張耀方， 趙世偉， 王子龍， 李曉曉， 李明瑞， 杜璨

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，100049，北京；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌；4.河南省靈寶市焦村鎮(zhèn)人民政府，472501，河南靈寶)

黃土高原土壤團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)的分布及作用綜述

張耀方1,2， 趙世偉1,3?， 王子龍1,2， 李曉曉4， 李明瑞1,2， 杜璨3

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，100049，北京；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌；4.河南省靈寶市焦村鎮(zhèn)人民政府，472501，河南靈寶)

膠結(jié)物質(zhì)是土壤團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定的基礎(chǔ)和核心。以黃土高原團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)的區(qū)域特點(diǎn)為基礎(chǔ)，對(duì)已有的團(tuán)聚體形成理論及各膠結(jié)物質(zhì)在團(tuán)聚體形成過程中的作用特點(diǎn)等相關(guān)研究成果進(jìn)行綜述，分析總結(jié)出黃土高原土壤團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)的分布具有典型的區(qū)域特性：黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低且空間分布差異大，隨土壤剖面加深而降低；碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體為10%左右，隨土壤剖面加深先升高后降低；有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從東南向西北逐漸降低，且隨土壤剖面加深而降低。主要存在問題包括：膠結(jié)劑類型在團(tuán)聚體形成過程的差異、具體作用方式、強(qiáng)度和機(jī)理方面缺乏針對(duì)性系統(tǒng)研究；因此提出了相應(yīng)的研究方向：根據(jù)膠結(jié)物質(zhì)在土壤剖面的規(guī)律性變化，針對(duì)土壤腐殖質(zhì)層、過渡層、碳酸鈣淀積層膠結(jié)劑分布特征，分別開展有機(jī)碳為主、有機(jī)碳和碳酸鈣交互作用、碳酸鈣為主3種類型下的團(tuán)聚體膠結(jié)過程、強(qiáng)度及機(jī)制研究。

土壤團(tuán)聚體； 膠結(jié)物質(zhì)； 分布； 膠結(jié)作用； 黃土高原

膠結(jié)物質(zhì)作為土壤團(tuán)聚體形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分布、組成特征、作用方式等是團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定的基礎(chǔ)及內(nèi)在動(dòng)力[1-2]。自20世紀(jì)60年代起,我國(guó)開始研究土壤膠結(jié)物質(zhì)與土壤團(tuán)聚體之間的關(guān)系，定性描述膠結(jié)物質(zhì)促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成的機(jī)制[2]。隨著研究手段的進(jìn)步，在微觀尺度上，借助光學(xué)或電子顯微鏡等手段研究土壤壘結(jié)狀態(tài)，分析膠結(jié)物質(zhì)的作用方式[3-4]，并通過同步輻射方法從分子角度半定量分析有機(jī)碳官能團(tuán)的組成及作用[5]。此外，以土壤結(jié)構(gòu)體為研究對(duì)象應(yīng)用CT技術(shù)、核磁共振及相應(yīng)的圖像處理技術(shù)研究土壤團(tuán)聚體、膠結(jié)物質(zhì)同土壤結(jié)構(gòu)和功能間關(guān)系等[6-8]；但是，由于土壤類型和成土環(huán)境的復(fù)雜性，團(tuán)聚體形成過程及機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

黃土高原位于中國(guó)內(nèi)陸腹地，地處黃河中上游與海河上游地區(qū)，東起太行山，西至烏鞘嶺，南達(dá)秦嶺，北至陰山[9]，主要包括褐土、黑壚土、黃綿土、栗鈣土、風(fēng)沙土等地帶性土壤[10]，其分布[11]如圖1所示。黃土是黃土高原最主要的成土母質(zhì)[12]，特殊的成土環(huán)境使得黃土高原土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定具有明顯的區(qū)域特性。以往對(duì)黃土高原土壤的研究集中在黃土的形成[12-13]、碳酸鈣的分布[4,14]、有機(jī)碳與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)系[5,15-16]等方面，但膠結(jié)物質(zhì)對(duì)團(tuán)聚體的具體作用方式及強(qiáng)度仍不清楚。筆者以黃土高原膠結(jié)物質(zhì)的分布為基礎(chǔ)，結(jié)合其區(qū)域分布特性，在已有的土壤團(tuán)聚體研究理論之上，強(qiáng)調(diào)黃土高原土壤團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)的作用方式，并分析剖面各土層主要膠結(jié)物質(zhì)及膠結(jié)機(jī)制，豐富黃土高原土壤團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)研究?jī)?nèi)容，明確今后黃土高原土壤團(tuán)聚體形成過程中的重點(diǎn)研究方向。

