湿筛过程中分散液的质量对土壤团聚体稳定性的影响

徐 爽， 王益权

(西北农林科技大学资源环境学院， 陕西杨凌 712100)

团聚体稳定性是土壤质量的重要指标之一，它是指抵抗各种外力作用或外部环境变化，保持原有形态及功能的能力。团聚体稳定性受到土壤本身颗粒组成、 矿物类型、 胶结物质类型等的影响，也受环境变化、 生物活动以及人为管理等诸多外部因素的影响。土壤有机碳(SOC)、 生物体(植物根系、 真菌菌丝和细菌等)、 阳离子键桥、 粘粒和无机氧化物及碳酸盐含量等作为胶结剂是左右团聚体稳定性的直接因素[1]。胶结剂数量与类型不同，对环境因素以及其它外加物质的反应不同，使得团聚体的稳定性差异很大。有机质是我国东北黑土地区土壤团聚体的主要胶结剂，也是制约团聚体稳定性的主要决定因素之一，其含量的降低会使直径较大的水稳性团聚体质量分数随之下降[2-3]。关于黑土团聚体稳定性已经有众多学者进行了卓有成效的研究，史奕等[4]研究了不同培肥模式和耕作制度对于黑土团聚体稳定性的影响； 高鲁鹏等[5]对自然状态下土壤有机碳的递减率变化过程中团聚体的变化进行过研究； 沈善敏[6]研究了黑土开垦后土壤养分与土壤团聚体稳定性的关系。Edwards和Bremner[7]提出，直径大于250 μm的大团聚体是由粘粒-多价金属-有机质复合体所组成。Tiadall和Oades[1]根据有机质年龄及变化情况以及对于团聚体稳定性的影响，将有机胶结剂分为瞬变性胶结剂、 临时性胶结剂和持久性胶结剂3大类。国内外的研究文献集中体现为有机物作为黑土的主要胶结剂，其含量、 状态和可矿化性对于团聚体稳定性的作用和影响。

不同价态的阳离子对土壤团聚体的形成和维持团聚体稳定性起着重要作用。粘土悬液是一个不稳定的憎水胶体体系，分散状态的粘土在电解质的作用下产生絮凝，电解质对引起粘土悬液絮凝的最低浓度(临界凝聚浓度)主要由离子的价态决定[8]。曾路生等[9]测定了不同等级的土壤团聚体中一价和二价盐基离子的浓度，发现离子在大于0.25 mm的大团聚体中的含量高于在微团聚体中的含量，而二价离子在微团聚体中的降低比一价离子更加明显。一方面说明大团聚体对离子具有一定的保蓄能力，另一方面说明一价离子增加和二价离子的淋失可能导致团聚体分散，使土壤质量下降。团聚体的形成实质是粘粒通过多价金属阳离子的连接而吸附极性有机分子的过程，高价离子使得颗粒间的连接增强，结构更加紧密，增大了团聚性[10]。可见团聚体的稳定性对于进入土壤系统中水的质量响应差别很大，除了溶液中离子价态和浓度的因素外，水质还决定着团聚颗粒的胀缩性、 决定着团聚体内胶结剂的溶解性，水质不同其表面张力不同，水分对土壤孔隙中压缩气体的溢出与封闭程度不同，这些均会影响团聚体的稳定性。以往关于土壤团聚体水稳定性的研究[11-14]主要集中于耕作方式及土壤养分与土壤水稳性团聚组成的关系，未曾考虑可溶性盐溶液对土壤团聚体组成的影响。不同价态和不同浓度可溶性阳离子溶液对土壤团聚体组成的影响具有一定的差异性。通过分析在不同价态和不同浓度阳离子盐溶液中湿筛后的土壤团聚体组成，可以反映可溶性阳离子对土壤团聚体稳定性的作用和影响。此外，对团聚体稳定性研究过程基本上是在纯水环境中进行的筛分处理来说， 这也不符合土壤稀溶液这个客观实际，尤其当今给土壤逐年投入大量的无机化学物质，需要研究不同胶结类型团聚体对于投入化学品的反应，这对于揭示农田土壤质量演变趋势具有极为重要的科学意义和实际价值。在现代农业背景下，在已有的土壤团聚体机械稳定性、 水稳定性和生物学稳定性研究的基础上，进一步建立团聚体的化学稳定性[15]的概念和理论是学科发展和客观现实的迫切需求，本文在不同价态的阳离子溶液中分析了富含有机质的黑土的团聚体组成及其稳定性，旨在探求有机胶结剂对于溶液化学物质的响应以及对于团聚体质量的作用，揭示目前土壤团聚体稳定性研究中的溶液质量对团聚体影响的规律。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

