膨潤土對鎘污染土壤團聚體結構特征及有機碳含量的影響

王潤瓏，徐應明，李 然，羅文文，孫約兵*

（1.農業農村部環境保護科研監測所，農業部產地環境污染防控重點實驗室，天津 300191；2.東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱150030；3.農業農村部環境保護科研監測所，天津市農業環境與農產品安全重點實驗室，天津 300191）

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，其大小、數量和質量影響土壤質量和肥力，并與土壤中能量交換、物質交換、微生物活動密切相關[1-2]，是評價土壤肥力和土壤質量的重要指標[3]。土壤有機質是土壤團聚體形成的重要膠結物質，一方面其含量的高低以及組成影響著土壤團聚體的穩定性，另一方面土壤團聚體是有機碳存在場所，可以保護土壤有機碳，減少有機碳的分解[4-6]。土壤顆粒有機碳是土壤的慢性碳庫[7]，可以反映土壤碳庫補充的程度[8]。因此，研究土壤團聚體和有機碳含量及組成對了解施加膨潤土修復重金屬污染土壤的環境效應尤為重要。

膨潤土是一種具有較大離子交換容量的片層結構硅酸鹽礦物，主要成分是蒙脫土[9-10]。由于具有膨脹性、吸附性、懸浮性、分散性，以及較大的比表面積和陽離子交換性等優異性而被廣泛地應用于廢水處理、空氣凈化、土壤修復等領域[11]。本課題組前期研究發現，施加膨潤土可有效降低土壤鎘（Cd）有效態含量以及Cd的生物有效性[12]，從而有效降低蔬菜可食部位重金屬含量[13]，在一定程度上緩解Cd脅迫對水稻幼苗的毒害作用，促進水稻幼苗的生長和發育[14]，在大田試驗中也表現出了很好的修復效果。然而，前期研究主要側重于重金屬的修復治理效果，對修復之后污染土壤的環境健康關注遠遠不夠，尤其是對農田土壤團聚體的分布及穩定性，乃至團聚體中碳素含量的影響尚未涉及。本文以Cd污染菜地原位鈍化修復定位試驗為依托，研究施用膨潤土后土壤團聚體分布特征與穩定性以及有機碳含量特征的影響，旨在為大面積示范推廣黏土礦物修復重金屬污染土壤提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗地點位于天津市東麗區某重金屬污水灌溉菜地（39°08′N，117°3′E），地處暖溫帶，屬半濕潤大陸性季風氣候，其年平均氣溫為11.8℃，年平均降水量為598 mm，無霜期為188 d。試驗土壤為湖沼相沉積物發育潮土，土壤理化特征為：砂粒22.10%，粉粒53.00%，黏粒24.9%，pH 7.61，有機質含量為16.00 g·kg-1，試驗點供試土壤Cd含量均值為1.63 mg·kg-1。鈍化修復材料膨潤土購買于天津一商化工貿易有限公司，其化學組成為：SiO257.36%，Al2O319.24%，Fe2O36.27%，CaO 5.29%，MgO 1.20%，TiO20.42%。比表面積為55.87 m2·g-1，pH為8.14。

1.2 試驗設計

Cd污染土壤鈍化修復試驗時間開始于2013年4月，試驗共設4個處理，分別為：CK對照處理，不施加鈍化材料；膨潤土處理組（P1），施加膨潤土的量為0.75 kg·m-2；膨潤土處理組（P2），施加膨潤土的量為1.5 kg·m-2；膨潤土處理組（P3），施加膨潤土的量為2.25 kg·m-2。每個處理各設3次重復，共12個小區，小區面積30 m2，共360 m2。試驗所用膨潤土于種植作物前40 d均勻撒施，并對其耕耙，耙地深度為0～15 cm，試驗區作物栽培管理措施與正常生產方式相同。

1.3 土樣采集

2016年9月中旬于試驗地采集耕層土壤，采集時去除土體表面的大塊石礫，植物殘枝，裝于保鮮盒內帶回實驗室，在室內自然風干。將可見的小石塊，動植物殘體挑除，沿土壤自然所形成的裂隙掰成1 cm左右的小塊，通過8 mm孔徑篩，于零下4℃保存備用。

