红壤区不同母质对水稻土土壤团聚体稳定性的影响

郭 澎，诸莉燕，柳开楼，付 责，张行健,3，罗朝晖，毕利东

（1.河海大学农业科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.江西省红壤研究所，江西 南昌 330046；3.南京市雨花台区水务总站，江苏 南京 210012；4.南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京 210095）

【研究意义】土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是土壤中能量物质转化代谢的重要场所［1］，团聚体在土壤中具有重要作用，包括保证和协调土壤中的水肥气热、影响土壤酶的种类和活性、维持和稳定土壤疏松熟化层［2］，并且＞0.25 mm水稳性团聚体量能够体现土壤抗蚀性［3］。土壤母质是土壤形成的基础，会造成土壤中团聚体的数量以及稳定性差异。我国南方红壤地区占全国土地总面积的22.7%，生产的粮食占全国粮食总产量的44.5%，是我国重要的粮食生产基地，对南方不同母质发育的红壤性水稻土团聚体稳定性差异进行研究能够区分出土壤抗蚀性较差的区域，有利于对其采取预防性措施以减少水土流失，为红壤资源的开发和利用提供重要的理论依据。【前人研究进展】土壤团聚体的稳定性受到环境变化［4］影响，一定干湿循环范围内，随着干湿循环次数增加，土壤团聚体稳定性增加。生物活动［5］也会对土壤团聚体稳定性产生影响，在土壤中接种蚯蚓能够增加土壤中稳定性团聚体。植物的死根和落叶的分解能够促进土壤中有机质的积累，增加土壤中的胶结物质，不同土地利用方式［1,6-7］不同植物会造成土壤团聚体稳定性的差异。土地利用年限也会影响土壤团聚体稳定性，长期进行同一种植模式的土壤团聚体稳定性会随着种植年限的增加而下降［8］。土壤团聚体稳定性，还受到土壤本身机械组成、阳离子交换量、黏土矿物组成以及胶结剂类型等的影响［7,9］。土壤母质除造成土壤颜色差异［10］之外，会引起土壤中有机质、黏粒、铁铝氧化物量的差异［11］，进而影响土壤团聚体稳定性。王艳玲等［12］经过研究认为成土母质与利用方式对红壤团聚体稳定性具有交互作用。目前红壤区不同母质对土壤团聚体的影响研究有待深入。【本研究切入点】本研究拟通过湿筛法研究不同母质发育的红壤性水稻土团聚体稳定性差异，并设置不同分散液研究不同母质发育的红壤性水稻土团聚体的化学稳定性。【拟解决的关键问题】研究不同母质发育形成的红壤性水稻土中土壤团聚体的水稳定性和化学稳定性，分析不同母质发育的红壤性水稻土的抗蚀性差异。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

土壤样品取自江西省红壤研究所附近，土壤母质信息来自1984 年第二次土壤普查江西省进贤县农业区划委员会编制的《进贤县土壤》(江西科学技术出版社，1985)，选取该区域6 种主要水稻土母质。

1.2 样品采集及预处理

土壤样品选用不同母质发育的红壤性水稻土，母质类型包括第四纪红色黏土、河积物、泥质岩类风化物、湖积物、酸性结晶岩类风化物和石英岩类风化物6 种类型。根据进贤县土壤母质图采集土样，具体的采样地点及样品编号见表1。

表1 土壤样品采样地点Table 1 Sampling location of soil sample

于2021 年3 月在各取样点的耕作层和犁底层分别用环刀采集土样，每个处理3 次重复。采集土样带回实验室后放在遮光、通风处进行自然风干，当土壤含水率达到塑限时，用手把大块土壤沿自然破碎面轻轻掰开，剔除大的植物残体和石块，土样自然风干后，用玻璃瓶将土样磨碎，并过2 mm 土壤筛后装入密封袋中备用。土壤的容重采用环刀法测定，土粒密度采用容量瓶测定，黏粒量采用激光粒度仪测定，有机质量采用高温外加热浓硫酸-重铬酸钾氧化容量法测定，pH 采用电位计法测定，各土样基本理化性质见表2。

