论文部分内容阅读
良好的土壤结构是维持土壤肥力和生态环境功能的重要基础，深入研究有机质与土壤结构的形成和稳定的关系，对秸秆等有机物料的科学合理利用和土壤地力的提升，以及在防治土壤侵蚀和农业面源污染等方面都具有重要意义。当前，多级团聚理论与包含消散作用、非均匀膨胀作用、雨滴机械破碎作用和物理化学分散作用的团聚体破碎四机制是人们所普遍接受的关于土壤结构形成和稳定的理论学说。然而，多级团聚结构模型并不具有绝对的普适性。虽然人们更容易在温带恒电荷土壤，而不是热带、亚热带可变电荷土壤中发现多级团聚现象，但也有不少相反的研究结果报道。这表明人们对土壤结构形成机制的认识尚不完全明确。另一方面，近年来的研究表明，上述的团聚体破碎四机制可能并不是土壤团聚体破碎分散最本质的内在机制，相反，土壤颗粒间静电斥力、水合斥力和范德华引力的相互作用则可能才是团聚体破碎的首要原因。然而，近期的这些研究没有考虑秸秆等有机物质对颗粒间相互作用力和团聚体稳定性的影响;所取得的研究结果也主要是以温带恒电荷土壤为研究对象而取得的;同时没有对颗粒间相互作用力与土壤结构中更为重要的土壤孔隙结构的关系进行直接和定量的研究。
为此，本文开展了以下5个方面的研究:(1)通过向去除了大团聚体的土壤中添加或不添加13C标记水稻秸秆的短期室内培养实验（120天），研究了多级团聚结构在两种恒电荷土壤（潮土和砂姜黑土）与一种可变电荷土壤（红壤）中的呈现状况;(2)通过测定和计算去除土壤有机质(SOM)或添加秸秆培养240天前后，潮土的表面电荷性质、颗粒间相互作用力和不同浓度KCl溶液条件下的团聚体破碎分散强度(ABS)，分析了SOM与颗粒间相互作用力对恒电荷土壤团聚体稳定性影响的耦合效应;(3)通过测定、计算和比较去除SOM或添加秸秆培养240天前后，红壤和砂姜黑土的表面电荷性质、颗粒间相互作用力和ABS，探讨了SOM与颗粒间相互作用力在可变电荷土壤团聚体稳定性中的重要作用;(4)采用计算机断层扫描技术(CT)（分辨率为12μm）测定了不同土壤颗粒表面电场强度条件下（乙醇或不同浓度KCl溶液），潮土团聚体填充土柱的二维和三维团聚体和孔隙结构状况，定量研究了颗粒间相互作用力与恒电荷土壤孔隙结构稳定性的关系;(5)采用CT技术测定了去除SOM或添加秸秆培养240天前后，不同土壤颗粒表面电场强度条件下（不同浓度KCl溶液），红壤和砂姜黑土团聚体填充土柱的二维和三维团聚体和孔隙结构状况，分析和比较了SOM在恒电荷与可变电荷土壤孔隙结构稳定性中的作用。本研究所取得的主要结果如下:
(1)经过120天的培养，红壤、砂姜黑土和潮土的对照与秸秆培养处理都形成了大量的＞0.25 mm的大团聚体。添加秸秆都能显著提高3种土壤大团聚体的数量、呼吸速率和微生物量，并且相对于培养后期（60和120天），秸秆的提高作用在培养前期（2和15天）更大。在培养前期，添加了秸秆的3种土壤大团聚体的土壤有机碳(SOC)和13C含量都能高于它们的微团聚体(0.053-0.25mm)和粉粘粒级(＜0.053 mm)。然而在培养后期，3种土壤中只有砂姜黑土大团聚体的SOC含量仍能略高于其＜0.25 mm的两粒级团聚体。尽管微生物群落结构各不相同，在培养前期，3种土壤的团聚作用都与微生物量和活性显著正相关。结果表明，一个土壤能否呈现多级团聚结构实际上取决于土壤团聚过程中有机和无机胶结剂或生物与非生物过程的相对重要性。只要向土壤输入足够量的新鲜有机物料，恒电荷与可变电荷土壤都能呈现出多级团聚结构。
