濕篩過程中分散液的質(zhì)量對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

徐 爽， 王益權(quán)

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

團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，它是指抵抗各種外力作用或外部環(huán)境變化，保持原有形態(tài)及功能的能力。團(tuán)聚體穩(wěn)定性受到土壤本身顆粒組成、 礦物類型、 膠結(jié)物質(zhì)類型等的影響，也受環(huán)境變化、 生物活動(dòng)以及人為管理等諸多外部因素的影響。土壤有機(jī)碳(SOC)、 生物體(植物根系、 真菌菌絲和細(xì)菌等)、 陽離子鍵橋、 粘粒和無機(jī)氧化物及碳酸鹽含量等作為膠結(jié)劑是左右團(tuán)聚體穩(wěn)定性的直接因素[1]。膠結(jié)劑數(shù)量與類型不同，對(duì)環(huán)境因素以及其它外加物質(zhì)的反應(yīng)不同，使得團(tuán)聚體的穩(wěn)定性差異很大。有機(jī)質(zhì)是我國(guó)東北黑土地區(qū)土壤團(tuán)聚體的主要膠結(jié)劑，也是制約團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要決定因素之一，其含量的降低會(huì)使直徑較大的水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之下降[2-3]。關(guān)于黑土團(tuán)聚體穩(wěn)定性已經(jīng)有眾多學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的研究，史奕等[4]研究了不同培肥模式和耕作制度對(duì)于黑土團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響； 高魯鵬等[5]對(duì)自然狀態(tài)下土壤有機(jī)碳的遞減率變化過程中團(tuán)聚體的變化進(jìn)行過研究； 沈善敏[6]研究了黑土開墾后土壤養(yǎng)分與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)系。Edwards和Bremner[7]提出，直徑大于250 μm的大團(tuán)聚體是由粘粒-多價(jià)金屬-有機(jī)質(zhì)復(fù)合體所組成。Tiadall和Oades[1]根據(jù)有機(jī)質(zhì)年齡及變化情況以及對(duì)于團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，將有機(jī)膠結(jié)劑分為瞬變性膠結(jié)劑、 臨時(shí)性膠結(jié)劑和持久性膠結(jié)劑3大類。國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)集中體現(xiàn)為有機(jī)物作為黑土的主要膠結(jié)劑，其含量、 狀態(tài)和可礦化性對(duì)于團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用和影響。

不同價(jià)態(tài)的陽離子對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成和維持團(tuán)聚體穩(wěn)定性起著重要作用。粘土懸液是一個(gè)不穩(wěn)定的憎水膠體體系，分散狀態(tài)的粘土在電解質(zhì)的作用下產(chǎn)生絮凝，電解質(zhì)對(duì)引起粘土懸液絮凝的最低濃度(臨界凝聚濃度)主要由離子的價(jià)態(tài)決定[8]。曾路生等[9]測(cè)定了不同等級(jí)的土壤團(tuán)聚體中一價(jià)和二價(jià)鹽基離子的濃度，發(fā)現(xiàn)離子在大于0.25 mm的大團(tuán)聚體中的含量高于在微團(tuán)聚體中的含量，而二價(jià)離子在微團(tuán)聚體中的降低比一價(jià)離子更加明顯。一方面說明大團(tuán)聚體對(duì)離子具有一定的保蓄能力，另一方面說明一價(jià)離子增加和二價(jià)離子的淋失可能導(dǎo)致團(tuán)聚體分散，使土壤質(zhì)量下降。團(tuán)聚體的形成實(shí)質(zhì)是粘粒通過多價(jià)金屬陽離子的連接而吸附極性有機(jī)分子的過程，高價(jià)離子使得顆粒間的連接增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更加緊密，增大了團(tuán)聚性[10]?？梢妶F(tuán)聚體的穩(wěn)定性對(duì)于進(jìn)入土壤系統(tǒng)中水的質(zhì)量響應(yīng)差別很大，除了溶液中離子價(jià)態(tài)和濃度的因素外，水質(zhì)還決定著團(tuán)聚顆粒的脹縮性、 決定著團(tuán)聚體內(nèi)膠結(jié)劑的溶解性，水質(zhì)不同其表面張力不同，水分對(duì)土壤孔隙中壓縮氣體的溢出與封閉程度不同，這些均會(huì)影響團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。以往關(guān)于土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性的研究[11-14]主要集中于耕作方式及土壤養(yǎng)分與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚組成的關(guān)系，未曾考慮可溶性鹽溶液對(duì)土壤團(tuán)聚體組成的影響。不同價(jià)態(tài)和不同濃度可溶性陽離子溶液對(duì)土壤團(tuán)聚體組成的影響具有一定的差異性。通過分析在不同價(jià)態(tài)和不同濃度陽離子鹽溶液中濕篩后的土壤團(tuán)聚體組成，可以反映可溶性陽離子對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用和影響。此外，對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究過程基本上是在純水環(huán)境中進(jìn)行的篩分處理來說， 這也不符合土壤稀溶液這個(gè)客觀實(shí)際，尤其當(dāng)今給土壤逐年投入大量的無機(jī)化學(xué)物質(zhì)，需要研究不同膠結(jié)類型團(tuán)聚體對(duì)于投入化學(xué)品的反應(yīng)，這對(duì)于揭示農(nóng)田土壤質(zhì)量演變趨勢(shì)具有極為重要的科學(xué)意義和實(shí)際價(jià)值。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)背景下，在已有的土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性、 水穩(wěn)定性和生物學(xué)穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立團(tuán)聚體的化學(xué)穩(wěn)定性[15]的概念和理論是學(xué)科發(fā)展和客觀現(xiàn)實(shí)的迫切需求，本文在不同價(jià)態(tài)的陽離子溶液中分析了富含有機(jī)質(zhì)的黑土的團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性，旨在探求有機(jī)膠結(jié)劑對(duì)于溶液化學(xué)物質(zhì)的響應(yīng)以及對(duì)于團(tuán)聚體質(zhì)量的作用，揭示目前土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究中的溶液質(zhì)量對(duì)團(tuán)聚體影響的規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