表2 土壤基本理化性质Table 2 Physical and chemical properties of soil samples

1.3 研究方法

＞0.25 mm 水稳性团聚体量不但与土壤中有机碳量、全氮量、全磷量具有显著相关性，与土壤肥力直接挂钩，不仅是衡量土壤抗蚀性的指标，而且是衡量土壤质量的重要指标［13-15］。本试验方法在湿筛法［16］基础上进行了一定的修改。将10 g 土样置于铝盒中，用滴管缓慢地向铝盒中滴入分散液直至土样被完全浸润，静置10 min，将土样转移到筛孔为0.25 mm 的土壤筛上，分散液分别选择无水酒精、0.1 mol/L NaOH 溶液、0.002%Na2CO3溶液和0.1 mol/L NaCl 溶液，并设置超纯水作为对照组。在水桶中注入高度约为20 cm 的超纯水，将放有土样的土壤筛放置于水桶中振荡，筛的上、下振幅为5 cm，振速为30 次/min，共振荡10 min。将留在土壤筛上的土样用洗瓶洗入铝盒中，放在烘箱中（105 ℃）烘干至恒质量，称量得到土样的质量为m。则＞0.25 mm 水稳性团聚体的质量百分比R0.25计算方法为：

试验数据采用Excel 2019 进行整理和作图，用SPSS 22.0 对数据进行统计分析，采用单因素方差分析的最小显著差法（Fisher’sLSD）进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 红壤区不同母质发育水稻土团聚体的水稳性

将6 种母质的水稻土耕作层和犁底层的土样用超纯水缓慢浸润再湿筛后，＞0.25 mm 的土壤水稳性团聚体质量百分数结果见图1。

图1 不同母质发育及不同土层水稻土的水稳性团聚体量Fig.1 Content of water stable aggregates in paddy soil with different parent material development and different soil layers

2.1.1 同一母质发育水稻土不同土层土壤水稳性团聚体量 由图1 可知，同一母质发育的水稻土耕作层和犁底层的＞0.25 mm 水稳性团聚体量变化显著，耕作层的水稳性团聚体量是犁底层的1.25～2.65 倍，湖积物最大（2.65），河积物最小（1.25）。湖积物发育的水稻土犁底层土壤有机质量最低，而土壤黏粒量处于较高水平，因此水浸润土壤时，有机质对团聚体稳定性的增强作用减弱，而蒙脱石的消散作用增强，最终导致湖积物发育的水稻土相较于其他母质发育的水稻土，犁底层水稳性团聚体量与耕作层相比大幅减小。

2.1.2 同一土层不同母质发育水稻土土壤水稳性团聚体量 对同一土层不同母质发育的水稻土水稳性团聚体量进行比较，可以发现，不同母质类型的土样间土壤水稳性团聚体存在显著差异。耕作层土壤＞0.25 mm 的水稳性团聚体量，呈石英岩类风化物（64.50%）＞酸性结晶岩类风化物（58.63%）＞湖积物（54.90%）＞河积物（42.47%）＞第四纪红黏土（34.23%）＞泥质岩类风化物（24.17%）。犁底层土壤＞0.25 mm 的水稳性团聚体量，呈石英岩类风化物（36.35%）＞酸性结晶岩类风化物（35.37%）＞河积物（34.00%）＞第四纪红黏土（26.57%）＞湖积物（20.77%）＞泥质岩类风化物（17.40%）。除了湖积物发育的水稻土外，其余母质发育的水稻土犁底层土壤水稳性团聚体量的变化规律基本和耕作层土壤一致。根据相关性分析，水稻土水稳性团聚体量与有机质呈极显著正相关，与土粒密度、pH 呈极显著负相关，与土壤容重呈显著负相关；土粒密度、有机质量、土壤容重互相呈极显著相关，黏粒量与土粒密度呈极显著正相关，与有机质量呈极显著负相关。不同母质通过黏粒量、土粒密度、土壤容重影响有机质在土壤团聚体中的积累，最终引起不同母质水稻土在同一土层水稳性团聚体量的差异。