圖1 黃土高原主要土壤分布圖Fig.1 Distribution of main soil types on the Loess Plateau

1 黃土高原土壤團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)的分布

研究區(qū)域土壤中的膠結(jié)物質(zhì)主要包括黏粒、碳酸鈣和有機(jī)碳3類[17-20]。3類膠結(jié)物質(zhì)在空間分布上呈規(guī)律性變化，具體表現(xiàn)在水平方向上質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化和垂直剖面上質(zhì)量分?jǐn)?shù)及形態(tài)上的變化。

1.1 黏粒

黃土高原土體疏松，粉沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，土壤物理性黏粒(<0.01 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～60%之間，黏粒(<0.001 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～30%之間，空間分布差異大[10]。由東南到西北土壤顆粒由細(xì)變粗,黏粒減少[9]。土壤剖面發(fā)生深淺不一的黏化現(xiàn)象，東南部褐土地帶，由于受土壤殘積黏化和淀積黏化共同作用[12]，多在30～80 cm處形成黏化層，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)30%[10]；而中部黃綿土、黑壚土地帶，成壤作用相對(duì)減弱，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小到5%～20%，沒有黏化作用或者呈現(xiàn)微弱的黏化作用，剖面土體性質(zhì)較為均一[10]；西北部栗鈣土、棕鈣土、灰鈣土、風(fēng)沙土地帶，沒有黏化作用，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)很小，大多在5%左右[10,12]。在不考慮土壤剖面發(fā)生黏化現(xiàn)象的情況下，土粒自上而下整體不斷變粗，表層土壤的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，隨著剖面的加深，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加[10]。

1.2 碳酸鈣

黃土高原土壤碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)從東南到西北分布比較均一，平均在10%左右[10]；碳酸鈣遭受淋溶，大部分以重碳酸鈣形式隨下滲水移動(dòng)，在剖面的中下部形成假菌絲狀、粉末狀、眼斑狀和結(jié)核狀等碳酸鈣淀積層[14,21](以下簡(jiǎn)稱鈣積層)，在淀積層下部碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，因而剖面中總的呈現(xiàn)出先增加再減少的特征[10,14]。由于受氣候、母質(zhì)、時(shí)間等成土因素影響，碳酸鈣淋溶強(qiáng)度不一，鈣積層的深度、厚度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)因土類和區(qū)域不同而異，總的趨勢(shì)是越往西北方向，碳酸鈣的淋溶程度越弱，鈣積層位越高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大：處于東南部的褐土及黑壚土鈣積層一般出現(xiàn)在1 m左右，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%；西北部半干旱地區(qū)的栗鈣土鈣積層常出現(xiàn)在30～50 cm處，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～30%之間；地處荒漠草原區(qū)的棕鈣土鈣積層多在20～30 cm處，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～40%之間[10]。

1.3 有機(jī)碳

黃土高原不同土壤類型中，有機(jī)碳密度及儲(chǔ)量有極大差異，其中黑鈣土、棕壤土等腐殖質(zhì)層有機(jī)碳密度超過6 kg/m2,而毛烏素沙地風(fēng)沙土有機(jī)碳密度不超過1 kg/m2,但大部分土壤有機(jī)碳密度集中在1～4 kg/m2之間[22]。隨著氣候從東南到西北逐漸變干旱，腐殖質(zhì)層厚度從50～60 cm(黑壚土厚者達(dá)150 cm)減到10～20 cm；胡敏酸與富里酸之比，從1.2～1.5降到<1[10]。在同一土壤剖面上，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土層深度呈負(fù)相關(guān)，即剖面腐殖質(zhì)層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，隨土層加深有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低約10%～35%不等；但在腐殖質(zhì)層以下的土壤，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降幅度穩(wěn)定在0.1%～0.2%之間。同時(shí)，腐殖質(zhì)層有機(jī)碳多為易礦化的簡(jiǎn)單有機(jī)化合物，隨剖面的加深,有機(jī)碳中較穩(wěn)定的胡敏酸等，芳構(gòu)化度和分子量都相對(duì)增大[23-24]。

