交換量有所增加，pH值有所降低。在水田利用下，隨水田利用時(shí)間的增加，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、有效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，pH值降低，陽(yáng)離子交換量有所增加。而水田利用后改為旱田利用后，積累的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、有效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速降低，而土壤pH值升高較快，陽(yáng)離子交換量則保持較高水平，說(shuō)明水田改旱田后，由于水份對(duì)土壤中離子的活化，使土壤組分保持較高的陽(yáng)離子交換量，但那些活化離子的析出，形成了較多弱堿鹽，可使土壤pH值恢復(fù)較高水平。不過(guò)土壤有機(jī)質(zhì)在水田利用條件下，土粒與有機(jī)質(zhì)復(fù)合較弱，在旱田利用后較易因氧化被礦解掉，同時(shí)也導(dǎo)致堿解氮、有效磷、有效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低。

表2 土壤利用方式及基本化學(xué)性質(zhì)

2.3 利用方式對(duì)酸性白漿土的黏土礦物演化的影響

從圖1的XRD分析可知，酸性白漿土的黏土礦物組成主要由蒙伊混層礦物(S/I)、伊利石(I)、蛭石(Ver)、和嶺石(Kao)礦物組成。在圖2的XRD分析中顯示，經(jīng)水田利用后，在K-550中的1.40 nm的衍射峰有微弱的增加而1.00 nm的衍射峰則有所降低，表明水田利用后，土壤酸性降低，有利于綠泥石的穩(wěn)定性增強(qiáng)，并隨利用時(shí)間增加而得到積累，但伊利石受到持續(xù)風(fēng)化。水田30 a改為旱田利用3 a后，其礦物組成差異較小。在K-Air、Mg-Air和Mg-Gly中，1.40 nm和1.00 nm的衍射峰均相對(duì)增強(qiáng)，可見(jiàn)白漿土被水田利用后，蛭石和伊利石含量增加，水田改旱田后變化不大，說(shuō)明酸性白漿土的黏土礦物的演化順序?yàn)樵颇割惖V物→伊利石→蛭石和云母類礦物→綠泥石，并且處于脫鉀的階段，較旱田利用風(fēng)化的更強(qiáng)烈罷了。在1.30～1.05 nm的衍射峰均隨利用時(shí)間增加降低，可見(jiàn)白漿土中的I/S混層礦物同樣也受到強(qiáng)烈的風(fēng)化。

2.4 利用方式對(duì)酸性白漿土的黏土礦物演化的影響的XRD定量分析

為了更好地說(shuō)明利用方式對(duì)白漿土黏土礦物組成特征的影響，對(duì)黏土礦物組成進(jìn)行了半定量計(jì)算(見(jiàn)表3)。由表可見(jiàn)，隨著水田利用年限增加，白漿土黏土礦物中伊利石含量呈增加趨勢(shì)，其結(jié)晶度呈降低趨勢(shì)，伊利石化學(xué)指數(shù)均大于0.5，說(shuō)明在水田利用條件下，白漿土處在強(qiáng)烈水解、淋溶風(fēng)化狀態(tài)下;白漿土中的伊利石在形成一定量的同時(shí)，其結(jié)構(gòu)也受到強(qiáng)烈風(fēng)化，結(jié)晶度降低。白漿土中的S/I混層礦物含量呈先增加后減少的趨勢(shì)，說(shuō)明伊利石有可能轉(zhuǎn)化為S/I混層礦物，但蛭石含量和高嶺石含量與S/I混層礦物呈相反趨勢(shì)，則進(jìn)一步證實(shí)了水田利用條件下，白漿土黏土礦物主要演化過(guò)程是由云母類礦物→伊利石→S/I混層礦物→蛭石→高嶺石演化，其中在水田利用40 a后的白漿土中的S/I混層礦物減少的原因，可能是演化其他黏土礦物。白漿土中的綠泥石含量隨著利用年限增加呈增加趨勢(shì)，主要是土壤中大量的鋁離子游離，形成的水鋁片結(jié)構(gòu)嵌入高度水化的蒙脫石和蛭石層間，形成了綠泥石化活羥基化類綠泥石礦物，這可能也是蛭石含量減少和水田利用40 a后的S/I混層礦物減少的原因(圖2)。

圖1 白漿土的黏土礦物組成XRD分析

表3 利用方式對(duì)土壤黏土礦物組成的影響

在旱田利用方面，從水田利用30 a改旱田3 a的結(jié)果看，土壤伊利石的含量明顯增加，而S/I混層礦物、蛭石和綠泥石含量減少，高嶺石含量增加，伊利石化學(xué)指數(shù)降低，白漿土有水解淋溶風(fēng)化轉(zhuǎn)入物理風(fēng)化階段，土壤的風(fēng)化程度減弱，以形成伊利石為主。從對(duì)白漿土新開(kāi)墾利用的旱田看，伊利石含量較水田利用的增加，蛭石含量較高，綠泥石化相對(duì)較少，高嶺石含量較高，主要為蒙脫石風(fēng)化的結(jié)果。

