紅砂土團聚體的組成特點及其對改良劑的響應

胡燕芳,章明奎

(1.浙江省衢州市柯城區土肥與農村能源技術推廣站,浙江 衢州 324000;2.浙江大學 環境與資源學院,浙江 杭州 310058)

土壤團聚體是土粒經各種物理、化學和生物學作用形成的直徑在10.00～0.25 mm的結構單位,是土壤結構構成的物質基礎,其可對多種理化性質產生影響[1]。土壤團聚體發育狀況可用水穩定性團聚體的數量衡量,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,可以調控土壤中氣體交流、熱量平衡及生物活動[2-4]。大量的研究表明,具高量水穩性團聚體的土壤爽水性較好,有利于抗旱、保墑,不易發生地表徑流,并有助于作物的生長和土壤養分的平衡,是農作物高產、穩產的基礎[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,其物質組成和性狀與其母巖密切相關,引人注目。紅砂土發育于第三紀紅砂巖的殘坡積物,由于其巖性疏松，易風化崩解,風化體缺乏粘粒,其上形成的土壤粉砂性強、結持性差,易遭雨水的剝蝕,因此,紅砂土土層淺薄，粗骨性強，礦質養分含量低,蓄水保肥性差[7]。盡管紅砂土在土壤屬性上存在諸多不足,但因其分布區氣候條件優越，地勢較為低緩,水熱豐富,多被開墾為農地(包括旱地和水田)。為了改善這類土壤的質量,許多地區推行“增施有機肥”、“發展綠肥”、“配施磷肥”及“施用石灰”等措施來提升地力,明顯改善了土壤養分狀況[7]。但即使多年種植的農地,紅砂土的有機質和結構常常難以得到明顯改善。施用有機肥和石灰是我國南方地區傳統的改善土壤結構的主要方法[8-9],但其對砂質土壤結構的改善效果一般。近年來,國內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)用于土壤結構的改良[10-12],它們具有穩定性高、毒性弱的優點[13-16]。為了深入了解紅砂土團聚體的組成特點及其影響因素,認識人工合成改良劑對紅砂土結構的可調控性,本研究以位于浙江省衢州市的紅砂土為研究對象,通過采集不同利用方式、利用歷史的紅砂土樣品,鑒定了紅砂土的團粒結構組成特點,分析了影響紅砂土水穩定性團聚體形成的主要因素,在此基礎上,選擇了4種改良劑(聚丙烯酰胺、β-環糊精、腐殖酸和商品有機肥),通過模擬試驗研究了它們在促進紅砂土壤水穩定性團聚體形成上的效果。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

從浙江省衢州市的衢江區、柯城區、龍游縣采集了同為紅砂巖發育的25個表層土樣,土地利用方式包括林地、果園、耕地,相應的樣本數分別為7、8和10。樣品采集深度為0～20 cm,系多點混合樣。將土樣保持原狀，經風干混勻后分為2個部分,一份用于團聚體的測定,另一份分別過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-環糊精、腐殖酸和商品有機肥,其中商品有機肥代表常規的結構改良劑。PAM是人工合成的水溶性高分子有機聚合體,其為白色顆粒;β-環糊精是含7個葡萄糖單元的環狀低聚糖類物,是由直鏈淀粉在由芽孢桿菌產生的環糊精葡萄糖基轉移酶作用下生成的;腐殖酸是一類多環稠環有機化合物,以泥炭、褐煤為原料人工制成的褐腐酸鈉,其結構與土壤中的腐殖質相似,但其穩定性較高。

1.3 結構改良試驗

試驗因素包括結構改良劑種類和用量2個方面。4種改良劑的用量(以干土為基準)各設0.05%、0.10%、0.20%和0.50%共4個等級,同時設對照(不施結構改良劑);共有17個處理,每個處理重復3次。試驗于2016年選擇代表性紅砂土在溫室中進行(溫度在25 ℃左右),所用容器直徑30 cm、高20 cm,每個容器用土量均為5.0 kg,供試土壤理化性狀見表1。在試驗前土樣過5 mm土篩，混勻。改良劑施用量根據設定的比例與試驗用土量計算。將改良劑與土壤充分混勻后,加入適量的水,使土壤含水量調至田間持水量的75%～80%,裝入培養容器中。在每個容器上各覆3層砂布，以防止加水直接沖刷土壤；試驗持續6個月,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

1.4 分析方法

土壤pH值采用電位計[17]測定,土水比為1∶2.5;土壤容重采用環刀法[17]測定;水穩定性團聚體用濕篩法[18]測定;土壤有機碳的分布采用濕篩法粒級分組與密度分離相結合的方法進行分析。將濕篩法獲得的不同粒徑(>5、5～2、2～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm)的水穩定性團聚體烘干稱重后,磨細過0.15 mm篩,采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定其有機碳含量。另分別稱取25.00 g樣品進行密度分組[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0.25 mm和0.053 mm的篩子,分別得到粗顆粒有機碳(cPOC，>0.25 mm)、細顆粒有機碳(fPOC，0.25～0.053 mm)和礦物結合態有機碳(mSOC，<0.053 mm)；將各組分在40 ℃下烘干、稱重,用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定其有機碳含量。各粒級團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率采用下式計算:貢獻率=(該級團聚體中有機碳含量×該級團聚體含量)/土壤有機碳含量×100%。

