引言
土壤粘粒矿物由土壤风化和成土过程中原生矿物所形成,与土壤性质联系紧密,可根据粘粒矿物的组成特征推断其形成历史。在不同土地利用方式下,土壤粘粒矿物易发生改变,进而影响土壤理化性质,对土壤肥力的培育具有重要意义。近年来粘粒矿物研究在土壤肥力分析领域受到国内外学者广泛重视。X射线衍射(XRD)光谱分析作为粘粒矿物研究的有效手段,具有测量精度高且不损伤样品等优点,得到日益广泛的应用。
已有研究表明,不同水旱利用方式下土壤粘粒矿物风化、结晶度等特征存在较大差异,研究土壤粘粒矿物组成有助于了解土壤吸收及保水保肥性能。吉林地区盐碱土普遍具有水资源丰富但碱性高、作物难以生长的特点,以其为研究对象,通过分析不同水旱利用方式下其颗粒组成及粘粒矿物差异特征,探索水旱利用对粘粒矿物组成及演化规律,以期为合理分配土地利用方式,有效提高盐碱地改良效果提供理论依据与技术支撑。
1、实验部分
1.1研究区概况
研究区域为吉林省松原市前郭县套浩太乡碱巴拉村长期定位试验基地。该区地势平坦,地下水丰富,气候干燥,蒸发大于降水,土壤淋溶作用弱,为典型碱性苏打盐碱区。由于过垦、过牧、过伐等原因,土壤沙碱化严重,表土pH值在8.5~9.5之间,阳离子交换量大,保肥能力弱。主要利用方式为旱作改良和地下水灌溉水田改良。
1.2土壤样品采集
于2008年9月采集不同利用方式下(旱田3年、水田3年、10年、20年、30年、40年6个处理)耕层(0~20cm)土壤样品,经风干、研磨过筛后备用。
1.3测定方法
基础理化性质采用常规方法测定:土壤有机质采用重铬酸钾法;pH值采用酸度计法;碱解氮采用碱解扩散法;速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法;速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度计法测定;阳离子交换量采用乙酸铵法测定。
粘粒的分离与提取:采用吸管法和筛分法测定,称取30g风干土壤样品,经30%过氧化氢去除有机质及稀盐酸脱钙处理,经超声波分散处理后(150 W,3min),用筛分法分离出大于200μm粗砂,按司笃克斯定律,用虹吸法在规定时间内分别吸取小于2μm粘粒和2~20μm粉粒,重复提取,直至悬液中不含小于2μm粘粒和2~20μm粉粒为止,再分离出20~200μm的细砂,对各粒级经沉淀、离心及烘干后称重,计算出各粒径组分的百分含量,土壤质地分类采用国际制分类法。
粘粒的X射线衍射分析:经DCB法脱铁处理后,制成钾镁饱和定向试样,风干后用X射线衍射仪(XRD-7000)扫描3°~30°(CuKα辐射、Ni滤波器、管压40kV、管流30mA、步长0.06°),钾饱和定向试样经马弗炉300和550℃(2h)处理后扫描3~30°,镁饱和定向试样进行甘油饱和处理后扫描3°~30°。
1.4数据计算及统计分析方法使用
SAS(SAS Institute,2001)进行数理统计分析,使用LSD检验(p<0.05)分析显著性差异,用Excel.Origin和MDI Jade 5.0软件进行绘图。
2、结果与讨论
2.1水旱利用方式对土壤理化特性的影响
由表1可知,盐碱土在不同利用方式下,其理化性质存在差异。水田改良利用相比旱田而言,有机质、CEC、速效钾、速效磷分别提高了68.20%,17.01%,8.87%,5.18%,而pH值降低了4.95%,表明水田利用较旱田利用可较好改善盐碱土理化性质,使之适于作物生长。
对于水田改良而言,随着利用时间延长,土壤的pH值和CEC逐渐降低,速效钾和有机质含量呈上升的趋势,表明盐碱土经水田利用后,其土壤矿物可以提供更多的阳离子交换位,土壤有机质的积累,促进了土壤矿物颗粒的复合团聚,并占据了矿物颗粒的阳离子交换位,使得CEC含量降低,从而降低土壤pH值,并增强土壤颗粒沉降,达到持续改良土壤结构的效果。
2.2水旱利用方式对土壤颗粒组成的影响研究
土壤颗粒组成对土壤性质起到重要的作用,不同利用方式下(图1),粘粒和粗砂含量变化不显著,而粉粒和细砂含量相对变化程度较大。粉粒含量呈现水田40年>30年>20年>10年>水田3年>旱田3年的趋势,而细砂则趋势相反,说明水田利用的盐碱土处于物理风化阶段,并随利用时间的增加,风化强度增强,粉粒含量提升,这有利于盐碱土的结构改善,同时也可促使其盐分向地下淋溶,抑制向上返盐,从而达到降盐目的。
2.3应用XRD光谱研究土壤粘粒矿物演化特性
