砂姜黑土有機(jī)無機(jī)復(fù)合體結(jié)構(gòu)特征及其對土壤顏色的影響機(jī)制

郭成士, 馬東豪, 張叢志, 張佳寶*, 蔡太義, 3, 周桂香, 陳 捷

1. 中國科學(xué)院南京土壤研究所，土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3. 河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000

引 言

我國砂姜黑土面積大約6 000余萬畝，主要分布在安徽、 河南兩省的淮北平原[1]。由于該土壤有機(jī)質(zhì)含量低，質(zhì)地粘重，土壤耕性差，存在濕漲干縮等不良物理性狀，使其成為我國面積最大的低產(chǎn)土壤之一[1-2]。土壤顏色是土壤理化性質(zhì)的外在表現(xiàn)，可以用其來預(yù)測土壤有機(jī)質(zhì)[3]。通常土壤黑色與高有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，例如我國高有機(jī)質(zhì)含量(可超過5%)的東北黑土土壤顏色很黑[1]。但低有機(jī)質(zhì)含量的砂姜黑土(一般不超過1.5%)土壤顏色也很黑[1]。傳統(tǒng)觀點[4-5]認(rèn)為高度芳構(gòu)化的腐殖質(zhì)成分如胡敏酸、 胡敏素與土粒結(jié)合使砂姜黑土呈現(xiàn)黑色。然而，這些研究中的胡敏酸、 胡敏素等腐殖質(zhì)成分是用化學(xué)方法從土壤中提取的，提取不完整，且破壞了有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)[6-8]，其結(jié)果不具有代表性，也不足以證明是腐殖質(zhì)的高芳構(gòu)化程度導(dǎo)致砂姜黑土顏色比較黑。由于化學(xué)提取方法(酸，堿，螯合劑等)會破壞土壤有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)[9]，前期研究采用不破壞有機(jī)無機(jī)復(fù)合體結(jié)構(gòu)的物理方法從砂姜黑土土壤中提取出黑色物質(zhì)，通過分析其特征后發(fā)現(xiàn)蒙皂石與土壤黑度顯著正相關(guān)。有報道土壤有機(jī)質(zhì)和礦物組成對土壤光譜有重要影響。吸附試驗表明蒙皂石礦物能夠吸附有機(jī)質(zhì)形成黑色的粘粒-有機(jī)復(fù)合體，因此蒙皂石吸附有機(jī)質(zhì)形成的黑色有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，可能是砂姜黑土呈現(xiàn)黑色的主導(dǎo)因素。然而該土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中的有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)及復(fù)合體呈現(xiàn)黑色的機(jī)制還不清楚。本研究旨在采用物理方法從砂姜黑土中提取黑色物質(zhì)，通過研究黑色物質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)、 蒙皂石礦物及其對黑度的影響，探討有機(jī)無機(jī)復(fù)合體結(jié)構(gòu)及其對土壤顏色的影響機(jī)制。不僅可以解釋砂姜黑土黑色的形成原理，也可為研究土壤的發(fā)生、 形成及肥力提升提供重要的理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)概況和土壤樣品采集

供試砂姜黑土土壤樣品分別采自河南省西平縣(113.99°E, 33.47°N)、 安徽省太和縣(115.47°E, 33.32°N)和利辛縣(116.12°E, 33.28°N)的農(nóng)田土壤表土層(0～40 cm)，三個采樣地點都位于我國砂姜黑土分布面積最大、 最典型的淮北平原。在每個地點，從大約200～300 m2地塊內(nèi)的五個不同位置收集的混合土樣中取三個重復(fù)樣本。將新鮮土樣去除植物殘渣、 根系和石塊等，然后按照不同指標(biāo)分析要求做相應(yīng)的篩分處理，土壤基本性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Soil basic physical and chemical properties for the soil samples used in the study

