土壤原始顆粒對(duì)不同破碎機(jī)制下團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響*

肖 海，高 峰，邵艷艷，郭 萍，李銘怡，張 倫，楊悅舒，夏振堯?，許文年

（1. 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三峽大學(xué)），湖北宜昌 443002；2. 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北宜昌 443002）

土壤團(tuán)聚體是土壤小顆粒通過(guò)凝聚膠結(jié)等作用形成的土壤結(jié)構(gòu)基本單元[1]。團(tuán)聚體為土壤養(yǎng)分貯存提供載體，為各種土壤微生物提供生境，常視作土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)與土壤肥力的載體[2-6]。

消散作用、機(jī)械外力作用、土壤礦物濕潤(rùn)后非均勻膨脹作用和物理化學(xué)驅(qū)散作用是水分對(duì)團(tuán)聚體的四種破壞機(jī)制，其中物理化學(xué)驅(qū)散作用在前三種作用破壞時(shí)均存在，而且對(duì)各作用的影響是相似的[7]。消散作用是團(tuán)聚體浸沒于水中或在暴雨時(shí)內(nèi)部空氣受到壓縮對(duì)團(tuán)聚體破壞作用，它是造成團(tuán)聚體破壞的主要因素[8]。機(jī)械外力作用是團(tuán)聚體受到雨滴打擊或在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生撞擊由外部力的作用對(duì)團(tuán)聚體造成破壞，是造成濕潤(rùn)團(tuán)聚體破壞的主要原因[9]。土壤礦物濕潤(rùn)后非均勻膨脹作用是團(tuán)聚體受到小雨時(shí)干濕循環(huán)過(guò)程中土壤黏粒礦物發(fā)生膨脹收縮產(chǎn)生的破壞作用[10]。

團(tuán)聚體穩(wěn)定性是描述其抵抗外力破壞作用的重要指標(biāo)。分析團(tuán)聚體粒徑分布是計(jì)算團(tuán)聚體穩(wěn)定性前提。目前有很多方法用于測(cè)定團(tuán)聚體穩(wěn)定性，但各方法均存在一定問(wèn)題。除與篩網(wǎng)碰撞外，干篩法未考慮任何團(tuán)聚體破壞機(jī)制，而濕篩法則僅僅考慮了團(tuán)聚體的消散破壞作用[11-12]。滲透穩(wěn)定性主要通過(guò)在固定水頭下測(cè)定放于固定圓筒中的10.00 g粒徑為1.00～2.00 mm團(tuán)聚體在一定時(shí)間內(nèi)滲透的水量，來(lái)衡量團(tuán)聚體穩(wěn)定性，這種方法也僅僅考慮了消散作用對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響[13]。雨滴打擊法通過(guò)測(cè)定造成濕潤(rùn)團(tuán)聚體破壞所需的雨滴數(shù)來(lái)衡量其穩(wěn)定性，僅考慮了團(tuán)聚體的機(jī)械外力破壞作用[14]。LB法（Le Bissonnais）是目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織測(cè)定團(tuán)聚體穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)方法，它采用快速濕潤(rùn)、預(yù)濕潤(rùn)后震蕩以及慢速濕潤(rùn)三種處理方式對(duì)團(tuán)聚體進(jìn)行預(yù)處理，考慮了團(tuán)聚體的破碎機(jī)制[7，15]。但LB法只選取了5.00 g粒徑為3.00～5.00 mm的土壤團(tuán)聚體進(jìn)行研究，而此粒徑范圍的土壤團(tuán)聚體能否有效反應(yīng)整個(gè)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性卻無(wú)法驗(yàn)證。此外，所有這些方法均未考慮將土壤原始顆粒從各粒級(jí)的團(tuán)聚體中剝離出來(lái)，而將各粒級(jí)范圍的土壤原始顆粒視為土壤團(tuán)聚體，這顯然有悖于土壤團(tuán)聚體的概念，也會(huì)影響團(tuán)聚體穩(wěn)定的結(jié)果。

