砂姜黑土有机无机复合体结构特征及其对土壤颜色的影响机制

郭成士, 马东豪, 张丛志, 张佳宝*, 蔡太义, 3, 周桂香, 陈 捷

1. 中国科学院南京土壤研究所，土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008 2. 中国科学院大学，北京 100049 3. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000

引 言

我国砂姜黑土面积大约6 000余万亩，主要分布在安徽、 河南两省的淮北平原[1]。由于该土壤有机质含量低，质地粘重，土壤耕性差，存在湿涨干缩等不良物理性状，使其成为我国面积最大的低产土壤之一[1-2]。土壤颜色是土壤理化性质的外在表现，可以用其来预测土壤有机质[3]。通常土壤黑色与高有机质含量有关，例如我国高有机质含量(可超过5%)的东北黑土土壤颜色很黑[1]。但低有机质含量的砂姜黑土(一般不超过1.5%)土壤颜色也很黑[1]。传统观点[4-5]认为高度芳构化的腐殖质成分如胡敏酸、 胡敏素与土粒结合使砂姜黑土呈现黑色。然而，这些研究中的胡敏酸、 胡敏素等腐殖质成分是用化学方法从土壤中提取的，提取不完整，且破坏了有机质的化学结构[6-8]，其结果不具有代表性，也不足以证明是腐殖质的高芳构化程度导致砂姜黑土颜色比较黑。由于化学提取方法(酸，碱，螯合剂等)会破坏土壤有机-无机复合体的结构[9]，前期研究采用不破坏有机无机复合体结构的物理方法从砂姜黑土土壤中提取出黑色物质，通过分析其特征后发现蒙皂石与土壤黑度显著正相关。有报道土壤有机质和矿物组成对土壤光谱有重要影响。吸附试验表明蒙皂石矿物能够吸附有机质形成黑色的粘粒-有机复合体，因此蒙皂石吸附有机质形成的黑色有机无机复合体，可能是砂姜黑土呈现黑色的主导因素。然而该土壤有机无机复合体中的有机质结构及复合体呈现黑色的机制还不清楚。本研究旨在采用物理方法从砂姜黑土中提取黑色物质，通过研究黑色物质中的有机质结构、 蒙皂石矿物及其对黑度的影响，探讨有机无机复合体结构及其对土壤颜色的影响机制。不仅可以解释砂姜黑土黑色的形成原理，也可为研究土壤的发生、 形成及肥力提升提供重要的理论依据。

1 实验部分

1.1 研究区概况和土壤样品采集

供试砂姜黑土土壤样品分别采自河南省西平县(113.99°E, 33.47°N)、 安徽省太和县(115.47°E, 33.32°N)和利辛县(116.12°E, 33.28°N)的农田土壤表土层(0～40 cm)，三个采样地点都位于我国砂姜黑土分布面积最大、 最典型的淮北平原。在每个地点，从大约200～300 m2地块内的五个不同位置收集的混合土样中取三个重复样本。将新鲜土样去除植物残渣、 根系和石块等，然后按照不同指标分析要求做相应的筛分处理，土壤基本性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Soil basic physical and chemical properties for the soil samples used in the study

1.2 方法

土壤中黑色物质的提取采用先冻融交替(-80 ℃)土样，参照土壤团聚体和有机质的物理分组方法向冻融并风干后土样依次加入碘化钠重液(1.85 g·cm-3)抽滤、 六偏磷酸钠分散剂溶液(0.5%；W/W)振荡后过筛(53 μm)，土样被依次分离出不稳定的轻组分、 >53 μm颗粒组分和矿物结合态有机质(MOM；<53 μm)组分[10]。依据土壤有机无机复合体颗粒大小分组法原理并做出改进和创新[11], 采用渐进式多层次槽型超声波分散和不同离心力沉降方式接着从MOM(<53 μm)组分中依次提取出两种浅色组分[白(W)、 浅白(LW)]和三种黑色组分[浅黑(LB)、 黑(B)和 纳米黑(NB)]。具体操作步骤如下。按照1∶20的土水比向MOM组分中加入蒸馏水配成悬液：于21.5 kHz和300 mA多次循环超声30 min分散样品，且每次超声后依次静止10 min、 离心(150×g)5 min、 离心(1 250×g)5 min、 离心(3 900×g)30 min，后依次得到的底部沉淀物分别为白(W)、 浅白(LW)、 浅黑(LB)和黑(B)组分，最后离心后的悬浮液烘干(50 ℃)后的底部沉淀物为纳米黑(NB)组分。

