鄭慶福 趙蘭坡

(內(nèi)蒙古民族大學，通遼，028000) (吉林農(nóng)業(yè)大學)

黏土礦物是生物和水與巖石的界面過渡帶，也是土壤形成的主要基質(zhì)，其礦物種類組成，會決定土壤基本特性。在不同利用方式下，土壤黏土礦物也會發(fā)生一定改變，進而影響土壤物理化學性質(zhì)，對土壤肥力培育具有重要意義。因此，在近些年關(guān)于土壤黏土礦物的研究中受極大重視。Barré［1］通過長期施鉀肥和黑麥草耗鉀試驗的研究，發(fā)現(xiàn)2∶1型黏土礦物的cg(在XRD圖譜中衍射角度(2-theta軸)3°～10°間的衍射峰角度的平均值)與鉀的施入具有顯著的相關(guān)性，并認為類伊利石層間礦物是鉀的存儲庫。Velde and Peck［2］在 1983年的實驗結(jié)果表明，在不施肥和持續(xù)的農(nóng)作條件下，因植物需鉀，導致I/S混層礦物中的蒙脫石的含量增加。Velde等［3］在研究自然草原發(fā)育的土壤剖面時，發(fā)現(xiàn)歷經(jīng)800 a發(fā)育的土壤表層以無序的伊利石I/S礦物為主，而在較深的部分則以蒙脫石 I/S礦物為主。Mathe［4］研究近期在局部環(huán)境條件下的自然拓荒地的土壤黏土礦物時，發(fā)現(xiàn)隨著土壤利用年齡的增加，綠泥石被移除，I/S中伊利石的含量增加。孫慶峰等人［5］研究認為土壤黏土礦物可以再短期內(nèi)發(fā)生變化。筆者在研究東北黑土不同利用方式下土壤黏土礦物組成研究發(fā)現(xiàn)荒地、旱田(大豆)、旱田(玉米)、水田利用的土壤礦物顆粒的風化依次增強，伊利石的含量和結(jié)晶度也依次降低。由此可見，土壤受人工環(huán)境的影響，土壤黏土礦物會發(fā)生一些變化，從而造成土壤性質(zhì)發(fā)生改變，這對于土壤改良具有積極的意義。白漿土是三江平原主要耕作土壤之一，在吉林、江蘇和四川省也有一定數(shù)量分布［6］，分布區(qū)域有著豐富的降水資源，但由于其酸性較強，作物無法正常生長。因此對白漿土的改良利用，對緩解我國緊張的耕地面積和旱災具有重要的意義。不同的改良利用方式也會對白漿土產(chǎn)生一定的影響，其中水田利用是白漿土一個重要的利用方式，同時這種方式還起到改良白漿土的作用。因此為了探明水旱利用對白漿土改良機制，我們研究了水旱利用對黏粒礦物組成的影響機制，以其揭示土壤黏粒礦物間的演化過程，為我國白漿土改良利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

供試土樣是典型酸性白漿土，采自于吉林市永吉縣，是吉林省典型白漿土區(qū)，該區(qū)多處在山區(qū)及半山區(qū)，地勢較高，氣候溫暖多雨，土壤淋溶作用較強，形成厚18～20 cm且滲水性差的白漿層，有機質(zhì)6.7 g/kg，養(yǎng)分含量適中;pH 值偏酸，一般在5.5～6.5，陽離子交換量為26.9 mol/kg，抗旱澇災害的能力差。主要利用方式是旱田和依靠永吉河河水灌溉來提高有效磷的水田改良利用，但由于水資源的缺乏，近幾年有把水田改為旱田利用。

