胡燕芳,章明奎

(1.浙江省衢州市柯城區(qū)土肥與農(nóng)村能源技術(shù)推廣站,浙江 衢州 324000;2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 杭州 310058)

土壤團(tuán)聚體是土粒經(jīng)各種物理、化學(xué)和生物學(xué)作用形成的直徑在10.00～0.25 mm的結(jié)構(gòu)單位,是土壤結(jié)構(gòu)構(gòu)成的物質(zhì)基礎(chǔ),其可對(duì)多種理化性質(zhì)產(chǎn)生影響[1]。土壤團(tuán)聚體發(fā)育狀況可用水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的數(shù)量衡量,其多少直接影響土壤保水性、保肥性及固碳能力,影響土壤中降水的入滲和土壤侵蝕,可以調(diào)控土壤中氣體交流、熱量平衡及生物活動(dòng)[2-4]。大量的研究表明,具高量水穩(wěn)性團(tuán)聚體的土壤爽水性較好,有利于抗旱、保墑,不易發(fā)生地表徑流,并有助于作物的生長(zhǎng)和土壤養(yǎng)分的平衡,是農(nóng)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)[2,5-6]。

紅砂土是南方紅色盆地的一種特色土壤,因其顏色鮮明,其物質(zhì)組成和性狀與其母巖密切相關(guān),引人注目。紅砂土發(fā)育于第三紀(jì)紅砂巖的殘坡積物,由于其巖性疏松，易風(fēng)化崩解,風(fēng)化體缺乏粘粒,其上形成的土壤粉砂性強(qiáng)、結(jié)持性差,易遭雨水的剝蝕,因此,紅砂土土層淺薄，粗骨性強(qiáng)，礦質(zhì)養(yǎng)分含量低,蓄水保肥性差[7]。盡管紅砂土在土壤屬性上存在諸多不足,但因其分布區(qū)氣候條件優(yōu)越，地勢(shì)較為低緩,水熱豐富,多被開(kāi)墾為農(nóng)地(包括旱地和水田)。為了改善這類土壤的質(zhì)量,許多地區(qū)推行“增施有機(jī)肥”、“發(fā)展綠肥”、“配施磷肥”及“施用石灰”等措施來(lái)提升地力,明顯改善了土壤養(yǎng)分狀況[7]。但即使多年種植的農(nóng)地,紅砂土的有機(jī)質(zhì)和結(jié)構(gòu)常常難以得到明顯改善。施用有機(jī)肥和石灰是我國(guó)南方地區(qū)傳統(tǒng)的改善土壤結(jié)構(gòu)的主要方法[8-9],但其對(duì)砂質(zhì)土壤結(jié)構(gòu)的改善效果一般。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外已把人工合成的改良劑(包括聚乙烯醇類、聚丙烯酰胺類、瀝青乳劑和聚丙烯腈等)用于土壤結(jié)構(gòu)的改良[10-12],它們具有穩(wěn)定性高、毒性弱的優(yōu)點(diǎn)[13-16]。為了深入了解紅砂土團(tuán)聚體的組成特點(diǎn)及其影響因素,認(rèn)識(shí)人工合成改良劑對(duì)紅砂土結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性,本研究以位于浙江省衢州市的紅砂土為研究對(duì)象,通過(guò)采集不同利用方式、利用歷史的紅砂土樣品,鑒定了紅砂土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn),分析了影響紅砂土水穩(wěn)定性團(tuán)聚體形成的主要因素,在此基礎(chǔ)上,選擇了4種改良劑(聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、腐殖酸和商品有機(jī)肥),通過(guò)模擬試驗(yàn)研究了它們?cè)诖龠M(jìn)紅砂土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體形成上的效果。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

從浙江省衢州市的衢江區(qū)、柯城區(qū)、龍游縣采集了同為紅砂巖發(fā)育的25個(gè)表層土樣,土地利用方式包括林地、果園、耕地,相應(yīng)的樣本數(shù)分別為7、8和10。樣品采集深度為0～20 cm,系多點(diǎn)混合樣。將土樣保持原狀，經(jīng)風(fēng)干混勻后分為2個(gè)部分,一份用于團(tuán)聚體的測(cè)定,另一份分別過(guò)2 mm和0.125 mm篩，用于土壤理化分析。

