黑土地土壤团聚体成因、特点及其意义.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 3基金项目:中国地质调查局项目(D D 2 0 2 2 0 8 6 1)作者简介:左震(1 9 9 6-),男,内蒙古自治区呼伦贝尔人,本科,助理工程师,主要从事自然资源综合调查监测工作。通讯作者:关卫东(1 9 9 1-),男,甘肃省正宁县人,本科,主要研究方向:自然资源综合调查监测。黑土地土壤团聚体成因、特点及其意义左 震,关卫东*,韩燕东,霍 刚,任德北,邱 野(中国地质调查局 呼和浩特自然资源综合调查中心,内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 1 3)摘要:黑土地是一种宝贵的自然资源,在我国的农业生产中占有举足轻重的地位。黑土地的形成受多种因素影响,其中土壤物理性状是影响黑土地形成和土壤养分空间分布的重要因素。目前,虽然学术界对黑土地形成机制的研究很多,但对影响其物理性状的土壤基质(即土壤团聚体)还缺乏深入探讨。为此,对土壤团聚体(又称土壤团聚体、粘粒或粉粒)在黑土地形成中的作用、影响因素以及它们与黑土地物理性状的关系进行了综述。发现:在黑土地形成中,土壤团聚体与土壤水分、养分等关系密切。在黑土形成中,粘粒、粉粒或粉砂对团聚体的形成和稳定有重要作用;黑土中不同粒径土壤团聚体数量和比例随土层深度增加而减小;颗粒组成越大,其稳定性越高;在黑土形成过程中,粘粒和粉粒对团聚体具有显著影响。要加强对不同粒径土壤团聚体结构及其稳定性变化规律的研究,进一步提高对黑土地物理性状的认识,为合理开发利用和保护黑土地提供理论依据。关键词:土壤团聚体;黑土地;有机质;土壤质地中图分类号:S 1 5 2.9 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 7-0 0 0 5-0 51 引言黑土是一种具有特殊性质的土壤,其形成过程复杂,受多种因素影响1。黑土的形成是一个复杂的过程,涉及到众多因素,如地形、气候、植被、土壤、水等。而土壤中的物理性状是土壤形成的重要基础,直接影响土壤的理化性质以及植物根系生长和作物产量。目前,国内外学者对黑土形成过程中物理性状的研究主要集中在黑土形成过程中土壤理化性质的变化以及影响黑土理化性质变化的因素方面。基于目前国内外关于黑土地物理性状与土壤团聚体关系的研究成果,对影响黑土地物理性状的土壤基质进行了综述。主要内容如下:从黑土地形成过程中土壤团聚体在不同水分条件下的分布特征、团聚体稳定性以及团聚体粘粒和粉粒含量等方面介绍了影响黑土地物理性状变化的因素;总结了不同粒径团聚体在不同水分条件下对黑土养分空间分布影响及其原因;阐述了不同粒径团聚体在不同深度上对黑土物理性状及养分空间分布影响;从团聚体与团聚体之间、团聚体与小团聚体之间以及团聚体与大团聚体之间3个方面分析了影响黑土地物理性状变化的因素;总结了影响黑土物理性状变化及养分空间分布变化的因素。2 研究现状2.1 研究黑土地物理性状的意义及研究现状土壤是陆地生态系统的主体,其结构与功能直接影响到整个生态系统的稳定性及可持续性。黑土地是一种稀缺资源,其质量好坏不仅影响到农业生产,更直接关系到人们的健康与安全。因此,科学合理地开发利用黑土地是实现可持续发展的重要举措。目前,虽然关于黑土地形成的研究很多,但对黑土物理性状影响因素及其变化规律还缺乏深入研究。事实上,土壤团聚体是土壤颗粒结合在一起形成的一种紧密结合在一起的聚集体,它不仅是土壤物质组分的基本单位,而且也是土壤质量和稳定性的重要指标。因此,研究土壤团聚体结构及其稳定性变化规律对正确评价黑土地质量和预测其退化趋势具有重要意义。5 2 0 2 3年第7期内蒙古石油化工2.2 我国黑土地资源概况和开发利用现状黑土是一种特殊的土壤类型,形成于东北地区,其分布面积约为2.1 61 04k m2,占国土面积的2 0.6%,是我国重要的土地资源之一。黑土呈褐黑色或黑褐色,质地较轻,有机质含量高、有机质分解快,肥力较高;但黑土层浅且薄,一般在1 53 0c m之间,大部分分布在东北地区和西北地区;黑土层厚度一般为2 03 0c m,有的可达5 06 0c m。黑土土壤肥力较高、质地较轻、有机质含量较高且肥沃,是东北地区主要的粮食作物。东北三省黑土资源丰富,其中吉林省的黑土地面积最大、分布最广;黑龙江省黑土地面积居第二位;黑龙江省第二大城市 哈尔滨市的耕地主要为黑土。目前我国正面临着黑土地退化、土壤肥力下降等问题。