土壤团聚体与土壤养分的关系

土壤团聚体与土壤养分的关系

土壤颗粒是土壤的重要组成部分，影响着土壤的许多物理和化学性质。近几十年来,国内外土壤研究者对土壤团聚体的形成机制、影响因素及其与农业管理措施之间的关系作了大量研究。团聚体通过土壤有机碳、生物相、离子键桥、粘粒和碳酸盐结合起来,其中土壤有机碳起着胶结剂和核的作用。生物及其有机体有利于土壤结构的形成,同时土壤结构对土壤有机碳的变化也有较大的调控作用。土壤有机碳的滞留时间和降解速度是其团聚作用效应大小的关键。结晶型和无定型金属氧化物或氢氧化物是土壤中重要的胶结物金属离子在矿物质和有机、无机颗粒间构建盐桥。同样,粘粒也是一种胶结剂,将分散的土粒胶结起来的同时也会影响有机碳的降解和周转。团聚体的长期稳定通常与抗破坏性物质和金属离子存在状况相关。在干旱地区或半干旱地区次生碳酸盐的形成也与团聚过程相关。土壤结构性能与土地利用方式、土壤管理措施密切相关。耕作、种植、施肥等农业管理措施通过改变土壤属性、内部环境以及生物活性影响着团聚过程以及团聚体的稳定性。土壤团聚体的稳定性对土壤水分运输与保留、水土流失、土壤结壳、养分循环和粮食生产等具有重大影响。因此,笔者尝试通过对土壤团聚体和与其变化相关的农业管理措施的有效信息比较和综合,以了解土壤团聚体与环境、土壤生物相、土壤性质和土壤管理措施等的联系以及团聚体的形成机理,从而为土壤培肥机理和耕地地力提升提供科学依据。1集聚体的组成及大小团聚体是指矿物质通过有机和无机物质的联合作用形成的次生土壤物质。团聚体形成是众多因素共同作用的结果,这些因素包括:环境条件、土壤管理措施、植物和土壤属性(矿物组成、质地、有机碳浓度、成土过程、微生物活性、可交换离子量、养分含量和水分的有效性)。团聚体具有不同的形态和大小,通常将其分为2个部分:大团聚体(>250μm)和微团聚体(<250μm)。团聚体的大小受到土壤属性(如所含胶结物质的种类和量、碳和氮分布)的影响。1.1大团聚体的概念土壤团聚体的形成是一个复杂的物理、化学及生物化学过程。关于团聚体形成机制的理论众多。通常认为团聚体是按阶段形成的且每阶段的胶结机理不同。一种观点认为微团聚体结合形成大团聚体且微团聚体内的结合力要大于微团聚体间的结合力。微团聚体是由有机分子、粘粒和多价阳离子构成粘粒-多价阳离子-有机分子复合物,这些复合物又进一步结合形成大团聚体。另一种观点则认为,大团聚体是在颗粒有机物周围形成的。随着颗粒有机物的降解和微生物分泌物的释放,大团聚体更趋于稳定,C/N比下降,微团聚体形成。这样形成的微团聚体含有更多的惰性土壤有机碳。随着活性土壤有机碳越来越多的被利用,微生物活性的下降、分泌物的供给减少,大团聚体稳定性下降甚至被破坏而释放出更多的微团聚体。大团聚体可能形成于微团聚体的累积或以有机质颗粒和细菌为核心的包裹再降解或分解成微团聚体。微团聚体可能形成于粘粒、有机质和阳离子不断的胶合或是大团聚体的周转产物。原生矿物颗粒在团聚体的外层不断累积。1.2土壤有机碳的降解土壤形成过程、土壤属性和外部因素(如地形、气候等)间持续不断的相互作用决定了土壤结构的动态平衡体系。基于胶结物不同的性质,团聚体的破坏机制也多种多样。土壤中有机体的活性影响着土壤中有机碳的含量和周转,依次影响着碳的稳定性、团聚过程和周转。团聚体的破坏过程也受到有机物活性、土壤属性和环境因素如温度、气体浓度、养分有效性和水势压的影响。土壤中的C/N比通常用来指示土壤有机碳的周转情况,同时也有观点认为CR(稳定碳)和CI(惰性碳)、木质素/N值或其他耐性物质更适合做团聚体周转的指标。土壤系统的反馈机制表明土壤有机质的降解受到土壤结构的影响,其影响通过孔隙性、气体交换、土壤水以及碳垂直分布和结合状况得以实现。