典型砂姜黑土黑色物質(zhì)提取方法及成分研究*

郭成士，馬東豪，張叢志，張佳寶?，蔡太義，3，陳 林，周桂香

（1. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南焦作 454000）

我國砂姜黑土面積大約400 萬hm2，其中三分之二位于重要的糧食產(chǎn)主區(qū)黃淮海平原，三分之一分布在膠萊平原、沂沭河平原和南陽盆地等地[1-2]。然而，由于砂姜黑土具有濕漲干縮、僵硬、耕性差等不良物理性狀，導(dǎo)致其成為我國面積最大的低產(chǎn)土壤之一[3]。

土壤黑色通常與高有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。例如我國東北顏色較深的黑土有機(jī)質(zhì)含量超過50 g·kg–1[3]。砂姜黑土土壤雖呈黑色，但其有機(jī)質(zhì)含量卻偏低，一般不超過 15 g·kg–1[3-4]；深黑色黑土層的有機(jī)質(zhì)含量一般低于淺黑色表土層[3]。當(dāng)用雙氧水去除砂姜黑土有機(jī)質(zhì)后，黑色消褪，土壤呈灰黃色[5]。這說明砂姜黑土土壤黑色與有機(jī)質(zhì)有關(guān)，但是除有機(jī)質(zhì)含量外，有機(jī)質(zhì)在土壤內(nèi)的存在形態(tài)也可能是影響土壤顏色的關(guān)鍵因素[6-7]。砂姜黑土土壤有機(jī)質(zhì)形成機(jī)制和存在形態(tài)可能與其他土壤不同。Singh[7]發(fā)現(xiàn)高交換性黏粒礦物能夠緊密吸附有機(jī)質(zhì)，形成黑色的黏粒-有機(jī)復(fù)合體。由于砂姜黑土黏粒含量較高，含有大量微小的黏粒礦物[1，3，8]，有可能形成較多的黑色納米級有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體。如果能將這些黑色物質(zhì)從土壤中提取且不破壞其化學(xué)結(jié)構(gòu)，對于研究黑色物質(zhì)的組成、揭示砂姜黑土有機(jī)質(zhì)形成機(jī)制具有重要意義。

土壤是一個(gè)非常復(fù)雜且具有高度活性的系統(tǒng)，在不破壞化學(xué)結(jié)構(gòu)的前提下從砂姜黑土中提取黑色物質(zhì)及納米級有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體并不容易。目前提取有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的化學(xué)方法很多，但化學(xué)提取方法（利用酸、堿或螯合劑等）均破壞了土壤有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)[2，9-11]；現(xiàn)有的土壤團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)物理分組方法[12-13]僅分離到礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)（MOM，53 μm）部分，土壤有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的分組方法[10]也僅分離到黏粒（2 μm）部分，兩者均未進(jìn)一步分離和提取納米級（小于1 μm）顆粒組分。Li 等[14]和王明輝等[15]做了土壤中無機(jī)納米顆粒提取方法的嘗試，但其采用的高能量探針型超聲波分散方式破壞了土壤中有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)。因此，目前尚無從土壤中提取黑色物質(zhì)及納米級有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的有效方法。

本研究基于凍融交替、振蕩和漸進(jìn)式多層次槽型超聲波分散等技術(shù)手段建立了一種針對砂姜黑土黑色物質(zhì)及納米級有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體有效提取的物理方法，并分析這些黑色物質(zhì)的特征及組成，以期為揭示砂姜黑土有機(jī)質(zhì)形成機(jī)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

典型砂姜黑土屬于鈣積潮濕變性土[1]，其發(fā)育剖面一般分為黑土層（0～70 cm）和砂姜層（大于70 cm）。黑土層又可分為淺黑色的耕作層（0～40 cm）和深黑色的埋藏黑土層（40～70 cm）[1，4]。本研究將耕作層命名為表土層，埋藏黑土層命名為黑土層。供試砂姜黑土樣品分別采自河南省西平縣（113.99°E，33.47°N）、安徽省太和縣（115.47°E，33.32°N）和利辛縣（116.12°E，33.28°N）的農(nóng)田土壤表土層（0～40 cm）和黑土層（40～70 cm），三個(gè)采樣地點(diǎn)自西向東位于中國砂姜黑土面積最大、最典型的黃淮海平原，當(dāng)?shù)胤N植制度均為小麥-玉米輪作，一年兩熟制。在每個(gè)地點(diǎn)，從五個(gè)不同位置收集的混合土壤中取三個(gè)重復(fù)樣本，去除植物殘?jiān)⒏褪瘔K等，根據(jù)不同指標(biāo)測定要求分別做相應(yīng)的篩分處理。