(2)经过SOM去除处理后，潮土的SOC含量降低了67％，同时其比表面积、表面电荷数量和有效Hamaker常数也分别由62.4 m2 g-1、19.20 cmolc kg-1和7.55×10-20J下降到了49.9 m2 g-1和17.48 cmolc kg-1和5.46×10-20J，而表面电荷密度则由从0.299增大至了0.341 C m-2。从而削弱了潮土团聚体中颗粒间的范德华引力，增强了静电斥力和扩展DLVO净排斥力（静电斥力+范德华引力+水合斥力）。添加秸秆培养240天则对潮土的SOC和表面参数，以及颗粒间的范德华引力、静电斥力和扩展DLVO净排斥力具有相反的效应。不同处理潮土的ABS会随着颗粒间静电斥力的增强而迅速增大。在相同的KCl溶液浓度条件下，与对照相比，去除SOM能显著增强潮土的ABS，而添加秸秆培养240天则能降低潮土的ABS。结果表明，恒电荷土壤团聚体的稳定性强烈地受颗粒间相互作用力的影响，而SOM可通过有机无机复合作用，增强团聚体中颗粒间的范德华引力，降低静电斥力和扩展DLVO净排斥力，从而增强土壤团聚体的稳定性。
(3)红壤和砂姜黑土的ABS都随扩展DLVO净排斥力的增强而呈指数性增大的趋势。然而，不同于砂姜黑土，不同处理红壤的ABS在高于10-2 mol L-1时，几乎不随KCl浓度的降低而变化，但当低于该浓度值时，则会随浓度的降低而持续大幅增大。此外，与去有机质处理和砂姜黑土相比，即使KCl溶液由10-1降低至10-5 mol L-1，红壤对照和秸秆培养处理的ABS也仅略有增加。当考虑了不同浓度KCl溶液的pH对红壤表面电荷性质的影响后，不同处理红壤颗粒间的静电斥力都将呈现出持续大幅增大的趋势;而考虑了SOM与Fe/Al氧化物之间的反号双电层重叠作用对红壤表面电荷性质的影响后，红壤对照和秸秆培养处理的颗粒间静电斥力都将被极大地削弱。结果表明，恒电荷与可变电荷土壤团聚体的稳定性本质上都取决于颗粒间的相互作用力，但对于可变电荷土壤，除了有机无机复合作用外，还必须考虑土壤溶液pH和SOM与Fe/Al氧化物间反号双电层重叠作用对颗粒间静电斥力的影响。本部分研究还表明SOM在可变电荷土壤团聚体的稳定性中可以起着比在恒电荷土壤中更为重要的作用。
(4)潮土团聚体填充土柱用纯乙醇饱和前后的孔隙状况没有显著变化。相反，用10-1 mol L-1的KCl溶液饱和土柱后，土壤的总孔隙度、水力半径、平均孔隙长度和连通密度分别显著降低了50.5％、23.9％、79.9％和51.6％，而孔隙数量则显著增大了2.8倍。且随着KCl溶液浓度的降低，土壤的总孔隙度、水力半径、平均孔隙长度和连通密度基本都呈现出显著降低的趋势。然而，当KCl浓度降低至10-3 mol L-1时，潮土的上述孔隙参数都不再有显著性变化。相关分析表明，潮土填充土柱的连通孔隙的孔隙度与扩展DLVO排斥压强（PE-DLVO）显著负相关，并随PE-DLVO的增强而呈指数性下降的趋势。结果表明，消散作用不是恒电荷土壤孔隙结构破坏的主要机制，相反，恒电荷土壤孔隙结构的稳定性实际上应当取决于颗粒间静电斥力、水合斥力和范德华引力的相互作用。
