不同肥力水平土壤團聚體的穩(wěn)定性及對氮肥鹽溶液的響應

徐爽，王益權，王浩，祝飛華，冉艷玲，陳靜

(西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌712100)

土壤團聚體及其穩(wěn)定性是影響土壤肥力和環(huán)境問題的關鍵因素之一［1］，也是土壤團聚體質量的重要特征之一。同時，土壤團聚體的穩(wěn)定性也受到土壤肥力及環(huán)境的影響。前人已對土壤肥力與土壤水穩(wěn)性團聚體組成的關系做了大量研究［2-5］，發(fā)現(xiàn)土壤中＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體與土壤中有機碳、全氮、全磷、速效磷、碳酸鈣和陽離子交換量(CEC)具有極顯著的正相關性，土壤水穩(wěn)性團聚體的含量(WSA)和平均重量直徑(MWD)隨土壤有機質含量的增高而增大，土壤有機質補充減少，礦化速度加快，腐殖質品質降低，是水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性降低的主要原因。尤其在近十多年來，眾多學者進行了施肥對土壤團聚體水穩(wěn)定性影響的研究［6-14］，認為施用有機肥具有明顯改善土壤團聚化狀況，促進土壤團聚體形成和提高團聚體穩(wěn)定性的作用。這些關于土壤團聚體穩(wěn)定性的概念與成果基本上體現(xiàn)在水穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性兩個方面，對影響團聚體穩(wěn)定性的因素研究主要體現(xiàn)在有機物料數(shù)量與質量方面。給土壤施入外源化學物質，諸如多年施用化肥、農(nóng)藥對團聚體穩(wěn)定性的影響研究仍鮮見報道。其次，以上關于團聚體穩(wěn)定性的研究結論均是在純水溶液中進行一定程度分散后，通過篩分分級定量所得出的，其實驗條件與農(nóng)田土壤狀態(tài)有著很大差異。眾所周知，農(nóng)田長期大量地施用無機化肥、農(nóng)藥等化學品，灌溉水體程度不同地攜帶有化學污染物進入土壤，其土壤溶液實際上是溶解有各種化學物質的稀溶液，會對土壤團聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定作用與影響，足見土壤團聚體的穩(wěn)定性不應僅局限于傳統(tǒng)的“機械穩(wěn)定性、水力學穩(wěn)定性和生物學穩(wěn)定性”3個概念范疇，還理所當然地包含著“化學穩(wěn)定性”的內(nèi)容?；诖?，進一步研究不同肥力類型團聚體穩(wěn)定性對于投入化學物品的反應程度，建立起土壤團聚體的化學穩(wěn)定性的概念與理論既是當今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀的重要課題，又是土壤科學深入發(fā)展的重要研究內(nèi)容。

土壤團聚體的化學穩(wěn)定性受到多種因素作用，其中土壤肥力水平是最為主要的影響因素，本文選取具有相同發(fā)生學特征和質地類型的土作為供試材料，以生產(chǎn)上常使用的氮肥對團聚體穩(wěn)定性的影響作為研究切入點，在室內(nèi)將不同肥力水平的土壤團聚體在不同濃度的氮肥溶液中濕潤浸泡與篩分，以分析鹽溶液對團聚體的影響程度與團聚體組成的變化趨勢，以期探求不同肥力水平農(nóng)田土壤團聚體的化學穩(wěn)定性，揭示長期施用化肥對土壤團聚體的影響，從而指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，保持和改善土壤質量。

1 材料與方法

1.1 采樣地區(qū)概況

供試土樣采自陜西關中地區(qū)楊凌渭河頭道塬區(qū)農(nóng)田表層(0—20 cm)土壤，土壤類型屬由黃土母質上發(fā)育的土(系統(tǒng)分類為土墊旱耕人為土，Earthcumuli-orthic anthrosols)。土是具有人為土糞堆墊層的人為影響下形成的土壤，土糞堆墊層是因為長期施用大量土雜肥形成的，由于早期村莊分布稀疏，受到運輸條件限制，土糞培肥呈現(xiàn)距離村莊越遠，土糞施用量越少的規(guī)律，由此造成了土發(fā)育形成后土壤肥力等性質存在一定差異。

