不同类型土壤团聚体稳定机制的研究

余 洁，苗淑杰，乔云发

（南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044）

0 引言

土壤团聚体是土壤结构和功能的基本单位，影响土壤水分养分保持及供应调控能力。土壤团聚体形成过程复杂，其形成、稳定和破坏过程是土壤粘结剂和分散剂等因素共同驱动的过程[1-2]。土壤有机质作为土壤中的粘结物质，通过直接改造、物理缠绕或者改变土壤疏水性等机制促进土壤团聚结构的形成和稳定[3-4]。团聚体分散主要取决于土壤碱化度，交换性钠直接决定土壤碱化度，钠离子水合半径大,使胶粒间引力减弱，破坏土壤团聚结构[2]。土壤团聚结构的动态变化又反馈控制土壤有机质粘结性和交换性钠分散能力，使得土壤有机质-团聚结构-交换性钠的动态变化之间存在耦合作用[2,5]，这个过程受土壤类型等因素影响。

土壤团聚结构形成过程是土壤粘结剂粘结团聚过程和团聚体破坏过程平衡的结果。以往研究主要关注土壤有机质的粘结团聚作用，忽略了交换性钠作为分散剂对团聚体破坏过程的影响，理解这2个相互作用过程是探讨土壤团聚结构演变机制的基础[6-11]。目前国内外对土壤团聚体形成机制和影响因素的研究，大多是基于区域尺度生态系统，在气候、母质、地形和开垦历史等因素各向同性的条件下的施肥、耕作等因素团聚体演化。刘哲等[12]在长期不同耕作方式下对团聚体形成特征的影响进行研究，发现有机肥处理后的土壤大团聚体含量明显增加，团聚体稳定性也增强；有机质含量与＞0.25 mm水稳性团聚体所占比例越大，土壤稳定性越强。郭子春等[13-14]在研究动物粪便对土壤聚集的影响时发现动物粪便长期应用增加生物合成剂，但并未改变土壤团聚程度；而稻草由于没有增加分散剂交换性钠的含量，不仅改善了土壤聚集也增加了生物结合剂。基于中国不同土壤时空跨度较大，土壤之间地形地貌、母质、气候、水文、植被等条件不同，形成的土壤类型较多。选取全国10个典型地带性土壤，将土壤水稳性团聚体、粘结剂有机质和分散剂交换性钠三者融为一体，从粘结剂有机质和分散剂交换性钠角度揭示土壤团聚体稳定机制，以期为土壤团聚体稳定机制深入研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验采样

依据中国地带性农业土壤类型分布特征，从中选取具有代表性的10种典型地带性土壤，分别为采自江西鹰潭的红壤，辽宁沈阳的暗棕壤，四川盐亭的紫色土，新疆伊犁的栗钙土，陕西富平的黄绵土，内蒙古通辽的风沙土，江苏南京的黄棕壤，黑龙江海伦的黑土，海南海口的砖红壤，河南封丘的潮土。采样点见图1。试验于2020年7—10月进行。

图1 土壤采样点分布图

1.2 试验方法

土壤水稳性团聚体筛分：将风干后的土样称取50.00 g于250 mL三角瓶，用蒸馏水沿三角瓶内壁浸润糊化，糊化5 min后，平稳转移到自上而下孔径分别为2、1、0.5、0.25、0.053 mm套筛上层，筛分频率30次/min，筛分时间10 min。将各粒径团聚体转移至已称重的烧杯中，50℃烘干称重。

土壤有机质的测定：采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法。

交换性钠的测定：采用乙酸铵-火焰光度计法。

1.3 数据处理

土壤团聚体稳定性评价指标，采用平均重量直径(MWD)，MWD越大，土壤结构性越好，计算公式如式(1)所示[15]。

式中，MWD为团聚体平均重量直径(mm)，di为每个粒级团聚体的平均直径。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0软件进行数据处理和分析，采用Duncan’s新复极差法进行多重比较，3次重复的平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 团聚体粒级分布及平均重量直径

不同土壤类型团聚体粒级分布差异较大，见表1。砖红壤＞0.25 mm粒级团聚体所占质量比显著高于其他土壤，为86.77%，黑土和红壤次之，分别为76.13%和75.21%，黑土与红壤之间差异不显著。栗钙土＞0.25 mm粒级团聚体占比显著高于潮土和黄绵土，为47.19%，比潮土和黄绵土分别高出10.13%和7.99%。风沙土和暗棕壤之间＞0.25 mm粒级团聚体无显著差异。导致＞0.25 mm粒级团聚体存在差异的主要是＞2 mm和0.5～1 mm 2个粒级团聚体，差异范围分别在61.46%～425.96%和21.81%～401.32%。砖红壤的平均重量直径显著高于其他土壤，为1.02 mm，是最低平均重量直径黄绵土的2.68倍；其次是红壤，为0.80 mm，比黑土和紫色土分别高12.68%和17.65%；风沙土、潮土和栗钙土之间无显著差异。粒径＞2 mm的团聚体是平均重量直径产生差异的最主要粒级，如砖红壤、红壤、黑土、暗棕壤、黄棕壤和紫色土粒径＞2 mm团聚体均超过10%，相对应的平均重量直径较大，而未超过10%的风沙土、潮土、黄绵土和栗钙土的平均重量直径都较小。

