土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究概述

李越　李航

摘要 土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元。土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性與土壤養(yǎng)分流失的發(fā)生密切相關(guān)。從土壤團(tuán)聚體的形成、影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素、團(tuán)聚體的分散等方面，對(duì)近年來土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究做一概述。

關(guān)鍵詞 土壤團(tuán)聚體；穩(wěn)定性； 形成與分散

中圖分類號(hào) S153.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）11-03245-03

Abstract Aggregate is the basic unit of soil crumb structure.Aggregate stability is closely related to soil nutrient loss.This paper summed up the stability of soil aggregates in recent years especially on the formation of soil aggregates，factors of affecting aggregate stability and the dispersion of soil aggregates.

Key words Soil aggregates； Stability； Formation and dispersion

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元[1]，是土壤碳賦存的主要場(chǎng)所[2]，是土壤肥力的基礎(chǔ)以及評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[3]。其大小、分布、穩(wěn)定性會(huì)影響植物生長所需水分以及養(yǎng)分的供應(yīng)，還與土壤中能量平衡、物質(zhì)交換、微生物活動(dòng)以及根系延伸等過程關(guān)系密切[4]。團(tuán)聚體穩(wěn)定性遭到破壞后會(huì)直接或間接導(dǎo)致許多環(huán)境問題的發(fā)生，例如團(tuán)聚體穩(wěn)定性被破壞后其內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)會(huì)直接暴露于空氣中，加速有機(jī)質(zhì)氧化和二氧化碳的釋放，這些從土壤中釋放出的二氧化碳總量是燃燒化石燃料的20多倍[5]；土壤顆粒尤其是膠體級(jí)別的顆粒[6]會(huì)隨著流水?dāng)y帶氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)匯集到侵蝕流域的下游地區(qū)、湖泊和近海，使得水體中的沉淀物和營養(yǎng)物質(zhì)大幅度地增加，引發(fā)土壤退化和水體富營養(yǎng)化；另外，一直以來團(tuán)聚體破碎都被認(rèn)為是土壤侵蝕發(fā)生的第一步，是最關(guān)鍵的一步[7-8]。因此，對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究尤為重要。

1 團(tuán)聚體的形成

土壤團(tuán)聚體是由無機(jī)物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)膠結(jié)而成，其形成是眾多因素共同作用的結(jié)果。這些因素包括環(huán)境條件、土壤管理措施、植物和土壤屬性（礦物組成、質(zhì)地、有機(jī)碳含量、成土過程、微生物活性、可交換離子量、養(yǎng)分含量和水分的有效性）[9] 。在形成過程方面，目前普遍接受的理論是“多級(jí)團(tuán)聚學(xué)說”。該理論認(rèn)為，原生土壤顆粒在陽離子橋鍵、范德華引力等的作用下發(fā)生凝聚而形成次生顆粒（復(fù)?；蛭F(tuán)聚體），次生顆粒通過進(jìn)一步膠結(jié)而形成更大的次生顆粒，最后形成大的團(tuán)聚體[10]。

不同物質(zhì)在團(tuán)聚體形成過程中扮演了不同角色[11]。有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用決定了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成。水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和數(shù)量都與土壤中有機(jī)質(zhì)含量呈正比關(guān)系[12-13]。微生物是形成土壤中團(tuán)聚體最活躍的生物因素，特別是真菌，對(duì)大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定起著重要的作用[14]。真菌菌絲能使團(tuán)聚體中的沙礫聯(lián)結(jié)起來，與其他根際微生物產(chǎn)生的有機(jī)化合物可使微團(tuán)聚體進(jìn)一步膠結(jié)成大團(tuán)聚體[15]。鈣離子和其他高價(jià)金屬離子如鐵離子、鋁離子在連接水穩(wěn)性團(tuán)聚體單粒的過程中扮演重要角色[16]。

2 影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素

土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[17]是指團(tuán)聚體抵抗外力作用或外部環(huán)境變化而保持其原有形態(tài)的能力，包括水穩(wěn)定性、力學(xué)穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性和酸堿穩(wěn)定性等。前人進(jìn)行了許多有關(guān)團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響因素的研究[18-23]。研究表明，影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素主要包括土壤有機(jī)質(zhì)、土地利用、土壤生物、氣候條件、植被覆蓋情況、管理措施等。

