土壤团聚体的形成和稳定机制：研究进展与展望

土壤团聚体是土壤的重要组成部分、土壤结构的基本单元,对土壤生态功能（如碳固存和养分保持等）的维持至关重要。团聚体的形成和稳定主要是通过土壤中矿物、有机质和生物间复杂的相互作用实现的,但其作用机制尚缺乏系统总结。回顾了一个世纪以来有关土壤团聚体的研究历程,梳理了土壤团聚体关键理论提出的历史节点,包括重要的发现和理论观点、主要的理论模型和评价土壤团聚体结构和稳定性的指标等,比较了团聚体的筛分方法及粒级划分依据,分别阐述了团聚体基本结构单元（矿物、有机质和生物及其衍生物）的作用机理,以及微团聚体和大团聚体形成和稳定机制。通过总结发现,尽管目前对影响团聚体形成和稳定的因素及其作用机制有较深入的探讨,但鲜有从稻田及滨水土壤系统的角度探讨pH和氧化还原变化过程对团聚体形成和稳定的影响机制。最后对土壤团聚体研究领域未来的发展进行展望,以期为土壤资源的可持续利用提供理论参考。     

红壤恢复林地微团聚体形成与稳定的影响机制研究进展

微团聚体是土壤团粒结构的基本组成单元,较大团聚体具有更强的稳定性,其形成与稳定对于土壤有机碳的长期吸存起着决定性作用。目前关于微团聚体形成与稳定性的研究多专注于农业土壤,红壤侵蚀地植被恢复后土壤团聚体稳定性、有机碳分布及微生物群落特征研究也主要集中在大团聚体上,而土壤微团聚体的动态变化及其主要影响因素尚不明确,对于其内在机制更缺乏了解。通过总结土壤微团聚体的形成过程及稳定性,综述了凋落物、根系和菌根对土壤微团聚体形成与稳定的影响,阐述了土壤微团聚体内微生物群落、化学结合态有机碳及有机碳结构是土壤有机碳稳定的重要机制,并提出了未来微团聚体研究方向,以期揭示红壤侵蚀退化地森林恢复过程中微团聚体形成和稳定的生物化学机制,从而为深入阐明有机质—土壤团聚结构—微生物—化学耦合作用和森林土壤碳吸存机制提供参考。     

土壤团聚体与有机碳稳定机制的研究进展

土壤不同稳定机制(物理、化学、生物)的有机碳是土壤中主要的物质基础,在土壤的各方面特性中都发挥着巨大的作用。土壤固定外源碳的能力与土壤中团聚体的组成息息相关。团聚体的评价指标很多,但其中应用最广泛的是:水稳性团聚体的数量、平均重量直径(MWD)、平均重量直径变化值和分形维数(fractal dimension,D)。相比土壤总有机碳(SOC),土壤物理、化学、生化的不同稳定机制团聚体有机碳在外界条件变化时,能够更好更快的反映土壤质量的变化。本文重点阐述了目前土壤团聚体形成与稳定机制以及不同稳定机制下的有机碳分离技术研究进展,并提出未来土壤团聚体与有机碳方面的研究重点。     

胶结物质驱动的土壤团聚体形成过程与稳定机制

团聚体是土壤的基本组成单元，影响着土壤水、气、热及养分的保持和运移。胶结物质在团聚体形成过程中起关键作用，但不同类型胶结物质在土壤团聚体中所起作用与机理尚缺乏系统总结。本论文回顾了土壤团聚体相关的关键理论，梳理了不同地理环境与人为活动下土壤团聚体中胶结物质类型、形态、转化与作用机制，探讨了胶结物质对土壤团聚体结构与稳定性的影响，提出了胶结物质驱动的土壤团聚体自组织形成过程模型，阐明了土壤团聚体的形成与转化机制。最后对土壤团聚体研究领域未来的发展进行展望，特别是在土壤团聚体的原位分析方法、土壤团聚体形成过程的定量化描述、土壤团聚体稳定性在景观尺度上的空间结构、良好土壤结构体培育的产品与技术研发等方面还有待加强。这些工作的开展将对培育良好土壤团聚体、揭示土壤物质循环与演化过程、提高土壤质量和生产力等具有重要的科学意义和生产实践价值。     

