土壤团聚体稳定性的研究概述

李越　李航

摘要 土壤团聚体是土壤结构的基本单元。土壤团聚体的稳定性与土壤养分流失的发生密切相关。从土壤团聚体的形成、影响团聚体稳定性的因素、团聚体的分散等方面，对近年来土壤团聚体稳定性的研究做一概述。

关键词 土壤团聚体；稳定性； 形成与分散

中图分类号 S153.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）11-03245-03

Abstract Aggregate is the basic unit of soil crumb structure.Aggregate stability is closely related to soil nutrient loss.This paper summed up the stability of soil aggregates in recent years especially on the formation of soil aggregates，factors of affecting aggregate stability and the dispersion of soil aggregates.

Key words Soil aggregates； Stability； Formation and dispersion

土壤团聚体是土壤结构的基本单元[1]，是土壤碳赋存的主要场所[2]，是土壤肥力的基础以及评价土壤质量的重要指标[3]。其大小、分布、稳定性会影响植物生长所需水分以及养分的供应，还与土壤中能量平衡、物质交换、微生物活动以及根系延伸等过程关系密切[4]。团聚体稳定性遭到破坏后会直接或间接导致许多环境问题的发生，例如团聚体稳定性被破坏后其内部的有机质会直接暴露于空气中，加速有机质氧化和二氧化碳的释放，这些从土壤中释放出的二氧化碳总量是燃烧化石燃料的20多倍[5]；土壤颗粒尤其是胶体级别的颗粒[6]会随着流水携带氮、磷等营养物质汇集到侵蚀流域的下游地区、湖泊和近海，使得水体中的沉淀物和营养物质大幅度地增加，引发土壤退化和水体富营养化；另外，一直以来团聚体破碎都被认为是土壤侵蚀发生的第一步，是最关键的一步[7-8]。因此，对土壤团聚体稳定性的研究尤为重要。

1 团聚体的形成

土壤团聚体是由无机物质和有机物质胶结而成，其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、有机碳含量、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）[9] 。在形成过程方面，目前普遍接受的理论是“多级团聚学说”。该理论认为，原生土壤颗粒在阳离子桥键、范德华引力等的作用下发生凝聚而形成次生颗粒（复粒或微团聚体），次生颗粒通过进一步胶结而形成更大的次生颗粒，最后形成大的团聚体[10]。

不同物质在团聚体形成过程中扮演了不同角色[11]。有机质的胶结作用决定了水稳性大团聚体的形成。水稳性团聚体的稳定性和数量都与土壤中有机质含量呈正比关系[12-13]。微生物是形成土壤中团聚体最活跃的生物因素，特别是真菌，对大团聚体的形成和稳定起着重要的作用[14]。真菌菌丝能使团聚体中的沙砾联结起来，与其他根际微生物产生的有机化合物可使微团聚体进一步胶结成大团聚体[15]。钙离子和其他高价金属离子如铁离子、铝离子在连接水稳性团聚体单粒的过程中扮演重要角色[16]。

2 影响团聚体稳定性的因素

土壤团聚体的稳定性[17]是指团聚体抵抗外力作用或外部环境变化而保持其原有形态的能力，包括水稳定性、力学稳定性、化学稳定性、生物稳定性和酸碱稳定性等。前人进行了许多有关团聚体稳定性影响因素的研究[18-23]。研究表明，影响土壤团聚体稳定性的因素主要包括土壤有机质、土地利用、土壤生物、气候条件、植被覆盖情况、管理措施等。

土壤有机质指土壤中的含碳有机物。它是土壤中团聚体重要的胶结物质，决定了土壤中水稳性的团聚体形成。有机质能增加团聚体的疏水性，减慢其被湿润的速度，从而降低土粒中填充空气对团聚体的破坏作用[24-25]。另外，有机物还能增强团聚体间的黏结力和抗张强度，其吸收水的容量远大于土壤矿物，从而提高团聚体稳定性[26]。

土地利用方式不同，同一母质发育的土壤团聚体的组成和数量都会有很大的差异。土地的利用方式在很大程度上影响土壤团聚体的形成[17]。

与进行传统耕作的土壤相比，进行免耕的土壤团聚性更强[27]。与进行常规耕作的土壤相比，进行保护性耕作的土壤微团聚体的颗粒有机质含量明显提高，大团聚体含量是常规耕作的2～3倍[28]。耕作强度的增加可以促进有机质周转，减少土壤团聚作用的增加[29]。

3 团聚体的分散

土壤团聚体的分散主要发生在水溶液中双电层反离子浓度降低的时候，因此被称为双电层膨胀。当外界的反离子浓度低于它对胶体的临界凝聚浓度时，土壤开始分散[30-31]。在团聚体分散过程中，主要有闭蓄空气的压强、矿物的非均匀膨胀、雨滴的打击力、理化分散作用[32]。

闭蓄空气的压强大小主要取决于团聚体内部闭蓄空气的含量和初始含水量[33]，其作用较强，能将大的团聚体分散成较小的微团聚体，但并不能够释放出土壤单粒；矿物的非均匀膨胀对黏土矿物含量高的土壤的影响尤其大，但它对土壤团聚体破裂的影响有限[34]，仅能将团聚体破碎成微团聚体，促进土壤表面结构结皮的形成；理化分散作用是一个较强的作用力，会引起快速结皮、入渗率降低和水中颗粒移动能力的增强。

