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。土壤團聚體形成過程復(fù)雜，其形成、穩(wěn)定和破壞過程是土壤粘結(jié)劑和分散劑等因素共同驅(qū)動的過程[1-2]。土壤有機質(zhì)作為土壤中的粘結(jié)物質(zhì)，通過直接改造、物理纏繞或者改變土壤疏水性等機制促進土壤團聚結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定[3-4]。團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，破壞土壤團聚結(jié)構(gòu)[2]。土壤團聚結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化又反饋控制土壤有機質(zhì)粘結(jié)性和交換性鈉分散能力，使得土壤有機質(zhì)-團聚結(jié)構(gòu)-交換性鈉的動態(tài)變化之間存在耦合作用[2,5]，這個過程受土壤類型等因素影響。

土壤團聚結(jié)構(gòu)形成過程是土壤粘結(jié)劑粘結(jié)團聚過程和團聚體破壞過程平衡的結(jié)果。以往研究主要關(guān)注土壤有機質(zhì)的粘結(jié)團聚作用，忽略了交換性鈉作為分散劑對團聚體破壞過程的影響，理解這2個相互作用過程是探討土壤團聚結(jié)構(gòu)演變機制的基礎(chǔ)[6-11]。目前國內(nèi)外對土壤團聚體形成機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、耕作等因素團聚體演化。劉哲等[12]在長期不同耕作方式下對團聚體形成特征的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)有機肥處理后的土壤大團聚體含量明顯增加，團聚體穩(wěn)定性也增強；有機質(zhì)含量與＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體所占比例越大，土壤穩(wěn)定性越強。郭子春等[13-14]在研究動物糞便對土壤聚集的影響時發(fā)現(xiàn)動物糞便長期應(yīng)用增加生物合成劑，但并未改變土壤團聚程度；而稻草由于沒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煌寥罆r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10個典型地帶性土壤，將土壤水穩(wěn)性團聚體、粘結(jié)劑有機質(zhì)和分散劑交換性鈉三者融為一體，從粘結(jié)劑有機質(zhì)和分散劑交換性鈉角度揭示土壤團聚體穩(wěn)定機制，以期為土壤團聚體穩(wěn)定機制深入研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗采樣

依據(jù)中國地帶性農(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?？诘拇u紅壤，河南封丘的潮土。采樣點見圖1。試驗于2020年7—10月進行。

圖1 土壤采樣點分布圖

1.2 試驗方法

土壤水穩(wěn)性團聚體篩分：將風(fēng)干后的土樣稱取50.00 g于250 mL三角瓶，用蒸餾水沿三角瓶內(nèi)壁浸潤糊化，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，篩分時間10 min。將各粒徑團聚體轉(zhuǎn)移至已稱重的燒杯中，50℃烘干稱重。

土壤有機質(zhì)的測定：采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法。

交換性鈉的測定：采用乙酸銨-火焰光度計法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤團聚體穩(wěn)定性評價指標(biāo)，采用平均重量直徑(MWD)，MWD越大，土壤結(jié)構(gòu)性越好，計算公式如式(1)所示[15]。

式中，MWD為團聚體平均重量直徑(mm)，di為每個粒級團聚體的平均直徑。

1.4 數(shù)據(jù)處理

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

2 結(jié)果與分析

2.1 團聚體粒級分布及平均重量直徑

不同土壤類型團聚體粒級分布差異較大，見表1。磚紅壤＞0.25 mm粒級團聚體所占質(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粒級團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粒級團聚體無顯著差異。導(dǎo)致＞0.25 mm粒級團聚體存在差異的主要是＞2 mm和0.5～1 mm 2個粒級團聚體，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顯著差異。粒徑＞2 mm的團聚體是平均重量直徑產(chǎn)生差異的最主要粒級，如磚紅壤、紅壤、黑土、暗棕壤、黃棕壤和紫色土粒徑＞2 mm團聚體均超過10%，相對應(yīng)的平均重量直徑較大，而未超過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 不同土壤團聚體粒級組成及平均重量直徑

