衡阳市典型农田土壤有机质的提取与分类研究

杨 丽，刘洋洋

(湖南工学院，湖南 衡阳 421002)

1 引言

土壤中的生物残体及其分解和腐殖化产物等多种多样的物质群所构成了土壤有机质，它是检测土壤肥力的主要标准之一[1,2]。土壤有机质的高低也决定着对土壤如何进行施肥。土壤有机质可分为腐殖物质和非腐殖物质，其中腐殖质约占土壤有机质总量的85%～90%[3～7]。它作为土壤有机质中的主要吸附中心，携带各式各样的活性功能团，如羧基(R-COOH)、酚羟基(R-OH )、醇羟基(R-CH2-OH )、甲氧基(-OCH3)等，赋予了腐殖质的多种功能,如弱酸性、亲水性、阳离子交换性、络合能力及较高的吸附能力等[8]。它能与金属离子、氧化物、氢氧化物、矿物质和包括有毒活性污染物在内的有机物发生分解或化学作用。腐殖质主要由腐殖酸和胡敏素组成；腐殖酸由胡敏酸和富里酸组成[9～16]。在腐殖质中富里酸分子量较小、活性较大、氧化程度较高的，它是形成胡敏酸的一级物质，又是胡敏酸分解的一级产物，在胡敏酸的积累和更新替换中起着重要的作用。在一般情况下，富里酸含量高的土壤肥力也较肥沃。

本研究以衡阳市典型农田土壤为研究对象，研究其有机质含量及腐殖质在不同剖面的分布差异和组成特征，不仅能够为合理利用土地资源、制定环境产业政策和提高地土壤肥力提供理论与实践的支撑，也为市郊土地土壤肥力的调控、减少土壤养分流失提供科学依据。因此,腐殖质的研究对于土地利用与农业生产来说是十分重要的。腐殖质具有非常高的反应活性，故研究土壤腐殖质的成分并且进行进一步地提取研究，对于土壤污染有十分重要的意义。

2 实验材料与方法

2.1 主要仪器及试剂

(1)主要仪器设备。烘箱、漏斗、冷凝管、250 mL锥形瓶、50 mL酸式滴定管、油浴锅(内装固体石蜡或植物油)，TG18K离心机(长沙东旺实验仪器有限公司)。

(2)主要试剂。焦磷酸钠、氢氧化钠、硫酸、重铬酸钾溶液、硫酸-硫酸银溶液、邻菲啰啉指示剂、硫酸亚铁铵标准溶液。

2.2 样品采集及预处理

衡阳市珠晖区水稻田土壤为研究对象。本实验以梅花布点法[5]进行布点取样。利用情况，农田地形，坡度平缓等。共设置采样点数15个，采样深度约为0～20 cm。0～5 cm为表层，5～15 cm为中层，15～20 cm为下层。土壤样采集后置于实验室经过自然风干、捣碎和过筛，然后备用。

2.3 试验方法

土壤有机质的定量中常采用容量分析法，即重铬酸钾氧化法，通过计算消耗的氧化剂的量来近似定量有机碳的量。土壤中腐殖质中腐殖酸的提取，利用其溶解于碱而胡敏素不溶于碱的性质，将腐殖质与胡敏素分开，进一步利用胡敏酸能溶于碱不溶于酸，而富里酸既能够溶于碱有能溶于酸的性质，将其分离开来。分离出的腐殖酸及其所含了富里酸、胡敏酸后，再采用重铬酸钾氧化法对其分别进行定量。

3 结果与讨论

3.1 典型农田有机质含量的分析

通过对每个采样点不同深度的土壤样，进行有机碳分析，其不同深度下有机物含量变化关系如图1所示。

图1 农田典型土壤有机质的含量

由图1可知，垂直剖面上，农田土壤有机质的含量表层土壤的有机质含量最大，其次为中层土壤，最后为下层土壤。即衡阳市典型农田土壤的有机质含量在同一样点的不同垂直剖面的变化规律是逐一递减的，随着深度的加深，土壤的有机质含量越小，这可能是下层土壤受地表凋落物影响小,生物活性弱,与下层的矿物组成、酸碱度等方面有关。在土壤表层的动植物残体较多，土壤有机质含量较高，土壤养分含量很高，水、热、通气等条件比较优越，基本条件较充足,有利于微生物的活动。

而从水平面上来分析，所有的表层土壤的有机质百分比都是处于4.9%～5.4%，中层土壤为的有机质百分比是出于2.9%～3.2%，底层土壤的有机质百分比小于2%，则在同一平面上有机质分布是均匀的，其含量值并无明显的波动。

3.2 土壤有机质组成的分析

采用焦磷酸钠和氢氧化钠的缓冲溶液对土壤有机质进行提取，然后对土壤的胡敏酸、富里酸等各成分进行分离，然后各提取液进行重铬酸钾标准法滴定，同时用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤的有机碳量。记录实验数据并进行相应的计算，其结果见表1。

表1 衡阳市典型农田有机质的组成 g/kg

由表1可知，腐殖质的总碳量和有机质的总碳量是有规律可循的，腐殖质是占土壤有机质总量的85%～90%。腐殖质是由胡敏酸、富里酸以及胡敏素构成，其组成成分的比例也是不同的。显而易见，富里酸和胡敏酸的总和占了腐殖质的大部分比例，故腐殖质中其两者占主要地位；同时其各组分随着土壤的剖面的变化规律也不同。在供试的15个土壤样品中,除1.3、2.3、3.3、4.3号土壤外,典型农田的土壤的胡敏酸碳量均是小于富里酸碳量，同时富里酸碳量的平均值为12.21 g/kg大于胡敏酸碳量的平均值2.48 g/kg；胡敏素碳量均是小于富里酸含碳量，同时胡敏素碳量也是小于胡敏酸碳量；同一样点的不同垂直剖面的腐殖质的总碳量逐一减少的，越到土壤下层，土壤的有机质含量越少，肥力越小。

