添加有機物料對土壤團聚體礦物質分布和有機碳結構的影響

王克響，袁楊洋，柳新偉，宋祥云，楊景凱，徐佩杰，張晉京，崔德杰

(1. 青島農業大學資源與環境學院，山東 青島 266109；2. 青島海水稻研究發展中心有限公司，山東 青島 266100；3. 青島市嶗山區農業農村局，山東 青島 266101；4. 吉林農業大學資源與環境學院，吉林 長春 130118)

土壤礦物是土壤中的重要固相組成物質，常與土壤有機質結合形成有機礦質復合體，對土壤有機碳具有保護作用。 次生礦物中的許多黏土礦物在有機礦質復合體的形成過程中起了重要作用。 有研究表明，黏土礦物影響著生態系統土壤有機碳儲量[1]，并且土壤中有機物質的生物活性受到土壤礦物的影響[2]。 可見，土壤礦物影響著土壤有機碳的含量和穩定性。

土壤礦物類型除受到地理分布、環境條件影響以外[3-5]，人為施肥會影響土壤礦物質相對含量[6]。 土壤有機碳的穩定性除受到自身化學結構、土壤礦物等因素影響外，土壤團聚體的物理保護作用也是重要的有機碳保護機制[7-9]。 施用生物質炭或秸稈還田可增加土壤大團聚體有機碳含量、土壤結構和土壤團聚體的物理穩定性[10-12]。施用生物質炭可以促進大團聚體原有有機碳短期內向小粒級團聚體轉移[13]。 秸稈還田促進了土壤大團聚體的形成[14]，也可以提高黑土中團聚體的穩定性和有機碳含量[15-16]。 在一定培養條件下，向黑土中添加玉米秸稈主要增加大團聚體有機碳的含量[17]。 而不同有機物料對土壤礦物，尤其是其在土壤團聚體中分布的影響有待深入研究。 在自然條件下，地形、氣候等條件影響礦物質與有機碳的結合[18]。 然而，土壤礦物對土壤有機碳化學結構穩定性的影響與有機碳本身存在的化學結構穩定性二者誰起主要作用有待進一步研究。 而土壤有機碳不同官能團的抗微生物分解性和化學穩定性不同[19]。 因此，有必要對土壤礦物與土壤有機碳官能團相互關系進行研究，探究土壤有機碳不同官能團自身具有化學穩定性以外，受土壤礦物保護作用的差異。 土壤礦物與團聚體中有機碳化學結構相互關系會影響到土壤團聚體有機碳的穩定性。

X 射線衍射法是研究土壤黏土礦物的有效手段，具有不破壞樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關晶體完整性的大量信息等優點[20-21]。東北黑土耕層土壤黏粒礦物屬伊利石-蒙伊混層礦物類型，但其組合因區域不同有所差異[5]。 吉林省中部黑土的黏粒礦物組成主要以2∶1 型的蒙脫石及伊利石為主[22]。 土壤黏土礦物與1 ～2 mm 的大團聚體正相關[23]。 土壤黏土礦物與土壤有機質結合能夠形成有機礦質復合體。 土壤有機碳在團聚體形成過程中不可避免的也會發生變化，尤其是其化學結構。 而土壤有機碳化學結構的變化是否與土壤礦物在團聚體中的分布有關有待進一步研究。 傅里葉變換紅外光譜是分析土壤有機碳化學結構的常規方法[24]。 紅外光譜研究結果表明，不同質地土壤有機碳在芳香族碳、脂肪族碳等官能團組成上有差異[25]。 羧基碳和芳香族碳在有機碳分解和土壤大團聚體穩定性方面具有重要作用[26]。 作物秸稈還田后，土壤大團聚體含量和芳香族有機碳增加[27]，大團聚體有機碳含量與脂肪族碳相對含量顯著負相關[28]。 我們前期的研究結果表明有機物料對土壤有機質的主要組成成分腐殖物質化學結構及其在團聚體中的分布有影響[7，29]，而這種影響對土壤黏土礦物在團聚體中的分布是否有作用需要進一步研究。 芳香族有機碳可以與晶鐵礦物結合，并且施用有機肥的土壤比施用化肥的土壤更明顯[30]。 在年輕土壤中多糖類物質與黏土礦物結合，而成熟土壤中更多的芳香族礦物與黏土礦物結合[31]。 土壤有機碳的官能團與黏土礦物結合方式存在差異[31]，而不同大小團聚體中有機碳官能團的差異對土壤黏土礦物在團聚體中的分布是否有影響有待進一步研究。 有機物料在土壤中的周轉過程存在差異[32]。 田間試驗和短期培養試驗都是研究土壤團聚體變化的有效方法。 不同有機物料對不同團聚體有機碳穩定性影響存在差異，施肥等措施會影響土壤礦物相對含量。 然而不同物料對土壤團聚體重組過程中有機碳化學結構與土壤礦物的相互關系有待深入研究。

