土壤团粒结构形成机制及其稳定性影响因素研究_舒新兴.pdf

土壤团粒结构形成机制及其稳定性影响因素研究舒 新 兴(景德镇学院生物与环境工程学院,江西 景德镇 3 3 3 4 0 0)摘 要:土壤团粒是土壤结构体常见形态,直接影响土壤的水、气、热、肥等因素,是评价土壤结构性优劣的重要指标。本文针对土壤团粒结构体的形成机制及其稳定性影响因素,结合教材相关内容和近年来国内外土壤团聚体研究成果进行整理归纳和比较分析,总结目前国内外在土壤团聚体研究方面呈现的特点,旨在提高教学实效的同时为土壤团聚体的深入研究提供一定的参考。关键词:土壤团粒结构;形成机制;结构稳定性;影响因素中图分类号:S1 5 2.4 文献标志码:B 文章编号:2 0 9 5 9 6 9 9(2 0 2 2)0 6 0 0 4 6 0 4 土壤结构体包括块状、片状、柱状、团粒等结构体,按其孔隙状况、稳定性、作用等性质区分,其中的块状、片状、柱状结构体均属于不利于农业生产的不良结构体,只有团粒结构才是符合农业生产要求的土壤结构体。土壤团粒结构具有一定的大小和形状,孔隙粗细搭配合理,内部小孔隙多,团粒间大孔隙多,有较高的稳定性,它广泛分布于土壤表层,其含量和组成随土壤类型而呈现差异性。随着国内外对土壤团聚体的深入研究,提出多种土壤团粒结构体的形成机制,但其形成机制尚无定论。本文针对教材中关于土壤团粒结构体的形成机制1,结合近年来国内外有关研究成果,在整理归纳的基础上对土壤团粒结构体的形成机制及其稳定性影响因素进行比较分析。1 土壤团粒结构的概念团粒结构又称为粒状结构或小团块结构,也称土壤团聚体,是由若干土壤单粒黏结在一起形成粒状和小团块的一种土壤结构体。根据粒径大小分为团粒和微团粒,团粒的直径在0.2 51 0 mm之间,微团粒直径小于0.2 5 mm。根据抵抗机械压碎、微生物分解、浸水分散等作用分为稳定性团聚体和非稳性团聚体。2 土壤团粒结构的形成机制国内外学者对土壤团粒结构体的形成做了大量的研究,认为土壤团粒结构是由土壤矿物颗粒在各种有机、无机黏结剂的作用下黏结而成的基本土壤结构单元,提出诸多形成机制和假设,综其所述均可归为多级团聚说(t h e o r yo fa g g r e g a t eh i e r a r c h y),即普遍认同土壤团粒结构是土壤单粒多级团聚的产物,最具代 表性的有两种:黏团模型 和团聚体模型1 2。黏团模型认为,土壤团粒结构体的基本结构单元是黏团,首先由黏团与黏土矿物、土壤有机质、矿物离子等发生聚合作用形成微团聚体,再进一步聚合形成团粒。同时土壤团粒在有机物和微生物分泌物作用下,其内部还可形成微团聚体,但随着微生物活性下降及有机碳的消耗,团粒又分裂破碎释放出微团粒。团聚体模型认为,土壤团粒结构体通过大团聚体周转,先由土壤微生物作用于进入土壤的新鲜有机物(植物残体),代谢过程中产生的胞外多糖与土壤颗粒结合形成大团聚体,而后随着团粒中微生物活性减弱及有机碳含量的消耗,土壤基质与粗颗粒有机质之间的黏结作用减弱,导致大团聚体解体释第3 7卷 第6期2 0 2 2年1 2月 景德镇学院学报J o u r n a l o f J i n g D e Z h e nU n i v e r s i t y V o l.3 7N o.6D c e.2 0 2 2收稿日期:2 0 2 2 0 7 2 0作者简介:舒新兴(1 9 6 7),男,安徽黟县人。教授,硕士,从事土壤学教学研究。放出颗粒有机质和微团聚体。2.1 土壤基础物质土壤团粒结构体的形成过程复杂,既有物理、化学、生物等单因素作用,又有它们之间的协同作用。通过研究发现团聚均从土壤基础物质开始,目前认为有三类基础物质:土壤初级颗粒、黏团、有机矿质复合体。土壤初级颗粒可理解为土壤固相骨架中的矿质颗粒,也称作土壤单粒,在一定条件下可聚集成复粒。黏团是由土壤黏粒定向排列和静电引力而形成的一种直径小于5m的土粒,分为重叠状黏团和内生状黏团。有机矿质复合体为有机胶体与矿质胶体通过表面分子缩聚、阳离子桥接及氢键合等作用联结在一起的复合体。2.2 黏结作用土壤团粒结构体是在土壤有机质参与下发生的多级团聚过程,主要通过有机矿物微生物相互黏结作用形成。土壤颗粒与黏土矿物、土壤有机质和阳离子等的交互作用主要体现在土壤无机物的黏结作用、黏粒本身的黏结作用和有机物物质的黏结作用。