1.2 方法

土壤中黑色物質(zhì)的提取采用先凍融交替(-80 ℃)土樣，參照土壤團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)的物理分組方法向凍融并風(fēng)干后土樣依次加入碘化鈉重液(1.85 g·cm-3)抽濾、 六偏磷酸鈉分散劑溶液(0.5%；W/W)振蕩后過篩(53 μm)，土樣被依次分離出不穩(wěn)定的輕組分、 >53 μm顆粒組分和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)(MOM；<53 μm)組分[10]。依據(jù)土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體顆粒大小分組法原理并做出改進(jìn)和創(chuàng)新[11], 采用漸進(jìn)式多層次槽型超聲波分散和不同離心力沉降方式接著從MOM(<53 μm)組分中依次提取出兩種淺色組分[白(W)、 淺白(LW)]和三種黑色組分[淺黑(LB)、 黑(B)和 納米黑(NB)]。具體操作步驟如下。按照1∶20的土水比向MOM組分中加入蒸餾水配成懸液：于21.5 kHz和300 mA多次循環(huán)超聲30 min分散樣品，且每次超聲后依次靜止10 min、 離心(150×g)5 min、 離心(1 250×g)5 min、 離心(3 900×g)30 min，后依次得到的底部沉淀物分別為白(W)、 淺白(LW)、 淺黑(LB)和黑(B)組分，最后離心后的懸浮液烘干(50 ℃)后的底部沉淀物為納米黑(NB)組分。

選擇基于CIE1976顏色系統(tǒng)的NS-800分光測色儀(光源：D65; 觀察者角度：10°)測量土壤顏色。待測樣品通過1 mm篩后烘干(50 ℃)，后取1～2 g放于白色參考色板上，壓實和壓平后, 隨機(jī)取三個區(qū)域用土色儀進(jìn)行測量。然后求得土壤顏色的平均參數(shù)值，儀器可測定的明度值在0～100，根據(jù)下面等式計算黑度值：黑度=100-明度。

土壤pH采用土水比為1∶2.5的電位計法測定。土壤粘粒含量采用吸管法測定。土壤有機(jī)質(zhì)采用TOC儀(固體模塊HT 1300，Jena，德國; 爐溫：1 100 ℃)測定；首先用鹽酸(10%)去除土樣中無機(jī)碳, 烘干(50 ℃)后測定有機(jī)碳含量，將有機(jī)碳含量乘以1.724即得到有機(jī)質(zhì)含量。

土壤中提取組分(LW，LB，B和NB)的有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)采用固態(tài)13C核磁共振譜儀(Bruker Avance 400 MHz型)分析。樣品過100目篩，稱取3 g于100 mL離心管中，加入50 mL HF溶液(2%；V/V), 振蕩1 h, 3 000 r·min-1離心20 min，移去上清液，繼續(xù)用HF 處理，這樣連續(xù)處理9次，振蕩時間分別為5次×1 h，3次×16 h，1次×64 h。將殘余物用去離子水洗滌三次并冷凍干燥，后過100目篩待測。固體樣品采用13C交叉極化魔角自旋(CP MAS)技術(shù)測定，采用4 mm轉(zhuǎn)子的固體雙共振探針，共振頻率、 魔角自旋頻率分別為100 MHz、 14 kHz，脈沖延遲時間0.35 s，90°13C脈寬4 μs。

土壤及其提取組分的蒙皂石礦物含量采用X射線衍射儀(儀器型號：Ultima IV，日本; 操作條件：Cu靶，40 kV，40 mA; 衍射角：2°～80°; 速度：1°·min-1)測定。樣品Mg2+飽和后，用甘油水溶液處理，制成定向薄膜，進(jìn)行X衍射分析。

1.3 數(shù)據(jù)計算及統(tǒng)計分析方法

統(tǒng)計學(xué)分析采用SPSS 21.0軟件。不同變量之間的相關(guān)性采用雙變量相關(guān)和Pearson相關(guān)系數(shù)分析。蒙皂石及有機(jī)質(zhì)各個功能團(tuán)對砂姜黑土黑色形成的影響采用通徑系數(shù)方法分析。通徑分析不僅能測定變量間的相互關(guān)系, 而且還能給出原因?qū)Y(jié)果的重要性, 并可將相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)、 間接通徑系數(shù)和總通徑系數(shù)分別表示自變量對因變量的直接作用、 間接作用及綜合作用效果, 提示各個因素對結(jié)果的相對重要性大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中不同黑度組分的提取量