1.2 樣品采集及測(cè)定方法

于玉米收獲期選取相鄰的3塊長(zhǎng)期施用有機(jī)肥的玉米農(nóng)田作為采樣區(qū)(作為3個(gè)重復(fù))，在每個(gè)采樣區(qū)域按照“S”型布置了15個(gè)采樣點(diǎn), 分別采集耕層(0—20 cm)原狀土壤樣品和擾動(dòng)樣品。采集原狀土樣品過程中，先用木盒固定四周輪廓并用小鏟子挖取，挖取后將木盒封口直接盛裝，防止運(yùn)輸過程中被破壞，同時(shí)在采樣點(diǎn)周圍用環(huán)刀采集原狀土樣用以測(cè)定土壤容重。擾動(dòng)土樣在每個(gè)采樣點(diǎn)周圍直接挖取，在室內(nèi)風(fēng)干后用四分法混合均勻過篩，用于土壤有機(jī)質(zhì)及堿解氮、 速效磷和速效鉀等養(yǎng)分的測(cè)定。土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定； 有機(jī)質(zhì)用丘林法； 堿解氮用堿解擴(kuò)散法； 速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬藍(lán)比色法測(cè)定； 速效鉀用NH4OAc提取—火焰光度法測(cè)定[16]。

表1 隨機(jī)抽樣處理樣品編號(hào)對(duì)照表

先取配置好的鹽溶液各300 mL，沿三角瓶壁緩慢注入以浸潤(rùn)土壤樣品，以防止溶液浸潤(rùn)期間在結(jié)構(gòu)體內(nèi)封閉的空氣爆破作用對(duì)團(tuán)聚體的影響，基于有機(jī)質(zhì)含量高的土壤容易濕潤(rùn)的特點(diǎn)，土壤樣品浸泡時(shí)間為1h； 再將經(jīng)過浸泡處理的土壤樣品分別轉(zhuǎn)入1L的沉降筒中，并分別補(bǔ)加溶液至600 mL，將沉降筒嵌于帶有搖手的旋轉(zhuǎn)架內(nèi)，擰緊沉降筒口塞的螺母密封，防止在旋轉(zhuǎn)期間樣品流出損失，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄(5 min，30次/min)，使樣品受到在旋轉(zhuǎn)期間來自鹽溶液的沖擊。將分散后的土壤樣品完全再轉(zhuǎn)移至被水淹埋的孔徑分別為5、 3、 2、 1及0.25 mm的一組套篩上，待沉降筒中懸液完全轉(zhuǎn)入篩后，將套篩在水中上下晃動(dòng)數(shù)次，再將留到各級(jí)篩子上的團(tuán)聚體沖洗入蒸發(fā)皿，在水浴鍋上蒸干后，移入烘箱烘至恒重后稱重，獲得在不同鹽溶液中濕篩后土壤團(tuán)聚體的組成。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為了評(píng)價(jià)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，對(duì)測(cè)定所獲數(shù)據(jù)，分別計(jì)算 ≥0.25 mm團(tuán)聚體的含量R0.25、 平均重量直徑(MWD)、 幾何均重直徑(GMD)以及團(tuán)聚體破壞率(PAD值)等指標(biāo)[17-19]。團(tuán)聚體的分型維數(shù)D采用楊培玲[20]推導(dǎo)的公式進(jìn)行計(jì)算。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，鄧肯法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的基本組成