室內培養試驗是研究土壤有機碳周轉過程的有效方法[33]，也可以研究土壤團聚體有機碳變化特征[10，17，34-36]。 本研究采用室內培養試驗法，在13C 同位素示蹤法對黑土固定作物秸稈來源碳研究的基礎上，研究了土壤中添加作物秸稈、作物秸稈來源生物質炭后，土壤團聚體黏土礦物分布和有機碳官能團變化，探究土壤團聚體重組過程中礦物質在土壤團聚體再分布過程中對團聚體有機碳官能團的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤 本試驗采集了吉林省長春市長期種植玉米的黑土土壤(43°48＇53″ N， 125°19＇1″ E)。 土壤樣品過2 mm 篩備用。 土壤有機碳、全氮含量分別為16.10、1.35 g·kg-1[19]。 土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為153.31、78.97、219.80 mg·kg-1，pH 值5.83。

1.1.2 供試有機物料 供試有機物料分別為棉花秸稈、棉花秸稈堆肥和棉花秸稈生物質炭，其有機碳含量分別為443.7、323.6、576.6 g·kg-1，全氮含量分別為10.10、12.81、15.59 g·kg-1[19]。 供試的秸稈堆肥是棉花秸稈自然堆腐6 個月而制成；生物質炭是棉花秸稈在馬弗爐中500 ℃燒制4 h而成。 棉花秸稈、棉花秸稈堆肥和棉花秸稈生物質炭粉碎過1 mm 篩。

1.2 試驗設計

室內培養試驗在青島農業大學校內進行，共設置10 個處理，分別為:不添加任何物料(CK)、棉花秸稈(CS)、棉花秸稈堆肥(CC)、棉花秸稈生物質炭(CB)、棉花秸稈與棉花秸稈生物質炭按1∶2、1∶1、2∶1 比例添加(CSB1、CSB2、CSB3)、棉花秸稈堆肥與棉花秸稈生物質炭按1∶2、1∶1、2∶1 比例添加(CCB1、CCB2、CCB3)。 重復3 次。 培養前先將供試土樣含水量調節為土壤田間持水量的60%，在20 ℃條件下培養2 周，同時測定土壤、棉稈生物質炭、棉稈堆肥、棉稈的C ∶N 比；然后向土壤中添加棉稈、棉稈堆肥、棉稈生物質炭，再加入(NH4)2SO4調節所有處理的C ∶N 比為20∶1，調節各處理含水量為田間持水量的60%，培養180 天。其中，棉稈生物質炭添加量為45 t·hm-2(按20 cm土層計算)，即棉稈生物質炭添加量占土壤樣品重量的2%。 其余處理按與棉稈生物質炭用量等碳量添加，即總碳量不變的情況下，按比例分別計算秸稈、秸稈堆肥與生物質炭的混合用量[32]。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤團聚體分級方法 采用濕篩法對土壤團聚體進行分級，在Six 等[37]方法基礎上稍作修改。 稱取土壤樣品放在套篩上，在去離子水中浸泡5 min 后進行篩分，分別獲得2 ～0.25、0.25 ～0.053 mm 土壤團聚體樣品；＜0.053 mm 土壤團聚體樣品通過離心法獲得[7]。

1.3.2 X 射線衍射分析 采用D8 Advence Bruk-er X 射線衍射儀對土壤團聚體樣品進行X 射線衍射分析。 X 光管為銅靶，電壓40 kV、電流40 mA、波長λ ＝1.5418 nm。 樣品掃描范圍2θ 為5°～80°。

1.3.3 紅外光譜 采用KBr 壓片法，將樣品與KBr 按1∶200 的比例混勻壓片。 用傅里葉變換紅外光譜儀(NICOLET is5，Thermo 公司，美國)測定(4 000～400 cm-1)，掃描16 次，分辨率為4 cm-1。

