黏土礦物改良劑對(duì)新墾砂壤質(zhì)耕地土壤有機(jī)碳積累的影響

呂曉菡 章明奎 嚴(yán)建立

摘要：為了解黏土礦物改良劑在新墾耕地地力提升中的作用，選擇膨潤(rùn)土、高嶺石、沸石和硅藻土4種黏土礦物，在添加量為10%的條件下，采用培養(yǎng)試驗(yàn)研究其對(duì)有機(jī)肥料礦化及土壤有機(jī)碳積累的影響。結(jié)果表明，與對(duì)照比較，添加黏土礦物可明顯增加土壤有機(jī)碳的積累，其效果由強(qiáng)到弱為膨潤(rùn)土、高嶺石、硅藻土、沸石;團(tuán)聚體分析和重液分組結(jié)果表明，添加黏土礦物可顯著增加土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量，促進(jìn)礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的形成。研究認(rèn)為，黏土礦物增加有機(jī)碳穩(wěn)定性是其促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累的主要原因。關(guān)鍵詞：黏土礦物;有機(jī)碳積累;新墾耕地;土壤團(tuán)聚體;砂壤土

中圖分類號(hào)：S158.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：cjas20190700137

Effects of Clay Mineral Amendments on Soil Organic Carbon Accumulation in Newly Reclaimed Sandy Loam Farmland

LV Xiaohan1，ZHANG Mingkui2，YAN Jianli1

（1Hangzhou Academy of Agricultural Sciences，Hangzhou 310024，Zhejiang，China;

2College of Environmental and Resource Sciences，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China）

Abstract：To understand the role of clay mineral amendments in improving the soil fertility of newly reclaimed farmland，four clay minerals，bentonite，kaolinite，zeolite and diatomite，were selected for testing their effects on mineralization of organic fertilizers and accumulation of soil organic carbon by incubation experiments with 10% addition of the amendments. The results showed that the addition of clay minerals could significantly increase the accumulation of soil organic carbon as compared with the control，and the effect decreased in the order of bentonite> kaolinite> diatomite> zeolite. Aggregate measurement and heavy liquid fractionation showed that the addition of clay minerals could significantly increase the amount of water-stable aggregates in the soils and promote the formation of mineral-bound organic carbon. In general，clay minerals could increase the stability of organic carbon，which is the main reason for increasing organic carbon accumulation in the soils.

Keywords：Clay Minerals;Organic Carbon Accumulation;Newly Cultivated Farmland;Soil Aggregates;Sandy Loam

0引言

有機(jī)質(zhì)是評(píng)估土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，其含量高低可直接影響土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀，因此提升土壤有機(jī)質(zhì)一直是耕地地力培育的重點(diǎn)和核心「1-3]。土壤有機(jī)質(zhì)提升的農(nóng)藝措施主要包括增施有機(jī)肥、種植綠肥、秸稈還田、糧肥輪作/間作及用地養(yǎng)地相結(jié)合[3-8]。但眾多的田間試驗(yàn)表明[7-11]，農(nóng)藝措施對(duì)不同土壤有機(jī)質(zhì)的提升效果有很大的差異，即使培肥多年，砂質(zhì)和砂壤質(zhì)農(nóng)田土壤的有機(jī)質(zhì)含量常常停留在較低的水平，其與這些土壤缺乏無機(jī)膠體、有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性較低有關(guān)[12-13]。因此，要有效提升砂質(zhì)或砂壤質(zhì)土壤的有機(jī)質(zhì)，必須改變土壤的固有性狀，增強(qiáng)土壤對(duì)有機(jī)質(zhì)的保蓄能力。黏土礦物是自然界普遍存在的物質(zhì)，來源廣泛，具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力，近年來已被用作土壤改良劑，改良土壤結(jié)構(gòu)和鈍化土壤中的重金屬[14]。黏土礦物對(duì)有機(jī)物料具有較強(qiáng)的吸附能力，可增加有機(jī)物質(zhì)的生物穩(wěn)定性[15-16]。為了解常用黏土礦物改良劑對(duì)新墾耕地地力提升中的作用，選擇膨潤(rùn)土、高嶺土、沸石和硅藻土4種常見的黏土礦物，采用培養(yǎng)試驗(yàn)研究其對(duì)有機(jī)肥礦化及土壤有機(jī)質(zhì)積累的影響。

