紅壤區不同母質對水稻土土壤團聚體穩定性的影響

郭 澎，諸莉燕，柳開樓，付 責，張行健,3，羅朝暉，畢利東

（1.河海大學農業科學與工程學院，江蘇 南京 210098；2.江西省紅壤研究所，江西 南昌 330046；3.南京市雨花臺區水務總站，江蘇 南京 210012；4.南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇 南京 210095）

【研究意義】土壤團聚體是土壤結構的基本單元，是土壤中能量物質轉化代謝的重要場所［1］，團聚體在土壤中具有重要作用，包括保證和協調土壤中的水肥氣熱、影響土壤酶的種類和活性、維持和穩定土壤疏松熟化層［2］，并且＞0.25 mm水穩性團聚體量能夠體現土壤抗蝕性［3］。土壤母質是土壤形成的基礎，會造成土壤中團聚體的數量以及穩定性差異。我國南方紅壤地區占全國土地總面積的22.7%，生產的糧食占全國糧食總產量的44.5%，是我國重要的糧食生產基地，對南方不同母質發育的紅壤性水稻土團聚體穩定性差異進行研究能夠區分出土壤抗蝕性較差的區域，有利于對其采取預防性措施以減少水土流失，為紅壤資源的開發和利用提供重要的理論依據。【前人研究進展】土壤團聚體的穩定性受到環境變化［4］影響，一定干濕循環范圍內，隨著干濕循環次數增加，土壤團聚體穩定性增加。生物活動［5］也會對土壤團聚體穩定性產生影響，在土壤中接種蚯蚓能夠增加土壤中穩定性團聚體。植物的死根和落葉的分解能夠促進土壤中有機質的積累，增加土壤中的膠結物質，不同土地利用方式［1,6-7］不同植物會造成土壤團聚體穩定性的差異。土地利用年限也會影響土壤團聚體穩定性，長期進行同一種植模式的土壤團聚體穩定性會隨著種植年限的增加而下降［8］。土壤團聚體穩定性，還受到土壤本身機械組成、陽離子交換量、黏土礦物組成以及膠結劑類型等的影響［7,9］。土壤母質除造成土壤顏色差異［10］之外，會引起土壤中有機質、黏粒、鐵鋁氧化物量的差異［11］，進而影響土壤團聚體穩定性。王艷玲等［12］經過研究認為成土母質與利用方式對紅壤團聚體穩定性具有交互作用。目前紅壤區不同母質對土壤團聚體的影響研究有待深入。【本研究切入點】本研究擬通過濕篩法研究不同母質發育的紅壤性水稻土團聚體穩定性差異，并設置不同分散液研究不同母質發育的紅壤性水稻土團聚體的化學穩定性。【擬解決的關鍵問題】研究不同母質發育形成的紅壤性水稻土中土壤團聚體的水穩定性和化學穩定性，分析不同母質發育的紅壤性水稻土的抗蝕性差異。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

土壤樣品取自江西省紅壤研究所附近，土壤母質信息來自1984 年第二次土壤普查江西省進賢縣農業區劃委員會編制的《進賢縣土壤》(江西科學技術出版社，1985)，選取該區域6 種主要水稻土母質。

1.2 樣品采集及預處理

土壤樣品選用不同母質發育的紅壤性水稻土，母質類型包括第四紀紅色黏土、河積物、泥質巖類風化物、湖積物、酸性結晶巖類風化物和石英巖類風化物6 種類型。根據進賢縣土壤母質圖采集土樣，具體的采樣地點及樣品編號見表1。

表1 土壤樣品采樣地點Table 1 Sampling location of soil sample

于2021 年3 月在各取樣點的耕作層和犁底層分別用環刀采集土樣，每個處理3 次重復。采集土樣帶回實驗室后放在遮光、通風處進行自然風干，當土壤含水率達到塑限時，用手把大塊土壤沿自然破碎面輕輕掰開，剔除大的植物殘體和石塊，土樣自然風干后，用玻璃瓶將土樣磨碎，并過2 mm 土壤篩后裝入密封袋中備用。土壤的容重采用環刀法測定，土粒密度采用容量瓶測定，黏粒量采用激光粒度儀測定，有機質量采用高溫外加熱濃硫酸-重鉻酸鉀氧化容量法測定，pH 采用電位計法測定，各土樣基本理化性質見表2。