1.2 样品采集及测定方法

于玉米收获期选取相邻的3块长期施用有机肥的玉米农田作为采样区(作为3个重复)，在每个采样区域按照“S”型布置了15个采样点, 分别采集耕层(0—20 cm)原状土壤样品和扰动样品。采集原状土样品过程中，先用木盒固定四周轮廓并用小铲子挖取，挖取后将木盒封口直接盛装，防止运输过程中被破坏，同时在采样点周围用环刀采集原状土样用以测定土壤容重。扰动土样在每个采样点周围直接挖取，在室内风干后用四分法混合均匀过筛，用于土壤有机质及碱解氮、 速效磷和速效钾等养分的测定。土壤容重用环刀法测定； 有机质用丘林法； 碱解氮用碱解扩散法； 速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼蓝比色法测定； 速效钾用NH4OAc提取—火焰光度法测定[16]。

表1 随机抽样处理样品编号对照表

先取配置好的盐溶液各300 mL，沿三角瓶壁缓慢注入以浸润土壤样品，以防止溶液浸润期间在结构体内封闭的空气爆破作用对团聚体的影响，基于有机质含量高的土壤容易湿润的特点，土壤样品浸泡时间为1h； 再将经过浸泡处理的土壤样品分别转入1L的沉降筒中，并分别补加溶液至600 mL，将沉降筒嵌于带有摇手的旋转架内，拧紧沉降筒口塞的螺母密封，防止在旋转期间样品流出损失，匀速转动手柄(5 min，30次/min)，使样品受到在旋转期间来自盐溶液的冲击。将分散后的土壤样品完全再转移至被水淹埋的孔径分别为5、 3、 2、 1及0.25 mm的一组套筛上，待沉降筒中悬液完全转入筛后，将套筛在水中上下晃动数次，再将留到各级筛子上的团聚体冲洗入蒸发皿，在水浴锅上蒸干后，移入烘箱烘至恒重后称重，获得在不同盐溶液中湿筛后土壤团聚体的组成。

1.3 数据处理

为了评价团聚体的稳定性，对测定所获数据，分别计算 ≥0.25 mm团聚体的含量R0.25、 平均重量直径(MWD)、 几何均重直径(GMD)以及团聚体破坏率(PAD值)等指标[17-19]。团聚体的分型维数D采用杨培玲[20]推导的公式进行计算。

试验数据采用SPSS 17.0软件进行统计分析，邓肯法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 黑土水稳性团聚体的基本组成

表2 土壤水稳定性团聚体组成(%)

2.2 黑土团聚体组成与水质中盐分类型及溶液浓度的关系

表3 在不同盐溶液中湿筛后黑土团聚体的组成(%)

评价土壤结构好坏的指标有许多，其中以直径 ≥0.25 mm的团聚体作为指标来评价土壤结构特性好坏很早就被前苏联、 东欧、 印度以及我国学术界所广泛采用[21]。图1所示为分别在3种类型盐分、 4种浓度水平的盐溶液中经过湿筛后黑土直径≥0.25 mm团聚体的含量，可以明显看出，黑土团聚体的组成和稳定性对不同价态和不同浓度的盐溶液的响应差异很大。相对于水分散处理而言，黑土团聚体稳定性对氯化钠溶液的反应是增加了分散性，且随氯化钠盐溶液浓度的增加团聚体的分散性在增大，≥0.25 mm团聚体的含量在递减； 但在氯化钙和氯化铝盐溶液中筛分处理，团聚体的分散性在显著减小，其中氯化钙的浓度对团聚体分散性影响不显著，而氯化铝对团聚体分散有很强的抑制作用，表现为≥0.25 mm团聚体的含量在增加。