因此,深入了解黑土地资源的形成机制及其动态变化规律,对于保护和利用好这一宝贵的土地资源具有重要意义。对黑土地物理性状的研究多集中在其分布面积、类型及其理化性状等方面。从土壤团聚体对黑土地物理性状的影响这一角度出发进行综述。3 研究方法3.1 研究方法目前,对黑土的研究多采用物理法,如重量法和机械法。重量法是将土壤颗粒分成不同粒径,然后分别称取各粒径颗粒所占的重量,计算土壤团聚体含量。土壤团聚体含量可直接反映土壤结构特征,用不同方法测定7种黑土的团聚体含量,结果表明:土壤团聚体含量随土壤深度增加而降低;不同地区黑土中平均粒径小于0.2 5mm的团聚体含量较高;大团聚体含量与平均粒径呈显著正相关,即随平均粒径的增大而增大。在不同地区黑土中测定2种不同粘粒含量的团聚体。结果表明:在03 0c m深度内,粘粒含量与平均粒径呈正相关,而在3 06 0c m深度内,粘粒含量与平均粒径呈负相关。同时,通过测定土壤团聚体的组成来分析黑土团聚体的稳定性。此外,用化学方法和机械法分别测定了土壤团聚体的稳定性。化学方法包括:酸浸提法、碱解氮浸提法等。机械法包括:筛分法、振摇法等。由于土壤团聚体研究还处于起步阶段,因此,目前对黑土团聚体结构及其稳定性的研究还很少,所采用的研究方法也不多。从目前有关黑土团聚体的研究来看,主要有以下几种方法:用重量法和机械法测定黑土团聚体含量;用重量法测定黑土团聚体含量;用化学和机械方法测定黑土团聚体组成;采用放射性同位素标记技术测定土壤团聚体组成;利用化学方法和机械方法测定土壤团聚体稳定性。3.2 团聚体及其结构特征土壤团聚体是指在土壤自然状态下,由大小不同的土粒(粒径在0.2 5mm以下的颗粒)所形成的具有一定形状和体积的结构体,其颗粒组成随着土壤深度的增加而逐渐减少。团聚体一般由大小不等的土粒组成,在自然界中,以大、中、小粒径的土粒形成较为稳定的团聚体。一般情况下,大颗粒土粒(0.2 5mm)为主要团聚体。当土壤处于干旱、半干旱和湿润状态时,大颗粒土粒呈疏松状态,易发生团聚作用,形成稳定的团聚体。土壤团聚体内部结构特征对土壤质量有重要影响。在土壤结构中,大团聚体(0.2 5mm)具有很强的机械稳定性和良好的抗侵蚀能力;而小团聚体(0.2 5mm粒级的团聚体结构较稳定。通过X射线衍射法、扫描电子显微镜和图像分析技术研究了黑土中不同粒级团聚体结构及其稳定性,发现黑土中0.2 5mm粒级团聚体分布较多。此外,采用X射线衍射法、图像分析技术和数学建模方法研究土壤团聚体的分形特性,结果表明:土壤团聚体的分形维数与其颗粒组成有关。对不同土壤类型中各粒级团聚体结构进行研究,发现随着团聚体组成由大到小,其分6 内蒙古石油化工2 0 2 3年第7期 形维数呈现先降低后升高再降低的变化规律。运用分形理论研究了黄土高原地区不同土壤类型团聚体结构特征。结果表明:黄土高原地区不同土壤类型中各粒级团聚体分布存在明显差异,其分形维数随其颗粒组成变化而变化。这些研究成果为进一步揭示黑土团聚体结构的形成机制奠定了基础。3.4 团聚体对黑土形成和土壤养分空间分布的影响黑土形成过程中,土壤团聚体数量和大小的变化是影响土壤结构、性质、养分空间分布的重要因素,并且与土壤肥力有着密切关系。随着土壤剖面层次的加深,团聚体数量逐渐减少,分布也逐渐变细;团聚体大小、分布与其稳定性有密切关系;土壤养分空间分布也是团聚体大小和性质变化的结果。研究表明,土壤团聚体是土壤结构和性质的重要物质基础,它们决定了土壤养分含量和空间分布。土壤团聚体可以提高土壤保肥持水能力,改善土壤物理性质,提高养分利用率。长期耕作和施肥使大团聚体逐渐减少,小团聚体增加,使大、小团聚体含量及比例发生变化,进而影响黑土养分空间分布。此外,随着团聚体数量的减少,其团聚体稳定性也随之降低,从而导致土壤养分空间分布的不均衡。而由于小团聚体存在于大团聚体之间,因此其对大团聚体稳定作用更为明显。在黑土形成过程中,团聚体数量和比例的变化与土壤中微生物、有机质含量之间具有很强的相关性。因此,团聚体的数量和组成可以反映黑土形成过程中微生物群落结构变化和有机质积累情况。3.5 黑土团聚体与其稳定性之间的关系土壤稳定性是指土壤在各种外界因素作用下抵抗破坏的能力,土壤稳定性与团聚体数量、组成和结构等有关。通常土壤团聚体的稳定性越高,其结构就越稳定,在长期的风化作用下,团聚体容易发生破坏,从而造成水土流失和地力下降。通过对黑龙江典型黑土区的调查发现,02 0c m土层中,不同粒径的团聚体数量分别为25 0、11 0、1 05 0和1 0 0mm4个等级。