土壤有机质的降解状况随着土壤、团聚体和时间的不同发生变化。土壤有机碳的动态变化在植物生长后期较缓慢,这可能是由于在该时期大团聚体中的周转率较低所致。无机复合物、低活性粘粒和CR(稳定碳)等胶结剂通常不易于分解。物质的移动和沉淀有助于团聚体的溶解和分解,同时也助于新团聚体的形成。虽然通常认为土壤动物摄食能提高团聚体稳定性,但同时也会破坏团聚体结构。团聚体也会受到物理性干扰的破坏,其中包括粘粒的缩涨、耕作和降雨。2土壤聚集体的粘合剂2.1土壤有机碳的降解,使微团聚体的有机碳在自然和人碳酸盐对土壤团聚体的影响与土壤有机碳含量有关。土壤有机碳含量较低时,碳酸盐能提升大团聚体稳定性;高碳酸盐浓度能增强大团聚体对土壤有机碳的保护,这可能是由于碳酸盐可使土壤有机碳的矿化度降低并增加了Ca2+含量。粉砂中高碳酸盐含量使得团聚作用降低,这表明土壤颗粒的大小也会影响碳酸盐在团聚作用中的强度。碳酸盐能提升团聚体间张力强度且降低微团聚体的稳定性。有机体也影响着碳酸盐调控的团聚体,如蚯蚓活性能改变碳酸盐含量,但这种影响并不一致,主要取决于蚯蚓品种;合理的灌溉和施肥等农业管理措施能增加土壤有机碳含量,从而促进干旱和半干旱地区土壤中次生碳酸盐的形成。在这一过程中,碳酸、有机酸与硅酸盐发生反应起到碳固定的作用。土壤有机碳的增加有利于提升团聚作用强度。土壤有机碳的化学结构决定了电荷和络合作用能力,影响着有机碳的降解速度,从而直接影响着团聚作用。易氧化态有机碳的团聚作用是快速且暂时的,而缓降解有机碳的团聚作用较弱但可能相对较持久。将容易降解的易氧化态有机碳从团聚体中分离可以提高团聚体的稳定性和持久性。颗粒态有机质是指250~2000μm大有机质颗粒,以轻型游离态或土粒包膜态存在,后者起到抑制有机质降解作用。在微团聚体形成大团聚体的过程中,颗粒有机碳很可能起着重要的作用。已有研究表明,土壤中轻型颗粒有机碳通常与粘粒或多价阳离子结合形成团聚体;免耕土壤中土壤有机碳和团聚体含量的增加可能是由于轻型颗粒有机碳含量的增加;当有机体将颗粒有机碳分解,其产生的胞外多糖类物质可以作为一种团聚体胶结剂。2.2土壤理化性质与特征粘土矿物的阴离子交换量(CEC)和比表面积、土壤有机碳以及其他土壤属性间的相互作用构成了土粒间的内部作用力,这种力影响着土壤团聚体的分散性。带负电荷的土壤有机碳可能由于受到粘土矿物的负电荷排斥作用而破坏土壤的团聚结构。以可变电荷粘土矿物(1∶1型粘土矿物和氧化物)为主的土壤在低有机碳含量时含有较多的团聚体,然而在以混合型粘土矿物为主的土壤则在高有机碳含量时含有较多的团聚体。粘粒矿物性会影响土壤属性如土壤表面积、CEC、电荷密度、分散性和膨胀性。这些土壤属性影响着土壤有机碳的降解率,从而影响着团聚体的形成。粘粒、土壤有机碳和团聚体间的相互作用影响着土壤pH、CEC和如Na+、Ca2+和Mg2+等离子的浓度。土壤这些属性与其含有德尔粘粒的类型和数量有关。粘粒以结晶的层状结构或非结晶的无定型结构出现。在一些土壤中,非结晶粘粒是团聚体形成的主要因素,比如在火成土中团聚体与粘粒是紧密相连的。非结晶粘粒矿物如水铝英石和伊毛缟石具有较大的表面积、大量可变电荷,有利于团聚体的形成。未膨胀性的结晶质粘土矿物如高岭石(1∶1)中CEC含量和比表面积较低,不利于团聚体的形成。因晶片和土壤有机碳间的静电作用,高岭石具有较强的凝絮作用。与之不同,团聚作用通常在高活性粘粒如蒙脱石和其他2∶1型粘土矿物中较强,这些粘粒具有高CEC含量、大比表面积和高土壤有机碳含量。干湿循环过程会破坏团聚体的膨胀性。伊利石和蒙脱石在干湿循环过程中稳定性下降,其程度与粘粒的量和缩涨次数相关。