衡陽市典型農田土壤有機質的提取與分類研究

楊 麗，劉洋洋

(湖南工學院，湖南 衡陽 421002)

1 引言

土壤中的生物殘體及其分解和腐殖化產物等多種多樣的物質群所構成了土壤有機質，它是檢測土壤肥力的主要標準之一[1,2]。土壤有機質的高低也決定著對土壤如何進行施肥。土壤有機質可分為腐殖物質和非腐殖物質，其中腐殖質約占土壤有機質總量的85%～90%[3～7]。它作為土壤有機質中的主要吸附中心，攜帶各式各樣的活性功能團，如羧基(R-COOH)、酚羥基(R-OH )、醇羥基(R-CH2-OH )、甲氧基(-OCH3)等，賦予了腐殖質的多種功能,如弱酸性、親水性、陽離子交換性、絡合能力及較高的吸附能力等[8]。它能與金屬離子、氧化物、氫氧化物、礦物質和包括有毒活性污染物在內的有機物發生分解或化學作用。腐殖質主要由腐殖酸和胡敏素組成；腐殖酸由胡敏酸和富里酸組成[9～16]。在腐殖質中富里酸分子量較小、活性較大、氧化程度較高的，它是形成胡敏酸的一級物質，又是胡敏酸分解的一級產物，在胡敏酸的積累和更新替換中起著重要的作用。在一般情況下，富里酸含量高的土壤肥力也較肥沃。

本研究以衡陽市典型農田土壤為研究對象，研究其有機質含量及腐殖質在不同剖面的分布差異和組成特征，不僅能夠為合理利用土地資源、制定環境產業政策和提高地土壤肥力提供理論與實踐的支撐，也為市郊土地土壤肥力的調控、減少土壤養分流失提供科學依據。因此,腐殖質的研究對于土地利用與農業生產來說是十分重要的。腐殖質具有非常高的反應活性，故研究土壤腐殖質的成分并且進行進一步地提取研究，對于土壤污染有十分重要的意義。

2 實驗材料與方法

2.1 主要儀器及試劑

(1)主要儀器設備。烘箱、漏斗、冷凝管、250 mL錐形瓶、50 mL酸式滴定管、油浴鍋(內裝固體石蠟或植物油)，TG18K離心機(長沙東旺實驗儀器有限公司)。

(2)主要試劑。焦磷酸鈉、氫氧化鈉、硫酸、重鉻酸鉀溶液、硫酸-硫酸銀溶液、鄰菲啰啉指示劑、硫酸亞鐵銨標準溶液。

2.2 樣品采集及預處理

衡陽市珠暉區水稻田土壤為研究對象。本實驗以梅花布點法[5]進行布點取樣。利用情況，農田地形，坡度平緩等。共設置采樣點數15個，采樣深度約為0～20 cm。0～5 cm為表層，5～15 cm為中層，15～20 cm為下層。土壤樣采集后置于實驗室經過自然風干、搗碎和過篩，然后備用。

2.3 試驗方法

土壤有機質的定量中常采用容量分析法，即重鉻酸鉀氧化法，通過計算消耗的氧化劑的量來近似定量有機碳的量。土壤中腐殖質中腐殖酸的提取，利用其溶解于堿而胡敏素不溶于堿的性質，將腐殖質與胡敏素分開，進一步利用胡敏酸能溶于堿不溶于酸，而富里酸既能夠溶于堿有能溶于酸的性質，將其分離開來。分離出的腐殖酸及其所含了富里酸、胡敏酸后，再采用重鉻酸鉀氧化法對其分別進行定量。

