黏土矿物改良剂对新垦砂壤质耕地土壤有机碳积累的影响

吕晓菡 章明奎 严建立

摘要：为了解黏土矿物改良剂在新垦耕地地力提升中的作用，选择膨润土、高岭石、沸石和硅藻土4种黏土矿物，在添加量为10%的条件下，采用培养试验研究其对有机肥料矿化及土壤有机碳积累的影响。结果表明，与对照比较，添加黏土矿物可明显增加土壤有机碳的积累，其效果由强到弱为膨润土、高岭石、硅藻土、沸石;团聚体分析和重液分组结果表明，添加黏土矿物可显著增加土壤水稳定性团聚体数量，促进矿物结合态有机碳的形成。研究认为，黏土矿物增加有机碳稳定性是其促进土壤有机碳积累的主要原因。关键词：黏土矿物;有机碳积累;新垦耕地;土壤团聚体;砂壤土

中图分类号：S158.5文献标志码：A论文编号：cjas20190700137

Effects of Clay Mineral Amendments on Soil Organic Carbon Accumulation in Newly Reclaimed Sandy Loam Farmland

LV Xiaohan1，ZHANG Mingkui2，YAN Jianli1

（1Hangzhou Academy of Agricultural Sciences，Hangzhou 310024，Zhejiang，China;

2College of Environmental and Resource Sciences，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China）

Abstract：To understand the role of clay mineral amendments in improving the soil fertility of newly reclaimed farmland，four clay minerals，bentonite，kaolinite，zeolite and diatomite，were selected for testing their effects on mineralization of organic fertilizers and accumulation of soil organic carbon by incubation experiments with 10% addition of the amendments. The results showed that the addition of clay minerals could significantly increase the accumulation of soil organic carbon as compared with the control，and the effect decreased in the order of bentonite> kaolinite> diatomite> zeolite. Aggregate measurement and heavy liquid fractionation showed that the addition of clay minerals could significantly increase the amount of water-stable aggregates in the soils and promote the formation of mineral-bound organic carbon. In general，clay minerals could increase the stability of organic carbon，which is the main reason for increasing organic carbon accumulation in the soils.

Keywords：Clay Minerals;Organic Carbon Accumulation;Newly Cultivated Farmland;Soil Aggregates;Sandy Loam

0引言

有機质是评估土壤质量的重要指标，其含量高低可直接影响土壤物理、化学和生物学性状，因此提升土壤有机质一直是耕地地力培育的重点和核心「1-3]。土壤有机质提升的农艺措施主要包括增施有机肥、种植绿肥、秸秆还田、粮肥轮作/间作及用地养地相结合[3-8]。但众多的田间试验表明[7-11]，农艺措施对不同土壤有机质的提升效果有很大的差异，即使培肥多年，砂质和砂壤质农田土壤的有机质含量常常停留在较低的水平，其与这些土壤缺乏无机胶体、有机质稳定性较低有关[12-13]。因此，要有效提升砂质或砂壤质土壤的有机质，必须改变土壤的固有性状，增强土壤对有机质的保蓄能力。黏土矿物是自然界普遍存在的物质，来源广泛，具有较大的比表面积和较强的吸附能力，近年来已被用作土壤改良剂，改良土壤结构和钝化土壤中的重金属[14]。黏土矿物对有机物料具有较强的吸附能力，可增加有机物质的生物稳定性[15-16]。为了解常用黏土矿物改良剂对新垦耕地地力提升中的作用，选择膨润土、高岭土、沸石和硅藻土4种常见的黏土矿物，采用培养试验研究其对有机肥矿化及土壤有机质积累的影响。

1材料与方法

1.1研究材料

供试土壤采自浙西一新垦农田，土壤类型为红砂土，土壤性状见表1。其中碱解氮37.43 mg/kg，速效磷7.53 mg/kg，速效钾58.24 mg/kg。供试有机肥为猪粪/ 水稻秸秆堆肥，pH 6.98，有机质410 g/kg，含氮、磷、钾分别为18.23、20.42、17.33 g/kg。供试膨润土、高岭土、沸石和硅藻土从市场购置。

