長期定位施肥對潮土土壤黏土礦物影響的研究

林少雯，陳延玲，劉樹堂，袁銘章

(青島農業大學 資源與環境學院，山東 青島 266109)

長期定位施肥對潮土土壤黏土礦物影響的研究

林少雯，陳延玲，劉樹堂，袁銘章

(青島農業大學 資源與環境學院，山東 青島 266109)

為研究不同施肥對潮土土壤黏土礦物變化的影響。利用連續進行 39年的長期定位施肥試驗，選取1978，1984，1990，1996，2002，2008，2014 年的土壤，采用 X 射線衍射法，分析了各施肥處理黏土礦物相對含量變化，結果表明：長期不同施肥可改變土壤黏土礦物的相對含量。蒙脫石的年際相對含量均高于 CK，呈上升趨勢，M1N2最顯著(R2=0.991 80)，其次是 M2(R2=0. 952 86)，伴隨時間的推延，高嶺石的相對含量 M2N1降低最顯著(R2=0.993 10)，其次為 M2N2(R2=0.938 89)、M1N2(R2=0.900 00)，且所有處理的高嶺石含量均低于 CK。土壤中綠泥石相對含量，有機肥配施氮肥處理較 CK 有所降低，根據 2014 年數據可知，M2N2降低最明顯，降低5個百分點。單施氮肥處理中水云母相對含量隨時間的推移呈下降趨勢，且N2(R2=0.948 03)低于 N1(R2=0.883 27)，單施有機肥及有機肥配施氮肥水云母相對含量逐年提高，M2N2最高(R2=0.971 26)，其次是 M1N2(R2=0.903 18)、M2N1(R2=0.890 89)，表明有機肥有利于水云母的生成。長期單施氮肥造成鉀素缺失，水云母礦物層間的非交換性鉀不斷釋放，形成蒙脫石-水云母混層的相對含量也隨時間的推移呈上升趨勢。

長期定位施肥；潮土；粘土礦物

土壤是地球上最常見的自然資源，也是人類得以生存的根基，其中的黏土礦物對土壤維持肥力、緩沖、自我凈化與養分循環等功能都有影響，也是土壤內最為活躍的成分。 因此，探究土壤黏土礦物在長期施肥后的相對含量變化，對土壤可持續利用具有重要意義[1-3]。長期定位施肥試驗具備的信息相對全面，能降低由于氣候等外在因素導致的土壤肥效偏差率，更加系統地展示一定時期內土壤因不同施肥而引起的變化，具有常規試驗不可比擬的特點，為土壤資源可持續健康發展提供有力依據[4-7]。劉永輝等[8]指出土壤黏土礦物對土壤的性質和結構有重要影響。比如，土壤中高嶺石的相對含量較高，其可塑性較弱，土壤具有黏結性，而且土壤的保肥保水性差。而以蒙脫石為主的土壤，質地黏重，持水力強，吸水性慢，漲縮性強，對土壤耕性不利。 劉永輝等[8]研究指出，土壤黏土礦物中水云母含鉀量最高，可通過對鉀素的固定和釋放與其他黏土礦物進行相互轉化，進一步影響到土壤內鉀素含量。如土壤黏土礦物水化云母風化同時釋放出鉀之后，轉化為蒙脫石。反之，蒙脫石脫水，吸收鉀離子，可轉化成云母型黏土礦物。王倩等[9]經由長期施鉀肥和長期不施肥相關試驗，證實X 射線衍射圖譜不存在顯著差別，但長期不施肥會導致土壤鉀素下降。國外研究中，在加拿大發現一定區域內，土壤黏土礦物蛭石的相對含量較高，通過研究6A分辨率X 射線衍射表明，土壤內不少蛭石礦物已吸納其中的鉀元素而轉變成和云母相似的礦物[10]。伊朗探究人員運用X 射線衍射圖譜法研究分析了12個水稻土，發現云母類可轉變為2∶1 類黏土礦物[11]。經過長期定位施肥試驗得出的相關試驗成果，對化肥工業的發展方向、科學施肥制度的形成、土壤肥力的保持、農業生態和環境保護的協調發展以及農業生產健康綠色發展等，均起到了至關重要的積極作用[12]。由于中國的長期定位施肥試驗起步較晚，目前延續30年以上的試驗基地不多，有機肥與氮肥配施條件下的長期定位試驗更少。本試驗從1978 年開始，在山東萊陽試驗基地進行了長期施用有機肥、化肥以及二者配施的定位試驗，到目前已持續了39 年。黏土礦物在土壤沉積和埋藏的過程中，可受周圍土壤環境變化，相對含量發生變化[13]。為深入探討長期定位施肥對黏土礦物的影響，得到更準確的試驗結論，本研究基于連續進行39年的長期定位施肥試驗，探討施肥對土壤黏土礦物相對含量的影響，為保持土壤良好的肥力結構提供依據，保護土壤健康，為推動農業的長期穩定發展提供技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