2 黃土高原土壤團(tuán)聚膠結(jié)物質(zhì)作用機(jī)制

2.1 團(tuán)聚過程膠結(jié)物質(zhì)的作用方式

2.1.1 團(tuán)聚體形成理論 1959年，E.E.Emerson[25]提出黏團(tuán)說，指出非膨脹性土壤黏粒在有機(jī)碳的作用下與砂粒定向凝聚形成黏團(tuán)。該學(xué)說提出了黏粒和有機(jī)碳2種膠結(jié)物質(zhì)在團(tuán)聚體形成過程中的作用及關(guān)系，但是未能具體的說明其作用方式，并忽視了金屬離子的作用。1967年，A.P.Edwards等[26]通過聲波振動(dòng)和陽離子交換技術(shù)研究土壤顆粒化合物的分散，認(rèn)為微團(tuán)聚體(< 250 μm)具有更高的穩(wěn)定性，同時(shí)提出了黏粒之間、黏粒與有機(jī)碳之間、有機(jī)碳之間通過多價(jià)金屬連接形成微團(tuán)聚體的理論。隨后，1982年，J.M.Tisdall等[27]在微團(tuán)聚體理論的基礎(chǔ)上，提出各種膠結(jié)物在團(tuán)聚體組織結(jié)構(gòu)的不同階段具有不同的有效性(圖2)，先經(jīng)過有機(jī)碳和金屬離子等穩(wěn)定性膠結(jié)物，膠結(jié)土壤礦物質(zhì)顆粒形成穩(wěn)定的微團(tuán)聚體(20～250 μm)，而后再在微生物或根系分泌的多糖、真菌菌絲和根系等瞬時(shí)性膠結(jié)物的作用下形成大團(tuán)聚體(> 250 μm直徑)。多級(jí)團(tuán)聚體理論指出了團(tuán)聚體與非團(tuán)聚化結(jié)構(gòu)體不同的本質(zhì)在于團(tuán)聚體具有多級(jí)孔性[28]，目前對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的研究主要都建立在多級(jí)團(tuán)聚體理論的基礎(chǔ)上[29-30]。此后，K.Malamoud等[31]于2009年在碳循環(huán)模型的基礎(chǔ)上深入研究有機(jī)碳對(duì)土壤的團(tuán)聚化作用，提出了Struc-C團(tuán)聚體機(jī)制性模型，通過3個(gè)子模型描述有機(jī)碳同黏粒礦物膠結(jié)形成團(tuán)聚體的過程。

圖2 多級(jí)團(tuán)聚體理論Fig.2 Multistage aggregate theory

由于土壤類型及成土環(huán)境的復(fù)雜性，團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定機(jī)制尚無普適性理論；因此，在研究黃土高原土壤團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定機(jī)制時(shí)，應(yīng)以現(xiàn)有的團(tuán)聚體形成理論為基礎(chǔ)，再結(jié)合膠結(jié)物質(zhì)分布特征，具體分析膠結(jié)物質(zhì)在團(tuán)聚體形成及穩(wěn)定過程中的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

2.1.2 各膠結(jié)物質(zhì)作用方式 土壤黏粒的膠結(jié)作用體現(xiàn)在它的凝聚作用，黃土高原土壤黏粒中伊利石、蒙脫石、蛭石等2∶1型黏土礦物同晶替代現(xiàn)象普遍，大部分黏粒都帶有負(fù)電荷，礦物膠體性質(zhì)突出，單個(gè)土粒首先會(huì)通過土壤膠體的相互作用凝聚在一起[25,28]。研究[32]表明，在土壤黏粒懸液中加入K+，Ca2+等少量電解質(zhì)后，膠粒的雙電層被壓縮或酸性土壤黏土礦物帶負(fù)電荷面同帶有正電荷的邊相吸，當(dāng)各個(gè)土壤礦物質(zhì)顆粒之間的分子引力超過相互排斥的靜電引力時(shí)，它們就相互靠攏定向凝聚，其凝聚值與土壤黏粒陽離子交換容量和比表面積相關(guān)。黃土高原地區(qū)土壤呈弱堿性且大部分土壤屬于鈣鹽基飽和土壤[15,33-34]，蒙脫石有效表面積遠(yuǎn)高于高嶺石[35]，有利于土壤黏粒自身的凝聚；然而，黏粒通過自身的凝聚作用結(jié)合而成的微凝聚體其穩(wěn)定性不高，很容易隨著離子種類的改變而分散[28]，屬于一種穩(wěn)定性相對(duì)較差的膠結(jié)物質(zhì)。

