黄土高原土壤团聚体胶结物质的分布及作用综述

张耀方， 赵世伟， 王子龙， 李晓晓， 李明瑞， 杜璨

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所，712100，陕西杨凌；2.中国科学院大学，100049，北京；3.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨凌；4.河南省灵宝市焦村镇人民政府，472501，河南灵宝)

黄土高原土壤团聚体胶结物质的分布及作用综述

张耀方1,2， 赵世伟1,3†， 王子龙1,2， 李晓晓4， 李明瑞1,2， 杜璨3

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所，712100，陕西杨凌；2.中国科学院大学，100049，北京；3.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨凌；4.河南省灵宝市焦村镇人民政府，472501，河南灵宝)

胶结物质是土壤团聚体形成与稳定的基础和核心。以黄土高原团聚体胶结物质的区域特点为基础，对已有的团聚体形成理论及各胶结物质在团聚体形成过程中的作用特点等相关研究成果进行综述，分析总结出黄土高原土壤团聚体胶结物质的分布具有典型的区域特性：黏粒质量分数较低且空间分布差异大，随土壤剖面加深而降低；碳酸钙质量分数整体为10%左右，随土壤剖面加深先升高后降低；有机碳质量分数从东南向西北逐渐降低，且随土壤剖面加深而降低。主要存在问题包括：胶结剂类型在团聚体形成过程的差异、具体作用方式、强度和机理方面缺乏针对性系统研究；因此提出了相应的研究方向：根据胶结物质在土壤剖面的规律性变化，针对土壤腐殖质层、过渡层、碳酸钙淀积层胶结剂分布特征，分别开展有机碳为主、有机碳和碳酸钙交互作用、碳酸钙为主3种类型下的团聚体胶结过程、强度及机制研究。

土壤团聚体； 胶结物质； 分布； 胶结作用； 黄土高原

胶结物质作为土壤团聚体形成的物质基础，其质量分数、分布、组成特征、作用方式等是团聚体形成与稳定的基础及内在动力[1-2]。自20世纪60年代起,我国开始研究土壤胶结物质与土壤团聚体之间的关系，定性描述胶结物质促进土壤团聚体形成的机制[2]。随着研究手段的进步，在微观尺度上，借助光学或电子显微镜等手段研究土壤垒结状态，分析胶结物质的作用方式[3-4]，并通过同步辐射方法从分子角度半定量分析有机碳官能团的组成及作用[5]。此外，以土壤结构体为研究对象应用CT技术、核磁共振及相应的图像处理技术研究土壤团聚体、胶结物质同土壤结构和功能间关系等[6-8]；但是，由于土壤类型和成土环境的复杂性，团聚体形成过程及机制仍需进一步研究。

黄土高原位于中国内陆腹地，地处黄河中上游与海河上游地区，东起太行山，西至乌鞘岭，南达秦岭，北至阴山[9]，主要包括褐土、黑垆土、黄绵土、栗钙土、风沙土等地带性土壤[10]，其分布[11]如图1所示。黄土是黄土高原最主要的成土母质[12]，特殊的成土环境使得黄土高原土壤团聚体的形成与稳定具有明显的区域特性。以往对黄土高原土壤的研究集中在黄土的形成[12-13]、碳酸钙的分布[4,14]、有机碳与团聚体稳定性的关系[5,15-16]等方面，但胶结物质对团聚体的具体作用方式及强度仍不清楚。笔者以黄土高原胶结物质的分布为基础，结合其区域分布特性，在已有的土壤团聚体研究理论之上，强调黄土高原土壤团聚体胶结物质的作用方式，并分析剖面各土层主要胶结物质及胶结机制，丰富黄土高原土壤团聚体胶结物质研究内容，明确今后黄土高原土壤团聚体形成过程中的重点研究方向。

图1 黄土高原主要土壤分布图Fig.1 Distribution of main soil types on the Loess Plateau

1 黄土高原土壤团聚体胶结物质的分布

研究区域土壤中的胶结物质主要包括黏粒、碳酸钙和有机碳3类[17-20]。3类胶结物质在空间分布上呈规律性变化，具体表现在水平方向上质量分数的变化和垂直剖面上质量分数及形态上的变化。