楊凌地區(qū)年平均降水量為650.6 mm、年平均氣溫為12.9℃、無霜凍日數(shù)為219 d/a、平均日照時數(shù)為2196 h、活動積溫為4185.0℃、總輻射量為114.8 kcal/cm2。多年來實行小麥—玉米一年兩熟輪作種植制度。

1.2 樣品采樣及制備方法

于2010年4月小麥返青期進行采樣。選擇在同一個地區(qū)具有相同土壤發(fā)生學特性和物理特性、依據(jù)田間小麥長勢和實地調查情況，判斷在具有3種肥力水平的田塊里設置采樣點，并在長勢較好、長勢一般和長勢相對較差的農(nóng)田各選取2塊田作試驗重復，在每塊農(nóng)田按照“S”型布置了15個采樣點，分別采集耕層原狀土壤樣品和擾動樣品。原狀土樣品用塑料飯盒盛裝，防止運輸過程中被破壞，在室內(nèi)風干過程中沿自然裂隙用手掰成直徑在1 cm以上的小土塊，用作團聚體組成和穩(wěn)定性的測定。擾動土樣在室內(nèi)經(jīng)風干過篩后用于土壤質地和土壤肥力測定，其中供試土壤質地測定用吸管法，供試土壤砂粒(0.05 ～1 mm)含量為18.4% ～20.3%，粉粒(0.001 ～0.05 mm)含量為 46.8% ～ 47.6%，粘粒(＜0.001 mm)含量為32.1% ～34.8%，物理性粘粒(＜0.01 mm)含量為 54.8% ～57.2%，依據(jù)卡慶斯基質地分類制，供試土壤的質地類型為重壤質，3種肥力水平的土壤質地無顯著差異。土壤其它理化性狀見表1。土壤有機質含量用丘林法測定，土壤堿解氮含量用擴散法測定，土壤速效磷含量用Olsen法測定，土壤速效鉀含量用NH4OAc提取—火焰光度法測定，土壤碳酸鈣含量用氣量法測定［15］。根據(jù)測定結果將樣品分為高、中、低3個肥力等級。根據(jù)表1結果，供試土壤肥力等級差異明顯。供試土壤屬于石灰性母質，其碳酸鈣作為無機膠結劑在團聚體穩(wěn)定性方面具有重要作用，3種肥力土壤碳酸鈣含量雖然有差異，但未達到顯著水平。

表1 供試土壤肥力狀況Table 1 Fertility situation of tested soil

1.3 土壤團聚體穩(wěn)定性分析

1.3.1 土壤團聚體機械穩(wěn)定性分析 團聚體機械穩(wěn)定性測定采用干篩法，在電震動篩分機上進行干篩［16］。將自然風干的原狀土樣先除去植物殘體及小石塊。每次取100 g，放入最大孔徑(10 mm)的土壤篩上面，套篩下邊的土壤篩孔徑依次為7、5、3、2、1、0.5 及 0.25 mm，底層放置底盒，以備收取 ＜0.25 mm的土壤團聚體。將盛土套篩放在電振蕩篩分機上篩分5 min，依次取樣并稱量，按照團聚體直徑大小依次分為 ＜0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm共計8個級別，計算干篩后土壤團聚體組成情況。