1.4 分析方法

團聚體分級采用李娟等[15]篩分團聚體的方法。具體方法為：利用電動振篩機（TTF-100）篩取機械穩定性土壤團聚體，具體方法為將5、2、1、0.5 mm和0.25 mm孔徑的土篩由上至下套合，準確稱取過8 mm孔徑土篩的土樣100 g于最上面的土篩中，以一定頻率篩分 5 min，得到 5～8、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、＜0.25 mm，共6種粒徑的土壤團聚體顆粒，分別稱量所得土壤團聚體顆粒質量，計算土壤的機械穩定性團聚體顆粒組成。

土壤總有機碳采用水合熱重鉻酸鉀氧化比色法測定[16]，土壤顆粒態有機碳采用六偏磷酸鈉分離法測定[17]，土壤有機碳紅外光譜采用傅里葉紅外光譜儀進行分析。

1.5 數據處理

采用Excel 2003，Origin 8.0和SPSS 20.0進行有關數據的計算、相關分析、方差分析和圖表制作，采用Duncan（D）法進行差異顯著性檢驗。

土壤各粒級團聚體質量百分比計算公式：

各粒級團聚體百分比=該粒級團聚體質量/團聚體總質量×100%

團聚體穩定性采用幾何平均直徑（GMD）和平均質量直徑（MWD）進行描述。MWD和GMD采用邱莉萍等[18]推導的公式確定：

各級團聚體碳含量對土壤碳含量的貢獻率計算公式：

2 結果與討論

2.1 膨潤土對土壤團聚體分布和穩定性的影響

表1為不同膨潤土處理下土壤團聚體粒徑分布特征。在各處理中，不同粒徑團聚體含量分布規律相似，即2～5 mm粒徑土壤團聚體所占比例最大，0.25～0.5 mm粒徑團聚體所占比例最小，供試土壤＞2 mm團聚體所占比例較高，4組處理均大于70%，＜0.5 mm粒徑團聚體含量較小，4個處理組含量變化為6.11%～18.07%。在不同處理下，同粒徑團聚體含量變化隨膨潤土添加量的增加，呈現相同規律，投加膨潤土有效提升5～8 mm和2～5 mm粒徑團聚體含量，相比對照組，其含量分別增加9.19%～72.85%和1.61%～12.91%（在5～8 mm中，P3處理達到顯著性差異。在2～5 mm中，P3處理均達到顯著性差異，P1，P2與CK存在差異，但不顯著），投加膨潤土降低1～2、0.5～1、0.25～0.5 mm和＜0.25 mm粒徑團聚體含量，相比對照組，各粒徑團聚體降低范圍分別為6.75%～7.39%、3.80%～30.61%、11.59%～58.25%和34.40%～70.43%（在1～2、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑團聚體中，P1和P2處理相比CK未達到顯著性差異，P3處理相比CK在0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑團聚體中達到顯著性差異，在＜0.25 mm粒徑團聚體中，投加膨潤土處理組P1、P2、P3均達到顯著性差異），投加一定量的膨潤土提高2～8 mm粒徑土壤團聚體含量，降低＜2 mm粒徑團聚體含量。

韓鳳朋等[19]指出外源物質的輸入會改變土壤結構狀況和物理性質。本文通過向土壤中投加一定質量分數的黏土材料膨潤土，提升了2～5 mm和5～8 mm粒徑的土壤團聚體數量，降低了＜2 mm粒徑團聚體的數量，這說明，投加膨潤土使小顆粒土壤團聚體向大顆粒土壤團聚體方向轉化。毛霞麗等[20]在對浙江稻田土中施加肥料的研究中指出不同施肥措施可以顯著提高＞2 mm粒徑的土壤團聚體，這與本文所得結果相似。Liu 等[21]、Krull等[22]和 Zwieten 等[23]也有類似的發現。其可能的原因是因為膨潤土黏土顆粒小、比表面積大，吸附現象明顯，使得土壤小顆粒團聚體向大顆粒團聚體轉化；另一方面土壤有機質是土壤團聚體形成的膠結物質，大顆粒團聚體數量增加也有可能是因為膨潤土的施加改變土壤中有機質的含量，進而導致團聚體數量的變化。