表2 土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成(%)

2.2 黑土團(tuán)聚體組成與水質(zhì)中鹽分類型及溶液濃度的關(guān)系

表3 在不同鹽溶液中濕篩后黑土團(tuán)聚體的組成(%)

評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)好壞的指標(biāo)有許多，其中以直徑 ≥0.25 mm的團(tuán)聚體作為指標(biāo)來評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)特性好壞很早就被前蘇聯(lián)、 東歐、 印度以及我國(guó)學(xué)術(shù)界所廣泛采用[21]。圖1所示為分別在3種類型鹽分、 4種濃度水平的鹽溶液中經(jīng)過濕篩后黑土直徑≥0.25 mm團(tuán)聚體的含量，可以明顯看出，黑土團(tuán)聚體的組成和穩(wěn)定性對(duì)不同價(jià)態(tài)和不同濃度的鹽溶液的響應(yīng)差異很大。相對(duì)于水分散處理而言，黑土團(tuán)聚體穩(wěn)定性對(duì)氯化鈉溶液的反應(yīng)是增加了分散性，且隨氯化鈉鹽溶液濃度的增加團(tuán)聚體的分散性在增大，≥0.25 mm團(tuán)聚體的含量在遞減； 但在氯化鈣和氯化鋁鹽溶液中篩分處理，團(tuán)聚體的分散性在顯著減小，其中氯化鈣的濃度對(duì)團(tuán)聚體分散性影響不顯著，而氯化鋁對(duì)團(tuán)聚體分散有很強(qiáng)的抑制作用，表現(xiàn)為≥0.25 mm團(tuán)聚體的含量在增加。

平均重量直徑(MWD)和幾何均重直徑(GMD)也常常作為土壤團(tuán)聚體狀況的指標(biāo)，其值越大表示土壤團(tuán)聚度越高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性就越強(qiáng)[12]。用不同濃度的氯化鈉、 氯化鈣和氯化鋁三種價(jià)態(tài)的鹽溶液浸泡土壤后進(jìn)行濕篩，獲得了不同價(jià)態(tài)的可溶性陽離子鹽溶液處理后的土壤MWD和GMD值(見圖2)，能夠較為直觀地看出黑土團(tuán)聚體的穩(wěn)定性隨著鹽溶液濃度的增加而變化的趨勢(shì)。

圖1 不同鹽溶液處理?xiàng)l件下≥0.25 mm穩(wěn)定性團(tuán)聚體Fig.1 ≥0.25 mm aggregates stability under different salt concentrations

由圖2A和2B可以看出，整體上土壤的MWD值和GMD值為一價(jià)鹽<二價(jià)鹽<三價(jià)鹽。隨著鹽濃度的增大，一價(jià)鹽處理的土壤MWD值和GMD值明顯減小，而三價(jià)鹽處理后的MWD值和GMD值則隨著使用鹽濃度的增大而增大。二價(jià)鹽處理的土壤MWD值和GMD值介于一價(jià)鹽和三價(jià)鹽處理之間，圖2A顯示，當(dāng)三種濃度的氯化鈣溶液處理土壤的MWD值均高于純水處理，0.1和0.3 mol/L氯化鈣處理土壤的MWD值持續(xù)增大，而0.5 mol/L氯化鈣溶液處理土壤的MWD值略小于0.1 mol/L處理，但仍高于純水處理。而GMD值所表現(xiàn)的土壤團(tuán)聚體隨氯化鈣溶液濃度的變化特征顯示(圖2B)，土壤GMD值隨著氯化鈣濃度的增大，呈現(xiàn)與MWD值相似的輕微波動(dòng)趨勢(shì)。因?yàn)楸驹囼?yàn)選用的是經(jīng)過干篩后的 (0.25 mm以上的團(tuán)聚體進(jìn)行濕篩的)，顯然可以得出氯化鈉加劇了團(tuán)聚體的分散，而氯化鈣和氯化鋁高價(jià)鹽溶液對(duì)土壤團(tuán)聚體產(chǎn)生了明顯的保護(hù)作用，避免了進(jìn)一步分散為較小的團(tuán)聚體或微團(tuán)聚體。