经XRD分析(图2),从Mg-N片图谱看,峰位主要出现在1.42,1.01,0.72,0.50,0.427,0.355,0.334nm左右,说明可能存在云母、蒙脱石、蛭石、绿泥石、高岭石、伊利石、石英等。为了更清晰、准确的分析图谱,将土壤和沉积物中粘粒矿物XRD特征峰列于表2中。经图2与表2综合分析,证明不同利用方式下盐碱土的粘粒矿物组成大致相同,但衍射峰的强度及峰位略有差异。土壤粘粒矿物组成以伊利石和蒙脱石为主,含有一定数量的蛭石和高岭石,少量石英和绿泥石,这与赵兰坡等研究结果较一致。
过渡矿物对利用方式的变化较为敏感且一般较难判断,我们应用MDI Jade5.0软件对盐碱土粘粒矿物的XRD图谱中2θ在2°~10°范围进行拟合分析(图3),从K饱和自然风干处理(K-Air)的1.11nm与K-550中的1.15nm衍射峰看,说明含有一类羟基化“类绿泥石”矿物。在镁饱和自然风干(Mg-Air)XRD衍射结果看,1.40nm衍射峰增强,1.00nm衍射峰收缩,在1.16~1.03nm出现较宽的弱峰,说明含有较少量蒙脱石的I/S不规则混层矿物,经甘油处理(Mg-Gly)后,>1.41nm衍射峰XRD图谱上扬,1.41和1.00nm衍射峰收缩。
1.16~1.03nm处的衍射峰,前移并增强,说明含有一些蒙脱石和I/S混层矿物发生膨胀,衍射峰前移使>1.41和1.16~1.03nm的衍射峰增强。
衍射峰强度可知,盐碱土水田利用粘粒矿物经K-550处理和K-300处理的XRD图谱中,有1.41nm的衍射峰存在,并且随水田利用时间的增加,峰强减弱,表明盐碱土中绿泥石受到一定程度的风化,以致含量降低,说明盐碱土水田利用后,土壤pH值下降,绿泥石稳定性也降低,导致其抗风化能力降低。但在K-550和K-300图中水田利用30年和40年处理的XRD图谱在1.21nm均有一定强度衍射峰出现,按照熊毅研究结论,可能为羟基化蛭石。这主要是土壤Na+和K+等碱性离子大量淋失,Al3+,Fe3+,Mg2+被大量的溶出,游离的水铝片和水镁片在水旱交替的条件下会嵌入到矿物层间,形成了羟基化(类绿泥石)矿物,会在1.0~1.5nm之间出现不同强度的特征衍射峰。
Mg-Air的XRD图谱在1.41nm处的衍射峰在K-Air中发生明显收缩,但仍有一定强度衍射峰存在,表明含有一定量的蛭石,并随水田利用时间的增加,1.41nm衍射峰的强度呈增加趋势,说明水田利用方式会促进盐碱土中蛭石的形成。在K-Air的XRD图谱出现1.17nm衍射峰在K-300和K-550发生收缩,表明还有部分的蒙脱石和I/S混层矿物也被一定程度羟基化。这在利用30年和40年水田粘粒矿物Mg-Air和Mg-Gly的XRD图谱中均有体现,在1.16~1.03nm处出现较强的衍射峰。
2.4水旱利用对盐碱土的粘粒矿物组成含量的影响
为了更好地说明利用方式对盐碱土粘粒矿物组成特征的影响,对粘粒矿物组成进行了半定量计算。从表3可见,旱田利用方式下伊利石含量相对较高;水田利用方式下,伊利石、蛭石、高岭石含量均随利用时间的增加呈先增加后趋缓的趋势,而伊利石结晶度、S/I混层及绿泥石含量呈减少的趋势。
盐碱土水田利用方式下,表层盐基离子浓度降低,使云母类矿物层间离子溶出,形成较多结构相对稳定的伊利石,但其结晶程度随水田利用时间增加而减小。而此时伊利石化学指数计算结果主要来自于易于风化的黑云母。
S/I混层矿物由于其结构不稳定,其间层离子易被交换,导致其含量减少,并且随利用时间的增加,其差异增大,伴随S/I混层矿物风化和间层离子的淋失,演化为蛭石和高岭石。由于盐碱土在淹水条件下,溶出的离子多为Al3+,Fe3+,Mg2+等,并形成羟基铝、羟基铁等物质,嵌入蛭石间层,蛭石发生了绿泥石化现象,形成羟基化蛭石或者类绿泥石化粘粒矿物。旱田利用方式下盐碱土粘粒矿物的风化程度相对较弱,粘粒矿物演化过程主要为S/I混层矿物→蛭石,而水田利用方式下风化程度较强,随着利用时间的增加,粘粒矿物演化过程主要为黑云母→伊利石和S/I混层矿物→蛭石→高岭石。
3、结论
(1)水田利用下盐碱土的各项理化性质均优于旱田,从而促进土壤矿物颗粒的复合团聚,改善土壤结构。水田利用的时间越长,盐碱土粉粒含量越高,降盐改土的效果越好。
(2)XRD光谱分析表明:供试盐碱土的粘粒矿物组成以伊利石和蒙脱石为主,含有一定数量的蛭石和高岭石。其中旱田利用方式下伊利石含量相对较高,水田利用方式下伊利石含量均随利用时间先增加后趋缓。不同利用方式及利用时间下,盐碱土的粘粒矿物衍射峰的强度及峰位略有差异。
(3)旱田利用方式下盐碱土粘粒矿物的风化程度较弱,粘粒矿物的水化程度较深,粘粒矿物演化过程主要为S/I混层矿物→蛭石。而水田利用方式下风化程度较强,脱钾过程强烈,粘粒矿物的水化程度较高,演化过程主要为黑云母→伊利石和S/I混层矿物→蛭石→高岭石。