1.2试验设计

试验于2018年在温室内进行。从田间采集的土

样过5 mm土筛后充分混匀用于试验，每盆用土量为10 kg，试验共设置6个处理：（1）空白对照，不施有机肥和黏土矿物;（2）有机肥对照，施用2%的有机肥，不施黏土矿物;（3）膨润土，施用2%的有机肥和10%的膨润土;（4）高岭土，施用2%的有机肥和10%的高岭土;（5）沸石，施用2%的有机肥和10%的沸石;（6）硅藻土，施用2%的有机肥和10%的硅藻土。各处理有机肥与黏土矿物与土壤充分混匀，重复3次，随机排列，培养时间持续12个月。培养试验在玻璃房内进行，土壤保持80%的田间持水量，培养期间温度在15～35工。试验结束后取样，自然风干，一部分测定土壤性质，另一部分用于团聚体分析。

1.3分析方法

参考Elliott等[16]的土壤团聚体湿筛法测定水稳性团聚体：将样品放置于孔径自上而下为5、2、0.25、0.053 mm套筛之上，先用水浸润10 min，竖直上下震荡10 min，收集各级筛子上的团聚体（>5、5～2、2～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm）至铝盒中，烘干称重后磨细过0.15 mm筛，采用重铭酸钾-浓硫酸外加热法测定其有机碳含量[17]。称取10.00 g样品采用密度法对有机质进行分组[18]：用密度为1.85 g/cm³NaI溶液分离得到游离态轻组（fLF）和重组（HF），向剩余重组中加入0.5%（w/v）六偏磷酸钠（HMP）溶液振荡18 h，依次通过0.25 mm和0.053 mm筛，分别得到粗颗粒有机碳（cPOC，>0.25 mm）、细颗粒有机碳（fPOC，0.25～0.053 mm）、矿物结合态有机碳（mSOC，<0.053mm），各组分在45℃下烘干、称重，测定并计算各有机碳组分质量在土壤中的相对含量。各粒级团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率计算如式（1）。

2结果与分析

2.1黏土矿物改良剂对土壤水稳性团聚体分布的影响

由表2可知，对照土壤>0.25 mm水稳定性团聚体含量只有23.54%，主要为0.25～2 mm粒径的团聚体，少数为2～5 mm粒径的团聚体，无>5 mm水稳定性团聚体。与对照比较，施用有机肥后，>0.25 mm水稳定性团聚体含量明显增加，比对照相对增加61.34%;出现了>5 mm水稳定性团聚体，其含量为5.68%;与此同时，0.053～0.25 mm和<0.053 mm水稳定性团聚体含量明显下降。在施用有机肥的同时施用黏土矿物，促进了>0.25 mm水稳定性团聚体的形成，施用膨润土、高岭土、沸石和硅藻土后>0.25 mm水稳定性团聚体含量分别比对照相对增加了126.25%、106.75%、92.61%和79.18%，分别比单独施用有机肥的处理增加40.23%、28.15%、19.38%和11.05%;同时，施用膨润土、高岭土、沸石和硅藻土后，>5 mm和2～5 mm水稳定性团聚体含量比单独施用有机肥的处理呈现显著的增加。相反，施用膨润土、高岭土、沸石和硅藻土后，0.053～0.25 mm水稳定性团聚体含量比单独施用有机肥的处理明显下降，而<0.053 mm水稳定性团聚体含量也略有下降。这表明，施用膨润土、高岭土、沸石和硅藻土可促进0.053～0.25 mm和<0.053 mm水稳定性团聚体向>0.25 mm水稳定性团聚体的转化，增加了土壤团聚体的稳定性。总体上，施用黏土矿物对土壤水稳定性团聚体形成的促进作用表现为膨润土>高岭土>硅藻土>沸石。

2.2施用黏土矿物改良剂对土壤和团聚体中有机碳的影响

由表3可知，施用有机肥和黏土矿物显著增加了土壤有机质含量，表现为膨润土>高岭土>硅藻土>沸石>有机肥对照。其中单施有机肥比对照增加土壤有机质42.24%，而施用膨润土、高岭土、硅藻土、沸石分别比有机肥对照增加有机质17.65%、14.33%、10.72%、8.06%。表3结果还表明，与空白对照比较，施用有机肥和黏土矿物显著增加了各粒级团聚体中有机质的积累;而与单施有机肥对照比较，黏土矿物对>5 mm、2～5 mm和<0.053 mm等团聚体中有机质的积累均有明显的作用，而对0.25～2 mm和0.053～0.25 mm粒级团聚体中有机质含量的影响相对较小。

