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1、华中农业大学 硕士学位论文 红壤团聚体特征与物理化学性质相互作用机理及其对侵蚀过程 的影响 姓名：张琪 申请学位级别：硕士 专业：土壤学 指导教师：蔡崇法 20030501 摘要 土壤团聚体是影响土壤抗蚀性的重要指标之一，研究它对侵蚀过程的影响对于 减小水蚀危害、保护土壤资源、维持和提高生产率、维护士壤生态系统平衡具有重 要意义。本研究根据红壤丘陵区成土母质及其发育的土壤结构的差异，选用通城( T 1 、 T 2 、T 3 ) 、贺胜桥( H 1 、H 2 、t t 3 ) 三种母质发育的六种典型红壤，采用盖纱网、不 盏纱网两种处理，通过人工模拟降雨试验，从团聚体特征与物理化学性质入手，研 究
2、了红壤的侵蚀敏感性、泥沙的颗粒分布及团聚体稳定性与物理化学性质间的关系， 得到如下结果： 侵蚀过程中，团聚体稳定性强的土壤( H 2 、T 1 ) 较团聚体稳定性差的土壤，产 流和径流稳定时间都较迟，径流量也较少，且盖纱网处理径流量分别比不盖纱网少 3 3 L 6 m i n 、2 6 L 6 m i n ，而其它四种团聚体稳定性较差的土壤，两种降雨处理中径流 量的差异不大。比较不同处理，六种土壤盖纱网处理的产流和径流稳定时间比不盖 纱网的迟。侵蚀过程中产沙率的波动较大，H 2 、T 1 产沙率随时间的延长而增大； H 1 、H 3 先增大，后降低；T 2 、T 3 产沙率有随时间延长而下降的
3、趋势。盖网处理的 平均产沙率较无网处理小2 1 8 一1 4 2 9 l 。 对侵蚀泥沙来说，粘粒含量高的土壤由于含有较多稳定的团聚体，其泥沙团粒 分布较粗，而砂粒、粉粒含量高的土壤，侵蚀泥沙中单粒较多。泥沙中0 0 0 2 0 0 2 r a m 颗粒最多，占泥沙总量的2 6 6 8 一6 0 3 3 ，这由于径流优先选择该粒径颗粒。在 覆盖纱网处理中，薄层水流对土壤的侵蚀力下降，携沙能力下降，对不同土壤颗粒 的选择性趋于一致。 抗蚀性指标中D R 与三种形态铁铝氧化物、S i 。、S i 。、O M 、H A 、F A 、胡敏素负相 关，与焦磷酸钠提取硅( S i 。) 、C N 正相关。
4、A S C 、C F I 、c l a y 多与无机、有机胶结 物正相关，与S i 。、C N 负相关。其中无机胶结物( F e 。、A l 。、A 1 。、s i 。) ，有机胶结物 ( O M 、C N 、F A 、胡敏素) 与D R 、A S C 、c l a y 的相关性较好，相关系数大多能达到 显著( p 0 2 5 m m 的大团聚体大部分是由细根和真菌丝连接的有机胶结。0 0 5 0 2 5 r m a 的团聚 体和直径为0 0 0 2 0 0 5 m m 的颗粒是由不同的粘结剂包括持久的有机质，结晶氧化物 和非晶形铝硅酸盐结合的( T i s d a l l & O a d e
5、 s ，1 9 8 2 ) 。因此，不同级别的团聚体有 不同的稳定性。D e x t e r ( 1 9 8 8 ) 研究认为低等级团聚体序列的混合颗粒结合得更紧 密，有更强的内部应力。因此，低等级团聚体序列的土壤结构一旦遭到破坏，则高 等级团聚体序列肯定同时也被破坏。土壤团聚体稳定性的特点要求对不同等级序列 的颗粒行为进行分析。 1 2 2 侵蚀条件下团聚体的破坏机制 土壤的主要扰动机制有消散、粘粒分散和粘粒膨胀。土壤大团聚体瓦解成微团 聚体是土壤结构损失的第一步，粘粒分散这一化学过程是第二步。对团聚体破坏机 制的研究很多( B e m a r da n dE r i c ，2 0 0 2