1.2 土壤中黑色物質(zhì)的提取方法

研究[15]表明凍融交替處理有助于土壤的分散和納米顆粒的釋放。凍融交替間隔時(shí)間越長，土壤分散性越好，提取的納米微粒含量也越高[15]。在自然界寒冷的地方，其冰凍季節(jié)周期一般在1 個(gè)月以上，因此本研究選擇冰凍30 d 作為冷凍時(shí)間?？紤]到自然界最冷冰凍溫度為–60℃，預(yù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置了3 種不同的處理溫度，分別為0℃、–20℃和–80℃。隨著凍融溫度的降低，–80℃處理的深黑（DB）、黑（B）組分及總黑色組分（TDF）的提取量顯著高于–20℃和0℃處理（P＜0.05）（表1）。因此，本研究選擇–80 ℃作為凍融溫度。綜合上述預(yù)實(shí)驗(yàn)，先將新鮮土壤樣品通過2 mm 篩，然后將土樣置于冰箱（–80℃）中，30 d 后取出風(fēng)干12 h，有待提取土壤黑色物質(zhì)。

表1 不同凍融溫度處理土壤中六種組分的提取量Table1 Sizes of the six fractions of the Vertisols relative to temperature in the freeze-thaw treatment/（g·kg–1）

砂姜黑土中的黑色物質(zhì)非常穩(wěn)定[16]，參照土壤團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)的物理分組方法先將不穩(wěn)定的輕組分和顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)（POM）組分從土壤中分離出來[12，17]。然后，采用漸進(jìn)式多層次槽型超聲波分散和不同離心力沉降從礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)（小于53 μm）中進(jìn)一步分離和提取不同黑度的組分，依據(jù)Stokes 定律計(jì)算提取不同黑度組分的沉降、離心時(shí)間和速度[18]。實(shí)驗(yàn)采用如下三種方法提取黑色物質(zhì)：（1）加入六偏磷酸鈉（HMP）溶液分散劑后振蕩，然后進(jìn)行多層次槽型超聲波處理（HP）；（2）加入碳酸鈉溶液分散劑后振蕩，然后進(jìn)行多層次槽型超聲波處理（SC）；（3）僅采用超聲波處理（US）。三種方法提取黑色物質(zhì)的主要流程見圖1。三種方法的實(shí)驗(yàn)條件和步驟相同，下面僅以HP 方法為例，對提取方法的操作步驟做詳細(xì)介紹。

圖 1 土壤中黑色物質(zhì)提取流程Fig. 1 Extraction process of black matters in the soils

取上述20 g風(fēng)干土樣加入250 mL離心杯中，倒入180 mL密度為1.85 g·cm–3的碘化鈉重液，緩慢搖動懸浮液20次。然后將其放入真空干燥器（–100 kPa）中30 min。取出靜置20 min后，在20℃下離心（1 250×g）60 min。離心后的懸浮物用0.45 μm的濾膜抽濾，即得到輕組分有機(jī)質(zhì)。離心杯底部的重組用200 mL去離子水沖洗6～7次后，加入150 mL HMP（0.5%；w/w）后振蕩24 h，然后依次通過250 μm和53 μm篩，進(jìn)而得到粗POM +砂粒（大于250 μm）、細(xì)POM +砂粒（53～250 μm），最后篩出部分為粉粒+黏粒（MOM，小于53 μm）。篩分后的所有組分在50℃下干燥12 h后稱重。

