徐 爽， 王益權

(西北農林科技大學資源環(huán)境學院， 陜西楊凌 712100)

團聚體穩(wěn)定性是土壤質量的重要指標之一，它是指抵抗各種外力作用或外部環(huán)境變化，保持原有形態(tài)及功能的能力。團聚體穩(wěn)定性受到土壤本身顆粒組成、 礦物類型、 膠結物質類型等的影響，也受環(huán)境變化、 生物活動以及人為管理等諸多外部因素的影響。土壤有機碳(SOC)、 生物體(植物根系、 真菌菌絲和細菌等)、 陽離子鍵橋、 粘粒和無機氧化物及碳酸鹽含量等作為膠結劑是左右團聚體穩(wěn)定性的直接因素[1]。膠結劑數(shù)量與類型不同，對環(huán)境因素以及其它外加物質的反應不同，使得團聚體的穩(wěn)定性差異很大。有機質是我國東北黑土地區(qū)土壤團聚體的主要膠結劑，也是制約團聚體穩(wěn)定性的主要決定因素之一，其含量的降低會使直徑較大的水穩(wěn)性團聚體質量分數(shù)隨之下降[2-3]。關于黑土團聚體穩(wěn)定性已經有眾多學者進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對于黑土團聚體穩(wěn)定性的影響； 高魯鵬等[5]對自然狀態(tài)下土壤有機碳的遞減率變化過程中團聚體的變化進行過研究； 沈善敏[6]研究了黑土開墾后土壤養(yǎng)分與土壤團聚體穩(wěn)定性的關系。Edwards和Bremner[7]提出，直徑大于250 μm的大團聚體是由粘粒-多價金屬-有機質復合體所組成。Tiadall和Oades[1]根據(jù)有機質年齡及變化情況以及對于團聚體穩(wěn)定性的影響，將有機膠結劑分為瞬變性膠結劑、 臨時性膠結劑和持久性膠結劑3大類。國內外的研究文獻集中體現(xiàn)為有機物作為黑土的主要膠結劑，其含量、 狀態(tài)和可礦化性對于團聚體穩(wěn)定性的作用和影響。

不同價態(tài)的陽離子對土壤團聚體的形成和維持團聚體穩(wěn)定性起著重要作用。粘土懸液是一個不穩(wěn)定的憎水膠體體系，分散狀態(tài)的粘土在電解質的作用下產生絮凝，電解質對引起粘土懸液絮凝的最低濃度(臨界凝聚濃度)主要由離子的價態(tài)決定[8]。曾路生等[9]測定了不同等級的土壤團聚體中一價和二價鹽基離子的濃度，發(fā)現(xiàn)離子在大于0.25 mm的大團聚體中的含量高于在微團聚體中的含量，而二價離子在微團聚體中的降低比一價離子更加明顯。一方面說明大團聚體對離子具有一定的保蓄能力，另一方面說明一價離子增加和二價離子的淋失可能導致團聚體分散，使土壤質量下降。團聚體的形成實質是粘粒通過多價金屬陽離子的連接而吸附極性有機分子的過程，高價離子使得顆粒間的連接增強，結構更加緊密，增大了團聚性[10]?？梢妶F聚體的穩(wěn)定性對于進入土壤系統(tǒng)中水的質量響應差別很大，除了溶液中離子價態(tài)和濃度的因素外，水質還決定著團聚顆粒的脹縮性、 決定著團聚體內膠結劑的溶解性，水質不同其表面張力不同，水分對土壤孔隙中壓縮氣體的溢出與封閉程度不同，這些均會影響團聚體的穩(wěn)定性。以往關于土壤團聚體水穩(wěn)定性的研究[11-14]主要集中于耕作方式及土壤養(yǎng)分與土壤水穩(wěn)性團聚組成的關系，未曾考慮可溶性鹽溶液對土壤團聚體組成的影響。不同價態(tài)和不同濃度可溶性陽離子溶液對土壤團聚體組成的影響具有一定的差異性。通過分析在不同價態(tài)和不同濃度陽離子鹽溶液中濕篩后的土壤團聚體組成，可以反映可溶性陽離子對土壤團聚體穩(wěn)定性的作用和影響。此外，對團聚體穩(wěn)定性研究過程基本上是在純水環(huán)境中進行的篩分處理來說， 這也不符合土壤稀溶液這個客觀實際，尤其當今給土壤逐年投入大量的無機化學物質，需要研究不同膠結類型團聚體對于投入化學品的反應，這對于揭示農田土壤質量演變趨勢具有極為重要的科學意義和實際價值。在現(xiàn)代農業(yè)背景下，在已有的土壤團聚體機械穩(wěn)定性、 水穩(wěn)定性和生物學穩(wěn)定性研究的基礎上，進一步建立團聚體的化學穩(wěn)定性[15]的概念和理論是學科發(fā)展和客觀現(xiàn)實的迫切需求，本文在不同價態(tài)的陽離子溶液中分析了富含有機質的黑土的團聚體組成及其穩(wěn)定性，旨在探求有機膠結劑對于溶液化學物質的響應以及對于團聚體質量的作用，揭示目前土壤團聚體穩(wěn)定性研究中的溶液質量對團聚體影響的規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