因此，本文通過(guò)構(gòu)建一種新的團(tuán)聚體測(cè)定方法，模擬全土樣團(tuán)聚體不同破碎機(jī)制并考慮土壤原始顆粒的影響。以兩種團(tuán)聚體特征差異明顯的土壤進(jìn)行試驗(yàn)，分析土壤原始顆粒對(duì)不同破碎機(jī)制下團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響。本研究對(duì)深入理解土壤團(tuán)聚體破壞機(jī)理，評(píng)價(jià)團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用土

本研究選擇壤質(zhì)砂土（陜西神木縣坡耕地）和砂質(zhì)黏壤土（湖北秭歸縣新墾桔園地）兩種不同質(zhì)地土壤為研究對(duì)象。為提高樣點(diǎn)代表性且減少空間變異性，在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)選取土壤質(zhì)地相同的3個(gè)樣方（5 m×5 m），在每個(gè)樣方內(nèi)按照S形取樣法，除去表層枯枝落葉后采集5個(gè)深度為0～20.00 cm的原狀土樣，混合。土樣自然風(fēng)干后人工剔除小石子及根系等雜質(zhì)，過(guò) 10.00 mm 篩備用。土壤基本理化性質(zhì)見表1。本研究采用TopSizer激光粒度分析儀（SCF-108，珠海歐美克儀器公司，中國(guó)）掃描法測(cè)定土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)（國(guó)際制），重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量。

表1 試驗(yàn)用土基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical-chemical properties of the experimental soils

1.2 團(tuán)聚體測(cè)定方法

本研究參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)#10930法[15]中LB法所采取的快速濕潤(rùn)、慢速濕潤(rùn)和預(yù)濕潤(rùn)振蕩三種處理方式分別模擬消散作用、土壤礦物濕潤(rùn)后非均勻膨脹作用和機(jī)械外力作用對(duì)團(tuán)聚體的破壞。選取約25.00 g全樣土壤分別進(jìn)行快速濕潤(rùn)、慢速濕潤(rùn)和預(yù)濕潤(rùn)振蕩處理以避免LB法中3.00～5.00 mm粒徑土壤團(tuán)聚體能否有效反應(yīng)整個(gè)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的問(wèn)題。同時(shí)，為了消除土壤原始顆粒對(duì)各粒徑的團(tuán)聚體的影響，對(duì)各粒徑土壤顆粒分別使用雙氧水去除有機(jī)質(zhì)并使用六偏磷酸鈉進(jìn)行分散以獲取各粒徑中存在的土壤原始顆粒。具體操作步驟如下：

（1）控制不同土壤含水率：將經(jīng)處理的風(fēng)干土壤置于40℃的烘箱內(nèi)烘干48 h，以確保不同土壤各粒徑團(tuán)聚體初始含水率一致；

（2）進(jìn)行團(tuán)聚體不同破碎機(jī)制處理：將上述烘干后的土壤樣品拿出烘箱并立即使用自封袋密閉，然后隨機(jī)取土樣25.00 g進(jìn)行快速濕潤(rùn)、慢速濕潤(rùn)和預(yù)濕潤(rùn)振蕩三種方式以分別模擬消散作用、土壤礦物濕潤(rùn)后非均勻膨脹作用和機(jī)械外力作用對(duì)團(tuán)聚體的破壞。快速處理步驟為：取25.00 g土壤完全浸沒在盛有250 mL去離子水的1 000 mL燒杯中，10 min后使用移液管將多余水分吸掉；慢速濕潤(rùn)的過(guò)程為：取25.00 g土壤輕輕放置于張力為-0.30 kPa濕濾紙上，靜置40～60 min，待土壤充分濕潤(rùn)；預(yù)濕潤(rùn)后震蕩過(guò)程為：取25.00 g土壤完全浸沒于盛有250 mL酒精的1 000 mL錐形瓶中，10 min后吸掉酒精，加水至750 mL，然后用橡皮塞將錐形瓶口塞緊，上下震蕩20次，靜置20～40 min，待分散體沉淀后，用移液管吸去多余水分；