平均重量直径(MWD)和几何均重直径(GMD)也常常作为土壤团聚体状况的指标，其值越大表示土壤团聚度越高，团聚体稳定性就越强[12]。用不同浓度的氯化钠、 氯化钙和氯化铝三种价态的盐溶液浸泡土壤后进行湿筛，获得了不同价态的可溶性阳离子盐溶液处理后的土壤MWD和GMD值(见图2)，能够较为直观地看出黑土团聚体的稳定性随着盐溶液浓度的增加而变化的趋势。

图1 不同盐溶液处理条件下≥0.25 mm稳定性团聚体Fig.1 ≥0.25 mm aggregates stability under different salt concentrations

由图2A和2B可以看出，整体上土壤的MWD值和GMD值为一价盐<二价盐<三价盐。随着盐浓度的增大，一价盐处理的土壤MWD值和GMD值明显减小，而三价盐处理后的MWD值和GMD值则随着使用盐浓度的增大而增大。二价盐处理的土壤MWD值和GMD值介于一价盐和三价盐处理之间，图2A显示，当三种浓度的氯化钙溶液处理土壤的MWD值均高于纯水处理，0.1和0.3 mol/L氯化钙处理土壤的MWD值持续增大，而0.5 mol/L氯化钙溶液处理土壤的MWD值略小于0.1 mol/L处理，但仍高于纯水处理。而GMD值所表现的土壤团聚体随氯化钙溶液浓度的变化特征显示(图2B)，土壤GMD值随着氯化钙浓度的增大，呈现与MWD值相似的轻微波动趋势。因为本试验选用的是经过干筛后的 (0.25 mm以上的团聚体进行湿筛的)，显然可以得出氯化钠加剧了团聚体的分散，而氯化钙和氯化铝高价盐溶液对土壤团聚体产生了明显的保护作用，避免了进一步分散为较小的团聚体或微团聚体。

上述分析一方面证明了土壤团聚体对不同盐分类型和不同浓度盐溶液的响应有很大的差异性，同时也证明在进行土壤团聚体分析时选定适宜的水质作为分散介质的重要性。清楚地说明以往选用纯水作为团聚体的分散介质，测定的水稳性团聚体结果偏小，测定条件与田间实际情况不很符合。

图2 不同盐溶液处理条件下湿筛处理黑土团聚体的平均重量直径(A)和几何均重直径(B)Fig.2 MWD(A) and GMD(B) values of soil aggregates under different salt solution concentrations

2.3 不同价态盐溶液湿筛处理后土壤团聚体的分型特征

Castrignano等[22]将分形理论应用于土壤团聚体评价的研究之中，提出土壤团聚体分形维数(D值)越大，则团聚体的分散度越大。当D接近2时，表明团聚体主要由数量很少的大团聚体组成，随着D值的增大，土壤中小级别的团聚体的数量随之增加。

图3 不同盐溶液处理下的土壤分型维数D0.25Fig.3 Soil fractal dimension D0.25 under different salt solution concentrations

由图3可以看出，三种价态阳离子盐溶液处理的土壤团聚体分型维数D值均在2.85以上，表明各处理土壤主要由中小团聚体组成，仅有少量的大团聚体，团聚体分散度很高，分散程度为一价盐 >二价盐 >三价盐。随着阳离子盐溶液浓度的增大，氯化钠处理的分型维数D值增大，氯化钙处理的分型维数呈现波动，氯化铝处理的分型维数在盐浓度为0.1 mol/L时剧烈减小，浓度为0.3 mol/L时继续减小，浓度为0.5 mol/L时略微增大，说明土壤团聚体随着氯化钠溶液浓度的增大，分散程度增加，而低浓度的氯化铝促进较大团聚体的形成，但当浓度过大时，也会起到分散土壤团聚体的作用，氯化钙溶液对团聚体的分散和团聚作用的效果介于两者之间，随着浓度有波动，表明在氯化钙溶液的作用下，土壤团聚体的分散和团聚作用可能同时发生。

2.4 黑土团聚体的盐破坏率

团聚体的破坏率(PAD)一般是分别以干筛和湿筛后所获得直径大于某一数值的团聚体的量为基础进行计算的，以表征团聚体的水力学稳定性。为了研究团聚体的盐稳定性，本研究提出以纯水为对照，以不同浓度盐溶液为处理，用 “土壤团聚体盐破坏率(PADx/w)”作指标[15]，表征盐分对土壤团聚稳定性能的作用。