由MOM組分進(jìn)一步提取納米級組分的過程如下[10，18]：將干燥后的MOM（小于53 μm）組分轉(zhuǎn)移至500 mL高型燒杯中，加入400 mL去離子水。接著用不銹鋼金屬制的圓形攪拌棒，先將杯底的土壤攪起，然后上下攪拌混合液1 min，攪拌速度為上下各30次，立即記錄開始沉降的時(shí)間。將混合液在20℃下靜置1 h后，將上部懸浮液轉(zhuǎn)移至另一個(gè)高型燒杯中。向盛有沉淀的燒杯中加入200 mL去離子水，再次用攪拌棒攪拌混合液1 min后，立即將燒杯放入加有冰水的槽型超聲波清洗槽內(nèi)，保持槽內(nèi)的冰水面與燒杯中的液面接近，于21.5 kHz和300 mA條件下超聲分散30 min，使樣品充分分散。超聲后的混合液靜止10 min后，將上部懸浮液轉(zhuǎn)移合并至高型燒杯中，此燒杯底部沉淀物為白（W）組分。將合并后的懸浮液于前述相同條件下三次超聲分散30 min，且每次超聲后分別離心（150×g）5 min、（1 250×g）5 min、（3 900×g）30 min，依次得到的底部沉淀物為淺白（LW）、淺黑（LB）和黑（B）組分。最后離心后的懸浮液烘干（50℃），底部沉淀物為深黑（DB）組分。向DB組分中加入300 mL去離子水靜置5 min，倒出上清液后烘干，重復(fù)該過程3～4次以洗去碘化鈉殘余物。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

本研究采用可以定量描述土壤顏色空間的CIE1976顏色系統(tǒng)，該系統(tǒng)用L代表明度，變化于黑（0）和白（100）之間。土壤顏色采用NS-800分光測色儀（三恩馳，深圳；光源：D65；觀察者角度：10°）測量。待測樣品通過1 mm篩后烘干（50℃），取1～2 g置于白色參考色板上，壓實(shí)和壓平后，隨機(jī)取三個(gè)區(qū)域用測色儀測量。然后平均求得土壤明度的參數(shù)值，儀器明度值的測量范圍為0～100，黑度值=100-明度。

土壤pH 采用電位計(jì)法測定，土水比為1∶2.5。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用TOC 儀（固體模塊HT1300，Jena，德國；爐溫：1 100℃）測定；首先用10%鹽酸去除土樣中無機(jī)碳，烘干后測定有機(jī)碳含量，其乘以1.724 即為有機(jī)質(zhì)含量。土壤黏粒含量采用吸管法測定。土壤樣品蒙皂石礦物含量測定采用X 射線衍射儀（Ultima IV，日本；操作條件：Cu 靶，40 kV，40 mA；衍射角：2°～80°；速度：1°/ min）測定；樣品Mg2+飽和后，用甘油水溶液處理，制成定向薄膜后進(jìn)行X 衍射分析。

淺白（LW）、淺黑（LB）、黑（B）和 深黑（DB）組分的納米級粒度分布測定參閱文獻(xiàn)[19]，采用納米激光粒度儀（NS90，Malvern，英國）在波長633 nm 處測量顆粒的水合半徑。將用超聲波分散后的樣品懸浮液轉(zhuǎn)移至聚苯乙烯樣品池中，在90°散射角下進(jìn)行連續(xù)光散射分析，顆粒的相互擴(kuò)散系數(shù)D 與顆粒的水合半徑Rh 有關(guān)，通過斯托克斯-愛因斯坦公式（Stokes-Einstein equation）最終可獲得粒徑大小及其分布。

式中，kB為波爾茲曼常數(shù)，T 為絕對溫度，η為溶劑黏度。所有測量均在25℃的恒定溫度下進(jìn)行。

提取組分（LW、LB、B 和DB）的顆粒平均直徑（MD）計(jì)算公式如下：

式中，Xi 為每一粒級的平均直徑，nm；Ni 為每一粒級的數(shù)量比例。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用 SPSS 21.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用Bonferroni 方法進(jìn)行單因素方差分析，檢驗(yàn)指標(biāo)平均值之間的差異。采用雙變量相關(guān)分析和皮爾森（Pearson）相關(guān)系數(shù)來評估不同變量之間的相關(guān)性。使用Origin 8 軟件繪制圖形。