試驗設在青島農業大學萊陽試驗站進行，土壤由沖積母質構成，非石灰性潮土，表層屬于礫質砂壤土。土壤pH值為6.8，0～20 cm土層有機質含量為4.10 g/kg，全氮量0.50 g/kg，全磷量為0.46 g/kg，土壤有效磷為15 mg/kg，土壤速效鉀為38 mg/kg，土壤陽離子交換量為11.80 cmol/kg。

試驗始于 1978 年，共設 9 個處理，3次重復。實施冬小麥-夏玉米輪作，氮素化肥選擇尿素，高氮處理施肥量為276 kg/hm2(用N2表示)。低氮處理施肥量為138 kg/hm2(用N1表示)。有機肥選擇豬圈糞，含全氮為 2.0～3.0 g/kg、全磷為 0.5～2.0 g/kg、全鉀(K)為5～10 kg，有機質為 20.0～50.0 g/kg，有機肥施用量(低量(用M1表示)、高量(用M2表示))都是以和無機氮肥等氮量運算，以氮確定有機肥的用量。小區有 33.3 m2，隨機排序，有機肥是基肥，無機氮肥用作小麥種肥與起身、拔節期追肥和玉米拔節、穗期追肥。本試驗選取了 1978，1984，1990，1996，2002，2008，2014 年的 0～20 cm 土層土壤樣品進行測定。分析土壤黏土礦物動態變化、長期定位第 37 年(2014 年)施肥對黏土礦物的影響。表1為試驗地土壤基礎狀況。

表1 試驗地土壤基礎狀況(0～20 cm，1978 年)Tab.1 Tested soil foundation(0-20 cm，1978 years) kg/hm2

1.2 測定方法

土壤黏粒的分離和提煉：通過超聲波加以分散，運用自由沉降法[14]，離析出低于 1 μm的黏粒。

土壤黏土礦物組成的測定：運用日本理學D/max-ⅢC型X-射線衍射儀進行剖析[15]。運用方差分析、相關性等分析方法，采用 SPSS 7.05 等統計分析軟件進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 長期定位施肥對黏土礦物成分的影響

蒙脫石屬于漲縮性2∶1型黏土礦物，晶體顆粒較小，為0.01～1.00 μm。負電荷較多，使土壤能夠吸附更多的陽離子，特別是在鉀離子含量較低而鈉離子和鈣離子含量較高的堿性介質中形成的，重點陽離子包括硅、鋁 、鎂等，有著較好的保肥與供肥功能。水云母是非膨脹性2∶1 型礦物，K+的鍵和作用較強，使晶層間距只有1 nm，水分子和其他離子很難進入晶層之間，從而失去漲縮性。陽離子交換量少于蒙脫石，如果晶格層間K+持續流失，那么水云母有可能轉化為蒙脫石。高嶺石屬于1∶1黏性礦物，晶層間距是0.72 nm，晶體顆粒大，是硅酸鹽礦物在天然地理條件下的分解物，是酸性介質中巖石遭受較強淋濾后產生的，其重點陽離子包括硅和鋁。綠泥石主要在堿性條件下生成，淋濾作用不強，屬于2∶1∶1型晶體結構，重點陽離子包括硅、鋁、鐵、鎂，且水云母含量與蛭石-綠泥石呈顯著負相關關系[16]。

按照 2 θ 與 d 的值和三強峰，對照標準 PDF 卡來判定粘土礦物質的類別[17-18]。由 2014 年土壤鎂元素飽和的衍射圖譜可得知(圖 1)，不同施肥土壤中黏土礦物的衍射強度I(特征衍射峰的高度)改變，表明長期定位施肥土壤中的黏土礦物質的相對含量發生了變化。