土壤团聚体的形成与分散及其在农业生产上的应用

土壤团聚体是保持土壤水分和土壤透性的基本单元.本综述的目的是通过围绕团聚体理论的讨论,明确影响团聚体形成的因素,为农田维护提出可靠的理论依据.首先总结了团聚体形成的主要理论,即Emerson的粘团理论、Edwards和Bremner的微团聚体理论和Oades 及Waters的团聚体分级构建理论,然后讨论了土壤有机质、可溶性阳离子和氧化铁、铝3个影响团聚体形成的主要因素,最后分析了团聚体破坏的机理和评价团聚体稳定性的主要方法,指出保持土壤颗粒的凝聚状态、增加各种形态的土壤有机质是增加土壤团聚性的主要措施.     

长期施肥措施下灰漠土有机碳及团聚体稳定性特征

团聚体的物理保护是土壤有机碳稳定的重要机制之一,团聚体的形成也必须依赖土壤中的有机碳。通过31年的长期定位试验,研究不同养分管理措施对土壤有机碳及团聚体稳定性的影响,探明土壤各粒级团聚体结合碳的分配状况,探讨土壤团聚体对有机碳的物理保护机制,为西北干旱区农田土壤碳优化管理提供依据。采集6个不同施肥措施的长期试验处理的土样,采用湿筛法对土壤团聚体组分和团聚体结合有机碳进行分离并测定,对土壤总有机碳、团聚体分布状况、团聚体结合有机碳等进行分析,并对土壤团聚体稳定和大团聚的周转进行评价。结果显示,长期施用有机肥的土壤有机碳含量达39.7 g·kg-1,比不施肥和秸秆还田分别提高了1.8、1.4倍。有机肥和秸秆还田均可提高土壤有机碳,而单独施化肥或撂荒土壤有机碳仅能维持平衡。除此之外,施用有机肥或秸秆还田,土壤大团聚体分别提高了246%和147%,显著提高了土壤团聚化程度,大团聚体的周转速率分别是不施肥的33%和53%,速率显著减缓(P<0.05),而且还可进一步提高土壤大团聚体,团聚体结合的有机碳向较为稳定的细颗粒态有机碳转化,更有利于有机碳的固定。单独施化肥或撂荒土壤有机碳维持平衡,土壤大团聚体密度和团聚体稳定性均比不施肥有显著提高,大团聚体的周转速率显著减缓。土壤有机碳含量较低时,粉粘粒有机碳含量占主要优势,而当土壤富含有机碳时,细颗粒有机碳含量占主要优势。综上所述,施用有机肥不但可以弥补因耕作的破坏导致的大团聚体下降,还可促进土壤大团聚体的形成,增强土壤团聚体稳定性,新增的有机碳首先与大团聚体结合,然后主要以细颗粒态有机碳固定,效果好于秸秆还田。长期单独施用化肥难以提高土壤有机碳、微团聚体包裹的有机碳和大团聚体中的细颗粒有机碳相对稳定,通过撂荒可减少对土壤的物理破坏,促进大团聚体的积累。     

鄂南第四纪粘土红壤团聚体的稳定性及其稳定机制初探

用湿筛法和LeBissonnais法研究了鄂南第四纪红粘土母质发育的两种侵蚀程度的红壤团聚体的稳定性,并且分析了影响供试土壤团聚体稳定性的土壤性质。结果表明,轻度侵蚀的耕作土壤团聚体的稳定性较低,在水的作用下易崩解成较小粒径的水稳性团聚体;强度侵蚀的土壤表层团聚体的稳定性较高,崩解后产生较多的水稳性大团聚体。引起土壤团聚体破坏的主要作用机制是土壤团聚体中的闭蓄空气爆破引起的消散作用;研究区第四纪红壤团聚体的主要胶结物质是土壤中的粘粒、游离氧化铁铝和无定形铁。由于供试土壤中有机质含量很低,在本研究中,有机质含量与土壤团聚体稳定性之间没有显著正相关关系。     