土壤團聚體穩定性采用幾何平均直徑（GWD）和平均質量直徑（MWD）進行描述。表2為不同處理下土壤團聚體GMD和MWD值。不同膨潤土處理組，土壤團聚體GMD和MWD值均為P3＞P2＞P1＞CK，且GMD值與MWD值1%、1.5%膨潤土處理組相比CK對照組均達到顯著差異（P＜0.05），0.5%膨潤土處理組相比CK差異不顯著。即向土壤中投加膨潤土的量越多，GMD和MWD值越大。

表1 不同膨潤土處理下土壤各級團聚體的百分含量（%）Table 1 The percentage content of soil aggregate under different bentonite treatments（%）

表2 不同膨潤土處理下土壤團聚體GMD和MWD值Table 2 The soil aggregate GMD and MWD under different bentonite treatments

土壤團聚體的GMD和MWD值可以反應土壤團聚體大小分布狀況，當GMD與MWD值升高，土壤團聚度增加，穩定性就越強。本文研究發現，當向土壤中投加一定量的膨潤土（質量分數分別為0.5%、1%和1.5%）時，土壤團聚體GWD和MWD升高，土壤團聚體穩定性增強。目前關于對土壤團聚體穩定性的研究大多關注土地利用方式、施肥措施、農田種植作物種類等方面，對于添加外源物質對土壤團聚體穩定性的影響也大部分停留在生物炭、秸稈等物質方面，添加黏土材料等物質的研究鮮見報道，而且結論不一。安婉麗等[24]通過對水稻秸稈還田的研究發現秸稈添加可以提高晚稻土壤團聚體MWD、GMD值。張鵬等[25]通過對粒徑＞0.25 mm大團聚體穩定性分析發現，秸稈還田可以提高土壤機械穩定性和水穩性團聚體結構水平，增加土壤穩定性并改善土壤結構狀況。而葉麗麗等[26]通過室內培養，向土壤中添加生物炭的研究中發現，添加生物炭降低了土壤團聚體的穩定性。有報道指出土壤團聚體形成和穩定受有機質種類和數量所影響[27]，本研究發現投加膨潤土提升土壤團聚體穩定性，原因在于膨潤土提高土壤大粒徑團聚體的含量及有機碳含量，為二者共同作用的結果。還有研究指出微生物的存在亦會影響土壤團聚體的穩定性[28]，添加膨潤土是否會影響土壤微生物還需進一步研究。

2.2 膨潤土對土壤團聚體中總有機碳和顆粒態有機碳含量的影響

有機碳是土壤團聚體形成和穩定的主要膠結物質，土壤團聚體是有機質轉化和累積的關鍵場所。如圖1A所示，土壤中有機碳含量隨著膨潤土投加量的增加呈現上升趨勢。當膨潤土的投加量為0.5%（P1）時，土壤中有機碳含量達到15.91 g·kg-1，相比對照組CK，增加了10.95%，但未達到顯著性差異（P＞0.05），當膨潤土的投加量為1%（P2）時，土壤中有機碳含量達到19.39 g·kg-1，相比對照組CK，增加了35.22%，當膨潤土的投加量為1.5%（P3）時，土壤中有機碳含量達到23.72 g·kg-1，相比對照組CK，增加了65.41%，P2和P3均達到顯著性差異（P＜0.05）。圖1B為不同粒徑土壤團聚體中有機碳含量的變化?？傮w上看，土壤團聚體中有機碳的含量隨著土壤團聚體粒徑的減小，呈現出先增加后降低的趨勢，且在0.5～1 mm粒級團聚體中有機碳含量達到最大。由圖1B可知，6種粒徑土壤團聚體中有機碳的變化隨著膨潤土的施加量的增加呈現出相同的趨勢，即有機碳含量隨著膨潤土施加量的增加而增加。在5～8 mm和＜0.25 mm粒徑中，有機碳增加的幅度為2.31%～56.92%和3.47%～25.43%（P＞0.05）；在2～5 mm和0.25～0.5 mm粒徑團聚體中P3相比P2、P1、CK三個處理組增加達到顯著性差異（P＜0.05），且兩個粒徑中，有機碳最大增加量分別為82.37%和47.04%；在1～2 mm和0.5～1 mm兩個粒徑團聚體中，P1處理相比CK對照組增加（P＞0.05），P2處理相比CK對照組在兩個粒徑中分別增加了74.92%和44.03%（P＜0.05），P3處理相比CK在1～2 mm和0.5～1 mm粒徑團聚體中有機碳含量分別增加了103.69%和76.57%。

