風化褐煤對蘇打鹽堿土水穩性團聚體動態特征的影響

顧 鑫

（黑龍江省農業科學院 大慶分院，黑龍江 大慶 163316）

土壤團聚體是土壤結構的基本單位，團聚體的大小、含量及其空間排列形式構成了土壤結構多樣性［1］。團聚體的構建不僅關系到土體中水分的流通、氣體的交換、能量的循環和營養的供應［2-3］，而且影響土壤微生物的活性及作物的生長［4］。良好的土壤結構能夠保水保肥，協調水肥管理，利于植物根系在土體中穿梭生長。重度蘇打鹽堿土中由于高鹽離子濃度、低有機質含量和較差微生物活性等因素的存在，對土壤團聚體的形成和穩定產生嚴重抑制［5］。提高土壤的有機質，改善土壤的結構是整治鹽堿土的關鍵之一［6］。有機碳物質是土壤團聚體的形成與穩定不可或缺的物質基礎［7］。研究表明，施用高溫高壓處理的顆粒玉米秸稈有效改善原生鹽堿地水穩性團聚體形態［8］。施用污泥蚓糞顯著降低灘涂鹽堿地鹽分和pH，提高>0.25 mm水穩性團聚體的含量［9］。施用生物質炭顯著降低沿海圍墾區鹽漬土土壤容重，增加土壤水穩性大團聚體質量分數［10］。施用黃腐酸使得濱海灘涂新墾輕中度鹽堿地土壤表層鹽分降低、水穩性大團聚體含量增加且穩定性增強［11］。風化的褐煤中含有豐富的碳，緩慢釋放且持續時間長，是一種優質的有機碳源，為此，筆者通過室內試驗探索風化的褐煤施用下重度蘇打鹽堿土水穩性團聚體的變化特征，以期為蘇打鹽堿地科學治理提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤為大慶地區重度蘇打鹽堿土，有機質含量11.4 g·kg-1，電導率1 350μS·cm-1，酸堿度11.3。褐煤為黑龍江省蘿北縣露天礦風化的褐煤，有機質含量675.8 g·kg-1，電導率85μS·cm-1，酸堿度5.88。

1.2 試驗方法

將試驗土壤和褐煤均研磨過2.00 mm篩子，二者混勻后裝入盆中（高25 cm、內口徑30 cm，底部帶托盤），共設7個處理：褐煤質量分數分別設定為0%（CK，對照）、5%（C1）、10%（C2）、15%（C3）、20%（C4）、25%（C5）、30%（C6），各處理均重復3次，置于室內陽光充沛地方，隨機排列，每隔3 d向托盤中注入等量純凈水，分別在45、90、135 d時采集原狀土壤，自然風干后過5.00 mm篩子，用于測定土壤水穩性團聚體的分布。

1.3 項目測定

運用濕篩原理［12］測定土壤團聚體（通常0.25 mm為大、微團聚體分界線），在團聚體分析儀（型號TTF-100）上操作：常溫下，將各級篩子（2.00、1.00、0.50、0.25 mm）由上至下依次套好，稱取自然風干土壤50 g平鋪在2.00 mm篩子上，先放在蒸餾水里浸濕5 min（目的是去除團聚體中閉塞的空氣，以免篩分時爆破），然后以振幅4 cm、頻率30次·min-1運行速度在水中振蕩30 min，分離出>2.00、2.00~1.00、1.00~0.50、0.50~0.25、<0.25 mm的團聚體（留在篩子上的直接沖至玻璃杯中，留在水中的需要沉降48 h后棄掉上清液再轉移至玻璃杯中），團聚體置于鼓風干燥箱中60℃烘干，稱重并計算出各級團聚體的質量百分含量。

1.4 數據分析

水穩性團聚體的質量百分含量（W）的計算公式［13］為

平均重量直徑（MWD）的計算公式［14］為

幾何平均直徑（GMD）的計算公式［15］為：

式中，i表示團聚體級別（>2.00、2.00~1.00、1.00~0.50、0.50~0.25、<0.25 mm）；Mi表示第i級團聚體質量（g）；MT表示所有團聚體質量總和（g）；r表示篩子的孔徑（r0=0.00 mm、r1=0.25 mm、r2=0.50 mm、r3=1.00 mm、r4=2.00 mm、r5=5.00 mm）；n表示團聚體級別個數。

分形維數（D）的計算公式［16］為：

式中，M（r<）表示粒徑小于xi的團聚體累積質量（g）；表示某級團聚體平均直徑（mm）表示最大級別團聚體平均直徑（mm）。

試驗所得數據均采用Microsoft Excel 2016和SPSS 25.0軟件進行整理與方差分析，運用Duncan’s新復極差法進行平均數的多重比較（P<0.05），利用OriginPro 2017軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 水穩性團聚體的分布特征