上述分析一方面證明了土壤團(tuán)聚體對(duì)不同鹽分類型和不同濃度鹽溶液的響應(yīng)有很大的差異性，同時(shí)也證明在進(jìn)行土壤團(tuán)聚體分析時(shí)選定適宜的水質(zhì)作為分散介質(zhì)的重要性。清楚地說明以往選用純水作為團(tuán)聚體的分散介質(zhì)，測(cè)定的水穩(wěn)性團(tuán)聚體結(jié)果偏小，測(cè)定條件與田間實(shí)際情況不很符合。

圖2 不同鹽溶液處理?xiàng)l件下濕篩處理黑土團(tuán)聚體的平均重量直徑(A)和幾何均重直徑(B)Fig.2 MWD(A) and GMD(B) values of soil aggregates under different salt solution concentrations

2.3 不同價(jià)態(tài)鹽溶液濕篩處理后土壤團(tuán)聚體的分型特征

Castrignano等[22]將分形理論應(yīng)用于土壤團(tuán)聚體評(píng)價(jià)的研究之中，提出土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)(D值)越大，則團(tuán)聚體的分散度越大。當(dāng)D接近2時(shí)，表明團(tuán)聚體主要由數(shù)量很少的大團(tuán)聚體組成，隨著D值的增大，土壤中小級(jí)別的團(tuán)聚體的數(shù)量隨之增加。

圖3 不同鹽溶液處理下的土壤分型維數(shù)D0.25Fig.3 Soil fractal dimension D0.25 under different salt solution concentrations

由圖3可以看出，三種價(jià)態(tài)陽離子鹽溶液處理的土壤團(tuán)聚體分型維數(shù)D值均在2.85以上，表明各處理土壤主要由中小團(tuán)聚體組成，僅有少量的大團(tuán)聚體，團(tuán)聚體分散度很高，分散程度為一價(jià)鹽 >二價(jià)鹽 >三價(jià)鹽。隨著陽離子鹽溶液濃度的增大，氯化鈉處理的分型維數(shù)D值增大，氯化鈣處理的分型維數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)，氯化鋁處理的分型維數(shù)在鹽濃度為0.1 mol/L時(shí)劇烈減小，濃度為0.3 mol/L時(shí)繼續(xù)減小，濃度為0.5 mol/L時(shí)略微增大，說明土壤團(tuán)聚體隨著氯化鈉溶液濃度的增大，分散程度增加，而低濃度的氯化鋁促進(jìn)較大團(tuán)聚體的形成，但當(dāng)濃度過大時(shí)，也會(huì)起到分散土壤團(tuán)聚體的作用，氯化鈣溶液對(duì)團(tuán)聚體的分散和團(tuán)聚作用的效果介于兩者之間，隨著濃度有波動(dòng)，表明在氯化鈣溶液的作用下，土壤團(tuán)聚體的分散和團(tuán)聚作用可能同時(shí)發(fā)生。

2.4 黑土團(tuán)聚體的鹽破壞率

團(tuán)聚體的破壞率(PAD)一般是分別以干篩和濕篩后所獲得直徑大于某一數(shù)值的團(tuán)聚體的量為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的，以表征團(tuán)聚體的水力學(xué)穩(wěn)定性。為了研究團(tuán)聚體的鹽穩(wěn)定性，本研究提出以純水為對(duì)照，以不同濃度鹽溶液為處理，用 “土壤團(tuán)聚體鹽破壞率(PADx/w)”作指標(biāo)[15]，表征鹽分對(duì)土壤團(tuán)聚穩(wěn)定性能的作用。

(1)

式(1)中:Ww表示在純水濕篩后直徑大于X毫米的土壤團(tuán)聚體重量百分含量；Wx表示鹽溶液處理后大于X毫米的土壤團(tuán)聚體重量百分含量；PADx/w為正值表示在鹽溶液中土壤團(tuán)聚性能降低(分散)，負(fù)值則表示在鹽溶液中土壤團(tuán)聚性能增加(保護(hù))，PADx/w絕對(duì)值越大，表明作用越明顯。

圖4 不同鹽溶液處理下土壤PAD0.25/w、 PAD1/w、 PAD2/w值Fig.4 Soil PAD0.25/w ， PAD1/w, PAD2/w value under different salt solution concentrations