2.3增加土壤改良剂的用量钙、镁离子通过在粘粒与土壤有机碳之间构建阳离子桥来改善土壤结构。如前所述,在干旱或半干旱地区条件下,钙镁碳酸盐再次沉淀形成次生碳酸盐络合物,将原生土粒胶合在一起。通常,在改善土壤结构方面,Ca2+比Mg2+更为有效。在二价阳离子中,Ca2+能抑制土粒分散,通过替换粘粒或团聚体中的Na+和Mg2+将已破坏的团聚体再次缔合在一起,从而提高了团聚体的稳定性。与Ca2+相比,Mg2+可能不利于土壤团聚体稳定性的提高,反而能导致土壤分散。Mg2+的这种负作用还取决于土壤中粘粒的类型和电解质的浓度。此外,Mg2+会使得粘土矿物大量膨胀,从而导致团聚体的破裂。含Ca2+和Mg2+的土壤改良剂如石灰和石膏等的施用对增加团聚体数量具有重要作用,石灰土中团聚体稳定性的提高表明其内部形成了较强的结合力,其中就包括Ca2+桥键。Al3+和Fe3+通过形成阳离子桥键和有机、无机化合物或凝聚体改善土壤结构。这些离子的溶解性和移动性与pH值大小密切相关,在低pH值时其溶解度较大。含有Al3+和Fe3+的团聚体和高CEC含量的粘土矿物均有利于其与土壤有机碳的结合。在土壤有机碳的团聚作用受到限制时,Al3+或Fe3+与高岭石间的交互作用能够协调促进团聚的形成。铝的氧化物(氢氧化物)与有机碳或分散粘粒间协调作用能提高团聚体的稳定性。在低粘粒和有机碳含量的酸性土壤(如氧化土)中,Al3+和Fe3+支配着团聚体的形成;在高有机碳土壤中,无定型的Fe3+化合物能与有机质形成非常稳定的颗粒。Fe3+的氧化物能形成粗土粒,能增强氧化土中团聚体的张力强度,并能改善其他类型土壤团聚体的稳定性。Na+是高强度的分散剂,会直接导致团聚体的破坏或通过降低作物产量来影响团聚体的形成。土壤溶液中以及交换点位的可交换性Na+离子都会形成排斥电荷,导致土粒分散。由Na+导致的分散性增加会促使团聚体的破坏,使得土壤有机质更易降解。碱性土壤主要存在于干旱或半干旱地区。利用Ca2+替代交换地位的Na+的管理措施有利于改善高Na+含量及其负效应。石膏为通常的土壤碱性改良剂,其主要通过降低土壤分散性、pH值和碱化度(ESP)以及增加微生物生物量碳。石灰盐土壤适合耐盐性植物生长,因此,可利用耐盐性植物改善土壤物理属性,有利于植物根系的生长和微生物呼吸的增加。根际土壤中部分CO2分压的增加,能增加碳酸钙的溶解性。这能缓解高Na+浓度的负效应。3作物和微生物体对土壤团聚体的影响3.1不同根际环境对土壤团聚体的影响土壤团聚体通过影响作物根系的分布和作物对养分和水分的吸收力来影响作物的生长状况。良好的土壤结构有利于土壤中氧气扩散和水分渗透,从而提高土壤储水量;有利于增加土壤水分的运移,降低土粒对肥料的截留,从而提高作物的肥料利用率。压实或耕作对土壤团聚体的扰动会导致养分的快速循环、土壤结壳以及根系对水分、空气的有效利用。绝大多数农作物的生长、发育、高产和稳产都需要有一个良好的土壤结构状况,以便能保水保肥、及时通气排水,调节水气矛盾,协调肥水供应,并有利于根系在土体中穿插等。归还土壤植物的量和生化组成以及植物本身释放的化学物质的联合作用影响着团聚体的稳定性、形成速率和团聚体的周转率。水稳定性团聚体(平均团聚大小和平均重量直径)与植物残体的生化组成(酚类、木质素、蛋白质、单聚糖、糖类)、土壤中腐殖酸和酚类物质以及残渣中酚酸密切相关。与其他作物相比,玉米残体中含有较高的酚类物质,有利于团聚体的形成;与玉米轮作相比,玉米单作会降低微团聚体的形成。在连续种植苜蓿的土壤中,团聚体稳定性较高。种植豆科植物土壤中的团聚体较少,是由于植物残体归还量较少且酚类物质的浓度较低。植物根系及其根际圈对土壤团聚体作用具有众多影响。根系伸入并将土壤颗粒进行重列。