圖1 長期定位施肥處理的土壤黏土礦物(<2 μm)X-射線衍射圖譜(0～20 cm，2014 年)Fig.1 Long-term localization of soil clay mineral (< 2 μm) X-ray diffraction pattern(0-20 cm，2014 years)

按照特征衍射峰(d001)的面積，測算出黏土中礦物質的相對數量。由表2看出，不同施肥處理土壤中粘土礦物相對含量發生了變化。單施有機肥及有機肥配施氮肥處理中的水云母含量有明顯提高，最明顯的是M2N2，較CK提高了15個百分點，其次是M1N2和M2N1，分別提高了12，10個百分點。不同施肥處理中蒙脫石的相對含量較CK有不同程度的上升趨勢，其中上升最高的是 M1N2，較CK提高了14個百分點，其次是 M1N1，提高了13個百分點。說明潮土土壤長期施用單施有機肥及其配施氮肥可有利于蒙脫石的形成。長期施肥處理土壤中高嶺石的相對含量，同 CK 相比均有不同程度的下降，其中下降最多的為 M2N1，較 CK下降了12個百分點，其次是M1N1、M1N2和 M2N2，均較 CK 下降了7個百分點。單施有機肥及有機肥配施氮肥處理中，綠泥石相對含量較CK 均有所下降，最明顯的為 M2N2，下降了5個百分點。

圖2 長期定位不同施肥對黏土礦物動態變化的影響 Fig.2 long-term different fertilization the influence of the dynamic change of clay mineral

處理Treatments蒙脫石Montmorillonite水云母Hydromica高嶺石Kaolinite綠泥石Chlorite蒙脫石-水云母混層MontmorillonitemixedlayerofmicaCK30272389N1313022911N2322020812M142311759M1N143351668M1N244391669M241321879M2N135371168M2N240421639

2.2 長期定位施肥對土壤黏土礦物動態變化的影響

從圖 2 看出，隨著時間的延續，各施肥處理中的蒙脫石相對含量較CK 處理有不同程度的上升變化趨勢，以 M1N2最顯著(R2=0.991 80)，其次是 M2(R2=0.952 86)，這說明長期施用氮肥及有機肥配施氮肥有利于蒙脫石的形成。單施氮肥處理中水云母相對含量隨時間的推移呈下降趨勢，均低于 CK，且 N2(R2=0.948 03)低于 N1(R2=0.883 27)，說明單施氮肥使土壤中鉀離子減少，水云母轉化為蒙脫石等其他黏土礦物;而在單施有機肥及有機肥配施氮肥處理中水云母相對含量逐年提高，M2N2最高(R2=0.971 26)，其次是 M1N2(R2=0.903 18)、M2N1(R2=0.890 89)，說明有機肥中鉀元素有利于提高水云母的相對含量。伴隨時間的推延，高嶺石的相對含量在單施氮肥處理中有下降趨勢但不明顯，在單施有機肥及有機肥配施氮肥處理中，M2N1降低最顯著(R2=0.993 10)，其次為 M2N2(R2=0.938 89)、M1N2(R2=0.900 00)，且所有處理的高嶺石含量較CK有降低變化趨勢，說明長期施肥抑制高嶺石的形成。隨著時間的延續，綠泥石相對含量在單施氮肥處理中變化不明顯，在長期單施有機肥及有機肥配施氮肥處理中均低于 CK，其中 M2N2(R2=0.942 31)下降最明顯，說明長期施用有機肥不利于綠泥石的形成。單施氮肥處理的蒙脫石-水云母混層相對含量隨時間的推移呈上升趨勢，有機肥配施氮肥變化不明顯。

3 討論與結論

黏土礦物是土壤內最為活躍的成分，對土壤維持肥力、緩沖、自我凈化與養分循環等功能都有影響。其含量和種類隨土壤環境的不同而發生改變。 長期單施氮肥造成土壤鉀素虧缺，尤其是高氮肥的施入，鉀素虧缺更嚴重，致使水云母脫鉀轉換為蒙脫石等其他礦物，從而水云母含量減少；長期施用有機肥及有機肥配施氮肥處理中，水云母含量增多，這是因為有機肥中的鉀離子有利于水云母的形成，其中單施高量有機肥及其配施氮肥處理水云母含量顯著升高。這一結論與劉永輝等[8]的研究成果相一致，即有機肥中的鉀元素有利于水云母相對含量的增多。