1.3.2 土壤團聚體化學穩(wěn)定性分析 土壤團聚體化學穩(wěn)定性采用了在不同濃度氮肥鹽溶液中濕篩分散、分級定量的研究方法。濕篩采用薩維若夫(Саввинов)法，以干篩法所得土壤團聚體的組成百分比為基礎，從各級別團聚體中稱量，組配成用于濕篩的土壤樣品50 g，為了防止堵塞篩孔，樣品不含＜0.25 mm的微團聚體，將樣品放入500 mL三角瓶中，每個土樣重復4次。試驗處理分別設置0 mol/L(純水)、0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.5 mol/L 的NH4Cl氮肥溶液共計4個水平，取各濃度氮肥溶液300 mL，沿三角瓶壁緩慢加入以便濕潤土樣，然后浸潤土樣24 h，將經(jīng)過浸潤處理的土壤樣品分別轉入容量為1000 mL的沉降筒中，補加各濃度氮肥溶液至600 mL處，擰緊沉降筒塞的螺母以便密封，勻速轉動手柄5 min(30次/min)，使土壤樣品在溶液中被沖擊與分散。將分散完成后的土壤樣品轉移至淹埋在水中的篩孔從上到下分別為5 mm、3 mm、2 mm、1 mm及0.25 mm的一組套篩上，在水中上下晃動數(shù)次后，將留到各級篩子上的團聚體沖洗入蒸發(fā)皿，在水浴鍋上蒸干后移入烘箱烘至恒重并稱重，測定在不同鹽溶中經(jīng)濕篩后的土壤團聚體組成。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對測定后獲得的數(shù)據(jù)，分別計算＞0.25 mm團聚體的含量(R0.25)，平均重量直徑(MWD)，幾何均重直徑(GMD)，團聚體破壞率(PAD)等指標［17］，用于評價團聚體的穩(wěn)定性。

為了更直觀地分析鹽濃度對土壤團聚體的作用，本文將土壤團聚體破壞率(PAD)稍作修改，表達為PADx/w，姑且稱之為“土壤團聚體鹽破壞率”。

式中:Ww表示在純水中濕篩后直徑＞x(mm)的團聚體重量百分含量;Wx表示在鹽溶液中經(jīng)濕篩處理后直徑＞x(mm)的土壤團聚體的重量百分含量。PADx/w若為正值，表示鹽溶液處理后土壤團聚體穩(wěn)定性能降低(分散)，PADx/w若為負值則表示鹽處理后土壤團聚體穩(wěn)定性能增加(抑制分散)，數(shù)值的絕對值越大，表明作用越明顯。

數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進行顯著性檢驗和相關性分析，多重比較采用鄧肯法。

2 結果與分析

2.1 土壤團聚體機械穩(wěn)定性與肥力水平的關系

土壤團聚體機械穩(wěn)定性可以用經(jīng)震動干篩后團聚體組成情況來衡量。表層團聚體的機械穩(wěn)定性用來度量抗機械破壞的能力，決定著土壤的氣體交換、抗風蝕的能力，與土壤肥力水平有著明顯的相關性。圖1為不同肥力水平團聚體組成的累計曲線，表明在土壤顆粒組成與其它化學性狀基本一致的情況下，不同肥力水平土壤團聚體的機械穩(wěn)定性差異明顯。肥力水平較低土壤的機械穩(wěn)定性的團聚體在直徑較小區(qū)域內(nèi)遞增明顯，表明其團聚體穩(wěn)定性較差;高肥力土壤的機械穩(wěn)定性團聚體是在直徑較大范圍區(qū)域才明顯遞增，說明其團聚體穩(wěn)定程度較高。

從表2可以看出，3種肥力水平土壤之間＞0.25mm團聚體的質量百分含量(R0.25)、團聚體的平均質量直徑(MWD)值和幾何均重直徑(GMD)值均有不同程度的差異性，統(tǒng)計分析顯示，相同肥力水平不同重復處理間其差異不明顯，而在不同肥力水平間其差異達到顯著或極顯著水平，表明土壤肥力水平較高的土壤團聚體各項指標值較大，穩(wěn)定性差異較為明顯。

圖1 土壤團聚體累積曲線Fig.1 Accumulation curve of soil aggregation

表2 土壤機械穩(wěn)定性團聚體性狀Table 2 Characteristics of the mechanically stable aggregates

