江汉平原不同利用方式下土壤有机质与粘粒矿物的交互作用.pdf

第 34 卷 第 1 期 矿矿 物物 学学 报报 Vol. 34, No.1 2014 年 3 月 ACTA MIERALOGICA SINICA Mar., 2014 文章编号文章编号1000-4734201401-0047-06 江汉平原不同利用方式下土壤有机质与 粘粒矿物的交互作用 徐晋玲 1,2，朱志锋1，黄传琴1,2*，谭文峰1,2 （1. 华中农业大学 农业部长江中下游耕地保育重点实验室，湖北 武汉 430070； 2. 中国科学院 水利部水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100） 摘摘 要要以江汉平原四湖地区果园、旱地、水旱轮作、水田等利用方式下的土壤为研究材料，通过分析有机 质质量分数、粘土矿物与铁铝氧化物的组成特点，探讨了该区土壤有机质与粘粒矿物之间的交互作用。结果 表明各土地利用方式下表层土壤的粘土矿物均以 2∶1 型矿物为主，约占 70～80；不同土地利用方式下 表层土壤有机质质量分数、非晶质铁铝氧化物及铁的活化度大小顺序均为水田水旱轮作旱田果园；土 壤非晶质氧化铁（Feo）质量分数和粘土矿物中高岭石的质量分数分别与土壤有机质质量分数呈极显著正相 关和显著正相关，且 Feo与高岭石质量分数呈显著正相关。江汉平原四湖地区不同土地利用方式下，表层土 壤中的 Feo与高岭石强烈作用，利于土壤对有机碳的固定。研究结果有助于理解人为干扰下区域土壤的固碳 机制。 关键词关键词土壤；有机质；粘粒矿物；土地利用；江汉平原 中图分类号中图分类号P579; S153.6 文献标识码文献标识码A 作者简介作者简介 徐晋玲， 女， 1989 年生， 硕士， 研究方向为土壤与环境. E-mail xujinling1989 土壤的固碳作用对碳减排有重要意义，日益 引起人们的关注。在土壤中，绝大部分有机碳是 以矿质复合的形态存在，土壤有机无机复合是稳 定性团聚体和土壤肥力形成的重要机制和物质 基础 ， 二者之间的复合作用是有机化合物抵抗生 物降解、维持其稳定性的基本机制[1-2]。因此，有 机无机复合体是土壤碳积累与储存的关键。在土 壤退化、土壤碳库的环境效益等研究中，土壤有 机无机复合体倍受人们的重视。 有机无机复合体可通过有机质与无机矿物 （粘土矿物与铁铝氧化物等） 的吸附作用[2]或有机 质与多价金属 （如铝和铁） 的共沉淀作用形成[3-4]。 氧化物易与粘土矿物和有机质胶结而形成复合 物；另外，带正电荷的氧化物可以在粘土矿物与 有机化合物之间起桥梁作用，形成粘土矿物-多价 阳离子-有机质复合物[5]。目前关于土壤中粘土矿 物与氧化物对有机碳固定过程的理解多基于室内 实验，但其结果往往与田间实际情况有所偏离[6]。 自然土壤垦殖对耕层土壤有机无机复合体 产生的影响较大，会降低土壤中大部分有机质的 稳定性[7]。18501998 年期间，全球农业土壤的 释碳量约为 7812 Gt。其中因土壤侵蚀损失的碳 量约占释碳总量的三分之一，另外三分之二通过 有机碳的矿化作用损失掉[8]。目前有关人为干扰 对土壤碳库影响的研究已有较多报道，主要集中 在土壤管理方式（耕作与施肥）对土壤碳分布特 征及碳汇的影响[9-10]，而对于不同利用方式下农 田土壤固定有机碳过程中粘土矿物与氧化物之 间交互作用的对比研究较少。本文以江汉平原四 湖地区为研究样区，通过分析果园、旱地、水旱 轮作和水田的表层土壤有机质质量分数、粘土矿 物与铁铝氧化物的组成特征以及三者之间的相 关性，阐明土地利用方式对该地区土壤固碳作用 的深刻影响。研究结果将有助于理解人为干扰下 土壤固定有机碳的机制。 1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区概况 研究区域位于江汉平原后湖农场。该农场地 收稿日期收稿日期2012-10-25 基金项目基金项目国家自然科学基金项目（批准号41201230） ；中央 高校基本科研业务费（编号52902-0900206060）  通讯作者，E-mailhcq 48 矿 物 学 报 2014 年 处江汉平原四湖水网湖区， 北依汉水， 南临长江， 面积约 72 km2。全农场地势较平坦，成土母质均 一，为 Q4 石灰性河流冲积物，土壤为长江和汉 江的近代沉积物构成，土层深厚肥沃，质地为壤 土和粘壤土。 