6、；S i x e t a l ，2 0 0 0 ：G i j s m a l l ，1 9 9 6 ；F o xa n dl , e B i s s o n n a i s ，1 9 9 8 ：H a y n e s a n d S w i f t ，1 9 9 0 ；L o c h a n d F o l e y ，1 9 9 4 ) ，其中 L e B i s s o n n a i s ( 1 9 9 6 ) 对前期研究进行总结后系统的分析了团聚钵在水中破坏的机制： 1 消散作用土粒在快速湿润的过程中，包被在孔隙中的空气来不及排出所产 生的巨大压力分散了土壤颗粒。团聚体消散的效果取决于闭
7、塞空气体积的多少和酒6 润速度的高低。这一过程中，土壤的初始含水量是影响团聚体破坏的重要因素。 T r u m a ne ta l ( 1 9 9 0 ) 发现，土壤含水量增加至饱和过程中，闭塞空气在减少，基厥 势梯度在降低。消散后的颗粒主要是微团聚体，且微团聚体的含量随粘粒含量的增 加而增大。 2 被不同的膨胀所分散土粒在干燥和湿润过程中，不同的膨胀和收缩所导致 的破碎。消散作用随粘粒含量的增加而减弱，而膨胀程度不同产生的崩解随粘粒含 量的增加而增强。 3 外力的机械作用，P , I J f 丽滴对土表的击溅引起的团聚休砷坏。如果雨滴的动能 足够大，这种崩解常和其他机理一起起作用。湿土中，雨
8、滴打击下的崩解占主要地 位，它能清楚地反映地表覆盖物的重要作用。在非灌溉条件下，雨滴打击土体的压 缩应力会转变为侧向剪应力，使土粒分散并溅出，即击溅作用。雨滴击溅不仅分离 土壤而且移置已分离的土粒。 4 物理一化学机制的分散这一机制是由于湿润过程中胶粒间引力的降低所引 起的，取决于土壤的碱化度( E S P ) 、阳离子的大小和价数。这种分散作用产生的是 比微团聚体更小的单粒，是一种有效的团聚体崩解过程。它常导致土壤快速结壳， 入渗率降低，土粒在水中的较大移动。 根据这一理论，他设计了四个实验进行验证，发现空气爆破对土壤团聚体的破 坏最大，是侵蚀过程中破坏团聚体的主要作用力。L eB i s
9、s o n n a i s ( 1 9 9 7 ) ， A m 6 z k e t a ( 1 9 9 6 ) 运用该方法对C a l i f o r n i a 的土壤进行研究后发现，模拟降雨条件 下，与消散相关的团聚体稳定性参数与侵蚀参数密切相关。L o c h 和F o l e y ( 1 9 9 4 ) 对 大范围的澳太利亚土壤进行研究后，建议采用模拟降雨的方法润湿土壤，因为这样 实验结果与野外条件下的土壤湿润过程更相近。但是，他们指出，浸没湿润引起的 团聚体破坏同模拟降雨引起的团聚体破坏结果相似，且结果与野外入渗实验的结果 显著相关。而且，他们认为，对于大多数土壤，土壤的湿润速率对团
10、聚体的破坏作 用远远大于雨滴对团聚体的打击破坏。B e r n a r d 和E r i c ( 2 0 0 2 ) 更认为快速浸润引 起的消散破坏是目前最简便的比较团聚体水稳性的方法。 1 3 团聚体稳定性与某些土壤化学性质的关系 1 3 1 有机质对团聚体稳定性的影响 有机物质是团聚土壤颗粒的重要胶结物质，它对团聚体稳定性的影响主要表现 在两方面：1 有机质通过有机聚合体对矿质土粒的连接和植物根系与菌丝对士粒的 缠绕，增加了团聚体间的连接；2 有机质降低了团聚体的可湿性，减慢了其湿润的速 度，因而降低了因消散所破坏的土粒的量( C h e n ue ta l ，2 0 0 0 ；C a r
11、 o ne ta l ，1 9 9 6 ) 。 不过有机质对团聚体稳定性的作用是存在争议的。一方面，认为土壤悬液中加 入有机阴离子会增加粘粒分散( H e l la n dS p o s i t o ， 1 9 9 5 ) ，另方面，认为有机 质和水稳性团聚体成正相关( B e n i t oa n dD i z a F i e r r o s ，1 9 9 2 ：B o i x F a y o s e ta l 2 0 0 1 ：魏朝富等，1 9 9 5 ；章明奎等，1 9 9 7 ) 。有人认为，有机胶结能增加团聚体对消 散和分敞的抵抗性，但这种胶结一旦崩解则有机质就会起解凝的作用，从而促
