不同類型土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定機(jī)制的研究

余 潔，苗淑杰，喬云發(fā)

（南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044）

0 引言

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，影響土壤水分養(yǎng)分保持及供應(yīng)調(diào)控能力。土壤團(tuán)聚體形成過(guò)程復(fù)雜，其形成、穩(wěn)定和破壞過(guò)程是土壤粘結(jié)劑和分散劑等因素共同驅(qū)動(dòng)的過(guò)程[1-2]。土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤中的粘結(jié)物質(zhì)，通過(guò)直接改造、物理纏繞或者改變土壤疏水性等機(jī)制促進(jìn)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定[3-4]。團(tuán)聚體分散主要取決于土壤堿化度，交換性鈉直接決定土壤堿化度，鈉離子水合半徑大,使膠粒間引力減弱，破壞土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)[2]。土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化又反饋控制土壤有機(jī)質(zhì)粘結(jié)性和交換性鈉分散能力，使得土壤有機(jī)質(zhì)-團(tuán)聚結(jié)構(gòu)-交換性鈉的動(dòng)態(tài)變化之間存在耦合作用[2,5]，這個(gè)過(guò)程受土壤類型等因素影響。

土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)形成過(guò)程是土壤粘結(jié)劑粘結(jié)團(tuán)聚過(guò)程和團(tuán)聚體破壞過(guò)程平衡的結(jié)果。以往研究主要關(guān)注土壤有機(jī)質(zhì)的粘結(jié)團(tuán)聚作用，忽略了交換性鈉作為分散劑對(duì)團(tuán)聚體破壞過(guò)程的影響，理解這2個(gè)相互作用過(guò)程是探討土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)演變機(jī)制的基礎(chǔ)[6-11]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤團(tuán)聚體形成機(jī)制和影響因素的研究，大多是基于區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)，在氣候、母質(zhì)、地形和開墾歷史等因素各向同性的條件下的施肥、耕作等因素團(tuán)聚體演化。劉哲等[12]在長(zhǎng)期不同耕作方式下對(duì)團(tuán)聚體形成特征的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥處理后的土壤大團(tuán)聚體含量明顯增加，團(tuán)聚體穩(wěn)定性也增強(qiáng)；有機(jī)質(zhì)含量與＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例越大，土壤穩(wěn)定性越強(qiáng)。郭子春等[13-14]在研究動(dòng)物糞便對(duì)土壤聚集的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)物糞便長(zhǎng)期應(yīng)用增加生物合成劑，但并未改變土壤團(tuán)聚程度；而稻草由于沒(méi)有增加分散劑交換性鈉的含量，不僅改善了土壤聚集也增加了生物結(jié)合劑?；谥袊?guó)不同土壤時(shí)空跨度較大，土壤之間地形地貌、母質(zhì)、氣候、水文、植被等條件不同，形成的土壤類型較多。選取全國(guó)10個(gè)典型地帶性土壤，將土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體、粘結(jié)劑有機(jī)質(zhì)和分散劑交換性鈉三者融為一體，從粘結(jié)劑有機(jī)質(zhì)和分散劑交換性鈉角度揭示土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定機(jī)制，以期為土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定機(jī)制深入研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)采樣

依據(jù)中國(guó)地帶性農(nóng)業(yè)土壤類型分布特征，從中選取具有代表性的10種典型地帶性土壤，分別為采自江西鷹潭的紅壤，遼寧沈陽(yáng)的暗棕壤，四川鹽亭的紫色土，新疆伊犁的栗鈣土，陜西富平的黃綿土，內(nèi)蒙古通遼的風(fēng)沙土，江蘇南京的黃棕壤，黑龍江海倫的黑土，海南海口的磚紅壤，河南封丘的潮土。采樣點(diǎn)見圖1。試驗(yàn)于2020年7—10月進(jìn)行。

圖1 土壤采樣點(diǎn)分布圖

1.2 試驗(yàn)方法

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體篩分：將風(fēng)干后的土樣稱取50.00 g于250 mL三角瓶，用蒸餾水沿三角瓶?jī)?nèi)壁浸潤(rùn)糊化，糊化5 min后，平穩(wěn)轉(zhuǎn)移到自上而下孔徑分別為2、1、0.5、0.25、0.053 mm套篩上層，篩分頻率30次/min，篩分時(shí)間10 min。將各粒徑團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移至已稱重的燒杯中，50℃烘干稱重。