地下水位季节性变化 （冬季 1～2 m， 夏季 1 m 以内），氧化还原频繁。该区年均气温 为 16.3 ℃，≥10 ℃积温为 5222 ℃，年均降雨量 为 1450～1500 mm。该区农田土地主要利用方式 有果园、旱地、水旱轮作和水田等。 1.2 样品采集样品采集 采样区土壤在 20 世纪 5060 年代进行过土 地平整，前期土壤条件较为一致。本实验在选定 的每一种土地利用类型（果园、旱地、水旱轮作、 水田）样地田块中，随机选择 2～3 个代表性样 点采集表层 0～16 cm 土样，共采集 10 个样点， 每个样点重复采样 3 次，共采集 30 个样品，每 个样品量不少于 1 kg。将采集的样品带回室内风 干，分别过 0.25 mm 和 1 mm 筛备用。采样点基 本资料见表 1。 1.3 样品测定与分析样品测定与分析 土壤 pH 用电位法 （水土比 1∶2.5， Orien 868 型 pH 计）测定，有机质质量分数采用重铬酸钾- 外加热法测定[11]；采用柠檬酸钠-重碳酸钠-连 二亚硫酸钠（DCB）和草酸-草酸铵（Tamm） 等化学选择性溶提技术测定晶质和非晶质铁 铝氧化物的质量分数[12]，提取液经稀释后，用 等离子发射光谱（ICP）测定铁铝质量分数。随 批稀释铁标液（1000 mg/L Fe）和铝标液（1000 mg/L Al）做标准曲线，在一定浓度范围内，铁、 铝的浓度与谱线强度呈线性相关（R 0.999）。 测定结果的相对标准偏差小于 3，加标回收率 为 98～105。 结合湿筛和沉降法提取土壤胶体（＜2 m 粘粒） ， 用 DCB 法处理粘粒样品脱去铁铝 氧化物后， 分别制成镁-甘油饱和定相片 （Mg- 甘油） 、钾饱和定向片（K-25 ℃） ，以及钾饱和 定向片的 300 ℃（2 h）加热片（K-300 ℃）进行 X 射线衍射（XRD）分析[12]。测试条件为 Fe Kα辐射，管压 40 kV，管流 20 mA，扫描 角度范围 （2θ） 5～30， 扫描速度 （2θ） 10 /min。 对比分析不同处理的 XRD 图谱特征峰的变化， 鉴别土壤粘土矿物类型；Mg-甘油衍射图谱扣除 背景后，将样品中粘土矿物特征衍射峰的积分面 积（面积由峰高半峰宽求得）乘以比例系数， 计算各特征衍射峰的面积占总和的百分数[12]，即 粘土矿物的相对质量分数。 2 结果与分析 2.1 不同土地利用方式下土壤有机质质量分数不同土地利用方式下土壤有机质质量分数 土壤有机质质量分数的高低取决于 2 个因 素一是以枯枝落叶和死亡根系等形式归还到土 壤的有机质的数量；二是土壤有机质的矿化消耗 和腐殖化积累。由表 1 可见，不同土地利用方式 下土壤的有机质质量分数在 25～70 mg/g 之间变 化。果园土壤的有机质质量分数最低（25.29 mg/g） ，低于农田土壤的有机质质量分数。农田 中以水田土壤的有机质质量分数最高（67.29 mg/g） ，旱田与水旱轮作方式下土壤的有机质质 量分数接近，分别为 33.50、35.77 mg/g。不同土 地利用方式之间表层土壤有机质质量分数差异 显著（P 旱田（14.83）果园（10.84） 。不同土地利用 方式下表层土壤非晶质氧化铝（Alo）的质量分数 在 0.4～0.9 mg/g 之间变化。 其中， 果园土壤的 Alo 50 矿 物 学 报 2014 年 质量分数最低（0.49 mg/g） ，水田土壤的 Alo质量 分数最高（0.83 mg/g） ，旱田（0.74 mg/g）与水旱 轮作 （0.75 mg/g） 方式下土壤的 Alo质量分数接近。 土壤铁的活化度与土壤有机质质量分数、水 分状况、 pH 有关。 耕作制度和淹水状况影响土壤 有机质的质量分数，而有机质能显著提高土壤中 氧化铁的活化度[13,14]。研究表明水田有利于土壤 有机碳的积累，并且土壤有机质含量随潜育化程 度增强而增加[15]。因此，水田表层土壤的有机质 含量、铁的活化度最高。水旱轮作方式下频繁的 土壤水分干湿交替有利于氧化铁的老化，因而铁 的活化度较水田的低。与旱田相比，果园表层土 壤的有机质质量分数最低， pH 值最高， 这种土壤 环境有利于无定形铁向弱晶型及晶型铁的转化。 因此，不同土地利用方式下土壤有机质质量分 数、非晶质铁铝氧化物及铁的活化度大小顺序均 为水田＞水旱轮作＞旱田＞果园（表 1、3） 。 