表2 土壤基本理化性質Table 2 Physical and chemical properties of soil samples

1.3 研究方法

＞0.25 mm 水穩性團聚體量不但與土壤中有機碳量、全氮量、全磷量具有顯著相關性，與土壤肥力直接掛鉤，不僅是衡量土壤抗蝕性的指標，而且是衡量土壤質量的重要指標［13-15］。本試驗方法在濕篩法［16］基礎上進行了一定的修改。將10 g 土樣置于鋁盒中，用滴管緩慢地向鋁盒中滴入分散液直至土樣被完全浸潤，靜置10 min，將土樣轉移到篩孔為0.25 mm 的土壤篩上，分散液分別選擇無水酒精、0.1 mol/L NaOH 溶液、0.002%Na2CO3溶液和0.1 mol/L NaCl 溶液，并設置超純水作為對照組。在水桶中注入高度約為20 cm 的超純水，將放有土樣的土壤篩放置于水桶中振蕩，篩的上、下振幅為5 cm，振速為30 次/min，共振蕩10 min。將留在土壤篩上的土樣用洗瓶洗入鋁盒中，放在烘箱中（105 ℃）烘干至恒質量，稱量得到土樣的質量為m。則＞0.25 mm 水穩性團聚體的質量百分比R0.25計算方法為：

試驗數據采用Excel 2019 進行整理和作圖，用SPSS 22.0 對數據進行統計分析，采用單因素方差分析的最小顯著差法（Fisher’sLSD）進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 紅壤區不同母質發育水稻土團聚體的水穩性

將6 種母質的水稻土耕作層和犁底層的土樣用超純水緩慢浸潤再濕篩后，＞0.25 mm 的土壤水穩性團聚體質量百分數結果見圖1。

圖1 不同母質發育及不同土層水稻土的水穩性團聚體量Fig.1 Content of water stable aggregates in paddy soil with different parent material development and different soil layers

2.1.1 同一母質發育水稻土不同土層土壤水穩性團聚體量 由圖1 可知，同一母質發育的水稻土耕作層和犁底層的＞0.25 mm 水穩性團聚體量變化顯著，耕作層的水穩性團聚體量是犁底層的1.25～2.65 倍，湖積物最大（2.65），河積物最小（1.25）。湖積物發育的水稻土犁底層土壤有機質量最低，而土壤黏粒量處于較高水平，因此水浸潤土壤時，有機質對團聚體穩定性的增強作用減弱，而蒙脫石的消散作用增強，最終導致湖積物發育的水稻土相較于其他母質發育的水稻土，犁底層水穩性團聚體量與耕作層相比大幅減小。

2.1.2 同一土層不同母質發育水稻土土壤水穩性團聚體量 對同一土層不同母質發育的水稻土水穩性團聚體量進行比較，可以發現，不同母質類型的土樣間土壤水穩性團聚體存在顯著差異。耕作層土壤＞0.25 mm 的水穩性團聚體量，呈石英巖類風化物（64.50%）＞酸性結晶巖類風化物（58.63%）＞湖積物（54.90%）＞河積物（42.47%）＞第四紀紅黏土（34.23%）＞泥質巖類風化物（24.17%）。犁底層土壤＞0.25 mm 的水穩性團聚體量，呈石英巖類風化物（36.35%）＞酸性結晶巖類風化物（35.37%）＞河積物（34.00%）＞第四紀紅黏土（26.57%）＞湖積物（20.77%）＞泥質巖類風化物（17.40%）。除了湖積物發育的水稻土外，其余母質發育的水稻土犁底層土壤水穩性團聚體量的變化規律基本和耕作層土壤一致。根據相關性分析，水稻土水穩性團聚體量與有機質呈極顯著正相關，與土粒密度、pH 呈極顯著負相關，與土壤容重呈顯著負相關；土粒密度、有機質量、土壤容重互相呈極顯著相關，黏粒量與土粒密度呈極顯著正相關，與有機質量呈極顯著負相關。不同母質通過黏粒量、土粒密度、土壤容重影響有機質在土壤團聚體中的積累，最終引起不同母質水稻土在同一土層水穩性團聚體量的差異。

