土壤原始顆粒對不同破碎機制下團聚體穩定性的影響*

肖 海，高 峰，邵艷艷，郭 萍，李銘怡，張 倫，楊悅舒，夏振堯?，許文年

（1. 三峽庫區地質災害教育部重點實驗室（三峽大學），湖北宜昌 443002；2. 三峽庫區生態環境教育部工程研究中心，湖北宜昌 443002）

土壤團聚體是土壤小顆粒通過凝聚膠結等作用形成的土壤結構基本單元[1]。團聚體為土壤養分貯存提供載體，為各種土壤微生物提供生境，常視作土壤結構的物質基礎與土壤肥力的載體[2-6]。

消散作用、機械外力作用、土壤礦物濕潤后非均勻膨脹作用和物理化學驅散作用是水分對團聚體的四種破壞機制，其中物理化學驅散作用在前三種作用破壞時均存在，而且對各作用的影響是相似的[7]。消散作用是團聚體浸沒于水中或在暴雨時內部空氣受到壓縮對團聚體破壞作用，它是造成團聚體破壞的主要因素[8]。機械外力作用是團聚體受到雨滴打擊或在運輸過程中發生撞擊由外部力的作用對團聚體造成破壞，是造成濕潤團聚體破壞的主要原因[9]。土壤礦物濕潤后非均勻膨脹作用是團聚體受到小雨時干濕循環過程中土壤黏粒礦物發生膨脹收縮產生的破壞作用[10]。

團聚體穩定性是描述其抵抗外力破壞作用的重要指標。分析團聚體粒徑分布是計算團聚體穩定性前提。目前有很多方法用于測定團聚體穩定性，但各方法均存在一定問題。除與篩網碰撞外，干篩法未考慮任何團聚體破壞機制，而濕篩法則僅僅考慮了團聚體的消散破壞作用[11-12]。滲透穩定性主要通過在固定水頭下測定放于固定圓筒中的10.00 g粒徑為1.00～2.00 mm團聚體在一定時間內滲透的水量，來衡量團聚體穩定性，這種方法也僅僅考慮了消散作用對團聚體穩定性的影響[13]。雨滴打擊法通過測定造成濕潤團聚體破壞所需的雨滴數來衡量其穩定性，僅考慮了團聚體的機械外力破壞作用[14]。LB法（Le Bissonnais）是目前國際標準化組織測定團聚體穩定性的標準方法，它采用快速濕潤、預濕潤后震蕩以及慢速濕潤三種處理方式對團聚體進行預處理，考慮了團聚體的破碎機制[7，15]。但LB法只選取了5.00 g粒徑為3.00～5.00 mm的土壤團聚體進行研究，而此粒徑范圍的土壤團聚體能否有效反應整個土壤團聚體穩定性卻無法驗證。此外，所有這些方法均未考慮將土壤原始顆粒從各粒級的團聚體中剝離出來，而將各粒級范圍的土壤原始顆粒視為土壤團聚體，這顯然有悖于土壤團聚體的概念，也會影響團聚體穩定的結果。

因此，本文通過構建一種新的團聚體測定方法，模擬全土樣團聚體不同破碎機制并考慮土壤原始顆粒的影響。以兩種團聚體特征差異明顯的土壤進行試驗，分析土壤原始顆粒對不同破碎機制下團聚體穩定性的影響。本研究對深入理解土壤團聚體破壞機理，評價團聚體穩定性具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗用土

本研究選擇壤質砂土（陜西神木縣坡耕地）和砂質黏壤土（湖北秭歸縣新墾桔園地）兩種不同質地土壤為研究對象。為提高樣點代表性且減少空間變異性，在兩個區域內選取土壤質地相同的3個樣方（5 m×5 m），在每個樣方內按照S形取樣法，除去表層枯枝落葉后采集5個深度為0～20.00 cm的原狀土樣，混合。土樣自然風干后人工剔除小石子及根系等雜質，過 10.00 mm 篩備用。土壤基本理化性質見表1。本研究采用TopSizer激光粒度分析儀（SCF-108，珠海歐美克儀器公司，中國）掃描法測定土壤顆粒體積分數（國際制），重鉻酸鉀氧化外加熱法測定有機質含量。

表1 試驗用土基本理化性質Table 1 Basic physical-chemical properties of the experimental soils

1.2 團聚體測定方法

本研究參考國際標準#10930法[15]中LB法所采取的快速濕潤、慢速濕潤和預濕潤振蕩三種處理方式分別模擬消散作用、土壤礦物濕潤后非均勻膨脹作用和機械外力作用對團聚體的破壞。選取約25.00 g全樣土壤分別進行快速濕潤、慢速濕潤和預濕潤振蕩處理以避免LB法中3.00～5.00 mm粒徑土壤團聚體能否有效反應整個土壤團聚體穩定性的問題。同時，為了消除土壤原始顆粒對各粒徑的團聚體的影響，對各粒徑土壤顆粒分別使用雙氧水去除有機質并使用六偏磷酸鈉進行分散以獲取各粒徑中存在的土壤原始顆粒。具體操作步驟如下：