不同處理土壤團聚體組成的測定結果見圖1。在45、90、135 d時>2.00 mm團聚體含量分別為0.58%~1.11%、1.51%~6.59%、17.12%~42.22%（其中，CK處理未形成>2.00 mm團聚體）；2.00~1.00 mm團聚體含量分別為0.25%~2.41%、1.16%~9.52%、0.30%~6.71%；1.00~0.50 mm團聚體含量分別為0.66%~17.40%、1.06%~12.81%、0.49%~7.65%；0.50~0.25 mm團聚體含量分別為1.95%~15.70%、2.98%~12.36%、1.84%~7.71%；<0.25 mm團聚體含量分別為63.73%~97.14%、61.84%~94.80%、53.25%~97.37%。可見，微團聚體（<0.25 mm）含量隨著時間的延長呈減少的趨勢。

圖1 不同處理下土壤水穩性團聚體的分布Fig.1 Distribution of soil water-stable aggregates under different treatments

整體上，在同一時期內，<0.25 mm團聚體含量表現為隨著褐煤施用量的增加呈減少的趨勢；0.50~0.25 mm團聚體和1.00~0.50 mm團聚體含量表現為隨著褐煤施用量的增加呈增加的趨勢；2.00~1.00 mm團聚體含量也表現為隨著褐煤施用量的增加呈增加的趨勢（但135 d時C4和C5處理比C3處理低）；>2.00 mm團聚體含量表現為隨著褐煤施用量的增加呈先增多后減少的趨勢，90 d時C3處理達到最大、45 d和135 d時C2處理達到最大。可見，對于本地區重度蘇打鹽堿土，褐煤施用量為10%~15%時與土壤結合更有利于>2.00 mm團聚體的重新構建。

2.2 水穩性團聚體的穩定性

2.2.1 水穩性團聚體的平均重量直徑

不同處理土壤團聚體MWD的測定結果見圖2。45 d時為0.137~0.331 mm，順序為CK

圖2 不同處理下土壤水穩性團聚體的平均重量直徑Fig.2 Mean weight diameter of soil water-stable aggregates under different treatments

2.2.2 水穩性團聚體的幾何平均直徑

不同處理土壤團聚體GMD的測定結果見圖3。45 d時為0.130~0.221 mm，順序為CK

圖3 不同處理下土壤水穩性團聚體的幾何平均直徑Fig.3 Geometric mean diameter of soil water-stable aggregates under different treatments

2.2.3 水穩性團聚體的分形維數

不同處理土壤團聚體分形維數的測定結果見圖4。45 d時為2.985~2.998，順序為CK>C1>C3>C4>C2>C5>C6；90 d時為2.910~2.992，順序為CK>C1>C2>C5>C4>C3>C6；135 d時為2.635~2.998，順序為CK>C5>C1>C4>C6>C3>C2。除了CK處理，同一處理在不同時間上分形維數均表現為45 d>90 d>135 d。

圖4 不同處理下土壤水穩性團聚體的分形維數Fig.4 Fractal dimensions of soil water-stable aggregates under different treatments

與對照CK處理相比，施用風化的褐煤處理顯著提高了MWD和GMD、降低了分形維數；45 d和90 d時C6處理MWD和GMD最大、分形維數最小；135 d時C2處理MWD和GMD最大、分形維數最小。

3 討論與結論

我國北方重度蘇打鹽堿地治理困難，限制了當地區域農業的生產發展。重度蘇打鹽堿土性狀極端惡劣，質地黏滯，透氣性和通氣性不好，土壤空間結構十分差［17］，難以形成良好的土壤團聚結構體。土壤團聚體是土壤結構的重要指標，影響土壤的各種物理化學性質，團聚體的重新構建始終處于動態變化之中。本研究表明，土壤微團聚體含量整體上隨著褐煤施用量的增加和時間的延長呈減少的趨勢，這與前人的研究結果［18-19］相似，可能因為風化的褐煤作為有效的碳源在構建土壤團聚體過程中起重要的膠結作用，致使細小的土壤礦物顆粒膠結成微團聚體［20］，微團聚體在植物根系和某些菌絲的糾纏作用下由小變大最終構建成大團聚體。MWD、GMD和分形維數是反映土壤團聚結構穩定性的重要參數［21］，且在表征過程中具有一致性［22］，MWD和GMD越大、分形維數越小，說明土壤團聚結構越穩定，抗侵蝕能力越強［23］。施用風化的褐煤提高了土壤MWD和GMD、降低了分形維數。在135 d時，各個處理之間C2處理中>2.00 mm團聚體含量最多，MWD和GMD最大、分形維數最小，說明微團聚體在向大團聚體轉化的過程中>2.00 mm團聚體的構建較敏感地影響了MWD、GMD和分形維數。土壤團聚體的構建和穩定是十分復雜的，相關研究指出，土壤團聚體的形成與穩定離不開膠結物質的膠結作用［24］以及與土壤微生物相互作用［25］的結果，筆者通過施用風化的褐煤研究重度蘇打鹽堿土團聚體的動態變化，發現土壤團聚結構明顯得到改善，隨著時間的延長，土壤水穩性微團聚體明顯向大團聚體聚集轉化，土壤結構穩定性顯著增強。本研究中，對于本地區重度蘇打鹽堿土，風化的褐煤施用量為10%~15%時更利于>2.00 mm團聚體的重新構建，然而風化的褐煤在重度蘇打鹽堿土上作用的長效穩定機制還將有待進一步研究。