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。     

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。     

土壤团聚体形成与稳定机制及影响因素

土壤团聚体是土壤的重要组成部分、土壤结构的基本单位,其形成和稳定主要是通过土壤中各种胶结物质的胶结作用实现的。土壤团聚体的形成和稳定过程是十分复杂的,不仅是自然条件的影响,而且还受到人为活动的严重影响,主要有土壤有机质、土壤微生物、土地利用方式变化和耕作干扰。土壤团聚体还影响土壤养分,尤其是碳氮磷。     

不同胶结物质对黄绵土团聚体形成的影响

通过室内培养试验,采用PAM、腐殖酸、壳聚糖、硫酸铝4种土壤结构胶结剂对促进黄绵土0.25mm团聚体形成大团聚体的过程和效果开展研究。结果表明:(1)从新形成土壤团聚体的粒径分布来看,4种胶结剂均有利于0.25mm粒径的团聚体形成更大的团聚体,尤其是对于增加5mm的土壤团聚体含量效果明显;(2)4种胶结剂施入0.25mm黄绵土团聚体,均可有效地增加黄绵土团聚体的平均重量直径和几何平均直径,提高了团聚体稳定性,且随胶结剂施用浓度的增加呈升高趋势;(3)不同胶结剂对促进黄绵土团聚体形成的能力表现为腐殖酸≈PAM壳聚糖硫酸铝。研究结果可为合理利用外源胶结剂改善土壤结构提供一定的科学依据。     

土壤胶结物质分布特征及其对黄土大团聚体稳定性的影响

通过对子午岭林区顶级植被辽东栎群落0—100cm土层有机无机胶结物质的含量与类型、土壤大团聚体稳定性进行野外调查采样与室内测定,对胶结物质含量与分布及其对大团聚体稳定性的影响进行了研究,探讨了不同胶结物质对大团聚体稳定性的影响。结果表明:(1)土壤有机碳和碳酸钙含量在剖面上呈现出完全相反的分布规律。有机碳含量随土层的加深而降低,其中0—20cm土层中有机碳含量显著高于20—100cm土层;而碳酸钙含量随土层的加深而增加,其中20—100cm土层中碳酸钙含量显著高于0—20cm土层。土壤黏粒含量随土层的加深逐渐增加,但总体上变化不明显。(2)土壤大团聚体稳定性随土层的加深而降低,其中在20—70cm土层中大团聚体稳定性随土壤深度的增加变化最为剧烈(与0—20cm土层相比,破坏率增加了581.00%)。40—100cm土层中大团聚体破坏率是0—20cm土层中的7.25倍,表明表层大团聚体稳定性远远高于底层。(3)黄土大团聚体稳定性的提高主要取决于土壤有机碳含量。而在有机碳组分中,矿物结合态有机碳对大团聚体稳定性的提高起最直接作用。研究结果揭示了黄土主要胶结物质在土壤剖面中的分布特征,明确了矿物结合态有机碳是直接影响黄土大团聚体稳定性最强烈的胶结物质,这为培育良好的土壤结构体提供了一定的科学依据。     

高寒草地灌丛化对土壤团聚体稳定性及其胶结物质的影响

团聚体是土壤有机碳重要的存储单元,其稳定性直接影响有机碳的固存。为探明草地灌丛化是否影响土壤团聚体稳定性及其胶结物质,本文以青藏高原东缘4种典型灌丛化草地(高山绣线菊Spiraea alpina、窄叶鲜卑花Sibiraea angustata、小叶锦鸡儿Caragana microphylla、金露梅Potentilla fruticosa)为研究对象,分析土壤团聚体稳定性(大于0.25 mm团聚体含量、平均重量直径(MWD)和分形维数及其胶结物质(团聚体有机碳、铁铝氧化物、钙键和铁铝键结合的有机碳)的含量,并分析各胶结物质对团聚体稳定性的影响。结果表明,(1)小叶锦鸡儿灌丛化显著降低2～0.25 mm和小于0.002 mm团聚体含量和团聚体稳定性(P<0.05),而其他3种灌丛化草地对土壤团聚体含量和稳定性影响不显著(P>0.05)。(2)小叶锦鸡儿灌丛化和窄叶鲜卑花灌丛化改变了团聚体胶结物质的含量。(3)团聚体胶结物质与MWD的增强回归树分析结果显示,高山绣线菊灌丛化草地土壤团聚体稳定性的主要贡献胶结物质为络合态铁(Fe_p)和无定形态铁铝(Fe     