根系所分泌的渗出物会导致根际环境中物理、化学和生物条件发生改变从而影响着团聚体的形成。团聚体的形成随着根系长度、密度、与微生物结合度的增加而增加,同时覆盖率也显著影响着土壤团聚体的稳定性。根际土壤团聚体的稳定性要强于非根际土壤,这可能是由于根系量、根系密度、根系大小分布、根系的周转、根长度和菌丝的生长等共同作用产生的根际效应所致。根际环境中生存着大量的微有机体和大有机体,这些都会产生土壤有机碳并促进团聚体的形成。从化学物质角度来分析,根系通过释放各种化合物来增强团聚作用,这些化合物对土粒有胶合作用。根系粘液如聚半乳糖醛酸能通过增强结合强度、降低湿化率来提高团聚体稳定性。根系使邻近土壤中的干湿循环加快,有时会提高团聚体的稳定性,有时则会降低团聚体的稳定性,这可能与粘粒的类型相关。根系通过根对养分的吸收和根际沉降,改变根际中离子含量和渗透性,从而影响着团聚体的形成。不同根系对团聚体形成的影响不同,这是由于根系属性、分泌物和功能不同而造成的。通常,大量的纤维型根系能形成大量的大团聚体。与种植非豆科类土壤相比,种植豆科植物土壤中根系与微生物的结合更紧密,更有利于团聚体作用和水稳性团聚体的形成。种植非豆科类土壤中团聚体稳定性与根系数量有关。3.2glomalin生物活性的变化根系、真菌和细菌通过伸入过程结合土粒和分泌胞外化合物胶合土粒,从而增强团聚作用。将有机体对团聚作用的多重效应相互分离出来非常困难。真菌菌丝通过引起土粒重排、分泌胞外多糖类物质对土粒胶结和自身对土粒缠绕等途径来改善团聚体稳定性。菌丝同样能将微团聚体缠绕形成大团聚体,这就表明团聚体含量随着菌丝密度的增加而增加。外生菌根是土壤团聚作用中最主要的生物影响因素。Glomalin是外生菌根释放的一种糖蛋白,是稳定团聚体的重要因子,这可能是由于其自身的排斥性以及高浓度存在于某些土壤中。以高膨胀型粘土矿物为主的土壤中Glomalin含量要大于在低活性粘土矿物为主的土壤,这可能是Glomalin的疏水性和排斥性能对其他胶结剂起到保护作用。干湿循环过程能增加Glomalin的聚合力和疏水性。在某些情况下,微生物活性随着团聚体粒级的变化而变化,而在另一些情况下则不同。在微团聚体中,细菌通常与粘粒或多糖类聚合物结合在一起,这也导致了微团聚体中的微生物量要低于大团聚体。大团聚体中细菌/真菌比值要低于微团聚体中的,表明在微团聚体中细菌活性起主导作用,而在大团聚体中真菌起主导作用。随着真菌活性和新鲜残渣的增加,大团聚体含量也随之增加。3.3土壤有机碳的变化土壤中生活着大量发育成熟或未成熟的昆虫、其他节肢动物、蚯蚓、线虫和相对较大型的有机生物体。这些动物对土壤结构的形成具有重要影响。土壤动物的这些作用具有不确定性。大型土壤动物能改善通气性、孔隙、入渗性、团聚体稳定性、脱落物的混合、碳和氮的腐殖化(稳定性)、碳的周转、碳酸盐的还原和氮的矿化、养分的有效性和金属的移动性。动物摄取破坏土粒间的胶结物以及消耗可溶性有机碳(DOC),会使得土壤属性退化。动物的这种分散作用通常通过团聚体的重构以及稳定型有机碳化合物的排泄来得到弥补。动物的摄食会引起土壤的改变,其中包括粘土颗粒的物理性重排、团聚体内胶结力的破坏。团聚体内胶结力的破坏会改变微生物与土壤有机碳接触的难易程度。土壤中排泄物的供给和混合、土壤有机碳的再次腐化和生物合成通常会增加土壤中稳定型有机碳含量。土壤动物群落在形成有机、无机复合物和团聚体中具有重要作用。蚯蚓通过改变土壤生物相、物理化学相来改善土壤的团聚结构。蚯蚓对土壤结构形成和土壤有机碳含量具有相当大的直接和间接影响。蚯蚓对团聚体形成的影响受到蚯蚓的品种、枯枝落叶品质和土壤母质的影响。反之,蚯蚓的品种和数量也受到植物物质的数量和品质的影响。