1.2 樣品采集及測定方法

于玉米收獲期選取相鄰的3塊長期施用有機肥的玉米農田作為采樣區(qū)(作為3個重復)，在每個采樣區(qū)域按照“S”型布置了15個采樣點, 分別采集耕層(0—20 cm)原狀土壤樣品和擾動樣品。采集原狀土樣品過程中，先用木盒固定四周輪廓并用小鏟子挖取，挖取后將木盒封口直接盛裝，防止運輸過程中被破壞，同時在采樣點周圍用環(huán)刀采集原狀土樣用以測定土壤容重。擾動土樣在每個采樣點周圍直接挖取，在室內風干后用四分法混合均勻過篩，用于土壤有機質及堿解氮、 速效磷和速效鉀等養(yǎng)分的測定。土壤容重用環(huán)刀法測定； 有機質用丘林法； 堿解氮用堿解擴散法； 速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬藍比色法測定； 速效鉀用NH4OAc提取—火焰光度法測定[16]。

表1 隨機抽樣處理樣品編號對照表

先取配置好的鹽溶液各300 mL，沿三角瓶壁緩慢注入以浸潤土壤樣品，以防止溶液浸潤期間在結構體內封閉的空氣爆破作用對團聚體的影響，基于有機質含量高的土壤容易濕潤的特點，土壤樣品浸泡時間為1h； 再將經過浸泡處理的土壤樣品分別轉入1L的沉降筒中，并分別補加溶液至600 mL，將沉降筒嵌于帶有搖手的旋轉架內，擰緊沉降筒口塞的螺母密封，防止在旋轉期間樣品流出損失，勻速轉動手柄(5 min，30次/min)，使樣品受到在旋轉期間來自鹽溶液的沖擊。將分散后的土壤樣品完全再轉移至被水淹埋的孔徑分別為5、 3、 2、 1及0.25 mm的一組套篩上，待沉降筒中懸液完全轉入篩后，將套篩在水中上下晃動數(shù)次，再將留到各級篩子上的團聚體沖洗入蒸發(fā)皿，在水浴鍋上蒸干后，移入烘箱烘至恒重后稱重，獲得在不同鹽溶液中濕篩后土壤團聚體的組成。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為了評價團聚體的穩(wěn)定性，對測定所獲數(shù)據(jù)，分別計算 ≥0.25 mm團聚體的含量R0.25、 平均重量直徑(MWD)、 幾何均重直徑(GMD)以及團聚體破壞率(PAD值)等指標[17-19]。團聚體的分型維數(shù)D采用楊培玲[20]推導的公式進行計算。

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，鄧肯法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 黑土水穩(wěn)性團聚體的基本組成

表2 土壤水穩(wěn)定性團聚體組成(%)

2.2 黑土團聚體組成與水質中鹽分類型及溶液濃度的關系

表3 在不同鹽溶液中濕篩后黑土團聚體的組成(%)

評價土壤結構好壞的指標有許多，其中以直徑 ≥0.25 mm的團聚體作為指標來評價土壤結構特性好壞很早就被前蘇聯(lián)、 東歐、 印度以及我國學術界所廣泛采用[21]。圖1所示為分別在3種類型鹽分、 4種濃度水平的鹽溶液中經過濕篩后黑土直徑≥0.25 mm團聚體的含量，可以明顯看出，黑土團聚體的組成和穩(wěn)定性對不同價態(tài)和不同濃度的鹽溶液的響應差異很大。相對于水分散處理而言，黑土團聚體穩(wěn)定性對氯化鈉溶液的反應是增加了分散性，且隨氯化鈉鹽溶液濃度的增加團聚體的分散性在增大，≥0.25 mm團聚體的含量在遞減； 但在氯化鈣和氯化鋁鹽溶液中篩分處理，團聚體的分散性在顯著減小，其中氯化鈣的濃度對團聚體分散性影響不顯著，而氯化鋁對團聚體分散有很強的抑制作用，表現(xiàn)為≥0.25 mm團聚體的含量在增加。