1材料與方法

1.1研究材料

供試土壤采自浙西一新墾農(nóng)田，土壤類型為紅砂土，土壤性狀見表1。其中堿解氮37.43 mg/kg，速效磷7.53 mg/kg，速效鉀58.24 mg/kg。供試有機(jī)肥為豬糞/ 水稻秸稈堆肥，pH 6.98，有機(jī)質(zhì)410 g/kg，含氮、磷、鉀分別為18.23、20.42、17.33 g/kg。供試膨潤(rùn)土、高嶺土、沸石和硅藻土從市場(chǎng)購置。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年在溫室內(nèi)進(jìn)行。從田間采集的土

樣過5 mm土篩后充分混勻用于試驗(yàn)，每盆用土量為10 kg，試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理：（1）空白對(duì)照，不施有機(jī)肥和黏土礦物;（2）有機(jī)肥對(duì)照，施用2%的有機(jī)肥，不施黏土礦物;（3）膨潤(rùn)土，施用2%的有機(jī)肥和10%的膨潤(rùn)土;（4）高嶺土，施用2%的有機(jī)肥和10%的高嶺土;（5）沸石，施用2%的有機(jī)肥和10%的沸石;（6）硅藻土，施用2%的有機(jī)肥和10%的硅藻土。各處理有機(jī)肥與黏土礦物與土壤充分混勻，重復(fù)3次，隨機(jī)排列，培養(yǎng)時(shí)間持續(xù)12個(gè)月。培養(yǎng)試驗(yàn)在玻璃房?jī)?nèi)進(jìn)行，土壤保持80%的田間持水量，培養(yǎng)期間溫度在15～35工。試驗(yàn)結(jié)束后取樣，自然風(fēng)干，一部分測(cè)定土壤性質(zhì)，另一部分用于團(tuán)聚體分析。

1.3分析方法

參考Elliott等[16]的土壤團(tuán)聚體濕篩法測(cè)定水穩(wěn)性團(tuán)聚體：將樣品放置于孔徑自上而下為5、2、0.25、0.053 mm套篩之上，先用水浸潤(rùn)10 min，豎直上下震蕩10 min，收集各級(jí)篩子上的團(tuán)聚體（>5、5～2、2～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm）至鋁盒中，烘干稱重后磨細(xì)過0.15 mm篩，采用重銘酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定其有機(jī)碳含量[17]。稱取10.00 g樣品采用密度法對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分組[18]：用密度為1.85 g/cm³NaI溶液分離得到游離態(tài)輕組（fLF）和重組（HF），向剩余重組中加入0.5%（w/v）六偏磷酸鈉（HMP）溶液振蕩18 h，依次通過0.25 mm和0.053 mm篩，分別得到粗顆粒有機(jī)碳（cPOC，>0.25 mm）、細(xì)顆粒有機(jī)碳（fPOC，0.25～0.053 mm）、礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（mSOC，<0.053mm），各組分在45℃下烘干、稱重，測(cè)定并計(jì)算各有機(jī)碳組分質(zhì)量在土壤中的相對(duì)含量。各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率計(jì)算如式（1）。