表1 不同土壤团聚体粒级组成及平均重量直径

2.2 不同粒级团聚体有机质含量

图2是各土壤全土及各粒级团聚体的有机质含量，不同类型土壤之间有机质差异较大。10种土壤全土有机质含量顺序为：黑土＞砖红壤＞紫色土＞栗钙土＞风沙土＞红壤＞暗棕壤＞黄棕壤＞黄绵土＞潮土。黑土有机质含量最高为46.06 g/kg，是有机质含量最低潮土的5.25倍。砖红壤和紫色土有机质含量分别位列第二和第三位，有机质含量分别为39.09 g/kg和23.05 g/kg。不同类型土壤的团聚体各粒级有机质含量差异较大，主要表现在＞2 mm和＜0.053 mm粒径团聚体中。各粒级水稳性团聚体中有机质含量与全土相似，黑土各个粒级团聚体有机质含量均最大，为45.10～61.05 g/kg，显著高于其他土壤同粒级团聚体有机质含量。各土壤粒径＞2 mm团聚体中有机质含量前四位的为黑土、砖红壤、栗钙土、紫色土，分别为61.05、34.62、26.33、21.28 g/kg，4个类型土壤之间均存在显著差异，显著大于其余六种土壤有机质含量。1～2 mm粒径团聚体中黑土有机质含量最高为57.84 g/kg，是含量最低潮土有机质的5.15倍。粒径＜0.053 mm团聚体有机质的变化趋势与全土变化趋势差异较大，潮土、红壤、黄绵土有机质含量之间无显著差异，其余土壤间均存在显著差异。

图2 不同土壤类型有机质含量

2.3 不同类型土壤交换性钠含量

交换性钠是土壤团聚化过程中的主要分散剂，它的含量直接影响土壤团聚体的形成。由图3可知，交换性钠受土壤类型影响很大。栗钙土交换性钠含量显著高于其他土壤，为234.48 mg/kg，是潮土的1.33倍，风沙土的4.35倍；潮土交换性钠含量次之，为177.08 mg/kg。黄绵土交换性钠含量为98.78 mg/kg，显著低于栗钙土和潮土，显著高于黑土和风沙土，分别高于黑土和风沙土73.68%、83.33%。黄绵土、黄棕壤、暗棕壤、红壤、砖红壤、紫色土这6种土壤之间交换性钠含量差异不显著，介于63.90～98.78 mg/kg之间。

图3 不同土壤类型交换性钠含量

2.4 有机质、交换性钠与团聚体的相关性

由图4可知，土壤有机质作为团聚化过程中主要粘结剂与团聚体平均重量直径呈显著正相关(y=0.010x+0.418，r=0.615)，说明有机质含量越多，团聚体稳定性越强，土壤有机质每增加一个单位，平均重量直径就会增加0.010 mm。土壤交换性钠作为团聚化中的分散剂与团聚体平均重量直径呈显著负相关(y=-0.001x+0.741，r=-0.391)，说明交换性钠含量越高，团聚体稳定性越低，每增加一个单位的交换性钠，平均重量直径就会降低0.001 mm。这说明了土壤团聚程度是团聚过程和分散过程动态平衡的结果。有机质和交换性钠含量都消长一个单位，对团聚体平均重量直径作用结果相差10倍，有机质团聚化作用的正效应强于交换性钠对团聚体破坏的负效应。从图5可知，在粒径＞2、1～2、0.25～0.5、0.053～0.25、＜0.053 mm团聚体有机质含量与平均重量直径均存在显著正相关，相关系数r分别为0.369、0.370、0.445、0.478、0.363。在这5个粒级团聚体中，0.053～0.25 mm粒级团聚体有机质增加对平均重量直径影响最大，有机质每变化一个单位，平均重量直径变化0.007 mm，0.25～0.5 mm粒级次之为0.006 mm，最小的为＞2、1～2、＜0.053 mm的团聚体，3个粒级变化都为0.005 mm。