黄土丘陵区长芒草群落对土壤水分入渗的影响

以黄土丘陵区长芒草群落为研究对象,采用圆盘人渗仪对不同盖度长芒草群落下的土壤入渗过程进行了对比研究.结果表明,在0-80 cm土壤剖面上.不同盖度的长芒草群落下土壤初始入渗速率和稳定入渗速率都随着土壤深度增加而下降.在同一深度的土壤剖面上,群落盖度越大土壤初始人渗速率和稳定入渗速率也分别越高.影响土壤初始入渗速率的主要因素是土壤有效孔隙度、初始含水量和水稳性团聚体含量.影响土壤稳定入渗速率的主要因素是土壤有效孔隙度、根长密度和水稳性团体含量.但水稳性团聚体对表层土壤初始人渗速率和稳定入渗速率的影响不显著.长芒草群落不仅通过根系对土壤的物理机械作用以及根系周转过程中形成的生物性大孔提高了土壤入渗速率.还通过提高土壤有机质和水稳性团聚体含量提高了土壤入渗速率.     

植物根系对土壤团聚体形成作用机制研究回顾

土壤团聚体是土壤结构的基本单元,土壤水力侵蚀的微观描述即为土壤团聚体的破裂过程。研究表明:植物根系可以改变土壤的力学以及水文特征,促进土壤团聚体的形成和稳定。因此,对近20年国内外的相关研究成果进行较为系统的回顾,从根系对土壤团聚体的物理、生物、电化学作用3个研究视角,分析了植物根系对土壤团聚体形成的作用机制,提出了现有研究中存在的问题及研究趋势,这对深入认识植物根系对土壤团聚体的影响及其作用机制、发展根-土相互作用的土壤侵蚀过程模型具有重要的意义。     

玉米不同育苗方式下土壤团聚体及颗粒分形特征

稳定的土壤团聚结构对种子发芽、根系发育、作物生长以及有机碳保护有着重要的影响。农业管理措施对团聚体胶结剂质量和保存时间影响较大,必然影响土壤团聚体的形成和稳定,不同耕作和育苗方式作为重要的农业管理措施也必将对土壤团聚作用产生影响。选择玉米平作和垄作条件下6种育苗方式的土壤为供试材料,采用标准化平均质量直径和分形理论,探讨了土壤团聚体的稳定性、分形特征及二者之间的关系。结果表明,平作和垄作条件下6种育苗方式对土壤团聚体的稳定性影响不同,平作方式下,秸秆钵直播、包衣直播和垄作方式下,肥团育苗、秸秆钵育苗更有利于大于0.25 mm粒径较大团聚体的形成,对土壤形成稳定的结构具有积极意义;土壤团粒的分形维数与小于0.25 mm粒径含量呈极显著正相关,与0.5～1 mm、1～2 mm粒径含量呈极显著负相关,说明土壤团粒的分形维数越小,土壤团聚体稳定性越强。研究结果说明土壤团聚体的分形维数可以客观地表征土壤结构的稳定性,可以作为表征土壤结构和性质的重要参数,对于深入探讨分形学在土壤综合评价中具有重要意义。     

土壤团聚体中有机碳研究进展

增加土壤有机碳有助于农业可持续发展, 同时对缓解温室气体增加造成的全球气候变暖等具有重要意义。土壤团聚体是土壤的重要组成部分, 影响土壤的各种物理化学性质。土壤团聚体和有机碳是不可分割的, 前者是后者存在的场所, 后者是前者存在的胶结物质。本文在综合各方面研究的基础上, 阐述了土壤团聚体和有机碳的依存关系, 影响团聚体固碳的几大因素, 团聚体对有机碳的物理保护机制以及目前应用比较广泛的团聚体内有机碳的研究方法, 为以后的研究提供理论和方法上的支持。     

The relative contributions of soil hydrophilicity and raindrop impact to soil aggregate breakdown for a series of textured soils