2結(jié)果與分析

2.1黏土礦物改良劑對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響

由表2可知，對(duì)照土壤>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量只有23.54%，主要為0.25～2 mm粒徑的團(tuán)聚體，少數(shù)為2～5 mm粒徑的團(tuán)聚體，無>5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體。與對(duì)照比較，施用有機(jī)肥后，>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量明顯增加，比對(duì)照相對(duì)增加61.34%;出現(xiàn)了>5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體，其含量為5.68%;與此同時(shí)，0.053～0.25 mm和<0.053 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量明顯下降。在施用有機(jī)肥的同時(shí)施用黏土礦物，促進(jìn)了>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成，施用膨潤(rùn)土、高嶺土、沸石和硅藻土后>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量分別比對(duì)照相對(duì)增加了126.25%、106.75%、92.61%和79.18%，分別比單獨(dú)施用有機(jī)肥的處理增加40.23%、28.15%、19.38%和11.05%;同時(shí)，施用膨潤(rùn)土、高嶺土、沸石和硅藻土后，>5 mm和2～5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量比單獨(dú)施用有機(jī)肥的處理呈現(xiàn)顯著的增加。相反，施用膨潤(rùn)土、高嶺土、沸石和硅藻土后，0.053～0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量比單獨(dú)施用有機(jī)肥的處理明顯下降，而<0.053 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量也略有下降。這表明，施用膨潤(rùn)土、高嶺土、沸石和硅藻土可促進(jìn)0.053～0.25 mm和<0.053 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體向>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，增加了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性?？傮w上，施用黏土礦物對(duì)土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體形成的促進(jìn)作用表現(xiàn)為膨潤(rùn)土>高嶺土>硅藻土>沸石。

2.2施用黏土礦物改良劑對(duì)土壤和團(tuán)聚體中有機(jī)碳的影響

由表3可知，施用有機(jī)肥和黏土礦物顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，表現(xiàn)為膨潤(rùn)土>高嶺土>硅藻土>沸石>有機(jī)肥對(duì)照。其中單施有機(jī)肥比對(duì)照增加土壤有機(jī)質(zhì)42.24%，而施用膨潤(rùn)土、高嶺土、硅藻土、沸石分別比有機(jī)肥對(duì)照增加有機(jī)質(zhì)17.65%、14.33%、10.72%、8.06%。表3結(jié)果還表明，與空白對(duì)照比較，施用有機(jī)肥和黏土礦物顯著增加了各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)的積累;而與單施有機(jī)肥對(duì)照比較，黏土礦物對(duì)>5 mm、2～5 mm和<0.053 mm等團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)的積累均有明顯的作用，而對(duì)0.25～2 mm和0.053～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)含量的影響相對(duì)較小。

不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤整體有機(jī)碳積累的貢獻(xiàn)率有較大差異（表4），但不同處理的團(tuán)聚體中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率具有相似的規(guī)律，均表現(xiàn)為0.053～0.25 mm 最高，在35.45%～64.57%之間;其次為0.25～2 mm，在15.73%～20.56%之間;>5 mm、2～5 mm和<0.053 mm 的有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)率相對(duì)較低，且三者較為接近。表4的結(jié)果也表明，施用有機(jī)肥顯著增加了大團(tuán)聚體（>5、2～5>0.25～2 mm）中有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)率，同時(shí)降低了小粒徑團(tuán)聚體（0.053～0.25 mm和<0.053 mm）中有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)率。而同時(shí)施用黏土礦物增強(qiáng)了這種趨勢(shì)，其中以膨潤(rùn)土的作用最為顯著，其次為高嶺土。

2.3施用黏土礦物改良劑對(duì)團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳組分分布的影響

由表5可知，施用有機(jī)肥和黏土礦物同時(shí)增加了各組分有機(jī)質(zhì)的含量，但其變化趨勢(shì)與土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化有差異。與單施有機(jī)肥的對(duì)照比較，施用膨潤(rùn)土、高嶺土、硅藻土和沸石后土壤游離態(tài)有機(jī)碳分別增加13.04%、20.29%、17.39%、14.49% ;對(duì)于粗顆粒有機(jī)碳，只有添加沸石的處理增幅（8.73%）才達(dá)到顯著水平，施用膨潤(rùn)土、高嶺土后反而有所下降;而對(duì)于細(xì)顆粒有機(jī)碳，施用黏土礦物后均呈現(xiàn)下降，其中以膨潤(rùn)土的降幅度最大;施用黏土礦物后土壤中礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳均有明顯的增加，并以膨潤(rùn)土的最為顯著。表中各形態(tài)有機(jī)質(zhì)組成比例的數(shù)據(jù)也顯示出，施用黏土礦物促進(jìn)了細(xì)顆粒有機(jī)碳和部分粗顆粒有機(jī)碳向礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳轉(zhuǎn)化，增加了土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性。