圖2 不同利用方式下酸性白漿土的黏土礦物XRD圖譜

3 結(jié)論與討論

不同的土壤類型，是在不同的環(huán)境條件下形成，其黏土礦物組成也有其獨(dú)有演化和組成特征。而利用方式也只能在小尺度上改變土壤黏土礦物組成。在本研究中，發(fā)現(xiàn)旱田利用方式白漿土黏土礦物的風(fēng)化程度相對(duì)較弱，處于物理風(fēng)化階段，黏土礦物演化過(guò)程主要為云母類礦物→伊利石和S/I混層礦物→蛭石和高嶺石演化;而水田利用方式風(fēng)化程度很強(qiáng)，處于化學(xué)淋溶風(fēng)化階段，隨著利用時(shí)間的增加，白漿土中黏土礦物演化過(guò)程主要為云母類礦物→伊利石→S/I混層礦物和蛭石→綠泥石演化。這與趙蘭坡［8］研究的結(jié)果一致，只是較旱田利用風(fēng)化的更強(qiáng)烈罷了。

土壤水田利用導(dǎo)致土壤鋁離子的溶出，就會(huì)形成水鋁片在淹水層游離，隨著農(nóng)田淹水期的變化，導(dǎo)致水鋁片在層間距較大的蒙脫石和蛭石嵌入，形成類羥基化的“綠泥石化”礦物，在本實(shí)驗(yàn)中，白漿土水田利用隨利用年限增加，土壤中含有類羥基化的“綠泥石化”礦物增加，說(shuō)明水田利用有利于這一類礦物的形成，這與熊毅等人［9］研究結(jié)果接近，與三枝正彥［10］對(duì)日本水田土壤黏土礦物蛭石綠泥石化研究結(jié)果一致。

利用方式是改良土壤的有效方式。本研究中，旱田利用對(duì)于酸性白漿土可以起到緩解土壤較強(qiáng)地淋溶風(fēng)化，避免土壤養(yǎng)分過(guò)分流失，還抑制了土壤pH值的下降。若能合理利用當(dāng)?shù)厮Y源，也可滿足白漿土水分供應(yīng)的不足。水田利用雖然利用了當(dāng)?shù)氐乃Y源，但對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和黏土礦物組成影響較大，是土壤性質(zhì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)性惡化，并從本質(zhì)上的影響也不同于鹽堿土改良方式。

水田利用可促進(jìn)鹽堿土的土壤風(fēng)化程度強(qiáng)，影響?zhàn)ね恋V物的黏土礦物演變過(guò)程，使黑云母→伊利石和S/I混層礦物→蛭石→高嶺石演化，有強(qiáng)烈的脫鉀過(guò)程，伊利石結(jié)晶度極顯著降低。經(jīng)水田利用后，可有效降低土壤pH值，提高有效鉀和有機(jī)質(zhì)含量;而旱田利用效果相對(duì)較差。若通過(guò)水田利用改良后再進(jìn)行旱田利用，不僅提高水分利用率，而且能保證作物生產(chǎn)。

［1］BarréP，Velde B，Catel N，et al.Soil-plant potassium transfer：impact of plant activity on clay minerals as seen from X-ray diffraction［J］.Plant Soil，2007，292：137-146.

［2］Velde B，Peck T.Clay mineral changes in the morrow experimental plots［J］.Clays and Clay Minerals，2002，50(3)：364-370.

［3］Velde B，GofféB，Hoellard A.Evolution of clay minerals in a chrono sequence of poldered sediments under the infiuence of a natural pasture development［J］.Clays and Clay Minerals，2003，51(2)：205-217.

［4］Mathe V，Meunier A，Leveque F.Anthropic acceleration of a natural clay mineral reaction in marshland soils［J］.Clay Minerals，2007，42：1-12.

［5］孫慶峰，陳發(fā)虎，Christophe Colin，等.黏土礦物在氣候環(huán)境變化研究中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.礦物學(xué)報(bào)，2011，31(1)：146-152.

［6］賈會(huì)彬，劉峰，趙德林，等.潛育白漿土硅酸鹽黏土礦物組成［J］.土壤通報(bào)，1995，26(4)：162-164.

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［8］趙蘭坡，井上克弘，吉田德.吉林省主要耕作土壤的黏粒礦物組成［J］.土壤學(xué)報(bào)，1993，30(3)：267-272.

［9］熊毅.土壤膠體Ⅰ［M］.北京：科學(xué)出版社，1983：107-111.

［10］三枝正彥.Clay mineral composition of lowland soils in relation to the river system［J］.Masahiko Saigusa，1979，23(1)：11-22.