2.2 红壤区不同母质发育及不同土层水稻土团聚体的化学稳定性

土壤经无水酒精、NaOH 溶液、Na2CO3溶液和NaCl 溶液分散后的土壤水稳性团聚体量结果见表3。由表3 可知，经无水酒精分散处理后，水稻土耕作层和犁底层水稳性团聚体量的比值变化范围为0.99～1.05，平均为1.02，不同母质发育的水稻土耕作层和犁底层的土壤水稳性团聚体量变化不同。其中，河积物发育的水稻土耕作层水稳性团聚体量小于犁底层，但二者差异不显著；其余母质发育的水稻土耕作层水稳性团聚体量均高于犁底层，但第四纪红黏土发育的水稻土耕作层和犁底层的水稳性团聚体差异不显著，而泥质岩类风化物、湖积物、酸性结晶岩类风化物和石英岩类风化物发育的水稻土的耕作层和犁底层水稳性团聚体量差异显著。

表3 不同分散液影响下不同母质发育及不同土层水稻土的水稳性团聚体量Table 3 Contents of water stable aggregates in paddy soil with different parent material development and different soil layers under the influence of different dispersions

采用NaOH 溶液作为分散液，水稻土耕作层和犁底层水稳性团聚体量的比值变化范围为0.66～1.12，平均为0.88，土壤水稳性团聚体量在耕作层和犁底层的变化无明显规律可寻。其中，第四纪红黏土、泥质岩类风化物、酸性结晶岩类风化物和石英岩类风化物发育的水稻土耕作层水稳性团聚体量显著低于犁底层，河积物和湖积物发育的水稻土耕作层水稳性团聚体量高于犁底层，但河积物发育的水稻土耕作层和犁底层水稳性团聚体差异不显著，而湖积物发育的水稻土耕作层和犁底层水稳性团聚体的差异显著（数据未列）。同时，同一土层不同母质类型的水稻土经NaOH 溶液分散处理后，水稳性团聚体量差异显著，对于耕作层而言，酸性结晶岩类风化物发育的水稻土水稳性团聚体量最高，其次为石英岩类风化物和湖积物发育的水稻土。

与无水乙醇和NaOH 溶液缓慢浸润土样处理不同的是，采用Na2CO3溶液作为分散液，6 种母质发育的水稻土耕作层水稳性团聚体量均显著高于犁底层的，耕作层水稳性团聚体量与犁底层水稳性团聚体量的比值变化范围为1.11～2.36，平均为1.62。同一土层不同母质发育的水稻土经Na2CO3溶液缓慢浸润后 的水稳性团聚体量差异显著，耕作层土壤水稳性团聚体量呈石英岩类风化物（62.90%）＞酸性结晶岩类风化物（59.80%）＞湖积物（54.03%）＞河积物（44.23%）＞第四纪红黏土（36.03%）＞泥质岩类风化物（29.20%）。

与Na2CO3溶液对土样进行预处理相类似，采用NaCl 溶液作为分散液，6 种母质发育的水稻土耕作层水稳性团聚体量也均显著高于犁底层，耕作层水稳性团聚体量与犁底层水稳性团聚体量的比值变化范围为1.41～3.13，平均为2.04。6 种母质的水稻土耕作层土样经NaCl 溶液浸润后的水稳性团聚体量差异显著，耕作层土壤水稳性团聚体量呈石英岩类风化物（57.67%）＞酸性结晶岩类风化物（57.20%）＞湖积物（53.23%）＞河积物（35.90%）＞第四纪红黏土（28.43%）＞泥质岩类风化物（27.43%）。

2.3 分散液处理对土壤水稳定性的影响及相关性分析

对比图1 和表3 可知，用无水酒精缓慢浸润土样得到的＞0.25 mm 水稳性团聚体量显著高于超纯水处理。6 种母质类型的水稻土土样分别采用无水酒精和超纯水对土样进行缓慢浸润得到的＞0.25 mm 水稳性团聚体量的比值变化范围为1.39～4.58，平均为2.66。其中，耕作层土壤二者的比值变化范围为1.39～3.45，平均为2.09；犁底层土壤二者比值的变化区间为2.37～4.58，平均为3.22。同一母质发育的水稻土耕作层土壤分别采用无水酒精和超纯水对土样进行缓慢浸润得到的＞0.25 mm 水稳性团聚体量的比值均显著小于犁底层。无水酒精对土壤团聚体分散有较强的抑制作用，其原因是无水酒精是一种有机质溶液，会使土壤团聚体趋向形成更大的团聚体，同时其能够驱赶土壤结构孔隙中的空气，降低土壤浸润过程中封闭在孔隙中的空气的爆破压力，增大了团聚体的稳定性。耕作层土壤有机质量高于犁底层土壤，黏粒量低于犁底层，有机质对团聚体稳定性的增强作用和黏粒的消散作用导致水稻土耕作层土样在纯水缓慢浸润后的土壤团聚体量显著高于犁底层，而经无水酒精浸润处理后二者差异较小，所以虽然耕作层土壤经无水酒精分散处理后，水稳定性团聚体量相比于超纯水处理有一定的增大，但增幅没有犁底层土壤明显。