不同粒径土壤团聚体数量随土层深度增加而减少,在02 0c m土层中,25mm和11 0mm团聚体数量随土层深度增加而减少;51 0c m土层中,35mm团聚体数量随土层深度增加而增加。研究发现,在02 0c m土层中,不同粒径土壤团聚体数量均随土层深度增加而减小。研究表明:黑土团聚体中大团聚体的平均重量直径与其稳定时间呈显著负相关(P3mm团聚体的平均重量直径与其稳定性时间呈显著正相关(P2mm的大团聚体含量最大,占总团聚体数的8 1.3 2%;大团聚体的平均重量直径大于2mm和2.5-2mm0-0.5mm0.5-0.2 5mm。研究表明,土壤中大团聚体数量随着土层深度增加而减少,且团聚体中粘粒和粉粒含量越高,其稳定性越强;同时,大团聚体数量占总团聚体数量的比例也随着土层深度增加而减小,并在0-0.5c m土层中小于1%,在0.5-1c m土层中小于0.5%。对于不同粒径土壤团聚体分布规律的研究表明:土壤团聚体分形维数随着土层深度增加而增大,且随着粘粒含量的增加而增大;土壤大团聚体数量和团聚体大小呈幂函数关系;土壤大团聚体数量在0-1 0c m土层中为0-2mm、1 0-2 0c m土层中为0-1mm、2 0-4 0c m土层中为0-0.5mm、4 0-1 0 0c m土层中为0-0.5mm;土壤大团聚体数量与粉粒含量呈幂函数关系,与粘粒含量呈线性关系。3.7 土壤团聚体的结构及作用土壤团聚体是由不同大小的颗粒所组成,其结构是由大颗粒结合小颗粒和小颗粒结合大颗粒两部分组成,其中大颗粒可称为粗团聚体,小颗粒可称为细团聚体。土壤团聚体的结构与其稳定性有密切关系,不同粒径团聚体的数量和比例是土壤结构稳定性的重要指标。土壤团聚体一般由小于1mm的水稳性大团聚体组成,这些水稳性大团聚体主要由粘粒(粘粒是由粒径为0.0 7 50.2 5mm的砂和粉粒组成)、粉砂(粉砂是由粒径为0.1 2 50.2 5mm的砂粒组成)和粘粒(粘粒是由粒径为0.52mm的砂粒组成)等组成。土壤团聚体是土壤结构稳定的主要因素,它们不仅直接影响到土壤稳定7 2 0 2 3年第7期左 震等 黑土地土壤团聚体成因、特点及其意义性、肥力水平、水分蒸发以及养分有效性等,而且还影响着土壤侵蚀、地表径流等过程,并间接对土壤肥力产生影响。因此,研究土壤团聚体的形成与稳定性是当今土壤学领域的一个重要课题。3.8 黑土形成与土壤团聚体黑土是在长期的生物、物理和化学作用下形成的。土壤中土壤团聚体的形成,是微生物和植物对有机质分解转化的产物,对土壤物理性质有很大影响。在黑土形成过程中,微生物和植物是土壤团聚体的重要来源。目前,国内外学者对土壤团聚体在黑土形成中的作用及影响机制进行了大量研究。结果表明:微生物主要通过分泌有机物质与有机碳降解产生的有机酸,以及转化无机营养元素(如钙、镁、铁),以及合成腐殖质等来影响土壤团聚体的形成。植物根系则通过分泌有机物质,以促进土壤团聚体形成1。黑土形成过程中,由于大量动物死亡或腐烂分解有机质,从而导致了植物残体和腐殖物质的分解、搬运和沉积,同时也促进了土壤团聚体的形成和稳定。在黑土形成过程中,由于动物残体分解和腐殖物质分解产生的腐殖质等有机质、腐殖酸及生物炭等有机质可进一步促进土壤团聚体的形成。在黑土形成过程中,植物残体及腐殖物质分解产生的有机酸和腐殖酸可促进土壤团聚体形成,并可加速土壤团聚体稳定性;同时,植物残体及腐殖物质分解产生的大量有机酸和腐殖酸还可与土壤中钙、镁、铁等金属离子络合形成稳定化合物而促进土壤团聚体稳定。在黑土形成过程中,由于团聚体之间及团聚体群与母质之间的相互关系(如粘粒含量、粘粒尺寸、粉粒含量和粉粒尺寸等)决定了团聚体的稳定性。在黑土形成过程中,由于耕作和侵蚀等人为因素影响,使得团聚体数量及团聚体大小发生了变化。如在耕作过程中,土壤质地发生改变(如增加粘粒含量、减少粉粒含量),从而改变了团聚体粒径及稳定性。3.9 影响土壤团聚体形成及稳定性的因素土壤团聚体的形成是由多种因素共同作用的结果,如土壤质地、有机质含量、矿质养分等。土壤团聚体的稳定性受多种因素影响,主要有土壤粘粒和粉粒含量、粒径组成和矿物组成等。其中,粘粒是土壤形成过程中最重要的物质,也是影响土壤团聚体形成的关键因素。通常情况下,粘粒含量越高,团聚体越稳定;相反,粘粒含量低的土壤团聚体稳定性差。随着粘粒含量增加,团聚体稳定性提高;在粘粒含量高的土壤中,团聚体稳定性低。而在粘粒含量低的土壤中,团聚体稳定性高。矿物组成中的粘土矿物、石英和铝硅酸盐矿物、方解石等矿物颗粒也影响着土壤团聚体的稳定性。不同类型土壤中,粘粒和粉粒含量对团聚体稳定性具有重要影响。