碳酸鈣參與團(tuán)聚體的形成主要有以下2種觀點(diǎn)：1)碳酸鈣在弱堿性氧化環(huán)境下發(fā)生次生碳酸鹽化，從而碳酸鈣從沉淀形式轉(zhuǎn)化為鈣離子形式，與土壤中的黏粒結(jié)合形成團(tuán)聚體[34]；2)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳酸鹽減少了有機(jī)碳的礦化，即碳酸鈣通過影響有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化來調(diào)控土壤團(tuán)聚體的形成過程[36]。在土壤團(tuán)聚體形成過程中，鈣離子通過陽離子橋鍵黏結(jié)土壤礦物質(zhì)顆粒和有機(jī)碳[26]，當(dāng)顆粒間陽離子的作用消失后，顆粒間的黏結(jié)主要是依靠原子和分子間的引力[37]。郭玉文等[38]采用團(tuán)粒分析試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡研究碳酸鈣作用形式，認(rèn)為少數(shù)大顆粒碳酸鈣以鑲嵌型分布于礦物顆粒之間起著骨架作用，多數(shù)小顆粒碳酸鈣以附著型分布在礦物表面，在凝聚體中形成、保存，并在凝聚體與碎屑顆粒之間發(fā)揮不可逆的膠結(jié)作用。此外，在富含碳酸鈣的土壤中，通過SOCCO2(g)CO2(aq)Ca(HCO3)2(aq)CaCO3(S)平衡反應(yīng)，原生碳酸鈣被溶解并生成次生碳酸鈣，有機(jī)碳礦化受到原生碳酸鈣和次生碳酸鈣的影響[14]。區(qū)分原生碳酸鈣和次生碳酸鈣，是闡明碳酸鈣對(duì)土壤團(tuán)聚體膠結(jié)作用的重要基礎(chǔ)。目前，已有學(xué)者提出通過碳同位素[21]、87Sr/86Sr質(zhì)量比值[20]等方法，計(jì)算原生和次生碳酸鈣的比例，但不同形態(tài)的碳酸鈣的具體含量、膠結(jié)作用大小、強(qiáng)度、方式等仍不太清楚。

根系及菌絲等分泌的多糖類有機(jī)碳是一種線性的高分子聚合體，其鏈上有大量的氫氧基(—OH)，它們可以不通過陽離子的作用，直接利用有機(jī)物的分子極性，與礦物晶面上的氧原子形成氫鍵，使得土壤團(tuán)聚化[28]。不同類型的有機(jī)碳對(duì)土壤結(jié)構(gòu)形成及穩(wěn)定性有不同的效應(yīng)[1]：閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳表現(xiàn)出比游離態(tài)顆粒有機(jī)碳更穩(wěn)定的特性，對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性有著更高的貢獻(xiàn)[27]；疏水性可溶有機(jī)碳，主要包括非極性的脂肪類碳?xì)浠衔锖途哂袠O性的脂肪酸、樹脂等兩性物質(zhì)，其功能團(tuán)(—COOH，—OH等)通過多價(jià)陽離子橋或氫鍵土壤礦物表面電荷或黏粒礦物的活性點(diǎn)結(jié)合，膠結(jié)形成微團(tuán)聚體，同時(shí)團(tuán)聚體表面為疏水的烴鏈覆蓋形成一層有機(jī)薄膜，阻礙水濕潤(rùn)速度，降低水的糊化應(yīng)力，從而提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性[28]。目前，有機(jī)碳作用方式的研究還主要是定性的描述[5,15-16]，今后應(yīng)在分子水平上定量研究有機(jī)碳官能團(tuán)的類型及作用方式。

