泰山山前平原土地利用方式對潮棕壤黏土礦物組成的影響*

戚興超 王曉雯 劉艷麗 李成亮 王卓然 張 民

（土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東農業大學資源與環境學院，山東泰安 271018）

黏土礦物是土壤肥力形成的基礎物質，由于顆粒細小和晶體結構性質，在土壤中具有保持養分的功能，黏土礦物組成變化勢必改變土壤的肥力狀況[1-2］。黏土礦物組成的演變與層狀硅酸鹽礦物鋁氧八面體和硅氧四面體結構層間陽離子的交換作用有關。自然條件下，土壤中黏土礦物的演變需經歷長期過程，主要受氣候與地形條件的影響[3-4］。而在氣候與地形條件相同的條件下，不同利用方式的土壤因受高強度人為管理措施的影響，造成土壤養分平衡及理化性質變化，使得土壤黏土礦物的短期演變過程也得到了證實[5-7］。

土地利用方式的差異導致植物生長和人為干預程度不同。植被對土壤養分吸收的影響及施肥和耕作等人為管理措施對土壤理化性質的調控勢必影響土壤中黏土礦物組成[8］。開墾后的黑土連續8 a種植水稻、玉米、大豆，隨作物對土壤鉀素的吸收，土壤中伊利石含量和結晶度有不同程度的降低[7］。經過18 a持續施用鉀肥和有機肥處理的水稻土中伊利石含量呈增加趨勢[9］。干旱地區連續10 a種植苜蓿的表層土壤伊利石含量增加[10］。持續3 a的林地土壤長石添加試驗發現，針葉樹種較闊葉樹種對長石具有更強的分解作用[11］。土壤中伊利石的變化受土壤溶液中鉀離子濃度和植物對鉀離子吸收的影響。土壤溶液中鉀離子供應不足時，植物可以利用黏土礦物層間的鉀離子，而使其他的陽離子進入層間結構而改變黏土礦物的組成；相反，如果土壤溶液的鉀離子過剩，由于陽離子的擴散和吸附作用進入黏土礦物層間作為結合態的養分而存在[8］。

黏土礦物在土壤中主要與土壤有機質結合形成土壤有機無機復合體而存在，而土壤有機無機復合體的形成影響黏土礦物的活性。不同利用方式下黑土黏土礦物組成的研究發現，土壤有機碳與蛭石、蒙脫石的結合程度較高嶺石、伊利石高，導致黏土礦物的移動性存在差異[5］。不同利用方式下耕作與管理措施對土壤顆粒破碎的物理作用影響黏土礦物的組成，泰山山前淋溶土450～2 000 nm黏粒以蛭石為主要黏土礦物，伊利石主要分布于100～450 nm黏粒。隨土壤黏粒粒徑的減小，黏土礦物的結晶程度變差[12］。長期定位試驗研究發現，隨著黏粒粒徑減小，黏粒中伊利石含量升高。伊利石含量與作物產量呈負相關關系，該相關性細黏粒伊利石含量較粗黏粒伊利石含量表現得更顯著，說明細黏粒中伊利石結合的鉀離子更易被作物吸收，伴隨結合鉀離子的釋放，伊利石轉化為蛭石的過程增強[9］。黑土開墾為旱田及水田后，均能促進粉粒和粗砂粒風化，造成土壤脫鉀及有機質礦化，使伊利石向蛭石和伊利石—蒙脫石混層礦物轉化[7］。水稻土長期施用鉀肥和水稻秸稈還田加快土壤黏粒中蛭石向伊利石的轉化過程[13］。