向土壤中投加黏土材料膨潤土改變了土壤團聚體中有機碳的含量，其原因為膨潤土的吸附作用使得土壤細小顆粒的團聚體向大顆粒團聚體方向轉化，使得土壤有機碳的轉化和積累得到充分的保障，故增加了土壤有機碳含量。侯曉娜等[29]通過向黑土中添加生物炭和秸稈，研究發現可使0.5～2 mm粒級土壤團聚體中有機碳含量提高，這與本文的研究結果相似。而王雙磊等[30]研究發現，棉花秸稈主要提高了0.25～0.5 mm和＜0.25 mm粒徑團聚體中有機碳含量，本文在此粒徑中有機碳含量雖然也存在增加，但是增加量最多的團聚體粒徑為0.5～1 mm，與宋明偉等[31]的研究結果一致。Elliott等[32]和Six等[33]也表明土壤團聚體中有機碳受團聚體粒徑分布、微生物存在狀態等多方面影響。土壤團聚體中有機碳變化受多種因素共同作用影響，單一因素不能成為土壤團聚體中有機碳含量變化的原因。

顆粒態有機碳具有生物與化學活性，富集養分、金屬以及生物異源物質，對土壤團聚體的形成與穩定起著重要的作用[34]。圖2為投加膨潤土后顆粒態有機碳在土壤團聚體中含量變化。由圖2A可知向土壤中投加膨潤土后顆粒態有機碳含量下降，投加膨潤土的三組處理相比CK對照分別降低了11.64%、7.88%和10.62%，但未達到顯著性差異（P＞0.05）。由圖2B可知，投加膨潤土會降低6個粒徑土壤團聚體中顆粒態有機碳的含量，總體上看，土壤顆粒態有機碳含量隨著土壤團聚體粒級的減小，先升高后降低，在0.25～0.5 mm粒徑團聚體中含量最高；其中在5～8、1～2 mm和0.5～1 mm粒徑團聚體中顆粒態有機碳含量為CK＞P1＞P3＞P2，在 2～5 mm和＜0.25 mm粒級團聚體中顆粒態有機碳含量CK＞P2＞P3＞P1，在0.25～0.5 mm粒徑團聚體中顆粒態有機碳含量表現為CK＞P1＞P2＞P3。在6種粒徑團聚體中顆粒態有機碳變化范圍分別為4.64～5.77、4.83～5.44、4.87～5.38、5.26～6.36、5.69～7.79 g·kg-1和 5.29～6.41 g·kg-1。其中在 P3處理組 0.25～0.5 mm粒徑團聚體中土壤顆粒態有機碳降低得最多，相比CK對照，降低了26.96%。李斌等[35]在向土壤中施硫的研究中發現一定的施硫水平會顯著降低土壤中顆粒態有機碳含量，毛艷玲等[36]的研究結果也表明在土地利用方式中人為因素提升亦會顯著降低顆粒態有機碳的含量。本文通過向土壤中投加膨潤土，對土壤0～20 cm土層的擾動加大，這可能是降低土壤顆粒態有機碳含量的一種原因。有研究發現溫度、濕度等因素也會影響土壤顆粒態有機碳含量的變化[34]。