試驗根據(jù)白漿土的利用狀況，選擇既有不同利用方式又可相對集中連片的地片進行試驗設(shè)計，分別為新開墾的旱田玉米利用1、2、3 a，水田30 a改旱田玉米利用 3 a，水田利用10、20、30、40 a，8 個處理。采取土樣方式：在設(shè)定處理的耕地里選擇6～8個點，采集耕層0～20 cm深的土壤，旱田用鐵鍬采集，水田用土鉆采集，將所采同一處理各點土壤混和，四分法留取土樣，借以減少土壤差異，然后裝袋后，里外各貼防水標簽，帶回實驗室進行室內(nèi)分析。

1.2 土壤理化性質(zhì)測定

有機質(zhì)的測定：采用重鉻酸鉀法—外加熱法;速效鉀的測定：采用醋酸銨溶液浸提—火焰光度法測定;pH值的測定：采用電位法;離子交換量測定：采用乙酸銨法。XRD衍射分析實驗方法參見文獻［7］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel2007進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，XRD圖譜利用MID jade6.5進行精修處理和面積積分，并計算分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 利用方式對酸性白漿土顆粒組成的影響

由表1可見，經(jīng)水旱利用后，＜0.002 mm的黏粒含量為：水田40 a＞水田30 a＞水田20 a＞水田10 a＞水田30 a改旱田3 a＞旱田3 a＞旱田2 a＞旱田1 a。0.002～0.02 mm 粉粒含量為：水田 40 a＞水田 30 a＞水田 20 a＞水田10 a，旱田方式利用 3 a＞2 a＞1 a，水田30 a改旱田3 a則較水田利用20 a的高，1～0.02 mm的細沙粒含量為水田40 a＜水田30 a＜水田20 a＜水田10 a＜水田30 a改旱田3 a＜旱田3 a＜旱田2 a＜旱田1 a，2～1 mm粗砂粒含量在不同利用方式下變化相對較小。以上說明旱田利用方式下，白漿土隨利用時間的增加，對細砂粒的風化強度增強，故其含量成降低趨勢，而細沙粒和黏粒含量則呈增加的趨勢;水田利用方式下，白漿土的土壤顆粒機械組成的變化趨勢與旱田利用方式一致，但其風化程度遠遠強于旱田利用方式;其中水田30 a改旱田3 a的白漿土顆粒機械組成表明水田利用改換為旱田，其對土壤風化強度減弱，土壤黏粒流失相對嚴重，因此其含量也低于水田利用30 a。這說明水旱利用均可以促進表層土壤顆粒分化，在一定程度上可改善表層土壤結(jié)構(gòu)，增強其保水保肥的緩沖能力，但水田利用方式雖然避免土壤旱澇問題，卻促進土壤黏粒淀積，使得土壤理化性質(zhì)惡化，不利于土壤改良。

表1 水旱利用對白漿土無機顆粒含量的影響

2.2 利用方式對酸性白漿土理化特征的影響

在不同利用方式下的土壤理化性質(zhì)不同。由表2可見，白漿土在旱田利用條件下，隨利用年限增加，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降低，有效N、P、K的質(zhì)量分數(shù)和陽離子交換量有所增加，pH值有所降低。在水田利用下，隨水田利用時間的增加，土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、有效鉀質(zhì)量分數(shù)增加，pH值降低，陽離子交換量有所增加。而水田利用后改為旱田利用后，積累的有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、有效鉀質(zhì)量分數(shù)迅速降低，而土壤pH值升高較快，陽離子交換量則保持較高水平，說明水田改旱田后，由于水份對土壤中離子的活化，使土壤組分保持較高的陽離子交換量，但那些活化離子的析出，形成了較多弱堿鹽，可使土壤pH值恢復較高水平。不過土壤有機質(zhì)在水田利用條件下，土粒與有機質(zhì)復合較弱，在旱田利用后較易因氧化被礦解掉，同時也導致堿解氮、有效磷、有效鉀質(zhì)量分數(shù)的降低。

表2 土壤利用方式及基本化學性質(zhì)