2.2 土壤團聚體水穩(wěn)定性與肥力水平的關系

土壤團聚體的水力學穩(wěn)定性是評價土壤質量的重要指標，它直接關系到土壤水分的入滲性能與保蓄能力，也是評價土壤抗水蝕性的重要指標。在純水中濕篩后的土壤團聚體組成同樣與土壤肥力水平之間表現(xiàn)出明顯的相關性。不同肥力水平土壤的水穩(wěn)性團聚體組成見表3。

表3 水穩(wěn)定性團聚體組成Table 3 Composition of the water-stable aggregates

威廉姆斯(Вильямс)認為，直徑 ＞0.25 mm 的團聚體是評價土壤結構性能的重要指標［18］，從表3可以看出，不同肥力土壤間直徑＜0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量存在顯著差異，呈現(xiàn)為土壤肥力水平越高，＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量明顯減少，也意味著＞0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量(R0.25)就越多(表4)，供試土壤團聚體的MWD值和GMD值等指標與R0.25一樣，也均與土壤肥力水平間呈現(xiàn)出不同程度的相關性，同樣表現(xiàn)為肥力水平越高，其數(shù)值越大的規(guī)律。不同大小的團聚體具有不同的農(nóng)學價值和水文學及環(huán)境學價值，直徑過大的團聚體間孔隙過大，易漏水漏肥，過小團聚體遇水易堵塞孔隙，影響水分入滲和土壤氣體交換。就供試土壤而言，肥力較高土壤的直徑在0.25～5 mm間的水穩(wěn)性團聚體含量明顯高于中低等肥力的土壤，特別是直徑在0.25～1 mm的水穩(wěn)性團聚體含量隨著土壤肥力的下降顯著降低。不同肥力水平間直徑＞5 mm水穩(wěn)性團聚體含量沒有顯著差異。如果按照Вильямс、Соколовский、Саввинов 等人［19］提出的直徑在 1 ～5 mm的團聚體才是農(nóng)業(yè)上最有價值的觀點看，供試土壤級別的水穩(wěn)性團聚非常少，整體上其團聚體水穩(wěn)性很差，但是直徑在1～5 mm的水穩(wěn)性團聚體含量與土壤肥力水平間卻存在著顯著的相關性，高肥力土壤該級別團聚體為2.80%，中肥力土壤為1.47%，低肥力土壤僅為0.84%，證明培肥土壤有助于改善土壤團聚體狀況。

團聚體破壞率是表征其穩(wěn)定性的重要指標，表4表明，直徑 ＞0.25 mm 團聚體的破壞率(PAD0.25)隨著土壤肥力的變化呈現(xiàn)極顯著的變化規(guī)律，土壤肥力越高，濕篩后團聚體遭到的破壞程度越小，表征著其團聚體的水穩(wěn)定性就越強，相反，肥力水平較低者，團聚體的水穩(wěn)性很差，培肥土壤有助于改善土壤團聚體的質量。

表4 土壤水穩(wěn)定性團聚體性狀Table 4 Characteristics of the water-stable aggregates

2.3 土壤團聚體化學穩(wěn)定性與肥力水平的關系

土壤中的化學物質通過離子交換過程改變膠體上的離子組成、影響礦物膨脹性能，土壤溶液中化學物質溶解團聚體的膠結劑使大團聚體分散和破壞，也可以通過電解質對分散粘粒的絮凝作用促進團聚化作用影響團聚狀況。長期使用化學物質對團聚狀況及其對團聚體質量的影響一直是學術界關注的重要問題。