(5)用10-1 mol L-1的KCl溶液饱和土柱后，不同处理红壤和砂姜黑土的孔隙度、孔隙连通性都显著降低了。且随着KCl浓度的降低，不同处理砂姜黑土和红壤的总孔隙度、孔隙比表面积、平均孔隙长度和连通密度等孔隙参数都呈现出了降低的趋势。在相同KCl浓度条件下，不同处理砂姜黑土和红壤上述孔隙参数的高低顺序都为:去有机质处理＜对照处理＜秸秆培养处理，其中去除SOM对红壤孔隙参数的影响远大于砂姜黑土。比如，去除SOM仅仅使砂姜黑土的连通密度降低了47.2％，但去除SOM使红壤的连通密度降低了86.4％。随着KCl浓度的降低，红壤对照和秸秆培养处理的孔隙状况变化较小，仍能保持较高的孔隙度。相关分析表明，红壤和砂姜黑土连通孔隙的孔隙度都随PE-DLVO的增强而呈指数性下降的趋势。结果表明，恒电荷与可变电荷土壤孔隙结构的稳定性都受颗粒间作用力的控制，而SOM可通过有机无机复合作用，降低颗粒间的净排斥力，从而增强土壤孔隙结构的稳定性。对于可变电荷土壤，SOM则还能通过与Fe/Al氧化物间的反号双电层重叠作用而进一步的增强土壤孔隙结构的稳定性。
为此，本文开展了以下5个方面的研究:(1)通过向去除了大团聚体的土壤中添加或不添加13C标记水稻秸秆的短期室内培养实验（120天），研究了多级团聚结构在两种恒电荷土壤（潮土和砂姜黑土）与一种可变电荷土壤（红壤）中的呈现状况;(2)通过测定和计算去除土壤有机质(SOM)或添加秸秆培养240天前后，潮土的表面电荷性质、颗粒间相互作用力和不同浓度KCl溶液条件下的团聚体破碎分散强度(ABS)，分析了SOM与颗粒间相互作用力对恒电荷土壤团聚体稳定性影响的耦合效应;(3)通过测定、计算和比较去除SOM或添加秸秆培养240天前后，红壤和砂姜黑土的表面电荷性质、颗粒间相互作用力和ABS，探讨了SOM与颗粒间相互作用力在可变电荷土壤团聚体稳定性中的重要作用;(4)采用计算机断层扫描技术(CT)（分辨率为12μm）测定了不同土壤颗粒表面电场强度条件下（乙醇或不同浓度KCl溶液），潮土团聚体填充土柱的二维和三维团聚体和孔隙结构状况，定量研究了颗粒间相互作用力与恒电荷土壤孔隙结构稳定性的关系;(5)采用CT技术测定了去除SOM或添加秸秆培养240天前后，不同土壤颗粒表面电场强度条件下（不同浓度KCl溶液），红壤和砂姜黑土团聚体填充土柱的二维和三维团聚体和孔隙结构状况，分析和比较了SOM在恒电荷与可变电荷土壤孔隙结构稳定性中的作用。本研究所取得的主要结果如下:
(1)经过120天的培养，红壤、砂姜黑土和潮土的对照与秸秆培养处理都形成了大量的＞0.25 mm的大团聚体。添加秸秆都能显著提高3种土壤大团聚体的数量、呼吸速率和微生物量，并且相对于培养后期（60和120天），秸秆的提高作用在培养前期（2和15天）更大。在培养前期，添加了秸秆的3种土壤大团聚体的土壤有机碳(SOC)和13C含量都能高于它们的微团聚体(0.053-0.25mm)和粉粘粒级(＜0.053 mm)。然而在培养后期，3种土壤中只有砂姜黑土大团聚体的SOC含量仍能略高于其＜0.25 mm的两粒级团聚体。尽管微生物群落结构各不相同，在培养前期，3种土壤的团聚作用都与微生物量和活性显著正相关。结果表明，一个土壤能否呈现多级团聚结构实际上取决于土壤团聚过程中有机和无机胶结剂或生物与非生物过程的相对重要性。只要向土壤输入足够量的新鲜有机物料，恒电荷与可变电荷土壤都能呈现出多级团聚结构。
(2)经过SOM去除处理后，潮土的SOC含量降低了67％，同时其比表面积、表面电荷数量和有效Hamaker常数也分别由62.4 m2 g-1、19.20 cmolc kg-1和7.55×10-20J下降到了49.9 m2 g-1和17.48 cmolc kg-1和5.46×10-20J，而表面电荷密度则由从0.299增大至了0.341 C m-2。从而削弱了潮土团聚体中颗粒间的范德华引力，增强了静电斥力和扩展DLVO净排斥力（静电斥力+范德华引力+水合斥力）。添加秸秆培养240天则对潮土的SOC和表面参数，以及颗粒间的范德华引力、静电斥力和扩展DLVO净排斥力具有相反的效应。不同处理潮土的ABS会随着颗粒间静电斥力的增强而迅速增大。在相同的KCl溶液浓度条件下，与对照相比，去除SOM能显著增强潮土的ABS，而添加秸秆培养240天则能降低潮土的ABS。结果表明，恒电荷土壤团聚体的稳定性强烈地受颗粒间相互作用力的影响，而SOM可通过有机无机复合作用，增强团聚体中颗粒间的范德华引力，降低静电斥力和扩展DLVO净排斥力，从而增强土壤团聚体的稳定性。