一些蚯蚓会摄取土壤颗粒,这一过程会破坏团聚体间的胶结力,从而降低团聚体的稳定性;但是其生物化学过程则会增加团聚体稳定性。土壤颗粒的结构重组和蚯蚓释放的酶都会影响土壤有机碳的矿化、水分的流动和微生物活性。蚯蚓能增加土壤结核(Casts)中的有机碳含量,从稍次层面来说,会增加洞穴壁物质中有机碳含量。另外,蚯蚓活动亦会增加水稳性团聚体的含量。4改善土壤结构的管理措施4.1各化学肥料对土壤结构的影响增加团聚体含量的土壤管理措施必须以增加作物产量、增加土壤有机碳的输入,降低对土壤扰动,减少降解和侵蚀过程中碳的损失为目标。基于以上目标,适宜从耕作方式、残渣管理、改良剂、施肥措施和养分循环等方面来改善土壤管理措施。耕作破坏土壤团聚体结构、压实土壤、干扰植物和动物群落,降低有机质、CEC、养分,同时加速了大团聚体的周转,提高了微生物活性和土壤动物区系活性。在同样条件下,与常规耕作相比,免耕更有助于提高团聚体稳定性,增加内部碳、氮含量。少耕能增加大孔隙和生物通道,从而有利于水分的运移和有效性。耕作使受团聚体保护的有机质矿化,减少了稳定性胶结剂的产生,耕作强度和时间决定了耕作对土壤团聚体的影响程度。覆盖方式亦能改善土壤结构。地表覆盖减少侵蚀、降低蒸发、减少雨滴冲刷,提高团聚体稳定性。覆盖增加了土壤有机碳库储量,改变土壤温度和水分状况,影响着土壤动物的生存。植物残体还田能改善土壤结构,其影响强度与还田植物的数量和品质相关。有学者就不同作物覆盖对土壤侵蚀的影响进行了初步定量分析。有机肥的施用能改善土壤结构和团聚体平均重量直径,促进团聚体的形成,增强抗糊化能力和土壤中微生物活性,不过可能会降低团聚体对溶解和分散过程的抵抗力土壤有机碳的增加提高了土壤微生物活性,使得土壤孔隙度增加,密度降低。施用有机肥可促进土壤中大颗粒团聚体(>0.25mm)的形成,尤其以1~2mm粒级增加的比例最大。当化肥和有机肥配合施用后,主要促进土壤中<1mm团聚体的形成,尤其对0.50~0.25mm粒级团聚体形成的促进作用最大,并可以提高>2mm和0.25~2mm水稳定性团聚体中的有机碳含量。与施有机肥土壤相比,未施有机肥的土壤中有机碳和微生物生物量较少,密度较大,在干旱时团聚作用较强,在湿润时团聚作用较弱。与之不同,施用有机肥土壤在干旱时团聚作用较弱,在湿润时团聚作用较强。在干旱时,土壤团聚体的差异与其分散粘粒量相关;而在湿润时,土壤团聚体的差异与土壤中有机结合和胶合物质的量有关。与施用化学肥料相比,施用有机肥使得土壤中微团聚体和大团聚体中碳水化合物含量增加。堆肥施用能改良土壤结构,降低土壤密度,形成土壤水分和空气运移的快速通道。堆肥物质能增加大团聚体含量,提升根际团聚体的稳定性。尤其是对0~20cm耕层土壤作用明显。土壤属性和环境条件决定堆肥对团聚作用的效应。尽管施用堆肥有利于土壤结构属性改善,但是这种效应是短期的。肥料物理型和化学型影响的复杂性使得肥料对团聚作用具有多样性。肥料的施用通常能改善土壤团聚作用但是,在某些情况下,与施用有机肥相比,施用化学肥料可能会降低土壤有机碳含量、减少团聚体含量,降低微生物群落的丰富性。当然与未施肥土壤相比,施用化肥通常能改善土壤结构。肥料的物理和化学效应与土壤和肥料的类型相关。磷肥施用会增强对Cu2+、Al3+和Ca2+的吸附效应。磷酸降低了土壤pH值和Al3+移动性且在随后沉淀生成的可以作为稳定团聚体形成的胶结剂的磷酸铝盐,从而促进了团聚体的形成。氨肥的施用会分散土粒,对土壤团聚体的形成具有负效应。铵离子的分散作用是暂时的,随着铵离子转化为硝酸根离子而消失。养分管理措施的改善所带来最基本的效应是植物产量和土壤有机碳含量的增加以及微生物活性的增强。施肥使得土壤有机碳增加,团聚体含量和MWD增加。施肥