3結(jié)論

砂壤質(zhì)新墾耕地施用黏土礦物有利于促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的積累，其效果由強(qiáng)到弱表現(xiàn)為膨潤(rùn)土>高嶺石>硅藻土>沸石;黏土礦物增加了土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，促進(jìn)礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)的形成，增加了土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性，從而減弱了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化。

4討論

已有研究[19-22]表明，影響土壤有機(jī)質(zhì)積累的因素包括環(huán)境條件、土壤性狀和進(jìn)入農(nóng)田土壤有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量。環(huán)境條件主要指溫度、濕度，它們可通過影響微生物活性影響有機(jī)質(zhì)的分解和周轉(zhuǎn)，適宜的溫度和濕度有利于微生物活動(dòng)，有機(jī)質(zhì)分解較快;溫度和濕度過高或過低都不利于微生物的活動(dòng)，但可在一定程度上促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的積累。土壤性狀主要是通過影響土壤中有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性影響土壤有機(jī)質(zhì)的積累，本研究土壤偏砂，土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速度較快，不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[22];進(jìn)入農(nóng)田的外源有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量將直接影響積累在土壤中有機(jī)質(zhì)的數(shù)量，一般來說進(jìn)入農(nóng)田的有機(jī)物料數(shù)量越多，土壤中有機(jī)質(zhì)積累越明顯[9，23-24]，并且，隨著土壤有機(jī)質(zhì)的積累，土壤中水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量也呈增加的趨勢(shì)，而團(tuán)聚體的形成又可增加對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的保護(hù)作用，降低土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速度。本研究的結(jié)果也表明，施用有機(jī)肥料可顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)的積累，同時(shí)土壤中水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量顯著地增加。

土壤中無機(jī)膠體可通過對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的保護(hù)影響土壤有機(jī)質(zhì)的積累，無機(jī)膠體數(shù)量越多，越有利于土壤中有機(jī)質(zhì)的積累。這是由于土壤中的有機(jī)質(zhì)主要以有機(jī)無機(jī)復(fù)合體形態(tài)存在，若土壤中黏粒含量較低，有機(jī)無機(jī)復(fù)合體難以形成，減弱了對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的保護(hù)，反之，無機(jī)膠體數(shù)量越多將越有利于土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性。黏土礦物是土壤中主要的無機(jī)膠體，因此增加土壤中黏土礦物也就增加了土壤的無機(jī)膠體，從而增強(qiáng)了土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性[21]。無機(jī)膠體與有機(jī)質(zhì)可通過形成配位絡(luò)合物，促進(jìn)團(tuán)聚體的形成[25-26]，后者又對(duì)團(tuán)聚體內(nèi)的有機(jī)質(zhì)起到了很好的保護(hù)作用，減少團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)遭受微生物的分解。而膨潤(rùn)土因比表面積較高，具更高的能力吸附土壤有機(jī)質(zhì)，因此它比其他礦物更易形成穩(wěn)定的團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)質(zhì)起到保護(hù)作用，因此添加膨潤(rùn)土后土壤具有較多的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量。

本研究從黏土礦物影響土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的角度揭示了黏土礦物改良劑的使用可對(duì)新墾砂壤質(zhì)耕地土壤有機(jī)碳積累產(chǎn)生明顯的影響，證明了黏土礦物的使用有助于促進(jìn)新墾耕地肥力的提高。但本研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，尚沒有考慮黏土礦物最佳使用量與土壤質(zhì)地的關(guān)系，這有待于進(jìn)一步試驗(yàn)研究確定。

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