3 結果與討論

3.1 典型農田有機質含量的分析

通過對每個采樣點不同深度的土壤樣，進行有機碳分析，其不同深度下有機物含量變化關系如圖1所示。

圖1 農田典型土壤有機質的含量

由圖1可知，垂直剖面上，農田土壤有機質的含量表層土壤的有機質含量最大，其次為中層土壤，最后為下層土壤。即衡陽市典型農田土壤的有機質含量在同一樣點的不同垂直剖面的變化規律是逐一遞減的，隨著深度的加深，土壤的有機質含量越小，這可能是下層土壤受地表凋落物影響小,生物活性弱,與下層的礦物組成、酸堿度等方面有關。在土壤表層的動植物殘體較多，土壤有機質含量較高，土壤養分含量很高，水、熱、通氣等條件比較優越，基本條件較充足,有利于微生物的活動。

而從水平面上來分析，所有的表層土壤的有機質百分比都是處于4.9%～5.4%，中層土壤為的有機質百分比是出于2.9%～3.2%，底層土壤的有機質百分比小于2%，則在同一平面上有機質分布是均勻的，其含量值并無明顯的波動。

3.2 土壤有機質組成的分析

采用焦磷酸鈉和氫氧化鈉的緩沖溶液對土壤有機質進行提取，然后對土壤的胡敏酸、富里酸等各成分進行分離，然后各提取液進行重鉻酸鉀標準法滴定，同時用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定土壤的有機碳量。記錄實驗數據并進行相應的計算，其結果見表1。

表1 衡陽市典型農田有機質的組成 g/kg

由表1可知，腐殖質的總碳量和有機質的總碳量是有規律可循的，腐殖質是占土壤有機質總量的85%～90%。腐殖質是由胡敏酸、富里酸以及胡敏素構成，其組成成分的比例也是不同的。顯而易見，富里酸和胡敏酸的總和占了腐殖質的大部分比例，故腐殖質中其兩者占主要地位；同時其各組分隨著土壤的剖面的變化規律也不同。在供試的15個土壤樣品中,除1.3、2.3、3.3、4.3號土壤外,典型農田的土壤的胡敏酸碳量均是小于富里酸碳量，同時富里酸碳量的平均值為12.21 g/kg大于胡敏酸碳量的平均值2.48 g/kg；胡敏素碳量均是小于富里酸含碳量，同時胡敏素碳量也是小于胡敏酸碳量；同一樣點的不同垂直剖面的腐殖質的總碳量逐一減少的，越到土壤下層，土壤的有機質含量越少，肥力越小。

3.3 在垂直剖面上有機質分布特征

同一樣點的不同垂直剖面的腐殖質的總碳量是逐一減少的，在此基礎上，分析了每個樣品點的胡敏酸、富里酸和胡敏素變化規律，其變化規律見圖2～6。

由圖可知，腐殖質和富里酸的碳量變化趨勢都是隨著土壤深度遞增而遞減的，即越進入土壤下層，土壤的腐殖質的含量和富里酸含量是減少的，且含量變化是明顯的。表層土壤的腐殖質碳量的平均值為24.88 g/kg，富里酸含碳量的平均值22.53 g/kg；中層土壤的腐殖質碳量的平均值為15.22 g/kg，富里酸含碳量的平均值為11.77 g/kg；下層土壤的腐殖質含碳量的平均值為6.07 g/kg，富里酸含碳量的平均值為3.91 g/kg。

圖2 樣點1的土壤的有機質各特征值

圖3 樣點2土壤有機質各特征值

圖4 樣點3土壤有機質各特征值

圖5 樣點4土壤有機質各特征值

圖6 樣點5土壤有機質各特征值

除了樣點4的胡敏酸含碳量變化，隨著土壤越到下層，胡敏酸的含碳量是越大的；樣點4，胡敏酸的含碳量從表層的2.63 g/kg上升到中層的3.56 g/kg，然后再下層是卻減小到3.19 g/kg，在進行實驗時，由于粗心讀錯或者記錄錯的數據、不嚴謹的操作會影響實驗結果，造成實驗誤差，但是僅僅只是此一個樣點，并不太影響對整個實驗結果的判斷。故胡敏酸是隨著土壤的深度遞增，其含量也是遞增的。在表層時，胡敏酸含碳量是最少的，該地表層含碳量平均值為1.69 g/kg<含碳量中層平均值2.74 g/kg<含碳量下層平均值3.01 g/kg；表層的胡敏酸含碳量的變化范圍為1.2～2.7 g/kg，中層的變化范圍為2.1～3.6 g/kg，下層的變化范圍為2.1～4 g/kg。