1.1 黏粒

黄土高原土体疏松，粉沙质量分数高，土壤物理性黏粒(<0.01 mm)质量分数在10%～60%之间，黏粒(<0.001 mm)质量分数在0.5%～30%之间，空间分布差异大[10]。由东南到西北土壤颗粒由细变粗,黏粒减少[9]。土壤剖面发生深浅不一的黏化现象，东南部褐土地带，由于受土壤残积黏化和淀积黏化共同作用[12]，多在30～80 cm处形成黏化层，黏粒质量分数高达30%[10]；而中部黄绵土、黑垆土地带，成壤作用相对减弱，黏粒质量分数减小到5%～20%，没有黏化作用或者呈现微弱的黏化作用，剖面土体性质较为均一[10]；西北部栗钙土、棕钙土、灰钙土、风沙土地带，没有黏化作用，黏粒质量分数很小，大多在5%左右[10,12]。在不考虑土壤剖面发生黏化现象的情况下，土粒自上而下整体不断变粗，表层土壤的黏粒质量分数较大，随着剖面的加深，黏粒质量分数降低，粗粒质量分数增加[10]。

1.2 碳酸钙

黄土高原土壤碳酸钙质量分数从东南到西北分布比较均一，平均在10%左右[10]；碳酸钙遭受淋溶，大部分以重碳酸钙形式随下渗水移动，在剖面的中下部形成假菌丝状、粉末状、眼斑状和结核状等碳酸钙淀积层[14,21](以下简称钙积层)，在淀积层下部碳酸钙质量分数逐渐减小，因而剖面中总的呈现出先增加再减少的特征[10,14]。由于受气候、母质、时间等成土因素影响，碳酸钙淋溶强度不一，钙积层的深度、厚度及质量分数因土类和区域不同而异，总的趋势是越往西北方向，碳酸钙的淋溶程度越弱，钙积层位越高，质量分数越大：处于东南部的褐土及黑垆土钙积层一般出现在1 m左右，碳酸钙质量分数为10%～20%；西北部半干旱地区的栗钙土钙积层常出现在30～50 cm处，碳酸钙质量分数在10%～30%之间；地处荒漠草原区的棕钙土钙积层多在20～30 cm处，碳酸钙质量分数在10%～40%之间[10]。

1.3 有机碳

黄土高原不同土壤类型中，有机碳密度及储量有极大差异，其中黑钙土、棕壤土等腐殖质层有机碳密度超过6 kg/m2,而毛乌素沙地风沙土有机碳密度不超过1 kg/m2,但大部分土壤有机碳密度集中在1～4 kg/m2之间[22]。随着气候从东南到西北逐渐变干旱，腐殖质层厚度从50～60 cm(黑垆土厚者达150 cm)减到10～20 cm；胡敏酸与富里酸之比，从1.2～1.5降到<1[10]。在同一土壤剖面上，土壤有机碳质量分数与土层深度呈负相关，即剖面腐殖质层有机碳质量分数最高，随土层加深有机碳质量分数降低约10%～35%不等；但在腐殖质层以下的土壤，有机碳质量分数下降幅度稳定在0.1%～0.2%之间。同时，腐殖质层有机碳多为易矿化的简单有机化合物，随剖面的加深,有机碳中较稳定的胡敏酸等，芳构化度和分子量都相对增大[23-24]。

2 黄土高原土壤团聚胶结物质作用机制

2.1 团聚过程胶结物质的作用方式

2.1.1 团聚体形成理论 1959年，E.E.Emerson[25]提出黏团说，指出非膨胀性土壤黏粒在有机碳的作用下与砂粒定向凝聚形成黏团。该学说提出了黏粒和有机碳2种胶结物质在团聚体形成过程中的作用及关系，但是未能具体的说明其作用方式，并忽视了金属离子的作用。1967年，A.P.Edwards等[26]通过声波振动和阳离子交换技术研究土壤颗粒化合物的分散，认为微团聚体(< 250 μm)具有更高的稳定性，同时提出了黏粒之间、黏粒与有机碳之间、有机碳之间通过多价金属连接形成微团聚体的理论。随后，1982年，J.M.Tisdall等[27]在微团聚体理论的基础上，提出各种胶结物在团聚体组织结构的不同阶段具有不同的有效性(图2)，先经过有机碳和金属离子等稳定性胶结物，胶结土壤矿物质颗粒形成稳定的微团聚体(20～250 μm)，而后再在微生物或根系分泌的多糖、真菌菌丝和根系等瞬时性胶结物的作用下形成大团聚体(> 250 μm直径)。多级团聚体理论指出了团聚体与非团聚化结构体不同的本质在于团聚体具有多级孔性[28]，目前对土壤结构的研究主要都建立在多级团聚体理论的基础上[29-30]。此后，K.Malamoud等[31]于2009年在碳循环模型的基础上深入研究有机碳对土壤的团聚化作用，提出了Struc-C团聚体机制性模型，通过3个子模型描述有机碳同黏粒矿物胶结形成团聚体的过程。