三個砂姜黑土取樣點相距較遠(yuǎn)，但它們的土壤性質(zhì)卻較為接近(表1)，都屬有機(jī)質(zhì)含量較低而黑度較高的粘性土壤，所選土壤對砂姜黑土具有較強(qiáng)代表性。砂姜黑土中不同組分的提取量、 黑度、 有機(jī)質(zhì)及蒙皂石含量見表2。在三個地點的砂姜黑土中，黑色組分(LB，B，NB)的提取量與原土黑度成正比；<53 μm顆粒的五個組分(W，LW，LB，B和NB)黑度依次增加，而其有機(jī)質(zhì)含量卻呈現(xiàn)先增加后降低趨勢；>53 μm顆粒和W組分不含蒙皂石，隨著組分(LW，LB，B和NB)黑度的增加，蒙皂石含量依次增加，其含量與黑度成正比。由于砂姜黑土中的粘粒礦物以蒙皂石為主體(表1)，有機(jī)質(zhì)含量與提取組分黑度的相關(guān)性并不明顯，蒙皂石礦物能夠吸附有機(jī)質(zhì)形成黑色的粘粒-有機(jī)復(fù)合體。因此推斷有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)和由蒙皂石吸附有機(jī)質(zhì)形成的黑色有機(jī)無機(jī)復(fù)合體可能是砂姜黑土呈現(xiàn)黑色的主導(dǎo)因素。

表2 砂姜黑土中不同組分的提取量、 黑度、 有機(jī)質(zhì)及蒙皂石含量Table 2 Extraction amount, blackness, the organic matter and smectite contents of different components in the Calci-Aquic Vertisols

2.2 土壤中不同黑度組分的有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)及其與黑度關(guān)系

圖1 砂姜黑土(XP，TH，LX)提取組分有機(jī)質(zhì)的13C-NMR譜圖Fig.1 13C-NMR spectrogram of organic matter of the extraction components (XP，TH，LX) in the CA Vertisols

三個地點的砂姜黑土中提取組分有機(jī)質(zhì)各官能團(tuán)的相對含量見圖2。隨著四個組分(LW，LB，B和NB)黑度的依次增加，其烷基碳、 羧基-氨基碳含量呈增加趨勢。而芳香碳含量、 芳香度則隨著黑度增加呈下降趨勢。其中, 高黑度的NB

圖2 砂姜黑土提取組分(包括LW，LB，B和NB)有機(jī)質(zhì)各官能團(tuán)的相對含量Fig.2 The relative content of various organic functional groupsof the extraction components (including LW, LB, B and NB) in the CA Vertisols

組分的烷基碳、 羧基-氨基碳含量分別比LW組分高4.0%～10.6%，4.0%～5.3%，B組分比LW組分分別高6.0%～12.5%，3.7%～5.5%。而NB組分的芳香碳含量和芳香度卻比LW組分分別低13.6%～15.1%，15.0%～17.1%，B組分比LW組分分別低15.5%～21.4%，17.1%～25.0%。因此，砂姜黑土中黑色組分的烷基碳、 羧基-氨基碳含量高于淺色組分，而其芳香碳含量及芳香度則低于淺色組分。相關(guān)分析表明(表3)，三個地點的砂姜黑土提取組分有機(jī)質(zhì)的烷基碳、 羧基-氨基碳含量與土壤黑度顯著正相關(guān)，烷氧碳、 羰基碳與黑度正相關(guān)但不顯著，而芳香碳含量、 芳香度則與黑度顯著負(fù)相關(guān)。因此，烷基碳、 羧基-氨基碳對提高砂姜黑土土壤黑度有顯著影響，而芳香碳和芳香度對提高土壤黑度的影響并不顯著。

表3 砂姜黑土提取組分(LW，LB，B和NB)有機(jī)質(zhì)各官能團(tuán)的含量與黑度之間的相關(guān)性Table 3 Correlation between the content of variousorganic functional groups and the blackness of the extraction components(LW, LB, B and NB)in the CA Vertisols