采用NaOH 溶液和超纯水对土样进行浸润得到的＞0.25 mm 水稳性团聚体量的比值变化范围为0.14～0.71，平均为0.32。其中，耕作层土壤二者的比值变化范围为0.14～0.33，平均为0.21；犁底层土壤二者比值的变化区间为0.16～0.71，平均为0.42。采用NaOH 溶液作为分散液，土壤中的水稳性团聚体量相对于超纯水显著降低。氢氧化钠溶液会溶解土壤中强聚集有机质，此外土壤黏粒是土壤团聚体的胶结剂之一，溶液中的Na+会引起其膨胀或分散，从而起到分散土壤团聚体的效果［17］。

采用Na2CO3溶液与采用超纯水对土样进行浸润得到的＞0.25 mm 水稳性团聚体量的比值变化范围为0.98～1.21，平均为1.06。其中，耕作层土壤二者的比值变化范围为0.98～1.21，平均为1.05；犁底层土壤二者比值的变化区间为0.98～1.17，平均为1.07。虽然阳离子相同，但是Na2CO3溶液对土壤团聚体的分散作用显著低于NaOH 溶液，这主要是由于 Na2CO3会与土壤中的Ga2+、Mg2+离子发生反应，产生钙镁碳酸盐，钙镁碳酸盐也是一种重要的土壤团聚体胶结剂,碳酸钙在土壤团聚形成的早期阶段絮凝黏土颗粒，然后被大量的氧化铁封闭成团聚体［12］，其对土壤团聚体稳定性的增强作用在一定程度上抵消了Na+离子对团聚体的分散作用。

采用NaCl 溶液与采用超纯水对土样进行浸润得到的＞0.25 mm 水稳性团聚体量的比值变化范围为0.64～1.14，平均为0.86。其中，耕作层土壤二者的比值变化范围为0.83～1.14，平均为0.94；犁底层土壤二者比值的变化区间为0.64～0.90，平均为0.77。与用超纯水浸润处理相比，采用 NaCl溶液作为分散液，除泥质岩类风化物发育的水稻土耕作层水稳性团聚体量显著增大外，其他土样的水稳性团聚体量均有不同程度的降低。NaCl 溶液对土壤团聚体的分散作用主要源于Na+对土壤团聚体的分散。

对耕作层土壤在不同分散液中的水稳性团聚体量与土壤有机质量进行相关性分析，超纯水、NaOH 溶液、Na2CO3溶液、NaCl 溶液作分散液时，＞0.25 mm 水稳性团聚体量与耕作层土壤有机质量均呈极显著正相关（数据未列）。不区分土层时除了NaOH 溶液，其他分散液水稳性团聚体量均与土壤有机质量呈极显著正相关。

同一母质发育的水稻土经超纯水缓慢浸润处理后，耕作层的＞0.25 mm 水稳性团聚体量显著高于犁底层的；同一土层不同母质发育的水稻土＞0.25 mm 水稳性团聚体量也存在显著差异，耕作层土壤的＞0.25 mm 水稳性团聚体量，呈石英岩类风化物＞酸性结晶岩类风化物＞湖积物＞河积物＞第四纪红黏土＞泥质岩类风化物。除了湖积物发育的水稻土外，其余母质发育的水稻土犁底层土壤＞0.25 mm 水稳性团聚体量的变化规律基本和耕作层土壤一致。

同一土样的团聚体水稳定性对不同的分散液的响应情况不同，4 种分散液对土壤团聚体水稳定性的影响程度从＞0.25 mm 水稳性团聚体量来看，基本呈无水酒精＞ Na2CO3溶液＞NaCl 溶液＞NaOH 溶液。无水酒精显著增加了土样＞0.25 mm水稳性团聚体量。NaOH 溶液显著减少了＞0.25 mm水稳性团聚体量。