平均重量直徑(MWD)和幾何均重直徑(GMD)也常常作為土壤團聚體狀況的指標，其值越大表示土壤團聚度越高，團聚體穩(wěn)定性就越強[12]。用不同濃度的氯化鈉、 氯化鈣和氯化鋁三種價態(tài)的鹽溶液浸泡土壤后進行濕篩，獲得了不同價態(tài)的可溶性陽離子鹽溶液處理后的土壤MWD和GMD值(見圖2)，能夠較為直觀地看出黑土團聚體的穩(wěn)定性隨著鹽溶液濃度的增加而變化的趨勢。

圖1 不同鹽溶液處理條件下≥0.25 mm穩(wěn)定性團聚體Fig.1 ≥0.25 mm aggregates stability under different salt concentrations

由圖2A和2B可以看出，整體上土壤的MWD值和GMD值為一價鹽<二價鹽<三價鹽。隨著鹽濃度的增大，一價鹽處理的土壤MWD值和GMD值明顯減小，而三價鹽處理后的MWD值和GMD值則隨著使用鹽濃度的增大而增大。二價鹽處理的土壤MWD值和GMD值介于一價鹽和三價鹽處理之間，圖2A顯示，當三種濃度的氯化鈣溶液處理土壤的MWD值均高于純水處理，0.1和0.3 mol/L氯化鈣處理土壤的MWD值持續(xù)增大，而0.5 mol/L氯化鈣溶液處理土壤的MWD值略小于0.1 mol/L處理，但仍高于純水處理。而GMD值所表現(xiàn)的土壤團聚體隨氯化鈣溶液濃度的變化特征顯示(圖2B)，土壤GMD值隨著氯化鈣濃度的增大，呈現(xiàn)與MWD值相似的輕微波動趨勢。因為本試驗選用的是經過干篩后的 (0.25 mm以上的團聚體進行濕篩的)，顯然可以得出氯化鈉加劇了團聚體的分散，而氯化鈣和氯化鋁高價鹽溶液對土壤團聚體產生了明顯的保護作用，避免了進一步分散為較小的團聚體或微團聚體。

上述分析一方面證明了土壤團聚體對不同鹽分類型和不同濃度鹽溶液的響應有很大的差異性，同時也證明在進行土壤團聚體分析時選定適宜的水質作為分散介質的重要性。清楚地說明以往選用純水作為團聚體的分散介質，測定的水穩(wěn)性團聚體結果偏小，測定條件與田間實際情況不很符合。

圖2 不同鹽溶液處理條件下濕篩處理黑土團聚體的平均重量直徑(A)和幾何均重直徑(B)Fig.2 MWD(A) and GMD(B) values of soil aggregates under different salt solution concentrations

2.3 不同價態(tài)鹽溶液濕篩處理后土壤團聚體的分型特征

Castrignano等[22]將分形理論應用于土壤團聚體評價的研究之中，提出土壤團聚體分形維數(shù)(D值)越大，則團聚體的分散度越大。當D接近2時，表明團聚體主要由數(shù)量很少的大團聚體組成，隨著D值的增大，土壤中小級別的團聚體的數(shù)量隨之增加。

圖3 不同鹽溶液處理下的土壤分型維數(shù)D0.25Fig.3 Soil fractal dimension D0.25 under different salt solution concentrations

由圖3可以看出，三種價態(tài)陽離子鹽溶液處理的土壤團聚體分型維數(shù)D值均在2.85以上，表明各處理土壤主要由中小團聚體組成，僅有少量的大團聚體，團聚體分散度很高，分散程度為一價鹽 >二價鹽 >三價鹽。隨著陽離子鹽溶液濃度的增大，氯化鈉處理的分型維數(shù)D值增大，氯化鈣處理的分型維數(shù)呈現(xiàn)波動，氯化鋁處理的分型維數(shù)在鹽濃度為0.1 mol/L時劇烈減小，濃度為0.3 mol/L時繼續(xù)減小，濃度為0.5 mol/L時略微增大，說明土壤團聚體隨著氯化鈉溶液濃度的增大，分散程度增加，而低濃度的氯化鋁促進較大團聚體的形成，但當濃度過大時，也會起到分散土壤團聚體的作用，氯化鈣溶液對團聚體的分散和團聚作用的效果介于兩者之間，隨著濃度有波動，表明在氯化鈣溶液的作用下，土壤團聚體的分散和團聚作用可能同時發(fā)生。