有机污染型灌溉水对土壤团聚体的影响

为了评估灌溉水中有机污染物对农田土壤物理状态的影响,本研究以长期采用有机污染型水体灌溉的陕西交口灌区农田土壤为研究对象,以气候条件、土壤条件以及耕作制度基本一致,长期采用未污染的地下水灌溉的农田土壤为对照,分别用干筛和湿筛法测定了土壤团聚体和微团聚体组成等,分析了优势团聚体的变化情况。结果表明:长期采用有机污染水灌溉明显降低土壤中大于10 mm大团聚体和小于0.25 mm微团聚体的含量,显著增加了直径为1～5 mm范围内"(质量)优势团聚体"的含量;水稳性团聚体与土壤有机质含量呈显著正相关,而与机械组成的相关系数未达到显著水平;有机污染型水体灌溉可以显著改善微团聚体的特性,增大了土壤团聚度,降低其分散系数,从而改善了土壤结构状况。综合试验结果证明,灌溉水中的有机污染物质有助于显著地改善土壤结构状况和特性。     

土壤团聚体对有机碳物理保护机制研究

提升土壤中有机碳固定量在修复退化土壤,降低土壤CO2释放,增加土壤肥力,提高作物生产力方面具有重要作用。在有机碳固定方面,土壤团聚体对有机碳的物理保护是土壤固碳的重要机制之一。文章从1土壤团聚体形成概念模型;2土壤团聚体对有机碳的物理保护;3土壤团聚体物理性质与有机碳固定三个方面阐述了国内外关于土壤团聚体对有机碳物理保护机制的研究进展,并提出今后可能的研究方向。     

长期保护性耕作提高土壤大团聚体含量及团聚体有机碳的作用

【目的】团聚体形成被认为是土壤固碳的最重要机制。本文以河南豫西地区长期耕作试验为研究对象,研究了长期保护性耕作对土壤团聚体性质及土壤有机碳(SOC)含量的影响,为探讨土壤固碳机理,优化黄土高原坡耕地区农田耕作管理措施,实现土壤固碳减排、培肥土壤提供理论依据。【方法】长期耕作试验开始于1999年,试验处理有免耕覆盖(NT)、深松覆盖(SM)和翻耕(CT)。利用湿筛法筛分第3年(2002年)和第13年(2011年)0—10cm和10—20 cm土层中,2000、250~2000、53~250和53μm级别的水稳性团聚体,计算团聚体平均质量直径(MWD),并测定了各级别团聚体的有机碳(SOC)含量。【结果】1)连续13年免耕覆盖和深松覆盖显著提高了土壤表层0—10 cm的SOC含量,分别比翻耕增加了33.47%和44.48%。2011年免耕覆盖和深松覆盖SOC含量较2002年上升了1.92%和8.59%,翻耕下降了18.97%。2)与翻耕相比,免耕覆盖和深松覆盖2000μm团聚体含量显著提高了40.71%和106.75%;53~250μm团聚体含量显著降低了19.72%和22.53%;团聚体平均质量直径显著提高了20.55%和39.68%,显示了土壤结构的明显改善。3)免耕覆盖和深松覆盖显著提高了表层土壤所有团聚体有机碳的含量,尤其以2000μm团聚体提升最多。与翻耕相比,2000μm团聚体有机碳分别提高了40.0%和27.6%。4)免耕覆盖和深松覆盖下表层土壤大团聚体有机碳含量随耕作年限增加,微团聚体有机碳随耕作年限降低。2000μm的土壤团聚体有机碳含量2011年较2002年分别升高了23.93%和7.12%,53~250μm微团聚体有机碳含量分别下降了19.58%和13.27%。【结论】长期保护性耕作(包括免耕覆盖和深松覆盖)可显著提高表层土壤大团聚体含量,降低微团聚体含量,提高团聚体的水稳性,改善土壤结构。同时可增加土壤团聚体有机碳含量,提高土壤肥力。长期保护性耕作在河南豫西丘陵地区是一种较为合理的耕作方式。     