1.2 供試改良劑

供試改良劑有4種,包括聚丙烯酰胺(PAM)、β-環(huán)糊精、腐殖酸和商品有機(jī)肥,其中商品有機(jī)肥代表常規(guī)的結(jié)構(gòu)改良劑。PAM是人工合成的水溶性高分子有機(jī)聚合體,其為白色顆粒;β-環(huán)糊精是含7個(gè)葡萄糖單元的環(huán)狀低聚糖類物,是由直鏈淀粉在由芽孢桿菌產(chǎn)生的環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用下生成的;腐殖酸是一類多環(huán)稠環(huán)有機(jī)化合物,以泥炭、褐煤為原料人工制成的褐腐酸鈉,其結(jié)構(gòu)與土壤中的腐殖質(zhì)相似,但其穩(wěn)定性較高。

1.3 結(jié)構(gòu)改良試驗(yàn)

試驗(yàn)因素包括結(jié)構(gòu)改良劑種類和用量2個(gè)方面。4種改良劑的用量(以干土為基準(zhǔn))各設(shè)0.05%、0.10%、0.20%和0.50%共4個(gè)等級(jí),同時(shí)設(shè)對(duì)照(不施結(jié)構(gòu)改良劑);共有17個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3次。試驗(yàn)于2016年選擇代表性紅砂土在溫室中進(jìn)行(溫度在25 ℃左右),所用容器直徑30 cm、高20 cm,每個(gè)容器用土量均為5.0 kg,供試土壤理化性狀見(jiàn)表1。在試驗(yàn)前土樣過(guò)5 mm土篩，混勻。改良劑施用量根據(jù)設(shè)定的比例與試驗(yàn)用土量計(jì)算。將改良劑與土壤充分混勻后,加入適量的水,使土壤含水量調(diào)至田間持水量的75%～80%,裝入培養(yǎng)容器中。在每個(gè)容器上各覆3層砂布，以防止加水直接沖刷土壤；試驗(yàn)持續(xù)6個(gè)月,期間采用重量法加入去離子水，使土壤含水量保持在田間持水量的70%～80%。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)

1.4 分析方法

土壤pH值采用電位計(jì)[17]測(cè)定,土水比為1∶2.5;土壤容重采用環(huán)刀法[17]測(cè)定;水穩(wěn)定性團(tuán)聚體用濕篩法[18]測(cè)定;土壤有機(jī)碳的分布采用濕篩法粒級(jí)分組與密度分離相結(jié)合的方法進(jìn)行分析。將濕篩法獲得的不同粒徑(>5、5～2、2～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm)的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體烘干稱重后,磨細(xì)過(guò)0.15 mm篩,采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定其有機(jī)碳含量。另分別稱取25.00 g樣品進(jìn)行密度分組[19],用密度為1.85 g/cm3的NaI溶液分離得到游離態(tài)輕組(fLF)和重組(HF);向剩余重組中加入0.5%(w/v)的六偏磷酸鈉(HMP)溶液,振蕩18 h,依次通過(guò)0.25 mm和0.053 mm的篩子,分別得到粗顆粒有機(jī)碳(cPOC，>0.25 mm)、細(xì)顆粒有機(jī)碳(fPOC，0.25～0.053 mm)和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(mSOC，<0.053 mm)；將各組分在40 ℃下烘干、稱重,用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定其有機(jī)碳含量。各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率采用下式計(jì)算:貢獻(xiàn)率=(該級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量×該級(jí)團(tuán)聚體含量)/土壤有機(jī)碳含量×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅砂土膠結(jié)物質(zhì)數(shù)量和團(tuán)聚體的組成特點(diǎn)

25個(gè)樣本的測(cè)定結(jié)果(表2)表明,紅砂土粘粒含量較低,為59～157 g/kg,平均為102 g/kg,變異系數(shù)為26.73%。相應(yīng)地,紅砂土游離氧化鐵含量和有機(jī)碳積累也較低，其中游離氧化鐵含量在3.77～11.28 g/kg,平均為7.89 g/kg,變異系數(shù)為27.66%；有機(jī)碳含量在4.25～19.33 g/kg,平均為11.47 g/kg,變異系數(shù)為37.15%。3類利用方式的紅砂土粘粒含量和有機(jī)碳含量均以林地為最高,有機(jī)碳以耕地最低,但由于不同樣點(diǎn)間粘粒含量和有機(jī)碳含量變化較大,因此土地利用方式對(duì)粘粒和有機(jī)碳含量的影響并不明顯。相關(guān)分析結(jié)果表明,土壤有機(jī)碳的積累與粘粒含量呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.772**(n=25)。