2.4 黑土團聚體的鹽破壞率

團聚體的破壞率(PAD)一般是分別以干篩和濕篩后所獲得直徑大于某一數(shù)值的團聚體的量為基礎進行計算的，以表征團聚體的水力學穩(wěn)定性。為了研究團聚體的鹽穩(wěn)定性，本研究提出以純水為對照，以不同濃度鹽溶液為處理，用 “土壤團聚體鹽破壞率(PADx/w)”作指標[15]，表征鹽分對土壤團聚穩(wěn)定性能的作用。

(1)

式(1)中:Ww表示在純水濕篩后直徑大于X毫米的土壤團聚體重量百分含量；Wx表示鹽溶液處理后大于X毫米的土壤團聚體重量百分含量；PADx/w為正值表示在鹽溶液中土壤團聚性能降低(分散)，負值則表示在鹽溶液中土壤團聚性能增加(保護)，PADx/w絕對值越大，表明作用越明顯。

圖4 不同鹽溶液處理下土壤PAD0.25/w、 PAD1/w、 PAD2/w值Fig.4 Soil PAD0.25/w ， PAD1/w, PAD2/w value under different salt solution concentrations

圖4所示，氯化鈉溶液處理的土壤PAD0.25/w在溶液濃度為0.1 mol/L的處理條件下僅為0.22%，溶液濃度在0.3 mol/L和0.5 mol/L的處理條件下都為正值，絕對值為10.7%和14.4%，說明直徑 ≥0.25 mm的黑土團粒結構在不同濃度的氯化鈉溶液中有不同程度的分散。氯化鈣溶液和氯化鋁處理的土壤PAD0.25/w均為負值，氯化鈣處理絕對值隨著鹽濃度的增大而減小，表明 ≥0.25 mm的黑土團聚體具有抵抗氯化鈣溶液分散的能力，且氯化鈣溶液對該直徑的團聚體具有一定的保護作用，而這種保護作用能力隨著氯化鈣溶液濃度的增大而降低； 氯化鋁處理的PAD0.25/w的絕對值均在51%以上，說明氯化鋁溶液 ≥0.25 mm的土壤團聚體的保護作用比氯化鈣溶液更加明顯。三種溶液各濃度處理的黑土PAD1/w和PAD2/W均為負值，說明經過鹽溶液處理的≥1 mm和 ≥2 mm的黑土團聚體含量均高于純水處理的含量，表明供試的三種溶液均加強了 ≥1 mm和 ≥2 mm的黑土團聚體的抵抗水力分散的能力，但其作用程度存在差異。溶液濃度也對黑土團聚體抗水力分散的能力影響明顯，氯化鈉溶液處理總體差異較小，≥2 mm的黑土團聚體對0.5 mol/L的氯化鈉溶液的響應能力減弱(-1.8%)，0.3 mol/L的氯化鈣溶液的PAD1/w和PAD2/w均對黑土團聚體的抗水力分散能力均有較大影響，被水力破壞的 ≥1 mm的團聚體可在0.3 mol/L的氯化鈣溶液作用下恢復38.6%，大于2 mm團聚體可恢復40.8%。高濃度的氯化鋁也能有效地增強黑土團聚體的抗水力分散的能力，但0.1 mol/L的氯化鋁的影響相對較弱，0.5 mol/L的氯化鋁對大于0.25 mm、 ≥1 mm和 ≥2 mm的黑土團聚體有很強的保護作用，PAD的絕對值均達到50%以上，0.1 mol/L和0.3 mol/L的氯化鋁對較大團聚體的保護作用相對較弱。

3 討論

供試土壤主要粘土礦物組成為蒙脫石，具有很強的膨脹性，馬蕾等研究發(fā)現(xiàn)NaCl和CaCl2對蒙脫石懸浮液的膨脹有明顯的抑制作用，而且CaCl2對蒙脫石膨脹的抑制作用明顯強于NaCl， CaCl2濃度比NaCl少了1個數(shù)量級時即可達到相同的膨脹抑制效果，且電解質的加入使顆粒之間產生了團聚作用，改變了顆粒的粒徑，從而在宏觀上表現(xiàn)為蒙脫石懸浮液體積的減少[23]。對于土壤而言，抑制其膨脹性能夠有效防止土壤團聚體分散，從本研究中PAD1/w和PAD2/w的結果可知，NaCl和CaCl2溶液能夠抑制黑土直徑1 mm以上的大團聚體分散，其中鹽溶液抑制蒙脫石的膨脹性應是重要因素。上述文獻中未提及三價鹽電解質對蒙脫石的作用，但從本文的結果分析，三價鹽對蒙脫石礦物類土壤膨脹性的抑制作用應當更強于二價鹽。

4 結論

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