R0.25和 GMD是表征土壤團聚體組成的參數(shù)［20］，就此而言，由圖2和圖3首先可以清楚地看出不同肥力土壤在不同濃度氯化銨溶液濕篩處理后，直徑＞0.25 mm的團聚體含量和GMD值均隨著土壤肥力水平的增加而提高，證實提高土壤肥力改善了土壤團聚狀況。其次，與用純水濕篩對照處理相比，經(jīng)不同濃度氯化銨溶液處理的土壤其R0.25總體上也有增大趨勢(圖2)，說明氯化銨溶液處理增加了直徑＞0.25 mm的團聚體含量。圖3表明，不同肥力水平土壤在不同鹽溶液中濕篩后，其團聚體幾何均重直徑(GMD)變化規(guī)律有明顯的差異性。對于低肥力土壤而言，較低濃度氯化銨(0.1、0.3 mol/L)處理土壤GMD值增大，當氯化銨溶液濃度達到0.5 mol/L時，GMD值減小;但氯化銨溶液處理土壤的GMD值始終大于純水處理。對于中、高肥力土壤，0.1 mol/L氯化銨處理的GMD值小于不加鹽處理，0.3 mol/L和0.5 mol/L氯化銨處理的土壤GMD值均大于不加鹽處理。鹽溶液對不同肥力土壤團聚體組成有一定的影響，其影響程度既取決于土壤的肥力水平，也取決于鹽溶液濃度。不同性狀的土壤中未被團聚的活性粘粒含量不同，鹽分對其團聚化過程的作用方向不同。

圖2 不同濃度的氯化銨溶液對＞0.25 mm化學穩(wěn)定性團聚體含量的影響Fig.2 Effect of different NH4Cl concentrations on R0.25(percentage of＞0.25 mm of chemical-stable aggregates)

R0.25和GMD等只能表征土壤團聚體組成的整體狀況，不能作為受外界因素影響條件下團聚體變化方向和變化程度的敏感指標。表5顯示經(jīng)不同濃度氯化銨溶液處理后，3種不同肥力水平土壤團聚體組成表現(xiàn)出的變化規(guī)律。一般情況而言，隨氯化銨溶液濃度遞增，有破壞土壤中直徑＞2 mm的且最有農(nóng)業(yè)價值的較大水穩(wěn)性團聚體的含量，增加直徑0.25～2 mm較小團聚體含量的趨勢。

圖3 不同濃度的氯化銨溶液對土壤化學穩(wěn)定性團聚體GMD值的影響Fig.3 Effect of different NH4Cl concentrations on GMD of chemical-stable aggregates

對較大團聚體的分散是在中、高肥力土壤上有所顯現(xiàn)的，是因為該地區(qū)土壤水穩(wěn)性團聚體較少的緣故，使得這種規(guī)律表現(xiàn)得不顯著。但隨著氯化銨濃度增加，土壤中直徑為0.25～2 mm較小團聚體的含量卻顯著增加，一方面是因為較大團聚體被分散的緣故，另一方面是電解質溶液對土壤中未被團聚顆粒的絮凝和對較小微團聚體的進一步團聚作用的緣故，后一種效應在低肥力土壤上表現(xiàn)得較為明顯。實驗資料證實土壤溶液中無機化學物質對大團聚體的分散和對小團聚體的再團聚作用同時存在，使得土壤團聚體組成趨向單一均質化，作用結果不符合優(yōu)質土壤對多級團聚體組成的要求。

表5 土壤化學穩(wěn)定性團聚體組成Table 5 Distribution of the soil chemical-stable aggregates

鹽分對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響才是揭示長年使用化學物質條件下農(nóng)田土壤團聚體狀況變化的核心內(nèi)容。圖4為根據(jù)公式(1)，且以純水處理為基礎計算的不同濃度氯化銨溶液處理后“土壤團聚體鹽破壞率”的基本情況，用PAD0.25/w表示。由此可以看出，在不同濃度的氯化銨溶液中濕篩后，各肥力土壤團聚體鹽破壞率都為負值，表明在供試氯化銨溶液濃度范圍內(nèi)各處理均有明顯抑制土壤團聚分散的作用。至于抑制原因尚待深入研究，將在另外文章中予以討論。不同肥力水平土壤團聚體對鹽溶液的反應具有顯著不同的靈敏度。對于高肥力土壤而言，其團聚化程度與水平相對較高，團聚體穩(wěn)定性對鹽溶液的反應敏感性要比中、低肥力土壤對鹽溶液的敏感性差很多。中、低肥力土壤的團聚化程度低，對鹽溶液的反應極為強烈。