2.3 土壤中不同黑度組分的蒙皂石礦物與有機(jī)質(zhì)各官能團(tuán)的關(guān)系

三個地點的砂姜黑土提取組分的蒙皂石與有機(jī)質(zhì)各官能團(tuán)含量的相關(guān)性見表4。結(jié)果顯示，提取組分的蒙皂石與烷基碳、 羧基-氨基碳含量顯著正相關(guān)，與烷氧碳、 羰基碳含量正相關(guān)但不顯著，與芳香碳含量則呈負(fù)相關(guān)。因此，蒙皂石對烷基碳、 羧基-氨基碳有顯著影響，對其他有機(jī)基團(tuán)的影響不顯著。

表4 砂姜黑土提取組分(LW，LB，B和NB)的蒙皂石含量與有機(jī)質(zhì)各官能團(tuán)含量的相關(guān)性Table 4 Correlation between the smectite and the various organic functional group scontent of the extraction components (LW, LB, B and NB) in the CA Vertisols

2.4 蒙皂石礦物和有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)對土壤黑度的影響

表5為有機(jī)質(zhì)各個官能團(tuán)和蒙皂石礦物對砂姜黑土黑度影響的通徑系數(shù)。結(jié)果顯示，在三個地點的砂姜黑土中，提取組分有機(jī)質(zhì)的芳香碳、 羰基碳、 芳香度對土壤黑度的直接通徑系數(shù)都較小, 而其通過其他因素對土壤黑度的間接通徑系數(shù)之和也較小, 說明它們對土壤黑度的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)都較小, 不是影響土壤黑度的主要因素。烷基碳、 羧基-氨基碳和烷氧碳對土壤黑度的直接通徑系數(shù)及其通過其他因素對土壤黑度的間接通徑系數(shù)之和都較大, 說明烷基碳、 羧基-氨基碳和烷氧碳對土壤黑度的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)都較大, 是影響土壤黑度的主要因素。其中，烷基碳、 羧基-氨基碳對土壤黑度的影響效應(yīng)明顯大于烷氧碳。

表5 砂姜黑土提取組分有機(jī)質(zhì)各官能團(tuán)和蒙皂石對黑度影響的通徑系數(shù)Table 5 Path coefficients ofvarious organic functional groups and smectite affecting the blackness of the extraction componentsin the CA Vertisols

蒙皂石對土壤黑度的直接通徑系數(shù)及其通過其他因素對土壤黑度的間接通徑系數(shù)之和都較大, 說明蒙皂石對土壤黑度的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)都較大, 也是影響土壤黑度的主要因素。其中蒙皂石通過烷基碳和羧基-氨基碳對土壤黑度的間接通徑系數(shù)明顯大于其他有機(jī)碳基團(tuán)，說明蒙皂石通過烷基碳和羧基-氨基碳對土壤黑度的間接效應(yīng)較大。

一般情況下，物體對照射白光中各波長的吸收率越高其顏色就越黑，紫外區(qū)和可見光區(qū)(UV-Vis)內(nèi)的吸收主要是由原子外層價電子或成鍵電子吸收能量而躍遷到較高能級產(chǎn)生的電子吸收光譜。有機(jī)質(zhì)分子中決定電子吸收波長和強(qiáng)度的原子團(tuán)及其相關(guān)的化學(xué)鍵稱為生色團(tuán), 常見的生色團(tuán)有烯烴、 苯環(huán)、 羧基、 酰胺和羰基等[8]。而胺基、 羥基、 烷氧基等稱為助色團(tuán), 它們本身在200 nm以上不產(chǎn)生吸收, 但這些含有未共用電子對的助色團(tuán)連接到生色團(tuán)上能使生色團(tuán)的光吸收移向長波方向，從而使顏色加深[13]。一般腐殖質(zhì)的顏色與其分子芳構(gòu)化程度呈正相關(guān)[14]，傳統(tǒng)觀點也通常認(rèn)為以苯環(huán)為代表的生色團(tuán)對腐殖質(zhì)呈現(xiàn)黑色影響較大，因而出現(xiàn)了腐殖質(zhì)的高芳構(gòu)化程度導(dǎo)致砂姜黑土土壤顏色較黑的觀點[4-5]。但腐殖質(zhì)是從土壤中僅能部分提取的有機(jī)質(zhì)成分，且提取過程中破壞了有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體及有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)[6-8]，因而上述觀點代表的僅是腐殖質(zhì)顏色，不能代表土壤及有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的顏色。本研究中砂姜黑土呈現(xiàn)黑色的主導(dǎo)成分是由蒙皂石顆粒吸附有機(jī)質(zhì)形成的黑色有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體，而不是單純的有機(jī)質(zhì)成分。有機(jī)質(zhì)被蒙皂石吸附后形成比原有機(jī)質(zhì)更黑的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體，其顏色發(fā)生特異性變化，說明單純的有機(jī)質(zhì)顏色與有機(jī)質(zhì)被蒙皂石吸附后形成的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體顏色是有差異的，且差異較大。本研究采用物理方法提取土壤中的黑色物質(zhì)，然后利用固態(tài)13C-NMR技術(shù)測定有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，克服了化學(xué)方法提取腐殖質(zhì)成分不完整且破壞土壤有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體及有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)的缺陷[8]，可以更好地研究有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體中的有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。