无机物质的黏结作用指土壤初级颗粒在土壤黏粒、金属阳离子、铝硅酸盐、氧化铁和氧化铝胶体等无机黏结物质作用下发生团聚,形成团粒结构体。黏粒的黏结作用指土壤黏粒因其本身具有的比表面积和吸附能,在湿润时发生絮凝、吸附作用,使土壤颗粒或微凝聚体黏结形成团粒结构体。有机物质的黏结作用指土壤颗粒在土壤有机质、微生物和根系菌丝及其分泌物等有机黏结物质作用下发生团聚,形成团粒结构体。此外,还有水膜的黏结作用3。在潮湿的土壤中,黏粒相互靠近时可通过它们表面吸引着的水膜黏结起来,或者通过土粒与土粒接触点上的毛管黏结而把相邻的土粒牵引在一起。土粒越细,水环数目就越多,总毛管黏结力越大。当土壤含水量进一步增加时,水膜厚度增大,土粒间距离加大,则毛管黏结力逐渐减弱。2.3 复合作用土壤有机质中的腐殖物质因含有多种官能团,特别是大量芳香族和脂肪族化合物上的羧基、酚羟基、醇羟基、酮基、醛基、酯基、胺基、酰胺基等,土壤腐殖质可通过范德华力、氢键、静电力、阳离子键桥等方式与土壤黏土矿物和阳离子紧密结合形成有机、无机复合体,从而团聚成为团粒结构体。2.4 凝聚作用土壤胶体颗粒的电性作用导致相互凝聚。土壤胶体颗粒虽然以带负电荷为主,会相互排斥,但如果遇到土壤溶液中的多价阳离子或当土壤溶液的p H值降低时,土壤胶体表面的电位势降低,当各个土壤胶体颗粒之间的分子引力超过静电排斥力时,凝聚作用就将产生。另外在黏土矿物颗粒局部边缘有正电荷点,还有土壤有机胶体、氧化铁、氧化铝等可变电荷胶体在等电点以下时也呈正电性,从而在土壤不同微域可出现正、负电荷点,进而发生互相凝聚,形成团粒结构体。2.5 动物生理作用土居小动物(如土壤中的蚯蚓、蚁类和昆虫幼虫等)在其生理活动过程中可促进土壤团粒结构体的形成。尤其是蚯蚓,在其独特的生理活动过程中,通过血管束的黏合作用和肠道的消化作用及排泄物的固定作用,形成富含有机质的团粒结构体。3 稳定性影响因素土壤团聚体的稳定性主要包括机械稳定性、生物稳定性、水稳定性、化学稳定性等。从土壤团粒结构体的形成机制看出,黏结作用、复合作用、凝聚作用的发生主要受土壤特性、土壤中黏结物质、土壤有机质及土壤外部环境等因素影响,近年来通过土壤有机质、土地利用、土壤生物、气候条件、植被覆盖情况、管理措施等因素对土壤团聚体稳定性影响进行了大量研究并取得一些成果4。3.1 干湿交替对土壤团粒结构体的影响干湿交替指自然环境下的降水、物质的扩散流动、太阳辐射、空气对流等作用下造成土壤反复经受湿涨和干缩的过程。一是干湿交替对团聚体粒径分布的影响。在干燥过程中,土壤孔隙中水分蒸发,外界空气进入,导致孔隙间气泡膨胀,团聚体收缩,粒径减小;在湿润过程中,水分子进入土壤孔隙,压缩孔隙间气泡,促使团聚体产生一定的抗水化性并发生吸水膨胀,导致团聚体粒径增大。需要指出的是,在微团聚体形成初期,因土壤黏粒在降水等因素作用下具有悬浮和迁移作用,对颗粒黏结起重要作用的多价阳离子如铁离子等的形态影响较大,将改变团聚作用力范围;而在大团聚体形成过程中,结构不稳定的土壤在经历快速的湿润或浸透后,土壤团聚742 0 2 2年第6期 舒新兴:土壤团粒结构形成机制及其稳定性影响因素研究 体将崩解。二是干湿交替可通过对土壤团粒膨胀和收缩、黏结剂的稳定性影响来改变土壤团粒水稳性。当土壤团粒经历快速浸湿,团粒结构体内部土壤颗粒间的黏结力变小,水化作用增强,使土壤团粒结构体水稳性下降。而当土壤团粒经历干燥过程时,可溶性物质(如二氧化硅、碳酸盐和有机分子)在颗粒间接触点周围结合,土壤黏结作用增强,促进团粒结构体的形成5。3.2 冻融作用对土壤团粒结构体的影响冻融是指土层由于温度降到零度以下或升至零度以上而产生冻结或融化的一种地质作用和物理现象。冻融作用属非生物应力,冻融交替对土壤结构和土壤物质相态组成、迁移转化等影响显著,表现为土壤孔隙度的增大及土壤水分、团聚体组成发生改变。在土壤含水量小于饱和含水量时,冻融作用随土壤含水量的增加而增强,过后影响作用开始下降。一方面土壤冻融交替导致土壤孔隙中的冰晶膨胀和溶解,冰冻时土体膨胀对土壤颗粒产生挤压,有助于土壤团粒结构体的形成;冰溶解时土壤颗粒坍塌,土壤大团聚体破碎成小团聚体。另一方面在冻融过程中土壤水分发生迁移并进行重新分布,呈“两段式”水盐运移规律,从而导致作为土壤团聚黏结物质之一的盐离子,其浓度在土层中的分布不断发生变化,直接影响土壤团粒结构体的形成和稳定6。