图2 多级团聚体理论Fig.2 Multistage aggregate theory

由于土壤类型及成土环境的复杂性，团聚体形成与稳定机制尚无普适性理论；因此，在研究黄土高原土壤团聚体形成与稳定机制时，应以现有的团聚体形成理论为基础，再结合胶结物质分布特征，具体分析胶结物质在团聚体形成及稳定过程中的驱动机制。

2.1.2 各胶结物质作用方式 土壤黏粒的胶结作用体现在它的凝聚作用，黄土高原土壤黏粒中伊利石、蒙脱石、蛭石等2∶1型黏土矿物同晶替代现象普遍，大部分黏粒都带有负电荷，矿物胶体性质突出，单个土粒首先会通过土壤胶体的相互作用凝聚在一起[25,28]。研究[32]表明，在土壤黏粒悬液中加入K+，Ca2+等少量电解质后，胶粒的双电层被压缩或酸性土壤黏土矿物带负电荷面同带有正电荷的边相吸，当各个土壤矿物质颗粒之间的分子引力超过相互排斥的静电引力时，它们就相互靠拢定向凝聚，其凝聚值与土壤黏粒阳离子交换容量和比表面积相关。黄土高原地区土壤呈弱碱性且大部分土壤属于钙盐基饱和土壤[15,33-34]，蒙脱石有效表面积远高于高岭石[35]，有利于土壤黏粒自身的凝聚；然而，黏粒通过自身的凝聚作用结合而成的微凝聚体其稳定性不高，很容易随着离子种类的改变而分散[28]，属于一种稳定性相对较差的胶结物质。

碳酸钙参与团聚体的形成主要有以下2种观点：1)碳酸钙在弱碱性氧化环境下发生次生碳酸盐化，从而碳酸钙从沉淀形式转化为钙离子形式，与土壤中的黏粒结合形成团聚体[34]；2)高质量分数的碳酸盐减少了有机碳的矿化，即碳酸钙通过影响有机碳的转化来调控土壤团聚体的形成过程[36]。在土壤团聚体形成过程中，钙离子通过阳离子桥键黏结土壤矿物质颗粒和有机碳[26]，当颗粒间阳离子的作用消失后，颗粒间的黏结主要是依靠原子和分子间的引力[37]。郭玉文等[38]采用团粒分析试验和扫描电子显微镜研究碳酸钙作用形式，认为少数大颗粒碳酸钙以镶嵌型分布于矿物颗粒之间起着骨架作用，多数小颗粒碳酸钙以附着型分布在矿物表面，在凝聚体中形成、保存，并在凝聚体与碎屑颗粒之间发挥不可逆的胶结作用。此外，在富含碳酸钙的土壤中，通过SOCCO2(g)CO2(aq)Ca(HCO3)2(aq)CaCO3(S)平衡反应，原生碳酸钙被溶解并生成次生碳酸钙，有机碳矿化受到原生碳酸钙和次生碳酸钙的影响[14]。区分原生碳酸钙和次生碳酸钙，是阐明碳酸钙对土壤团聚体胶结作用的重要基础。目前，已有学者提出通过碳同位素[21]、87Sr/86Sr质量比值[20]等方法，计算原生和次生碳酸钙的比例，但不同形态的碳酸钙的具体含量、胶结作用大小、强度、方式等仍不太清楚。

根系及菌丝等分泌的多糖类有机碳是一种线性的高分子聚合体，其链上有大量的氢氧基(—OH)，它们可以不通过阳离子的作用，直接利用有机物的分子极性，与矿物晶面上的氧原子形成氢键，使得土壤团聚化[28]。不同类型的有机碳对土壤结构形成及稳定性有不同的效应[1]：闭蓄态颗粒有机碳表现出比游离态颗粒有机碳更稳定的特性，对团聚体的稳定性有着更高的贡献[27]；疏水性可溶有机碳，主要包括非极性的脂肪类碳氢化合物和具有极性的脂肪酸、树脂等两性物质，其功能团(—COOH，—OH等)通过多价阳离子桥或氢键土壤矿物表面电荷或黏粒矿物的活性点结合，胶结形成微团聚体，同时团聚体表面为疏水的烃链覆盖形成一层有机薄膜，阻碍水湿润速度，降低水的糊化应力，从而提高团聚体稳定性[28]。目前，有机碳作用方式的研究还主要是定性的描述[5,15-16]，今后应在分子水平上定量研究有机碳官能团的类型及作用方式。