1.4 數據處理與分析

試驗數據通過Microsoft Excel 2010 統計整理，使用SPSS 16.0 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤團聚體有機碳紅外光譜特征

土壤有機碳或腐殖質的紅外光譜結果可以用吸收峰的相對強度來表示[38]。 土壤團聚體有機碳紅外光譜和吸收峰相對強度如圖1 和表1 所示。 雙因素方差分析結果表明，培養30 天后不同土壤團聚體間有機碳官能團存在顯著差異(表2)，而培養180 天后差異不顯著。 2 920 cm-1和2 850 cm-1處吸收峰是脂肪族碳結構中—CH2和—CH3的C-H伸縮振動，1617cm-1處吸收峰代表芳香碳的C ＝C伸縮振動或醌、酮和酰胺I 帶的C ＝O伸縮振動，1 354 cm-1處吸收峰代表苯酚類物質C-O伸縮振動或亞甲基和甲基的C-H 變形振動[39-40]；1 032 cm-1處吸收峰代表多糖中CO 伸縮振動[24]。

表1 培養30 天和180 天土壤團聚體有機碳紅外光譜吸收峰相對強度(半定量) %

表2 培養30 天土壤團聚體有機碳官能團雙因素方差分析

圖1 培養30 天和180 天土壤團聚體有機碳紅外光譜圖

培養30 天時，與CK(0.72%)相比，CS、CC、CB 處理的2～0.25 mm 土壤團聚體在2 920 cm-1處吸收峰相對強度分別降至0.64%、0.64%和0.47%；＜0.053 mm 土壤團聚體在2 920 cm-1處吸收峰相對強度由CK 的0.91%分別降至0.60%、0.56%和0.63%。 與CSB1 相比，CSB3 處理提高棉稈比例后，2～0.25 mm 和＜0.053 mm 土壤團聚體在2 920、2 850 cm-1處吸收峰相對強度隨之增加。 與CCB1 相比，CCB3 處理提高棉稈堆肥比例后，0.25 ～0.053 mm、＜0.053 mm 土壤團聚體在2 920、2 850 cm-1處吸收峰相對強度隨之增加(表1)。 CS、CC、CB 處理的2 ～0.25 mm 土壤團聚體在1 617 cm-1處吸收峰相對強度由CK 的56.73%分別增至61.16%、59.90%、63.70%；0.25 ～0.053 mm 土壤團聚體在1 617 cm-1處吸收峰相對強度由CK 的54.87%分別增至58.95%、62.27%和57.68%；但＜0.053 mm 土壤團聚體在1 617 cm-1處吸收峰相對強度由CK 的57.98%分別降至50.12%、55.66%和41.08%。 CS、CC、CB 處理的＜0.053 mm 土壤團聚體在1 032 cm-1處吸收峰相對強度由CK 的13.60%分別增至29.53%、21.70%和41.48%。 以上結果表明土壤團聚體中芳香族碳穩定性強。

綜上表明，培養初期，棉稈、棉稈堆肥和棉稈生物質炭處理的土壤大團聚體(2～0.25 mm)和微團聚體(＜0.053 mm)有機碳中的脂肪族碳相對含量均降低，但是棉稈或棉稈堆肥與棉稈生物質炭配施時，棉稈或棉稈堆肥比例提高，有利于增加脂肪族有機碳的相對含量。 而棉稈、棉稈堆肥和棉稈生物質炭處理均有利于微團聚體(＜0.053 mm)有機碳中芳香族碳相對含量的提高。

培養180 天時，與CK 相比， CC、CB 處理2 ～0.25 mm 土壤團聚體在2 920、2 850 cm-1處吸收峰相對強度由0.50%、1.23%分別提高到0.61%、0.63%以及1.46%、1.39%；＜0.053 mm 土壤團聚體在2 920、2 850 cm-1處吸收峰相對強度由0.50%、1.18%分別提高到0.56%、0.76%以及1.24%、1.67%；CS、CC、CB 處理0.25 ～0.053 mm土壤團聚體在1 617 cm-1處吸收峰強度由CK 的47.70%分別增至58.26%、61.26%和56.27%。 與CK 相比，CC、CB 處理2 ～0.25 mm、＜0.053 mm 土壤團聚體有機碳中脂肪族碳(2 920+2 850 cm-1)相對含量由1.73%、1.67%分別增至2.07%、2.03%及1.80%、2.43%。 與培養30 天相比，培養180 天棉稈處理2 ～0.25、0.25 ～0.053 mm 和＜0.053 mm 土壤團聚體有機碳中脂肪族碳(2 920+2 850 cm-1)相對含量分別降低39.73%、11.37%和7.54%。