2 結果與分析

2.1 紅砂土膠結物質數量和團聚體的組成特點

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

紅砂土的>0.25 mm干篩團聚體含量為19.35%～65.45%,平均為41.52%,變異系數為32.05%。>0.25 mm水穩定性團聚體含量為2.14%～32.65%,平均為13.75%,變異系數為55.07%。不同樣點間紅砂土水穩定性團聚體含量的變異系數明顯大于干篩團聚體,表明不同紅砂土間的水穩定性團聚體的變化更為明顯。團聚體的水穩定率(即>0.25 mm水穩定性團聚體占>0.25 mm干團聚體的比例)在11.06%和49.89%之間,平均只有31.13%,表明紅砂土中的團聚體的穩定性較低,明顯低于文獻上報道的紅壤的[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干團聚體、>0.25 mm水穩定性團聚體和團聚體的水穩定率在統計上均沒有達到顯著差異,但從平均值來看,林地與果園間的這些參數非常接近,而耕地的>0.25 mm干團聚體、>0.25 mm水穩定性團聚體和團聚體的水穩定率分別比林地低12.14、6.84、6.17個百分點，分別比園地低12.66、6.27、5.54個百分點,表明耕作不利于土壤水穩定性團聚體的形成,這與相關文獻報道的結果[22-24]相同。

相關分析結果表明,>0.25 mm干團聚體、>0.25 mm水穩定性團聚體和團聚體的水穩定率與粘粒含量和有機質含量均存在顯著的相關,相關系數分別為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較弱(沒有達到顯著水平),其中與有機碳含量的相關性更為顯著。這一結果說明,有機碳積累是影響>0.25 mm水穩定性團聚體形成的關鍵因素[25]。以上分析也表明,紅砂土團聚體穩定性較弱與其粘粒含量低下、有機碳不易積累有關,從而限制了土壤水穩定性團聚體的形成。

表2 不同利用方式紅砂土的粘粒、有機碳含量及團聚體狀況

注:同一列數據后英文字母相同者表示差異不顯著。下同。

2.2 紅砂土中有機碳的分布特征

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

表3 紅砂土中不同粒徑水穩定性團聚體的分布及各粒徑團聚體中有機碳對土壤有機碳的貢獻率

用密度法對25個土壤有機碳的分組分析結果(表4)表明,紅砂土的有機碳主要以礦物結合態有機碳(mSOC,<0.053 mm)形式存在,其平均占85.79%;其次為細顆粒有機碳(fPOC,0.25～0.053 mm),平均占7.01%;粗顆粒有機碳(cPOC,>0.25 mm)和游離態輕組(fLF)的比例較低,平均分別占4.41%和2.79%。一般來說,礦物結合態有機碳與土壤礦物結合較為密切,是土壤中相對穩定的有機碳,而游離態輕組、粗顆粒有機碳和細顆粒有機碳是輸入土壤中的有機物質向土壤礦物結合有機碳轉變的中間產物,其穩定性較低,是土壤有機碳的活性組分。由此可見,紅砂土的有機碳穩定性較高,而活性較高的有機碳組分含量較低,這可能因為紅砂土缺乏粘粒,對土壤有機碳的保護能力較弱,進入土壤中的活性有機碳不易積累,易在短時間內分解；同時,也正是由于紅砂土粘粒含量較低,其對礦物結合態有機碳的保存能力也有限,因此,該類土壤有機碳積累能力較弱。表4結果表明,耕地中礦物結合態有機碳比例較高,而林地和園地中游離態輕組、粗顆粒有機碳和細顆粒有機碳的占比較高,這可能與林地和園地有較多有機物料進入土壤有關。

表4 紅砂土中不同形態有機碳的構成 %

2.3 改良劑對紅砂土團聚體形成的影響

表5結果表明,施用改良劑后土壤容重均比對照有所下降,除個別情況外,施用改良劑后土壤容重均低于對照土壤(1.39 g/cm3),這表明多數結構改良劑能增加土壤內部孔隙,增強土壤通氣性。但從表5中結果可知,商品有機肥對降低土壤容重的效果較差,只有當用量達到0.20%以上時,土壤容重才顯著低于對照。當腐殖酸用量為0.05%時,其對土壤容重的影響不明顯;當腐殖酸用量達到0.10%以上時,土壤容重顯著低于對照。而β-環糊精和PAM在任何用量下,在施用后土壤容重都顯著低于對照。總體上,改良劑降低土壤容重的效果表現為PAM>β-環糊精>腐殖酸>商品有機肥。有研究認為,PAM和β-環糊精為保水劑,其可通過吸收土壤水分導致土壤體積膨脹,降低土壤容重[26-27],增加透氣性[4]。

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

表5 不同改良劑對土壤容重和團聚體含量的影響(n = 3)

3 結論

本研究結果表明,紅砂土因缺乏無機膠體、有機質不易積累,其>0.25 mm水穩定性團聚體含量和團聚體的水穩定率普遍較低,在自然條件下和正常耕作下較難形成高量的水穩定性團聚體。紅砂土中活性有機碳易分解,不易積累,因此其有機碳主要以礦物結合態有機碳的形態存在,并集中分布在<0.25 mm粒徑的團聚體中。施用商品有機肥難以有效提高紅砂土水穩定性團聚體含量,而聚丙烯酰胺、β-環糊精等能明顯促進水穩定性團聚體的形成。研究認為,紅砂土可借助施用人工合成結構改良劑來改善其結構,其適宜的施用量約為0.20%。