2.2 不同粒級團聚體有機質(zhì)含量

圖2是各土壤全土及各粒級團聚體的有機質(zhì)含量，不同類型土壤之間有機質(zhì)差異較大。10種土壤全土有機質(zhì)含量順序為：黑土＞磚紅壤＞紫色土＞栗鈣土＞風(fēng)沙土＞紅壤＞暗棕壤＞黃棕壤＞黃綿土＞潮土。黑土有機質(zhì)含量最高為46.06 g/kg，是有機質(zhì)含量最低潮土的5.25倍。磚紅壤和紫色土有機質(zhì)含量分別位列第二和第三位，有機質(zhì)含量分別為39.09 g/kg和23.05 g/kg。不同類型土壤的團聚體各粒級有機質(zhì)含量差異較大，主要表現(xiàn)在＞2 mm和＜0.053 mm粒徑團聚體中。各粒級水穩(wěn)性團聚體中有機質(zhì)含量與全土相似，黑土各個粒級團聚體有機質(zhì)含量均最大，為45.10～61.05 g/kg，顯著高于其他土壤同粒級團聚體有機質(zhì)含量。各土壤粒徑＞2 mm團聚體中有機質(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質(zhì)含量。1～2 mm粒徑團聚體中黑土有機質(zhì)含量最高為57.84 g/kg，是含量最低潮土有機質(zhì)的5.15倍。粒徑＜0.053 mm團聚體有機質(zhì)的變化趨勢與全土變化趨勢差異較大，潮土、紅壤、黃綿土有機質(zhì)含量之間無顯著差異，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

交換性鈉是土壤團聚化過程中的主要分散劑，它的含量直接影響土壤團聚體的形成。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 有機質(zhì)、交換性鈉與團聚體的相關(guān)性

由圖4可知，土壤有機質(zhì)作為團聚化過程中主要粘結(jié)劑與團聚體平均重量直徑呈顯著正相關(guān)(y=0.010x+0.418，r=0.615)，說明有機質(zhì)含量越多，團聚體穩(wěn)定性越強，土壤有機質(zhì)每增加一個單位，平均重量直徑就會增加0.010 mm。土壤交換性鈉作為團聚化中的分散劑與團聚體平均重量直徑呈顯著負(fù)相關(guān)(y=-0.001x+0.741，r=-0.391)，說明交換性鈉含量越高，團聚體穩(wěn)定性越低，每增加一個單位的交換性鈉，平均重量直徑就會降低0.001 mm。這說明了土壤團聚程度是團聚過程和分散過程動態(tài)平衡的結(jié)果。有機質(zhì)和交換性鈉含量都消長一個單位，對團聚體平均重量直徑作用結(jié)果相差10倍，有機質(zhì)團聚化作用的正效應(yīng)強于交換性鈉對團聚體破壞的負(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團聚體有機質(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個粒級團聚體中，0.053～0.25 mm粒級團聚體有機質(zhì)增加對平均重量直徑影響最大，有機質(zhì)每變化一個單位，平均重量直徑變化0.007 mm，0.25～0.5 mm粒級次之為0.006 mm，最小的為＞2、1～2、＜0.053 mm的團聚體，3個粒級變化都為0.005 mm。