土壤有機(jī)質(zhì)指土壤中的含碳有機(jī)物。它是土壤中團(tuán)聚體重要的膠結(jié)物質(zhì)，決定了土壤中水穩(wěn)性的團(tuán)聚體形成。有機(jī)質(zhì)能增加團(tuán)聚體的疏水性，減慢其被濕潤的速度，從而降低土粒中填充空氣對(duì)團(tuán)聚體的破壞作用[24-25]。另外，有機(jī)物還能增強(qiáng)團(tuán)聚體間的黏結(jié)力和抗張強(qiáng)度，其吸收水的容量遠(yuǎn)大于土壤礦物，從而提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性[26]。

土地利用方式不同，同一母質(zhì)發(fā)育的土壤團(tuán)聚體的組成和數(shù)量都會(huì)有很大的差異。土地的利用方式在很大程度上影響土壤團(tuán)聚體的形成[17]。

與進(jìn)行傳統(tǒng)耕作的土壤相比，進(jìn)行免耕的土壤團(tuán)聚性更強(qiáng)[27]。與進(jìn)行常規(guī)耕作的土壤相比，進(jìn)行保護(hù)性耕作的土壤微團(tuán)聚體的顆粒有機(jī)質(zhì)含量明顯提高，大團(tuán)聚體含量是常規(guī)耕作的2～3倍[28]。耕作強(qiáng)度的增加可以促進(jìn)有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)，減少土壤團(tuán)聚作用的增加[29]。

3 團(tuán)聚體的分散

土壤團(tuán)聚體的分散主要發(fā)生在水溶液中雙電層反離子濃度降低的時(shí)候，因此被稱為雙電層膨脹。當(dāng)外界的反離子濃度低于它對(duì)膠體的臨界凝聚濃度時(shí)，土壤開始分散[30-31]。在團(tuán)聚體分散過程中，主要有閉蓄空氣的壓強(qiáng)、礦物的非均勻膨脹、雨滴的打擊力、理化分散作用[32]。

閉蓄空氣的壓強(qiáng)大小主要取決于團(tuán)聚體內(nèi)部閉蓄空氣的含量和初始含水量[33]，其作用較強(qiáng)，能將大的團(tuán)聚體分散成較小的微團(tuán)聚體，但并不能夠釋放出土壤單粒；礦物的非均勻膨脹對(duì)黏土礦物含量高的土壤的影響尤其大，但它對(duì)土壤團(tuán)聚體破裂的影響有限[34]，僅能將團(tuán)聚體破碎成微團(tuán)聚體，促進(jìn)土壤表面結(jié)構(gòu)結(jié)皮的形成；理化分散作用是一個(gè)較強(qiáng)的作用力，會(huì)引起快速結(jié)皮、入滲率降低和水中顆粒移動(dòng)能力的增強(qiáng)。

長期以來，雨滴打擊力被認(rèn)為是造成團(tuán)聚體破壞的直接作用力[35]。但已有的研究表明，雨滴打擊所產(chǎn)生的壓強(qiáng)平均約為1.013×105Pa，峰值不超過3.039×105Pa[36]。而在一個(gè)含水量為10%的旱地土中，土壤顆粒之間的最短距離為15。根據(jù)DLVO理論，可以計(jì)算出長程分子引力高達(dá)8.08×105Pa[37-38]。所以，僅憑雨滴打擊是無法把團(tuán)聚體顆粒分散的。然而，土壤侵蝕過程確實(shí)發(fā)生了。這就證明土粒內(nèi)部必定存在其他的作用力。

4 介觀尺度下土壤顆粒內(nèi)部相互作用機(jī)理

土壤由介觀尺度下的無機(jī)物、有機(jī)物、微生物膠體顆粒經(jīng)多級(jí)聚合形成。這部分顆粒具有明顯的膠體特征。在土壤中，這些膠體顆粒表面所帶的電荷能主導(dǎo)土壤膠體顆粒間的相互作用，從而使得它具有與其他非帶電顆粒不同的特殊物理化學(xué)行為。

一般情況下，土壤表面帶有凈負(fù)電荷，因此需要吸附等量的帶相反電荷的離子在顆粒周圍，使得土壤在宏觀上呈現(xiàn)電中性[39]。土壤電荷主要存在于土壤的膠體部分。當(dāng)膠體顆粒分散在水溶液中，其周圍吸附了等量的反離子之后會(huì)形成擴(kuò)散雙電層，從而形成電場(chǎng)。因此，在1～1 000 nm尺度的介觀范圍內(nèi)存在很強(qiáng)的靜電場(chǎng)。蒙脫石的表面電荷密度一般可達(dá)0.16 C/m2[40]，通過Gauss定理計(jì)算可得其表面電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)2.3×108 V/m；腐殖質(zhì)的表面電荷數(shù)量一般可達(dá)500 cmol/kg，若比表面積按400 m2/g計(jì)算，其表面電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)1.7×109 V/m，土壤中黏土礦物、氧化物等無機(jī)物質(zhì)以及腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)等有機(jī)大分子的表面附近區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度都高達(dá)108～109 V/m的數(shù)量級(jí)。介觀尺度內(nèi)高強(qiáng)靜電場(chǎng)的存在會(huì)影響土壤顆粒間的相互作用，也影響吸附在顆粒上帶電離子的行為。