12、进分 散。L eB i s s o n n a i se ta l ( 1 9 9 7 ) 研究认为土壤结构稳定性随有机碳含量减少而降 低，且有机碳含量有一临界值为1 5 - - 2 0 9 k g 。这两种截然相反的观点可从以F 角 度理解( A m 6 z k e t a ，1 9 9 9 ) ： a 只有部分有机质对水稳性团聚体有作用； b 这种作用的有机碳含量有一上限 C 有机质不是主要的粘结剂； d 有机质的分布比其类型或含量更为重要； f 生荒地土壤中水稳性团粒稳定性主要与一些土壤物理因素有关。 在土壤有机质中，腐殖物质是起团聚作用的重要组分，占有机质总量的8 5 9 0 。 它是
13、一类暗色的、含氮的、具芳香性结构的酸性高分子聚合物，是微生物活动的产 物，但不易为微生物所分解。腐殖质包括胡敏酸、富里酸以及胡敏素。胡敏酸是一 种以芳香性化合物和杂环化合物为主的多官能团的高分子聚合物，其灰分只有3 一4 ；而富里酸的灰分可高达7 一8 ( 熊毅，1 9 7 4 ) ，这说明富里酸中含有金属蝥 合物。在胡敏化过程中，芳香碳、烷基碳增加，烷基氧降低，因而胡敏酸的碳、氮 含量比富里酸高，氧的含量比富里酸低( C h e f e t ze ta 1 ，2 0 0 0 ：S h a n ga n d T i s s e N ，1 9 9 8 ：Z e c he ta i ，1 9 9
14、7 ) 。一般认为，胡敏酸的分子量比富里酸高。由于富 里酸分子量小，复杂程度较低以及活性官能团较多等，使得富里酸具有比胡敏酸更 为活泼的特性，其还原能力和络合能力都比胡敏酸强。至于腐殖质中的胡敏素，是 土壤中与矿物部分呈不可逆结合的有机化合物，但目前还缺乏对胡敏素物理化学特 性的研究( 李映强，1 9 9 7 ) 。G r e e n l a n d ( 1 9 7 1 ) 通过对胡敏酸、富里酸与无机成分相 互吸附的研究指出：胡敏酸和富里酸能通过粘土矿物表面的多价金属阳离子与粘土 矿物相吸附，并认为有两种机制：一种是腐殖酸通过多价阳离子与云母型粘土矿物 的表面相结合；另一种是腐殖质与氢氧化铁铝
15、和粘粒边缘相结合。 1 3 2 铁铝氧化物、氢氧化物对团聚体稳定性的影响 在土壤团聚过程中，不仅有机胶体起作用，无机胶体的粘结作用也不可忽视。 无机胶结剂也可以看作是一类永久性胶结剂。它一旦在土壤中占优势，有机胶结剂 的作用将大为减少( S a b i nG o l d b e r g 1 9 8 2 ) 。 铁、铝和硅的氢氧化物或水合氧化物，在许多土壤中可作为水稳性团聚体的良 好胶结荆，与侵蚀量和水稳性团聚体有很好韵相关关系( D u i k e re ta 1 ，2 0 0 3 ； R h o t o n ，1 9 9 8 ) 。A r c a 和W e e d ( 1 9 6 6 ) 等
16、发现，在粘粒和游离氧化铁含量不等但粘土 矿物类似的土壤中，氧化铁与水稳性团聚体间有极显著相关性。铁、铝氧化物对土 壤团聚体的作用也存在争议，具体体现在结晶度、颗粒大小、氧化物分布和氧化物 作用的程度上。普遍认为，二三氧化物阻止粘粒分散和膨账，对微团聚体起正相关 作用。其稳定性机制有三个方面：a 溶液中的铁铝充当絮凝剂；b _ - - 氧化物充 当粘粒和有机分子的粘结剂；C 二三氧化物作为凝胶在粘粒表面沉淀。 9 为研究氧化物的作用，人们常采用氧化物含量与土壤稳定性之间的相关分析及 比较除去和增加氧化物前后土壤结构的稳定性，来衡量铁、铝氧化物的影响。胡嗣 成( 2 0 0 2 ) 通过对D C B 处理后的土壤前后分离得到的各级矿物组成的变化，进一步从 矿物学角度证实了氧化铁对土粒的强胶结作用。D e s h p a n d e ( 1 9 6 4 ) 研究的结论是大团 聚体和微团聚体的稳定性都与铁含量无关，他认为土壤有机质是增强微团聚体最重 要的组分，而不是氧化铁
