風(fēng)化褐煤對(duì)蘇打鹽堿土水穩(wěn)性團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)特征的影響

顧 鑫

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 大慶分院，黑龍江 大慶 163316）

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，團(tuán)聚體的大小、含量及其空間排列形式構(gòu)成了土壤結(jié)構(gòu)多樣性［1］。團(tuán)聚體的構(gòu)建不僅關(guān)系到土體中水分的流通、氣體的交換、能量的循環(huán)和營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)［2-3］，而且影響土壤微生物的活性及作物的生長(zhǎng)［4］。良好的土壤結(jié)構(gòu)能夠保水保肥，協(xié)調(diào)水肥管理，利于植物根系在土體中穿梭生長(zhǎng)。重度蘇打鹽堿土中由于高鹽離子濃度、低有機(jī)質(zhì)含量和較差微生物活性等因素的存在，對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重抑制［5］。提高土壤的有機(jī)質(zhì)，改善土壤的結(jié)構(gòu)是整治鹽堿土的關(guān)鍵之一［6］。有機(jī)碳物質(zhì)是土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)［7］。研究表明，施用高溫高壓處理的顆粒玉米秸稈有效改善原生鹽堿地水穩(wěn)性團(tuán)聚體形態(tài)［8］。施用污泥蚓糞顯著降低灘涂鹽堿地鹽分和pH，提高>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量［9］。施用生物質(zhì)炭顯著降低沿海圍墾區(qū)鹽漬土土壤容重，增加土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)［10］。施用黃腐酸使得濱海灘涂新墾輕中度鹽堿地土壤表層鹽分降低、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量增加且穩(wěn)定性增強(qiáng)［11］。風(fēng)化的褐煤中含有豐富的碳，緩慢釋放且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，是一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)碳源，為此，筆者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)探索風(fēng)化的褐煤施用下重度蘇打鹽堿土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的變化特征，以期為蘇打鹽堿地科學(xué)治理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤為大慶地區(qū)重度蘇打鹽堿土，有機(jī)質(zhì)含量11.4 g·kg-1，電導(dǎo)率1 350μS·cm-1，酸堿度11.3。褐煤為黑龍江省蘿北縣露天礦風(fēng)化的褐煤，有機(jī)質(zhì)含量675.8 g·kg-1，電導(dǎo)率85μS·cm-1，酸堿度5.88。

1.2 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)土壤和褐煤均研磨過(guò)2.00 mm篩子，二者混勻后裝入盆中（高25 cm、內(nèi)口徑30 cm，底部帶托盤），共設(shè)7個(gè)處理：褐煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)定為0%（CK，對(duì)照）、5%（C1）、10%（C2）、15%（C3）、20%（C4）、25%（C5）、30%（C6），各處理均重復(fù)3次，置于室內(nèi)陽(yáng)光充沛地方，隨機(jī)排列，每隔3 d向托盤中注入等量純凈水，分別在45、90、135 d時(shí)采集原狀土壤，自然風(fēng)干后過(guò)5.00 mm篩子，用于測(cè)定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布。

1.3 項(xiàng)目測(cè)定

運(yùn)用濕篩原理［12］測(cè)定土壤團(tuán)聚體（通常0.25 mm為大、微團(tuán)聚體分界線），在團(tuán)聚體分析儀（型號(hào)TTF-100）上操作：常溫下，將各級(jí)篩子（2.00、1.00、0.50、0.25 mm）由上至下依次套好，稱取自然風(fēng)干土壤50 g平鋪在2.00 mm篩子上，先放在蒸餾水里浸濕5 min（目的是去除團(tuán)聚體中閉塞的空氣，以免篩分時(shí)爆破），然后以振幅4 cm、頻率30次·min-1運(yùn)行速度在水中振蕩30 min，分離出>2.00、2.00~1.00、1.00~0.50、0.50~0.25、<0.25 mm的團(tuán)聚體（留在篩子上的直接沖至玻璃杯中，留在水中的需要沉降48 h后棄掉上清液再轉(zhuǎn)移至玻璃杯中），團(tuán)聚體置于鼓風(fēng)干燥箱中60℃烘干，稱重并計(jì)算出各級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量百分含量（W）的計(jì)算公式［13］為