圖4所示，氯化鈉溶液處理的土壤PAD0.25/w在溶液濃度為0.1 mol/L的處理?xiàng)l件下僅為0.22%，溶液濃度在0.3 mol/L和0.5 mol/L的處理?xiàng)l件下都為正值，絕對(duì)值為10.7%和14.4%，說明直徑 ≥0.25 mm的黑土團(tuán)粒結(jié)構(gòu)在不同濃度的氯化鈉溶液中有不同程度的分散。氯化鈣溶液和氯化鋁處理的土壤PAD0.25/w均為負(fù)值，氯化鈣處理絕對(duì)值隨著鹽濃度的增大而減小，表明 ≥0.25 mm的黑土團(tuán)聚體具有抵抗氯化鈣溶液分散的能力，且氯化鈣溶液對(duì)該直徑的團(tuán)聚體具有一定的保護(hù)作用，而這種保護(hù)作用能力隨著氯化鈣溶液濃度的增大而降低； 氯化鋁處理的PAD0.25/w的絕對(duì)值均在51%以上，說明氯化鋁溶液 ≥0.25 mm的土壤團(tuán)聚體的保護(hù)作用比氯化鈣溶液更加明顯。三種溶液各濃度處理的黑土PAD1/w和PAD2/W均為負(fù)值，說明經(jīng)過鹽溶液處理的≥1 mm和 ≥2 mm的黑土團(tuán)聚體含量均高于純水處理的含量，表明供試的三種溶液均加強(qiáng)了 ≥1 mm和 ≥2 mm的黑土團(tuán)聚體的抵抗水力分散的能力，但其作用程度存在差異。溶液濃度也對(duì)黑土團(tuán)聚體抗水力分散的能力影響明顯，氯化鈉溶液處理總體差異較小，≥2 mm的黑土團(tuán)聚體對(duì)0.5 mol/L的氯化鈉溶液的響應(yīng)能力減弱(-1.8%)，0.3 mol/L的氯化鈣溶液的PAD1/w和PAD2/w均對(duì)黑土團(tuán)聚體的抗水力分散能力均有較大影響，被水力破壞的 ≥1 mm的團(tuán)聚體可在0.3 mol/L的氯化鈣溶液作用下恢復(fù)38.6%，大于2 mm團(tuán)聚體可恢復(fù)40.8%。高濃度的氯化鋁也能有效地增強(qiáng)黑土團(tuán)聚體的抗水力分散的能力，但0.1 mol/L的氯化鋁的影響相對(duì)較弱，0.5 mol/L的氯化鋁對(duì)大于0.25 mm、 ≥1 mm和 ≥2 mm的黑土團(tuán)聚體有很強(qiáng)的保護(hù)作用，PAD的絕對(duì)值均達(dá)到50%以上，0.1 mol/L和0.3 mol/L的氯化鋁對(duì)較大團(tuán)聚體的保護(hù)作用相對(duì)較弱。

3 討論

供試土壤主要粘土礦物組成為蒙脫石，具有很強(qiáng)的膨脹性，馬蕾等研究發(fā)現(xiàn)NaCl和CaCl2對(duì)蒙脫石懸浮液的膨脹有明顯的抑制作用，而且CaCl2對(duì)蒙脫石膨脹的抑制作用明顯強(qiáng)于NaCl， CaCl2濃度比NaCl少了1個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)即可達(dá)到相同的膨脹抑制效果，且電解質(zhì)的加入使顆粒之間產(chǎn)生了團(tuán)聚作用，改變了顆粒的粒徑，從而在宏觀上表現(xiàn)為蒙脫石懸浮液體積的減少[23]。對(duì)于土壤而言，抑制其膨脹性能夠有效防止土壤團(tuán)聚體分散，從本研究中PAD1/w和PAD2/w的結(jié)果可知，NaCl和CaCl2溶液能夠抑制黑土直徑1 mm以上的大團(tuán)聚體分散，其中鹽溶液抑制蒙脫石的膨脹性應(yīng)是重要因素。上述文獻(xiàn)中未提及三價(jià)鹽電解質(zhì)對(duì)蒙脫石的作用，但從本文的結(jié)果分析，三價(jià)鹽對(duì)蒙脫石礦物類土壤膨脹性的抑制作用應(yīng)當(dāng)更強(qiáng)于二價(jià)鹽。

4 結(jié)論

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