选择基于CIE1976颜色系统的NS-800分光测色仪(光源：D65; 观察者角度：10°)测量土壤颜色。待测样品通过1 mm筛后烘干(50 ℃)，后取1～2 g放于白色参考色板上，压实和压平后, 随机取三个区域用土色仪进行测量。然后求得土壤颜色的平均参数值，仪器可测定的明度值在0～100，根据下面等式计算黑度值：黑度=100-明度。

土壤pH采用土水比为1∶2.5的电位计法测定。土壤粘粒含量采用吸管法测定。土壤有机质采用TOC仪(固体模块HT 1300，Jena，德国; 炉温：1 100 ℃)测定；首先用盐酸(10%)去除土样中无机碳, 烘干(50 ℃)后测定有机碳含量，将有机碳含量乘以1.724即得到有机质含量。

土壤中提取组分(LW，LB，B和NB)的有机质结构采用固态13C核磁共振谱仪(Bruker Avance 400 MHz型)分析。样品过100目筛，称取3 g于100 mL离心管中，加入50 mL HF溶液(2%；V/V), 振荡1 h, 3 000 r·min-1离心20 min，移去上清液，继续用HF 处理，这样连续处理9次，振荡时间分别为5次×1 h，3次×16 h，1次×64 h。将残余物用去离子水洗涤三次并冷冻干燥，后过100目筛待测。固体样品采用13C交叉极化魔角自旋(CP MAS)技术测定，采用4 mm转子的固体双共振探针，共振频率、 魔角自旋频率分别为100 MHz、 14 kHz，脉冲延迟时间0.35 s，90°13C脉宽4 μs。

土壤及其提取组分的蒙皂石矿物含量采用X射线衍射仪(仪器型号：Ultima IV，日本; 操作条件：Cu靶，40 kV，40 mA; 衍射角：2°～80°; 速度：1°·min-1)测定。样品Mg2+饱和后，用甘油水溶液处理，制成定向薄膜，进行X衍射分析。

1.3 数据计算及统计分析方法

统计学分析采用SPSS 21.0软件。不同变量之间的相关性采用双变量相关和Pearson相关系数分析。蒙皂石及有机质各个功能团对砂姜黑土黑色形成的影响采用通径系数方法分析。通径分析不仅能测定变量间的相互关系, 而且还能给出原因对结果的重要性, 并可将相关系数分解为直接通径系数、 间接通径系数和总通径系数分别表示自变量对因变量的直接作用、 间接作用及综合作用效果, 提示各个因素对结果的相对重要性大小。

2 结果与讨论

2.1 土壤中不同黑度组分的提取量

三个砂姜黑土取样点相距较远，但它们的土壤性质却较为接近(表1)，都属有机质含量较低而黑度较高的粘性土壤，所选土壤对砂姜黑土具有较强代表性。砂姜黑土中不同组分的提取量、 黑度、 有机质及蒙皂石含量见表2。在三个地点的砂姜黑土中，黑色组分(LB，B，NB)的提取量与原土黑度成正比；<53 μm颗粒的五个组分(W，LW，LB，B和NB)黑度依次增加，而其有机质含量却呈现先增加后降低趋势；>53 μm颗粒和W组分不含蒙皂石，随着组分(LW，LB，B和NB)黑度的增加，蒙皂石含量依次增加，其含量与黑度成正比。由于砂姜黑土中的粘粒矿物以蒙皂石为主体(表1)，有机质含量与提取组分黑度的相关性并不明显，蒙皂石矿物能够吸附有机质形成黑色的粘粒-有机复合体。因此推断有机质结构和由蒙皂石吸附有机质形成的黑色有机无机复合体可能是砂姜黑土呈现黑色的主导因素。

表2 砂姜黑土中不同组分的提取量、 黑度、 有机质及蒙皂石含量Table 2 Extraction amount, blackness, the organic matter and smectite contents of different components in the Calci-Aquic Vertisols

2.2 土壤中不同黑度组分的有机质结构及其与黑度关系

图1 砂姜黑土(XP，TH，LX)提取组分有机质的13C-NMR谱图Fig.1 13C-NMR spectrogram of organic matter of the extraction components (XP，TH，LX) in the CA Vertisols