（3）對(duì)不同破碎機(jī)制預(yù)處理后的樣品進(jìn)行初篩：將處理后的樣品轉(zhuǎn)移至孔徑為0.05 mm篩子中，浸沒于質(zhì)量濃度為95%酒精中，上下震蕩20次（振幅2 cm），將保留在篩子中的土壤顆粒轉(zhuǎn)移至燒杯中，在40℃溫度烘箱內(nèi)烘干48 h；

（4）初步篩分，獲得不同粒徑的“團(tuán)聚體”：將步驟3中獲得的不同破碎機(jī)制預(yù)處理后的初篩樣品取出烘箱，依次分別過(guò)孔徑為5.00 mm、3.00 mm、2.00 mm、1.00 mm、0.50 mm、0.25 mm、0.10 mm和0.05 mm篩，獲?。?.00 mm、3.00～5.00 mm、2.00～3.00 mm、1.00～2.00 mm、0.50～1.00 mm、0.25～0.50 mm、0.10～0.25 mm和0.05～0.10 mm粒徑“團(tuán)聚體”。

（5）對(duì)不同粒徑“團(tuán)聚體”進(jìn)行分散處理：分別對(duì)步驟4中對(duì)各粒徑的“團(tuán)聚體”加入雙氧水去除顆粒中的有機(jī)質(zhì)，采用六偏磷酸鈉溶液作為分散劑進(jìn)行分散，確保所有土壤顆粒均處于原始顆粒狀態(tài)；

（6）將步驟5中經(jīng)分散后的土壤顆粒在酒精浸沒條件下過(guò)相應(yīng)孔徑的篩，將留在篩網(wǎng)上的土壤顆粒在40℃溫度烘箱內(nèi)烘干，分別獲取各粒徑土壤原始顆粒含量；

（7）將步驟4獲取的各粒徑的分散前土壤團(tuán)聚體質(zhì)量減去步驟6獲取的對(duì)應(yīng)粒徑分散后土壤原始顆粒含量，得到各粒徑下土壤純團(tuán)聚體含量；

（8）將步驟7獲得的各粒徑下土壤純團(tuán)聚體含量除以總土壤重量得到各粒徑下土壤團(tuán)聚體百分比，用于分析團(tuán)聚體穩(wěn)定性，完成土壤團(tuán)聚體的測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

團(tuán)聚體穩(wěn)定性采用平均重量直徑（Mean Weight Diameters，MWD，mm）表示，分別采用MWDfw、MWDws、MWDsw表示快速濕潤(rùn)、濕潤(rùn)后機(jī)械震蕩和緩慢濕潤(rùn)3種處理下團(tuán)聚體穩(wěn)定性。不同處理中，MWD數(shù)值越小表示團(tuán)聚體穩(wěn)定性越低，該處理對(duì)團(tuán)聚體的破碎作用越大[16]。MWD采用文獻(xiàn)[17]中公式計(jì)算。

純團(tuán)聚體含量為上述步驟4中獲得的“團(tuán)聚體”含量減去消散后的土壤原始顆粒含量，采用式（1）計(jì)算：

式中，mi表示考慮i粒徑的純土壤團(tuán)聚體含量（g），mia表示i粒徑未消除土壤原始顆粒的“團(tuán)聚體”含量（g），mip表示i粒徑中土壤原始顆粒含量（g）。

采用分散后各粒徑中土壤原始土壤顆粒含量占未消除土壤原始顆粒的“團(tuán)聚體”含量的百分比，以分析土壤原始顆粒對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體含量的影響。計(jì)算公式如下：