圖1 不同膨潤土處理下土壤團聚體中有機碳含量Figure 1 The content of SOC in soil aggregates under different bentonite treatments

2.3 土壤團聚體中有機碳紅外表征

圖3為不同膨潤土處理組在不同粒徑中有機碳紅外光譜圖。紅外光譜中各吸收峰歸屬參照李婷等[37]、毛霞麗等[20]、Dawwit等[38]和 Mao等[39]的圖譜解析。由圖3可以看出，在不同處理下，各個粒徑的土壤團聚體中有機碳的紅外光譜圖譜形狀相似，吸收峰峰型相似，但吸收強度不同。在紅外圖譜中，在3424 cm-1處有酚類化合物-OH的O-H伸縮振動峰，在1633 cm-1處有芳香C，也可能是醌、酮的C=O伸縮振動峰，在1389 cm-1處有脂肪族C甲基和亞甲基的變形振動峰，在1077 cm-1處有多糖C-O伸縮振動峰，在695 cm-1處有烯烴化合物=C-H的變形振動峰。說明投加黏土材料膨潤土不會改變土壤團聚體中有機碳的組成，只會影響其官能團的百分含量。說明本研究有機碳類型可能是以芳香C為骨架，含有羥基、烯基，以及多糖等多種官能團。

圖2 不同膨潤土處理下土壤團聚體中顆粒態有機碳含量Figure 2 The content of POC in soil aggregates under different bentonite treatments

向土壤中投加生物炭、施肥等措施對土壤有機碳影響的研究很多。如趙世翔等[40]向土壤中添加不同溫度制備的生物炭，研究發現添加生物炭并未改變土壤有機碳種類，只影響土壤有機碳部分官能團的數量。毛霞麗等[20]通過施肥措施研究土壤中有機碳的種類未發生變化，而有機碳各部分官能團數量發生改變。也有研究發現，溫度、濕度等因素會影響土壤芳香族碳和多糖結構的數量[41]。本文投加膨潤土改變了土壤有機碳官能團數量，而膨潤土的投加會提高土壤的pH值，pH值的增加會導致有機碳中弱酸性官能團的去質子化，這使得活性有機碳的親水性和電荷密度增加，從而增加土壤水溶性有機碳的溶解性。土壤水溶性有機碳，會促進土壤中微生物的繁殖，進而改變土壤中碳含量。投加膨潤土會影響土表溫度、濕度等因素，也會改變土壤中碳的儲存量。本研究僅對團聚體有機碳進行初步結構表征，還需進一步結合核磁共振技術來更精確地分析其分子結構。

圖3 不同膨潤土處理下團聚體有機碳紅外光譜圖Figure 3 The organic carbon infrared spectra of aggregate processed by different bentonite

由表3可以看出，土壤團聚體中各種官能團所占百分比在投加不同量的膨潤土處理下的變化趨勢。向土壤中投加膨潤土后，多糖類官能團含量呈現降低趨勢，相比對照組CK，降低幅度為6.57%～21.89%；烯烴類、烷烴類和酚類官能團含量在投加膨潤土之后升高，相比對照組CK，其含量增加幅度分別為1.51%～4.55%%、2.60%～36.28%和2.06%～10.98%。芳香族碳含量在P1處理時增加，對比CK增加了2.88%，P2和P3處理均降低了芳香族碳的含量。各種基團未因膨潤土投加量的增加呈現出相同的變化規律，可能是因為不同的官能團變化所受影響因素機制不同。對有機碳紅外光譜中官能團含量變化的研究中，影響其含量變化因素多種多樣。彭義等[42]在研究耕作條件對土壤有機碳紅外光譜特征中指出免耕秸稈覆蓋和常規壟作相比，具有不同程度的固碳效應；任雅閣等[43]在研究中指出氣候條件的差異是當地土壤有機碳官能團組成差異的主要原因。研究發現耕作方式、生物炭添加、施加肥料、自然因素等一系列因素均會改變土壤有機碳官能團組成[20，40，42-43]。