土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定：采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法。

交換性鈉的測(cè)定：采用乙酸銨-火焰光度計(jì)法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用平均重量直徑(MWD)，MWD越大，土壤結(jié)構(gòu)性越好，計(jì)算公式如式(1)所示[15]。

式中，MWD為團(tuán)聚體平均重量直徑(mm)，di為每個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，采用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較，3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 團(tuán)聚體粒級(jí)分布及平均重量直徑

不同土壤類型團(tuán)聚體粒級(jí)分布差異較大，見表1。磚紅壤＞0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體所占質(zhì)量比顯著高于其他土壤，為86.77%，黑土和紅壤次之，分別為76.13%和75.21%，黑土與紅壤之間差異不顯著。栗鈣土＞0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體占比顯著高于潮土和黃綿土，為47.19%，比潮土和黃綿土分別高出10.13%和7.99%。風(fēng)沙土和暗棕壤之間＞0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體無(wú)顯著差異。導(dǎo)致＞0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體存在差異的主要是＞2 mm和0.5～1 mm 2個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體，差異范圍分別在61.46%～425.96%和21.81%～401.32%。磚紅壤的平均重量直徑顯著高于其他土壤，為1.02 mm，是最低平均重量直徑黃綿土的2.68倍；其次是紅壤，為0.80 mm，比黑土和紫色土分別高12.68%和17.65%；風(fēng)沙土、潮土和栗鈣土之間無(wú)顯著差異。粒徑＞2 mm的團(tuán)聚體是平均重量直徑產(chǎn)生差異的最主要粒級(jí)，如磚紅壤、紅壤、黑土、暗棕壤、黃棕壤和紫色土粒徑＞2 mm團(tuán)聚體均超過(guò)10%，相對(duì)應(yīng)的平均重量直徑較大，而未超過(guò)10%的風(fēng)沙土、潮土、黃綿土和栗鈣土的平均重量直徑都較小。

表1 不同土壤團(tuán)聚體粒級(jí)組成及平均重量直徑

2.2 不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量

圖2是各土壤全土及各粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)質(zhì)含量，不同類型土壤之間有機(jī)質(zhì)差異較大。10種土壤全土有機(jī)質(zhì)含量順序?yàn)椋汉谕粒敬u紅壤＞紫色土＞栗鈣土＞風(fēng)沙土＞紅壤＞暗棕壤＞黃棕壤＞黃綿土＞潮土。黑土有機(jī)質(zhì)含量最高為46.06 g/kg，是有機(jī)質(zhì)含量最低潮土的5.25倍。磚紅壤和紫色土有機(jī)質(zhì)含量分別位列第二和第三位，有機(jī)質(zhì)含量分別為39.09 g/kg和23.05 g/kg。不同類型土壤的團(tuán)聚體各粒級(jí)有機(jī)質(zhì)含量差異較大，主要表現(xiàn)在＞2 mm和＜0.053 mm粒徑團(tuán)聚體中。各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)含量與全土相似，黑土各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量均最大，為45.10～61.05 g/kg，顯著高于其他土壤同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量。各土壤粒徑＞2 mm團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)含量前四位的為黑土、磚紅壤、栗鈣土、紫色土，分別為61.05、34.62、26.33、21.28 g/kg，4個(gè)類型土壤之間均存在顯著差異，顯著大于其余六種土壤有機(jī)質(zhì)含量。1～2 mm粒徑團(tuán)聚體中黑土有機(jī)質(zhì)含量最高為57.84 g/kg，是含量最低潮土有機(jī)質(zhì)的5.15倍。粒徑＜0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)與全土變化趨勢(shì)差異較大，潮土、紅壤、黃綿土有機(jī)質(zhì)含量之間無(wú)顯著差異，其余土壤間均存在顯著差異。

圖2 不同土壤類型有機(jī)質(zhì)含量

2.3 不同類型土壤交換性鈉含量

交換性鈉是土壤團(tuán)聚化過(guò)程中的主要分散劑，它的含量直接影響土壤團(tuán)聚體的形成。由圖3可知，交換性鈉受土壤類型影響很大。栗鈣土交換性鈉含量顯著高于其他土壤，為234.48 mg/kg，是潮土的1.33倍，風(fēng)沙土的4.35倍；潮土交換性鈉含量次之，為177.08 mg/kg。黃綿土交換性鈉含量為98.78 mg/kg，顯著低于栗鈣土和潮土，顯著高于黑土和風(fēng)沙土，分別高于黑土和風(fēng)沙土73.68%、83.33%。黃綿土、黃棕壤、暗棕壤、紅壤、磚紅壤、紫色土這6種土壤之間交換性鈉含量差異不顯著，介于63.90～98.78 mg/kg之間。