3.3 在垂直剖面上有机质分布特征

同一样点的不同垂直剖面的腐殖质的总碳量是逐一减少的，在此基础上，分析了每个样品点的胡敏酸、富里酸和胡敏素变化规律，其变化规律见图2～6。

由图可知，腐殖质和富里酸的碳量变化趋势都是随着土壤深度递增而递减的，即越进入土壤下层，土壤的腐殖质的含量和富里酸含量是减少的，且含量变化是明显的。表层土壤的腐殖质碳量的平均值为24.88 g/kg，富里酸含碳量的平均值22.53 g/kg；中层土壤的腐殖质碳量的平均值为15.22 g/kg，富里酸含碳量的平均值为11.77 g/kg；下层土壤的腐殖质含碳量的平均值为6.07 g/kg，富里酸含碳量的平均值为3.91 g/kg。

图2 样点1的土壤的有机质各特征值

图3 样点2土壤有机质各特征值

图4 样点3土壤有机质各特征值

图5 样点4土壤有机质各特征值

图6 样点5土壤有机质各特征值

除了样点4的胡敏酸含碳量变化，随着土壤越到下层，胡敏酸的含碳量是越大的；样点4，胡敏酸的含碳量从表层的2.63 g/kg上升到中层的3.56 g/kg，然后再下层是却减小到3.19 g/kg，在进行实验时，由于粗心读错或者记录错的数据、不严谨的操作会影响实验结果，造成实验误差，但是仅仅只是此一个样点，并不太影响对整个实验结果的判断。故胡敏酸是随着土壤的深度递增，其含量也是递增的。在表层时，胡敏酸含碳量是最少的，该地表层含碳量平均值为1.69 g/kg<含碳量中层平均值2.74 g/kg<含碳量下层平均值3.01 g/kg；表层的胡敏酸含碳量的变化范围为1.2～2.7 g/kg，中层的变化范围为2.1～3.6 g/kg，下层的变化范围为2.1～4 g/kg。

3.4 在水平剖面上有机质分布特征

对于所有表层土壤，富里酸含量在21～24 g/kg，其平均值为22.53 g/kg；胡敏酸的含碳量在1～3 g/kg，其平均值为1.69 g/kg。对于中层土壤，富里酸的含碳量平均值为11.77 g/kg，胡敏酸的平均值为2.74 g/kg；对于所有的下层土壤，富里酸含碳量平均值为3.91 g/kg，胡敏酸含碳量平均值为3.01 g/kg(图7)。

对于所有的上层和中层土壤，富里酸含碳量均占了该样点腐殖质含碳量的不部分比重；下层土壤除了5下(胡敏酸含碳量与富里酸含碳量相等)，样点1、样点2、样点3、样点4的富里酸含碳量均小于胡敏酸含碳量。同时几乎所有的胡敏素含碳量均小于1 g/kg，于3上土壤的胡敏素含碳量为1.01 g/kg，其含量大致无明显变化。

4 结论

(1)从土壤垂直剖面来看，土壤的有机质含量随土层的加深而降低。在土壤中，有机质在分解的同时会产生维生素和有机酸以及一些激素，其能够促进植物的生长发育,例如增强植物对养分的吸收和促进植物细胞分裂,从而加速根系和地上部分的生长；另外有机质分解的同时也会形成腐殖质。

图7 各样点土壤特征值的比例

(2)腐殖质的含量也是随着土层的加深而降低。在一定条件下，腐殖质缓慢分解,能够放出二氧化碳加强植物的光合作用，同时释放出可供植物吸收的以氮和硫为主的养分。腐殖质含量的减少是由表层生物累积作用导致的。表层土壤腐殖质碳量最高达26.56 g/kg,平均值为24.88 g/kg。中层含碳量低于上层含碳量。中层与下层之间变化不是太大,反映了表层生物累积作用对腐殖质的巨大贡献。土壤表层腐殖质含量均高于中下层含量,并呈逐渐降低的趋势。这可能是下层土壤受地表凋落物影响小,生物活性弱,与下层的矿物组成、酸碱度等方面有关。在土壤表层的动植物残体较多,土壤有机质含量较高，土壤养分含量很高,水、热、通气等条件比较优越，基本条件较充足,有利于微生物的活动。

(3)胡敏酸、富里酸、胡敏素的变化特征：富里酸随着土壤深度加深而递减,胡敏酸逐渐递增,胡敏素无明显变化。表层富里酸碳量最多可达22.53 g/kg。在同一剖面的富里酸含碳量组分随土壤深度的加深而减少的主要原因是随着深度增加,微生物会分解落到地面上的枯枝落叶并且合成的富里酸缩合受到限制。因此,富里酸分子量小、流动性大以及易溶解且能够随水下移；在剖面中下部积累,同时土壤腐殖质的物质体系会更简单化；另外也反映出富里酸在土体中的迁移能力比胡敏酸强。表层土壤腐殖化程度较高,土壤总有机质、腐殖质和富里酸含量均高于下层。

富里酸能够促进作物的运输系统和呼吸作用，同时还能加强作物的循环系统、减少植物胁迫并且防止其过早恶化、提高耐干抗旱性和防范病虫灾害，从某种程度上极大地提高了种子发芽和促进根须进一步的生长，增加豆科根瘤的规模和数量。而胡敏酸为植物增加无机养分，能够提高农作物产量和品质，例如，提高种子发芽，促进根群生长发育及有机物的合成。