2.1.3 胶结物质间相互作用方式 有机碳和黏粒间具有“双向分选”关系，黏粒中不同黏土矿物吸附保留的有机碳类型不同，同时有机碳的不同化学组分对不同粒级土壤颗粒的胶结作用的差异会诱导形成不同粒级的团聚体[39]。有研究表明：蒙脱石结合的有机碳主要是芳香环的碳[40]；粗黏粒与细黏粒通过配位交换选择固定的化学组分不同[41]，持久性有机碳更多地存在于粗黏粒中，而单糖、氨基糖等瞬时性有机碳主要存在于细黏粒中[27]。这将导致所形成的土壤团聚体粒级大小及稳定性均有显著差异。土壤有机碳还可以通过多价阳离子与矿物质颗粒复合形成有机矿质复合体[28]，碳酸钙与有机碳共同作用形成外圈[19,29]，随着土壤中碳酸钙和有机碳比例的变化，团聚体的稳定性也发生变化[17]。有研究[17]通过对比2种富碳酸盐土壤(分别含有15%和30%碳酸盐，且碳酸盐主要是碳酸钙)粒径分布特征，得出较30%的富碳酸盐土壤而言，15%的富碳酸盐土壤有机碳转化为无机碳的转化率更大，其碳酸盐对团聚体的形成起着更重要的作用；研究还指出对有机碳和碳酸盐质量分数均很高的土壤，有机碳的增加会抑制碳酸盐对土壤团聚体的作用：因此，研究碳酸钙和有机碳质量分数比例或阈值范围，最大限度的发挥其胶结作用应是下一步深入研究的方向。

2.2 土壤剖面团聚体形成特点

黄土高原地区土壤剖面3种胶结物质，从土壤腐殖质层至碳酸钙淀积层随剖面不断加深，呈规律性变化。可以通过研究典型剖面各层团聚体形成的胶结机制，反映黏粒、碳酸钙、有机碳在团聚体形成及稳定中的作用。

土壤腐殖质层中有机碳是最主要的胶结物质，且团聚体稳定性与有机碳质量分数呈正相关[42-43]；但研究表明，当有机碳质量分数约>15 g/kg时，>0.25 mm的水稳性团聚体质量分数随有机碳增加而增加的趋势变缓[42-43]。其原因可能包括3个方面：1)随有机碳的增多，土壤腐殖层非稳定性易矿化有机碳增多[5]，其分解会在一定程度上降低团聚体的稳定性。2)腐殖质层土壤结构除了受自组织结构影响，还受到外部因素的影响[27,30]，大团聚体主要受根系缠绕等作用[27]，根系生物量、表面积和根长密度与土壤有机碳有着极显著的相关性[44]；但当有机碳质量分数增加大一定程度后，根系生物量保持稳定，因此，可能造成大团聚体质量分数不再增加或增速变缓。3)土壤有机碳与阳离子交换量正相关，由于土壤表面可交换的阳离子量是一定的[15]，当黄土高原土壤腐殖质层有机碳积累达到阈值时，土壤有机碳的进一步增加可能并不会加强对阳离子(主要是钙离子)静电吸附因而团聚体稳定性增速变缓。但是，哪种原因占主导地位尚不清楚，需进一步定量分析有机碳官能团的类型及质量分数、植物根系与大团聚体间关系、有机碳与碳酸钙的交互作用。

在土壤剖面过渡层，有机碳质量分数减少，且随着剖面的加深有机碳中酮—C等稳定性官能团质量分数增多，脂肪—C等活性官能团减少[5]，有机碳质量分数与团聚体稳定性之间显著正相关[42-43]。碳酸钙质量分数增加[10,14]，黄土高原东南方向少部分地区出现黏粒淀积[12]。在黄土高原部分东南地区黏粒、碳酸钙、有机碳共同作用促进团聚体的形成，在西北部地区则主要是有机碳和碳酸钙共同发挥作用；因此，此层应重点研究胶结物质在团聚体形成与稳定过程中相互作用的方式及大小。