3.3 土壤有机质对土壤团粒结构体的影响土壤有机质作为土壤团聚体形成过程中的黏结物质,既可通过植物根系、丝状菌的菌丝对土粒进行缠结,又可通过土壤微生物或植物产生的多糖将不同大小的颗粒黏结,但由难降解的腐殖质与土壤黏粒、多价金属离子形成有机、无机复合体,即能增强团聚体间的黏结力和抗张强度,又能增强团聚体的憎水性,对土壤中水稳性的团聚体形成起决定性作用。有机质的类型控制团聚体的粒径,易降解的有机质或新鲜的有机质控制大团聚体稳定性,难降解的有机质控制微团聚体稳定性5。3.4 土壤生物对土壤团粒结构体的影响土壤生物主要包括土壤微生物、土壤动物及高等植物根系等,它们是促进土壤形成最活跃的因素,在生命活动中促进土壤结构的发展,深刻地影响土壤团粒结构体的形成与稳定。有研究表明菌丝和其分泌物是形成团聚体的重要物质,真菌的菌根可以显著提高团聚体的稳定性,真菌主要影响大团聚体,细菌主要影响微团聚体7。高等植物根系主要通过植被根系的物理缠绕作用和根土黏结作用影响团聚体的形成和稳定。植物根系的物理缠绕作用表现为植物根系在土壤中穿插生长过程中,根际周围的细小颗粒受到压缩和缠绕不断形成较大颗粒,同时根际周围因土壤水分被吸收,含水量下降,土壤稳定性得到增强。植物根系的根土黏结作用取决于植物根系渗出液、植物黏液、黏胶、溶解产物等根系分泌物影响土壤团聚过程8。土壤动物在其生命活动过程中通过疏松土壤和参与土壤腐殖质的形成与转化,影响团聚体的形成和稳定。通过对土壤穴居动物蚯蚓和白蚁的研究表明,土壤动物挖掘洞穴和代谢产成的排泄物对土壤团聚体粒径分布影响较大,并在小尺度上影响团聚体结构和土壤稳定性5。3.5 耕作方式对土壤团粒结构体的影响研究表明,保护性耕作方式有利于土壤大团聚体形成并提高土壤团聚体的稳定性,存在两方面机制:一是由于少耕、免耕等措施降低对表层土壤的机械扰动频率,从而提高大团聚体的稳定性;二是由于秸秆(残茬)覆盖,土壤有机质在土壤表层聚集,土壤中的有机黏结物质增加,对土壤颗粒的黏结作用进一步增强,有利于大粒级团聚体的形成。同时少耕、免耕处理又能减少对植物根系的破坏,从而使大团聚体得到保护,提高团聚体稳定性;三是保护性耕作有利于微生物活性的提高,其带来的土壤微生物量、真菌菌丝密度、胞外分泌物可进一步增加,从而增强团聚体稳定性9 1 0。4 结语从国内外对土壤团聚体的形成机制和稳定性影响因素的研究情况看出,虽然对其形成的机制尚无定论,但关于土壤团粒结构模型和以黏团模型、团聚体模型为代表的土壤团粒结构形成机制已得到普遍认可,这为土壤团聚体的稳定性研究和土壤结构改良利用提供理论依据。当前对土壤团聚体的形成及土壤结构稳定性机制的研究得到以下结论:在表征土壤质量方面采用湿筛法与C T扫描技术结合的方式分析土壤团聚体粒径和稳定性。在气候变化特别是全球变暖背景下探索土壤团粒结构与有机碳间的耦合关系,解析土壤团聚体与固碳效应、碳循环、碳储量的关联机制。在研究土壤微生物与土壤团聚体间的相互关系中重点探索土壤有机质土壤团粒结构微生物耦合作用机制。84 景德镇学院学报 2 0 2 2年第6期在自然状态下系统研究植物根系对土壤团聚体形成与稳定作用机制。在土壤结构改良方面利用同位素标记法对外源输入碳进行追踪,探索保护性耕作对团聚体形成和稳定性的影响作用。在土壤环境修复过程中探索干湿交替条件下污染物在土壤团聚体中的迁移转化规律。参考文献:1 徐建明.土壤学M,(第四版).北京:中国人民大学出版社,2 0 1 9:1 5 6 1 7 3.2 张旭冉,张卫青.土壤团聚体研究进展J北方园艺,2 0 2 0(2 1):1 3 1 1 3 7.3 张辉.环境土壤学M,(第四版).北京:化学工业出版社,2 0 1 8:4 7 4 9.4 李越,李航.土壤团聚体稳定性的研究概述J.安徽农业科学,2 0 1 4,4 2(1 1):3 2 4 5 3 2 4 7.5 刘艳,马茂华,等.干湿交替下土壤团聚体稳定性研究进展与展望J.土壤,2 0 1 8,5 0(0 5):8 5 3 8 6 5.6 王洋,刘景双,等.冻融作用对土壤团聚体及有机碳组分的影响J.生态环境学报,2 0 1 3,2 2(0 7):1 2 9 6 1 2 7 4.7 李娜,韩晓增,等.土壤团聚体与微生物相互作用研究J.生态环境学报,2 0 1 3,2 2(0 9):1 6 2 5 1 6 3 2.8 刘均阳,周正朝,等.