(3)红壤和砂姜黑土的ABS都随扩展DLVO净排斥力的增强而呈指数性增大的趋势。然而，不同于砂姜黑土，不同处理红壤的ABS在高于10-2 mol L-1时，几乎不随KCl浓度的降低而变化，但当低于该浓度值时，则会随浓度的降低而持续大幅增大。此外，与去有机质处理和砂姜黑土相比，即使KCl溶液由10-1降低至10-5 mol L-1，红壤对照和秸秆培养处理的ABS也仅略有增加。当考虑了不同浓度KCl溶液的pH对红壤表面电荷性质的影响后，不同处理红壤颗粒间的静电斥力都将呈现出持续大幅增大的趋势;而考虑了SOM与Fe/Al氧化物之间的反号双电层重叠作用对红壤表面电荷性质的影响后，红壤对照和秸秆培养处理的颗粒间静电斥力都将被极大地削弱。结果表明，恒电荷与可变电荷土壤团聚体的稳定性本质上都取决于颗粒间的相互作用力，但对于可变电荷土壤，除了有机无机复合作用外，还必须考虑土壤溶液pH和SOM与Fe/Al氧化物间反号双电层重叠作用对颗粒间静电斥力的影响。本部分研究还表明SOM在可变电荷土壤团聚体的稳定性中可以起着比在恒电荷土壤中更为重要的作用。
(4)潮土团聚体填充土柱用纯乙醇饱和前后的孔隙状况没有显著变化。相反，用10-1 mol L-1的KCl溶液饱和土柱后，土壤的总孔隙度、水力半径、平均孔隙长度和连通密度分别显著降低了50.5％、23.9％、79.9％和51.6％，而孔隙数量则显著增大了2.8倍。且随着KCl溶液浓度的降低，土壤的总孔隙度、水力半径、平均孔隙长度和连通密度基本都呈现出显著降低的趋势。然而，当KCl浓度降低至10-3 mol L-1时，潮土的上述孔隙参数都不再有显著性变化。相关分析表明，潮土填充土柱的连通孔隙的孔隙度与扩展DLVO排斥压强（PE-DLVO）显著负相关，并随PE-DLVO的增强而呈指数性下降的趋势。结果表明，消散作用不是恒电荷土壤孔隙结构破坏的主要机制，相反，恒电荷土壤孔隙结构的稳定性实际上应当取决于颗粒间静电斥力、水合斥力和范德华引力的相互作用。
(5)用10-1 mol L-1的KCl溶液饱和土柱后，不同处理红壤和砂姜黑土的孔隙度、孔隙连通性都显著降低了。且随着KCl浓度的降低，不同处理砂姜黑土和红壤的总孔隙度、孔隙比表面积、平均孔隙长度和连通密度等孔隙参数都呈现出了降低的趋势。在相同KCl浓度条件下，不同处理砂姜黑土和红壤上述孔隙参数的高低顺序都为:去有机质处理＜对照处理＜秸秆培养处理，其中去除SOM对红壤孔隙参数的影响远大于砂姜黑土。比如，去除SOM仅仅使砂姜黑土的连通密度降低了47.2％，但去除SOM使红壤的连通密度降低了86.4％。随着KCl浓度的降低，红壤对照和秸秆培养处理的孔隙状况变化较小，仍能保持较高的孔隙度。相关分析表明，红壤和砂姜黑土连通孔隙的孔隙度都随PE-DLVO的增强而呈指数性下降的趋势。结果表明，恒电荷与可变电荷土壤孔隙结构的稳定性都受颗粒间作用力的控制，而SOM可通过有机无机复合作用，降低颗粒间的净排斥力，从而增强土壤孔隙结构的稳定性。对于可变电荷土壤，SOM则还能通过与Fe/Al氧化物间的反号双电层重叠作用而进一步的增强土壤孔隙结构的稳定性。