Soil aggregate breakdown is the first key factor that causes soil erosion. At present, research on the mechanisms of soil aggregate breakdown during rainfall is common. However, the research to on quantifying the relative contributions of internal and external forces to aggregate breakdown remains limited. This paper was conducted to analyse the relative contribution of internal and external forces to aggregate disintegration and the factors affecting aggregate stability during rainfall. Soil aggregates with a series of textures were selected as test soil samples; deionized water was employed as the soaking solution and rainfall material in static disintegration experiments and rainfall simulation tests. The effect of internal force (soil hydrophilicity) on aggregate disintegration was analysed by the static disintegration method, and the combined effects of internal force (soil hydrophilicity) and external force (raindrop impact) on soil aggregate breakdown were analysed by rainfall simulation experiments. The results indicated that external force caused more severe soil aggregate breakdown than internal force, and the crushed aggregate was mainly distributed in the range of 2–0.25 mm. With increasing rainfall kinetic energy, the degree of aggregate breakdown increased gradually, and the degree of aggregation of the soil particles decreased gradually. Furthermore, soil aggregates with a high clay content (> 30%) were more stable than medium-clay (20–30%) and low-clay (< 20%) soil aggregates, and the correlation coefficient provided a good representation of the relationship between the clay content and soil aggregate stability index (ASI). Therefore, external force contributed more to soil aggregate breakdown than internal force during rainfall, and clay plays an important role in aggregate stability. The results of this study are of great significance for elaborating the mechanism and factors affecting aggregate breakdown.     

Effects of freeze-thaw cycles and soil moisture content on soil available micronutrients on aggregate scale in natural grassland and Chinese pine forestland on the Loess Plateau,China

Journal of Soils and Sediments - Micronutrient presence and concentration are strongly influenced by soil aggregate size. Seasonal freeze-thaw patterns are known to modify soil aggregate...     

茶园土壤团聚体分布特征及其对有机碳含量影响的研究

通过野外调查与室内分析相结合的方法,对茶园土壤团聚体的分布及其有机碳的含量及分布进行了研究.结果表明:茶园0-20 cm,20-40 cm土层土壤团聚体的分布均以>2.00mm和2～5 mm团聚体为主,分别占总团聚体的比例为56.57%和69.53%.茶园土壤团聚体平均重量直径平均值为1.02 mm,并且随着土壤层次的增加有增加的趋势.茶园0-20 cm土层0.25～0.5 mm粒径土壤团聚体有机碳含量最高,20-40 cm土层<0.25 mm粒径土壤团聚体有机碳含量最高,而2～5 mm粒径土壤团聚体有机碳含量在0-20 cm和20-40 cm土层均最低.茶园0-20 cm土层.各粒径团聚体中的有机碳分配比例均高于20-40 cm土层土壤.     

土壤团聚体和水分动态在3种植被覆盖下的关系

为了探究不同植被覆盖下的土壤水分动态变化和团聚体稳定性的关系,选取桂花地、油菜地、杉树地3种植被下的土壤为研究对象,就团聚体和土壤水分之间的年变化关系、短期变化关系(在短期降雨前后)进行了研究。结果表明:在1年时间内、3种植被下的土壤中,杉树地土壤团聚体稳定性显著高于桂花地和油菜地,并以0.25～2mm的水稳团聚体为主。土壤团聚体稳定性的年变化趋势和土壤水分呈显著负相关关系,在土壤水分含量降低的时候团聚体稳定性升高。在桂花地、油菜地中,土壤水分和<0.25mm粒级团聚体呈显著正相关关系,和>0.25mm粒级团聚体呈负相关趋势,表明水分会促进大团聚体破碎分解成微团聚体,从而改变团聚体稳定性。同时,在短期时间内,土壤团聚体平均重量直径(MWD)随着降雨的开始呈现下降趋势,随着降雨的停止,团聚体MWD会逐渐回升。这种变化与降雨以及降雨引起的土壤水分的迅速变化有关。综合长期和短期时间变化,种植杉树林可以有效调控土壤水分变化幅度,提高团聚体稳定性,对预防水土流失具有重要作用。     