圖4 交換性鈉、有機質(zhì)與平均重量直徑的相關(guān)性

圖5 不同粒級有機質(zhì)與平均重量直徑的相關(guān)性

3 結(jié)論

土壤團聚體形成過程復(fù)雜，粘結(jié)劑團聚化過程和分散劑的破壞作用共同驅(qū)動團聚體穩(wěn)定性。與砂粒含量較高的潮土相比，磚紅壤、黑土所含有機質(zhì)更多，交換性鈉更少，受有機質(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，磚紅壤和黑土的團聚體穩(wěn)定性顯著高于潮土。交換性鈉含量與團聚體穩(wěn)定性呈顯著負(fù)相關(guān)；有機質(zhì)含量與團聚體穩(wěn)定性呈顯著正相關(guān)，在粒徑為0.053～0.25 mm有機質(zhì)與團聚體穩(wěn)定性的正相關(guān)系數(shù)最大，顯著性更佳。綜上，土壤團聚體的穩(wěn)定是由粘結(jié)劑有機質(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肥時，要充分考慮有機肥帶入鈉量，以降低施用有機肥對土壤團聚化的破壞副作用，顯著提高土壤肥力及土壤團聚體穩(wěn)定性。

4 討論

4.1 土壤團聚體特征

土壤團聚體的分布對土壤性質(zhì)和肥力具有重要影響。本試驗的10種類型土壤團聚體分布差異較大，其中磚紅壤粒徑＞0.25 mm的大團聚體占比最高為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團聚體含量最少，僅占18.65%；黑土大團聚體占比次之，為76.13%，以粒徑為0.5～1 mm和0.25～0.5 mm團聚體為主，占大團聚體的75.34%。苑亞茹等[16]的研究顯示，在黑土區(qū)草地土壤大團聚體達77%，且農(nóng)田和裸地各粒級團聚體趨勢與之一致。這主要是由于黑土團聚結(jié)構(gòu)以大團聚體為主，且多為2:1型黏土礦物，其外表面可吸附有機質(zhì)，層間靠較弱的范德華力結(jié)合，有機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質(zhì)[16-17]。潮土和黃綿土的大團聚體占比小于50%，以0.25～0.5 mm和0.5～1 mm粒徑團聚體為主，占大團聚體的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：扛摺⒔Y(jié)構(gòu)較差[19]，團聚結(jié)構(gòu)也容易崩解，因此潮土團聚結(jié)構(gòu)中大團聚體不易形成。綜上，不同地帶土壤由于母質(zhì)及環(huán)境條件不同，土壤團聚體分布具有明顯差異。平均重量直徑的大小表征土壤團聚度的高低[18]，在本研究中，團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)大團聚體含量越多，土壤團聚程度越高。黃綿土平均重量直徑只有0.38 mm，團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，團聚化程度較低。

4.2 土壤團聚體形成的穩(wěn)定機制

土壤團聚體形成是土壤重要的過程，近年來提出了許多機制和假設(shè)，雖然過程和機制不同，但是一致認(rèn)為有機質(zhì)和交換性鈉對土壤團聚體形成具有重要作用[6]。本研究結(jié)果表明，土壤有機質(zhì)含量與團聚體穩(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)團聚體穩(wěn)定性與有機質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系相一致。土壤有機質(zhì)是土壤團聚體形成過程中重要的粘結(jié)物質(zhì)，是團聚體形成的主要粘結(jié)劑，維持團聚結(jié)構(gòu)，而團聚體對土壤有機質(zhì)也具有保護作用，二者相輔相成，密不可分[8]。另外，土壤有機質(zhì)通過多價陽離子與土壤礦物顆粒形成有機-無機復(fù)合體，進一步增加土壤團聚化過程[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)致團聚體破壞。前人研究也發(fā)現(xiàn)交換性鈉在土壤團聚化過程中主要起到破壞作用，是高強度的分散劑[23]。根據(jù)圖4結(jié)果，增加相同單位的有機質(zhì)和交換性鈉，有機質(zhì)對團聚體的穩(wěn)定效果是交換性鈉對團聚體破壞效果的10倍，即有機質(zhì)對土壤團聚體的穩(wěn)定效果更強。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)劑的有機質(zhì)在黑土中含量為 46.06 g/kg高于潮土有機質(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)劑有機質(zhì)與分散劑交換性鈉相互制衡，共同影響土壤團聚體的穩(wěn)定性，且有機質(zhì)作用效果強于交換性鈉。