黏土礦物改良劑對新墾砂壤質耕地土壤有機碳積累的影響

呂曉菡 章明奎 嚴建立

摘要：為了解黏土礦物改良劑在新墾耕地地力提升中的作用，選擇膨潤土、高嶺石、沸石和硅藻土4種黏土礦物，在添加量為10%的條件下，采用培養試驗研究其對有機肥料礦化及土壤有機碳積累的影響。結果表明，與對照比較，添加黏土礦物可明顯增加土壤有機碳的積累，其效果由強到弱為膨潤土、高嶺石、硅藻土、沸石;團聚體分析和重液分組結果表明，添加黏土礦物可顯著增加土壤水穩定性團聚體數量，促進礦物結合態有機碳的形成。研究認為，黏土礦物增加有機碳穩定性是其促進土壤有機碳積累的主要原因。關鍵詞：黏土礦物;有機碳積累;新墾耕地;土壤團聚體;砂壤土

中圖分類號：S158.5文獻標志碼：A論文編號：cjas20190700137

Effects of Clay Mineral Amendments on Soil Organic Carbon Accumulation in Newly Reclaimed Sandy Loam Farmland

LV Xiaohan1，ZHANG Mingkui2，YAN Jianli1

（1Hangzhou Academy of Agricultural Sciences，Hangzhou 310024，Zhejiang，China;

2College of Environmental and Resource Sciences，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China）

Abstract：To understand the role of clay mineral amendments in improving the soil fertility of newly reclaimed farmland，four clay minerals，bentonite，kaolinite，zeolite and diatomite，were selected for testing their effects on mineralization of organic fertilizers and accumulation of soil organic carbon by incubation experiments with 10% addition of the amendments. The results showed that the addition of clay minerals could significantly increase the accumulation of soil organic carbon as compared with the control，and the effect decreased in the order of bentonite> kaolinite> diatomite> zeolite. Aggregate measurement and heavy liquid fractionation showed that the addition of clay minerals could significantly increase the amount of water-stable aggregates in the soils and promote the formation of mineral-bound organic carbon. In general，clay minerals could increase the stability of organic carbon，which is the main reason for increasing organic carbon accumulation in the soils.

Keywords：Clay Minerals;Organic Carbon Accumulation;Newly Cultivated Farmland;Soil Aggregates;Sandy Loam

0引言

有機質是評估土壤質量的重要指標，其含量高低可直接影響土壤物理、化學和生物學性狀，因此提升土壤有機質一直是耕地地力培育的重點和核心「1-3]。土壤有機質提升的農藝措施主要包括增施有機肥、種植綠肥、秸稈還田、糧肥輪作/間作及用地養地相結合[3-8]。但眾多的田間試驗表明[7-11]，農藝措施對不同土壤有機質的提升效果有很大的差異，即使培肥多年，砂質和砂壤質農田土壤的有機質含量常常停留在較低的水平，其與這些土壤缺乏無機膠體、有機質穩定性較低有關[12-13]。因此，要有效提升砂質或砂壤質土壤的有機質，必須改變土壤的固有性狀，增強土壤對有機質的保蓄能力。黏土礦物是自然界普遍存在的物質，來源廣泛，具有較大的比表面積和較強的吸附能力，近年來已被用作土壤改良劑，改良土壤結構和鈍化土壤中的重金屬[14]。黏土礦物對有機物料具有較強的吸附能力，可增加有機物質的生物穩定性[15-16]。為了解常用黏土礦物改良劑對新墾耕地地力提升中的作用，選擇膨潤土、高嶺土、沸石和硅藻土4種常見的黏土礦物，采用培養試驗研究其對有機肥礦化及土壤有機質積累的影響。

1材料與方法

1.1研究材料

供試土壤采自浙西一新墾農田，土壤類型為紅砂土，土壤性狀見表1。其中堿解氮37.43 mg/kg，速效磷7.53 mg/kg，速效鉀58.24 mg/kg。供試有機肥為豬糞/ 水稻秸稈堆肥，pH 6.98，有機質410 g/kg，含氮、磷、鉀分別為18.23、20.42、17.33 g/kg。供試膨潤土、高嶺土、沸石和硅藻土從市場購置。