土壤有机质周转过程及其矿物和团聚体物理调控机制

土壤有机质是陆地最大的碳库,是保障土壤健康和粮食安全的基础资源,其微量变化就会对气候产生巨大的影响。全球气候变暖背景下,植被初级生产量的增加将导致输入土壤的植物凋落物和根际分泌物量增加。输入有机物驱动土壤有机质循环,其分解产物转化为新的土壤有机质,同时促进原土壤有机质分解,进而更新土壤肥力并反作用于气候变化,相关研究是土壤有机质研究的热点和重点,但是关于矿物和团聚体物理保护的研究较少。本文从生态系统角度综述了对土壤有机质周转中形成和分解过程的新认识,明确了土壤矿物和团聚体物理保护的重要性,并阐述了未来的研究方向。     

降雨驱动下红壤团聚体的溅蚀特征及周转过程

[目的]研究降雨驱动作用下土壤团聚体受雨滴打击发生破碎和形成的过程,丰富土壤侵蚀研究机理。[方法]基于稀土元素示踪法,对各粒径土壤团聚体同时进行标记。在90 mm/h降雨溅蚀条件下,通过各粒径土壤团聚体(2～5 mm, 0.25～2 mm, 0.053～0.25 mm,<0.053 mm)在不同降雨特征参数(降雨历时、雨滴大小)下的质量变化和稀土元素含量变化,定量分析了团聚体间的周转路径和溅蚀颗粒特征。[结果]降雨驱动作用下,溅蚀量和溅蚀率会随着降雨动能的增加而变大,溅蚀颗粒主要分布于0.25～2 mm粒径范围内;除>2 mm的颗粒为大团聚体直接飞溅产生,<0.25 mm粒级溅蚀颗粒均主要源于大粒级团聚体破碎形成,最高可达到73.83%,其次为该粒级直接被击飞形成,同时会有小粒级颗粒吸附黏结形成;在残余团聚体的动态周转过程中,主要是相邻级别的团聚体间形成和破碎过程占比较高,其中大团聚体破碎产生小团聚体和粉黏粒团聚形成小团聚体分别对原粒级团聚体的破碎和形成方向的贡献率较高,分别达到24.06%～42.15%和36.83%～70.76%,且随着降雨时间的变化,大团聚体首先...     

土壤碳素固定及其稳定性对土壤生产力和气候变化的影响研究

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库,在全球碳循环中起着非常重要的作用。本文论述了土壤有机碳对土壤生产力和气候变化的影响。阐述了影响土壤碳含量的各种自然因素和人为因素。对土壤碳素固定以及影响土壤碳素平衡的物理、化学及生物稳定性的各种机理进行了详细评述,阐明了土壤有机碳调控的方法和途径。为控制和调节土壤有机碳储量提供了理论依据。这对今后提高土壤生产力、利用土壤的固碳潜力来降低大气中二氧化碳的浓度和缓解气候变化有着非常重要的意义。     

SA-01型高分子土壤抗蚀剂改良土壤团聚体水稳性的试验研究

[目的]探讨自研抗蚀剂产品对土壤团聚体水稳性的影响,并分析其影响机理,为坡耕地水土流失治理工作提供支持。[方法]以自主研发的多糖类高分子抗蚀材料SA-01为对象,研究其对红壤团聚体水稳性的影响。[结果]施用0.25%浓度SA-01后,3组粒径团聚体水稳性平均提高2.6倍,施用1%浓度SA-01后3组粒径土壤团聚体水稳性都达到100%。且施用SA-01后,在相同粒径条件下,团聚体水稳性随SA-01浓度增加而增加;在相同施用浓度条件下,团聚体水稳性随其粒径增大而减小。[结论]团聚体水稳性试验表明,SA-01能大幅提升团聚体水稳性;抗蚀机理分析与讨论表明SA-01通过在土壤团聚体表面形成一层透水的保护层是团聚体水稳性提升的关键。     