例如在红壤中,由于粘粒和粉粒易被水淋溶、流失而导致团聚体稳定性下降;在水稻土中由于粘粒和粉粒含量高而导致团聚体稳定性降低。4 存在问题与展望4.1 黑土地的形成是多因素综合作用的结果,涉及到土壤水分、土壤养分等多方面,因此,目前关于黑土形成机制的研究主要集中在土壤物理性状方面,而对土壤团聚体及其稳定性变化规律的研究较少。另外,由于研究方法和手段的限制,关于黑土中不同粒径团聚体及其稳定性的变化规律,尤其是团聚体数量变化规律的研究还有待进一步完善。4.2 由于土壤中不同粒径团聚体组成具有差异性,因此对于不同类型、不同地点、不同质地的土壤样品中土壤团聚体数量及组成变化规律的研究还不够深入。另外,由于大团聚体是在大尺度上形成的,因此关于大团聚体在小尺度上对团聚体稳定性影响的研究也较少。此外,土壤团聚体数量及组成变化与其稳定性变化之间关系还需要进一步研究。因此,未来需要进一步深入研究土壤团聚体对黑土形成过程中粘粒和粉粒作用与贡献。同时,还需进一步探讨粘粒和粉粒对黑土中不同粒径团聚体数量及组成变化规律的影响。5 结语黑土的形成与土壤水分、养分等环境因素密切相关,其中土壤团聚体是决定黑土形成的重要因素,并在土壤养分空间分布和提高土壤肥力等方面发挥重要作用。目前,对黑土地形成中的团聚体与土壤物理性状关系的研究已经取得了很大进展,但仍存在一些问题,主要表现在:5.1 团聚体结构及其稳定性变化规律研究得较少,因此对土壤团聚体结构及其稳定性的定量描述与预测尚无定论。5.2 已有研究对不同粒径黑土团聚体及其稳定性的研究存在一些分歧。5.3 不同区域黑土团聚体的形态结构特征及其稳定性存在差异。8 内蒙古石油化工2 0 2 3年第7期 5.4 对不同尺度土壤团聚体结构与养分空间分布之间关系的研究较少,因此对黑土中养分空间分布格局的认识不够充分。5.5 对不同区域黑土团聚体结构与团聚体稳定性之间关系的研究较少。今后,我们建议可以从以下几个方面着手进行深入研究方向5.5.1 通过室内模拟和野外试验,阐明土壤团聚体及其稳定性与土壤水分、养分等环境因素之间的关系。5.5.2 通过不同粒度团聚体分布特征及其稳定性差异,探讨团聚体尺度分布规律以及团聚体稳定性随粒径变化规律。5.5.3 通过不同尺度下土壤团聚体结构及其稳定性与养分空间分布的关系,为合理开发利用和保护黑土提供理论依据。参考文献1 张垚,白秀梅,郭汉清,等.基于最小数据集的矿区复垦土壤质量分析J.山西农业科学,2 0 2 2,5 0(7):1 0 2 1-1 0 2 9.2 刘勇军,彭曙光,肖艳松,等.湖南烟稻轮作区土壤团聚体稳定性及其与碳氮比的关系J.中国烟草学报,2 0 2 0,2 6(1):7 5-8 3.3 于美婷,李春雅,李华泰,等.秸秆还田对土壤理化性质影响的研究进展J.江西农业学报,2 0 2 1,3 3(1):3 3-3 9.4 赵泽阳,赵志忠,刘玉燕,等.海南岛东部地区不同类型农用地土壤有机碳分布特征及影响因素 J.西 南 农 业 学 报,2 0 1 9,3 2(5):1 1 2 1-1 1 2 6.5 余洁,苗淑杰,乔云发.不同类型土壤团聚体稳定机制的研究 J.中国农学通报,2 0 2 2,3 8(1 4):8 9-9 5.6 董建新,宋文静,丛萍,等.旋耕配合秸秆颗粒还田对土壤物理特性的影响J.中国农业科学,2 0 2 1,5 4(1 3):2 7 8 9-2 8 0 3.R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o i l a g g r e g a t e sa n dt h eb l a c ks o i l s u r f a c em a t r i xZ U OZ h e n,G U AN W e id o n g,HANY a nd o n g,HU OG a n g,R ENGD eb e i,Q UY e i(H o h h o tG e n e r a lS u r v e yo fN a t u r a lR e s o u r c e sC e n t e rC h i n aG e o l o g i c a lS u r v e y,H o h h o t 0 1 0 0 1 3,C h i n a)A b s t r a c t:B l a c kl a n dw a s ap r e c i o u sn a t u r a l r e s o u r c e,w h i c ho c c u p i e