2.2 紅壤區不同母質發育及不同土層水稻土團聚體的化學穩定性

土壤經無水酒精、NaOH 溶液、Na2CO3溶液和NaCl 溶液分散后的土壤水穩性團聚體量結果見表3。由表3 可知，經無水酒精分散處理后，水稻土耕作層和犁底層水穩性團聚體量的比值變化范圍為0.99～1.05，平均為1.02，不同母質發育的水稻土耕作層和犁底層的土壤水穩性團聚體量變化不同。其中，河積物發育的水稻土耕作層水穩性團聚體量小于犁底層，但二者差異不顯著；其余母質發育的水稻土耕作層水穩性團聚體量均高于犁底層，但第四紀紅黏土發育的水稻土耕作層和犁底層的水穩性團聚體差異不顯著，而泥質巖類風化物、湖積物、酸性結晶巖類風化物和石英巖類風化物發育的水稻土的耕作層和犁底層水穩性團聚體量差異顯著。

表3 不同分散液影響下不同母質發育及不同土層水稻土的水穩性團聚體量Table 3 Contents of water stable aggregates in paddy soil with different parent material development and different soil layers under the influence of different dispersions

采用NaOH 溶液作為分散液，水稻土耕作層和犁底層水穩性團聚體量的比值變化范圍為0.66～1.12，平均為0.88，土壤水穩性團聚體量在耕作層和犁底層的變化無明顯規律可尋。其中，第四紀紅黏土、泥質巖類風化物、酸性結晶巖類風化物和石英巖類風化物發育的水稻土耕作層水穩性團聚體量顯著低于犁底層，河積物和湖積物發育的水稻土耕作層水穩性團聚體量高于犁底層，但河積物發育的水稻土耕作層和犁底層水穩性團聚體差異不顯著，而湖積物發育的水稻土耕作層和犁底層水穩性團聚體的差異顯著（數據未列）。同時，同一土層不同母質類型的水稻土經NaOH 溶液分散處理后，水穩性團聚體量差異顯著，對于耕作層而言，酸性結晶巖類風化物發育的水稻土水穩性團聚體量最高，其次為石英巖類風化物和湖積物發育的水稻土。

與無水乙醇和NaOH 溶液緩慢浸潤土樣處理不同的是，采用Na2CO3溶液作為分散液，6 種母質發育的水稻土耕作層水穩性團聚體量均顯著高于犁底層的，耕作層水穩性團聚體量與犁底層水穩性團聚體量的比值變化范圍為1.11～2.36，平均為1.62。同一土層不同母質發育的水稻土經Na2CO3溶液緩慢浸潤后 的水穩性團聚體量差異顯著，耕作層土壤水穩性團聚體量呈石英巖類風化物（62.90%）＞酸性結晶巖類風化物（59.80%）＞湖積物（54.03%）＞河積物（44.23%）＞第四紀紅黏土（36.03%）＞泥質巖類風化物（29.20%）。

與Na2CO3溶液對土樣進行預處理相類似，采用NaCl 溶液作為分散液，6 種母質發育的水稻土耕作層水穩性團聚體量也均顯著高于犁底層，耕作層水穩性團聚體量與犁底層水穩性團聚體量的比值變化范圍為1.41～3.13，平均為2.04。6 種母質的水稻土耕作層土樣經NaCl 溶液浸潤后的水穩性團聚體量差異顯著，耕作層土壤水穩性團聚體量呈石英巖類風化物（57.67%）＞酸性結晶巖類風化物（57.20%）＞湖積物（53.23%）＞河積物（35.90%）＞第四紀紅黏土（28.43%）＞泥質巖類風化物（27.43%）。

2.3 分散液處理對土壤水穩定性的影響及相關性分析

對比圖1 和表3 可知，用無水酒精緩慢浸潤土樣得到的＞0.25 mm 水穩性團聚體量顯著高于超純水處理。6 種母質類型的水稻土土樣分別采用無水酒精和超純水對土樣進行緩慢浸潤得到的＞0.25 mm 水穩性團聚體量的比值變化范圍為1.39～4.58，平均為2.66。其中，耕作層土壤二者的比值變化范圍為1.39～3.45，平均為2.09；犁底層土壤二者比值的變化區間為2.37～4.58，平均為3.22。同一母質發育的水稻土耕作層土壤分別采用無水酒精和超純水對土樣進行緩慢浸潤得到的＞0.25 mm 水穩性團聚體量的比值均顯著小于犁底層。無水酒精對土壤團聚體分散有較強的抑制作用，其原因是無水酒精是一種有機質溶液，會使土壤團聚體趨向形成更大的團聚體，同時其能夠驅趕土壤結構孔隙中的空氣，降低土壤浸潤過程中封閉在孔隙中的空氣的爆破壓力，增大了團聚體的穩定性。耕作層土壤有機質量高于犁底層土壤，黏粒量低于犁底層，有機質對團聚體穩定性的增強作用和黏粒的消散作用導致水稻土耕作層土樣在純水緩慢浸潤后的土壤團聚體量顯著高于犁底層，而經無水酒精浸潤處理后二者差異較小，所以雖然耕作層土壤經無水酒精分散處理后，水穩定性團聚體量相比于超純水處理有一定的增大，但增幅沒有犁底層土壤明顯。