不同粒径团聚体有机碳对土壤整体有机碳积累的贡献率有较大差异（表4），但不同处理的团聚体中有机碳贡献率具有相似的规律，均表现为0.053～0.25 mm 最高，在35.45%～64.57%之间;其次为0.25～2 mm，在15.73%～20.56%之间;>5 mm、2～5 mm和<0.053 mm 的有机质贡献率相对较低，且三者较为接近。表4的结果也表明，施用有机肥显著增加了大团聚体（>5、2～5>0.25～2 mm）中有机质的贡献率，同时降低了小粒径团聚体（0.053～0.25 mm和<0.053 mm）中有机质的贡獻率。而同时施用黏土矿物增强了这种趋势，其中以膨润土的作用最为显著，其次为高岭土。

2.3施用黏土矿物改良剂对团聚体内有机碳组分分布的影响

由表5可知，施用有机肥和黏土矿物同时增加了各组分有机质的含量，但其变化趋势与土壤有机质含量的变化有差异。与单施有机肥的对照比较，施用膨润土、高岭土、硅藻土和沸石后土壤游离态有机碳分别增加13.04%、20.29%、17.39%、14.49% ;对于粗颗粒有机碳，只有添加沸石的处理增幅（8.73%）才达到显著水平，施用膨润土、高岭土后反而有所下降;而对于细颗粒有机碳，施用黏土矿物后均呈现下降，其中以膨润土的降幅度最大;施用黏土矿物后土壤中矿物结合态有机碳均有明显的增加，并以膨润土的最为显著。表中各形态有机质组成比例的数据也显示出，施用黏土矿物促进了细颗粒有机碳和部分粗颗粒有机碳向矿物结合态有机碳转化，增加了土壤有机质的稳定性。

3结论

砂壤质新垦耕地施用黏土矿物有利于促进土壤有机质的积累，其效果由强到弱表现为膨润土>高岭石>硅藻土>沸石;黏土矿物增加了土壤水稳定性团聚体含量，促进矿物结合态有机质的形成，增加了土壤有机质的稳定性，从而减弱了土壤有机质的矿化。

4讨论

已有研究[19-22]表明，影响土壤有机质积累的因素包括环境条件、土壤性状和进入农田土壤有机物质的数量和质量。环境条件主要指温度、湿度，它们可通过影响微生物活性影响有机质的分解和周转，适宜的温度和湿度有利于微生物活动，有机质分解较快;温度和湿度过高或过低都不利于微生物的活动，但可在一定程度上促进土壤有机质的积累。土壤性状主要是通过影响土壤中有机质的稳定性影响土壤有机质的积累，本研究土壤偏砂，土壤有机质的矿化速度较快，不利于土壤有机质的积累[22];进入农田的外源有机物质的数量和质量将直接影响积累在土壤中有机质的数量，一般来说进入农田的有机物料数量越多，土壤中有机质积累越明显[9，23-24]，并且，随着土壤有机质的积累，土壤中水稳定性团聚体数量也呈增加的趋势，而团聚体的形成又可增加对土壤有机质的保护作用，降低土壤有机质的矿化速度。本研究的结果也表明，施用有机肥料可显著增加土壤有机质的积累，同时土壤中水稳定性团聚体数量显著地增加。

土壤中无机胶体可通过对土壤有机质的保护影响土壤有机质的积累，无机胶体数量越多，越有利于土壤中有机质的积累。这是由于土壤中的有机质主要以有机无机复合体形态存在，若土壤中黏粒含量较低，有机无机复合体难以形成，减弱了对土壤中有机质的保护，反之，无机胶体数量越多将越有利于土壤有机质的稳定性。黏土矿物是土壤中主要的无机胶体，因此增加土壤中黏土矿物也就增加了土壤的无机胶体，从而增强了土壤有机质的稳定性[21]。无机胶体与有机质可通过形成配位络合物，促进团聚体的形成[25-26]，后者又对团聚体内的有机质起到了很好的保护作用，减少团聚体中有机质遭受微生物的分解。而膨润土因比表面积较高，具更高的能力吸附土壤有机质，因此它比其他矿物更易形成稳定的团聚体对有机质起到保护作用，因此添加膨润土后土壤具有较多的水稳定性团聚体和有机质含量。

本研究从黏土矿物影响土壤有机质稳定性的角度揭示了黏土矿物改良剂的使用可对新垦砂壤质耕地土壤有机碳积累产生明显的影响，证明了黏土矿物的使用有助于促进新垦耕地肥力的提高。但本研究试验设计时，尚没有考虑黏土矿物最佳使用量与土壤质地的关系，这有待于进一步试验研究确定。

参考文献

[1]潘根兴，赵其国.我国农田土壤碳库演变研究：全球变化和国家粮食安全[J].地球科学进展，2005（4）：384-393.