2.1.3 膠結(jié)物質(zhì)間相互作用方式 有機(jī)碳和黏粒間具有“雙向分選”關(guān)系，黏粒中不同黏土礦物吸附保留的有機(jī)碳類型不同，同時(shí)有機(jī)碳的不同化學(xué)組分對(duì)不同粒級(jí)土壤顆粒的膠結(jié)作用的差異會(huì)誘導(dǎo)形成不同粒級(jí)的團(tuán)聚體[39]。有研究表明：蒙脫石結(jié)合的有機(jī)碳主要是芳香環(huán)的碳[40]；粗黏粒與細(xì)黏粒通過配位交換選擇固定的化學(xué)組分不同[41]，持久性有機(jī)碳更多地存在于粗黏粒中，而單糖、氨基糖等瞬時(shí)性有機(jī)碳主要存在于細(xì)黏粒中[27]。這將導(dǎo)致所形成的土壤團(tuán)聚體粒級(jí)大小及穩(wěn)定性均有顯著差異。土壤有機(jī)碳還可以通過多價(jià)陽離子與礦物質(zhì)顆粒復(fù)合形成有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體[28]，碳酸鈣與有機(jī)碳共同作用形成外圈[19,29]，隨著土壤中碳酸鈣和有機(jī)碳比例的變化，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性也發(fā)生變化[17]。有研究[17]通過對(duì)比2種富碳酸鹽土壤(分別含有15%和30%碳酸鹽，且碳酸鹽主要是碳酸鈣)粒徑分布特征，得出較30%的富碳酸鹽土壤而言，15%的富碳酸鹽土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為無機(jī)碳的轉(zhuǎn)化率更大，其碳酸鹽對(duì)團(tuán)聚體的形成起著更重要的作用；研究還指出對(duì)有機(jī)碳和碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)均很高的土壤，有機(jī)碳的增加會(huì)抑制碳酸鹽對(duì)土壤團(tuán)聚體的作用：因此，研究碳酸鈣和有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例或閾值范圍，最大限度的發(fā)揮其膠結(jié)作用應(yīng)是下一步深入研究的方向。

2.2 土壤剖面團(tuán)聚體形成特點(diǎn)

黃土高原地區(qū)土壤剖面3種膠結(jié)物質(zhì)，從土壤腐殖質(zhì)層至碳酸鈣淀積層隨剖面不斷加深，呈規(guī)律性變化?？梢酝ㄟ^研究典型剖面各層團(tuán)聚體形成的膠結(jié)機(jī)制，反映黏粒、碳酸鈣、有機(jī)碳在團(tuán)聚體形成及穩(wěn)定中的作用。

土壤腐殖質(zhì)層中有機(jī)碳是最主要的膠結(jié)物質(zhì)，且團(tuán)聚體穩(wěn)定性與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)[42-43]；但研究表明，當(dāng)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約>15 g/kg時(shí)，>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨有機(jī)碳增加而增加的趨勢(shì)變緩[42-43]。其原因可能包括3個(gè)方面：1)隨有機(jī)碳的增多，土壤腐殖層非穩(wěn)定性易礦化有機(jī)碳增多[5]，其分解會(huì)在一定程度上降低團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。2)腐殖質(zhì)層土壤結(jié)構(gòu)除了受自組織結(jié)構(gòu)影響，還受到外部因素的影響[27,30]，大團(tuán)聚體主要受根系纏繞等作用[27]，根系生物量、表面積和根長(zhǎng)密度與土壤有機(jī)碳有著極顯著的相關(guān)性[44]；但當(dāng)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加大一定程度后，根系生物量保持穩(wěn)定，因此，可能造成大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再增加或增速變緩。3)土壤有機(jī)碳與陽離子交換量正相關(guān)，由于土壤表面可交換的陽離子量是一定的[15]，當(dāng)黃土高原土壤腐殖質(zhì)層有機(jī)碳積累達(dá)到閾值時(shí)，土壤有機(jī)碳的進(jìn)一步增加可能并不會(huì)加強(qiáng)對(duì)陽離子(主要是鈣離子)靜電吸附因而團(tuán)聚體穩(wěn)定性增速變緩。但是，哪種原因占主導(dǎo)地位尚不清楚，需進(jìn)一步定量分析有機(jī)碳官能團(tuán)的類型及質(zhì)量分?jǐn)?shù)、植物根系與大團(tuán)聚體間關(guān)系、有機(jī)碳與碳酸鈣的交互作用。