图4 交换性钠、有机质与平均重量直径的相关性

图5 不同粒级有机质与平均重量直径的相关性

3 结论

土壤团聚体形成过程复杂，粘结剂团聚化过程和分散剂的破坏作用共同驱动团聚体稳定性。与砂粒含量较高的潮土相比，砖红壤、黑土所含有机质更多，交换性钠更少，受有机质的内聚力稳定作用和交换性钠的分散作用的综合影响，砖红壤和黑土的团聚体稳定性显著高于潮土。交换性钠含量与团聚体稳定性呈显著负相关；有机质含量与团聚体稳定性呈显著正相关，在粒径为0.053～0.25 mm有机质与团聚体稳定性的正相关系数最大，显著性更佳。综上，土壤团聚体的稳定是由粘结剂有机质和分散剂交换性钠共同作用平衡的结果。在潮土、黄绵土和栗钙土施用有机肥时，要充分考虑有机肥带入钠量，以降低施用有机肥对土壤团聚化的破坏副作用，显著提高土壤肥力及土壤团聚体稳定性。

4 讨论

4.1 土壤团聚体特征

土壤团聚体的分布对土壤性质和肥力具有重要影响。本试验的10种类型土壤团聚体分布差异较大，其中砖红壤粒径＞0.25 mm的大团聚体占比最高为86.77%，以粒径＞2 mm和0.5～1 mm为主，占比分别为28.49%和28.70%，1～2 mm团聚体含量最少，仅占18.65%；黑土大团聚体占比次之，为76.13%，以粒径为0.5～1 mm和0.25～0.5 mm团聚体为主，占大团聚体的75.34%。苑亚茹等[16]的研究显示，在黑土区草地土壤大团聚体达77%，且农田和裸地各粒级团聚体趋势与之一致。这主要是由于黑土团聚结构以大团聚体为主，且多为2:1型黏土矿物，其外表面可吸附有机质，层间靠较弱的范德华力结合，有机分子更容易克服范氏力而侵入层间，因此黑土能够更好的吸附有机质[16-17]。潮土和黄绵土的大团聚体占比小于50%，以0.25～0.5 mm和0.5～1 mm粒径团聚体为主，占大团聚体的69.03%。这与马征等[18]的研究结果一致。由于当地潮土砂粒含量高、结构较差[19]，团聚结构也容易崩解，因此潮土团聚结构中大团聚体不易形成。综上，不同地带土壤由于母质及环境条件不同，土壤团聚体分布具有明显差异。平均重量直径的大小表征土壤团聚度的高低[18]，在本研究中，团聚化程度居于前三的是砖红壤、红壤、黑土，平均重量直径显著高于其他土壤，分别为1.02、0.80、0.71 mm。在王小红等[20]的研究中发现大团聚体含量越多，土壤团聚程度越高。黄绵土平均重量直径只有0.38 mm，团聚程度较低的原因是黄绵土所处地区极易受到侵蚀，较其他地区水土流失现象更严重，生态环境更脆弱[21]，因此土壤结构破坏较严重，团聚化程度较低。

4.2 土壤团聚体形成的稳定机制

土壤团聚体形成是土壤重要的过程，近年来提出了许多机制和假设，虽然过程和机制不同，但是一致认为有机质和交换性钠对土壤团聚体形成具有重要作用[6]。本研究结果表明，土壤有机质含量与团聚体稳定性呈显著正相关（r=0.615，图4），这与马征[18]、李江涛等[22]也发现团聚体稳定性与有机质含量呈正相关关系相一致。土壤有机质是土壤团聚体形成过程中重要的粘结物质，是团聚体形成的主要粘结剂，维持团聚结构，而团聚体对土壤有机质也具有保护作用，二者相辅相成，密不可分[8]。另外，土壤有机质通过多价阳离子与土壤矿物颗粒形成有机-无机复合体，进一步增加土壤团聚化过程[4]。交换性钠与土壤稳定性呈显著负相关（r=-0.391，图4），这主要是由于土壤湿润后，钠离子水合半径大，使胶粒间距离增大，引力减弱，导致团聚体破坏。前人研究也发现交换性钠在土壤团聚化过程中主要起到破坏作用，是高强度的分散剂[23]。根据图4结果，增加相同单位的有机质和交换性钠，有机质对团聚体的稳定效果是交换性钠对团聚体破坏效果的10倍，即有机质对土壤团聚体的稳定效果更强。本研究中，黑土稳定性平均重量直径高于潮土（表1），这主要是由于作为粘结剂的有机质在黑土中含量为 46.06 g/kg高于潮土有机质含量8.61 g/kg，而分散剂交换性钠黑土(57.25 mg/kg)低于潮土(177.08 mg/kg)。综上所述，粘结剂有机质与分散剂交换性钠相互制衡，共同影响土壤团聚体的稳定性，且有机质作用效果强于交换性钠。