三个地点的砂姜黑土中提取组分有机质各官能团的相对含量见图2。随着四个组分(LW，LB，B和NB)黑度的依次增加，其烷基碳、 羧基-氨基碳含量呈增加趋势。而芳香碳含量、 芳香度则随着黑度增加呈下降趋势。其中, 高黑度的NB

图2 砂姜黑土提取组分(包括LW，LB，B和NB)有机质各官能团的相对含量Fig.2 The relative content of various organic functional groupsof the extraction components (including LW, LB, B and NB) in the CA Vertisols

组分的烷基碳、 羧基-氨基碳含量分别比LW组分高4.0%～10.6%，4.0%～5.3%，B组分比LW组分分别高6.0%～12.5%，3.7%～5.5%。而NB组分的芳香碳含量和芳香度却比LW组分分别低13.6%～15.1%，15.0%～17.1%，B组分比LW组分分别低15.5%～21.4%，17.1%～25.0%。因此，砂姜黑土中黑色组分的烷基碳、 羧基-氨基碳含量高于浅色组分，而其芳香碳含量及芳香度则低于浅色组分。相关分析表明(表3)，三个地点的砂姜黑土提取组分有机质的烷基碳、 羧基-氨基碳含量与土壤黑度显著正相关，烷氧碳、 羰基碳与黑度正相关但不显著，而芳香碳含量、 芳香度则与黑度显著负相关。因此，烷基碳、 羧基-氨基碳对提高砂姜黑土土壤黑度有显著影响，而芳香碳和芳香度对提高土壤黑度的影响并不显著。

表3 砂姜黑土提取组分(LW，LB，B和NB)有机质各官能团的含量与黑度之间的相关性Table 3 Correlation between the content of variousorganic functional groups and the blackness of the extraction components(LW, LB, B and NB)in the CA Vertisols

2.3 土壤中不同黑度组分的蒙皂石矿物与有机质各官能团的关系

三个地点的砂姜黑土提取组分的蒙皂石与有机质各官能团含量的相关性见表4。结果显示，提取组分的蒙皂石与烷基碳、 羧基-氨基碳含量显著正相关，与烷氧碳、 羰基碳含量正相关但不显著，与芳香碳含量则呈负相关。因此，蒙皂石对烷基碳、 羧基-氨基碳有显著影响，对其他有机基团的影响不显著。

表4 砂姜黑土提取组分(LW，LB，B和NB)的蒙皂石含量与有机质各官能团含量的相关性Table 4 Correlation between the smectite and the various organic functional group scontent of the extraction components (LW, LB, B and NB) in the CA Vertisols

2.4 蒙皂石矿物和有机质结构对土壤黑度的影响

表5为有机质各个官能团和蒙皂石矿物对砂姜黑土黑度影响的通径系数。结果显示，在三个地点的砂姜黑土中，提取组分有机质的芳香碳、 羰基碳、 芳香度对土壤黑度的直接通径系数都较小, 而其通过其他因素对土壤黑度的间接通径系数之和也较小, 说明它们对土壤黑度的直接效应和间接效应都较小, 不是影响土壤黑度的主要因素。烷基碳、 羧基-氨基碳和烷氧碳对土壤黑度的直接通径系数及其通过其他因素对土壤黑度的间接通径系数之和都较大, 说明烷基碳、 羧基-氨基碳和烷氧碳对土壤黑度的直接效应和间接效应都较大, 是影响土壤黑度的主要因素。其中，烷基碳、 羧基-氨基碳对土壤黑度的影响效应明显大于烷氧碳。

表5 砂姜黑土提取组分有机质各官能团和蒙皂石对黑度影响的通径系数Table 5 Path coefficients ofvarious organic functional groups and smectite affecting the blackness of the extraction componentsin the CA Vertisols

蒙皂石对土壤黑度的直接通径系数及其通过其他因素对土壤黑度的间接通径系数之和都较大, 说明蒙皂石对土壤黑度的直接效应和间接效应都较大, 也是影响土壤黑度的主要因素。其中蒙皂石通过烷基碳和羧基-氨基碳对土壤黑度的间接通径系数明显大于其他有机碳基团，说明蒙皂石通过烷基碳和羧基-氨基碳对土壤黑度的间接效应较大。