泰山山前平原屬于山東典型潮棕壤區，該區土壤主要由洪沖積作用形成，由于地形與土壤肥力差異，土地利用方式主要以農田、林地和荒草地為主，農林產業對該區農業經濟發展具有重要貢獻。有關泰山地區不同母質發育棕壤黏土礦物組成的研究發現，側滲白漿化棕壤黏土礦物以高嶺石和蛭石、綠泥石為主，次要礦物為水云母；酸性棕壤以鋁綠泥石、鋁蛭石和高嶺石為主, 次要礦物為水云母、蛭石和水云母混層礦物，還有少量蒙脫石[14］。泰山山前棕壤不同粒徑黏粒中黏土礦物組成存在差異[12］。而對于該區不同利用方式對黏土礦物組成的影響尚未引起關注。本研究選擇泰山山前平原潮棕壤區小麥/玉米輪作農田、楊樹林地和荒草地三種土地利用方式，通過野外樣地調查、室內土壤黏粒提取及其X-射線衍射（XRD）圖譜分析，研究不同利用方式下土壤黏土礦物類型與含量、不同黏土礦物類型之間的轉變及其與土壤養分之間的聯系，以明確不同利用方式對黏土礦物組成影響的控制因素，該研究結果不僅豐富該區土壤的黏土礦物組成資料，而且可為土壤肥力的保持及土地利用方式的優化提供基礎資料和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于泰安市岱岳區東部山口鎮，地理坐標為117°117′E、36°7′N，地處泰山東麓，山區與平原的接合部，地勢北高南低，是泰萊平原的一部分。該區屬暖溫帶濕潤半濕潤季風大陸氣候，年平均氣溫15℃，年降水量為500～600 mm，無霜期為204～230 d。該區土壤母質為洪沖積物，土壤類型為潮棕壤，土壤質地為壤土，地形坡度為1°～6°。該區主要土地利用方式為農田、林地和荒草地，占該區總面積的78%，其中，農田屬于糧食主產區。由于地形差異和土地利用方式的演替，目前三種土地利用方式的分布見圖1。

1.2 野外調查與采樣

野外采樣前，收集該地區最新的土地利用現狀圖和遙感影像，利用遙感影像分析軟件解譯土地利用方式及其分布情況，結合野外調查，根據試驗區的主要土地利用格局和變化，同時充分考慮海拔、坡度等相對一致的情況下，選取分布相對集中的小麥/玉米（Triticum aestivumL/Zea maysL）輪作農田（A）、白楊（Populus alba）林地（P）和荒草地（B）3種土地利用方式。農田小麥/玉米輪作年限為15～20 a，作物的覆蓋度為80%～85%，農田土壤進行耕作與灌溉，施用氮磷鉀化肥和秸稈還田。林地樹種以白楊為主，利用年限為9～12 a，林下主要雜草為山苦荬（Ixeris denticulata）、葎草（Humulus scandens(Lour) Merr）和畫眉草（Eragrostis pilosa(L) Beauv var pilosa），郁閉度為70%～75%。荒草地的利用年限為25～30 a，地被植物為雜草，以狗牙根草（Cynodon dactylon(L) Pers）、狗尾草（Setaria viridis(L) Beauv）與葎草為主，覆蓋度為65%～70%。分別在每種土地利用方式下沿等高線或地形相近、植被長勢相近和利用年限相同的位置選取5個典型樣地作為重復。采樣時間為2013年3月，具體取樣方法參考王修康等[15］的報道。

圖1 研究區域土地利用方式及樣點分布圖Fig. 1 Distribution of land use patterns and sampling points in the research region

1.3 土壤基本理化性質測定

土壤pH：酸度計法；土壤有機碳含量：濃硫酸重鉻酸鉀氧化外加熱法；土壤陽離子交換量（CEC）：中性醋酸銨浸提法；土壤全氮和速效鉀含量：常規方法。以上指標具體測定方法參考《土壤農業化學分析方法》[16］。

土壤有機無機復合體分離：利用膠散分組法分離出水分散復合體（G0）、鈉質分散復合體（G1）和鈉質研磨分散復合體（G2），通過低溫干燥后分別稱重，計算各復合體的相對含量[15］。

黏土礦物組成分析：土壤黏粒分離應用吸管法，分離出的土壤黏粒分別用KCl溶液飽和、MgCl2溶液飽和后與甘油飽和制作定向玻片，KCl溶液飽和自然風干后的定向玻片經300℃、550℃加熱處理。利用X-射線衍射儀（Brucker D-8 advance，布魯克公司，德國）分析，X射線衍射分析Cu靶輻射，電壓電流分別為40 kV、40 mA，應用步進掃描，步寬0.02，預置時間0.1 s，掃描角度范圍（2θ）3°～35°。掃描制備好的定向玻片，獲得黏土礦物的衍射圖譜。根據黏土礦物分析方法[17］鑒定黏土礦物類型，通過XRD-Decomp分析軟件（XRD-diagram-decomposition software）[18］分析黏土礦物組成與含量。

1.4 數據統計

應用SPSS18.0統計軟件，對不同土壤理化性質指標之間的差異應用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）顯著性（P＜0.05）檢驗；利用相關分析方法明確黏土礦物與土壤性質指標之間的關系。