（1）控制不同土壤含水率：將經處理的風干土壤置于40℃的烘箱內烘干48 h，以確保不同土壤各粒徑團聚體初始含水率一致；

（2）進行團聚體不同破碎機制處理：將上述烘干后的土壤樣品拿出烘箱并立即使用自封袋密閉，然后隨機取土樣25.00 g進行快速濕潤、慢速濕潤和預濕潤振蕩三種方式以分別模擬消散作用、土壤礦物濕潤后非均勻膨脹作用和機械外力作用對團聚體的破壞。快速處理步驟為：取25.00 g土壤完全浸沒在盛有250 mL去離子水的1 000 mL燒杯中，10 min后使用移液管將多余水分吸掉；慢速濕潤的過程為：取25.00 g土壤輕輕放置于張力為-0.30 kPa濕濾紙上，靜置40～60 min，待土壤充分濕潤；預濕潤后震蕩過程為：取25.00 g土壤完全浸沒于盛有250 mL酒精的1 000 mL錐形瓶中，10 min后吸掉酒精，加水至750 mL，然后用橡皮塞將錐形瓶口塞緊，上下震蕩20次，靜置20～40 min，待分散體沉淀后，用移液管吸去多余水分；

（3）對不同破碎機制預處理后的樣品進行初篩：將處理后的樣品轉移至孔徑為0.05 mm篩子中，浸沒于質量濃度為95%酒精中，上下震蕩20次（振幅2 cm），將保留在篩子中的土壤顆粒轉移至燒杯中，在40℃溫度烘箱內烘干48 h；

（4）初步篩分，獲得不同粒徑的“團聚體”：將步驟3中獲得的不同破碎機制預處理后的初篩樣品取出烘箱，依次分別過孔徑為5.00 mm、3.00 mm、2.00 mm、1.00 mm、0.50 mm、0.25 mm、0.10 mm和0.05 mm篩，獲取＞5.00 mm、3.00～5.00 mm、2.00～3.00 mm、1.00～2.00 mm、0.50～1.00 mm、0.25～0.50 mm、0.10～0.25 mm和0.05～0.10 mm粒徑“團聚體”。

（5）對不同粒徑“團聚體”進行分散處理：分別對步驟4中對各粒徑的“團聚體”加入雙氧水去除顆粒中的有機質，采用六偏磷酸鈉溶液作為分散劑進行分散，確保所有土壤顆粒均處于原始顆粒狀態；

（6）將步驟5中經分散后的土壤顆粒在酒精浸沒條件下過相應孔徑的篩，將留在篩網上的土壤顆粒在40℃溫度烘箱內烘干，分別獲取各粒徑土壤原始顆粒含量；

（7）將步驟4獲取的各粒徑的分散前土壤團聚體質量減去步驟6獲取的對應粒徑分散后土壤原始顆粒含量，得到各粒徑下土壤純團聚體含量；

（8）將步驟7獲得的各粒徑下土壤純團聚體含量除以總土壤重量得到各粒徑下土壤團聚體百分比，用于分析團聚體穩定性，完成土壤團聚體的測定。

1.3 數據處理

團聚體穩定性采用平均重量直徑（Mean Weight Diameters，MWD，mm）表示，分別采用MWDfw、MWDws、MWDsw表示快速濕潤、濕潤后機械震蕩和緩慢濕潤3種處理下團聚體穩定性。不同處理中，MWD數值越小表示團聚體穩定性越低，該處理對團聚體的破碎作用越大[16]。MWD采用文獻[17]中公式計算。

純團聚體含量為上述步驟4中獲得的“團聚體”含量減去消散后的土壤原始顆粒含量，采用式（1）計算：

式中，mi表示考慮i粒徑的純土壤團聚體含量（g），mia表示i粒徑未消除土壤原始顆粒的“團聚體”含量（g），mip表示i粒徑中土壤原始顆粒含量（g）。

采用分散后各粒徑中土壤原始土壤顆粒含量占未消除土壤原始顆粒的“團聚體”含量的百分比，以分析土壤原始顆粒對各粒級團聚體含量的影響。計算公式如下：

式中，ri表示i粒級中土壤原始顆粒含量的影響率。

采用對比分散前后團聚體（＞0.05 mm）占總土壤的百分比（AR）評估土壤原始顆粒對土壤團聚體的影響。AR值越大，表明＞0.05 mm粒徑團聚體含量越多，分散前后AR差異越大，表明原始顆粒對團聚體的影響程度越大。團聚體（＞0.05 mm）占總土壤的百分比計算公式如下：