2 結(jié) 果

2.1 砂姜黑土中不同提取組分的黑度

在三個(gè)地點(diǎn)的砂姜黑土中，黑土層土壤的黑度和有機(jī)質(zhì)含量分別為58.7～64.6 和8.4～10.3 g·kg–1，表土層分別為55.9～57.6 和13.0～17.4 g·kg–1，同地點(diǎn)黑土層黑度均高于表土層，而其有機(jī)質(zhì)含量卻低于表土層（表2）。六組砂姜黑土的黏粒含量基本上在400 g·kg–1以上，屬于高黏粒含量（表2），但同一地區(qū)砂姜黑土黑土層和表土層的黏粒含量無明顯差異。采用HP、SC 和US 三種方法從六組土壤中分別提取出六種不同黑度的組分，其中顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)（POM）、 白（W）、淺白（LW）為淺色組分，淺黑（LB）、黑（B）和 深黑（DB）為黑色組分，各個(gè)組分的黑度見表3。三種方法依次提取的W、LW、LB、B 和DB 組分黑度均依次增加，不同方法提取的POM、W、B 和 DB 相同組分間的黑度差異不顯著，SC 和US 方法提取的LW、LB 組分黑度高于HP 方法。就HP 方法提取組分而言，表土層中POM 組分黑度均顯著高于同地點(diǎn)的黑土層（P＜0.05），黑土層中DB、B 組分的黑度顯著高于同地點(diǎn)的表土層（P＜0.05）。

2.2 砂姜黑土中不同黑度組分的提取量

表4 顯示采用三種方法的砂姜黑土中不同黑度組分的提取量。在六組土壤中，HP、SC 和US 方法的TDF（LB、 B、DB 組分之和）的提取量分別為258 ～488 g·kg–1、 175 ～346 g·kg–1和 190 ～336 g·kg–1，其中HP 方法的提取量顯著高于SC 和US 方法（P＜0.05），SC 方法的提取量也高于US 方法。HP 方法中TDF 的提取量分別較SC 和US 方法高34～152 g·kg–1和68～234 g·kg–1，DB 組分的提取量分別較SC 和US 方法高27～9.8 g·kg–1和29～109 g·kg–1，B 組分的提取量分別較SC 和US方法高50～120 g·kg–1和51～125 g·kg–1。因此，HP 方法的TDF、DB 和B 組分的提取量在三種方法中均是最高的。

表2 供試土壤理化性質(zhì)Table2 Soil physical and chemical properties of the soil samples

表3 三種方法從原土中提取的不同組分黑度Table3 Blackness of the fractions of the three Vertisols relative to treatment method

在三個(gè)地點(diǎn)的砂姜黑土中，黑土層黑度均顯著高于同地點(diǎn)表土層（P＜0.05）（表2），在黑土層土壤中采用HP 方法的DB、B、LB 組分及TDF 提取量也均顯著高于同地點(diǎn)表土層（表4，P＜0.05）。因此，HP 方法的黑色組分提取量與土壤黑度成正比。相關(guān)分析（表5）顯示，六組土壤采用三種方法的DB、B、LB 組分及TDF 的提取量與原土黑度之間均呈顯著正相關(guān)，且HP 方法的顯著性水平（P＜0.01）明顯高于SC（P＜0.05）和US（P＜0.05）方法。而POM、W 和LW 組分與原土黑度均呈負(fù)相關(guān)。因此，POM、W 和LW 組分對土壤黑度的影響不顯著，DB、B 和LB 組分是砂姜黑土呈現(xiàn)黑色的主要組分。

表5 三種方法不同黑度組分的提取量與原土黑度的相關(guān)性（n=18）Table5 Relationship of size of each of the fractions of the dark group with blackness of the Vertisol relative to treatment method and sampling site（n=18）

2.3 土壤黑度與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性

三個(gè)地點(diǎn)砂姜黑土通過三種方法提取的表土層POM 組分有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于同地點(diǎn)黑土層（P＜0.05），表土層中HP、SC、US 方法提取的POM組分有機(jī)質(zhì)含量依次為23.0～28.7、23.0～28.8 和23.0～28.5 g·kg–1，黑土層分別為2.3～3.4、2.2～3.3和2.2～3.4 g·kg–1。三種方法提取的W、LW、LB、B 和DB 組分黑度依次增加，其有機(jī)質(zhì)含量卻呈現(xiàn)先增加后降低趨勢。而且隨著LB、B 和DB 組分黑度的增加，其有機(jī)質(zhì)含量卻依次降低。在六組砂姜黑土中，三種方法提取的不同黑度組分有機(jī)質(zhì)含量與黑度之間的相關(guān)性并不顯著（表6）。