圖3 不同土壤類型交換性鈉含量

2.4 有機(jī)質(zhì)、交換性鈉與團(tuán)聚體的相關(guān)性

由圖4可知，土壤有機(jī)質(zhì)作為團(tuán)聚化過(guò)程中主要粘結(jié)劑與團(tuán)聚體平均重量直徑呈顯著正相關(guān)(y=0.010x+0.418，r=0.615)，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)含量越多，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)每增加一個(gè)單位，平均重量直徑就會(huì)增加0.010 mm。土壤交換性鈉作為團(tuán)聚化中的分散劑與團(tuán)聚體平均重量直徑呈顯著負(fù)相關(guān)(y=-0.001x+0.741，r=-0.391)，說(shuō)明交換性鈉含量越高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越低，每增加一個(gè)單位的交換性鈉，平均重量直徑就會(huì)降低0.001 mm。這說(shuō)明了土壤團(tuán)聚程度是團(tuán)聚過(guò)程和分散過(guò)程動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。有機(jī)質(zhì)和交換性鈉含量都消長(zhǎng)一個(gè)單位，對(duì)團(tuán)聚體平均重量直徑作用結(jié)果相差10倍，有機(jī)質(zhì)團(tuán)聚化作用的正效應(yīng)強(qiáng)于交換性鈉對(duì)團(tuán)聚體破壞的負(fù)效應(yīng)。從圖5可知，在粒徑＞2、1～2、0.25～0.5、0.053～0.25、＜0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量與平均重量直徑均存在顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為0.369、0.370、0.445、0.478、0.363。在這5個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體中，0.053～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)增加對(duì)平均重量直徑影響最大，有機(jī)質(zhì)每變化一個(gè)單位，平均重量直徑變化0.007 mm，0.25～0.5 mm粒級(jí)次之為0.006 mm，最小的為＞2、1～2、＜0.053 mm的團(tuán)聚體，3個(gè)粒級(jí)變化都為0.005 mm。

圖4 交換性鈉、有機(jī)質(zhì)與平均重量直徑的相關(guān)性

圖5 不同粒級(jí)有機(jī)質(zhì)與平均重量直徑的相關(guān)性

3 結(jié)論

土壤團(tuán)聚體形成過(guò)程復(fù)雜，粘結(jié)劑團(tuán)聚化過(guò)程和分散劑的破壞作用共同驅(qū)動(dòng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性。與砂粒含量較高的潮土相比，磚紅壤、黑土所含有機(jī)質(zhì)更多，交換性鈉更少，受有機(jī)質(zhì)的內(nèi)聚力穩(wěn)定作用和交換性鈉的分散作用的綜合影響，磚紅壤和黑土的團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于潮土。交換性鈉含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈顯著負(fù)相關(guān)；有機(jī)質(zhì)含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈顯著正相關(guān)，在粒徑為0.053～0.25 mm有機(jī)質(zhì)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的正相關(guān)系數(shù)最大，顯著性更佳。綜上，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定是由粘結(jié)劑有機(jī)質(zhì)和分散劑交換性鈉共同作用平衡的結(jié)果。在潮土、黃綿土和栗鈣土施用有機(jī)肥時(shí)，要充分考慮有機(jī)肥帶入鈉量，以降低施用有機(jī)肥對(duì)土壤團(tuán)聚化的破壞副作用，顯著提高土壤肥力及土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