1.2試驗設計

試驗于2018年在溫室內進行。從田間采集的土

樣過5 mm土篩后充分混勻用于試驗，每盆用土量為10 kg，試驗共設置6個處理：（1）空白對照，不施有機肥和黏土礦物;（2）有機肥對照，施用2%的有機肥，不施黏土礦物;（3）膨潤土，施用2%的有機肥和10%的膨潤土;（4）高嶺土，施用2%的有機肥和10%的高嶺土;（5）沸石，施用2%的有機肥和10%的沸石;（6）硅藻土，施用2%的有機肥和10%的硅藻土。各處理有機肥與黏土礦物與土壤充分混勻，重復3次，隨機排列，培養時間持續12個月。培養試驗在玻璃房內進行，土壤保持80%的田間持水量，培養期間溫度在15～35工。試驗結束后取樣，自然風干，一部分測定土壤性質，另一部分用于團聚體分析。

1.3分析方法

參考Elliott等[16]的土壤團聚體濕篩法測定水穩性團聚體：將樣品放置于孔徑自上而下為5、2、0.25、0.053 mm套篩之上，先用水浸潤10 min，豎直上下震蕩10 min，收集各級篩子上的團聚體（>5、5～2、2～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm）至鋁盒中，烘干稱重后磨細過0.15 mm篩，采用重銘酸鉀-濃硫酸外加熱法測定其有機碳含量[17]。稱取10.00 g樣品采用密度法對有機質進行分組[18]：用密度為1.85 g/cm³NaI溶液分離得到游離態輕組（fLF）和重組（HF），向剩余重組中加入0.5%（w/v）六偏磷酸鈉（HMP）溶液振蕩18 h，依次通過0.25 mm和0.053 mm篩，分別得到粗顆粒有機碳（cPOC，>0.25 mm）、細顆粒有機碳（fPOC，0.25～0.053 mm）、礦物結合態有機碳（mSOC，<0.053mm），各組分在45℃下烘干、稱重，測定并計算各有機碳組分質量在土壤中的相對含量。各粒級團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率計算如式（1）。

2結果與分析

2.1黏土礦物改良劑對土壤水穩性團聚體分布的影響

由表2可知，對照土壤>0.25 mm水穩定性團聚體含量只有23.54%，主要為0.25～2 mm粒徑的團聚體，少數為2～5 mm粒徑的團聚體，無>5 mm水穩定性團聚體。與對照比較，施用有機肥后，>0.25 mm水穩定性團聚體含量明顯增加，比對照相對增加61.34%;出現了>5 mm水穩定性團聚體，其含量為5.68%;與此同時，0.053～0.25 mm和<0.053 mm水穩定性團聚體含量明顯下降。在施用有機肥的同時施用黏土礦物，促進了>0.25 mm水穩定性團聚體的形成，施用膨潤土、高嶺土、沸石和硅藻土后>0.25 mm水穩定性團聚體含量分別比對照相對增加了126.25%、106.75%、92.61%和79.18%，分別比單獨施用有機肥的處理增加40.23%、28.15%、19.38%和11.05%;同時，施用膨潤土、高嶺土、沸石和硅藻土后，>5 mm和2～5 mm水穩定性團聚體含量比單獨施用有機肥的處理呈現顯著的增加。相反，施用膨潤土、高嶺土、沸石和硅藻土后，0.053～0.25 mm水穩定性團聚體含量比單獨施用有機肥的處理明顯下降，而<0.053 mm水穩定性團聚體含量也略有下降。這表明，施用膨潤土、高嶺土、沸石和硅藻土可促進0.053～0.25 mm和<0.053 mm水穩定性團聚體向>0.25 mm水穩定性團聚體的轉化，增加了土壤團聚體的穩定性。總體上，施用黏土礦物對土壤水穩定性團聚體形成的促進作用表現為膨潤土>高嶺土>硅藻土>沸石。

2.2施用黏土礦物改良劑對土壤和團聚體中有機碳的影響

由表3可知，施用有機肥和黏土礦物顯著增加了土壤有機質含量，表現為膨潤土>高嶺土>硅藻土>沸石>有機肥對照。其中單施有機肥比對照增加土壤有機質42.24%，而施用膨潤土、高嶺土、硅藻土、沸石分別比有機肥對照增加有機質17.65%、14.33%、10.72%、8.06%。表3結果還表明，與空白對照比較，施用有機肥和黏土礦物顯著增加了各粒級團聚體中有機質的積累;而與單施有機肥對照比較，黏土礦物對>5 mm、2～5 mm和<0.053 mm等團聚體中有機質的積累均有明顯的作用，而對0.25～2 mm和0.053～0.25 mm粒級團聚體中有機質含量的影響相對較小。