采用NaOH 溶液和超純水對土樣進行浸潤得到的＞0.25 mm 水穩性團聚體量的比值變化范圍為0.14～0.71，平均為0.32。其中，耕作層土壤二者的比值變化范圍為0.14～0.33，平均為0.21；犁底層土壤二者比值的變化區間為0.16～0.71，平均為0.42。采用NaOH 溶液作為分散液，土壤中的水穩性團聚體量相對于超純水顯著降低。氫氧化鈉溶液會溶解土壤中強聚集有機質，此外土壤黏粒是土壤團聚體的膠結劑之一，溶液中的Na+會引起其膨脹或分散，從而起到分散土壤團聚體的效果［17］。

采用Na2CO3溶液與采用超純水對土樣進行浸潤得到的＞0.25 mm 水穩性團聚體量的比值變化范圍為0.98～1.21，平均為1.06。其中，耕作層土壤二者的比值變化范圍為0.98～1.21，平均為1.05；犁底層土壤二者比值的變化區間為0.98～1.17，平均為1.07。雖然陽離子相同，但是Na2CO3溶液對土壤團聚體的分散作用顯著低于NaOH 溶液，這主要是由于 Na2CO3會與土壤中的Ga2+、Mg2+離子發生反應，產生鈣鎂碳酸鹽，鈣鎂碳酸鹽也是一種重要的土壤團聚體膠結劑,碳酸鈣在土壤團聚形成的早期階段絮凝黏土顆粒，然后被大量的氧化鐵封閉成團聚體［12］，其對土壤團聚體穩定性的增強作用在一定程度上抵消了Na+離子對團聚體的分散作用。

采用NaCl 溶液與采用超純水對土樣進行浸潤得到的＞0.25 mm 水穩性團聚體量的比值變化范圍為0.64～1.14，平均為0.86。其中，耕作層土壤二者的比值變化范圍為0.83～1.14，平均為0.94；犁底層土壤二者比值的變化區間為0.64～0.90，平均為0.77。與用超純水浸潤處理相比，采用 NaCl溶液作為分散液，除泥質巖類風化物發育的水稻土耕作層水穩性團聚體量顯著增大外，其他土樣的水穩性團聚體量均有不同程度的降低。NaCl 溶液對土壤團聚體的分散作用主要源于Na+對土壤團聚體的分散。

對耕作層土壤在不同分散液中的水穩性團聚體量與土壤有機質量進行相關性分析，超純水、NaOH 溶液、Na2CO3溶液、NaCl 溶液作分散液時，＞0.25 mm 水穩性團聚體量與耕作層土壤有機質量均呈極顯著正相關（數據未列）。不區分土層時除了NaOH 溶液，其他分散液水穩性團聚體量均與土壤有機質量呈極顯著正相關。

同一母質發育的水稻土經超純水緩慢浸潤處理后，耕作層的＞0.25 mm 水穩性團聚體量顯著高于犁底層的；同一土層不同母質發育的水稻土＞0.25 mm 水穩性團聚體量也存在顯著差異，耕作層土壤的＞0.25 mm 水穩性團聚體量，呈石英巖類風化物＞酸性結晶巖類風化物＞湖積物＞河積物＞第四紀紅黏土＞泥質巖類風化物。除了湖積物發育的水稻土外，其余母質發育的水稻土犁底層土壤＞0.25 mm 水穩性團聚體量的變化規律基本和耕作層土壤一致。

同一土樣的團聚體水穩定性對不同的分散液的響應情況不同，4 種分散液對土壤團聚體水穩定性的影響程度從＞0.25 mm 水穩性團聚體量來看，基本呈無水酒精＞ Na2CO3溶液＞NaCl 溶液＞NaOH 溶液。無水酒精顯著增加了土樣＞0.25 mm水穩性團聚體量。NaOH 溶液顯著減少了＞0.25 mm水穩性團聚體量。