平均重量直徑（MWD）的計(jì)算公式［14］為

幾何平均直徑（GMD）的計(jì)算公式［15］為：

式中，i表示團(tuán)聚體級(jí)別（>2.00、2.00~1.00、1.00~0.50、0.50~0.25、<0.25 mm）；Mi表示第i級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量（g）；MT表示所有團(tuán)聚體質(zhì)量總和（g）；r表示篩子的孔徑（r0=0.00 mm、r1=0.25 mm、r2=0.50 mm、r3=1.00 mm、r4=2.00 mm、r5=5.00 mm）；n表示團(tuán)聚體級(jí)別個(gè)數(shù)。

分形維數(shù)（D）的計(jì)算公式［16］為：

式中，M（r<）表示粒徑小于xi的團(tuán)聚體累積質(zhì)量（g）；表示某級(jí)團(tuán)聚體平均直徑（mm）表示最大級(jí)別團(tuán)聚體平均直徑（mm）。

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2016和SPSS 25.0軟件進(jìn)行整理與方差分析，運(yùn)用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行平均數(shù)的多重比較（P<0.05），利用OriginPro 2017軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布特征

不同處理土壤團(tuán)聚體組成的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1。在45、90、135 d時(shí)>2.00 mm團(tuán)聚體含量分別為0.58%~1.11%、1.51%~6.59%、17.12%~42.22%（其中，CK處理未形成>2.00 mm團(tuán)聚體）；2.00~1.00 mm團(tuán)聚體含量分別為0.25%~2.41%、1.16%~9.52%、0.30%~6.71%；1.00~0.50 mm團(tuán)聚體含量分別為0.66%~17.40%、1.06%~12.81%、0.49%~7.65%；0.50~0.25 mm團(tuán)聚體含量分別為1.95%~15.70%、2.98%~12.36%、1.84%~7.71%；<0.25 mm團(tuán)聚體含量分別為63.73%~97.14%、61.84%~94.80%、53.25%~97.37%?？梢?jiàn)，微團(tuán)聚體（<0.25 mm）含量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈減少的趨勢(shì)。

圖1 不同處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布Fig.1 Distribution of soil water-stable aggregates under different treatments

整體上，在同一時(shí)期內(nèi)，<0.25 mm團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為隨著褐煤施用量的增加呈減少的趨勢(shì)；0.50~0.25 mm團(tuán)聚體和1.00~0.50 mm團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為隨著褐煤施用量的增加呈增加的趨勢(shì)；2.00~1.00 mm團(tuán)聚體含量也表現(xiàn)為隨著褐煤施用量的增加呈增加的趨勢(shì)（但135 d時(shí)C4和C5處理比C3處理低）；>2.00 mm團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為隨著褐煤施用量的增加呈先增多后減少的趨勢(shì)，90 d時(shí)C3處理達(dá)到最大、45 d和135 d時(shí)C2處理達(dá)到最大?？梢?jiàn)，對(duì)于本地區(qū)重度蘇打鹽堿土，褐煤施用量為10%~15%時(shí)與土壤結(jié)合更有利于>2.00 mm團(tuán)聚體的重新構(gòu)建。

2.2 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性

2.2.1 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑

不同處理土壤團(tuán)聚體MWD的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2。45 d時(shí)為0.137~0.331 mm，順序?yàn)镃K

圖2 不同處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑Fig.2 Mean weight diameter of soil water-stable aggregates under different treatments

2.2.2 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的幾何平均直徑

不同處理土壤團(tuán)聚體GMD的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3。45 d時(shí)為0.130~0.221 mm，順序?yàn)镃K