式中，ri表示i粒級(jí)中土壤原始顆粒含量的影響率。

采用對(duì)比分散前后團(tuán)聚體（＞0.05 mm）占總土壤的百分比（AR）評(píng)估土壤原始顆粒對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響。AR值越大，表明＞0.05 mm粒徑團(tuán)聚體含量越多，分散前后AR差異越大，表明原始顆粒對(duì)團(tuán)聚體的影響程度越大。團(tuán)聚體（＞0.05 mm）占總土壤的百分比計(jì)算公式如下：

式中，AR表示團(tuán)聚體占總土壤的百分比（%），m＞0.05表示大于0.05 mm粒徑團(tuán)聚體含量（g），mt表示總土壤含量（g）。

2 結(jié)果與討論

2.1 消除土壤原始顆粒影響前后不同處理方式下土壤粒徑分布特征

兩種土壤在不同處理方式下，各粒徑含量存在較大差異（圖1）。壤質(zhì)砂土呈單峰分布，主要分布在0.05～0.50 mm范圍內(nèi)，約占土樣總量80%，在3種處理方式下0.10～0.25 mm粒徑含量最多，約占土樣總量的40%，快速濕潤(rùn)和濕潤(rùn)后機(jī)械震蕩兩種處理模式下＞2.00 mm粒徑和慢速濕潤(rùn)模式下＞3.00 mm粒徑各篩網(wǎng)含量均為0。砂質(zhì)黏壤土除快速濕潤(rùn)處理在＞5.00 mm粒徑含量為0外，其他各處理及各粒徑中均有土壤存在，其中慢速濕潤(rùn)和濕潤(rùn)后機(jī)械震蕩兩種處理下1.00～2.00 mm粒徑含量最多，而在快速濕潤(rùn)處理模式下主要為＜0.05 mm粒徑土壤顆粒，這表明快速濕潤(rùn)處理能夠?qū)⑼寥缊F(tuán)聚體破碎更充分，形成更多小粒徑土壤顆粒。同時(shí)，砂質(zhì)黏壤土在慢速濕潤(rùn)處理下在＞2.00 mm粒徑含量明顯大于濕潤(rùn)后機(jī)械震蕩處理，表明慢速濕潤(rùn)處理對(duì)土壤團(tuán)聚體破壞小于濕潤(rùn)后機(jī)械震蕩處理。

兩種土壤在不同處理模式下MWD也存在較大差異（表2）。砂質(zhì)黏壤土在三種處理模式下MWD均顯著大于壤質(zhì)砂土，這與砂質(zhì)黏壤土黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量均大于壤質(zhì)砂土有關(guān)，黏粒和有機(jī)質(zhì)均可以作為膠結(jié)物質(zhì)形成更穩(wěn)定的團(tuán)聚體[17，18]。總體而言，MWD呈現(xiàn)MWDfw＜MWDws＜MWDsw的大小順序，這表明這兩種土壤團(tuán)聚體破壞均是快速濕潤(rùn)時(shí)孔隙內(nèi)部封閉的空氣壓力作用為主，其次是機(jī)械外力作用，黏粒膨脹作用影響最小，這與其他學(xué)者采用LB法所測(cè)結(jié)果一致[19，20]。壤質(zhì)砂土快速濕潤(rùn)處理和濕潤(rùn)后機(jī)械震蕩處理下MWD無(wú)顯著性差異，兩者均與慢速濕潤(rùn)處理下MWD呈顯著性差異，這與壤質(zhì)砂土結(jié)構(gòu)較差，與濕潤(rùn)后機(jī)械震蕩處理下土壤團(tuán)聚體基本破碎有關(guān)。砂質(zhì)黏壤土三種處理模式下MWD均存在顯著性差異，砂質(zhì)黏壤土結(jié)構(gòu)本身較好，因此各處理模式下團(tuán)聚體破碎程度均受到各破碎機(jī)制作用強(qiáng)度影響。

表2 消除土壤原始顆粒影響前不同破碎機(jī)制下團(tuán)聚體平均重量直徑Table 2 MWD before eliminating the influence of original soil particles relative to treatment