2 結 果

2.1 不同土地利用方式土壤基本理化性質

農田土壤pH為5.97，較其他兩種土壤有顯著降低，下層土壤pH在三種土壤之間無顯著差異，均高于表層土壤（表1）。不同土地利用方式表層土壤有機碳含量的大小為： A ＞ P ＞ B。與荒草地土壤相比，農田土壤和林地土壤有機碳含量分別提高330%和142%，處理間差異達到顯著水平。林地增加的有機質可能來源于植物根系和凋落物的腐解，耕地土壤有機質的增加不僅來源于作物根系的腐解，而且化肥和有機肥配合施用也會增加根系生物量和微生物量，進而使土壤肥力和土壤固碳潛力增加。三種利用方式下20～40 cm土層土壤有機碳含量均較表層土壤有顯著降低。就20～40 cm土層土壤有機碳含量而言，農田與林地之間的差異不顯著，但均較荒草地土壤顯著增加。

三種土壤CEC大小為：A ＞ P ＞ B，但是農田和林地土壤CEC隨土層加深而增加，荒草地土壤則呈降低的趨勢。土壤速效鉀含量隨土層加深呈降低的趨勢，三種利用方式間的差異顯著，以農田土壤含量最高。表層土壤黏粒含量農田較林地和荒草地有顯著增加，但是林地和荒草地之間的差異不顯著（表1）。

表1 不同土地利用方式土壤部分理化性質指標Table 1 Selected physicochemical properties of the soil relative to land use patterns

利用膠散分組法分離出的有機無機復合體，G0組是指分散于水中小于10 μm的游離礦質顆粒和各種微團聚體或復合體的混合物；G1組是繼G0組提取后經中性氯化鈉溶液處理后鈉質分散的小于10 μm的復合體，被認為是鈣凝結的負電性凝膠或活性凝膠；G2組是不能用氯化鈉拆開，但在鈉質溶液中經研磨才能分散的小于10 μm的復合體，被認為是鐵鋁氧化物凝結的等電性凝膠或惰性凝膠。本研究土壤有機無機復合體組成中以G1組為主要組成，含量范圍為51.42%～61.17%，以A土壤G1組含量最高，與B土壤之間差異顯著，與P土壤之間的差異不顯著（圖2）。G0組含量為次要組成，以A土壤中含量最低，與其他兩種土壤之間的差異顯著。P與B土壤之間G0組含量無顯著差異。有機無機復合體中最小組分為G2組，含量范圍為10.02%～14.85%，在三種土壤間的差異不顯著。

圖2 不同土地利用方式土壤有機無機復合體組成Fig. 2 Composition of soil organo-mineral complexes in the soil relative to land use patterns

2.2 不同土地利用方式土壤黏土礦物類型鑒定

土壤黏粒K離子飽和的定向玻片依次進行自然風干（K-25℃）、300oC（K-300℃）、550℃（K-550℃）加熱處理，Mg離子飽和自然風干處理（Mg-25℃）、Mg離子與甘油飽和處理（Mg+gly），然后根據不同處理定向玻片XRD衍射圖譜黏土礦物層間距d值的變化，鑒定主要黏土礦物的類型。從Mg+gly 處理定向玻片的衍射圖譜可以看出，礦物有6個顯著的衍射峰，d值分別為1.4、1.0、0.7、0.5、0.35和0.33 nm。K飽和經300℃、550℃加熱后1.4 nm衍射峰消失，說明無綠泥石存在，1.0 nm衍射峰的強度增加，說明有蛭石存在。0.7 nm、0.35 nm衍射峰經550℃加熱后消失，其他處理未見影響，說明該峰是高嶺石。經過所有處理后1.0 nm、0.5 nm衍射峰依然存在，說明該峰是伊利石，0.33 nm衍射峰不受離子飽和和加熱處理的影響，該峰為石英（圖3）。不同利用方式表層土壤黏土礦物類型相同，礦物衍射峰的相對強度存在差異，利用方式A黏土礦物1.4 nm峰的相對強度較利用方式P和B高，利用方式P黏土礦物 1.0 nm峰的相對強度較其他兩種利用方式高。不同土地利用方式底層土壤黏土礦物的鑒定過程與表層土壤相同，未列出。

圖3 不同土地利用方式表層土壤黏粒不同處理定向玻片的XRD-圖譜Fig. 3 Original X-ray diffraction patterns of soil clay particles obtained using an oriented specimen slide relative to land use patterns