圖3 不同處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的幾何平均直徑Fig.3 Geometric mean diameter of soil water-stable aggregates under different treatments

2.2.3 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分形維數(shù)

不同處理土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖4。45 d時(shí)為2.985~2.998，順序?yàn)镃K>C1>C3>C4>C2>C5>C6；90 d時(shí)為2.910~2.992，順序?yàn)镃K>C1>C2>C5>C4>C3>C6；135 d時(shí)為2.635~2.998，順序?yàn)镃K>C5>C1>C4>C6>C3>C2。除了CK處理，同一處理在不同時(shí)間上分形維數(shù)均表現(xiàn)為45 d>90 d>135 d。

圖4 不同處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分形維數(shù)Fig.4 Fractal dimensions of soil water-stable aggregates under different treatments

與對(duì)照CK處理相比，施用風(fēng)化的褐煤處理顯著提高了MWD和GMD、降低了分形維數(shù)；45 d和90 d時(shí)C6處理MWD和GMD最大、分形維數(shù)最??；135 d時(shí)C2處理MWD和GMD最大、分形維數(shù)最小。

3 討論與結(jié)論

我國(guó)北方重度蘇打鹽堿地治理困難，限制了當(dāng)?shù)貐^(qū)域農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展。重度蘇打鹽堿土性狀極端惡劣，質(zhì)地黏滯，透氣性和通氣性不好，土壤空間結(jié)構(gòu)十分差［17］，難以形成良好的土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)體。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，影響土壤的各種物理化學(xué)性質(zhì)，團(tuán)聚體的重新構(gòu)建始終處于動(dòng)態(tài)變化之中。本研究表明，土壤微團(tuán)聚體含量整體上隨著褐煤施用量的增加和時(shí)間的延長(zhǎng)呈減少的趨勢(shì)，這與前人的研究結(jié)果［18-19］相似，可能因?yàn)轱L(fēng)化的褐煤作為有效的碳源在構(gòu)建土壤團(tuán)聚體過(guò)程中起重要的膠結(jié)作用，致使細(xì)小的土壤礦物顆粒膠結(jié)成微團(tuán)聚體［20］，微團(tuán)聚體在植物根系和某些菌絲的糾纏作用下由小變大最終構(gòu)建成大團(tuán)聚體。MWD、GMD和分形維數(shù)是反映土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要參數(shù)［21］，且在表征過(guò)程中具有一致性［22］，MWD和GMD越大、分形維數(shù)越小，說(shuō)明土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，抗侵蝕能力越強(qiáng)［23］。施用風(fēng)化的褐煤提高了土壤MWD和GMD、降低了分形維數(shù)。在135 d時(shí)，各個(gè)處理之間C2處理中>2.00 mm團(tuán)聚體含量最多，MWD和GMD最大、分形維數(shù)最小，說(shuō)明微團(tuán)聚體在向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化的過(guò)程中>2.00 mm團(tuán)聚體的構(gòu)建較敏感地影響了MWD、GMD和分形維數(shù)。土壤團(tuán)聚體的構(gòu)建和穩(wěn)定是十分復(fù)雜的，相關(guān)研究指出，土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定離不開(kāi)膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用［24］以及與土壤微生物相互作用［25］的結(jié)果，筆者通過(guò)施用風(fēng)化的褐煤研究重度蘇打鹽堿土團(tuán)聚體的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)明顯得到改善，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤水穩(wěn)性微團(tuán)聚體明顯向大團(tuán)聚體聚集轉(zhuǎn)化，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。本研究中，對(duì)于本地區(qū)重度蘇打鹽堿土，風(fēng)化的褐煤施用量為10%~15%時(shí)更利于>2.00 mm團(tuán)聚體的重新構(gòu)建，然而風(fēng)化的褐煤在重度蘇打鹽堿土上作用的長(zhǎng)效穩(wěn)定機(jī)制還將有待進(jìn)一步研究。