3 讨 论 土壤中游离态的有机碳易被氧化，与土壤矿 物结合形成复合体后，其稳定性因矿物的保护作 用而增强，保护作用的大小与矿物类型有关[16]。 晶质矿物比表面积和电荷密度较低，固定有机质 的能力较低；而非晶质矿物的水合度和比表面积 较大、活性位点较多，可通过离子或配位交换与 有机碳形成稳定的复合体，形成对有机碳的物理 化学保护[17]。不同晶型氧化物与有机质质量分数 的相关分析结果表明，Fed、Feo、Alo与有机质质 量分数均呈线性正相关，其中，Feo与有机质质 量分数呈极显著的正相关（表 4） 。 粘土矿物表面对有机质的吸附在有机质的 固定方面有着重要作用。粘土矿物与土壤有机质 质量分数的相关关系分析表明， 土壤有机质与 1.4 nm 矿物（蛭石和 HIM）和伊利石分别呈不显著 的正相关与负相关，而与高岭石呈显著的正相关 （表 4），说明粘土矿物中高岭石在吸附有机碳 方面起重要作用。这可能与土壤有机质、粘土矿 物的电荷类型有关。2∶1 型粘土矿物表面电荷 以同晶替代作用产生的永久负电荷为主， 而 1∶1 型高岭石表面电荷以断键所产生的可变电荷为 主。因此，高岭石可通过静电作用与以带负电荷 为主的有机质相互作用，这有利于高岭石对有机 碳的固定[18]。 氧化物表面常带正电荷，颗粒细小、比表面 积大，在土壤中尤其是带可变电荷的土壤，它们 作为胶膜覆盖于粘粒矿物表面，可在粘土矿物与 有机物之间起桥梁作用， 形成粘土矿物-多价阳离 子-有机质的复合物。 不同晶型的铁铝氧化物与粘 土矿物的相关性分析结果列于表 5。 由表中可见， 仅在 Feo与高岭石间存在显著的正相关。这说明 土壤中的非晶质铁氧化物与高岭石强烈作用，促 进团聚体的形成、增加土壤的固碳量[6]。 表表 3 不同土地利用方式下铁铝氧化物的组成不同土地利用方式下铁铝氧化物的组成 Table 3. Iron and aluminum oxides composition of bulk samples for different land uses 土地利用方式 wFeo /mg/g wFed / mg/g wAlo / mg/g 活化度Feo/Fed/ 果园 （n9） 1.53 0.02 a 14.12 0.18 c 0.49 0.06 a 10.84 0.14 a 旱田（n6） 1.98 0.04 b 13.35 0.22 b 0.74 0.08 b 14.83 0.12 b 水旱轮作（n9） 2.36 0.07 c 15.20 0.20 d 0.75 0.08 bc 15.53 0.40 c 水田（n6） 3.99 0.09 d 11.80 0.17 a 0.83 0.06 c 33.81 0.40 d 注不同字母表示在 P orchard. Amorphous Fe oxides Feo content in soil showed a highly significant positive correlation with soil organic matter contents, and kaolinite in clay minerals showed a significant positive correlation with soil organic matter content. The significant positive correlation between Feo contents and kaolinite contents suggested the strong interaction between Feo and kaolinite of the soils for different land uses which is contribute to soil organic carbon sequestration. The result is helpful for better understanding the mechanism of soil organic carbon sequestration in region soils under human activities. Key words soil; organic matter; clay mineral; land use; jianghan plain