长期以来，雨滴打击力被认为是造成团聚体破坏的直接作用力[35]。但已有的研究表明，雨滴打击所产生的压强平均约为1.013×105Pa，峰值不超过3.039×105Pa[36]。而在一个含水量为10%的旱地土中，土壤颗粒之间的最短距离为15。根据DLVO理论，可以计算出长程分子引力高达8.08×105Pa[37-38]。所以，仅凭雨滴打击是无法把团聚体颗粒分散的。然而，土壤侵蚀过程确实发生了。这就证明土粒内部必定存在其他的作用力。

4 介观尺度下土壤颗粒内部相互作用机理

土壤由介观尺度下的无机物、有机物、微生物胶体颗粒经多级聚合形成。这部分颗粒具有明显的胶体特征。在土壤中，这些胶体颗粒表面所带的电荷能主导土壤胶体颗粒间的相互作用，从而使得它具有与其他非带电颗粒不同的特殊物理化学行为。

一般情况下，土壤表面带有净负电荷，因此需要吸附等量的带相反电荷的离子在颗粒周围，使得土壤在宏观上呈现电中性[39]。土壤电荷主要存在于土壤的胶体部分。当胶体颗粒分散在水溶液中，其周围吸附了等量的反离子之后会形成扩散双电层，从而形成电场。因此，在1～1 000 nm尺度的介观范围内存在很强的静电场。蒙脱石的表面电荷密度一般可达0.16 C/m2[40]，通过Gauss定理计算可得其表面电场强度高达2.3×108 V/m；腐殖质的表面电荷数量一般可达500 cmol/kg，若比表面积按400 m2/g计算，其表面电场强度可达1.7×109 V/m，土壤中黏土矿物、氧化物等无机物质以及腐殖质、蛋白质等有机大分子的表面附近区域的电场强度都高达108～109 V/m的数量级。介观尺度内高强静电场的存在会影响土壤颗粒间的相互作用，也影响吸附在颗粒上带电离子的行为。

在1～1 000 nm的尺度范围内，影响土壤胶体颗粒间相互作用及行为的力主要有5个：①带电颗粒间的静电斥力；②长程范德华力；③摩擦引起的耗散力；④随机运动的布朗力；⑤颗粒间的水合斥力[41-42]。其中，范德华引力可使土壤颗粒聚合，而静电斥力与水合斥力则导致土壤颗粒分散破裂。其他的诸如重力等作用力则因尺度效应而作用微小，在一般分析中可以忽略。

带电颗粒间的静电斥力主要来自胶体颗粒所带的电荷。当2个胶粒间的距离小到它们的扩散层发生重叠时，一个颗粒必然位于另一个颗粒产生的电场内。由于静电作用，在两颗粒间就会产生静电斥力，阻止两颗粒进一步靠近，其作用力程可达到10 000 ；长程范德华力是介观尺度下土壤胶体颗粒经多级聚合形成团聚体的最主要的作用力，其作用力程达到50 。当2个土壤颗粒相距很近时，颗粒间将产生压强高达数万个大气压的巨大长程范德华吸引力，将2个土壤颗粒牢牢地结合在一起，但随着相邻颗粒间距离的增大，长程范德华力逐渐减弱，直至消失；耗散力和布朗力主要决定于体系温度，一般情况下可视为常量。

水合斥力为非DLVO力，来自带电颗粒对周围的水分子产生的静电作用，使得水分子在颗粒周围做定向排列，并且依靠对水分子的吸引力将两相邻胶体颗粒分散开。水合斥力取决于颗粒表面附近水分子的极化率。研究表明，在胶体颗粒表面1.5 nm距离内会产生巨大的水合斥力，使得颗粒间真实的净作用力背离了DLVO理论预测[42-45]。因此，在研究胶体颗粒相互作用时，必须考虑到颗粒间水合斥力的作用。

DLVO理论是最早描述胶体稳定性的理论[43，46]。根据DLVO理论，带电胶粒之间存在长程范德华吸引力与静电斥力2种相互作用力。长程范德华吸引力可将两颗粒聚拢，是胶体聚沉的主要因素；静电斥力使得两相邻颗粒远离，是胶体分散的因素。哪种力在胶体的相互作用中占主导地位，胶体就会呈现出相应的状态。这2种力的相互作用决定了胶体体系的稳定性，也构成DLVO理论的主要内容。

DLVO理论以波尔兹曼分布方程和泊松方程为基础，没有考虑离子的体积效应以及离子的水合作用、离子之间的相互作用。因此，其应用有一定的局限性，也无法更好地解释某些胶体体系的稳定性。对于土壤团聚体稳定性的研究，需要寻找一种新的理论来解释。

5 小结

综合国内外学者的研究成果，可得出影响团聚体稳定性的因素很多。团聚体稳定与否主要是由介观尺度下土壤颗粒所受到的静电斥力、水合斥力与长程范德华力的合力所决定的。另外，作为最早描述胶体稳定性的DLVO理论存在一定的不足之处，因此需要寻求一种新的理论来指导土壤团聚体稳定性的研究。

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