表6 三種方法提取的不同組分有機(jī)質(zhì)含量與黑度的相關(guān)系數(shù)Table6 Correlation coefficient of organic matter content with blackness of the soil relative to fraction，sample and treatment method

2.4 土壤黑度與顆粒尺寸的相關(guān)性

六組砂姜黑土四個(gè)提取組分（LW、LB、B 和DB）的顆粒平均直徑見表7。LW、LB、B 和DB組分的平均直徑隨著黑度的增大而逐漸減小，而且組分間平均直徑差異基本達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

表7 HP 方法從土壤中提取的不同黑度組分平均直徑和小于100 nm 顆粒數(shù)量Table7 Mean particle size and content of ＜100 nm particles in each fraction of the Vertisols treated with HP method

六組砂姜黑土，提取組分的小于100 nm 顆粒數(shù)量均隨著組分黑度的增加而增加，其含量差異在不同黑度組分間基本達(dá)到顯著水平，而大于100 nm 顆粒數(shù)量則隨著組分黑度的增加而降低（表7）。相關(guān)分析（表8）表明，提取組分的小于100 nm 顆粒數(shù)量與黑度顯著正相關(guān)，而 100～200 nm、200～500 nm 和500～2 000 nm 顆粒數(shù)量則呈負(fù)相關(guān)。小于100 nm 顆粒數(shù)量在DB、B 組分中占比高達(dá)90%以上，其在LB 組分的比例大于40%（表7）。由此可以推斷，六組砂姜黑土中的黑色物質(zhì)主要是由小于100 nm 顆粒組成。計(jì)算了各組土樣中小于100 nm顆粒含量，其與黑度的關(guān)系顯示于圖2。三個(gè)地點(diǎn)深黑色黑土層中小于100 nm 顆粒含量為18.4～60.4 g·kg–1，而 淺 黑 色 表 土 層 中 含 量 為 2.4 ～15.2 g·kg–1，黑土層中小于100 nm 顆粒含量明顯高于表土層。六組土樣提取組分的小于100 nm 顆粒含量與土壤黑度顯著正相關(guān)（圖2）。小于100 nm 顆粒的粒徑和密度均非常小，因而在黑色物質(zhì)提取過程中，黑度越高的組分其顆粒密度和粒徑越小，也造成小于100 nm 顆粒在砂姜黑土中數(shù)量很多而質(zhì)量比例并不高。但是數(shù)量眾多的黑色小于100 nm 顆粒在土壤中均勻分布使砂姜黑土呈現(xiàn)很黑的顏色。

表8 HP 方法從土壤中提取的不同組分顆粒數(shù)量與黑度之間的相關(guān)性Table8 Correlation between numbers of particle in each fraction of the soil treated with HP and blackness of the Vertisols

圖 2 土壤中小于100 nm 顆粒含量與土壤黑度的關(guān)系Fig. 2 Relationship between content of ＜100 nm particles and blackness of the soil