2.3 利用方式對酸性白漿土的黏土礦物演化的影響

從圖1的XRD分析可知，酸性白漿土的黏土礦物組成主要由蒙伊混層礦物(S/I)、伊利石(I)、蛭石(Ver)、和嶺石(Kao)礦物組成。在圖2的XRD分析中顯示，經(jīng)水田利用后，在K-550中的1.40 nm的衍射峰有微弱的增加而1.00 nm的衍射峰則有所降低，表明水田利用后，土壤酸性降低，有利于綠泥石的穩(wěn)定性增強，并隨利用時間增加而得到積累，但伊利石受到持續(xù)風化。水田30 a改為旱田利用3 a后，其礦物組成差異較小。在K-Air、Mg-Air和Mg-Gly中，1.40 nm和1.00 nm的衍射峰均相對增強，可見白漿土被水田利用后，蛭石和伊利石含量增加，水田改旱田后變化不大，說明酸性白漿土的黏土礦物的演化順序為云母類礦物→伊利石→蛭石和云母類礦物→綠泥石，并且處于脫鉀的階段，較旱田利用風化的更強烈罷了。在1.30～1.05 nm的衍射峰均隨利用時間增加降低，可見白漿土中的I/S混層礦物同樣也受到強烈的風化。

2.4 利用方式對酸性白漿土的黏土礦物演化的影響的XRD定量分析

為了更好地說明利用方式對白漿土黏土礦物組成特征的影響，對黏土礦物組成進行了半定量計算(見表3)。由表可見，隨著水田利用年限增加，白漿土黏土礦物中伊利石含量呈增加趨勢，其結(jié)晶度呈降低趨勢，伊利石化學指數(shù)均大于0.5，說明在水田利用條件下，白漿土處在強烈水解、淋溶風化狀態(tài)下;白漿土中的伊利石在形成一定量的同時，其結(jié)構(gòu)也受到強烈風化，結(jié)晶度降低。白漿土中的S/I混層礦物含量呈先增加后減少的趨勢，說明伊利石有可能轉(zhuǎn)化為S/I混層礦物，但蛭石含量和高嶺石含量與S/I混層礦物呈相反趨勢，則進一步證實了水田利用條件下，白漿土黏土礦物主要演化過程是由云母類礦物→伊利石→S/I混層礦物→蛭石→高嶺石演化，其中在水田利用40 a后的白漿土中的S/I混層礦物減少的原因，可能是演化其他黏土礦物。白漿土中的綠泥石含量隨著利用年限增加呈增加趨勢，主要是土壤中大量的鋁離子游離，形成的水鋁片結(jié)構(gòu)嵌入高度水化的蒙脫石和蛭石層間，形成了綠泥石化活羥基化類綠泥石礦物，這可能也是蛭石含量減少和水田利用40 a后的S/I混層礦物減少的原因(圖2)。

圖1 白漿土的黏土礦物組成XRD分析

表3 利用方式對土壤黏土礦物組成的影響

在旱田利用方面，從水田利用30 a改旱田3 a的結(jié)果看，土壤伊利石的含量明顯增加，而S/I混層礦物、蛭石和綠泥石含量減少，高嶺石含量增加，伊利石化學指數(shù)降低，白漿土有水解淋溶風化轉(zhuǎn)入物理風化階段，土壤的風化程度減弱，以形成伊利石為主。從對白漿土新開墾利用的旱田看，伊利石含量較水田利用的增加，蛭石含量較高，綠泥石化相對較少，高嶺石含量較高，主要為蒙脫石風化的結(jié)果。