2.2 土壤原始顆粒對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體含量的影響

不同土壤和不同處理方式下土壤原始顆粒對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體影響差異較大（圖2）。整體而言，土壤原始顆粒影響2.00 mm以下粒徑，這與土壤原始顆粒本身均小于2.00 mm有關(guān)。對(duì)壤質(zhì)砂土而言，土壤原始顆粒除對(duì)SW處理1.00～2.00 mm粒級(jí)的影響僅為4.00%外，對(duì)其他各處理下各粒徑影響程度均大于50.00%，影響最大的為FW處理下0.50～1.00 mm粒徑，達(dá)到92.75%。對(duì)砂質(zhì)黏壤土而言，土壤原始顆粒對(duì)各破碎機(jī)制下所有粒級(jí)的影響均小于50.00%，影響最大的為FW處理下0.05～0.01 mm粒徑，為45.98%。這表明土壤原始顆粒對(duì)壤質(zhì)砂土各粒級(jí)的影響遠(yuǎn)大于砂質(zhì)黏壤土。

在小于2.00 mm粒徑范圍內(nèi)，F(xiàn)W處理下土壤原始顆粒對(duì)壤質(zhì)砂土和砂質(zhì)黏壤土各粒級(jí)團(tuán)聚體的影響分別為60.00%～92.75%和13.83%～45.98%，平均值分別為80.95%和22.97%；SW處理模式下土壤原始顆粒對(duì)壤質(zhì)砂土和砂質(zhì)黏壤土各粒級(jí)團(tuán)聚體的影響分別為4.00%～87.43%和3.00%～32.00%，平均值分別為55.32%和12.19%；WS處理模式下土壤原始顆粒對(duì)壤質(zhì)砂土和砂質(zhì)黏壤土各粒級(jí)團(tuán)聚體的影響分別為16.67%～90.36%和0.46%～38.42%，平均值分別為68.41%和13.63%。壤質(zhì)砂土中，土壤原始顆粒對(duì)1.00～2.00 mm、0.50～1.00 mm以及0.25～0.50 mm粒級(jí)下影響程度依次為FW＞W(wǎng)S＞SW，而在0.10～0.25 mm和0.05～0.10 mm粒級(jí)下三種破碎機(jī)制下影響程度差異不大，表明對(duì)于團(tuán)聚體穩(wěn)定性較差的土壤而言，不同破碎機(jī)制對(duì)微團(tuán)聚體的破碎程度相近，而大團(tuán)聚體受不同破碎機(jī)制影響較大。砂質(zhì)黏壤土中，土壤原始顆粒對(duì)1.00～2.00 mm和0.50～1.00 mm粒徑下影響依次為FW＞SW＞W(wǎng)S，而在0.25～0.50 mm、0.10～0.25 mm和0.05～0.10 mm粒徑下影響較大時(shí)依次為FW＞W(wǎng)S＞SW，整體而言，土壤原始顆粒對(duì)FW處理影響最大，WS處理次之，而SW處理影響最小，這與FW處理時(shí)消散作用對(duì)團(tuán)結(jié)體破碎作用較大，能夠?qū)⑼寥乐懈鄨F(tuán)聚體完全破碎，而SW處理時(shí)僅土壤黏粒礦物發(fā)生膨脹收縮產(chǎn)生的破壞作用較小有關(guān)。這表明對(duì)于團(tuán)聚體穩(wěn)定性較好的土壤而言，土壤原始顆粒對(duì)不同破碎機(jī)制下各粒級(jí)均有較大影響。

2.3 土壤原始顆粒對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

壤質(zhì)砂土分散前AR在FW處理（不顯著）和WS處理（顯著）大于砂質(zhì)黏壤土相應(yīng)分散前的AR值，而在SW處理下則顯著小于砂質(zhì)黏壤土分散前AR值，這與上述砂質(zhì)黏壤土在各處理?xiàng)l件下團(tuán)聚體穩(wěn)定性大于壤質(zhì)砂土的結(jié)果不一致，表明受到土壤原始顆粒影響，分散前的AR值難以正確反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。砂質(zhì)黏壤土分散后的AR值在3種處理均顯著大于壤質(zhì)砂土，這與上述砂質(zhì)黏壤土在各處理?xiàng)l件下團(tuán)聚體穩(wěn)定性大于壤質(zhì)砂土的結(jié)果一致，表明消除土壤原始顆粒影響后，AR能夠較好地體現(xiàn)土壤純團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