2.3 不同土地利用方式土壤黏土礦物組成與含量

黏土礦物組成的相對含量通過XRD-Decomp分析軟件（XRD-diagram-decomposition software）分析得到（圖4）。具體過程為：首先對圖譜進行去基線處理，然后進行擬合，準確度達98%以上，得到每種礦物衍射峰的層間距、衍射強度和半高寬，具體的衍射峰為蛭石（層間距為1.43 nm）、混層礦物（Mixed layer mineral，MLM）（層間距為1.20 nm）和高嶺石（層間距為0.71～0.73 nm），伊利石的衍射峰根據結晶強弱分為結晶好伊利石（Well crystal illite，WCI）（半高寬小于0.6，層間距為1.00 nm）和結晶差伊利石（Poorly crystal illite，PCI）（半高寬大于 0.8，層間距為1.01～1.03 nm）。衍射峰的面積通過衍射強度和半高寬的乘積計算得到，應用每種礦物衍射峰面積占所有礦物衍射峰面積總和的百分比來表示該種礦物的相對含量。

不同土地利用方式土壤均含有蛭石、結晶好伊利石、結晶差伊利石、混層礦物和高嶺石，其含量在不同利用方式土壤之間存在差異。蒙脫石僅在林地表層和農田、荒草地下層土壤有少許含量（圖4中未列出）。本研究中三種利用方式土壤黏土礦物組成均以伊利石（包括結晶好伊利石WCI和結晶差伊利石PCI）為主，荒草地土壤伊利石含量最高（75.8%），與農田和林地土壤間的差異顯著，農田和林地土壤伊利石含量分別為60.0%、61.4%，兩者之間的差異不顯著（圖5）。伊利石含量下層土壤較表層土壤有明顯的降低，這種現象在荒草地土壤表現更為突出，下層土壤較表層土壤降低40.4%。伊利石組成中PCI在不同利用方式土壤間的變化規律與伊利石總量的變化相同，不同的是表層土壤三種利用方式土壤PCI的含量無顯著差異。WCI含量在不同利用方式下層土壤之間無差異，而表層土壤荒草地含有更多的WCI，并且與其他兩種方式有顯著的增加。

圖4 XRD-Decomp軟件對黏土礦物XRD-圖譜的擬合Fig. 4 Fitting of XRD diagrams of clay minerals with XRD-Decomp software

蛭石含量在表層土壤三種利用方式間的差異不顯著，含量范圍為6.1%～8.1%；下層土壤中差異顯著且較表層土壤含量高，含量高低依次為B（22.3% ）＞ A （13.8%） ＞ P（9.4%）。表層土壤高嶺石含量范圍13.4%～15.1%，下層土壤含量范圍8.2%～22.8%，不同土壤間的變異規律與蛭石含量相同。但是高嶺石含量在土壤剖面上的變化無一致的規律，林地與農田土壤高嶺石隨土壤剖面的加深而減少，而荒草地高嶺石含量卻隨土壤剖面的加深而增加（圖5）。

林地下層土壤較農田土壤含有更多的混層礦物，表層土壤間的差異不顯著，且隨土層加深混層礦物含量有升高的趨勢，農田土壤則呈相反的趨勢。

圖5 不同土地利用方式土壤黏土礦物組成相對含量Fig. 5 Relative contents of soil clay mineral fractions relative to land use patterns

2.4 不同類型黏土礦物間的轉化

土壤中不同類型黏土礦物之間存在相互轉化的過程，對不同黏土礦物組成相對含量進行相關分析，發現伊利石與蛭石相對含量之間存在明顯的負相關關系（圖6），表明兩種黏土礦物之間相互轉化。本研究中伊利石含量與土壤速效鉀含量有顯著的正相關性，說明黏土礦物的轉化受土壤中養分離子濃度的影響。例外的是荒草地表層土壤伊利石含量較高，但是土壤速效鉀含量較低。

圖6 不同土地利用方式土壤伊利石與蛭石相對含量的相關性（A）及伊利石相對含量與速效鉀含量的相關性（B）Fig. 6 Correlation of illite with vermiculite in contents (A) and correlation of relative content of illite with content of soil available potassium (B) relative to land use patterns

3 討 論

黏土礦物組成受不同土地利用方式的影響，并且不同深度土層間也存在差異。該地區表層土壤均含有伊利石、高嶺石和蛭石，以伊利石為主要礦物，農田和林地均含有混層型礦物，而在荒草地土壤中未見到。荒草地土壤伊利石含量最高（75.8%），并且與其他兩種土壤的差異顯著。這一結果較以往報道的山東棕壤農田中伊利石含量（37%）偏高[14］，可能的原因在于文獻中報道的資料來自20世紀80年代，當時農田的施肥水平較低，大量的鉀隨著農作物收獲轉移出土體，導致伊利石含量降低。荒草地土壤上植被生物量較小，其凋落物全部歸還土壤，植被生長對土壤鉀素的轉移量較小，使土壤中富鉀礦物得以保持。而以往報道山東泰安棕壤果園土壤伊利石含量為28%[19］，與本研究林地土壤伊利石含量為61.4%的結果相比偏低很多，可能的原因在于果樹果實的經年收獲對土壤鉀素的消耗較多，促進土壤伊利石層間鉀離子轉移而轉化為其他類型的礦物。本研究結果表明，土壤速效鉀含量與伊利石相對含量呈顯著的正相關關系（圖6 B），驗證了伊利石含量對土壤鉀庫的調節作用[20］。土壤中伊利石相對含量與蛭石相對含量呈顯著的負相關關系（圖6 A），說明兩種礦物之間的轉化，伊利石層間鉀離子的釋放伴隨鈣鎂離子的進入，使伊利石的蛭石化過程發生。