2.4 土壤團聚體對總有機碳和活性有機碳的貢獻率

由表4可知土壤各級團聚體對土壤有機碳和顆粒態有機碳含量的貢獻率之間的變化。首先，土壤團聚體對有機碳的貢獻率表現出與團聚體組成比例相似的規律。不同處理間＞0.5 mm團聚體有機碳貢獻率 為 P3（92.46%）＞P2（86.86%）＞P1（83.10%）＞CK（75.64%）。說明＞0.5 mm土壤團聚體為團聚體有機碳主要載體。由表4可知，投加膨潤土主要提高了5～8 mm和2～5 mm粒徑土壤團聚體有機碳的貢獻率，增幅比例分別為1.91%～63.57%和4.96%～24.26%（P＞0.05），1～2 mm和0.5～1 mm粒徑土壤團聚體有機碳貢獻率先升高后降低（P＞0.05），0.25～0.5 mm和＜0.25 mm粒徑土壤團聚體有機碳貢獻率有所減?。≒＜0.05）。土壤團聚體對團聚體中顆粒態有機碳含量貢獻率的變化與對團聚體中有機碳的貢獻率相同。投加膨潤土提高了5～8 mm和2～5 mm粒徑土壤團聚體顆粒態有機碳貢獻率，提高幅度分別為11.24%～72.35% 和 3.59%～23.12%，1～2 mm（P＞0.05）和 0.5～1 mm（P＜0.05）粒徑土壤團聚體顆粒態有機碳貢獻率先升高后降低，0.25～0.5 mm和＜0.25 mm粒徑土壤團聚體顆粒態有機碳貢獻率有所減小（P＜0.05）。投加膨潤土可以提高2～5 mm粒級團聚體對土壤有機碳和顆粒態有機碳含量的貢獻率（P＞0.05），并降低＜0.5 mm粒級團聚體對土壤有機碳和顆粒態有機碳含量的貢獻率（P＜0.05）。本文所得研究結果與李文軍等[44]和李娟等[45]的研究結果相似。這說明大顆粒土壤團聚體是土壤碳養分的主要貢獻載體。本研究投加膨潤土提高大顆粒土壤團聚體中碳養分的貢獻率，原因為投加膨潤土導致土壤大顆粒團聚體比例增加，而大顆粒團聚體對土壤有機碳具有固持作用，從而其貢獻率提升。膨潤土自身的理化性質是否會影響其貢獻率的變化還需進一步的研究。

表3 FT-IR光譜特征半定量分析團聚體土壤有機碳不同官能團相對百分含量（%）Table 3 Relative proportions of the different organic C functional groups in aggregates resolved by FT-IR spectroscopy（%）

3 結論

（1）投加膨潤土提升2～5 mm和5～8 mm粒徑的土壤團聚體數量，1～2、0.5～1、0.25～0.5 mm和＜0.25 mm粒徑的土壤團聚體數量有所減少；投加膨潤土會提高土壤團聚體GMD和MWD值，土壤團聚體穩定性增加。

表4 土壤各級別團聚體對土壤有機碳和顆粒態有機碳含量的貢獻率（%）Table 4 The contribution rate of soil SOC and POC content at different levels of soil aggregate（%）

（2）土壤中有機碳含量隨著膨潤土的投加量的增加呈現上升趨勢，與對照相比，P3處理組土壤有機碳含量增加65.41%（P＜0.05）。而各粒徑團聚體中顆粒態有機碳含量則下降，最大降低了11.64%。

（3）利用紅外表征發現，膨潤土改變了土壤有機碳官能團數量，但不會改變有機碳官能團的種類；多糖類官能團含量降低，烯烴類、烷烴類和酚類官能團含量升高，芳香族碳含量在P1處理時增加，P2和P3處理時其含量降低。

（4）投加膨潤土提高了5～8 mm和2～5 mm粒徑土壤團聚體有機碳和顆粒有機碳的貢獻率（P＞0.05），降低了0.25～0.5 mm和＜0.25 mm粒徑土壤團聚體有機碳貢獻率（P＜0.05）。