胶东半岛棕壤酸化过程中黏土矿物演变和碳组分特征研究

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土壤酸化是一种重要的土壤退化表现形式,严重制约着农业生产的可持续发展。土壤的自然酸化过程比较缓慢,但近几十年来由于高强度人为活动的影响,加速了土壤酸化的进程,对生态环境和农业生产造成严重危害。酸化问题在我国南方热带和亚热带地区尤为突出,但北方土壤的酸化问题也不容忽视,特别是胶东半岛,上世纪80年代以中性为主的土壤,现在基本上变成酸性土壤。土壤酸化导致土壤养分失衡,重金属活性增强,作物产量降低,并威胁国家粮食安全。本研究以胶东半岛酸化棕壤为研究对象,采用X射线衍射分析技术对胶东半岛酸化棕壤黏土矿物进行分析,研究酸化棕壤黏土矿物组成及含量;分析不同酸化程度和利用方式间土壤风化因子(Sa、Saf、ba、β、μ、Feo、Fed等)的特征,探讨不同酸化程度、利用方式下棕壤风化发育度的差异;研究不同酸化程度和利用方式间土壤的有机碳组分,探求不同酸化程度、利用方式下棕壤有机碳组分特性。研究成果有利于全面解析棕壤酸化的演化规律,可为酸化土壤的治理和改良提供理论依据。主要研究结果如下:(1)胶东半岛酸化棕壤黏土矿物主要以伊利石为主,高岭石、蛭石含量次之,三者占比近90%,同时含有少量的绿泥石、石英和长石。伊利石含量与蛭石、高岭石和绿泥石含量分别呈极显著负相关;随着棕壤酸化程度的增加,胶东半岛酸化棕壤黏土矿物演化过程主要为:伊利石→蛭石,伊利石→高岭石。不同土地利用方式棕壤黏土矿物含量不同,园地高岭石含量较耕地、林地、荒地分别高57.78%、45.43%、11.31%,耕地蛭石含量较园地、林地、荒地分别高66.50%、184.51%、122.04%,土壤伊利石和高岭石、伊利石和蛭石之间存在相互转化关系,土地利用方式会影响土壤黏土矿物组成及演变。(2)酸化加速了土壤风化进程,强酸性(pH 4.5-5.5)土壤较弱酸性土壤(pH5.5-6.5)具有较强的脱硅富铝化进程,其风化淋溶作用相对更强,土壤风化发育度相对更高;其中,强酸性棕壤b层Sa值、Saf值、ba值较弱酸性棕壤b层分别降低19.88%、19.16%、17.39%,强酸性土壤β值较弱酸性土壤降低23.33%,μ值较弱酸性土壤提高22.34%。不同土地利用方式对土壤风化影响也存在差异,其中园地土壤风化强度最高,脱硅富铝化进程最快,土壤中盐基离子流失最多;园地b层Sa值较荒地、林地、耕地b层分别降低24.31%、8.38%、10.35%,园地b层Saf值较荒地、林地、耕地b层分别降低27.90%、13.13%、18.56%,园地b层ba值较荒地、林地、耕地b层分别降低15.56%、4.65%、12.24%,园地β值较林地、荒地分别降低13.93%、6.26%,园地μ值较林地、荒地均提高2.94%。(3)除矿物结合态有机碳外,强酸性棕壤(pH 4.5-5.5)各有机碳组分总体高于弱酸性棕壤(pH 5.5-6.5);其中,强酸性土壤b层、c层总有机碳含量较弱酸性土壤分别高35.19%、108.19%,颗粒有机碳含量分别高14.42%、81.82%,矿物结合态有机碳含量分别高42.61%、115.17%。不同土地利用方式土壤有机碳组分含量存在差异,土壤总有机碳、矿物结合态有机碳含量整体呈现为耕地>荒地>林地>园地,土壤颗粒有机碳含量整体呈现为荒地>耕地>林地>园地。土壤总有机碳、矿物结合态有机碳含量均与非晶质氧化铁含量存在显著正相关。
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