[2]耿瑞霖，郁红艳，丁维新，等.有机无机肥长期施用对潮土团聚体及其有机碳含量的影响[J].土壤，2010，42（6）：908-914.

[3]赵广帅，李发东，李运生，等.长期施肥对土壤有机质积累的影响[J].生态环境学报，2012，21（5）：840-847.

[4]刘国群，李玲玲，王宏航，等.施用商品有机肥对橘园土壤的影响[J].浙江农业科学，2018，59（7）：1171-1173.

[5]黄英群，韦俊.提升果园土壤有机质不同方法的对比试验[J].南方农业，2019，13（9）：190-191.

[6]宋永林，袁锋明，姚造华.化肥与有机物料配施对作物产量及土壤有机质的影响[J].华北农学报，2002，17（4）：73-76.

[7]高亚军，朱培立，黄东迈，等.稻麦轮作条件下长期不同土壤管理对有机质和全氮的影响[J].土壤与环境，2000，9（1）：27-30.

[8]王旭东，张平，吕家珑，等.不同施肥条件对土壤有机质及胡敏酸特性的影响[J].中国农业科学，2000，33（2）：75-81.

[9]徐明岗，于荣，王伯仁，等.长期施肥对我国典型土壤活性有机质及碳库管理指数的影响[J].植物营养与肥料学报，2006，12（4）：459- 465.

[10]王淑兰，王浩，李娟，等.不同耕作方式下长期秸秆还田对旱作春玉米田土壤碳、氮、水含量及产量的影响[J].应用生态学报，2016，27 （5）：1530-1540.

[11]曹卫东，包兴国，徐昌旭，等.中国绿肥科研60年回顾与未来展望[J].植物营养与肥料学报，2017，23（6）：1450-1461.

[12]介晓磊，寇太记，刘芳，等.有机物料在砂土中不同时段的腐解状况研究[J].河南农业大学学报，2006，40（3）：266-269.

[13]骆晓声，寇长林，马政华，等.不同施肥制下砂土小麦-玉米轮作体系土壤养分的动态变化[J].河南农业科学，2009（11）：64-68.

[14]杭小帅，周健民，王火焰，等.黏土矿物修复重金属污染土壤[J].环境工程学报，2007，1（9）：113-120.

[15]干方群，周健民，王火焰，不同黏土矿物对磷污染水体的吸附净化性能比较[J].生态环境，2008（3）：914-917.

[16]ELLIOTT E T. Aggregate structure and carbon，nitrogen，and phosphorus in native and cultivated soils[J]. Soil science society of america journal，1986，50（3）：627-633.

[17]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社，2000：12-193.

[18]SIX J，CALLEWAERT P，LENDERS S，et al. Measuring and understanding carbon storage in afforested soils by physical fractionation[J]. Soil science society of america journal，2007，66（6）：1981-1987.

[19]韩冰，王效科，逯非，等.中国农田土壤生态系统固碳现状和潜力[J].生态学报，2008，28（2）：612-619.

[20]孙文娟，黄耀，张稳，等.农田土壤固碳潜力研究的关键科学问题[J].地球科学进展，2008，23（9）：996-1004.

[21]吴乐知，蔡祖聪.基于长期试验资料对中国农田表土有机碳含量变化的估算[J].生态环境，2007，16（6）：1768-1774.

[22]刘哲，韩霁昌，陈茜，等.添加水稻秸秆对不同类型土壤团聚体分布和稳定性的影响[J].水土保持研究，2017，24（6）：167-171.

[23]劉莉君，洪春来，朱凤香，等.有机无机复混肥对柑橘园土壤及柑橘品质的影响[J].浙江农业科学，2017，58（7）：1155-1156，1165.

[24]谢少华，宗良纲，褚慧，等.不同类型生物质材料对酸化茶园土壤的改良效果[J].茶叶科学，2013，33（3）：279-288.

[25] MEDINA J，MONREAL C，BAREA J M，et al. Crop residue stabilization and application to agricultural and degraded soils：A review[J]. Waste management，2015，42：41-54.

[26] LI S，GU X，ZHUANG J，et al. Distribution and storage of crop residue carbon in aggregates and its contribution to organic carbon of soil with low fertility[J]. Soil & tillage research，2016，155（2）：199- 206.