3.4 在水平剖面上有機質分布特征

對于所有表層土壤，富里酸含量在21～24 g/kg，其平均值為22.53 g/kg；胡敏酸的含碳量在1～3 g/kg，其平均值為1.69 g/kg。對于中層土壤，富里酸的含碳量平均值為11.77 g/kg，胡敏酸的平均值為2.74 g/kg；對于所有的下層土壤，富里酸含碳量平均值為3.91 g/kg，胡敏酸含碳量平均值為3.01 g/kg(圖7)。

對于所有的上層和中層土壤，富里酸含碳量均占了該樣點腐殖質含碳量的不部分比重；下層土壤除了5下(胡敏酸含碳量與富里酸含碳量相等)，樣點1、樣點2、樣點3、樣點4的富里酸含碳量均小于胡敏酸含碳量。同時幾乎所有的胡敏素含碳量均小于1 g/kg，于3上土壤的胡敏素含碳量為1.01 g/kg，其含量大致無明顯變化。

4 結論

(1)從土壤垂直剖面來看，土壤的有機質含量隨土層的加深而降低。在土壤中，有機質在分解的同時會產生維生素和有機酸以及一些激素，其能夠促進植物的生長發育,例如增強植物對養分的吸收和促進植物細胞分裂,從而加速根系和地上部分的生長；另外有機質分解的同時也會形成腐殖質。

圖7 各樣點土壤特征值的比例

(2)腐殖質的含量也是隨著土層的加深而降低。在一定條件下，腐殖質緩慢分解,能夠放出二氧化碳加強植物的光合作用，同時釋放出可供植物吸收的以氮和硫為主的養分。腐殖質含量的減少是由表層生物累積作用導致的。表層土壤腐殖質碳量最高達26.56 g/kg,平均值為24.88 g/kg。中層含碳量低于上層含碳量。中層與下層之間變化不是太大,反映了表層生物累積作用對腐殖質的巨大貢獻。土壤表層腐殖質含量均高于中下層含量,并呈逐漸降低的趨勢。這可能是下層土壤受地表凋落物影響小,生物活性弱,與下層的礦物組成、酸堿度等方面有關。在土壤表層的動植物殘體較多,土壤有機質含量較高，土壤養分含量很高,水、熱、通氣等條件比較優越，基本條件較充足,有利于微生物的活動。

(3)胡敏酸、富里酸、胡敏素的變化特征：富里酸隨著土壤深度加深而遞減,胡敏酸逐漸遞增,胡敏素無明顯變化。表層富里酸碳量最多可達22.53 g/kg。在同一剖面的富里酸含碳量組分隨土壤深度的加深而減少的主要原因是隨著深度增加,微生物會分解落到地面上的枯枝落葉并且合成的富里酸縮合受到限制。因此,富里酸分子量小、流動性大以及易溶解且能夠隨水下移；在剖面中下部積累,同時土壤腐殖質的物質體系會更簡單化；另外也反映出富里酸在土體中的遷移能力比胡敏酸強。表層土壤腐殖化程度較高,土壤總有機質、腐殖質和富里酸含量均高于下層。

富里酸能夠促進作物的運輸系統和呼吸作用，同時還能加強作物的循環系統、減少植物脅迫并且防止其過早惡化、提高耐干抗旱性和防范病蟲災害，從某種程度上極大地提高了種子發芽和促進根須進一步的生長，增加豆科根瘤的規模和數量。而胡敏酸為植物增加無機養分，能夠提高農作物產量和品質，例如，提高種子發芽，促進根群生長發育及有機物的合成。