綜上表明，棉稈堆肥和棉稈生物質炭更有利于土壤大團聚體(2 ～0.25 mm) 和微團聚體(＜0.053 mm)有機碳中的脂肪族碳穩定。 棉稈處理0.25～0.053 mm 土壤團聚體中芳香族碳比脂肪族碳更穩定。

2.2 土壤礦物在團聚體中的分布

土壤團聚體有機碳X 射線衍射結果和土壤礦物相對含量如圖2 和表3 所示。 雙因素方差分析結果表明，不同土壤團聚體間礦物質在培養30天時，伊利石/綠泥石存在顯著差異，培養180 天時綠泥石、伊利石/綠泥石、伊利石/蒙脫石分別存在顯著差異(表4)。 與培養30 天相比，培養180 天CS、CC、CB 處理2～0.25 mm 土壤團聚體中綠泥石相對含量分別增加11.09%、1.37%和18.26%；伊利石/蒙脫石相對含量則分別降低5.14%、5.11%和10.18%；CS、CC、CB 處理0.25 ～0.053 mm 土壤團聚體中蒙脫石相對含量增加，其中CB 處理增加15.14%。

表3 培養30 天和180 天土壤黏土礦物在團聚體中的分布(半定量) %

表4 不同培養期土壤團聚體礦物質雙因素方差分析

圖2 培養30 天和180 天土壤團聚體X 射線衍射圖

由圖3 可以看出，培養30 天時，2 ～0.25 mm土壤團聚體綠泥石和脂肪族碳(2 920+2 850 cm-1)呈顯著正相關(圖3a)；伊利石/蒙脫石和脂肪族碳(2 920+2 850 cm-1)呈顯著負相關(圖3b)。 培養180 天時，2～0.25 mm 和＜0.053 mm 土壤團聚體伊利石/蒙脫石和脂肪族碳(2 920+2 850 cm-1)分別呈顯著正相關(圖3c、d)。 0.25 ～0.053 mm 蒙脫石與和脂肪族碳(2 920+2 850)cm-1、苯酚類物質(1354 cm-1)呈顯著正相關(圖3e、f)，而芳香族碳(1620 cm-1)和伊利石/綠泥石呈顯著負相關(圖3g)。

圖3 培養30 天和180 天土壤團聚體礦物與有機碳官能團相關關系

以上結果表明，添加有機物料后土壤團聚體重組過程土壤礦物也重新分布，土壤團聚體有機碳中脂肪族碳的變化與蒙脫石、綠泥石等礦物有關。

3 討論

3.1 添加有機物料對團聚體內土壤礦物分布的影響

有研究表明，石英與大團聚體和微團聚體顯著相關，黏土礦物與1 ～2 mm 土壤團聚體顯著正相關[23]，說明黏土礦物在土壤團聚體中分布具有差異性。 紫云英還田與化肥減施可促進蛭石的形成并降低伊利石和綠泥石的含量，紫云英處理2～0.25 mm 和0.25～0.053 mm 團聚體中礦物結合態有機碳含量最高[41]。 表明礦物類型受到施入的有機物料影響，土壤團聚體中礦物結合態有機碳在不同粒級團聚體中的分布存在差異，并且團聚體有機碳在土壤團聚體形成過程中也影響土壤礦物在土壤團聚體中的分布。 本研究中土壤團聚體在重組過程中蒙脫石、綠泥石和伊利石/蒙脫石相對含量在各土壤團聚體中有升有降，但是生物質炭處理影響更大，這也表明土壤團聚體中黏土礦物分布具有差異性，并且受到施入的有機物料種類影響。 秸稈或生物質炭均增加土壤大團聚體有機碳的含量[42]，且主要增加大團聚體腐殖物質的含量；生物質炭在增加土壤大團聚體腐殖物質含量的同時，使得大團聚體胡敏酸結構趨于簡單化[7]。 本研究中，不同粒級中脂肪族碳與各黏土礦物的顯著正相關性也證明，團聚體有機碳官能團的變化與黏土礦物在土壤團聚體中的分布相關。 Hok 等[43]的研究也表明，施用作物殘體一年后可增加大團聚體有機碳中的脂肪族碳。 綜上，短期內土壤團聚體形成過程中大團聚體有機碳變化顯著，并且大團聚體有機碳化學結構的變化與黏土礦物顯著相關，即土壤團聚體有機碳的變化影響黏土礦物在土壤團聚體中的分布。