土壤不同理化性质之间的相关系数见表4。不同分散液影响下土壤团聚体量与土壤各理化性质的相关系数见表5。

表4 土壤不同理化性质相关系数Table 4 Correlation coefficients of different physical and chemical properties of soil

表5 不同分散液影响下水稳性团聚体量与土壤理化性质的相关系数Table 5 Correlation coefficients between water stable aggregate contents and soil physical and chemical properties under the influence of different dispersions

3 讨论

土壤有机质和黏粒是土壤团聚体的重要胶结剂［18-19］。土壤中有机质一般以腐殖酸和腐殖酸盐的形式存在腐殖质表面的官能团与土壤表面的金属阳离子作用形成有机无机复合体，从而对土壤中的其他土壤颗粒产生粘结作用，形成稳定团聚体；另一方面有机质通过在土壤周围形成疏水基团减缓水分浸润团聚体的速率，从而提高团聚体稳定性［19］。黏粒之间的相互作用也是导致土壤聚集的主要原因之一，土壤矿物成分的差异会影响黏土的物理化学分散和团聚体的物理崩解，不同类型的土壤黏粒形成的团聚体稳定性不同，含有蒙脱石的土壤的物理化学分散和团聚体的物理崩解程度大于不含蒙脱石的土壤［18］。有机质和黏粒均能增强土壤团聚体稳定性，但在本实验中水稻土水稳性团聚体量仅与土壤有机质量极显著正相关，与土壤黏粒量无显著相关关系。可能是因为虽然土壤黏粒能增强土壤团聚体的稳定性，但不同矿物组成的土壤黏粒对土壤水稳性的影响不一，浸润过程中土壤黏粒中的蒙脱石遇水会膨胀，对土壤团聚体稳定产生负面影响［18］，土壤浸润过程中的消散作用随黏粒量的增加而增强［20-21］，这种消散作用掩盖了黏粒对土壤团聚体稳定性的增强作用。

胡国成等［22］经过研究发现强酸和强碱环境均会显著降低水稳性团聚体含量。本试验中NaOH 溶液作分散液会造成红壤性水稻土水稳性团聚体量显著下降，这一结果与的胡国成等的研究结果一致。Na+是高强度的分散剂，土壤溶液中及可交换点位的可交换性Na+会形成排斥电荷，导致土粒分散从而促进团聚体的破坏［17］。NaCl溶液作分散液除了使石灰岩耕作层土样的水稳定性团聚体量略有增加外，使其他土样水稳性团聚体量均有不同程度降低，验证了 Na+对土壤团聚体具有分散作用。Na2CO3溶液作分散液对不同母质发育的水稻土影响不一，是Na+对水稳性团聚体的分散作用［17］和CO32-对土壤颗粒的絮凝作用［19］综合作用的结果。红壤区水稻土耕作层土壤在超纯水、NaOH 溶液、Na2CO3溶液和NaCl 溶液中的水稳性团聚体量均与土壤有机质量呈显著正相关关系，这一结果与魏朝富等［23］、章明奎等［24］、刘晶等［25］、于海艳等［26］的研究结果一致。

4 结论

（1）南方红壤区耕作层不同母质发育的水稻土团聚体稳定性差异较大。不同母质耕作层土壤团聚体稳定性由强到弱依次为石英岩类风化物、酸性结晶岩类风化物、湖积物、河积物、第四纪红黏土、泥质岩类风化物。泥质岩类风化物发育的水稻土水稳性最差，土体抗蚀性最弱，因此在该水稻土分布区域进行农业生产时应当注意采取预防性措施，以减少该区域的土壤流失。

（2）相同母质在超纯水、Na2CO3溶液、NaCl 溶液中耕作层水稻土水稳性均显著高于犁底层水稻土，说明耕作层水稻土经过多年耕作，土壤熟化程度较犁底层更高，土壤团聚体水稳性较强，土壤抗蚀性较强。

（3）无水乙醇中土壤水稳性团聚体含量明显增加，且在各分散液中水稳性团聚体量均与有机质量显著正相关，说明有机质能够提高土壤团聚体水稳性，增强土壤抗蚀性。NaOH 溶液做分散液时水稻土样本水稳性均显著降低，说明强碱环境会破坏水稻土的团粒结构，削弱土壤抗蚀性。