不同土地利用方式土壤黏土礦物在土壤剖面上的分布存在差異。表層土壤蛭石相對含量較下層土壤有顯著降低，并且荒草地土壤的變化幅度較其他兩種土壤高，荒草地高嶺石相對含量在土壤剖面具有與蛭石相同的變化趨勢。表層土壤結晶差伊利石（PCI）相對含量較下層土壤有顯著增加，結晶好伊利石（WCI）相對含量在農田和林地土壤表層與下層的差異不顯著，但是荒草地土壤表層較下層有顯著增加，并且較其他兩種土壤高。說明荒草地土壤黏土礦物的遷移較強，可能是由于該土壤有機碳含量較低，土壤黏粒含量較少（表1），較強的土壤顆粒淋溶作用造成的。土壤黏土礦物在土壤中主要與有機碳結合形成有機無機復合體，不同類型黏土礦物與土壤有機碳的結合強度不同，有研究認為伊利石與有機碳的結合強度較高嶺石強[5］，這解釋了表層土壤伊利石含量較高，下層土壤高嶺石含量較高的現象。本研究土壤有機無機復合體組成結果表明，鈉質分散復合體G1是具有活性的負電性凝膠，是形成土壤團粒的基礎物質，其含量在荒草地土壤較低，水分散復合體G0是游離的礦質顆粒和微團聚體，其含量在荒草地土壤較高（圖2）。荒草地土壤較低含量鈉質分散復合體與高嶺石、伊利石和蛭石的遷移幅度大致對應，說明土壤有機無機復合體組成影響土壤黏土礦物的遷移性。

土壤中伊利石的結晶度反映土壤礦物的風化作用強弱，結晶度高表征土壤礦物的風化作用弱，反之亦然。以往有關土壤伊利石結晶度的研究通常應用Kübler指數（黏土礦物衍射圖譜中1.0 nm峰的半高寬）來表征[21-22］，但是在軟件分析衍射圖譜的過程中，由于衍射峰并不完全對稱，單峰不能很好地擬合伊利石的衍射峰，因而本研究中通過XRDDecomp圖譜分析軟件將伊利石衍射峰分離為結晶好伊利石（WCI）和結晶差伊利石（PCI），結晶好伊利石衍射峰的半高寬均小于0.6，其含量可以反映土壤礦物的風化作用。表層土壤中以荒草地WCI含量最高，其次為林地和農田（圖5），說明荒草地、林地、農田土壤礦物的風化作用依次增強。農田土壤風化作用強是由于人為施肥耕作措施的高強度干擾。農田鉀肥與有機肥的施用使土壤鉀素含量提高，促進富鉀礦物伊利石含量的提高，隨著農田作物收獲使土壤鉀素轉移，加快了土壤鉀素的周轉與循環，促進土壤富鉀礦物的生物與化學風化作用。農田土壤細顆粒組成含量較其他兩種土壤高，耕作措施對土壤顆粒的破碎作用加強了土壤礦物的物理風化作用。

4 結 論

三種利用方式土壤均以伊利石為主要礦物，包括結晶好伊利石和結晶差伊利石，次要礦物為蛭石和高嶺石，混層礦物為少量礦物。荒草地土壤伊利石含量最高，較農田和林地土壤有顯著增加。伊利石含量下層土壤較表層土壤有顯著的降低，荒草地土壤的降低幅度較其他兩種土壤大。蛭石含量在下層土壤中差異顯著且較表層土壤含量高。表層土壤高嶺石含量在不同土壤間的變異規律與蛭石含量相同。伊利石與蛭石兩種黏土礦物之間相互轉化，其轉化過程受土壤中鉀離子濃度的影響。土壤有機碳含量和鈉質分散有機無機復合體的形成抑制黏土礦物在土壤剖面的遷移。荒草地、林地、農田土壤礦物的風化作用依次增強。