3 討 論

3.1 從砂姜黑土中提取黑色物質(zhì)的最佳條件和方法

振蕩[11]和超聲[10，14，20]是通常用于分散土壤的方法。HP和SC方法的DB、B組分和TDF的提取量顯著高于US方法，說明振蕩結(jié)合超聲處理較單獨(dú)超聲更有利于土壤的分散和納米顆粒的釋放，這與相關(guān)研究結(jié)果一致[15]。添加分散劑也有助于土壤分散和納米顆粒的釋放[12，14-15]，而且碳酸鈉[14-15]和六偏磷酸鈉[12]被認(rèn)為是良好的土壤分散劑。HP方法的DB、B組分及TDF的提取量顯著高于SC方法，說明在砂姜黑土中六偏磷酸鈉較碳酸鈉更有利于黑色物質(zhì)及納米級有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的提取。砂姜黑土是以石灰性母質(zhì)為主發(fā)育的富含碳酸鈣的中性偏堿土壤，交換性鹽基以鈣、鎂離子為主[1]。研究[21]發(fā)現(xiàn)碳酸鈣有聚結(jié)土壤顆粒且使分散中的土壤懸濁液絮凝的作用。六偏磷酸鈉和碳酸鈉均屬于反絮凝劑。六偏磷酸鈉可與分散的土壤懸濁液中的鈣離子反應(yīng)形成非解離的鈉鈣偏磷酸鹽陰性復(fù)離子，將溶液中的鈣離子移去。而且，其偏磷酸根通過在碳酸鈣膠體表面形成不可溶解的膠狀物質(zhì)，使碳酸鈣保持穩(wěn)定且不易溶解；同時(shí)，該反應(yīng)還產(chǎn)生了碳酸鈉，其碳酸根通過與鈉離子置換出的鈣離子反應(yīng)生成碳酸鈣，從而去除土壤中的碳酸鈣并阻止土壤懸濁液的絮凝。因此，六偏磷酸鈉較碳酸鈉對石灰性母質(zhì)的砂姜黑土具有更好的分散效率，這也是添加六偏磷酸鈉的HP提取方法優(yōu)于添加碳酸鈉的SC方法的原因。超聲波分散是利用超聲過程中的強(qiáng)烈振動波形成的短暫高能微環(huán)境，達(dá)到較大幅度降低土壤顆粒間的絮凝，其并不能消除交換性鈣離子等對土壤顆粒間的絮凝作用。因此，在砂姜黑土中添加分散劑振蕩結(jié)合超聲分散的HP和SC方法提取黑色物質(zhì)的效率優(yōu)于僅超聲波分散的US方法。

就土壤納米顆粒提取而言，現(xiàn)有方法[14-15]僅提取了無機(jī)納米顆粒。但是單純的無機(jī)膠體或有機(jī)膠體與土壤實(shí)際肥力狀況有很大的差異，只有將有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體作為一個(gè)整體來研究才能真實(shí)地理解和闡明土壤肥力特征[10]。槽型[10]和探針式[14]是兩種典型的超聲波分散方式，槽型超聲波輸出能量低，不會破壞土壤有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，而探針式超聲波輸出能量高，會破壞有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)。本研究采用21.5 kHz 和300 mA 的槽型超聲波分散30 min 是已經(jīng)廣泛認(rèn)可的分散和提取土壤膠體的方式和條件[10]。而且本研究采用低能量多層次循環(huán)超聲的方式，防止破壞土壤有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)。綜上所述，本研究選擇添加分散劑振蕩結(jié)合多層次槽型超聲處理作為提取土壤中黑色物質(zhì)及納米級有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的方法。

三種方法POM 和W 組分的提取量、黑度及有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著，SC 和US 方法提取的LB、LW 組分黑度稍高于HP 方法相應(yīng)組分的黑度，三種方法提取的B 和DB 組分的黑度及有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著，僅提取量有差異。因此，本研究將黑色組分提取量高低及其與土壤黑度相關(guān)性大小作為評判三種方法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。由于HP 方法的B、DB組分及TDF 較SC 和US 方法的提取量更高，且HP 方法提取的三種黑色組分與土壤黑度相關(guān)性更高。因此，HP 方法是更優(yōu)的提取方法。在六組土樣中，HP 方法的DB、B、LB 組分及TDF 的提取量均與土壤黑度顯著正相關(guān)（P＜0.01，表5），這也證明HP 方法是一個(gè)從砂姜黑土中提取黑色物質(zhì)可靠和有效的方法。

