引言
黑土和黑钙土作为东北粮食主产区典型耕作土壤,腐殖质层深厚且自然肥力高。但近年来由于自然灾害、水土流失等因素,出现了土壤保肥保水能力变弱等问题。在土壤肥力相关因素中,粘粒矿物的研究历来受到国内外学者的重视。粘粒矿物是母质风化和成土过程的产物,与土壤性质密切相关,反映土壤风化发育程度及肥力水平。X射线衍射(XRD)分析是粘粒矿物鉴定中最为主要的手段,基于土壤粘粒具有不同晶体构造,利用XRD原理进行分析测定,具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点,近年来得到了广泛的应用。
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,但大多数对粘土矿物的研究主要集中于南方红壤等地区,对东北耕作土壤,特别是耕作黑钙土研究还鲜 有 报道。以东北粮食主产区两种典型耕作土壤为对象,研究其颗粒组成及粘粒矿物差异特征,以期为粮食区合理改土培肥提供理论依据与技术支撑。
1 实验部分
1.1 研究区概况
研究区域为吉林省四平市梨树县胜利乡、泉眼岭乡,松原市前郭县岱尹乡、套浩太乡试验基地,采样地点如图1所示。
1.2 土壤样品采集
于2010年10月采集4个土壤剖面(黑土2、黑钙土2)样品,共14个发生层次,经风干、研磨过筛后备用,基本理化性状如表1所示。【表1】
1.3 测定项目与方法
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。
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,将样品经30%过氧化氢去除有机质及稀盐酸脱钙处理,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。
XRD: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°~15°,镁 饱 和 定 向 试 样 进 行 甘 油 饱 和 处 理 后 扫 描3°~13.5°。
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)分析显着性差异,用Excel和MDIJade 5.0软件进行绘图。
2 结果与讨论
2.1 两种土壤颗粒组成特征分析
2.1.1 累积曲线特征
图2为供试土壤的颗粒累积曲线,(a)和(b)为黑土样品,(c)和(d)为黑钙土样品,由图可以看出,供试土壤颗粒组成均以砂粒为主,粘粒、粉粒次之,黑土中三种颗粒的平均含量占 比 分 别 为77.98%,9.30%,12.72%,黑 钙 土 为80.73%,10.95%,8.32%。
粘粒含量与土壤质地密切相关,供试土壤剖面粘粒含量顺序为(b)(20.76%)>(c)(16.32%)>(d)(12.18%)>(a)(8.56%),(a)中1>3>2>4,(b)中5>7>6,(c)中10>9>8>11,(d)中13>12>14。粘粒含量最多的样品(剖面(b)),质地最为粘重,从表1可以看出其为粘壤土;而粘粒含量较低的样品,粉砂的含量相对较高,为砂质壤土和砂质粘壤土(表1),这与唐炎林等人对土壤质地的研究结果相一致。
当颗粒累积率达到50%,供试土壤中央粒径分布在15~130μm,(a)在100~130μm,(b)在15~35μm,黑钙土((c)和(d))在65~100μm,除剖面(b)集中在粉粒级外,其他剖面主要集中在砂粒级,这与各剖面土壤质地不同有关;中央粒径大小顺序:(a)中1(97μm)<3(101μm)<4(108μm)<2(122μm),(b)中5(16μm)<7(20μm)<6(32μm),(c)中10(65μm)<9(73μm)<8(77μm)<11(90μm),(d)中13(71μm)<12(87μm)<14(95μm)。总体而言,除剖面(a)外,其他剖面粘粒含量顺序与中央粒径大小顺序相反,这与郑庆福、赵兰坡等的研究结果大致相同。
2.1.2 垂直分布特征
图3为供试土壤粘粒剖面分布特征曲线,两种土壤的粘粒富集情况存在差异,黑土剖面(Ⅰ和Ⅱ)粘粒在表层富集(18.82%),黑钙土剖面(Ⅲ和Ⅳ)粘粒在是钙积层(Ⅲ在层次3,Ⅳ在层次2)富集(17.41%)。【图3】