在1～1 000 nm的尺度范圍內(nèi)，影響土壤膠體顆粒間相互作用及行為的力主要有5個(gè)：①帶電顆粒間的靜電斥力；②長程范德華力；③摩擦引起的耗散力；④隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的布朗力；⑤顆粒間的水合斥力[41-42]。其中，范德華引力可使土壤顆粒聚合，而靜電斥力與水合斥力則導(dǎo)致土壤顆粒分散破裂。其他的諸如重力等作用力則因尺度效應(yīng)而作用微小，在一般分析中可以忽略。

帶電顆粒間的靜電斥力主要來自膠體顆粒所帶的電荷。當(dāng)2個(gè)膠粒間的距離小到它們的擴(kuò)散層發(fā)生重疊時(shí)，一個(gè)顆粒必然位于另一個(gè)顆粒產(chǎn)生的電場(chǎng)內(nèi)。由于靜電作用，在兩顆粒間就會(huì)產(chǎn)生靜電斥力，阻止兩顆粒進(jìn)一步靠近，其作用力程可達(dá)到10 000 ；長程范德華力是介觀尺度下土壤膠體顆粒經(jīng)多級(jí)聚合形成團(tuán)聚體的最主要的作用力，其作用力程達(dá)到50 。當(dāng)2個(gè)土壤顆粒相距很近時(shí)，顆粒間將產(chǎn)生壓強(qiáng)高達(dá)數(shù)萬個(gè)大氣壓的巨大長程范德華吸引力，將2個(gè)土壤顆粒牢牢地結(jié)合在一起，但隨著相鄰顆粒間距離的增大，長程范德華力逐漸減弱，直至消失；耗散力和布朗力主要決定于體系溫度，一般情況下可視為常量。

水合斥力為非DLVO力，來自帶電顆粒對(duì)周圍的水分子產(chǎn)生的靜電作用，使得水分子在顆粒周圍做定向排列，并且依靠對(duì)水分子的吸引力將兩相鄰膠體顆粒分散開。水合斥力取決于顆粒表面附近水分子的極化率。研究表明，在膠體顆粒表面1.5 nm距離內(nèi)會(huì)產(chǎn)生巨大的水合斥力，使得顆粒間真實(shí)的凈作用力背離了DLVO理論預(yù)測(cè)[42-45]。因此，在研究膠體顆粒相互作用時(shí)，必須考慮到顆粒間水合斥力的作用。

DLVO理論是最早描述膠體穩(wěn)定性的理論[43，46]。根據(jù)DLVO理論，帶電膠粒之間存在長程范德華吸引力與靜電斥力2種相互作用力。長程范德華吸引力可將兩顆粒聚攏，是膠體聚沉的主要因素；靜電斥力使得兩相鄰顆粒遠(yuǎn)離，是膠體分散的因素。哪種力在膠體的相互作用中占主導(dǎo)地位，膠體就會(huì)呈現(xiàn)出相應(yīng)的狀態(tài)。這2種力的相互作用決定了膠體體系的穩(wěn)定性，也構(gòu)成DLVO理論的主要內(nèi)容。

DLVO理論以波爾茲曼分布方程和泊松方程為基礎(chǔ)，沒有考慮離子的體積效應(yīng)以及離子的水合作用、離子之間的相互作用。因此，其應(yīng)用有一定的局限性，也無法更好地解釋某些膠體體系的穩(wěn)定性。對(duì)于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究，需要尋找一種新的理論來解釋。

5 小結(jié)

綜合國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，可得出影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素很多。團(tuán)聚體穩(wěn)定與否主要是由介觀尺度下土壤顆粒所受到的靜電斥力、水合斥力與長程范德華力的合力所決定的。另外，作為最早描述膠體穩(wěn)定性的DLVO理論存在一定的不足之處，因此需要尋求一種新的理論來指導(dǎo)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究。

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