分散前后團(tuán)聚體（＞0.05 mm）占總土壤的百分比AR兩個(gè)土壤在各處理模式下均存在顯著性差異（表3），這表明土壤原始顆粒對(duì)土壤團(tuán)聚體影響巨大。壤質(zhì)砂土分散前AR在FW、SW和WS處理下分別為分散后AR的5.65倍、3.43倍和4.50倍，而砂質(zhì)黏壤土分散前AR在FW、SW和WS處理下分別為分散后AR的1.36倍、1.05倍和1.08倍，這表明土壤原始顆粒對(duì)壤質(zhì)砂土的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂質(zhì)黏壤土。兩種土壤分散前后AR比均表現(xiàn)為FW＞W(wǎng)S＞SW，這表明土壤原始顆粒對(duì)FW處理影響最大，WS處理影響次之，SW處理影響最小。

表3 不同破碎機(jī)制下分散前后團(tuán)聚體（＞0.05 mm）占總土壤的百分比Table 3 Proportions of soil aggregates（＞0.05 mm）to the total soil before and after eliminating the influence of native soil particles relative to treatment

3 結(jié) 論

本研究以兩種不同質(zhì)地團(tuán)聚體特征差異明顯的壤質(zhì)砂土和砂質(zhì)黏壤土為研究對(duì)象，通過(guò)使用全土樣進(jìn)行快速濕潤(rùn)、慢速濕潤(rùn)和預(yù)濕潤(rùn)振蕩處理對(duì)土壤團(tuán)聚體進(jìn)行破碎。使用雙氧水去除有機(jī)質(zhì)并使用六偏磷酸鈉進(jìn)行分散以獲取各粒級(jí)中存在的土壤原始顆粒，研究土壤原始顆粒對(duì)不同破碎機(jī)制下團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響。得到如下結(jié)論：兩種土壤在不同處理方式下，各粒級(jí)含量存在較大差異。壤質(zhì)砂土在0.05～0.50 mm范圍粒級(jí)含量達(dá)80%左右，砂質(zhì)黏壤土SW和WS兩種處理模式下在1.00～2.00 mm粒級(jí)含量最多，而FW處理則主要存在于＜0.05 mm粒級(jí)中。砂質(zhì)黏壤土在三種處理模式下MWD均顯著大于壤質(zhì)砂土，且兩種土壤MWDfw＜MWDws＜MWDsw，這表明這兩種土壤團(tuán)聚體破壞均是孔隙內(nèi)部封閉的空氣壓力作用為主，其次是機(jī)械擾動(dòng)作用，黏粒膨脹作用影響最小。不同土壤和不同處理方式下土壤原始顆粒對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體影響程度差異較大。對(duì)壤質(zhì)砂土而言，除了SW處理模式下1.00～2.00 mm粒級(jí)的影響僅為4%外，其他各處理均大于50%，而對(duì)砂質(zhì)黏壤土各處理的影響程度均小于50%。土壤原始顆粒對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體的影響程度受到土壤類型和破碎機(jī)制影響。分散前的AR值難以正確反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，消除土壤原始顆粒影響后，AR能夠較好的體現(xiàn)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。土壤原始顆粒對(duì)壤質(zhì)砂土的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)砂質(zhì)黏壤土的影響，壤質(zhì)砂土分散前AR在FW、SW和WS處理下分別為分散后AR的5.65倍、3.43倍和4.50倍，而砂質(zhì)黏壤土分別是1.36倍、1.05倍和1.08倍，差異顯著。