土壤不同理化性質之間的相關系數見表4。不同分散液影響下土壤團聚體量與土壤各理化性質的相關系數見表5。

表4 土壤不同理化性質相關系數Table 4 Correlation coefficients of different physical and chemical properties of soil

表5 不同分散液影響下水穩性團聚體量與土壤理化性質的相關系數Table 5 Correlation coefficients between water stable aggregate contents and soil physical and chemical properties under the influence of different dispersions

3 討論

土壤有機質和黏粒是土壤團聚體的重要膠結劑［18-19］。土壤中有機質一般以腐殖酸和腐殖酸鹽的形式存在腐殖質表面的官能團與土壤表面的金屬陽離子作用形成有機無機復合體，從而對土壤中的其他土壤顆粒產生粘結作用，形成穩定團聚體；另一方面有機質通過在土壤周圍形成疏水基團減緩水分浸潤團聚體的速率，從而提高團聚體穩定性［19］。黏粒之間的相互作用也是導致土壤聚集的主要原因之一，土壤礦物成分的差異會影響黏土的物理化學分散和團聚體的物理崩解，不同類型的土壤黏粒形成的團聚體穩定性不同，含有蒙脫石的土壤的物理化學分散和團聚體的物理崩解程度大于不含蒙脫石的土壤［18］。有機質和黏粒均能增強土壤團聚體穩定性，但在本實驗中水稻土水穩性團聚體量僅與土壤有機質量極顯著正相關，與土壤黏粒量無顯著相關關系。可能是因為雖然土壤黏粒能增強土壤團聚體的穩定性，但不同礦物組成的土壤黏粒對土壤水穩性的影響不一，浸潤過程中土壤黏粒中的蒙脫石遇水會膨脹，對土壤團聚體穩定產生負面影響［18］，土壤浸潤過程中的消散作用隨黏粒量的增加而增強［20-21］，這種消散作用掩蓋了黏粒對土壤團聚體穩定性的增強作用。

胡國成等［22］經過研究發現強酸和強堿環境均會顯著降低水穩性團聚體含量。本試驗中NaOH 溶液作分散液會造成紅壤性水稻土水穩性團聚體量顯著下降，這一結果與的胡國成等的研究結果一致。Na+是高強度的分散劑，土壤溶液中及可交換點位的可交換性Na+會形成排斥電荷，導致土粒分散從而促進團聚體的破壞［17］。NaCl溶液作分散液除了使石灰巖耕作層土樣的水穩定性團聚體量略有增加外，使其他土樣水穩性團聚體量均有不同程度降低，驗證了 Na+對土壤團聚體具有分散作用。Na2CO3溶液作分散液對不同母質發育的水稻土影響不一，是Na+對水穩性團聚體的分散作用［17］和CO32-對土壤顆粒的絮凝作用［19］綜合作用的結果。紅壤區水稻土耕作層土壤在超純水、NaOH 溶液、Na2CO3溶液和NaCl 溶液中的水穩性團聚體量均與土壤有機質量呈顯著正相關關系，這一結果與魏朝富等［23］、章明奎等［24］、劉晶等［25］、于海艷等［26］的研究結果一致。

4 結論

（1）南方紅壤區耕作層不同母質發育的水稻土團聚體穩定性差異較大。不同母質耕作層土壤團聚體穩定性由強到弱依次為石英巖類風化物、酸性結晶巖類風化物、湖積物、河積物、第四紀紅黏土、泥質巖類風化物。泥質巖類風化物發育的水稻土水穩性最差，土體抗蝕性最弱，因此在該水稻土分布區域進行農業生產時應當注意采取預防性措施，以減少該區域的土壤流失。

（2）相同母質在超純水、Na2CO3溶液、NaCl 溶液中耕作層水稻土水穩性均顯著高于犁底層水稻土，說明耕作層水稻土經過多年耕作，土壤熟化程度較犁底層更高，土壤團聚體水穩性較強，土壤抗蝕性較強。

（3）無水乙醇中土壤水穩性團聚體含量明顯增加，且在各分散液中水穩性團聚體量均與有機質量顯著正相關，說明有機質能夠提高土壤團聚體水穩性，增強土壤抗蝕性。NaOH 溶液做分散液時水稻土樣本水穩性均顯著降低，說明強堿環境會破壞水稻土的團粒結構，削弱土壤抗蝕性。