土壤中90%以上都是固態(tài)物質(zhì)，而固態(tài)物質(zhì)中礦物又占主體[14]。土壤中單獨存在的腐殖質(zhì)膠?；虻V物膠粒很少，主要是以有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體形式存在。蒙皂石能選擇性地吸附腐殖質(zhì)溶液中的烷基和羧基化合物[15]，羧酸、 酯、 酰胺等羧基/氨基碳類物質(zhì)既含生色團(tuán)，也含助色團(tuán)，而烷氧碳是助色團(tuán)。結(jié)合有機(jī)質(zhì)中羧基-氨基碳、 烷基碳和烷氧碳是影響砂姜黑土呈現(xiàn)黑色的主要因素，而且蒙皂石對土壤黑度的直接影響效應(yīng)及通過有機(jī)質(zhì)中的羧基-氨基碳、 烷基碳的間接效應(yīng)都較大。因此，含有生、 助色團(tuán)的羧基碳、 氨基碳和烷氧碳對蒙皂石吸附有機(jī)質(zhì)形成的復(fù)合體呈現(xiàn)黑色發(fā)揮主導(dǎo)作用，而芳香碳并不是主要因素。而且微小的蒙皂石顆粒吸附這些生、 助色團(tuán)形成的復(fù)合體具有很大的比表面積，進(jìn)一步增強(qiáng)了其對光波的吸收，從而使復(fù)合體黑度增強(qiáng)，這些復(fù)合體在土壤中大量的均勻分布使砂姜黑土呈現(xiàn)黑色。

烷基碳既不含生色團(tuán)也不含助色團(tuán)，但其通過羧基碳、 氨基碳對土壤黑度的影響效應(yīng)較大。根據(jù)腐殖質(zhì)顏色與其相對分子質(zhì)量大小呈正相關(guān)[14]，我們推測烷基碳可能是通過連接羧基碳、 氨基碳形成較長脂肪鏈的羧酸、 酯、 酰胺等使得有機(jī)分子的分子量增加，從而提高了有機(jī)質(zhì)黑度，也可能與烷基碳在蒙皂石顆粒表面的平臥排列使得這些長脂肪鏈的羧酸、 酯、 酰胺能夠均勻分布在礦物表面，進(jìn)一步增加了對光波的吸收有關(guān)，不過這些有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，芳香碳含量和芳香度對砂姜黑土呈現(xiàn)黑色并沒有顯著影響，土壤有機(jī)質(zhì)中的羧基碳、 氨基碳、 烷基碳和烷氧碳是影響砂姜黑土呈現(xiàn)黑色的主要因素。砂姜黑土中大量存在的蒙皂石通過吸附含有生、 助色團(tuán)的羧基碳、 氨基碳、 烷氧碳及烷基碳形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體是其呈現(xiàn)黑色的主要機(jī)制，其在土壤中的均勻分布使砂姜黑土呈現(xiàn)黑色。