紅砂土的>0.25 mm干篩團(tuán)聚體含量為19.35%～65.45%,平均為41.52%,變異系數(shù)為32.05%。>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量為2.14%～32.65%,平均為13.75%,變異系數(shù)為55.07%。不同樣點(diǎn)間紅砂土水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量的變異系數(shù)明顯大于干篩團(tuán)聚體,表明不同紅砂土間的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的變化更為明顯。團(tuán)聚體的水穩(wěn)定率(即>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體占>0.25 mm干團(tuán)聚體的比例)在11.06%和49.89%之間,平均只有31.13%,表明紅砂土中的團(tuán)聚體的穩(wěn)定性較低,明顯低于文獻(xiàn)上報(bào)道的紅壤的[20,21]。由表2可知,雖然3種利用方式的紅砂土之間的>0.25 mm干團(tuán)聚體、>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體和團(tuán)聚體的水穩(wěn)定率在統(tǒng)計(jì)上均沒(méi)有達(dá)到顯著差異,但從平均值來(lái)看,林地與果園間的這些參數(shù)非常接近,而耕地的>0.25 mm干團(tuán)聚體、>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體和團(tuán)聚體的水穩(wěn)定率分別比林地低12.14、6.84、6.17個(gè)百分點(diǎn)，分別比園地低12.66、6.27、5.54個(gè)百分點(diǎn),表明耕作不利于土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成,這與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果[22-24]相同。

相關(guān)分析結(jié)果表明,>0.25 mm干團(tuán)聚體、>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體和團(tuán)聚體的水穩(wěn)定率與粘粒含量和有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著的相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.702*、0.710*、0.641*和0.912*、0.880*、0.750*(n=25),但與游離氧化鐵含量的相關(guān)較弱(沒(méi)有達(dá)到顯著水平),其中與有機(jī)碳含量的相關(guān)性更為顯著。這一結(jié)果說(shuō)明,有機(jī)碳積累是影響>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體形成的關(guān)鍵因素[25]。以上分析也表明,紅砂土團(tuán)聚體穩(wěn)定性較弱與其粘粒含量低下、有機(jī)碳不易積累有關(guān),從而限制了土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成。

表2 不同利用方式紅砂土的粘粒、有機(jī)碳含量及團(tuán)聚體狀況

注:同一列數(shù)據(jù)后英文字母相同者表示差異不顯著。下同。

2.2 紅砂土中有機(jī)碳的分布特征

表3為25個(gè)樣本水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的平均組成及各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。從中可知,由于紅砂土缺乏大粒徑水穩(wěn)定性團(tuán)聚體,其有機(jī)碳主要集中分布在<0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體中,其中約50%以上有機(jī)碳分布在<0.053 mm粒徑的團(tuán)聚體中。從各粒徑的有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率與團(tuán)聚體平均組成數(shù)值的相對(duì)大小可以看出,除<0.053 mm粒徑的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳有相對(duì)富集外(即<0.053 mm粒徑的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率數(shù)值高于<0.053 mm粒徑的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量),>0.5 mm粒徑的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳也有明顯的富集,且從表3結(jié)果可知,水穩(wěn)定性團(tuán)聚體粒徑越大,有機(jī)碳的相對(duì)富集也越明顯。這一結(jié)果表明,大粒徑的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成需要相對(duì)較高的有機(jī)碳含量。

表3 紅砂土中不同粒徑水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分布及各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

用密度法對(duì)25個(gè)土壤有機(jī)碳的分組分析結(jié)果(表4)表明,紅砂土的有機(jī)碳主要以礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(mSOC,<0.053 mm)形式存在,其平均占85.79%;其次為細(xì)顆粒有機(jī)碳(fPOC,0.25～0.053 mm),平均占7.01%;粗顆粒有機(jī)碳(cPOC,>0.25 mm)和游離態(tài)輕組(fLF)的比例較低,平均分別占4.41%和2.79%。一般來(lái)說(shuō),礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳與土壤礦物結(jié)合較為密切,是土壤中相對(duì)穩(wěn)定的有機(jī)碳,而游離態(tài)輕組、粗顆粒有機(jī)碳和細(xì)顆粒有機(jī)碳是輸入土壤中的有機(jī)物質(zhì)向土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳轉(zhuǎn)變的中間產(chǎn)物,其穩(wěn)定性較低,是土壤有機(jī)碳的活性組分。由此可見(jiàn),紅砂土的有機(jī)碳穩(wěn)定性較高,而活性較高的有機(jī)碳組分含量較低,這可能因?yàn)榧t砂土缺乏粘粒,對(duì)土壤有機(jī)碳的保護(hù)能力較弱,進(jìn)入土壤中的活性有機(jī)碳不易積累,易在短時(shí)間內(nèi)分解；同時(shí),也正是由于紅砂土粘粒含量較低,其對(duì)礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的保存能力也有限,因此,該類土壤有機(jī)碳積累能力較弱。表4結(jié)果表明,耕地中礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳比例較高,而林地和園地中游離態(tài)輕組、粗顆粒有機(jī)碳和細(xì)顆粒有機(jī)碳的占比較高,這可能與林地和園地有較多有機(jī)物料進(jìn)入土壤有關(guān)。