本試驗中，單施有機肥及有機肥配施氮肥處理 綠泥石的相對含量有下降趨勢，且高量有機肥及其配施氮肥處理下降最明顯，而同一處理下，水云母含量上升顯著，這與李娜[16]的研究結果相似，即長期施鉀肥和有機肥可影響黏土礦物中水云母的含量：單施高量有機肥及含鉀素化肥，可使土壤中水云母含量增加，施不含鉀肥處理后土壤中水云母含量呈下降趨勢；其成果中還指出，水云母與蛭石-綠泥石相互轉化，互為消長，相關分析表明：水云母含量與蛭石-綠泥石呈顯著負相關關系；鉀素與水云母呈正相關關系，而與蛭石-綠泥石呈負相關關系。因水云母風化脫鉀可轉換為蛭石，因此更能說明在長期施用不含鉀肥處理可有利于綠泥石的生成。

高電荷的蒙脫石有帶狀的楔形位置，因此固鉀能力強[19]，本研究中各處理的蒙脫石相對含量大于CK，單施氮肥處理土壤中蒙脫石呈現上升趨勢，可能因為土壤風化和淋溶作用，為保障土壤中鉀素的含量，固鉀能力強的礦物漸增[20]。長期施用高量有機肥處理中蒙脫石含量變化不明顯，可能因為有機肥中的鉀元素足以用于作物生長，導致蒙脫石的含量上升不明顯。

長期單施氮肥處理中鉀素缺失，蒙脫石-水云母混層相對含量有上升趨勢，這可能是由于土壤中鉀素缺失，水云母礦物層間的非交換性鉀不斷釋放，使云母礦物出現膨脹性層間結構即云母-蒙脫石混層增多導致的[21]。

高嶺石相對含量在單施氮肥處理中，變化不明顯，而在施有機肥及其配施氮肥處理中有明顯下降趨勢，說明長期施用有機肥不利于高嶺石的形成。這一結論與崔德杰等[21]得出的成果一致，其研究中指出，平衡鉀解吸量高處理中高嶺石的相對含量偏低，相關分析得出二者呈顯著負相關，說明黏土中的高嶺石不利于潮土中鉀素的釋放，這可能與高嶺石的陽離子交換量低，同晶置換能力低有關。

長期施肥的潮土其黏土礦物各組分的相對含量發生了變化。長期施用有機肥，土壤中鉀素升高，有利于水云母的形成，施用高量有機肥效果更明顯。而綠泥石相對含量與水云母相反，隨著有機肥的用量升高而降低。長期不同施肥土壤中，單施氮肥處理可提高蒙脫石相對含量，也可有利于蒙脫石-水云母混層的形成。長期施用有機肥及有機肥配施氮肥不利于高嶺石的形成。

[1] Galantini J，Rosell R. Long-term fertilization effects on soil organic matter quality and dynamics under different production systems in semiarid Pampean soils[J]. Soil & Tillage Research，2006，87(1)：72-79.

[2] 楊 榮，蘇永中.不同施肥對黑河中游邊緣綠洲沙地農田玉米產量及土壤硝態氮積累影響的初步研究[J].中國沙漠，2010，30(1)：110-115.

[3] 孟思明.長期施肥對土壤粘粒礦物組成及其演變特征的影響[D].武漢：華中農業大學，2014.

[4] 張建國.基于耕地生產能力生態區法評價的糧食安全研究[D].泰安：山東農業大學，2011.

[5] 李貴華.國外近百年來的長期肥料定位試驗[J].新疆農業科學，1990(3)：140-142.

[6] 溫延臣，李燕青，袁 亮，等.長期不同施肥制度土壤肥力特征綜合評價方法[J].農業工程學報，2015，31(7)：91-99.

[7] 黃昌勇，徐建明.土壤學[M]. 3版.北京：中國農業出版社，2010.

[8] 劉永輝，張靜妮，崔德杰，等.長期定位施肥對非石灰性潮土粘土礦物組成及主要理化性質的影響[J].土壤學報，2006，43(4)：697-702.

[9] 王 倩，方宏樹.分析粘土礦物X射線衍射相定量分析方法與實驗[J].當代化工研究，2016(7)：146-147.