4 討論

4.1 土壤團(tuán)聚體特征

土壤團(tuán)聚體的分布對(duì)土壤性質(zhì)和肥力具有重要影響。本試驗(yàn)的10種類型土壤團(tuán)聚體分布差異較大，其中磚紅壤粒徑＞0.25 mm的大團(tuán)聚體占比最高為86.77%，以粒徑＞2 mm和0.5～1 mm為主，占比分別為28.49%和28.70%，1～2 mm團(tuán)聚體含量最少，僅占18.65%；黑土大團(tuán)聚體占比次之，為76.13%，以粒徑為0.5～1 mm和0.25～0.5 mm團(tuán)聚體為主，占大團(tuán)聚體的75.34%。苑亞茹等[16]的研究顯示，在黑土區(qū)草地土壤大團(tuán)聚體達(dá)77%，且農(nóng)田和裸地各粒級(jí)團(tuán)聚體趨勢(shì)與之一致。這主要是由于黑土團(tuán)聚結(jié)構(gòu)以大團(tuán)聚體為主，且多為2:1型黏土礦物，其外表面可吸附有機(jī)質(zhì)，層間靠較弱的范德華力結(jié)合，有機(jī)分子更容易克服范氏力而侵入層間，因此黑土能夠更好的吸附有機(jī)質(zhì)[16-17]。潮土和黃綿土的大團(tuán)聚體占比小于50%，以0.25～0.5 mm和0.5～1 mm粒徑團(tuán)聚體為主，占大團(tuán)聚體的69.03%。這與馬征等[18]的研究結(jié)果一致。由于當(dāng)?shù)爻蓖辽傲：扛?、結(jié)構(gòu)較差[19]，團(tuán)聚結(jié)構(gòu)也容易崩解，因此潮土團(tuán)聚結(jié)構(gòu)中大團(tuán)聚體不易形成。綜上，不同地帶土壤由于母質(zhì)及環(huán)境條件不同，土壤團(tuán)聚體分布具有明顯差異。平均重量直徑的大小表征土壤團(tuán)聚度的高低[18]，在本研究中，團(tuán)聚化程度居于前三的是磚紅壤、紅壤、黑土，平均重量直徑顯著高于其他土壤，分別為1.02、0.80、0.71 mm。在王小紅等[20]的研究中發(fā)現(xiàn)大團(tuán)聚體含量越多，土壤團(tuán)聚程度越高。黃綿土平均重量直徑只有0.38 mm，團(tuán)聚程度較低的原因是黃綿土所處地區(qū)極易受到侵蝕，較其他地區(qū)水土流失現(xiàn)象更嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境更脆弱[21]，因此土壤結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重，團(tuán)聚化程度較低。

4.2 土壤團(tuán)聚體形成的穩(wěn)定機(jī)制

土壤團(tuán)聚體形成是土壤重要的過(guò)程，近年來(lái)提出了許多機(jī)制和假設(shè)，雖然過(guò)程和機(jī)制不同，但是一致認(rèn)為有機(jī)質(zhì)和交換性鈉對(duì)土壤團(tuán)聚體形成具有重要作用[6]。本研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈顯著正相關(guān)（r=0.615，圖4），這與馬征[18]、李江濤等[22]也發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體穩(wěn)定性與有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系相一致。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體形成過(guò)程中重要的粘結(jié)物質(zhì)，是團(tuán)聚體形成的主要粘結(jié)劑，維持團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，而團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)也具有保護(hù)作用，二者相輔相成，密不可分[8]。另外，土壤有機(jī)質(zhì)通過(guò)多價(jià)陽(yáng)離子與土壤礦物顆粒形成有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體，進(jìn)一步增加土壤團(tuán)聚化過(guò)程[4]。交換性鈉與土壤穩(wěn)定性呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.391，圖4），這主要是由于土壤濕潤(rùn)后，鈉離子水合半徑大，使膠粒間距離增大，引力減弱，導(dǎo)致團(tuán)聚體破壞。前人研究也發(fā)現(xiàn)交換性鈉在土壤團(tuán)聚化過(guò)程中主要起到破壞作用，是高強(qiáng)度的分散劑[23]。根據(jù)圖4結(jié)果，增加相同單位的有機(jī)質(zhì)和交換性鈉，有機(jī)質(zhì)對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)定效果是交換性鈉對(duì)團(tuán)聚體破壞效果的10倍，即有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定效果更強(qiáng)。本研究中，黑土穩(wěn)定性平均重量直徑高于潮土（表1），這主要是由于作為粘結(jié)劑的有機(jī)質(zhì)在黑土中含量為 46.06 g/kg高于潮土有機(jī)質(zhì)含量8.61 g/kg，而分散劑交換性鈉黑土(57.25 mg/kg)低于潮土(177.08 mg/kg)。綜上所述，粘結(jié)劑有機(jī)質(zhì)與分散劑交換性鈉相互制衡，共同影響土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，且有機(jī)質(zhì)作用效果強(qiáng)于交換性鈉。