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。     

球囊霉素在土壤团聚体中的分布特征及影响因素的Meta分析

为充分认识球囊霉素在维持土壤有机碳平衡和土壤团聚体稳定性中的重要作用,建立改善土壤结构 和提升土壤质量的管理策略,通过收集整理近些年来已发表的19篇文献中的332组数据,定量分析球囊霉素在不同粒径土壤团聚体中的分布特征,系统解析其影响因素,并比较了不同土地利用方式下球囊霉素在土壤团聚体中的分配差异。结果表明：无论是总球囊霉素还是易提取球囊霉素,在大团聚体（>2 000 μm）和小团聚体（2 000~250 μm）中的质量百分比（分别约占30%）均显著高于微团聚体（250~53 μm）和黏粉粒级微团聚体（<53 μm）（分别约占15%）。易提取球囊霉素占总球囊霉素的比例在粉黏粒级微团聚体（<53 μm）中更低,约为20%,其他粒径均在30%以上。球囊霉素中碳占土壤有机碳的比例在各团聚体中无显著差异,不同粒径团聚体中易提取球囊霉素约占有机碳的2%左右,而总球囊霉素约占有机碳的8%左右。大于250 μm团聚体中球囊霉素随温度和降水的增加而增加,而随着pH的增加而降低。在小于250 μm团聚体中未发现显著相关性,但发现球囊霉素随土壤有机碳增加而增加,呈显著正相关。通过比较不同利用方式的土壤,本研究还发现林地土壤各粒径团聚体中的球囊霉素均不低于耕地和草地土壤,这说明林地土壤较其他类型土壤更有利于球囊霉素的积累。     

黄土丘陵区植被恢复中土壤团聚体演变及其与土壤性质的关系

在野外调查与室内分析的基础上,对黄土丘陵区典型草原带植被自然恢复过程中土壤水稳性团聚体及其主要影响因子的演变规律进行了研究,并用通径分析法对二者的相互关系进行了定量分析。结果表明:随着植被演替,土壤中大粒级水稳性团聚体含量逐步增加,>5mm粒级团聚体在土壤团粒结构中占主导地位,含量占50%~80%。其次是5~2mm含量,占到10%~15%左右。不同群落之间>5mm团聚体含量在2m深土层加权平均值比较结果为:大羽茅群落>长芒草群落>铁杆蒿群落>百里香群落>香茅草群落,其中大羽茅群落是香茅草群落>5mm团聚体含量的近5倍,长芒草群落也是香茅草群落的近4倍左右。主要影响因子对团聚体直接作用系数的大小为:物理性粘粒>有机质>全氮>全铁>阳离子交换量>全量铝>游离铁>全磷>pH值>粘粒>碳酸钙。物理性粘粒、有机质和全氮是影响水稳性团聚体含量的主要因子。     

应用分形维数研究土壤团聚体与低吸力段持水性的关系

将土壤水动力参数和易测定的土壤物理特性联系起来一直是土壤物理学的重要研究内容,分形理论为这方面研究提供了新的途径。本文以贡嘎山亚高山林区11个土壤样品为例,研究了土壤团聚体分形维数和低吸力段持水曲线分形维数的关系。结果表明:分形维数能较好地描述土壤团聚体数量组成、土壤水分分配;干、湿团聚体分形维数(CFD、WFD)与低吸力段持水曲线分形维数(FDw)之间相关系数为0.891、0.759,呈极显著性直线正相关,线性回归方程式定量地描述了研究区森林土壤团聚体对土壤低吸力段持水性能的影响。     

茶渣生物质炭对茶园土壤团聚体及其有机碳分布的影响

将茶生产过程中产生的茶渣在500℃下制成生物质炭,针对雅安名山区3种典型茶园土壤(紫色土、水稻土和黄壤)进行112 d的室内培养试验,包括CK、0.5%、1%、2%和4%5种炭土比,共计15个处理,采用湿筛法分析不同生物质炭添加比例下3种茶园土壤水稳性团聚体组成、稳定性和有机碳分布的影响。研究表明:生物质炭输入后3种土壤>0.25 mm粒径水稳性大团聚体的数量有所增加,且生物质炭添加比例越高提升越大,其中紫色土中>2 mm粒径含量增幅最大,最高提升了12.71%;水稻土和黄壤则是0.25～2 mm粒径增幅最大,最高分别提升了8.25%和8.19%。3种土壤的MWD、GMD和R0.25值均有所增加,土壤水稳性团聚体稳定性增加,表现为高添加量下作用更显著,且对黄壤的提升效果最佳。3种土壤各粒径团聚体有机碳的含量大幅提升,且随添加比例的增加而增加,各处理间差异显著(P<0.05),紫色土中<0.053 mm粒径的增幅高达96.35%,水稻土中0.053～0.25 mm粒径有机碳含量增幅高达74.22%,黄壤中>2 mm粒径有机碳含量增幅最高达到334.79%。3...