式中，AR表示團聚體占總土壤的百分比（%），m＞0.05表示大于0.05 mm粒徑團聚體含量（g），mt表示總土壤含量（g）。

2 結果與討論

2.1 消除土壤原始顆粒影響前后不同處理方式下土壤粒徑分布特征

兩種土壤在不同處理方式下，各粒徑含量存在較大差異（圖1）。壤質砂土呈單峰分布，主要分布在0.05～0.50 mm范圍內，約占土樣總量80%，在3種處理方式下0.10～0.25 mm粒徑含量最多，約占土樣總量的40%，快速濕潤和濕潤后機械震蕩兩種處理模式下＞2.00 mm粒徑和慢速濕潤模式下＞3.00 mm粒徑各篩網含量均為0。砂質黏壤土除快速濕潤處理在＞5.00 mm粒徑含量為0外，其他各處理及各粒徑中均有土壤存在，其中慢速濕潤和濕潤后機械震蕩兩種處理下1.00～2.00 mm粒徑含量最多，而在快速濕潤處理模式下主要為＜0.05 mm粒徑土壤顆粒，這表明快速濕潤處理能夠將土壤團聚體破碎更充分，形成更多小粒徑土壤顆粒。同時，砂質黏壤土在慢速濕潤處理下在＞2.00 mm粒徑含量明顯大于濕潤后機械震蕩處理，表明慢速濕潤處理對土壤團聚體破壞小于濕潤后機械震蕩處理。

兩種土壤在不同處理模式下MWD也存在較大差異（表2）。砂質黏壤土在三種處理模式下MWD均顯著大于壤質砂土，這與砂質黏壤土黏粒含量和有機質含量均大于壤質砂土有關，黏粒和有機質均可以作為膠結物質形成更穩定的團聚體[17，18]。總體而言，MWD呈現MWDfw＜MWDws＜MWDsw的大小順序，這表明這兩種土壤團聚體破壞均是快速濕潤時孔隙內部封閉的空氣壓力作用為主，其次是機械外力作用，黏粒膨脹作用影響最小，這與其他學者采用LB法所測結果一致[19，20]。壤質砂土快速濕潤處理和濕潤后機械震蕩處理下MWD無顯著性差異，兩者均與慢速濕潤處理下MWD呈顯著性差異，這與壤質砂土結構較差，與濕潤后機械震蕩處理下土壤團聚體基本破碎有關。砂質黏壤土三種處理模式下MWD均存在顯著性差異，砂質黏壤土結構本身較好，因此各處理模式下團聚體破碎程度均受到各破碎機制作用強度影響。

表2 消除土壤原始顆粒影響前不同破碎機制下團聚體平均重量直徑Table 2 MWD before eliminating the influence of original soil particles relative to treatment

2.2 土壤原始顆粒對各粒級團聚體含量的影響

不同土壤和不同處理方式下土壤原始顆粒對各粒級團聚體影響差異較大（圖2）。整體而言，土壤原始顆粒影響2.00 mm以下粒徑，這與土壤原始顆粒本身均小于2.00 mm有關。對壤質砂土而言，土壤原始顆粒除對SW處理1.00～2.00 mm粒級的影響僅為4.00%外，對其他各處理下各粒徑影響程度均大于50.00%，影響最大的為FW處理下0.50～1.00 mm粒徑，達到92.75%。對砂質黏壤土而言，土壤原始顆粒對各破碎機制下所有粒級的影響均小于50.00%，影響最大的為FW處理下0.05～0.01 mm粒徑，為45.98%。這表明土壤原始顆粒對壤質砂土各粒級的影響遠大于砂質黏壤土。