黑钙土粘粒含量呈现表层往下逐渐增加,到母质层又减少的趋势。分析其原因,黑钙土表层风化弱、降水淋溶较黑土略强,故表层粘粒含量比黑土降低了26.35%;黑钙土钙积层粘粒含量比黑土高36.98%,这与其粉砂粒级的矿物风化作用较强有关,谢萍若等对红粘土的研究也得出了类似的结论。同时,粘粒含量随着土层深度的增加而增加,可能是由于剥蚀或淋溶作用使粘粒淀积迁移,这与其土壤质地的变化情况密切相关,汪景宽在研究土壤质量演变规律中也证明了这一点。
纵观四个剖面,除泉眼岭黑土剖面(Ⅱ)外,其余剖面粘粒含量在母质层中最少。土壤深层的风化程度越高,粘化作用就会更强,泉眼岭黑土粘粒含量呈现先减少后增加的趋势,这与其在岩石风化进程中土壤质地较为均一,且土壤偏粘性有关,地势也是影响粘粒进一步向下富集的原因之一;胜利乡黑土没有更多的粘粒向下富集,可能是受到降水和地形等因素影响的缘故。
2.2 两种土壤的粘粒矿物组成及其差异分析
图4为供试土壤表层粘粒矿物XRD图谱,Ⅰ和Ⅱ为黑土样品,Ⅲ和Ⅳ为黑钙土样品,从镁风干的XRD图谱看,不同土壤差异不仅表现在衍射峰的强度,以及部分衍射峰位的变化,还表现在矿物组成上。
从镁、钾风干衍射图谱看,在0.42~0.43和0.33nm处出现衍射峰,证明存在石英等原生矿物;在各种原生矿物中,最难风化的是石英,其与正长石、白云母等构成了砂粒和粗粉粒的主要矿物成分。0.47nm处的特征峰说明供试土样中均含有绿泥石;绿泥石是土壤中较为常见的矿物,主要分布在变质岩中,在成土作用早期容易风化成粘土矿物。
钾风干衍射图谱在0.71nm处出现衍射峰,经加热550℃处理后消失,证明存在高岭石;高岭石是1∶1型矿物,性质稳定,在温带土壤中一般含量较低,在花岗岩和伟晶岩的蚀变过程中,长石很可能蚀变成埃洛石,而云母则蚀变成高岭石。在1.00,0.50和0.33nm出现衍射峰,说明含有较多的云母及伊利石,且黑土衍射峰强度略高于黑钙土,这与郑庆福等的研究结果相一致;伊利石是粘粒中最主要的含钾矿物,属于2∶1非膨胀型矿物,在弱淋溶条件下,则可向蒙脱石转化。
4个图谱均在镁-粘粒(风干)1.42nm处出现衍射峰,且经甘油处理后,大部分膨胀至1.8nm左右,表明黑土、黑钙土粘粒中含有大量的蒙脱石,许多学者的研究也得出了相类似的结论。根据钾-粘粒(风干)图谱1.0和1.4nm衍射峰可以推断,甘油处理后不发生膨胀的1.42nm矿物,在黑土中为蛭石,在黑钙土中为2∶1型过渡矿物,这与赵兰坡等的研究结论相一致。蒙脱石属于2∶1膨胀型粘土矿物,晶层间的距离发生改变后易形成混层矿物,也可以经伊利石、蛭石、绿泥石转化而成;蛭石属于2∶1膨胀型粘土矿物,结晶构造与伊利石相似,大多产生于云母和伊利石的进一步脱钾,也可从蒙脱石或绿泥石转变而成;伊利石是由长石、云母风化脱钾形成的,同晶替代作用较强,膨胀性和吸附能力介于高岭石和蒙脱石之间。
综上,供试土壤主要以2∶1型粘粒矿物为主,源于东北季风气候气温较低,降水偏少,处于这一气候带内的黑土和黑钙土淋 溶 淀 积 作 用 相 对 较 弱,粘 粒 矿 物 的 组 成 大 致 相似,但也存在一定的差异,黑土为蒙伊混层-伊利石-蛭石型,黑钙土为蒙伊混层-伊利石-蒙脱石型,且黑土、黑钙土中均含有少量的高岭石、绿泥石、石英等原生矿物。
3 结论
(1)供试土壤颗粒组成均以砂粒为主,粘粒、粉粒次之;当颗粒累积率达到50%,中央粒径分布在15~130μm,除泉眼岭黑土剖面集中在粉粒级外,其他剖面主要集中在砂粒级;除胜利乡黑土剖面外,其他剖面粘粒含量顺序与中央粒径大小顺序相反。
(2)黑土剖面粘粒在表层富集(18.82%),黑钙土剖面在钙积层富集(17.41%),且黑钙土粘粒含量呈现表层往下逐渐增加,到母质层又减少的趋势。纵观四个剖面,除泉眼岭黑土剖面外,其余剖面粘粒含量在母质层中最少。
(3)供试土壤表层粘粒矿物XRD图谱分析表明:不同土壤差异不仅表现在衍射峰的强度,以及部分衍射峰位的变化,还表现在矿物组成上。黑土粘粒矿物组成为蒙伊混层-伊利石-蛭石型,黑钙土为蒙伊混层-伊利石-蒙脱石型,且黑土、黑钙土中均含有少量的高岭石、绿泥石、石英等原生矿物。