到碳酸钙淀积层，随着剖面加深，有机碳及黏粒质量分数很低[10]；但有研究指出当此层有机碳质量分数保持在约3 g/kg时，土壤团聚体水稳性仍有较大差异[43]，团聚体稳定性的差异可能是由于碳酸钙质量分数等差异所导致。碳酸钙在缺乏有机碳情况下发挥主要胶结作用[33]，促使土壤团聚化；但是由于缺乏有机碳，淀积层土壤团聚体稳定性明显低于腐殖质层[43]。以往碳酸钙的研究主要集中在微团聚体形成过程及与有机碳的共同作用[19,26]，然而碳酸钙对大团聚体形成与稳定的作用方式及强度仍不清楚，通过研究此层中碳酸钙的胶结作用可以弥补以往研究中的不足。

3 结论与展望

1) 黄土高原土壤团聚体中胶结物质分布有典型的区域特征，在空间上呈规律性变化。目前，胶结物质分布的研究主要集中在空间差异，还应进一步深入研究其在各级团聚体中的差异。

2) 黏粒可以通过自身的凝聚作用形成稳定性不高的微凝聚体；碳酸钙通过阳离子键、原子分子间的引力等形成稳定的土壤团聚体，并通过影响有机无机转化来影响土壤团聚体的形成；有机碳通过基团分子极性、静电引力等形成较为稳定的多级团聚体。定量研究不同形态的碳酸钙及有机碳官能团的作用应是下一步研究重点。

3) 黏粒、碳酸钙、有机碳相互作用促进团聚体的形成与稳定。有机碳和黏粒的“双向分选”作用、有机无机间转化、有机无机矿质复合体等反映了胶结物质间的相互作用，但具体的作用方式、强度仍需进一步研究。

4) 土壤剖面团聚体胶结机制主要呈现出：腐殖质层主要反映有机碳的胶结机制；过渡层胶结物质的交互作用突出；淀积层主要反映碳酸钙的胶结机制。

今后应在分子水平上研究团聚体形成过程中胶结物质的作用方式、原子间距、键能等，模拟并定量分析各类胶结物质在各粒径团聚体形成过程中的作用及胶结能力，其中碳酸钙与有机碳的耦合胶结机制应是黄土高原土壤团聚体重点研究的方向。

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(责任编辑：宋如华)

Distribution and function of cementing materials of soil aggregates on the Loess Plateau, western China

Zhang Yaofang1,2, Zhao Shiwei1,3, Wang Zilong1,2, Li Xiaoxiao4, Li Mingrui1,2, Du Can3

(1.Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Scinences and Ministry of Water Resources, 712100,Yangling，Shaanxi，China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, 100049, Beijing, China；3.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F University, 712100, Yangling, Shaanxi, China; 4.People′s Government of Jiaocun Town of Lingbao City, 472501, Lingbao, Henan, China)

Cementing materials are the foundation and key component of the formation and stability of soil aggregates. Combining with the regional characteristics of cementing materials of soil aggregates on the Loess Plateau, western China, this paper reviews the existing aggregates forming theory and the functions of cementing materials in the process of aggregate formation. The typically regional characteristics of the cementing materials distribution in the soil aggregates of the Loess Plateau are summarized. The clay content is rare with considerably different spatial distribution, and decreases as it goes deeper along the soil profile. The calcium carbonate content, which is around 10% in most area, increases at first and then decreases as it goes deeper along the soil profile. The organic carbon content decreases when it goes from the southeast to the northwest and from the surface to deeper inside. The main problems include: the differences of the cement type in the process of aggregates formation,and the lack of systematic and targeted research on the specific mode and intensity of action of different cements as well as the bonding mechanism of cementing materials. Therefore, the corresponding research directions are proposed. According to the regularity of the cementing materials in the soil profile, future researches should be focused on cementing process, strength and mechanism of three kinds of soil aggregates,which are organic carbon as the main cementing materials on the humus layer, the interaction of organic carbon and calcium carbonate cementing material on the transition layer, and calcium carbonate as the main cementing materials on the illuvial layer.

soil aggregate; cementing materials; distribution; cementation; Loess Plateau

2014-05-27

2015-06-15

项目名称：国家自然科学基金“胶结物质驱动的土壤团聚体形成过程与稳定机制”(41330852)

张耀方(1991—)，女，硕士研究生。主要研究方向：土壤结构。E-mail: ucaszyf@163.com

†通信作者简介：赵世伟(1962—)，男，博士，研究员。主要研究方向：土壤结构及固碳机制。E-mail： swzhao@ms.iswc.ac.cn

S152.4

A

1672-3007(2015)05-0145-06