在小于2.00 mm粒徑范圍內，FW處理下土壤原始顆粒對壤質砂土和砂質黏壤土各粒級團聚體的影響分別為60.00%～92.75%和13.83%～45.98%，平均值分別為80.95%和22.97%；SW處理模式下土壤原始顆粒對壤質砂土和砂質黏壤土各粒級團聚體的影響分別為4.00%～87.43%和3.00%～32.00%，平均值分別為55.32%和12.19%；WS處理模式下土壤原始顆粒對壤質砂土和砂質黏壤土各粒級團聚體的影響分別為16.67%～90.36%和0.46%～38.42%，平均值分別為68.41%和13.63%。壤質砂土中，土壤原始顆粒對1.00～2.00 mm、0.50～1.00 mm以及0.25～0.50 mm粒級下影響程度依次為FW＞WS＞SW，而在0.10～0.25 mm和0.05～0.10 mm粒級下三種破碎機制下影響程度差異不大，表明對于團聚體穩定性較差的土壤而言，不同破碎機制對微團聚體的破碎程度相近，而大團聚體受不同破碎機制影響較大。砂質黏壤土中，土壤原始顆粒對1.00～2.00 mm和0.50～1.00 mm粒徑下影響依次為FW＞SW＞WS，而在0.25～0.50 mm、0.10～0.25 mm和0.05～0.10 mm粒徑下影響較大時依次為FW＞WS＞SW，整體而言，土壤原始顆粒對FW處理影響最大，WS處理次之，而SW處理影響最小，這與FW處理時消散作用對團結體破碎作用較大，能夠將土壤中更多團聚體完全破碎，而SW處理時僅土壤黏粒礦物發生膨脹收縮產生的破壞作用較小有關。這表明對于團聚體穩定性較好的土壤而言，土壤原始顆粒對不同破碎機制下各粒級均有較大影響。

2.3 土壤原始顆粒對土壤團聚體的影響

壤質砂土分散前AR在FW處理（不顯著）和WS處理（顯著）大于砂質黏壤土相應分散前的AR值，而在SW處理下則顯著小于砂質黏壤土分散前AR值，這與上述砂質黏壤土在各處理條件下團聚體穩定性大于壤質砂土的結果不一致，表明受到土壤原始顆粒影響，分散前的AR值難以正確反映土壤團聚體穩定性。砂質黏壤土分散后的AR值在3種處理均顯著大于壤質砂土，這與上述砂質黏壤土在各處理條件下團聚體穩定性大于壤質砂土的結果一致，表明消除土壤原始顆粒影響后，AR能夠較好地體現土壤純團聚體穩定性。

分散前后團聚體（＞0.05 mm）占總土壤的百分比AR兩個土壤在各處理模式下均存在顯著性差異（表3），這表明土壤原始顆粒對土壤團聚體影響巨大。壤質砂土分散前AR在FW、SW和WS處理下分別為分散后AR的5.65倍、3.43倍和4.50倍，而砂質黏壤土分散前AR在FW、SW和WS處理下分別為分散后AR的1.36倍、1.05倍和1.08倍，這表明土壤原始顆粒對壤質砂土的影響遠遠大于砂質黏壤土。兩種土壤分散前后AR比均表現為FW＞WS＞SW，這表明土壤原始顆粒對FW處理影響最大，WS處理影響次之，SW處理影響最小。

表3 不同破碎機制下分散前后團聚體（＞0.05 mm）占總土壤的百分比Table 3 Proportions of soil aggregates（＞0.05 mm）to the total soil before and after eliminating the influence of native soil particles relative to treatment

3 結 論

本研究以兩種不同質地團聚體特征差異明顯的壤質砂土和砂質黏壤土為研究對象，通過使用全土樣進行快速濕潤、慢速濕潤和預濕潤振蕩處理對土壤團聚體進行破碎。使用雙氧水去除有機質并使用六偏磷酸鈉進行分散以獲取各粒級中存在的土壤原始顆粒，研究土壤原始顆粒對不同破碎機制下團聚體穩定性的影響。得到如下結論：兩種土壤在不同處理方式下，各粒級含量存在較大差異。壤質砂土在0.05～0.50 mm范圍粒級含量達80%左右，砂質黏壤土SW和WS兩種處理模式下在1.00～2.00 mm粒級含量最多，而FW處理則主要存在于＜0.05 mm粒級中。砂質黏壤土在三種處理模式下MWD均顯著大于壤質砂土，且兩種土壤MWDfw＜MWDws＜MWDsw，這表明這兩種土壤團聚體破壞均是孔隙內部封閉的空氣壓力作用為主，其次是機械擾動作用，黏粒膨脹作用影響最小。不同土壤和不同處理方式下土壤原始顆粒對各粒級團聚體影響程度差異較大。對壤質砂土而言，除了SW處理模式下1.00～2.00 mm粒級的影響僅為4%外，其他各處理均大于50%，而對砂質黏壤土各處理的影響程度均小于50%。土壤原始顆粒對各粒級團聚體的影響程度受到土壤類型和破碎機制影響。分散前的AR值難以正確反映土壤團聚體穩定性，消除土壤原始顆粒影響后，AR能夠較好的體現土壤團聚體穩定性。土壤原始顆粒對壤質砂土的影響遠遠大于對砂質黏壤土的影響，壤質砂土分散前AR在FW、SW和WS處理下分別為分散后AR的5.65倍、3.43倍和4.50倍，而砂質黏壤土分別是1.36倍、1.05倍和1.08倍，差異顯著。