(1)

式(1)中:Ww表示在纯水湿筛后直径大于X毫米的土壤团聚体重量百分含量；Wx表示盐溶液处理后大于X毫米的土壤团聚体重量百分含量；PADx/w为正值表示在盐溶液中土壤团聚性能降低(分散)，负值则表示在盐溶液中土壤团聚性能增加(保护)，PADx/w绝对值越大，表明作用越明显。

图4 不同盐溶液处理下土壤PAD0.25/w、 PAD1/w、 PAD2/w值Fig.4 Soil PAD0.25/w ， PAD1/w, PAD2/w value under different salt solution concentrations

图4所示，氯化钠溶液处理的土壤PAD0.25/w在溶液浓度为0.1 mol/L的处理条件下仅为0.22%，溶液浓度在0.3 mol/L和0.5 mol/L的处理条件下都为正值，绝对值为10.7%和14.4%，说明直径 ≥0.25 mm的黑土团粒结构在不同浓度的氯化钠溶液中有不同程度的分散。氯化钙溶液和氯化铝处理的土壤PAD0.25/w均为负值，氯化钙处理绝对值随着盐浓度的增大而减小，表明 ≥0.25 mm的黑土团聚体具有抵抗氯化钙溶液分散的能力，且氯化钙溶液对该直径的团聚体具有一定的保护作用，而这种保护作用能力随着氯化钙溶液浓度的增大而降低； 氯化铝处理的PAD0.25/w的绝对值均在51%以上，说明氯化铝溶液 ≥0.25 mm的土壤团聚体的保护作用比氯化钙溶液更加明显。三种溶液各浓度处理的黑土PAD1/w和PAD2/W均为负值，说明经过盐溶液处理的≥1 mm和 ≥2 mm的黑土团聚体含量均高于纯水处理的含量，表明供试的三种溶液均加强了 ≥1 mm和 ≥2 mm的黑土团聚体的抵抗水力分散的能力，但其作用程度存在差异。溶液浓度也对黑土团聚体抗水力分散的能力影响明显，氯化钠溶液处理总体差异较小，≥2 mm的黑土团聚体对0.5 mol/L的氯化钠溶液的响应能力减弱(-1.8%)，0.3 mol/L的氯化钙溶液的PAD1/w和PAD2/w均对黑土团聚体的抗水力分散能力均有较大影响，被水力破坏的 ≥1 mm的团聚体可在0.3 mol/L的氯化钙溶液作用下恢复38.6%，大于2 mm团聚体可恢复40.8%。高浓度的氯化铝也能有效地增强黑土团聚体的抗水力分散的能力，但0.1 mol/L的氯化铝的影响相对较弱，0.5 mol/L的氯化铝对大于0.25 mm、 ≥1 mm和 ≥2 mm的黑土团聚体有很强的保护作用，PAD的绝对值均达到50%以上，0.1 mol/L和0.3 mol/L的氯化铝对较大团聚体的保护作用相对较弱。

3 讨论

供试土壤主要粘土矿物组成为蒙脱石，具有很强的膨胀性，马蕾等研究发现NaCl和CaCl2对蒙脱石悬浮液的膨胀有明显的抑制作用，而且CaCl2对蒙脱石膨胀的抑制作用明显强于NaCl， CaCl2浓度比NaCl少了1个数量级时即可达到相同的膨胀抑制效果，且电解质的加入使颗粒之间产生了团聚作用，改变了颗粒的粒径，从而在宏观上表现为蒙脱石悬浮液体积的减少[23]。对于土壤而言，抑制其膨胀性能够有效防止土壤团聚体分散，从本研究中PAD1/w和PAD2/w的结果可知，NaCl和CaCl2溶液能够抑制黑土直径1 mm以上的大团聚体分散，其中盐溶液抑制蒙脱石的膨胀性应是重要因素。上述文献中未提及三价盐电解质对蒙脱石的作用，但从本文的结果分析，三价盐对蒙脱石矿物类土壤膨胀性的抑制作用应当更强于二价盐。

4 结论

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