在土壤剖面過渡層，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，且隨著剖面的加深有機(jī)碳中酮—C等穩(wěn)定性官能團(tuán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多，脂肪—C等活性官能團(tuán)減少[5]，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間顯著正相關(guān)[42-43]。碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加[10,14]，黃土高原東南方向少部分地區(qū)出現(xiàn)黏粒淀積[12]。在黃土高原部分東南地區(qū)黏粒、碳酸鈣、有機(jī)碳共同作用促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，在西北部地區(qū)則主要是有機(jī)碳和碳酸鈣共同發(fā)揮作用；因此，此層應(yīng)重點(diǎn)研究膠結(jié)物質(zhì)在團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定過程中相互作用的方式及大小。

到碳酸鈣淀積層，隨著剖面加深，有機(jī)碳及黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低[10]；但有研究指出當(dāng)此層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在約3 g/kg時(shí)，土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性仍有較大差異[43]，團(tuán)聚體穩(wěn)定性的差異可能是由于碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)等差異所導(dǎo)致。碳酸鈣在缺乏有機(jī)碳情況下發(fā)揮主要膠結(jié)作用[33]，促使土壤團(tuán)聚化；但是由于缺乏有機(jī)碳，淀積層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性明顯低于腐殖質(zhì)層[43]。以往碳酸鈣的研究主要集中在微團(tuán)聚體形成過程及與有機(jī)碳的共同作用[19,26]，然而碳酸鈣對(duì)大團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定的作用方式及強(qiáng)度仍不清楚，通過研究此層中碳酸鈣的膠結(jié)作用可以彌補(bǔ)以往研究中的不足。

3 結(jié)論與展望

1) 黃土高原土壤團(tuán)聚體中膠結(jié)物質(zhì)分布有典型的區(qū)域特征，在空間上呈規(guī)律性變化。目前，膠結(jié)物質(zhì)分布的研究主要集中在空間差異，還應(yīng)進(jìn)一步深入研究其在各級(jí)團(tuán)聚體中的差異。

2) 黏?？梢酝ㄟ^自身的凝聚作用形成穩(wěn)定性不高的微凝聚體；碳酸鈣通過陽離子鍵、原子分子間的引力等形成穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體，并通過影響有機(jī)無機(jī)轉(zhuǎn)化來影響土壤團(tuán)聚體的形成；有機(jī)碳通過基團(tuán)分子極性、靜電引力等形成較為穩(wěn)定的多級(jí)團(tuán)聚體。定量研究不同形態(tài)的碳酸鈣及有機(jī)碳官能團(tuán)的作用應(yīng)是下一步研究重點(diǎn)。

3) 黏粒、碳酸鈣、有機(jī)碳相互作用促進(jìn)團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定。有機(jī)碳和黏粒的“雙向分選”作用、有機(jī)無機(jī)間轉(zhuǎn)化、有機(jī)無機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體等反映了膠結(jié)物質(zhì)間的相互作用，但具體的作用方式、強(qiáng)度仍需進(jìn)一步研究。

4) 土壤剖面團(tuán)聚體膠結(jié)機(jī)制主要呈現(xiàn)出：腐殖質(zhì)層主要反映有機(jī)碳的膠結(jié)機(jī)制；過渡層膠結(jié)物質(zhì)的交互作用突出；淀積層主要反映碳酸鈣的膠結(jié)機(jī)制。

今后應(yīng)在分子水平上研究團(tuán)聚體形成過程中膠結(jié)物質(zhì)的作用方式、原子間距、鍵能等，模擬并定量分析各類膠結(jié)物質(zhì)在各粒徑團(tuán)聚體形成過程中的作用及膠結(jié)能力，其中碳酸鈣與有機(jī)碳的耦合膠結(jié)機(jī)制應(yīng)是黃土高原土壤團(tuán)聚體重點(diǎn)研究的方向。

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(責(zé)任編輯：宋如華)

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

項(xiàng)目名稱：國(guó)家自然科學(xué)基金“膠結(jié)物質(zhì)驅(qū)動(dòng)的土壤團(tuán)聚體形成過程與穩(wěn)定機(jī)制”(41330852)

張耀方(1991—)，女，碩士研究生。主要研究方向：土壤結(jié)構(gòu)。E-mail: ucaszyf@163.com

?通信作者簡(jiǎn)介：趙世偉(1962—)，男，博士，研究員。主要研究方向：土壤結(jié)構(gòu)及固碳機(jī)制。E-mail： swzhao@ms.iswc.ac.cn

S152.4

A

1672-3007(2015)05-0145-06