[10] 謝建昌.鉀與中國農業[M].南京：河海大學出版社，2000.

[11] Sparks D L，Zelazny L W，Martens D C. Kinetics of potassium desorption in soil using miscible displacement[J] Soil Science Society of America Journal ，1980 ，44 (6) ：1205-1208.

[12] 丁少男.長期施肥對黃土丘陵區農田土壤質量的影響[D].楊凌：西北農林科技大學，2016.

[13] 孫慶峰，Christophe C，陳發虎，等.氣候環境變化研究中影響粘土礦物形成及其豐度因素的討論[J].巖石礦物學雜志，2011，30(2)：291-300.

[14] 李學垣.土壤化學及實驗指導[M].北京：中國農業出版社，1997：229-235.

[15] 郝立波，陸繼龍.土壤粘土礦物含量計算方法研究[J].土壤通報，2006，37(3)：457-459.

[16] 李 娜.長期定位施肥對棕壤鉀素供應特征及有效性影響[M].沈陽：沈陽農業大學，2012.

[17] 魯艷紅，廖育林，聶 軍，等.連續施肥對不同肥力稻田土壤基礎地力和土壤養分變化的影響[J].中國農業科學，2016，49(21)：4169-4178.

[18] 范昊明，蔡強國，郭成久，等.東北黑土區土壤容許流失量與水土保持治理指標探討[J].水土保持學報，2006，20(2)：31-34.

[19] 杜召永.長期定位施肥對黑土鉀素供應能力及玉米品質影響[D].長春：吉林農業大學，2014.

[20] 張會民.長期施肥下我國典型農田土壤鉀素演變特征及機理[D].楊凌：西北農林科技大學，2007.

[21] 崔德杰，劉永輝，隋方功，等.長期定位施肥對非石灰性潮土 K+解吸動力學的影響[J].植物營養與肥料學報，2006，2(2)：213-218.

Effect of Long Term Fertilization on Soil Clay Minerals in Soil

LIN Shaowen，CHEN Yanling，LIU Shutang，YUAN Mingzhang

(College of Resources and Environment，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China)

Using the 39 years long term fertilization experiment，the soil in the year of 1978，1984，1990，1996，2002，2008 and 2014 were studied. The effect of different fertilization on the soil clay mineral in the soil was studied by X ray diffraction. The changes of relative contents of clay minerals in different fertilization treatments were analyzed，and the results showed that the relative contents of clay minerals could be changed by long-term fertilization. Relative content of the interannual variability of the montmorillonite was higher than that of CK，assumes the trend of escalation，the results most significant (R2=0.991 80)，followed by M2(R2=0.952 86)，with the time delay，kaolinite and the relative content of M2N1decreased most significantly (R2=0.993 10)，then M2N2(R2=0.938 89)，results M1N2(R2=0.900 00)，and kaolinite content of all treatments were lower than CK. Soil relative content of chlorite，organic fertilizer and nitrogen fertilizer treatment compared with CK decreased，according to 2014 showed that，M2N2decreased the most obvious and 5 percentage points. Single application of N fertilizer treatment hydromica relative content was declined with the passage of time，and N2(R2=0.948 03) less than N1(R2=0.883 27)，single application of organic fertilizer and organic fertilizer application of nitrogen fertilizer in mica relative content increased year by year，M2N2highest (R2=0.971 26) followed by the results (R2=0.903 18)，M2N1(R2=0.890 89) that organic fertilizer was conducive to the formation of mica. Long-term single application of nitrogen fertilizer caused by lack of potassium，hydromica mineral layer of non exchangeable potassium continue to release，montmorillonite hydromica the formation of mixed layer relative content also with the passage of time showed a rising trend.

Long term located fertilization; Fluvo aquic soil; Clayminerals

2017-06-11

山東省現代農業產業技術體系建設經費(SDAIT-02-06)；“十二五”農村領域國家科技計劃課題(2013BAD07B00)；山東省科技重大專項(2015ZDXX0502B01)

林少雯(1991-)，女，山東煙臺人，在讀碩士，主要從事植物營養與施肥技術研究。

劉樹堂(1962-)，男，山東安丘人，教授，博士，主要從事植物營養與施肥技術研究。

S143

A

1000-7091(2017)04-0142-06

10.7668/hbnxb.2017.04.023