圖2 不同利用方式下酸性白漿土的黏土礦物XRD圖譜

3 結(jié)論與討論

不同的土壤類型，是在不同的環(huán)境條件下形成，其黏土礦物組成也有其獨有演化和組成特征。而利用方式也只能在小尺度上改變土壤黏土礦物組成。在本研究中，發(fā)現(xiàn)旱田利用方式白漿土黏土礦物的風化程度相對較弱，處于物理風化階段，黏土礦物演化過程主要為云母類礦物→伊利石和S/I混層礦物→蛭石和高嶺石演化;而水田利用方式風化程度很強，處于化學淋溶風化階段，隨著利用時間的增加，白漿土中黏土礦物演化過程主要為云母類礦物→伊利石→S/I混層礦物和蛭石→綠泥石演化。這與趙蘭坡［8］研究的結(jié)果一致，只是較旱田利用風化的更強烈罷了。

土壤水田利用導致土壤鋁離子的溶出，就會形成水鋁片在淹水層游離，隨著農(nóng)田淹水期的變化，導致水鋁片在層間距較大的蒙脫石和蛭石嵌入，形成類羥基化的“綠泥石化”礦物，在本實驗中，白漿土水田利用隨利用年限增加，土壤中含有類羥基化的“綠泥石化”礦物增加，說明水田利用有利于這一類礦物的形成，這與熊毅等人［9］研究結(jié)果接近，與三枝正彥［10］對日本水田土壤黏土礦物蛭石綠泥石化研究結(jié)果一致。

利用方式是改良土壤的有效方式。本研究中，旱田利用對于酸性白漿土可以起到緩解土壤較強地淋溶風化，避免土壤養(yǎng)分過分流失，還抑制了土壤pH值的下降。若能合理利用當?shù)厮Y源，也可滿足白漿土水分供應的不足。水田利用雖然利用了當?shù)氐乃Y源，但對土壤結(jié)構(gòu)和黏土礦物組成影響較大，是土壤性質(zhì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)性惡化，并從本質(zhì)上的影響也不同于鹽堿土改良方式。

水田利用可促進鹽堿土的土壤風化程度強，影響?zhàn)ね恋V物的黏土礦物演變過程，使黑云母→伊利石和S/I混層礦物→蛭石→高嶺石演化，有強烈的脫鉀過程，伊利石結(jié)晶度極顯著降低。經(jīng)水田利用后，可有效降低土壤pH值，提高有效鉀和有機質(zhì)含量;而旱田利用效果相對較差。若通過水田利用改良后再進行旱田利用，不僅提高水分利用率，而且能保證作物生產(chǎn)。

［1］BarréP，Velde B，Catel N，et al.Soil-plant potassium transfer：impact of plant activity on clay minerals as seen from X-ray diffraction［J］.Plant Soil，2007，292：137-146.

［2］Velde B，Peck T.Clay mineral changes in the morrow experimental plots［J］.Clays and Clay Minerals，2002，50(3)：364-370.

［3］Velde B，GofféB，Hoellard A.Evolution of clay minerals in a chrono sequence of poldered sediments under the infiuence of a natural pasture development［J］.Clays and Clay Minerals，2003，51(2)：205-217.

［4］Mathe V，Meunier A，Leveque F.Anthropic acceleration of a natural clay mineral reaction in marshland soils［J］.Clay Minerals，2007，42：1-12.

［5］孫慶峰，陳發(fā)虎，Christophe Colin，等.黏土礦物在氣候環(huán)境變化研究中的應用進展［J］.礦物學報，2011，31(1)：146-152.

［6］賈會彬，劉峰，趙德林，等.潛育白漿土硅酸鹽黏土礦物組成［J］.土壤通報，1995，26(4)：162-164.

［7］鄭慶福，趙蘭坡，馮君，等.利用方式對東北黑土黏土礦物組成的影響［J］.礦物學報，2011，31(1)：139-145.

［8］趙蘭坡，井上克弘，吉田德.吉林省主要耕作土壤的黏粒礦物組成［J］.土壤學報，1993，30(3)：267-272.

［9］熊毅.土壤膠體Ⅰ［M］.北京：科學出版社，1983：107-111.

［10］三枝正彥.Clay mineral composition of lowland soils in relation to the river system［J］.Masahiko Saigusa，1979，23(1)：11-22.