冻融循环作用对黑土团聚体破碎机制的影响

为探究冻融循环作用对黑土团聚体抵抗不同破坏作用能力的影响,以黑龙江省典型黑土耕作层土壤为研究对象,通过LB法的3种不同破碎处理,分析冻融循环次数、初始含水量对不同初始粒级土壤团聚体稳定性的作用机制。结果表明:冻融循环作用对1～2,2～3,3～5 mm不同粒级团聚体稳定性有显著影响(P0.05),其稳定性均呈现为湿润振荡(WS)慢速湿润(SW)快速湿润(FW),快速湿润(FW)处理对黑土团聚体稳定性的破坏作用最大,而慢速湿润(SW)和湿润振荡(WS)破坏作用较小。同时,初始含水量和冻融循环次数对3种不同粒级团聚体的快速湿润平均重量直径(MWD_(FW))、慢速湿润平均重量直径(MWD_(SW))、湿润振荡平均重量直径(MWD_(WS))均具有极显著影响(P0.01)。随着冻融循环交替次数的增加,0.2 mm的大团聚体破碎而小团聚体(0.2 mm)含量增加。初始含水量对于2～3,3～5 mm粒级团聚体具有破坏作用,而对1～2 mm粒级团聚体有助于改良团聚体结构,增大团聚体稳定性。     

典型岩溶山区植被恢复对土壤团聚体分布及稳定性的影响

[目的]了解岩溶山区植被恢复对土壤团聚体分布及稳定性的影响。[方法]通过野外调查与室内分析,研究了广西壮族自治区平果县果化镇典型岩溶峰丛洼地荒地、草地、灌丛、林灌4种不同植被覆盖下土壤的基本理化性质、团聚体的分布及稳定性特征。[结果](1)土壤中0.25mm的水稳性团聚体含量与土壤的容重显著负相关,与全土有机碳含量极显著正相关;(2)土壤水稳性团聚体以2~1,1~0.5和0.25mm粒级的含量居多。0.25mm粒级的团聚体,在草地、灌丛和林灌中明显高于荒地,在表层土中明显高于下层土;(3)随土层深度的增加,土壤团聚体的破坏率增大;土壤团聚体的破坏率:草地灌丛林灌荒地,草地和灌丛的平均重量直径和几何平均直径明显高于荒地和林灌。[结论]植被的恢复提高了团聚体的稳定性,且草地和灌丛土壤的团聚体稳定性更高,更有利于水土保持,可以作为该区域水土保持的主要植被类型。     

侵蚀程度对红壤团聚体分布及养分含量的影响

[目的]探讨不同侵蚀程度下红壤团聚体和养分的变化规律,为侵蚀红壤的肥力提升和合理开发利用提供理论依据。[方法]将红壤表层按照不同深度剥离来模拟不同土壤侵蚀程度,比较分析不同侵蚀程度下团聚体稳定性、有机质和各养分的变化规律及其相互关系。[结果]各侵蚀程度红壤团聚体干筛粒级分布规律大体相似,以≥2mm粒级团聚体为优势粒级,与无明显侵蚀土壤相比,强烈侵蚀土壤≥2mm水稳性团聚体含量降低近1/3;随着土壤侵蚀程度增加,土壤碳、氮、磷等养分含量均表现出逐渐减少的规律,其中强烈侵蚀土壤有机质、全氮和全磷含量减少了30%左右,碱解氮含量减少了近50%,速效磷含量减少了80%以上。相关分析表明,土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮含量均与≥2 mm团聚体含量、WSA,MWD和GMD值具有较好的正相关性(p0.05),与D和PAD值呈负相关。[结论]不同侵蚀程度对红壤团聚体分布及养分含量有一定影响,可通过增加有机肥来改善侵蚀红壤结构,提高土壤肥力。     

常规与有机农田土壤团聚体组成及碳氮储量研究

长期施用化肥或连作农田管理模式导致土壤质量退化及碳氮损失加剧。以常规农作大豆和转换后的有机农作大豆田土壤为研究对象,利用土壤物理分组技术,分析了土壤团聚体组成及碳氮储量变化。结果表明,常规农作大豆田转换为有机农作大豆田后,<0.053mm粉粒加黏粒比重显著降低,0.053~0.25mm较小团聚体显著增加,土壤稳定性增大,土壤及团聚体中有机碳和全氮含量都显著增加。有机农作大豆田土壤包被于较小的大团聚体(0.25~2mm)中的<0.053mm细颗粒有机质百分比显著降低,0.053~2mm粗颗粒有机质显著增加。有机农作大豆田土壤及团聚体中碳氮储量都显著高于常规农作大豆田,土壤碳汇和氮汇效应增大。有机农作大豆田土壤稳定性增加,团聚体中碳氮含量显著增加,土壤碳汇效应增强,有机农作方式可能比常规农作方式更有利于土壤碳氮资源持续利用。