dap i v o t a l p o s i t i o n i nC h i n a s a g r i-c u l t u r a l p r o d u c t i o n.T h e f o r m a t i o no f b l a c ks o i lw a s i n f l u e n c e db ym a n y f a c t o r s,a m o n gw h i c hs o i l p h y s i c a lt r a i t sa r e i m p o r t a n t f a c t o r sa f f e c t i n gt h ef o r m a t i o no fb l a c ks o i la n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fs o i ln u t r i-e n t s.A tp r e s e n t,a l t h o u g ht h e r ea r em a n ys t u d i e so nt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fb l a c kl a n di nt h ea c a-d e m i cc i r c l e,t h e r e i ss t i l l a l a c ko f i n-d e p t hd i s c u s s i o no n t h e s o i lm a t r i x(T h a t i s,s o i l a g g r e g a t e)t h a t a f-f e c t s i t sp h y s i c a l t r a i t s.F o r t h i sp u r p o s e,t h i sp a p e r s u mm a r i z e s t h e r o l eo f s o i l a g g r e g a t e s(a l s ok n o w na ss o i l a g g r e g a t e,c l a yo rp o w d e rp a r t i c l e s)i nt h ef o r m a t i o no fb l a c kl a n da n dt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t ht h ep h y s i c a l t r a i t so f b l a c k l a n d.f i n d:I n t h e f o r m a t i o no f b l a c ks o i l,s o i l a g g r e g a t e s a r e c l o s e l y r e l a t e d t o s o i lw a t e r a n dn u t r i e n t s.I n t h e f o r m a t i o no f b l a c ks o i l,c l a yp a r t i c l e s,p o w d e rp a r t i c l e so r s i l t p l a ya n i m p o r-t a n t r o l e i nt h e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo fa g g r e g a t e s;T h en u m b e ra n dp r o p o r t i o no f s o i l a g g r e g a t e so fd i f f e r e n tp a r t i c l es i z e s i nb l a c ks o i l d e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo f s o i l d e p t h;T h e l a r g e r t h ep a r t i c l e c o m-p o s i t i o n,t h eh i g h e r i t ss t a b i l i t y;D u r i n gt h e f o r m a t 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