3.2 砂姜黑土中黑色物質(zhì)的組成及特征

由于表土層較黑土層受農(nóng)業(yè)種植活動的影響大。因此，砂姜黑土表土層中受農(nóng)業(yè)活動影響較大的顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)（POM）含量顯著高于黑土層[22-23]。砂姜黑土呈現(xiàn)黑色雖然與有機(jī)質(zhì)有關(guān)[5]，但是較高黑度的黑土層有機(jī)質(zhì)含量卻低于同地點(diǎn)較低黑度的表土層。而且采用三種方法從砂姜黑土中提取組分的有機(jī)質(zhì)含量與土壤黑度的相關(guān)性均不顯著（表6）。土壤的顏色與土壤的光譜反射特性密切相關(guān)。如果土壤完全吸收或吸收了大部分可見光波，則該土壤呈現(xiàn)黑色。而且其吸收率與土壤黑度顯著正相關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)是影響土壤光譜反射率的主要因素之一，其在土壤顯色的貢獻(xiàn)中占據(jù)很大比例[24]。但土壤有機(jī)質(zhì)含量不同，其對土壤顏色及反射光譜的作用大小也不同。研究[25]發(fā)現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)含量大于20 g·kg–1的土壤中，有機(jī)質(zhì)能夠掩蓋其他因素而對土壤顯色及可見光波的吸收發(fā)揮主要作用，這也是一些高有機(jī)質(zhì)含量土壤呈現(xiàn)黑色的重要原因。但是，在有機(jī)質(zhì)含量小于20 g·kg–1的土壤中，有機(jī)質(zhì)掩蓋其他因素（如黏土礦物等）的作用減弱，其他因素對土壤顯色及可見光波吸收的影響增大。并且有機(jī)質(zhì)含量越低，其他因素對土壤顯色的影響越大。因此，對于有機(jī)質(zhì)含量一般低于20 g·kg–1的砂姜黑土，黏土礦物等其他因素對土壤顯色有更顯著影響，這也是砂姜黑土有機(jī)質(zhì)含量與土壤黑度相關(guān)性不顯著的重要原因。

提取組分的小于100 nm 顆粒數(shù)量與土壤黑度顯著正相關(guān)，且其數(shù)量占黑色組分總顆粒的 50%以上，其在DB 和B 組分的比例超過90%（表7）。因此，小于100 nm 顆粒應(yīng)該是砂姜黑土中黑色物質(zhì)的主要成分。土壤中礦物質(zhì)占土壤固態(tài)總質(zhì)量的 90%以上，在砂姜黑土中黏粒礦物又占主體，土壤中單獨(dú)存在的黏粒礦物顆粒很少，實(shí)際上主要是以有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體形態(tài)存在[3]。研究[7]顯示，蒙皂石能夠緊密吸附有機(jī)質(zhì)形成很黑的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體，伊利石次之，而高嶺石并不呈現(xiàn)黑色。例如，紅壤中雖然黏粒礦物含量較高，但其以高嶺石為主體，高嶺石吸附有機(jī)質(zhì)形成的復(fù)合體并不呈現(xiàn)黑色，該土壤中紅色針鐵礦含量較高，這也是高有機(jī)質(zhì)含量的紅壤呈現(xiàn)紅色的一個(gè)重要原因。由此可見，與其他黏土礦物形成的復(fù)合體相比，蒙皂石吸附有機(jī)質(zhì)形成的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體具有更強(qiáng)的黑色效應(yīng)。

本研究中砂姜黑土黏粒含量很高（＞400 g·kg–1），土壤黏粒礦物以蒙皂石為主[1，4]，其占黏粒礦物總量的60%以上（表2）。砂姜黑土中蒙皂石含量與土壤黑度成正比，蒙皂石礦物是極其微小的納米級顆粒[8]，土壤黑色又與有機(jī)質(zhì)有關(guān)。因此，本研究推斷小于100 nm 顆粒主要是由蒙皂石吸附有機(jī)質(zhì)形成的黑色有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體組成，這些黑色的納米有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體應(yīng)該是砂姜黑土呈現(xiàn)黑色的主導(dǎo)成分。由于蒙皂石吸附有機(jī)質(zhì)形成的復(fù)合體具有很強(qiáng)的黑色效應(yīng)，導(dǎo)致高蒙皂石含量的砂姜黑土雖然有機(jī)質(zhì)含量不高，但其顏色卻比較黑。

4 結(jié) 論

采用的三種提取方法中，HP 方法是從砂姜黑土中提取黑色物質(zhì)的最佳方法。HP 方法的主要步驟包括冷凍（–80℃）30 d、添加HMP（六偏磷酸鈉）溶液分散劑振蕩結(jié)合多層次槽型超聲分散及離心。分離出的六種組分包括淺色組分（POM、W 和 LW）和黑色組分（LB、B 和 DB）。三個(gè)黑色組分與土壤黑度顯著正相關(guān)，是砂姜黑土呈現(xiàn)黑色的主要組分。砂姜黑土中黑色物質(zhì)主要是由蒙皂石吸附有機(jī)質(zhì)形成的納米有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體組成，數(shù)量眾多的黑色納米有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體在土壤中均勻分布使砂姜黑土呈現(xiàn)較黑的顏色。