一般情况下，物体对照射白光中各波长的吸收率越高其颜色就越黑，紫外区和可见光区(UV-Vis)内的吸收主要是由原子外层价电子或成键电子吸收能量而跃迁到较高能级产生的电子吸收光谱。有机质分子中决定电子吸收波长和强度的原子团及其相关的化学键称为生色团, 常见的生色团有烯烃、 苯环、 羧基、 酰胺和羰基等[8]。而胺基、 羟基、 烷氧基等称为助色团, 它们本身在200 nm以上不产生吸收, 但这些含有未共用电子对的助色团连接到生色团上能使生色团的光吸收移向长波方向，从而使颜色加深[13]。一般腐殖质的颜色与其分子芳构化程度呈正相关[14]，传统观点也通常认为以苯环为代表的生色团对腐殖质呈现黑色影响较大，因而出现了腐殖质的高芳构化程度导致砂姜黑土土壤颜色较黑的观点[4-5]。但腐殖质是从土壤中仅能部分提取的有机质成分，且提取过程中破坏了有机-无机复合体及有机质的化学结构[6-8]，因而上述观点代表的仅是腐殖质颜色，不能代表土壤及有机-无机复合体的颜色。本研究中砂姜黑土呈现黑色的主导成分是由蒙皂石颗粒吸附有机质形成的黑色有机-无机复合体，而不是单纯的有机质成分。有机质被蒙皂石吸附后形成比原有机质更黑的有机-无机复合体，其颜色发生特异性变化，说明单纯的有机质颜色与有机质被蒙皂石吸附后形成的有机-无机复合体颜色是有差异的，且差异较大。本研究采用物理方法提取土壤中的黑色物质，然后利用固态13C-NMR技术测定有机质的化学结构，克服了化学方法提取腐殖质成分不完整且破坏土壤有机-无机复合体及有机质结构的缺陷[8]，可以更好地研究有机-无机复合体中的有机质结构特征。

土壤中90%以上都是固态物质，而固态物质中矿物又占主体[14]。土壤中单独存在的腐殖质胶粒或矿物胶粒很少，主要是以有机-无机复合体形式存在。蒙皂石能选择性地吸附腐殖质溶液中的烷基和羧基化合物[15]，羧酸、 酯、 酰胺等羧基/氨基碳类物质既含生色团，也含助色团，而烷氧碳是助色团。结合有机质中羧基-氨基碳、 烷基碳和烷氧碳是影响砂姜黑土呈现黑色的主要因素，而且蒙皂石对土壤黑度的直接影响效应及通过有机质中的羧基-氨基碳、 烷基碳的间接效应都较大。因此，含有生、 助色团的羧基碳、 氨基碳和烷氧碳对蒙皂石吸附有机质形成的复合体呈现黑色发挥主导作用，而芳香碳并不是主要因素。而且微小的蒙皂石颗粒吸附这些生、 助色团形成的复合体具有很大的比表面积，进一步增强了其对光波的吸收，从而使复合体黑度增强，这些复合体在土壤中大量的均匀分布使砂姜黑土呈现黑色。

烷基碳既不含生色团也不含助色团，但其通过羧基碳、 氨基碳对土壤黑度的影响效应较大。根据腐殖质颜色与其相对分子质量大小呈正相关[14]，我们推测烷基碳可能是通过连接羧基碳、 氨基碳形成较长脂肪链的羧酸、 酯、 酰胺等使得有机分子的分子量增加，从而提高了有机质黑度，也可能与烷基碳在蒙皂石颗粒表面的平卧排列使得这些长脂肪链的羧酸、 酯、 酰胺能够均匀分布在矿物表面，进一步增加了对光波的吸收有关，不过这些有待进一步研究。

4 结 论

研究结果表明，芳香碳含量和芳香度对砂姜黑土呈现黑色并没有显著影响，土壤有机质中的羧基碳、 氨基碳、 烷基碳和烷氧碳是影响砂姜黑土呈现黑色的主要因素。砂姜黑土中大量存在的蒙皂石通过吸附含有生、 助色团的羧基碳、 氨基碳、 烷氧碳及烷基碳形成有机-无机复合体是其呈现黑色的主要机制，其在土壤中的均匀分布使砂姜黑土呈现黑色。