表4 紅砂土中不同形態(tài)有機(jī)碳的構(gòu)成 %

2.3 改良劑對(duì)紅砂土團(tuán)聚體形成的影響

表5結(jié)果表明,施用改良劑后土壤容重均比對(duì)照有所下降,除個(gè)別情況外,施用改良劑后土壤容重均低于對(duì)照土壤(1.39 g/cm3),這表明多數(shù)結(jié)構(gòu)改良劑能增加土壤內(nèi)部孔隙,增強(qiáng)土壤通氣性。但從表5中結(jié)果可知,商品有機(jī)肥對(duì)降低土壤容重的效果較差,只有當(dāng)用量達(dá)到0.20%以上時(shí),土壤容重才顯著低于對(duì)照。當(dāng)腐殖酸用量為0.05%時(shí),其對(duì)土壤容重的影響不明顯;當(dāng)腐殖酸用量達(dá)到0.10%以上時(shí),土壤容重顯著低于對(duì)照。而β-環(huán)糊精和PAM在任何用量下,在施用后土壤容重都顯著低于對(duì)照?？傮w上,改良劑降低土壤容重的效果表現(xiàn)為PAM>β-環(huán)糊精>腐殖酸>商品有機(jī)肥。有研究認(rèn)為,PAM和β-環(huán)糊精為保水劑,其可通過(guò)吸收土壤水分導(dǎo)致土壤體積膨脹,降低土壤容重[26-27],增加透氣性[4]。

表5結(jié)果表明,對(duì)照土壤因缺乏膠結(jié)物質(zhì),沒(méi)有>5 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體形成。施用4種結(jié)構(gòu)改良劑均在一定程度上提高了土壤中的大粒徑團(tuán)聚體的形成。當(dāng)施用相同比例的改良劑時(shí),水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的增加表現(xiàn)為PAM >β-環(huán)糊精>腐殖酸>商品有機(jī)肥。商品有機(jī)肥的用量只有超過(guò)0.20%時(shí)才出現(xiàn)>5 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體,而腐殖酸的用量超過(guò)0.10%時(shí)就可出現(xiàn)>5 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體,PAM和β-環(huán)糊精的用量為0.05%時(shí)就可出現(xiàn)較多的>5 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體。隨著商品有機(jī)肥用量的增加,土壤中大團(tuán)聚體雖有增加,但其增長(zhǎng)較緩，變化較小。PAM和β-環(huán)糊精用量由0.05%增加至0.10%時(shí),土壤中大團(tuán)聚體成倍增加,但當(dāng)用量超過(guò)0.20%時(shí),其增長(zhǎng)變緩。這表明對(duì)于本文所研究的土壤,添加0.20%的PAM或β-環(huán)糊精已足夠維持其較高的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的數(shù)量。腐殖酸對(duì)紅砂土水穩(wěn)定性團(tuán)聚體形成的促進(jìn)作用明顯低于PAM和β-環(huán)糊精,可能與前者的分子鏈相對(duì)較短有關(guān)。PAM 和β-環(huán)糊精屬于典型的高分子化合物,由于它們的分子量大,單個(gè)分子鏈上就能結(jié)合較多的土壤顆粒,因此形成的團(tuán)聚體穩(wěn)定性較高。PAM 和β-環(huán)糊精與土壤物質(zhì)的作用機(jī)理可能與它們含有的羥基、羧基、磺酸基、胺基、季銨鹽基等可通過(guò)范德華力、氫鍵及陽(yáng)離子橋等與土壤顆粒結(jié)合有關(guān)[26]。Wallace等(1986)認(rèn)為,高分子化合物可通過(guò)吸附、纏繞、貫穿或形成化學(xué)鍵等方式捕捉分散土粒而形成體積很大的絮團(tuán),增加土壤表面粗糙度[28]。

表5 不同改良劑對(duì)土壤容重和團(tuán)聚體含量的影響(n = 3)

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,紅砂土因缺乏無(wú)機(jī)膠體、有機(jī)質(zhì)不易積累,其>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體的水穩(wěn)定率普遍較低,在自然條件下和正常耕作下較難形成高量的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體。紅砂土中活性有機(jī)碳易分解,不易積累,因此其有機(jī)碳主要以礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的形態(tài)存在,并集中分布在<0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體中。施用商品有機(jī)肥難以有效提高紅砂土水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量,而聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精等能明顯促進(jìn)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成。研究認(rèn)為,紅砂土可借助施用人工合成結(jié)構(gòu)改良劑來(lái)改善其結(jié)構(gòu),其適宜的施用量約為0.20%。