3.2 土壤礦物對土壤團聚體有機碳官能團的影響

秸稈還田、施用堆肥、生物質炭都是提高土壤團聚體有機碳含量的有效方法。 礦物質中的Ca2+可以和溶解性生物質炭鍵合，減少溶解性生物質炭的釋放[44]。 層狀硅酸鹽黏土礦物等可通過Ca2+架橋、配位體交換和范德華力3 種機理吸附可溶態生物炭[45]。 也就是說礦物質與有機碳可以通過離子鍵的形式對溶解性有機碳起保護作用。 本研究中蒙脫石含有Ca2+，而蒙脫石與土壤團聚體有機碳中的脂肪族碳的顯著相關性也證明礦物質對土壤有機碳的保護作用。 而本研究中蒙脫石失去層間水向伊利石轉化過程中形成蒙脫石/伊利石混層礦物與脂肪族碳的顯著相關性也表明土壤礦物與土壤團聚體有機碳通過離子健結合起保護作用。 有機碳在大團聚體中的穩定性既有團聚體的物理保護作用，也存在有機碳與金屬或礦物鍵合的保護作用，尤其是對0.25 ～1 mm 大團聚體[46]。 秸稈還田或施用生物質炭均有利于土壤腐殖物質的形成[32]。 而硝基胡敏酸與鋁土礦組成的復合體促進了大團聚體的形成[47]。

本研究結果表明，在團聚體重組初期，2 ～0.25 mm 大團聚體中綠泥石和脂肪族碳呈顯著正相關，而至培養結束，伊利石/蒙脫石和脂肪族碳呈顯著正相關。 與對照相比，綠泥石在培養30 天時有處理高于對照，180 天后各處理相對含量均低于對照，而伊利石/蒙脫石的變化則與綠泥石相反。 說明土壤團聚體中與有機碳官能團的穩定性受到與之鍵合的黏土礦物的影響。 砂巖發育成的土壤中主要含有伊利石，盡管砂巖發育成的土壤中與礦物質結合的有機碳有30%，火山灰土中有50%，但是砂巖發育成的土壤中，芳香碳占總有機碳官能團的比例卻高于火山灰土，母質影響了土壤有機碳的主要組分[1]。 本研究是在短期培養條件下探究有機碳官能團與黏土礦物的關系，表明短期培養條件下脂肪族碳對礦物質的變化具有顯著的相關性，并且避免了地形、氣候對礦物質結合有機碳的影響。

4 結論

培養180 天后，與對照相比，添加棉稈處理的2～0.25 mm 土壤團聚體脂肪族碳相對含量降低而多糖相對含量增加；0.25 ～0.053 mm 土壤團聚體脂肪族碳和多糖相對含量降低，芳香碳相對含量增加；而＜0.053 mm 土壤團聚體芳香碳相對含量降低而多糖相對含量增加。 培養180 天后，與單施棉稈相比，棉稈生物質炭與棉稈配施可提高2～0.25 mm 土壤團聚體脂肪族碳和＜0.053 mm 土壤團聚體多糖相對含量。 棉稈、棉稈堆肥和棉稈生物質炭均有利于2 ～0.25 mm 土壤團聚體中蒙脫石相對含量的增加及0.25～0.053 mm 土壤團聚體中綠泥石相對含量的增加。 培養初期，2 ～0.25 mm 土壤團聚體綠泥石和脂肪族碳呈顯著正相關；伊利石/蒙脫石和脂肪族碳呈顯著負相關。 培養結束時，2～0.25 mm 和＜0.053 mm 土壤團聚體伊利石/蒙脫石和脂肪族碳均呈顯著正相關。0.25～0.053 mm 土壤團聚體蒙脫石與脂肪族碳呈顯著正相關，而芳香族碳和伊利石/綠泥石呈顯著負相關。 土壤團聚體重新形成過程中土壤團聚體有機碳官能團中脂肪族碳與土壤礦物在不同團聚體間分布的變化顯著相關。