植物根系对土壤团聚体形成作用机制研究回顾J.水土保持学报,2 0 2 0,3 4(0 3):2 6 7 2 7 3+2 9 8.9 沈晓琳,王丽丽,等.保护性耕作对土壤团聚体、微生物及线虫群落的影响研究进展J.农业资源与环境学报,2 0 2 0,3 7(0 3):3 6 1 3 7 0.1 0 刘红梅,李睿颖.保护性耕作对土壤团聚体及微生物学特性的影响研究进展J.生态环境学报,2 0 2 0,2 9(0 6):1 2 7 7 1 2 8 4.S t u d yo nt h eF o r m a t i o nM e c h a n i s mo fS o i lA g g r e g a t eS t r u c t u r ea n dt h eI n f l u e n c i n gF a c t o r so nI t sS t a b i l i t yS H UX i n x i n g(S c h o o l o fB i o l o g i c a l a n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g,J i n g d e z h e nU n i v e r s i t y,J i n g d e z h e n3 3 3 4 0 0,J i a n g x iP r o v i n c e,C h i n a)A b s t r a c t:S o i l a g g r e g a t e i sac o mm o nf o r mo f s o i l s t r u c t u r e,w h i c hd i r e c t l ya f f e c t ss o i lw a t e r,a i r,h e a t,f e r-t i l i z e ra n do t h e r f a c t o r s,a n d i s a n i m p o r t a n t i n d e xt oe v a l u a t e t h eq u a l i t yo f s o i l s t r u c t u r e.T h i sp a p e r s u m-m a r i z e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o i la g g r e g a t er e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d,b a s e do nt h ef o r m a t i o nm e c h a-n i s mo f s o i l a g g r e g a t e s t r u c t u r ea n d t h e f a c t o r s i n f l u e n c i n gs t a b i l i t y,c o m b i n e dw i t ht h e r e l e v a n t c o n t e n t i nt e x t b o o k sa n dt h er e s e a r c hr e s u l t so fs o i la g g r e g a t e sa th o m ea n da b r o a di nr e c e n ty e a r s,i no r d e rt oi m-p r o v e t h e t e a c h i n ge f f e c t i v e n e s sa n dp r o v i d es o m er e f e r e n c e f o r t h e i n d e p t hs t u d yo f s o i l a g g r e g a t e s.K e yw o r d s:s o i l a g g r e g a t es t r u c t u r e;f o r m a t i o nm e c h a n i s m;s t r u c t u r a l s t a b i l i t y;i n f l u e n c i n gf a c t o r942 0 2 2年第6期 舒新兴:土壤团粒结构形成机制及其稳定性影响因素研究