圖4 不同肥力水平下土壤團聚體化學破壞率Fig.4 Percentages of aggregate chemical destruction under different soil fertility levels

3 討論

長期給土壤投入化學物質，對土壤團聚體有明顯的作用和影響，化學物質對于土壤團聚體既可能產(chǎn)生促進作用，也可能產(chǎn)生分散與破壞作用。同時，土壤肥力水平與團聚化程度不同，對外源化學物質的反應也有所不同。

相關研究表明，土壤團聚體破壞率與有機質含量的相關系數(shù)達0.8898［9］，土壤有機質含量越高，團聚體破壞率越低。本文研究不僅同樣證實了有機質含量較高的土壤團聚體的機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性均高于有機質含量相對較低的土壤，而且得出了團聚化水平較高的土壤對化學物質反應的程度低，而團聚化較低的土壤對化學物質的反應極為強烈。化學物質對較大直徑的土壤團聚體有破壞作用，對于較小團聚體有提高作用，使得多級的土壤團聚體趨向于單一化。土壤有機質含量不同，團聚化水平差異很大，未被團聚的活性顆粒多少也有不同，化學氮肥溶液對于大團聚體的破壞和對分散顆粒絮凝［20］及對微團聚體再團聚的作用程度不同。關中地區(qū)農(nóng)田土壤有機質含量少，團聚體主要依靠無機碳酸鈣為膠結劑，而氯化銨溶液呈弱酸性，對土壤中碳酸鈣的溶解作用(石灰反應)，會增加溶液中鈣離子(Ca2+)含量，鈣離子對粘粒的絮凝能力較強，且與粘粒和有機質結合形成有機-無機復合體，從而促進團聚化作用，故氯化銨溶液對大團聚體的分散作用小于團聚作用。其次任何電解質對團聚體既有分散破壞的作用，又有團聚作用，關鍵取決于濃度大小。已有研究發(fā)現(xiàn)，增大土壤溶液中的氯化鉀濃度，有利于土壤中較小團聚體的形成，且能夠增加團聚體穩(wěn)定性［21］，土壤溶液中氯化鉀能夠增大土壤中小團聚體的含量和穩(wěn)定性，并且能夠增大土壤的剪切力［22］。對于供試的3種氯化銨溶液濃度而言，超過了氯化銨對顆粒的絮凝極限(0.0250～0.0125 mol/L［23］)，使得本試驗土壤在氯化銨溶液作用下呈現(xiàn)的團聚作用顯著于破壞作用。在田間土壤溶液中電解質的濃度一般很低，故對團聚體的破壞作用不得小視。不過團聚化程度高的土壤對鹽的反應敏感度差，因此培肥土壤仍然是關鍵措施。

4 結論

土壤團聚體的機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性都與土壤肥力水平之間表現(xiàn)出明顯的相關性，土壤肥力越高團聚體穩(wěn)定性越強。氮肥鹽溶液進入土壤后，在分散大團聚體的同時，對微團聚的粘粒有絮凝作用，還對微團聚體具有再團聚作用，溶液濃度越大對＞2 mm的大團聚體的破壞作用越顯著，對＜0.25 mm的微團聚體的再團聚作用也越明顯，在鹽溶液作用下土壤團聚體組成向0.25～2 mm的較小直徑范圍內(nèi)集中，降低了團聚體質量，破壞了土壤多級團聚體組成體系。土壤團聚體組成對氮肥溶液的響應程度與土壤肥力水平也存在著顯著的相關關系，團聚化程度較高的高肥力土壤受氮肥溶液的影響較弱，而團聚化程度相對較低的中、低肥力土壤對氮肥溶液的響應則較為強烈。土壤肥力水平對團聚體的機械穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性都起到一定的作用。

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