不同粒徑團聚體有機碳對土壤整體有機碳積累的貢獻率有較大差異（表4），但不同處理的團聚體中有機碳貢獻率具有相似的規律，均表現為0.053～0.25 mm 最高，在35.45%～64.57%之間;其次為0.25～2 mm，在15.73%～20.56%之間;>5 mm、2～5 mm和<0.053 mm 的有機質貢獻率相對較低，且三者較為接近。表4的結果也表明，施用有機肥顯著增加了大團聚體（>5、2～5>0.25～2 mm）中有機質的貢獻率，同時降低了小粒徑團聚體（0.053～0.25 mm和<0.053 mm）中有機質的貢獻率。而同時施用黏土礦物增強了這種趨勢，其中以膨潤土的作用最為顯著，其次為高嶺土。

2.3施用黏土礦物改良劑對團聚體內有機碳組分分布的影響

由表5可知，施用有機肥和黏土礦物同時增加了各組分有機質的含量，但其變化趨勢與土壤有機質含量的變化有差異。與單施有機肥的對照比較，施用膨潤土、高嶺土、硅藻土和沸石后土壤游離態有機碳分別增加13.04%、20.29%、17.39%、14.49% ;對于粗顆粒有機碳，只有添加沸石的處理增幅（8.73%）才達到顯著水平，施用膨潤土、高嶺土后反而有所下降;而對于細顆粒有機碳，施用黏土礦物后均呈現下降，其中以膨潤土的降幅度最大;施用黏土礦物后土壤中礦物結合態有機碳均有明顯的增加，并以膨潤土的最為顯著。表中各形態有機質組成比例的數據也顯示出，施用黏土礦物促進了細顆粒有機碳和部分粗顆粒有機碳向礦物結合態有機碳轉化，增加了土壤有機質的穩定性。

3結論

砂壤質新墾耕地施用黏土礦物有利于促進土壤有機質的積累，其效果由強到弱表現為膨潤土>高嶺石>硅藻土>沸石;黏土礦物增加了土壤水穩定性團聚體含量，促進礦物結合態有機質的形成，增加了土壤有機質的穩定性，從而減弱了土壤有機質的礦化。

4討論

已有研究[19-22]表明，影響土壤有機質積累的因素包括環境條件、土壤性狀和進入農田土壤有機物質的數量和質量。環境條件主要指溫度、濕度，它們可通過影響微生物活性影響有機質的分解和周轉，適宜的溫度和濕度有利于微生物活動，有機質分解較快;溫度和濕度過高或過低都不利于微生物的活動，但可在一定程度上促進土壤有機質的積累。土壤性狀主要是通過影響土壤中有機質的穩定性影響土壤有機質的積累，本研究土壤偏砂，土壤有機質的礦化速度較快，不利于土壤有機質的積累[22];進入農田的外源有機物質的數量和質量將直接影響積累在土壤中有機質的數量，一般來說進入農田的有機物料數量越多，土壤中有機質積累越明顯[9，23-24]，并且，隨著土壤有機質的積累，土壤中水穩定性團聚體數量也呈增加的趨勢，而團聚體的形成又可增加對土壤有機質的保護作用，降低土壤有機質的礦化速度。本研究的結果也表明，施用有機肥料可顯著增加土壤有機質的積累，同時土壤中水穩定性團聚體數量顯著地增加。

土壤中無機膠體可通過對土壤有機質的保護影響土壤有機質的積累，無機膠體數量越多，越有利于土壤中有機質的積累。這是由于土壤中的有機質主要以有機無機復合體形態存在，若土壤中黏粒含量較低，有機無機復合體難以形成，減弱了對土壤中有機質的保護，反之，無機膠體數量越多將越有利于土壤有機質的穩定性。黏土礦物是土壤中主要的無機膠體，因此增加土壤中黏土礦物也就增加了土壤的無機膠體，從而增強了土壤有機質的穩定性[21]。無機膠體與有機質可通過形成配位絡合物，促進團聚體的形成[25-26]，后者又對團聚體內的有機質起到了很好的保護作用，減少團聚體中有機質遭受微生物的分解。而膨潤土因比表面積較高，具更高的能力吸附土壤有機質，因此它比其他礦物更易形成穩定的團聚體對有機質起到保護作用，因此添加膨潤土后土壤具有較多的水穩定性團聚體和有機質含量。

本研究從黏土礦物影響土壤有機質穩定性的角度揭示了黏土礦物改良劑的使用可對新墾砂壤質耕地土壤有機碳積累產生明顯的影響，證明了黏土礦物的使用有助于促進新墾耕地肥力的提高。但本研究試驗設計時，尚沒有考慮黏土礦物最佳使用量與土壤質地的關系，這有待于進一步試驗研究確定。

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